模擬降雨條件下植被調(diào)控坡面水沙輸出過程研究①

侯沛軒，孫佳美，余新曉，李瀚之（北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

模擬降雨條件下植被調(diào)控坡面水沙輸出過程研究①

侯沛軒，孫佳美，余新曉*，李瀚之
（北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為研究不同植被覆蓋對坡面水沙輸出過程調(diào)控效應(yīng)，本文通過人工模擬降雨試驗(yàn)的方法，對 3種典型的喬木灌木草本植被即構(gòu)樹、荊條和黑麥草，在坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h和坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h條件下的水沙輸出的過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對結(jié)果進(jìn)行了綜合分析。研究結(jié)果表明：3種植被整個(gè)產(chǎn)流過程的徑流量均呈現(xiàn)先上升后逐漸穩(wěn)定的趨勢，產(chǎn)沙量呈先上升后下降，再逐漸保持穩(wěn)定的趨勢；構(gòu)樹、荊條和黑麥草均對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有良好的調(diào)控能力，能夠減少徑流量和產(chǎn)沙量，其中黑麥草對產(chǎn)流和產(chǎn)沙均表現(xiàn)出較強(qiáng)的調(diào)控力，其次是構(gòu)樹，荊條最差。在對坡面徑流流速的調(diào)控方面，流速整體呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，三者對徑流流速的調(diào)控能力：黑麥草＞荊條＞構(gòu)樹。

模擬降雨；植被；坡面；徑流；泥沙

降雨過程中產(chǎn)生的徑流以及其引起的侵蝕產(chǎn)沙，是當(dāng)前我國乃至世界面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題之一［1］。影響坡面土壤侵蝕的因素很多［2-3］，其中地表覆被條件是影響坡面乃至流域水沙輸出的重要因素之一［4-5］，不同植被均具有一定的水土保持功效［6］，植被的地上部分可以攔蓄地表徑流［7-8］，其地下部分可以改善土壤的理化特性，從而增加土壤的入滲能力［9-11］，進(jìn)而達(dá)到保持水土的效果。

不同植被條件對坡面水沙輸出的調(diào)控能力有所不同，國內(nèi)外學(xué)者對不同植被調(diào)控坡面水沙輸出過程進(jìn)行了大量的研究，主要集中在對單一植被的坡面水沙輸出的過程研究［12-15］，而相同條件下對比不同植被的調(diào)控能力的研究較少，但探討不同類型植被對坡面水沙輸出的調(diào)控作用，對正確地評價(jià)植被的減蝕作用［16］以及水土保持措施的配置優(yōu)化有著重要意義。人工模擬降雨試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)條件較穩(wěn)定、易控制［17-18］。本研究以構(gòu)樹、荊條、黑麥草為代表的喬木、灌木、草類為例，采用人工模擬降雨的試驗(yàn)方法對上述植被對坡面水沙輸出過程進(jìn)行了研究，對其產(chǎn)流產(chǎn)沙以及流速［19］進(jìn)行系統(tǒng)的對比分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

模擬降雨試驗(yàn)于2014年6—8月在北京林業(yè)大學(xué)鷲峰降雨大廳進(jìn)行。降雨大廳試驗(yàn)裝置主要由降雨系統(tǒng)和變坡土槽構(gòu)成，總控制降雨面積為256 m2，共分為4個(gè)8 m ×8 m的降雨區(qū)。雨滴模擬噴頭采用不銹鋼材質(zhì)的旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，通過4種不同規(guī)格的噴頭疊加模擬自然降雨，其有效降雨高度為12 m，降雨均勻度 ＞85%，可模擬10 ～ 300 mm/h降雨強(qiáng)度，相對誤差小于1%，可同時(shí)降雨，也可分別降雨。試驗(yàn)選取的變坡土槽規(guī)格為：長2 m，寬0.5 m，深0.3 m。土槽底部鉆有透水孔，保證試驗(yàn)土槽內(nèi)不存在積水，同時(shí)尾部設(shè)有V形集流口，用于收集坡面徑流和泥沙。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中選取的喬木、灌木及草類植被分別為構(gòu)樹、荊條和黑麥草。其中構(gòu)樹和荊條均選取在自然狀態(tài)下生長3 ～ 5個(gè)月的具有一定基底直徑、高度和冠幅的植株移植至室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示；而黑麥草則根據(jù)其實(shí)際生長狀態(tài)，大約在種植兩個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 樹種選擇Table1 Selection of tree species

表2 試驗(yàn)用土機(jī)械組成Table2 Particle size composition of soil sample

試驗(yàn)用土為褐土，取自北京市昌平區(qū)，屬于典型的華北土石山區(qū)土壤。填土前過10 mm篩，除去石塊、植物根系等雜物，試驗(yàn)前對土壤粒徑組成進(jìn)行分析，其顆粒組成如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤裝槽密度為1.34 g/cm3，按此密度進(jìn)行分層填土，共分3層，每層10 cm；裝土?xí)r應(yīng)注意保持土面平整，在填裝每層土之前，應(yīng)先抓毛下層土壤，防止土的滑移，導(dǎo)致土壤分層。同時(shí)為保證試驗(yàn)時(shí)土壤起始含水量相同，先對坡面土壤進(jìn)行預(yù)降雨，待土壤含水量達(dá)到飽和即坡面剛開始產(chǎn)流時(shí)停止降雨，用塑料布蓋住24 h后用于降雨試驗(yàn)。

試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為30 mm/h，坡度為10° 和20°，3 種植被蓋度均為 100%。計(jì)時(shí)隨降雨開始同步進(jìn)行，首先記錄開始產(chǎn)流的時(shí)間，待產(chǎn)流后繼續(xù)保持降雨 60 min。由于降雨初期的徑流泥沙變化量較大，所以在產(chǎn)流后的前10 min內(nèi)每2 min取一個(gè)徑流樣；之后徑流逐漸穩(wěn)定，每5 min取一個(gè)樣。收集的樣品，先測量徑流體積，再采用烘干法測量其攜帶的泥沙量，并對泥沙進(jìn)行粒徑分析，研究坡面產(chǎn)沙特征。

降雨過程中在坡面產(chǎn)流后，采用染色劑法在測量過程中每10 min測一次流速，測取位置選取距離坡底30 ～ 130 cm處，測取區(qū)間長度設(shè)定為1 m。在坡土表面每隔0.1 m平行測量5個(gè)流速數(shù)據(jù)，再取其平均值乘以修正系數(shù)0.75作為徑流平均流速［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋對坡面產(chǎn)流的影響

坡面徑流產(chǎn)生的先決條件為降雨強(qiáng)度大于土壤入滲能力。在降雨初期，土壤含水量較少，入滲能力較強(qiáng)，難以產(chǎn)生坡面徑流；隨著降雨歷時(shí)的增加，土壤含水量提高，入滲能力下降，當(dāng)入滲能力小于降雨強(qiáng)度時(shí)，坡面開始產(chǎn)流。隨著降雨的進(jìn)行，土壤含水量達(dá)到飽和，入滲能力基本不再變化，從而形成較穩(wěn)定的坡面徑流。植被對降雨的截留作用以及對土壤入滲能力的改良會影響坡面的產(chǎn)流過程。

圖1和圖2分別為試驗(yàn)條件為坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h和坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h不同植被覆蓋的坡面徑流量隨徑流產(chǎn)生后降雨歷時(shí)變化的曲線圖（采用配對T檢驗(yàn)，不同植被覆蓋坡面差異顯著，α= 0.05）。

圖1 坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h徑流量變化曲線Fig. 1 Curves of runoff changes of Slope 10°， rainfall intensity 30 mm/h

圖2 坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h徑流量變化曲線Fig. 2 Curves of runoff changes of Slope 20°， rainfall intensity 30 mm/h

兩種坡度下的徑流量整體都呈現(xiàn)一個(gè)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，產(chǎn)流初期徑流量變化較大。相比裸地，有植被覆蓋的坡面徑流量有明顯的下降，在坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h的條件下，徑流量在產(chǎn)流后20 min左右基本穩(wěn)定，當(dāng)坡度上升到20° 時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間縮短為10 min；隨著坡度的增加，徑流穩(wěn)定時(shí)間減少，徑流量有一定程度的增加。

在圖1和圖2中黑麥草覆蓋的坡面產(chǎn)流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的徑流量均最小，而后依次為構(gòu)樹、荊條和裸地。在坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h的條件下，黑麥草覆蓋的坡面穩(wěn)定徑流量約為400 ml/min，相比裸地，徑流量減少了38.46%；構(gòu)樹與其基本相同，荊條覆蓋的坡面穩(wěn)定徑流量約為600 ml/min，相比裸地減少了7.7%。在坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h的條件下，黑麥草覆蓋的坡面穩(wěn)定徑流量約為300 ml/min，相比裸地減少了71.43%；構(gòu)樹覆蓋的坡面穩(wěn)定徑流量約為 500 ml/min，相比裸地減少了 52.38%；荊條覆蓋的坡面穩(wěn)定徑流量為700 ml/min，相比裸地減少了 33.33%。可見黑麥草對于降雨坡面徑流的調(diào)控能力較好，構(gòu)樹次之，荊條較差。

2.2 不同植被覆蓋對坡面產(chǎn)沙的影響

坡面產(chǎn)沙過程與產(chǎn)流過程相關(guān)，但存在一定差異。降雨初期，坡面表層土壤顆粒比較松散，抗蝕性差，易受雨滴擊濺和徑流沖刷；隨著降雨歷時(shí)的增加，地表松散土粒逐漸減少，表層結(jié)皮開始形成，土壤入滲趨于穩(wěn)定，降雨和徑流對坡面土壤侵蝕減弱，坡面產(chǎn)沙量減小，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3、圖4分別為坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h和坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h不同植被覆蓋的坡面產(chǎn)沙量曲線圖（采用配對 T檢驗(yàn)，不同植被覆蓋坡面差異顯著，α= 0.05）。

圖3 坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h產(chǎn)沙量變化曲線Fig. 3 Curves of sediment yield changes of Slope 10°， rainfall intensity 30 mm/h

圖4 坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h產(chǎn)沙量變化曲線Fig. 4 Curves of sediment yield changes of Slope 20°， rainfall intensity 30 mm/h

從兩圖中均可看出黑麥草覆蓋的坡面產(chǎn)沙量最少，構(gòu)樹覆蓋的坡面產(chǎn)沙量略低于荊條覆蓋的坡面。黑麥草覆蓋的坡面產(chǎn)沙量較穩(wěn)定，坡度10°時(shí)產(chǎn)沙量一直保持在0.5 g/min以下，穩(wěn)定時(shí)約為0.25 g/min；坡度為20° 的條件下，最高產(chǎn)沙量為2.5 g/min，穩(wěn)定后保持在1 g/min左右，隨坡度升高，穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)沙量增加了一倍。試驗(yàn)條件為坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h的構(gòu)樹覆蓋坡面穩(wěn)定產(chǎn)沙量在4.0 g/min左右；坡度20° 時(shí)，穩(wěn)定產(chǎn)沙量為8 g/min左右。荊條在兩個(gè)試驗(yàn)條件下的穩(wěn)定產(chǎn)沙量分別為6.5 g/min和9.5 g/min。隨坡度的增加，坡面徑流動力增加，對泥沙的沖擊作用變大，導(dǎo)致產(chǎn)沙量的增加。

圖3中，相比裸地，黑麥草覆蓋的坡面穩(wěn)定產(chǎn)沙量減少了 97.06%，構(gòu)樹覆蓋的坡面穩(wěn)定產(chǎn)沙量減少了 52.94%，荊條覆蓋坡面的穩(wěn)定產(chǎn)沙量減少了23.53%。當(dāng)坡度升至 20° 時(shí)，黑麥草覆蓋的坡面穩(wěn)定產(chǎn)沙量相比裸地減少了92%，構(gòu)樹覆蓋的坡面穩(wěn)定產(chǎn)沙量相比裸地減少了0.36%，荊條覆蓋坡面的穩(wěn)定產(chǎn)沙量減少了24%?？梢钥闯鰧τ诮涤昶旅娈a(chǎn)沙，黑麥草有較好的調(diào)控能力。

2.3 不同植被類型對坡面流速的影響

圖5、圖6分別為坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h和坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h不同植被覆蓋的徑流流速隨降雨歷時(shí)變化的曲線圖（采用配對T檢驗(yàn)，不同植被覆蓋坡面差異顯著，α=0.05）。從中可以看出，兩種試驗(yàn)條件下的坡面徑流流速隨時(shí)間的變化較為一致：產(chǎn)流初期，坡面徑流平均流速隨降雨歷時(shí)的增加而增加，之后逐漸穩(wěn)定。

圖5中，黑麥草覆蓋的坡面徑流流速最低，穩(wěn)定時(shí)徑流流速約為0.035 m/s，荊條和構(gòu)樹覆蓋的坡面徑流穩(wěn)定流速分別為0.060 m/s和0.070 m/s。相比裸地徑流流速0.080 m/s，黑麥草、荊條和構(gòu)樹徑流流速分別降低了56.25%、25% 和12.5%。

圖5 坡度10°、降雨強(qiáng)度30 mm/h徑流流速變化曲線Fig. 5 Curves of runoff velocity changes of slope 10°， rainfall intensity 30 mm/h

圖6 坡度20°、降雨強(qiáng)度30 mm/h徑流流速變化曲線Fig. 6 Curves of runoff velocity changes of slope 20°， rainfall intensity 30 mm/h

當(dāng)坡度提升至 20°（圖6），曲線變平緩，達(dá)到穩(wěn)定流速的時(shí)間縮短，流速相對有少許增加；整體趨勢仍是黑麥草覆蓋的坡面徑流流速最低，約為0.03 m/s，荊條和構(gòu)樹徑流流速大致相同，約為0.08 m/s。相比裸地，黑麥草覆蓋的坡面徑流流速減少了 66.67%，荊條以及構(gòu)樹覆蓋的坡面徑流流速減少了11.11%。

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見對于降雨坡面水沙輸出的調(diào)控能力上，黑麥草相比構(gòu)樹和荊條較強(qiáng)，這是由于林地植被主要是通過冠層對降雨的攔截作用以及根系削弱侵蝕動力、增加土壤入滲的方式來進(jìn)行水沙調(diào)控；而草地植被主要通過地表植被冠層直接攔截徑流泥沙以實(shí)現(xiàn)水沙調(diào)控，流速的數(shù)據(jù)分析結(jié)果同樣證明了這點(diǎn)。

3 結(jié)論

1） 在對坡面降雨徑流的調(diào)控上，構(gòu)樹、荊條和黑麥草均有良好的調(diào)控能力，在一定程度上減少了產(chǎn)流量；三者當(dāng)中，黑麥草的調(diào)控能力最強(qiáng)，其次是構(gòu)樹，荊條最差。

2） 在對坡面降雨產(chǎn)沙的調(diào)控上，構(gòu)樹、荊條和黑麥草表現(xiàn)出了同產(chǎn)流相同的趨勢，其產(chǎn)沙調(diào)控能力：黑麥草＞構(gòu)樹＞荊條。

3） 在坡面徑流流速方面，黑麥草覆蓋坡面的徑流流速最小，荊條小于構(gòu)樹，三者對徑流流速的調(diào)控能力：黑麥草＞荊條＞構(gòu)樹。

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Study on Runoff and Erosion Process of Vegetation Slope Under Simulated Rainfall Conditions

HOU Peixuan， SUN Jiamei， YU Xinxiao*， LI Hanzhi
（Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Deserti Fication Combating of Ministry of Education， Beijing Forest University， Beijing 100083， China）

In this paper， the process of water and sediment output in the slope 10° and slope 20° with rainfall intensity 30 mm/h under three kinds vegetation of trees， shrubs and herb （Broussonetia papyrifera， Vitex negundo， ryegrass） were studied through artificial rainfall simulation experiment. The results showed that the runoffs of runoff processes under all three vegetation covers were increased first and then trended to be stable， while the sediment yields were increased first， decreased secondly and then trended to be stabled， which showed Broussonetia papyrifera， Vitex negundo and ryegrass all had good regulation and control ability in runoff and sediment process. In reducing the runoff and sediment yield， ryegrass had best effect， followed by Broussonetia papyrifera and Vitex negundo. In the regulation of runoff flow velocity， the overall flow rate increased first and then trended stable， and the ability in regulating the runoff rate was in order of ryegrass＞Vitex negundo＞Broussonetia papyrifera.

Simulated rainfall； Vegetation； Slope； Runoff； Sediment

S152.7.2

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.028

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41430747）和國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（20130430104）資助。

（yuxinxiao11@126.com）

侯沛軒（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事水土保持研究。E-mall： hpx9186@sina.com