降雨對不同坡比邊坡產(chǎn)流產(chǎn)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(xué)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(qū)侵蝕溝數(shù)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(jù)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(fā)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(chǎn)力下降等諸多不利后果。侵蝕溝是東北黑土區(qū)水土流失問題的集中表現(xiàn)，是水土流失治理的重點[5]。侵蝕溝按照不同發(fā)展階段可劃分為發(fā)展溝、穩(wěn)定溝和半穩(wěn)定溝[6]，其中半穩(wěn)定溝和穩(wěn)定溝的溝道兩側(cè)邊坡相對平緩，植被能穩(wěn)定的生長，而發(fā)展溝的溝道坡面坡度較大，溝岸及溝坡經(jīng)常發(fā)生崩塌[7]、滑坡等現(xiàn)象，鮮有植被生長。發(fā)展溝的溝岸擴張、溝底下切，發(fā)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(jié)合為主，陡峭邊坡需削坡至穩(wěn)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(yōu)于草本植被。但在侵蝕溝恢復(fù)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(yōu)點，在侵蝕溝邊坡前期防護中應(yīng)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(qū)的觀測，了解分析在植被覆蓋下次降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的貢獻，以期為侵蝕溝植被邊坡防護提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 徑流小區(qū)布設(shè)

在黑龍江省水土保持科技園區(qū)一自然坡面上進行人工削坡，設(shè)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(shè)置A 組、B 組試驗區(qū)，每個試驗區(qū)又分為8 個微型徑流小區(qū)，小區(qū)間隔為0.3 m，邊界由鐵板構(gòu)成，鐵板高40 cm，地下埋深20 cm。徑流小區(qū)由坡面區(qū)、集流區(qū)、導(dǎo)流區(qū)組成，如圖1 所示。通過導(dǎo)流區(qū)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(shè)計

選取適合在當?shù)厣L，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(nèi)發(fā)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(yīng)的小區(qū)坡面。播種后覆0.5～1.0 cm表土，輕輕鎮(zhèn)壓，苫蓋遮陽網(wǎng)。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(chǎn)流后，將集流桶內(nèi)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(qū)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(fēng)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(tǒng)計分析

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

6—9月采集有效徑流泥沙樣23次，對應(yīng)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(chǎn)流情況

2.1.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產(chǎn)流由圖2 可知，總體上次降雨產(chǎn)流量隨雨量大小的變化而變化。0～5 mm 次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流2.4 L，5～10 mm次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流4.4 L，大于10 mm 次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流7.4 L。同等次降雨量對6月和7月產(chǎn)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(qū)建設(shè)土層穩(wěn)定性受干預(yù)造成的，賀小容等研究表明土層緊實度直接影響坡面產(chǎn)流結(jié)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(chǎn)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(chǎn)流量大。8 月30 日雖雨強和土壤侵蝕力較低，但之前發(fā)生連續(xù)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(chǎn)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(guān)，影響7月15日的降雨入滲量。8月前，不同降雨量下，B1～B8產(chǎn)流量差距較小，8月及以后B1～B8產(chǎn)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(dǎo)致植被截流降雨作用的差距，產(chǎn)流量不同。7—9月，各次降雨B8產(chǎn)流量都高于植草各徑流小區(qū)，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(qū)各次降雨下產(chǎn)流量相差不大，8—9月，5 mm降雨量左右時各徑流小區(qū)產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)流由圖3 可知，A 組次降雨產(chǎn)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(qū)平均產(chǎn)流2.4 L，5～10 mm降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流4.9 L，大于10 mm降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流8.4 L。坡度增大，次降雨量愈大，A 組產(chǎn)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(chǎn)流增加的可能性[13]。整體上看A7、A6、A5和A3產(chǎn)流量較小，但不同時間段優(yōu)勢植被配置不同，6月A3和A7產(chǎn)流少，7月A6和A7產(chǎn)流少，8 月A3 和A7 產(chǎn)流少，9 月A7、A3、A5 產(chǎn)流均低。6 月和7月A組和B組各次降雨產(chǎn)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(chǎn)流量相近。8月除4日和27日A組產(chǎn)流量明顯高于B組，其他次產(chǎn)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(guān)。9月各次降雨產(chǎn)流量A組顯著高于B組。即坡度變陡后，植被生長前期產(chǎn)流量大小較為一致，8月雨量較小時A組和B組產(chǎn)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(chǎn)流大于B組。

2.2 1:1.5和1:1.2坡比邊坡降雨產(chǎn)沙情況

2.2.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產(chǎn)沙由圖4 可知，整體上產(chǎn)沙量不隨降雨量大小的變化而變化，各次降雨下產(chǎn)沙量差距懸殊，存在閾值。降雨量小于15 mm，產(chǎn)沙量較少，降雨量大于15 mm，產(chǎn)沙量明顯升高，且B8產(chǎn)沙量比其他植被配置徑流小區(qū)增長量更大。王蕙[14]、黃俊[15]、鐘壬琳等[16]試驗表明坡面產(chǎn)沙隨雨強增大產(chǎn)沙量也增大。6月和7月次降雨下的產(chǎn)沙量較高，一方面由于徑流小區(qū)建成初始，土壤容重、緊實度、穩(wěn)定性等變化而受到影響，另一方面由植被根系發(fā)育不完全，固土能力弱導(dǎo)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(chǎn)沙量[17]。產(chǎn)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(chǎn)沙量也較多，其他次降雨產(chǎn)沙量則極小。6 月5 日，徑流小區(qū)土壤穩(wěn)定性沒有恢復(fù)，土壤顆粒隨徑流極易被帶走導(dǎo)致產(chǎn)沙量大。7月19日產(chǎn)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(chǎn)沙量卻較高，是因為8 月24—27 日有連續(xù)降雨，土壤含水量接近飽和，地表產(chǎn)流量大帶走泥沙量大。相同降雨量下，6 月和7 月產(chǎn)沙量高于8 月和9月。6月植被混播配置B6、B7、B3產(chǎn)沙較少，隨著時間推移，不同時間段優(yōu)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(chǎn)沙量高變?yōu)槊黠@下降，甚至超過混播配置及紫花苜蓿。9月產(chǎn)沙量均極少。

2.2.2 1:1.2 坡比邊坡降雨產(chǎn)沙由圖5 可知，A 組在各次降雨下產(chǎn)沙走勢與B 組基本一致，次降雨產(chǎn)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(chǎn)沙量明顯增加，特別是7月19日A組產(chǎn)沙急劇增長，與趙龍山等[18]研究表示坡面產(chǎn)沙量隨坡度增大而增加相同。6 月5日和7 月20 日產(chǎn)沙量也較高，其他次降雨產(chǎn)沙量極小。6—9 月0～5 mm 降雨下A 組與B 組產(chǎn)沙量相近，6月和7 月大于5 mm 次降雨A 組產(chǎn)流顯著高于B 組同期產(chǎn)沙量，8月和9月則差距不大。8月24—27日連續(xù)降雨時均有產(chǎn)沙，略高于B 組同期產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)沙減少。初期A3產(chǎn)沙量較少，后期A5 和A7 產(chǎn)沙量少。因為各徑流小區(qū)播種重量一致，A3紫花苜蓿播種量大，快速出苗，根系發(fā)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(jié)果一致[20]，與孫婷婷等[21]研究認為紫花苜蓿混合生態(tài)護坡保土效果好一致。

3 結(jié)論

（1）產(chǎn)流量與降雨量密切正相關(guān)，產(chǎn)沙量并未隨降雨量緊密變化，不同次降雨范圍產(chǎn)沙量差距懸殊，15 mm 雨量是產(chǎn)沙量的閾值，產(chǎn)流能力隨植被生長有所降低，但與主要受降雨影響，產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)流量大小較為一致，8月次降雨量較小時產(chǎn)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(chǎn)流都明顯高于1:1.5坡比。

（4）產(chǎn)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(chǎn)沙高于1:1.5 坡比邊坡，8 月和9 月產(chǎn)沙量較少，1:1.2坡比邊坡產(chǎn)沙量略高。

4 討論

1:1.2坡比邊坡植被生長后期產(chǎn)流量稍高，前期產(chǎn)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(yōu)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?nèi)酰钆浜笃隗w現(xiàn)保水保土優(yōu)勢的無芒雀麥或早熟禾，陡坡邊坡防護將達到較好效果。