草被格局對坡面土壤侵蝕特征的影響

李佳輝,魏淑娥,劉程龍,張寬地,2

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 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)

水土流失嚴重制約著黃土高原地區經濟社會的發展,一直是人們重點關注和亟待解決的問題。溫帶大陸性氣候是黃土高原的主要氣候類型,降水量年內分布不均勻,主要集中在夏季且多暴雨,再加上其本身的自然環境相對脆弱和人類活動對植被的破壞,使得黃土高原土壤侵蝕尤為嚴重,黃河近90%的泥沙來源于此[1-4]。為控制水土流失,保護生態環境,我國實施了“退耕還林(草)”工程。區域生態得到了明顯改善,植被規模得到顯著恢復,植被覆蓋已被證實是減少水蝕導致土壤侵蝕的有效措施[5-7]。

自1999年以來,隨著退耕還林政策的實施,黃土高原植被恢復導致植被覆蓋度已接近水資源承載力的閾值。如果只注重覆蓋度的影響,將會引發新的生態環境問題[8-11],因此,關注植被空間格局對坡面流侵蝕以及水沙調控的影響就顯得尤為重要[12]。同時,選擇合理的植被空間格局是減輕土壤退化,解決黃土高原地區水土流失的根本措施,對生態環境的改善和恢復有著重要作用。以往關于植被格局的研究多集中在不同植被格局類型和植被斑塊在坡面上的分布位置等方面。例如:吉靜怡等[13]通過模擬降雨試驗研究了5種分布格局發現,在隨機、帶狀格局下,生物結皮坡面初始產流時間均顯著高于裸土坡面,分別是裸土坡面的2.46倍和1.78倍。亦有研究表明,植被在坡中、下部時,對于徑流流速的削減作用更佳[14-15]。楊坪坪等[16]通過不同的植被空間配置證明坡面徑流流態為過渡流或紊流。戴矜君等[17]通過野外放水沖刷試驗發現,緊密排列植被格局的增阻作用要優于隨機排列。張冠華等[18]通過開展不同植被格局下的坡面流沖刷試驗發現,與長條狀格局相比,帶狀格局、棋盤狀格局和小斑塊格局的增阻作用明顯較強,也有學者得出了類似的結論[19-20]。此外,有學者發現植被格局對坡面地表水沙特性具有重要影響[21-22]。王棟棟等[20,23]通過研究發現,水文路徑連通性差的格局在阻控泥沙方面能力較強,而具有良好水文路徑連通性的格局效果相對較差。王玉霞等[24]通過野外人工模擬降雨試驗發現茵陳蒿群落小斑塊格局對坡面產流的阻控效應較大,而大斑塊格局對坡面產沙的阻控效應更為顯著。也有大量的研究表明,選擇適當的草帶位置可以有效降低坡面徑流侵蝕[25-28]。可見,目前關于植被格局對坡面水動力學及產流產沙特征的研究相對較多,而從侵蝕動力學角度出發針對不同植被格局條件下坡面土壤侵蝕的研究相對較少。另外,植被通常是由地上部分和地下部分組成,地上部分一般由植被冠層、莖稈、地表枯落物構成,而地下部分主要是根系。植被的冠層、莖稈、根系以及枯落物層等不同結構組分可以減少土壤侵蝕[29],且有研究表明,地上部分和地下部分在調控坡面徑流侵蝕方面的作用差別較大[30-33]。因此將植被的地上部分和地下部分進行分離量化研究來揭示植被覆蓋下調控坡面土壤侵蝕機理是更為合理的。

基于此,為研究黃土高原地區不同草被格局不同組分對坡面土壤侵蝕特征的影響,本研究利用室內人工模擬降雨試驗,選取陜西楊凌土,在不同降雨強度條件下,對不同草被格局的植草坡面和留根坡面的土壤侵蝕過程進行觀測,分析草被格局不同組分的減流減沙效益;闡明不同草被格局不同組分對削減徑流泥沙的相對貢獻率,揭示草被格局不同組分對坡面侵蝕產沙機理的影響,為黃土高原坡面侵蝕及生態環境治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

本試驗于2022年4月至6月在水利部西北水利科學研究所人工模擬降雨大廳進行,采用西安淼森電子科技有限公司研發的MSR-T-W1100(1500)型人工模擬降雨系統。該模擬降雨面積約為120 m2(12 m×10 m),可以產生20 mm/h～240 mm/h范圍內的雨強,雨滴直徑為0.3 mm～6.0 mm,降落高度為6.0 m,降雨均勻度在無風環境中大于85%。經多次率定,所噴雨滴粒徑、降雨動能與天然降雨十分接近[34-36]。試驗徑流小區為小型移動式鋼質土槽,土槽規格為2.0 m(長)×1.0 m(寬)×0.4 m(高)。土槽尾部設置V形收集口,用來收集形成的徑流和泥沙樣品。試驗土壤取自陜西楊凌(108°4′28″E,34°16′56″N),土壤質地為粉質壤土。試驗所用土壤的物理性質見表1[37]。試驗選用草種為麥冬草(OphiopogogonJaponicus),因其根系發達,耐寒耐旱,故常用于防治土壤侵蝕[38]。

表1 試驗中使用表土(0～50 cm)的物理性質

1.2 試驗設計

在不同類型的降雨事件下,不同草被格局的水土流失效應差別較大,即使是同樣特征的降雨事件由于草被格局的不同有可能產生不同的徑流侵蝕效果[6]。因此,本試驗設置順坡帶狀格局(DBP)、沿等高線帶狀格局(CBP)、菱形帶狀格局(RBP)、棋盤斑狀格局(CSP)、隨機斑狀格局(RSP)以及裸坡(BSP)6種草被格局作為格局因素的不同水平。搭配60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h三個降雨強度,坡度為15°,草被覆蓋度為50%。為了定量研究草被格局不同部分對坡面流水沙特性影響的貢獻度,在完成了完整植株的降雨試驗后,去除掉草被地表上部的冠層部分,去除時貼近地表且不擾動表層土壤,得到不同草被格局留根坡面。為保證試驗精度,每個處理均進行重復試驗取平均值分析。模擬降雨條件下不同草被格局試驗徑流小區坡面設置見圖1。

(順坡帶狀格局: Down-slope band pattern, DBP; 沿等高線帶狀格局: Cross-slope band pattern, CBP; 菱形帶狀格局: Rhombus band pattern, RBP; 棋盤斑狀格局: Chessboard spot-shaped pattern, CSP; 隨機斑狀格局: Random spot-shaped pattern, RSP; 裸坡: Bare slope pattern, BSP)圖1 不同草被格局徑流小區坡面布置圖

所有試驗用土自取土后在試驗場地自然風干,輕微破碎處理后通過5 mm孔徑篩網除去雜草、小石塊等雜質,每24 h測量一次土壤含水量。裝土之前,在土槽底部均勻鋪10 cm厚的天然細沙并覆蓋透水紗布,保持土層的透水狀況接近自然狀態。為保證裝填土的均勻性和緊實性,避免遇水后嚴重塌落,按土壤分6層(每層5 cm)裝填。邊裝填邊壓實,保證試驗土壤容重達到設計要求(1.25 g/cm3)。填土時盡量保持土體表面平整,裝填完一層便將土壤刮毛,使其具有一定的糙度,防止土體滑移。在試驗前將事先在野外種下長勢均勻的麥冬草按照設計的草被空間配置方案移栽在試驗土槽中,并核對不同試驗小區的實際草被覆蓋度是否為50%。上述準備工作完成后適當灑水養護半個月,方可開展試驗。

每場降雨的時長為產流開始后持續30 min,降雨前對雨強進行校準使率定雨強最大限度接近設計雨強,誤差在允許范圍內(±5 mm/h)。降雨過程中,待徑流小區出水口連續均勻出現渾水樣(即開始產流)后,記錄下產流開始的時間。利用高錳酸鉀溶液(KMnO4)在上坡段(0.4 m～1.0 m)和下坡段(1.0 m～1.6 m)的固定斷面上測定徑流表面流速,前10 min內,每1 min觀測2次,以后每2 min測量2次,取平均值;根據水流流態確定流速修正系數,進而求得平均流速。在徑流小區出水口收集徑流泥沙全樣,泥沙全樣在降雨前10 min每分鐘收集一次,降雨后20 min每兩分鐘收集一次,每次收集時間均為30 s。渾水溫度用溫度計觀測2次。然后,測量徑流樣品質量,后將樣品靜置。待泥沙沉淀之后,倒掉上層清液,將余下高濃度泥沙樣品轉移至小盒內置于烘箱中105℃烘干24 h后稱重[18],以測得產流量和侵蝕產沙量。

1.3 數據分析

文中各產流產沙特征參數的數據統計分析、顯著性分析以及繪圖分別采用Microsoft Excel 2021、SPSS 25以及Origin 2021。相關參數計算公式如下:

水流剪切力τ:

τ=γRJ

(1)

水流功率ω:

ω=γqJ=γhvJ=τv

(2)

單位水流功率Pu:

Pu=vJ

(3)

減流效益Rrb:

(4)

減沙效益Srb:

(5)

式中:τ為水流剪切力,N/m2;γ為水的重度,為9.8 kN/m3;R為水力半徑,由于本試驗水流較薄,用水深h替代,m;J為徑流坡降,其值取坡度的正弦值,即J=sinθ,在本試驗中,θ=15°;ω為水流功率,N/m/s;q為單寬流量,m2/s;v為平均流速,m/s;Pu為單位水流功率,m/s;Rrb為減流效益;Rb為裸坡的徑流率,L/m2/min;Rg為覆草坡面的徑流率,L/m2/min;Srb為減沙效益;Sb為裸坡的侵蝕率,g/m2/min;Sg為覆草坡面的侵蝕率,g/m2/min。

2 結果與分析

2.1 產流產沙過程

2.1.1 產流過程

圖2為不同降雨條件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)徑流率隨降雨歷時的變化曲線圖。可以發現,在各工況下坡面徑流率隨降雨歷時的變化趨勢基本一致,即坡面徑流率隨降雨歷時的延長整體表現為先增加后逐步趨于穩定的狀態。穩定徑流率受降雨強度、草被格局等多種因素的影響。坡面徑流率隨降雨強度增大而明顯增大,降雨強度越大,穩定后的徑流率也越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強度下,隨機斑狀格局植草坡面的徑流率分別穩定在0.702 L/m2/min、1.134 L/m2/min、1.832 L/m2/min左右。

圖2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)徑流率隨降雨歷時的變化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強度下,沿等高線帶狀格局(CBP)和菱形帶狀格局(RBP)植草坡面穩定徑流率分別降低了0.644 L/m2/min、0.610 L/m2/min、0.606 L/m2/min和0.421 L/m2/min、0.377 L/m2/min、0.361 L/m2/min。由此可以看出穩定徑流率減小的幅度隨降雨強度的增大而減小。這主要是因為,一方面隨著雨強的增大,坡面發生超滲產流可能性增大;另一方面,草被對降雨的截留作用減弱,從而導致覆草坡面與裸坡徑流率的差距減小。降雨強度相同時,不同草被格局的穩定徑流率也表現出一定的差異性。以降雨強度為60 mm/h為例,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面穩定徑流率依次為1.051 L/m2/min、0.967 L/m2/min、0.809 L/m2/min、0.702 L/m2/min、0.586 L/m2/min和1.230 L/m2/min,與裸坡相比依次降低了14.6%、21.4%、34.2%、42.9%和52.4%。同時,與其他形式的覆草坡面相比,沿等高線帶狀格局和隨機斑狀格局的坡面徑流率增幅在降雨前期相對較小,且雨強越小,增幅越小。這是由于這兩種草被覆蓋形式更好地切斷了坡面水流的流動路徑,水流受阻的可能性增加,致使坡面水文連通性下降,從而徑流率增幅減小,增速變慢。而在大雨強下,草被的阻礙作用在雨量及雨滴動能增大的情況下被明顯削弱,因此徑流率的增速較快,增幅較大。除此之外,不同草被格局會影響坡面徑流率趨于穩態階段的時間。例如:在雨強為60 mm/h的情況下(圖 2(c)),順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局和菱形帶狀格局的徑流率接近穩態的時間約為10 min,而隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局約為16 min。結合其他降雨強度下徑流率隨降雨歷時的變化規律來看,徑流率趨于穩態所需時間基本上隨不同格局水文連通性的減弱而增大。此外,降雨強度的增加能顯著縮短多個草被格局徑流率趨于穩態階段的時間,且不同格局的植草坡面徑流率趨于穩態的時間要大于留根坡面徑流率趨于穩態的時間。

在降雨強度相同時,同一草被格局坡面徑流率大小表現為裸坡>留根坡面(OR)>植草坡面(CR)。在本試驗中,植草坡面徑流率的大小受冠層和根系共同影響。草本冠層可以同時攔截降雨和增加地表的粗糙度,從而提高土壤的入滲率;根系則會深入土層,增大降雨的下滲。留根坡面由于失去了草冠的保護,因而其徑流率大于植草坡面。裸坡由于沒有覆被,土壤入滲率相對最小,所以徑流率最大[39]。

2.1.2 產沙過程

圖3為不同降雨強度條件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率隨降雨歷時的變化曲線圖。不難看出,在各工況下坡面侵蝕率隨降雨歷時的變化趨勢基本一致,即降雨開始后一小段時間內坡面開始產流產沙,侵蝕率在短時間內迅速提高,達到峰值后逐漸降低最終趨于相對穩定的狀態,穩定侵蝕率受草被格局、降雨強度以及草本不同部位等多種因素的影響。坡面侵蝕率隨降雨強度增大而明顯增大,降雨強度越大,侵蝕率的峰值亦越大,達到峰值所需時間則越短,穩定后的侵蝕率也相對越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強度下,沿等高線帶狀格局(CBP)植草坡面的侵蝕率的峰值依次為27.58 g/m2/min、46.62 g/m2/min、62.06 g/m2/min,分別穩定在4.72 g/m2/min、12.56 g/m2/min、17.18 g/m2/min左右。

圖3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率隨降雨歷時的變化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強度下,沿等高線帶狀格局(CBP)和隨機斑狀格局(RSP)植草坡面穩定侵蝕率分別降低21.56 g/m2/min、25.84 g/m2/min、31.66 g/m2/min和19.12 g/m2/min、21.44 g/m2/min、27.88 g/m2/min。由此可以看出,降雨強度對坡面土壤侵蝕侵的影響較大。降雨強度相同時,不同草被格局的穩定侵蝕率也表現出一定的差異性。以降雨強度為60 mm/h為例,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面穩定侵蝕率依次為16.54 g/m2/min、12.86 g/m2/min、9.62 g/m2/min、8.58 g/m2/min和4.72 g/m2/min,與裸坡相比依次降低了36.3%、50.5%、62.9%、67.0%和81.8%。

坡面侵蝕率隨草被格局的差異可以從水文連通性的角度來解釋。草被格局的水文連通性越差,水沙流動過程中遇到的阻礙越多,水沙通過坡面所遇到的阻抗力就越大,從而導致侵蝕率下降[40]。此外,在相同的的降雨條件下,同一格局不同覆被坡面侵蝕率大小表現為裸坡>留根坡面>植草坡面。草本冠層和根系均對植草坡面的侵蝕率產生影響,且二者的作用方式不同。草本冠層一方面通過削減雨滴動能來減小降雨對坡面表層土的擊濺作用[41];另一方面,通過增大地表粗糙度,來減小徑流挾沙能力。而草本根系則是通過與土壤表層土的接觸和纏繞,增大了根系與土壤顆粒間的粘結作用,從而達到良好的固土效果[42]。當然,只有在冠層和根系的共同作用下能夠更好的減緩徑流和增大土壤的抗蝕能力。因此,不同草被格局植草坡面侵蝕率最小,留根坡面侵蝕率次之,裸坡坡面侵蝕率最大,這與柳曉娜得到的結果類似[39]。

2.2 減流減沙效益

不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的減流減沙效率見圖4。與裸坡相比,其他草被格局的植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的徑流率依次降低了6.85%～65.34%和2.19%～23.15%(見圖 4(a)～圖4(c))。隨降雨強度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減流效益均降低。以沿等高線帶狀格局(CBP)為例,當降雨強度依次為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h時,其植草坡面減流效益依次為65.34%、41.01%和26.43%,留根坡面減流效益依次為23.15%、17.26%和13.90%。此外,在降雨強度相同的情況下,草被格局的水文連通性的越差,植草坡面和留根坡面減流效益均增加。在60 mm/h降雨強度條件下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面減流效益依次為14.44%、23.26%、38.89%、55.13%和65.34%,留根坡面減流效益依次為5.51%、9.55%、12.99%、18.93%和23.15%(圖 4(a))。由此可見不同草被格局不同處理坡面的減流效益差異較大,其中60 mm/h降雨強度下沿等高線帶狀格局(CBP)植草坡面的減流效益最好,而120 mm/h降雨強度下順坡帶狀格局(DBP)留根坡面的減流效益最差。

圖4 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的減流減沙效益

相比于裸坡,不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的土壤侵蝕率依次降低了22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。整體而言,隨降雨強度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減沙效益均降低(見圖 4(d)～圖4(f))。以隨機斑狀格局為例,當降雨強度依次為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h時,其植草坡面減沙效益依次為60.73%、47.86%和45.34%,留根坡面減沙效益依次為40.09%、35.65%和34.99%。此外,在降雨強度相同的情況下,隨草被格局水文連通性的減弱,不同草被格局植草坡面和留根坡面減沙效益均增加。比如:在120 mm/h的降雨強度條件下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面減沙效益依次為22.88%、33.70%、38.11%、45.34%和52.57%,留根坡面減沙效益依次為15.55%、23.96%、28.27%、34.99%和43.13%(圖 4(f))。由此可見,與不同草被格局的減流效益類似,不同草被格局不同處理坡面的減流效益差異較大。總體來看,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減沙效益要優于減流效益。

2.3 草本不同部位對減流減沙的貢獻率

不同草被格局下草本不同部位減流減沙貢獻率見圖5。在不同降雨強度條件下,不同草被格局的草本冠層對減流效益的相對貢獻率為47.40%～68.98%,草本根系對減流效益的相對貢獻率為31.02%～52.60%。整體而言,冠層與根系對減流效益貢獻率的比值大于1,說明草本冠層對徑流削減的作用要大于根系(見圖 5(a)～圖5(c))。草本冠層對徑流的削減作用主要體現攔截降雨削減雨滴動能、分散徑流和增加地表粗糙度三個方面,而草本根系對徑流的延緩削減作用主要體現在根系與土壤的固結作用削減了徑流能量和增加地表粗糙度兩個方面[39]。本試驗所使用的麥冬草冠層比較發達,對降雨的截留能力強,從而延長了入滲時間,這說明麥冬草冠層的存在有利于促進土壤入滲,保持土壤水分。降雨強度相同時,草本冠層對徑流削減的相對貢獻率隨草被格局的不同而表現出一定的差異性。例如:120 mm/h雨強下,沿等高線帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局草本冠層對徑流削減的相對貢獻率依次為68.04%、54.95%、52.88%、49.83%和47.40%(圖5(c))。此外,隨雨強的增大,同一格局下的草本冠層對徑流削減的相對貢獻率隨降雨強度的增大而減小。例如:菱形帶狀格局草本冠層對徑流削減的相對貢獻率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三種雨強下依次為66.60%、60.52%和52.88%。

圖5 不同草被格局下草本不同部位減流減沙貢獻率

在本研究中,不同草被格局對坡面土壤侵蝕的調控主要是由草本冠層和草本根系共同作用的。在不同工況下,草本冠層對減沙效益的相對貢獻率為17.97%～63.17%,草本根系對減沙效益的相對貢獻率為36.83%～82.03%。同時,根系與冠層貢獻率的比值大于1,這說明草本根系對土壤侵蝕的削減能力更大(見圖 5(d)～圖5(f))。究其原因,主要是麥冬草的根系較發達,能夠通過廣泛的物理纏繞固結土壤顆粒從而增強坡面土壤的抗沖刷侵蝕能力[42]。這說明即使麥冬草的冠層被減去或破壞,麥冬草的根系也可以有效的減少土壤侵蝕。

降雨強度相同時,草本冠層對減沙效益的貢獻率隨草被格局的不同而呈現出一定的差異性[43-46]。例如:在90 mm/h降雨強度下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機斑狀格局和沿等高線帶狀格局草本冠層對減沙效益的貢獻率依次為41.19%、38.26%、31.11%、25.52%和22.88%(圖 5(e))。此外,隨雨強的增大,同一格局下的草本冠層減沙貢獻率隨降雨強度的增大而減小。菱形帶狀格局草本冠層對減沙效益的貢獻率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三種雨強下依次為42.46%、31.11%和25.83%。

2.4 土壤侵蝕機理

2.4.1 侵蝕動力學機理

為了進一步說明不同草被格局不同組分對坡面侵蝕的影響,分析了水流剪切力(τ)與坡面土壤侵蝕率(Sr)的關系。坡面土壤顆粒的啟動與否主要取決于坡面流沖刷能夠分散的土壤顆粒大小和重量,只有當坡面徑流作用在土壤顆粒的剪切力大于土壤顆粒的黏結度時,土壤顆粒之間的黏結力才會被破壞,土壤顆粒在坡面水流的沖刷下才會發生滑動,從而產生土壤侵蝕[47]。為了便于描述,引出坡面水流臨界剪切力(τ0),即當水流剪切力大于臨界剪切力時坡面開始發生侵蝕;當水流剪切力小于臨界剪切力時坡面不發生侵蝕[48]。不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力與土壤侵蝕率的關系如圖6所示。

圖6 不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力(τ)和侵蝕率(Sr)之間的關系

觀察圖6可以發現,同一草被格局水流剪切力與坡面侵蝕率的關系基本相似,即坡面侵蝕率隨水流剪切力的增大而增大。對不同草被格局的水流剪切力與坡面侵蝕率做相關分析,得到水流剪切力與侵蝕率的相關方程,并求出不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)條件下的臨界剪切力,將結果列于表2。

表2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率(Sr)和水流剪切力(τ)相關方程

從表2可以看出,整體而言不同草被格局植草坡面和留根坡面土壤侵蝕率與水流剪切力可近似呈y=ax+b線性關系。在本試驗中,裸坡的臨界水流剪切力為0.548 N/m2,不同草被格局植草坡面的臨界剪切力介于0.496 N/m2～0.678 N/m2之間,留根坡面的臨界剪切力介于0.307 N/m2～0.563 N/m2之間,植草坡面和留根坡面的臨界剪切力相比裸坡增大了-0.052 N/m2～0.130 N/m2和-0.256 N/m2～0.015 N/m2,增長率為-9.49%～23.7%和-46.7%～2.74%。肖培青對草地、灌木地以及裸坡進行試驗研究得出紫花苜蓿、紫穗槐調控坡面和裸坡發生坡面侵蝕的臨界剪切力為2.86 N/m2、1.65 N/m2和0.86 N/m2[49],可見覆被坡面能夠在一定程度上增大坡面徑流臨界剪切力。由于只有當水流剪切力大于臨界水流剪切力時,才會發生坡面侵蝕,因而,臨界水流剪切力體現了不同草被格局植草坡面和留根坡面條件下土壤抵抗徑流分散和搬運土壤顆粒能力的強弱。

總體而言,對于沿等高線帶狀格局(CBP)來說,不論是植草坡面還是留根坡面,其臨界水流剪切力均大于其他草被格局形式,表明這種格局形式具有較強的抵抗徑流侵蝕的能力。臨界剪切力增大說明土壤抗蝕性增強,抵御徑流侵蝕的能力增強,從而說明在其他條件一定的前提下,選擇合適的草被分布格局能夠更加有效地阻止坡面產沙,削減了土壤侵蝕,從而達到良好的水土保持效益。

從能量的角度分析,坡面徑流對土壤的侵蝕過程是一個克服阻力做功消耗能量的過程。為了研究侵蝕輸沙理論,Yang(楊志達)提出了單位水流功率的概念,將其定義為流速與坡降的乘積,但該公式最初應用于明渠水流[50]。Moor和Burch在1986年通過對坡面細溝侵蝕率進行計算得出的結論為當土壤顆粒為分散狀態和臨界單位水流功率取0.002 m/s時,楊志達公式能夠較準確的預測坡面和細溝流輸沙率[51]。根據楊志達單位水流功率計算公式,分析不同降雨強度條件下不同草被格局植草坡面侵蝕率和單位水流功率之間的關系(見圖7),對于不同的草被格局來說,單位水流功率與土壤侵蝕率的關系都有相似的規律,即侵蝕率隨單位水流功率的增大而增大。

圖7 不同草被格局植草坡面(CR)單位水流功率(Pu)和侵蝕率(Sr)之間的關系

在既定的試驗條件下,降雨強度增大引起坡面徑流量的增大,侵蝕產沙率也會隨之增大,所以單位水流功率的增大必然引起土壤侵蝕率的增大[49,52]。對不同試驗條件下坡面單位水流功率(Pu)和土壤侵蝕率(Sr)進行相關分析,得到單位水流功率與土壤侵蝕率的相關方程,并求出不同草被格局植草坡面和留根坡面的臨界單位水流功率(Pu0),得到的結果列于表3。從表3可以看出,整體而言,不同草被格局植草坡面和留根坡面在不同降雨強度條件下坡面侵蝕率與單位水流功率可近似呈y=ax+b線性關系。在本試驗中,裸坡的臨界單位水流功率為0.0026 m/s,不同草被格局植草坡面的臨界單位水流功率為0.0077 m/s～0.0105 m/s,留根坡面的臨界單位水流功率為0.0018 m/s～0.0059 m/s,不同草被格局植草坡面和留根坡面的臨界單位水流功率相比裸坡分別增大了0.0051 m/s～0.0079 m/s和-0.0008 m/s～0.0033 m/s,增大了1.96～3.04倍和-0.31～1.27倍。總體來看,除了個別草被格局留根坡面外,在草被覆蓋條件下,只有當坡面水流具有更大的能量時,才會引起坡面土壤侵蝕[52]。

表3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率(Sr)和單位水流功率(Pu)相關方程

2.4.2 侵蝕率和水動力學參數相關性分析

由上述分析可知,坡面徑流水動力學特性會直接影響土壤侵蝕程度。因此在實際生產實踐中,可通過對徑流水動力學特性的預測來評估坡面土壤侵蝕量。為研究坡面徑流各水動力學特性參數與坡面土壤侵蝕率的相關關系,本試驗進行了皮爾遜相關分析,結果顯示在本試驗條件下坡面土壤侵蝕率(Sr)和各水動力學參數間有良好的相關關系,相關程度順序為:Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ(見圖 8)。因此,在本研究中用單位水流功率來描述土壤侵蝕率的關系是最為合適的。相關分析是為了比較不同參數對土壤侵蝕率的影響程度,每個參數都對土壤侵蝕過程與機理研究有重要貢獻,是研究坡面土壤侵蝕水動力學因子的必要參數。

圖8 侵蝕率與影響因素間的相關性

3 結 論

(1) 坡面徑流率隨降雨歷時的延長整體表現為先增加后趨于穩定。侵蝕率在產流后的較短時間內迅速增加,達到峰值后逐漸降低最終趨于相對穩定的狀態。穩定徑流率和穩定侵蝕率受降雨強度、草被格局以及草種垂直結構等因素的影響。

(2) 與裸坡相比,不同草被格局的植草坡面和留根坡面的減流效益為6.85%～65.34%和2.19%～23.15%,減沙效益22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。隨降雨強度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減流效益和減沙效益均降低,沿等高線帶狀格局減沙效益最佳。

(3) 在不同降雨強度條件下,草本冠層對減流效益的相對貢獻率為47.40%～68.98%,草本根系對減流效益的相對貢獻率為31.02%～52.60%。草本冠層與草本根系貢獻率比值大于1,即草本冠層對徑流率的削減占主導作用;草本冠層對減沙效益的相對貢獻率為17.97%～63.17%,草本根系對減沙效益的相對貢獻率為36.83%～82.03%。草本根系與草本冠層的比值大于1,即草本根系對土壤侵蝕率的削減起到主導作用。

(4) 土壤侵蝕率與水流剪切力和單位水流功率均呈良好的線性關系,草被覆蓋能夠有效增大坡面臨界水流剪切力和臨界單位水流功率,根據皮爾遜相關分析,坡面侵蝕率和各水動力學參數以及試驗變量之間均有良好的相關關系,相關程度的順序為:Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ。