植被覆蓋度對黃土高原地區(qū)土壤入滲及產(chǎn)流影響的試驗研究

趙夢杰，姚文藝,王金花，肖培青

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

植被覆蓋度對黃土高原地區(qū)土壤入滲及產(chǎn)流影響的試驗研究

趙夢杰1,2，姚文藝2,王金花2，肖培青2

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

植被覆蓋度；水力侵蝕；土壤含水率；入滲；產(chǎn)流系數(shù)

通過野外人工模擬降雨試驗，研究了植被覆蓋度變化對土壤含水率、坡面入滲及產(chǎn)流的影響，為揭示植被作用下土壤侵蝕產(chǎn)沙機理提供支撐。研究結果表明：①植被覆蓋度不同，表層土壤含水率在降雨前后會有很大差異，其增加幅度隨著植被覆蓋度增加而增大，同時隨著植被覆蓋度增加，降雨對深層的土壤含水率影響將更為顯著；②植被覆蓋對初始入滲率、穩(wěn)定入滲率的影響比較明顯，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大，達到穩(wěn)滲狀態(tài)的時間越短；③與裸坡面相比，草被坡面有顯著的減流效應，隨著植被覆蓋度提高產(chǎn)流系數(shù)有減小趨勢，在植被覆蓋度達到18%以上時產(chǎn)流系數(shù)減小趨勢才比較明顯，但在暴雨條件下，即使植被覆蓋度達到了50%以上，出現(xiàn)產(chǎn)流的時間仍比較短。

降雨及徑流引起的水力侵蝕產(chǎn)沙問題是當今世界最大的環(huán)境問題之一[1]。黃土高原水力侵蝕十分嚴重，研究土壤水分入滲規(guī)律對揭示水力侵蝕動力學機理具有重要意義。不同的下墊面條件對土壤入滲及產(chǎn)流量影響很大。近年來，國內一些學者做了大量的研究工作，取得了一定成果：申震洲等[2]研究表明裸地小區(qū)的徑流量大于荒草地和灌木林地；鄒俊亮等[3]選取壩地淤土、黃綿土和風沙土進行試驗，結果表明在同一土壤類型條件下植被類型主要對深層土壤水分的垂直分布產(chǎn)生影響；姚文藝等[4]研究表明裸地的入滲率明顯低于有草被覆蓋的，且裸地的初滲率與后期入滲率的差異要比有草被覆蓋的大得多；彭新德等[5]指出植被覆蓋度及植被類型是影響土壤入滲的兩個重要因素；楊帆等[6]研究表明植被對坡面水力侵蝕的影響主要表現(xiàn)在改變了坡面原有的土壤侵蝕環(huán)境、植物莖葉對雨滴的消能截留作用和坡面糙率。

隨著黃土高原水土保持生態(tài)修復工程的實施，當?shù)刂脖桓采w發(fā)生了較大變化，迫切需要研究不同植被覆蓋度條件下黃土高原土壤入滲及產(chǎn)流變化規(guī)律，揭示植被覆蓋對產(chǎn)流機制變化的作用?；诖耍狙芯客ㄟ^內蒙古西柳溝流域野外試驗場人工降雨試驗，分析了不同植被覆蓋度下的土壤水分入滲和產(chǎn)流規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

西柳溝為黃河內蒙古河段直接入黃的十大孔兌之一，全長106.5 km，總面積1 356.3 km2。流域內多為丘陵溝壑區(qū)或沙漠區(qū)，氣候干旱，土壤包氣帶厚且含水量較少。水蝕、風蝕俱存，水蝕主要分布在吳四屹堵以南的丘陵溝壑區(qū)，風蝕主要分布在吳四屹堵至苦菜灣的庫布齊沙漠風沙區(qū)。屬半干旱大陸性氣候區(qū)，年內四季氣候變化特征明顯，表現(xiàn)為春季干旱少雨、冷熱驟變、風大沙多，夏季炎熱短暫、降雨集中，冬季寒冷漫長。年均氣溫5.3～6.1 ℃，年均降水量311～393 mm。植被以典型草原植被群落為主，主要有黃刺玫、沙柳、沙棘、檸條、沙棗、羊草、披堿草等[7]，植被覆蓋度20%～40%。土地利用類型以中覆蓋度草地為主，占總面積的30.97%，其次是低覆蓋度草地、旱地和裸地。土壤以栗鈣土為主，占總面積的53.85%，其次分別為粗骨土、草甸風沙土、新積土、潮土和淡栗鈣土，分別占總面積的26.63%、12.24%、3.70%、3.06%和0.52%。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗設計

本試驗在西柳溝流域坡度15°自然坡面上的5個徑流小區(qū)內進行，小區(qū)面積均為100 m2(5 m×20 m)，植被為人工種植紫花苜蓿，土壤為栗鈣土。對小區(qū)進行人工翻土，深翻30 cm，除去雜草和碎石后進行平整，澆灌滲透24 h后，再次翻土去雜草根系，利用坡度儀對小區(qū)進行坡度平整，直至達到試驗要求的坡度。試驗所用紫花苜蓿種子發(fā)芽率為96%，依照試驗設定的不同植被覆蓋度和出苗率90%撒播草籽，在撒播后的兩周內，進行人工灑水養(yǎng)護。測得植被覆蓋度分別為0、11%、18%、43%、53%，對應2#、3#、4#、5#、6#小區(qū)，其中2#小區(qū)為裸坡，作為空白對比試驗區(qū)。

2.2 試驗方法

根據(jù)研究區(qū)典型暴雨頻率特征和人工降雨裝置性能，設計試驗的降雨強度為1.0～1.5 mm/min。試驗前一天，用不會引起坡面明顯侵蝕、小于0.5 mm/min的降雨對試驗小區(qū)噴灑10 min，以保證每次試驗前土壤含水率基本一致，消除地表處理的差異性。用土壤水分速測儀分別測定0、10、20、30、40 cm深度土層土壤含水率，每個深度測9次，取9次平均值作為該層土壤平均含水率。

從降雨雨滴降落到地表開始計時，坡面產(chǎn)流后，記下產(chǎn)流時間。每間隔1 min用塑料小桶采集一次徑流樣，降雨停止后，測量塑料小桶中含泥沙水深，乘以徑流小桶底面積，就得到徑流樣體積。

3 結果分析

3.1 植被覆蓋度對土壤含水率垂向分布的影響

相同的降雨條件下，不同的下墊面條件會導致土壤下滲量發(fā)生變化，從而影響土壤含水率的空間分布。表1為不同植被覆蓋度條件下各深度土層土壤平均含水率。在10～30 cm深度，2#、3#、4#小區(qū)土壤平均含水率均為先減小后增大，5#小區(qū)一直增大，6#小區(qū)則先增大后減小，這說明了植被覆蓋度對土壤含水率影響的復雜性，以及土壤含水率對植被覆蓋度的響應具有非線性特征；在30～40 cm深度， 2#、3#、4#小區(qū)土壤平均含水率減小，5#、6#小區(qū)增大。可見，低植被覆蓋度條件下(2#、3#、4#小區(qū))土壤平均含水率在20～30 cm深度土層增大，中植被覆蓋度條件下(5#、6#小區(qū))土壤平均含水率在30～40 cm深度土層增大，這一響應關系說明隨著植被覆蓋度的增加，降雨對深層土壤含水率影響將更為顯著。另外，3#、4#小區(qū)各土層深度的土壤平均含水率均大于裸坡，原因是在降雨過程中裸坡更容易形成地面徑流，故相應深度土層的含水率偏低，而草地對降雨有一定的截留作用，因而有植被覆蓋的草地含水率較高。

表1 不同植被覆蓋度條件下各深度土層土壤平均含水率

圖1～3分別是2#、5#、6#小區(qū)土壤平均含水率的垂向分布。降雨后較降雨前，2#小區(qū)(裸坡)在0～20 cm深度土層的土壤平均含水率顯著增加，5#小區(qū)在0～30 cm深度顯著增加，6#小區(qū)在0～40 cm深度顯著增加，可見隨著植被覆蓋度增加，降雨對土壤平均含水率垂向分布的影響深度逐漸增大。對比3種植被覆蓋度小區(qū)發(fā)現(xiàn)，由裸坡到植被覆蓋度43%、53%時，降雨前后表層土壤含水率增加幅度隨植被覆蓋度增加而增大，這與植被對降雨的截留和對徑流的阻滯作用有關；不同植被覆蓋度的地表，表層土壤含水率在降雨前后差異很大，并且植被覆蓋度越高，這種差異越顯著。試驗表明，5#、6#小區(qū)降雨前土壤含水率分別為19.01%、21.26%，降雨后含水率達到26.62%、34.52%，分別增加了40.0%和62.4%。

圖1 2#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

圖2 5#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

圖3 6#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

3.2 植被覆蓋度對土壤初始、穩(wěn)定入滲率的影響

大量研究表明，植被覆蓋對降雨入滲過程的影響機制主要是在降雨時植物的莖葉對雨滴有一定的消能和截留作用，有效防止了土壤表層形成結皮，使之呈疏松狀態(tài)，從而保持較高的入滲率。同時，植被改變了坡面原有的土壤侵蝕環(huán)境，發(fā)達的根系使土壤孔隙增多，為水流入滲創(chuàng)造了良好的條件。此外，坡面糙率隨植被覆蓋度增加而增大，使坡面水流流速降低，也加大了水流入滲的可能性。由于土壤物理性質的空間變異性，坡面降雨入滲的變化過程比較復雜。如果忽略植被截留和雨期蒸發(fā)，則產(chǎn)流后各時段的入滲率為[8]

式中：f為平均降雨入滲率，mm/min；R為降雨強度，mm/min；α為地面坡度，(°)；V為各時段對應的產(chǎn)流量，mL；ti、ti+1分別為始末時間，min；S為坡面面積，cm2。

根據(jù)Horton公式，利用Origin 8.0軟件分別對裸坡和植被覆蓋度11%、18%、43%、53%條件下的坡面入滲過程進行擬合分析，結果見表2。

表2 入滲率隨時間變化的關系式

由表2知，2#小區(qū)(裸坡)的初始入滲率為1.01 mm/min，3#、4#、5#、6#小區(qū)的初始入滲率分別為1.35、0.96、1.42、1.23 mm/min；與裸坡相比，除4#小區(qū)外，其他小區(qū)的初始入滲率均有所增加。由此可見有植被覆蓋的小區(qū)，土壤初始入滲率相對較大。對于有植被覆蓋的小區(qū)，穩(wěn)滲率的變化范圍為0.636～0.903 mm/min，最大值出現(xiàn)在6#小區(qū)，最小值出現(xiàn)在2#小區(qū)，植被覆蓋度從11%增加到53%時土壤穩(wěn)滲率逐漸增大。這說明植被覆蓋對坡地穩(wěn)滲率的影響是比較明顯的，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大。

圖4為不同植被覆蓋度條件下的土壤入滲率曲線，植被覆蓋度越高，達到穩(wěn)滲狀態(tài)的時間就越短，如3#、4#、5#、6#小區(qū)土壤入滲達到相對穩(wěn)定的時間分別約為9、7、6、5 min，而2#小區(qū)即裸坡達到穩(wěn)滲狀態(tài)的時間約為12 min。

圖4 不同植被覆蓋度條件下土壤入滲率擬合曲線

3.3 植被覆蓋度對坡面產(chǎn)流系數(shù)的影響

植被覆蓋能夠防止雨滴直接擊濺地表，并攔蓄徑流，因而對降雨產(chǎn)流有較大的影響?；诟餍^(qū)降雨產(chǎn)流數(shù)據(jù)，得到降雨強度接近條件下的產(chǎn)流系數(shù)(表3)。2#小區(qū)(裸坡)5 min、10 min產(chǎn)流系數(shù)分別為0.55、0.57，均大于有植被覆蓋小區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)。與裸坡相比，草被坡面有顯著的減流效應，如3#小區(qū)5 min和10 min徑流系數(shù)較2#小區(qū)分別減小了32.73%和15.79%。隨著植被覆蓋度增加，這種減流效應更加明顯，5#小區(qū)5 min和10 min產(chǎn)流系數(shù)較裸坡分別減小了47.27%和35.09%，6#小區(qū)5 min和10 min產(chǎn)流系數(shù)較裸坡分別減小了63.64%和54.39%。另外，植被覆蓋度從11%增加到53%時，相應小區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)有逐漸減小的趨勢，如3#小區(qū)5 min、10 min產(chǎn)流系數(shù)分別為0.37、0.48，6#小區(qū)則為0.20、0.26。結合圖4分析可知，植被覆蓋度越高，坡地穩(wěn)滲率越大，相應的產(chǎn)流量較少，故得到的產(chǎn)流系數(shù)較小。

表3 不同植被覆蓋度條件下的產(chǎn)流系數(shù)

此外，試驗進一步表明，在雨強大于60 mm/h的情況下，3#、4#、5#、6#小區(qū)分別在1.5、1.3、1.2、1.5 min后產(chǎn)流，5個試驗小區(qū)從降雨到開始產(chǎn)流的時間均相對較短，即在暴雨條件下產(chǎn)流很快。這說明在黃土高原地區(qū)植被建設過程中，還應實施工程措施如修建淤地壩等，提高對暴雨產(chǎn)流的調控作用，攔洪保土，減少入黃泥沙。

4 結 語

利用人工模擬降雨試驗，定量研究了植被覆蓋度對黃土高原地區(qū)坡面入滲和產(chǎn)流的影響，取得以下初步認識：

(1)植被覆蓋度不同，表層土壤含水率在降雨前后會有很大差異，其增加幅度隨植被覆蓋度增加而增大。同時隨著植被覆蓋度增加，對深層的土壤含水率影響更為顯著。

(2)植被覆蓋度對初始入滲率、穩(wěn)定入滲率的影響比較明顯，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大，達到穩(wěn)滲狀態(tài)的時間越短。

(3)與裸坡相比，草被坡面有顯著的減流效應，隨著植被覆蓋度的提高，產(chǎn)流系數(shù)逐漸減小，但在植被覆蓋度達18%以上時，產(chǎn)流系數(shù)減小趨勢才比較明顯。在暴雨條件下，黃土高原地區(qū)坡地即使覆蓋度達到了50%以上，產(chǎn)流仍然很快。

(4)本文所研究問題比較復雜，還有待結合更多的試驗觀測，從理論上進一步揭示坡面入滲產(chǎn)流過程對下墊面條件的響應機理。

[1] 姚文藝,湯立群.水力侵蝕產(chǎn)沙過程及模擬[M].鄭州:黃河水利出版社,2001:1-2.

[2] 申震洲,劉普靈,謝永生,等.不同下墊面徑流小區(qū)土壤水蝕特征試驗研究[J].水土保持通報,2006,26(3):6-9.

[3] 鄒俊亮,邵明安,龔時慧.不同植被和土壤類型下土壤水分剖面的分異[J].水土保持研究,2011,18(6):12-17.

[4] 姚文藝,肖培青,申震洲,等.坡面產(chǎn)流過程及產(chǎn)沙臨界對立地條件的響應關系[J].水利學報,2011,42(12):1438-1444.

[5] 彭新德,夏衛(wèi)生.不同植被土壤水分入滲特征初探[J].熱帶作物學報,2012,33(10):1910-1913.

[6] 楊帆,姚文藝,戴文鴻,等.植被影響下的坡面水力侵蝕研究進展[J].人民黃河,2013,35(1)：72-74.

[7] 李璇.西柳溝流域水沙流失特點及治理措施探討[J].內蒙古水利,2013(1):89-90.

[8] 陳洪松.黃土區(qū)坡地土壤水分運動與轉化試驗研究[D].陜西:西北農林科技大學,2003:32-33.

(責任編輯 李楊楊)

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2014B25014)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”項目(2011CB403303)

S157.1

A

1000-0941(2015)06-0041-03

趙夢杰(1990—)，男，湖北黃岡市人，在讀碩士，主要從事水土保持、水文水資源方面的研究工作。

2015-02-01