降雨對不同坡比邊坡產流產沙過程的影響

楊慶楠，徐金忠，李志飛，侯淑艷

（黑龍江省水利科學研究院水土保持研究所，黑龍江省水土保持重點實驗室，哈爾濱 150070）

0 引言

東北黑土區侵蝕溝數量眾多、分布廣泛、侵占土地面積大，侵蝕類型多樣且相互作用。根據2012年全國第一次水利普查，僅黑龍江省長度在100～5000 m的侵蝕溝有11.55 萬條[1]，溝道總面積928.99 km2，總長度45244.34 km，溝道密度0.10 km/km2。受植被覆蓋度低、土壤抗沖性差、降雨相對集中[2]及人為因素等影響，侵蝕溝發展迅速[3]，水土流失形勢嚴峻[4]，造成耕地、道路被吞噬，土地生產力下降等諸多不利后果。侵蝕溝是東北黑土區水土流失問題的集中表現，是水土流失治理的重點[5]。侵蝕溝按照不同發展階段可劃分為發展溝、穩定溝和半穩定溝[6]，其中半穩定溝和穩定溝的溝道兩側邊坡相對平緩，植被能穩定的生長，而發展溝的溝道坡面坡度較大，溝岸及溝坡經常發生崩塌[7]、滑坡等現象，鮮有植被生長。發展溝的溝岸擴張、溝底下切，發展迅速，是侵蝕溝治理中的重中之重。

目前，邊坡植被防護措施研究主要集中于高速公路、道路、填埋場、排土場等特定邊坡[8-11]，鮮有針對侵蝕溝邊坡植被防護措施的研究。在實際侵蝕溝治理中以工程措施與植物措施相結合為主，陡峭邊坡需削坡至穩定邊坡比后進行植被措施的配置，削坡會侵占一定面積的耕地，由于尚無補償政策，往往難以實施。目前侵蝕溝邊坡以栽植喬灌木為主，如楊樹、樟子松、灌木柳、沙棘等，根系深、分布范圍廣，固土作用強，優于草本植被。但在侵蝕溝恢復前期喬灌木生長緩慢、地表裸露面積大，防止雨滴擊濺的能力弱，而草本具有生長速度快、迅速覆蓋地表等優點，在侵蝕溝邊坡前期防護中應用前景廣闊。

因此，本研究以無芒雀麥(Bromus inermisLeyss.)、早熟禾(Poa annuaL.)、紫花苜蓿(Medicago sativaL.)為研究對象，通過野外徑流小區的觀測，了解分析在植被覆蓋下次降雨對產流產沙過程的貢獻，以期為侵蝕溝植被邊坡防護提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 徑流小區布設

在黑龍江省水土保持科技園區一自然坡面上進行人工削坡，設計坡度為1:1.2(39.81°)和1:1.5(33.69°)，坡向為南北向，削坡后坡面回填2～3 cm表土。在1:1.2和1:1.5 坡上分別設置A 組、B 組試驗區，每個試驗區又分為8 個微型徑流小區，小區間隔為0.3 m，邊界由鐵板構成，鐵板高40 cm，地下埋深20 cm。徑流小區由坡面區、集流區、導流區組成，如圖1 所示。通過導流區的徑流泥沙直接流入集流桶（上口直徑28.5 cm，下口直徑25.5 cm，高34 cm）中進行收集。

1.2 試驗設計

選取適合在當地生長，且生長迅速、固土能力強的無芒雀麥、早熟禾、紫花苜蓿3種草種。播種前進行室內發芽試驗。2018 年5 月3 日，人工清理、平整坡面，充分澆水灌溉后將3 種草種按照表1 配置分別按照50 g/m2等重量比例撒播在各相應的小區坡面。播種后覆0.5～1.0 cm表土，輕輕鎮壓，苫蓋遮陽網。出苗前定期灌溉，出苗后無需管理，定期拍攝照片。

1.3 徑流泥沙測定

每次降雨產流后，將集流桶內徑流泥沙充分攪拌均勻，取出500 mL渾水樣品（不足500 mL全部取出），標記好帶回實驗室濾紙過濾、烘干，測定泥沙量，剩余渾水全部倒入量杯中測定體積，做好徑流量的記錄。

表1 徑流小區植被配置

1.4 試驗儀器

降雨因子采用SL-2 型虹吸式雨量器（長春，0.1 mm精度）測量；泥沙樣品采用鼓風恒溫烘干箱（中國大陸，1℃）烘干，稱重采用天美JA2603D 電子天平（上海，1 mg）測定。

1.5 統計分析

采用Excel軟件進行數據統計分析與作圖。

2 結果與分析

6—9月采集有效徑流泥沙樣23次，對應的降雨歷時、平均雨強、最大30 min雨強(I30)、降雨總動能(E)、降雨侵蝕力(EI30)情況，見表2。

2.1 1:1.5和1:1.2坡比邊坡降雨產流情況

2.1.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產流由圖2 可知，總體上次降雨產流量隨雨量大小的變化而變化。0～5 mm 次降雨量，徑流小區平均產流2.4 L，5～10 mm次降雨量，徑流小區平均產流4.4 L，大于10 mm 次降雨量，徑流小區平均產流7.4 L。同等次降雨量對6月和7月產流的影響大于8月和9月，主要是由于植被覆蓋率低和徑流小區建設土層穩定性受干預造成的，賀小容等研究表明土層緊實度直接影響坡面產流結果[12]，同時徑流對降雨量的敏感性隨植被蓋度的提高而降低。但也存在特殊情況，如7月15日和8月30日的降雨量相對較低，但產流量卻較高，是因為7月15日降雨的歷時短，平均雨強、E 和EI30較大，對坡面的侵蝕能力強，產流量大。8 月30 日雖雨強和土壤侵蝕力較低，但之前發生連續降雨，土壤含水量高，土壤下滲能力差，進而形成較多地表徑流。7 月15 日與7 月16 日的降雨量相差懸殊，產流量卻相近均較高，與7月12日降雨量大、歷時長，土壤有足夠時間入滲，土壤含水量高有關，影響7月15日的降雨入滲量。8月前，不同降雨量下，B1～B8產流量差距較小，8月及以后B1～B8產流量差距變大，且降雨量越高，差距越顯著，這是由于前期植被覆蓋率均很低，受植被影響較小，雨熱同期后不同草種植被覆蓋率有顯著差異，導致植被截流降雨作用的差距，產流量不同。7—9月，各次降雨B8產流量都高于植草各徑流小區，且隨時間推進差距逐漸增大，可見植被減流作用的重要性。6月中旬—7月，除B1和B2的其他植被配置小區各次降雨下產流量相差不大，8—9月，5 mm降雨量左右時各徑流小區產流差別不顯著，10 mm 左右降雨量時B7減流作用非常顯著。前期B3減流作用明顯優于B1和B2，后期B1和B2減流作用反超B3。

表2 次降雨各因子情況

2.1.2 1:1.2 坡比邊坡降雨產流由圖3 可知，A 組次降雨產流隨雨量大小的變化而變化，與B組趨勢一致，0～5 mm降雨量，徑流小區平均產流2.4 L，5～10 mm降雨量，徑流小區平均產流4.9 L，大于10 mm降雨量，徑流小區平均產流8.4 L。坡度增大，次降雨量愈大，A 組產流量愈高于B 組，但增量很小。肖登攀等研究也表明坡度增大后，增大產流增加的可能性[13]。整體上看A7、A6、A5和A3產流量較小，但不同時間段優勢植被配置不同，6月A3和A7產流少，7月A6和A7產流少，8 月A3 和A7 產流少，9 月A7、A3、A5 產流均低。6 月和7月A組和B組各次降雨產流量相近，雖坡度變大，但同樣降雨量和較低植被蓋度情況下，產流量相近。8月除4日和27日A組產流量明顯高于B組，其他次產流A組和B組相差不大，與降雨量大小和土壤條件密切相關。9月各次降雨產流量A組顯著高于B組。即坡度變陡后，植被生長前期產流量大小較為一致，8月雨量較小時A組和B組產流差距不大，當雨量較大時，差距明顯變大，9月無論降雨量大小A組產流大于B組。

2.2 1:1.5和1:1.2坡比邊坡降雨產沙情況

2.2.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產沙由圖4 可知，整體上產沙量不隨降雨量大小的變化而變化，各次降雨下產沙量差距懸殊，存在閾值。降雨量小于15 mm，產沙量較少，降雨量大于15 mm，產沙量明顯升高，且B8產沙量比其他植被配置徑流小區增長量更大。王蕙[14]、黃俊[15]、鐘壬琳等[16]試驗表明坡面產沙隨雨強增大產沙量也增大。6月和7月次降雨下的產沙量較高，一方面由于徑流小區建成初始，土壤容重、緊實度、穩定性等變化而受到影響，另一方面由植被根系發育不完全，固土能力弱導致的，占海歌研究表明植物根系能提高土壤的抗蝕性，降低產沙量[17]。產沙量主要集中在6 月20 日和7 月16 日兩次降雨，是由于植被覆蓋率低，平均雨強、I30、E、EI30高造成的。同時6 月5 日、7 月19 日和8 月30 日產沙量也較多，其他次降雨產沙量則極小。6 月5 日，徑流小區土壤穩定性沒有恢復，土壤顆粒隨徑流極易被帶走導致產沙量大。7月19日產沙量較高由平均雨強、I30、E、EI30較高形成的。8 月30 日降雨量較小產沙量卻較高，是因為8 月24—27 日有連續降雨，土壤含水量接近飽和，地表產流量大帶走泥沙量大。相同降雨量下，6 月和7 月產沙量高于8 月和9月。6月植被混播配置B6、B7、B3產沙較少，隨著時間推移，不同時間段優勢植被配置不同，7 月B3、B4、B5減沙效果較好。8月B1和B2相比其他植被配置，由前期產沙量高變為明顯下降，甚至超過混播配置及紫花苜蓿。9月產沙量均極少。

2.2.2 1:1.2 坡比邊坡降雨產沙由圖5 可知，A 組在各次降雨下產沙走勢與B 組基本一致，次降雨產沙主要集中在6月20日、7月16日和7月19日，同樣的次降雨量，坡度變大后，坡面抗侵蝕能力降低，產沙量明顯增加，特別是7月19日A組產沙急劇增長，與趙龍山等[18]研究表示坡面產沙量隨坡度增大而增加相同。6 月5日和7 月20 日產沙量也較高，其他次降雨產沙量極小。6—9 月0～5 mm 降雨下A 組與B 組產沙量相近，6月和7 月大于5 mm 次降雨A 組產流顯著高于B 組同期產沙量，8月和9月則差距不大。8月24—27日連續降雨時均有產沙，略高于B 組同期產沙。侯沛軒[19]研究表明，除去降雨、坡度、坡向、土壤等相同因素，產沙量的差異主要來源于徑流量大小和植被種類的不同。但8月30日次降雨下，A組產沙量低于B組，是因為坡度變大后，坡面入滲能力降低，8月24—8月27日產流量相對較多，土壤入滲量并未達到飽和，8月30日降雨土壤入滲增加，地表徑流減少，產沙減少。初期A3產沙量較少，后期A5 和A7 產沙量少。因為各徑流小區播種重量一致，A3紫花苜蓿播種量大，快速出苗，根系發揮作用和降低擊濺作用較早，與艾寧研究植被改土可減沙結果一致[20]，與孫婷婷等[21]研究認為紫花苜蓿混合生態護坡保土效果好一致。

3 結論

（1）產流量與降雨量密切正相關，產沙量并未隨降雨量緊密變化，不同次降雨范圍產沙量差距懸殊，15 mm 雨量是產沙量的閾值，產流能力隨植被生長有所降低，但與主要受降雨影響，產沙能力受植被生長影響相對較大。

（2）不同時間段次降雨減流減沙優勢植被配置不同，紫花苜蓿草種前期減流減沙效果好，無芒雀麥和早熟禾草種后期減流減沙效果好。

（3）坡度變大后6月和7月次降雨產流量大小較為一致，8月次降雨量較小時產流量也相近，當次降雨量較大時，差距變大，9月無論次降雨量大小1:1.2坡比產流都明顯高于1:1.5坡比。

（4）產沙量主要集中在6月和7月的幾次降雨中，1:1.2 坡比邊坡產沙高于1:1.5 坡比邊坡，8 月和9 月產沙量較少，1:1.2坡比邊坡產沙量略高。

4 討論

1:1.2坡比邊坡植被生長后期產流量稍高，前期產沙量較高，在植被配置時要充分考慮前期水熱條件不足情況下仍能較早出苗且植被覆蓋有優勢的紫花苜蓿，并需提高混播比例，但紫花苜蓿后期保水保土效果變弱，搭配后期體現保水保土優勢的無芒雀麥或早熟禾，陡坡邊坡防護將達到較好效果。