植被覆蓋對丘陵地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響研究

朱翔宇

河北省石家莊水文勘測研究中心，河北石家莊 050051

土壤侵蝕是我國丘陵地區(qū)較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。土壤的侵蝕將導(dǎo)致土地被破壞，被帶走的土壤流入河道，沉積在下游，加劇了洪水的危害。土壤侵蝕嚴(yán)重時還會導(dǎo)致山體滑坡和泥石流的發(fā)生。針對此問題，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。

朱志卓等[1]研究了水力侵蝕下砒砂巖區(qū)植被格局對微地形和侵蝕的影響，結(jié)果表明均勻分布格局對水力侵蝕條件下砒砂巖坡面土壤侵蝕程度的抑制效果最佳；孫若修等[2]研究了模擬降雨下坡面草帶分布對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，結(jié)果表明坡面平均產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨著相對距離的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；陳澤勛等[3]對模擬降雨條件下典型草原坡面初始產(chǎn)流時間及產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明草地坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量與降雨強(qiáng)度和坡度均呈正相關(guān)，與植被蓋度呈負(fù)相關(guān)；楊章泉[4]研究了丘陵溝壑區(qū)植被過濾帶對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明設(shè)置植被過濾帶可以有效控制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙，具有良好的水土保持作用。

以上學(xué)者對不同植被覆蓋條件下坡面侵蝕過程進(jìn)行了研究，并對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進(jìn)行了分析。參考以上學(xué)者的研究結(jié)論，通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了植被覆蓋對丘陵地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，并在不同強(qiáng)度降雨和不同植被覆蓋率條件下，對天然草地坡面徑流速率和產(chǎn)沙強(qiáng)度的動態(tài)變化進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)榈湫偷狞S土高原半干旱丘陵區(qū)，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥。該地區(qū)的主要土壤為晚更新世黃土或馬蘭黃土，覆蓋著平均深度超過100 m的厚黃土地幔，質(zhì)地粉砂質(zhì)，抗侵蝕性較弱。在0～80 cm的深度間隔內(nèi)，干容重平均為1.35 g/cm3，粒徑≥0.02 mm的顆粒重量百分比為86%，粒徑0.02～0.002 mm的重量百分比為7%，粒徑＜0.002 mm的重量百分比為6%。研究區(qū)域?yàn)樯植菰貛В瑥呐瘻貛淙~闊葉林過渡到干燥草原，原來的森林草原植被已被完全取代。天然次生植被生長在丘陵頂部和陡坡上，主要由針茅、艾草以及野菊花覆蓋。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

為了在降雨模擬之前估計植被覆蓋率，使用數(shù)碼相機(jī)在垂直于天然草地坡度的方向上獲得植被圖像。選擇了5個不同的植被覆蓋率：0%、25%、45%、65%和85%，每個植被覆蓋區(qū)(VC)有2個地塊，共10個試驗(yàn)地塊。用于天然草地和裸露斜坡的地塊為2.4 m×1.8 m，在每個地塊中，沿周邊安裝2 mm厚的鋼板，突出地面35 cm，形成徑流地塊。

便攜式人工降雨模擬器主要由1個澆水裝置和1個降雨發(fā)生器組成。該澆水裝置是一種馬里奧特?zé)浚梢栽谒渲刑峁┖愣ǖ乃唬员ＷC降雨的均勻性。經(jīng)過幾次測試，平均均勻系數(shù)＞85%。降雨模擬區(qū)域?yàn)?.4 m×1.8 m，雨滴從該區(qū)域上方2 m以上落下。使用變速驅(qū)動電機(jī)和凸輪軸以產(chǎn)生均勻分布的雨滴所需的頻率振蕩液滴成形板，高度為1.5 m的可調(diào)節(jié)支腿用于在各種地面斜坡上，保持跌落形成板的水平。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)研究區(qū)的降雨特征，試驗(yàn)設(shè)置3個降雨強(qiáng)度，分別為0.8、1.6和2.2 mm/min。將模擬降雨應(yīng)用于裸露的山坡或有天然草地覆蓋的地方，持續(xù)120 min。降雨開始時，對降雨強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)，并計算均勻度系數(shù)，如果此系數(shù)＞85%，則開始實(shí)驗(yàn)。按照各降雨強(qiáng)度從低到高的每個小區(qū)進(jìn)行模擬降雨實(shí)驗(yàn)，每次模擬間隔9 d。降雨前測量土壤含水量，然后用噴壺給每個地塊澆水，以保持土壤水分均勻。

地表徑流被適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)到出口，每5 min使用翻斗式雨量計測量1次徑流量和速率，記錄的數(shù)據(jù)用于確定土壤流失和地表徑流的量和速率。在每次試驗(yàn)前，以0～80 cm的間隔對取樣的土壤進(jìn)行濕度測量，并對試驗(yàn)區(qū)附近采集的巖芯樣品進(jìn)行體積密度測量。

為了進(jìn)一步研究不同植被覆蓋程度的天然草地坡面對徑流量和產(chǎn)沙量的調(diào)節(jié)作用，引入了徑流量與減沙量的比值(E′)，0%植被覆蓋率(即裸露的土地斜坡)被用作對照組，使用以下方程確定不同VC條件下的徑流和減沙效率：

式(1)～(3)中，Ev(%)為徑流減少效率，Es(百分比)為泥沙減少效率，E′為徑流量與減沙量之比；Vi(mL)是植被覆蓋率為i(25%、45%、65%和85%)的 地塊的徑流量，V0(mL)為沒有植被覆蓋的裸露斜坡的徑流量，Si(g)是植被覆蓋率為i(25%、45%、65%和85%)的地塊的產(chǎn)沙量，S0(g)為無植被覆蓋的裸坡的產(chǎn)沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋下徑流特征

在相同降雨強(qiáng)度下，徑流量與植被覆蓋率呈負(fù)相關(guān)(圖1)。植被覆蓋率從0%到85%，降雨強(qiáng)度為2.2 mm/min(I2.2)時，增加的徑流量分別減少了7.2%、14.0%、16.8%和17.5%；在降雨強(qiáng)度為1.6 mm/min(I1.6)時，徑流量分別減少了22.5%、46.7%、51.0%和54.4%；降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min時，徑流量分別減少了30.9%、51.9%、59.1%和59.7%。

圖1 草地坡面的平均徑流量

與2個較低的降雨強(qiáng)度(1.6和0.8 mm/min)相比，在2.2 mm/min降雨強(qiáng)度下通過增加植被覆蓋減少的徑流量不明顯，這表明無論植被覆蓋率如何，在高降雨強(qiáng)度(2.2 mm/min)下，天然草地斜坡都會產(chǎn)生高徑流量。分析原因，高強(qiáng)度降雨期間，滲透率較低，因此會產(chǎn)生滲透過量徑流。在丘陵斜坡上，大量降雨以徑流的形式損失，植被在減少徑流方面的效果不明顯，在較低的降雨強(qiáng)度下，徑流減少效益隨著植被覆蓋率的增加而大幅增加，當(dāng)植被覆蓋率＞45%時趨于穩(wěn)定(圖2)。

圖2 草地坡面的徑流減少效益

不同植被覆蓋程度的徑流量可分為3組：0%、25%和45%～85%，且3組之間存在顯著差異，表明存在植被覆蓋的臨界值45%。如果植被覆蓋率＜45%，徑流將大大增加。

在不同植被覆蓋和降雨強(qiáng)度下，徑流量在產(chǎn)流初期表現(xiàn)出快速增長，并在達(dá)到徑流量峰值時趨于穩(wěn)定(圖3)。隨著植被覆蓋的增加，首次探測徑流響應(yīng)的延遲增加。由于植被冠層的截留和較高植被覆蓋率提高的滲透率，植被覆蓋對產(chǎn)流的影響在降雨強(qiáng)度為2.2 mm/min(I2.2)時不太明顯，在較低降雨強(qiáng)度(1.50和0.75 mm/min)條件下，當(dāng)不同植被覆蓋度下坡面徑流強(qiáng)度與降雨時間的關(guān)系在P=0.05時，可由以下方程較好地擬合：

圖3 不同植物覆蓋率的草地坡面徑流速率的變化

式(4)中e和f為擬合參數(shù)，t為降雨時間，擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在80%以上。

3.2 植被覆蓋下產(chǎn)沙特征

與徑流相似，在相同的降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)沙量與植被覆蓋呈負(fù)相關(guān)(圖4)。當(dāng)植被覆蓋率從0%增加到85%時，降雨強(qiáng)度為2.2 mm/min(I2.2)的產(chǎn)沙量分別下降了39.7%、74.1%、86.7%和89.5%；在降雨強(qiáng)度為1.6 mm/min(I1.6)時，產(chǎn)沙量分別下降了44.2%、72.5%、83.2%和86.4%；在降雨強(qiáng)度為0.8 mm/min(I0.8)時，產(chǎn)沙量分別下降了52.6%、81.3%、88.4%和88.9%。

圖4 草地坡面的產(chǎn)沙強(qiáng)度

盡管I0.8和I1.6的平均徑流強(qiáng)度下降幅度小于I2.2，但在所有降雨強(qiáng)度下，平均產(chǎn)沙強(qiáng)度下降幅度基本保持不變。在高降雨強(qiáng)度(2.2 mm/min)下，不同植被覆蓋率的天然草地邊坡在強(qiáng)降雨事件中表現(xiàn)出高徑流量但低產(chǎn)沙量的特征。

在不同植被覆蓋水平和降雨強(qiáng)度下，減沙效益明顯，且隨著植被覆蓋程度的增加而增加(圖5)。然而，當(dāng)植被覆蓋率＞45%時，減沙效益的幅度變小，并逐漸趨于穩(wěn)定。在降雨強(qiáng)度為2.2 mm/min(I2.2)時的減沙效益比徑流減沙效益更顯著，在強(qiáng)降水條件下表現(xiàn)出高徑流量、低產(chǎn)沙的特點(diǎn)。

圖5 草地坡面的減沙效益

與徑流類似，植被覆蓋對產(chǎn)沙量的影響也可分為3組：0%、25%和45%～80%，以上組之間沒有顯著差異，而組間的顯著差異為P=0.05，表明即使是少量的植被覆蓋(25%)也能有效減少坡面土壤流失，當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到45%時，減沙效果趨于穩(wěn)定，植被覆蓋率的進(jìn)一步增加并沒有導(dǎo)致顯著的減沙，可見45%的植被覆蓋率是水土保持的有效值。

當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到65%～80%時，植被對徑流和沉積物產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用趨于穩(wěn)定。因此，65%的植被覆蓋率被認(rèn)為是防止水土流失的有效值。據(jù)研究，植被覆蓋率的進(jìn)一步增加對研究區(qū)的水土保持沒有明顯影響[7]。

天然草地斜坡上的泥沙產(chǎn)生呈現(xiàn)出“從急劇上升到逐漸下降”的2階段模式(圖6)。植被覆蓋率越高，產(chǎn)沙強(qiáng)度下降率越高。在產(chǎn)流初期，沉積物產(chǎn)量迅速增加，主要由松散的土壤顆粒組成，這些顆粒很容易被坡面徑流輸送、侵蝕和攜帶。

圖6 不同植物覆蓋率的草地坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度變化

植被覆蓋的增加可以減少松散的土壤顆粒和攔截徑流中的懸浮沉積物。植被覆蓋在減少徑流過程中，同時也會限制徑流的沖刷作用。在產(chǎn)流的中后期，發(fā)生了坡間侵蝕，產(chǎn)生了相對較大的沉積物，導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度波動相對較大。

此外，由于微地形之間存在空間差異，以及降雨事件后坡面形成的細(xì)溝對徑流的調(diào)節(jié)和再分配作用，植被覆蓋率相對較低的坡面產(chǎn)沙過程中，出現(xiàn)了不同程度的波動。隨著植被覆蓋率的增加，草地坡面對降雨的截留、儲存和入滲積累效應(yīng)開始凸顯，根系地下部分與土壤固結(jié)，促進(jìn)了土壤結(jié)構(gòu)的改善，導(dǎo)致徑流攜帶的表層土壤顆粒數(shù)量越來越少，產(chǎn)沙強(qiáng)度迅速降低。因此，產(chǎn)沙初期對產(chǎn)沙貢獻(xiàn)最大，減沙效果主要體現(xiàn)在產(chǎn)沙中后期。

4 結(jié)論

通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了植被覆蓋對丘陵地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，并在不同降雨強(qiáng)度和不同植被覆蓋率條件下，對天然草地坡面徑流速率和產(chǎn)沙強(qiáng)度的動態(tài)變化進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

(1)相同降雨強(qiáng)度下，徑流量與植被覆蓋率呈負(fù)相關(guān)。在高降雨強(qiáng)度(2.2 mm/min)下，天然草地斜坡產(chǎn)生較高徑流量；在較低的降雨強(qiáng)度下，徑流減少效益隨著植被覆蓋率的增加而大幅增加；當(dāng)植被覆蓋率＞45%時趨于穩(wěn)定。

(2)相同的降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)沙量與植被覆蓋率呈負(fù)相關(guān)。在高降雨強(qiáng)度(2.2 mm/min)下，不同植被覆蓋率的草地邊坡表現(xiàn)出高徑流量但低產(chǎn)沙量的特征，當(dāng)植被覆蓋率＞45%時，減沙效益的幅度變小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)在不同植被覆蓋和降雨強(qiáng)度下，徑流量在產(chǎn)流初期表現(xiàn)出快速增長，并在達(dá)到徑流量峰值時趨于穩(wěn)定，減沙效益隨植被覆蓋程度的增加而增加。當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到45%的臨界值時，植被覆蓋率的增加對坡面減沙效果沒有明顯影響。