黃土丘陵區生物結皮對坡面流水動力特征的影響

張慧妮, 王 兵,2, 張寶琦, 韓劍橋, 許歡歡

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌712100; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3.黃河水土保持西峰治理監督局, 甘肅 慶陽 745000)

土壤生物結皮是由生長在土壤表面及其以下的細菌、真菌、苔蘚和地衣類等個體微小的生物成分與土壤相互作用而形成的復雜復合土層[1]，具有重要的生態功能。生物結皮一方面可改變表層土壤黏結力，促進土壤團聚體形成，提高土壤的抗侵蝕能力[2-3]，另一方面可改善坡面入滲，影響水動力特性進而對坡面侵蝕產生影響[4-5]。如生物結皮可增加表層斥水性，形成不透水層，影響產流過程[6-7]，改變坡面流流態，降低坡面流流速[8]，進而減少土壤侵蝕量。黃土高原實施退耕還林(草)工程后，以藻和苔蘚為主要組成物的生物結皮得以廣泛發育，其蓋度可達70%左右[9]。不同類型生物結皮組成和表面微形態具有差異，藻結皮黏連作用形成無機層使表面平滑，苔蘚結皮植物體密集叢生[2,10]，不同類型生物結皮形成的下墊面不同，其水動力特性具有差異。此外，踩踏、凍融交替等均是自然界常見干擾，適度干擾及凍融交替可緩解區域水分狀況，但也使原有結構在一定程度受到破壞，邊緣翻起[11-12]。研究[13]表明生物結皮在11 Pa水流剪切力下會出現失效點，成層揭開，而結皮破壞后的表土由于無物理結皮保護，土壤侵蝕可能反而加劇。目前，有關生物結皮直接作用于土壤侵蝕的研究較多[14-16]，而對于生物結皮覆蓋及破壞狀態下坡面流水動力特性研究較少。基于此，本研究采用人工模擬降雨的試驗方法，探究不同類型生物結皮破壞前后坡面流水力學特征，以期為黃土高原丘陵區生物結皮坡面流侵蝕水動力研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

1.1.1 試驗土槽及接種方法 試供土樣采自黃土丘陵溝壑區安塞縣紙坊溝流域，其土壤質地為粉質壤土，機械組成為黏粒15.74%，粉粒63.45%，砂粒20.81%(土壤顆粒組成采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀進行測定)。將試供土樣過2 mm篩備用，填土前，將土槽調至水平，在土槽底部均勻裝填0.1 m厚的天然沙，并在沙子表面鋪上透水紗布，保證土壤能夠有良好的透水性。按照容重1.2 g/cm3分4層每層10 cm厚填土，填裝下層之前將表土打毛，消除土壤之間的分層現象。接種材料及方法：藻結皮種源為硅藻，接種量為50 g/m2，將藻粉溶于1 L水中并均勻噴灑于試驗土槽表面；苔蘚結皮種源采自紙坊溝流域鐵桿蒿樣地，選取具有成熟孢蒴的蘚結皮，鏟取蘚結皮同1 cm的土層，剔出肉眼可辨的植物殘渣、土塊、石子并裝入潔凈塑料袋中，運回實驗室自然風干，用粉碎機粉碎后制成種子土，接種量為1 000 g/m2，均勻灑于試驗土槽的土壤表面，定期澆水保證結皮正常生長。

1.1.2 試驗處理 本試驗共設置5個處理(表1)，其中每個處理2個重復，共10個試驗土槽(2.0 m×0.5 m×0.5 m)。T0為靜置2個月的裸地對照處理，T1為種植兩個月的藻結皮處理(蓋度為68.3%，厚度變化范圍為1.18～1.87 mm)，T2為種植兩個月后鏟除藻結皮處理，T3為種植兩個月的苔蘚結皮處理(蓋度為59.2%，厚度變化范圍為4.00～4.18 mm)，T4為種植兩個月后鏟除苔蘚結皮處理。破壞處理均為輕鏟掉生物結皮，使其與土壤分離，用小刷子掃去表面浮土。

1.1.3 試驗降雨過程 2019年6月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行模擬降雨試驗。降雨試驗前將土槽緩慢噴水至飽和，減少前期含水量差異對試驗的影響，試驗使用QYJY-503側噴式人工降雨設備，降雨高度18 m，可調節雨強范圍為30～300 mm/h，降雨均勻度大于80%，雨滴終點速度近似天然降雨。降雨前率定降雨強度，以確保最終調試的降雨強度的誤差在5%內。本次試驗降雨坡度為25°，試驗土槽坡長為2 m，考慮到黃土高原極端降雨情況[17]，平均雨強設置為120 mm/h，為減小試驗過程中人為干擾的影響，從坡面產流4 min后開始計時，降雨歷時為60 min，每隔2 min接一次徑流泥沙樣稱重，并使用高錳酸鉀染色示蹤法測定2次水流流經坡面中段0.5～1 m的時間以計算流速，同時記錄水流溫度以計算運動黏性系數。

表1 生物結皮各處理試驗設置及說明

1.2 水動力參數計算

為了描述坡面流水動力特征的變化，本試驗選取雷諾數(Re)、傅汝德數(Fr)、流速(V，m/s)、水流剪切力(τ，Pa)、Darcy-Weisbach阻力系數(f)、水流功率〔ω，N/(m·s)〕參數指標進行水動力特征描述，各參數的計算公式為：

(1)

(2)

V=kVm

(3)

(4)

τ=ρgRJ

(5)

(6)

W=τV

(7)

式中：V為徑流平均流速(m/s)；h為坡面水深(m)；γ為運動黏性系數(m2/s)，是水流溫度的函數；g為重力加速度，取9.8 m/s2；Vm為坡面流表層流速(m/s)；k為修正系數，取0.67[18]；q為流經土槽的單寬流量〔m3/(s·m)〕；ρ為水的容重(kg/m3)；R為水力半徑，用水深h代替水力半徑(m)；J為水力坡度，取坡度的正切值。

2 結果與分析

2.1 流 態

本試驗中各處理坡面流平均雷諾數由大到小依次為：T4>T2>T3>T1>T0，生物結皮覆蓋及破壞處理均不同程度增大了雷諾數，且生物結皮破壞處理(T2，T4)的雷諾數高于生物結皮處理(T1，T3)，其中生物結皮處理(T1，T3)的雷諾數分布范圍為22.98～46.90，生物結皮破壞處理(T2，T4)雷諾數分布范圍為44.57～49.67。除藻結皮處理(T1)雷諾數變化較大外，其余各處理分布都較為集中(圖1)，且均遠小于500，表明各處理(T1，T2，T3，T4)在降雨過程中黏滯力占主導地位，坡面流均為層流。傅汝德數(Fr)常用來表示水流慣性力和重力的大小，其值與1的大小用來確定水流的流型，各處理坡面流平均傅汝德數由大到小依次為：T0>T4>T2>T1>T3>1，各處理(T1，T2，T3，T4)坡面流均為急流。生物結皮處理(T1，T3)的傅汝德數變化范圍為1.21～3.06顯著低于裸地(p<0.05)，其中苔蘚結皮處理(T3)傅汝德數接近于1，顯著區別于藻結皮處理(T1)(p<0.05)。生物結皮破壞處理(T2，T4)的傅汝德數變化范圍為5.93～7.75小于裸地。研究表明生物結皮覆蓋可顯著降低坡面流傅汝德數(p<0.05)，結皮破壞后坡面水流流態與裸地無顯著差別。

圖1 不同處理坡面水流流型、流態特征

2.2 流速和水流剪切力

流速作為坡面流觀測的關鍵變量之一是水動力參數計算的基礎[19]，生物結皮處理(T1，T3)的流速變化較為平穩，生物結皮破壞處理(T2，T4)的流速波動變化(圖2)。各處理坡面流平均流速由大到小依次為：T4>T2>T0>T1>T3，藻結皮處理(T1)及苔蘚結皮處理(T3)較裸地(T0)流速分別減少了48.74%和62.24%，藻結皮破壞處理(T2)和苔蘚結皮破壞處理(T4)較裸地(T0)流速分別增加了10.84%，16.46%。研究表明結皮覆蓋較裸地可以顯著降低流速(p<0.05)，結皮破壞時流速顯著增加(p<0.05)。

水流剪切力作為一種基本的水動力學參數，對了解細溝侵蝕機理和建立侵蝕模型有重要的意義。各處理平均水流剪切力由大到小依次為：T3>T1>T2>T4>T0，水流剪切力隨著降雨歷時的延長均呈上升的變化趨勢，其中藻結皮處理(T1)在前25 min變化平穩，在30 min時呈快速增加的變化趨勢(圖3)。藻結皮處理(T1)及苔蘚結皮處理(T3)較裸地(T0)水流剪切力分別增加了130.01%和308.07%，藻結皮破壞處理(T2)和苔蘚結皮破壞處理(T4)較裸地(T0)水流剪切力分別增加了36.83%，42.44%。研究結果表明生物結皮覆蓋下坡面流水流剪切力顯著增加(p<0.05)，結皮去除后水流剪切力較結皮覆蓋減小但仍顯著高于裸地(p<0.05)。

圖2 生物結皮各處理流速過程及平均值

圖3 生物結皮各處理水流剪切力過程及平均值

2.3 Darcy-Weisbach阻力系數

Darcy-Weisbach阻力系數(f)的大小表征下墊面對水流的水力阻力狀況。本試驗中，阻力系數隨著降雨歷時的延長呈波動增加(圖4)。各處理坡面流Darcy-Weisbach阻力系數平均值由大到小依次為：T3>T1>T2>T0>T4，藻結皮處理(T1)及苔蘚結皮處理(T3)較裸地(T0)的Darcy-Weisbach阻力系數分別增大了703.35%和2 532.01%，藻結皮破壞處理(T2)及苔蘚結皮破壞處理(T4)與生物結皮處理(T1，T3)相比Darcy-Weisbach阻力系數分別減小了86.52%和96.44%，且與裸地(T0)的Darcy-Weisbach阻力系數無顯著差異，其中苔蘚結皮破壞處理(T4)的Darcy-Weisbach阻力系數甚至較裸地降低了6.16%。試驗表明生物結皮覆蓋可顯著增大Darcy-Weisbach阻力系數(p<0.05)，影響坡面阻力狀況，結皮破壞后Darcy-Weisbach阻力系數較生物結皮覆蓋顯著降低且與裸地無顯著差別。

2.4 水流功率

水流功率表征一定高度水流在順坡流動時所具有的勢能，反映剝蝕一定量土壤所需功率。在整個降雨過程中水流功率隨降雨歷時呈波動增加，其中藻結皮處理(T1)水流功率波動較大，與水流剪切力變化趨勢相同，在前25 min變化平穩，在30 min時快速增加(圖5)。水流功率平均值由大到小依次為：T4>T2>T3>T1>T0。各處理(T1，T2，T3，T4)水流功率較裸地T0均不同程度顯著增加(p<0.05)，其中藻結皮處理(T1)及苔蘚結皮處理(T3)較裸地(T0)水流功率分別增大21.16%和57.43%，藻結皮破壞處理(T2)和苔蘚結皮破壞處理(T4)較裸地(T0)水流功率分別增大60.90%和62.14%。試驗表明生物結皮覆蓋下水流功率顯著增加(p<0.05)，結皮破壞后水流功率進一步增大。

圖5 生物結皮各處理水流功率過程及平均值

3 討 論

坡面徑流作為三維、非恒定、非均勻的沿程變量流，其水動力參數非定值常數[20]，由于試驗技術限制，當前研究坡面流水動力多采用借鑒明渠水流研究理論，本試驗中也均借鑒明渠水流研究理論討論坡面平均狀況下的水動力特性。經典的明渠水流研究理論中雷諾數小于500時坡面流為層流[21]，本試驗中各處理平均雷諾數均遠小于500坡面流均為層流，薄層徑流受到降雨影響雖屬層流但其流體紊動強烈，當前對坡面流流態歸屬尚未有定論，但均認為坡面薄層水流的層流與明渠水流層流存在區別[22]。此外，當前研究表明生物結皮可顯著改變坡面流流型，降低坡面徑流能量[5]，本研究中生物結皮覆蓋下流型雖未改變，但其坡面流傅汝德數仍顯著降低(p<0.05)，其徑流流型接近于較為簡單的緩流，降低坡面溝蝕發生的可能，結皮破壞后坡面流傅汝德數與裸地無顯著差異。

生物結皮生長使土壤表層形成了一個滲透性和抗侵蝕性不同于下層的土層[3]，從而影響水動力過程。當前研究表明藻結皮生長發育會使表面糙度增加[23]，而苔蘚結皮作為剛性植物的一種也可通過吸水體積膨脹，高度增高造成隨機糙度的增大[12,24]，生物結皮通過增大表面糙度，影響坡面阻力狀況，使流體動能減小，降低坡面流流速。然而，不同于藻結皮，苔蘚結皮為具有一定高度的簇狀生長，為徑流提供通道的同時，對坡面徑流形成阻水作用，使坡面形成壅水，增加徑流能量消耗，因此，苔蘚結皮坡面流流速較藻結皮顯著降低(p<0.05)。此外，當前研究表明生物結皮覆蓋可降低土壤飽和導水率減少入滲，增加坡面徑流量[25]，進而使坡面流勢能增加，本試驗中苔蘚促進產流作用強于藻結皮，徑流量的增加及流速的減小使坡面流水深增加，坡面流勢能增大，表征侵蝕動力的水流剪切力及水流功率增加，生物結皮覆蓋下徑流潛在侵蝕能力提高。這與當前研究生物結皮可減少侵蝕的研究結果不符[14,26]，主要是由于生物結皮增加徑流侵蝕力的同時，亦會影響土壤黏結力與團聚體含量，提高土壤抗沖性減少土壤侵蝕發生概率[16]。

生物結皮對環境改變、人為干擾較為敏感，生物結皮破壞后土壤可蝕性增大[15]，坡面水蝕過程取決于徑流侵蝕力[27]。本試驗中結皮破壞后阻力系數與裸地無差異，流速、水流剪切力、水流功率均顯著高于裸地(p<0.05)，其主要原因是結皮破壞后表面粗糙度降低，阻力狀況與裸地無差異，坡面流消耗的能量減少造成流速的增加，且試驗土壤為不同于沙土的粉質壤土，生物結皮破壞后土壤對水分滲透性的抑制作用不能立刻解除[3,28]，導致坡面徑流量仍多余裸地，造成了結皮破壞后流體能量的增加，水流剪切力及水流功率增高，坡面徑流侵蝕力增強。

4 結 論

(1) 生物結皮覆蓋及破壞下坡面流均屬于層流急流，生物結皮可顯著降低坡面流傅汝德數(p<0.05)，使徑流運動狀態接近于較簡單的緩流，生物結皮破壞后坡面流流態與裸地無顯著區別。

(2) 生物結皮一方面可改變地表粗糙度，增加坡面流阻力系數，增大徑流消耗，降低坡面流流速。另一方面可通過增加坡面徑流，使流體勢能增加，增大坡面流水流剪切力及水流功率，增加徑流侵蝕風險。此外，由于苔蘚結皮與藻結皮結構的差異，兩種類型生物結皮下坡面流水動力特征也有顯著區別(p<0.05)。

(3) 生物結皮破壞后坡面阻力狀況與裸地相近，流體能量消耗減少，坡面水蝕過程取決于水流侵蝕力，坡面流流速、水流剪切力、水流功率均顯著高于裸地(p<0.05)，徑流侵蝕能力增強。