不同坡位的植被緩沖帶對坡面侵蝕產(chǎn)沙來源的影響

于國強, 賈蓮蓮， 朱冰冰, 張 霞

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 干旱—半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點實驗室, 西安 710054; 2.黃河水利委員會 黃河上中游管理局， 西安710021； 3.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710061; 4.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048)

黃土高原的土壤侵蝕問題日益嚴重，生態(tài)矛盾日益突出[1-2]。我國黃土區(qū)地形破碎，土壤抗侵蝕能力弱，植被有限，是入黃泥沙主要來源[3]。合理的植被結(jié)構(gòu)能夠有效減少、防止水土流失，改良土壤性質(zhì)[4-6]；不合理的植被布局加劇水土流失[7]。因此，如何合理布設(shè)植被，實現(xiàn)植被對水土保持效益最大化，是治理黃土區(qū)水土流失的關(guān)鍵。

植被在黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)中有著不可替代的作用，學(xué)者們對植被蓋度與土壤侵蝕的關(guān)系、植被對水力學(xué)參數(shù)和土壤性質(zhì)的影響、植被的減水減沙效應(yīng)等方面開展了大量研究[8]。在植被調(diào)控坡面侵蝕研究方面，研究者們認為除植被類型、數(shù)量決定侵蝕產(chǎn)沙外，位置、分布也同侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系密切[9]。不少研究發(fā)現(xiàn)，在相同降雨或上坡來水條件下，植被分布在下坡的侵蝕產(chǎn)沙小于中坡和上坡[10-11]。然而，由于土壤侵蝕十分復(fù)雜且技術(shù)手段的限制，導(dǎo)致現(xiàn)有研究多停留在定性分析階段，只給出了不同植被分布與侵蝕產(chǎn)沙變化的邏輯關(guān)系，對植被分布對減流減沙的影響過程缺乏深入的闡述[12]。因此，本研究采用室內(nèi)模擬降雨試驗和三維激光掃描技術(shù)，通過分析不同坡位植被緩沖帶坡面產(chǎn)沙來源的變化特征，闡述不同坡位植被帶下坡面侵蝕的形態(tài)演變過程和差異，以期為揭示草地坡面侵蝕規(guī)律和植被減蝕效應(yīng)研究提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

本研究根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)坡面地貌形態(tài)，同時結(jié)合室內(nèi)試驗條件，構(gòu)建坡面物理概念化模型。如圖1所示，試驗?zāi)Ｐ蜕掀麻L8 m、坡度12°、下坡長5 m、坡度25°[6]。

本研究的試驗用土壤為西安郊區(qū)丘陵臺塬地貌黃土，經(jīng)過篩分處理。顆粒尺寸為0.002～0.05 mm的顆粒占91.39%，0.05～0.1 mm的顆粒占6.21%，為粉質(zhì)土。選用野生馬尼拉草為試驗草帶，草根系長20 cm，長勢較好。試驗開始15 d前，草帶在試驗鋼槽內(nèi)生長，按照模型的尺寸，草帶的尺寸設(shè)定為2 m×1 m。試驗槽底部鋪設(shè)20 cm厚的天然砂。對鋼槽內(nèi)黃土進行夯實，使其容重在1 300 kg/m3左右，通過噴水預(yù)濕的方法使土壤含水量在20%左右。然后在沙層上放置20 cm厚的土壤，并為草帶布設(shè)預(yù)留10 cm空間，使草帶與裸坡緊密連接以防止降雨時滑動。針對較為干旱環(huán)境和條件下的黃土高原地區(qū)植物實際生長情況[13]，試驗選擇覆蓋度為25%，共設(shè)計5種植被位置(圖1)：位置a(裸坡)、位置b(上坡下部)、位置c(上坡中下部)、位置d(上坡中上部)、位置e(上坡上部)。

圖1 坡面概化模型

模擬降雨采用向上式降雨裝置，濾紙法[9]測量的雨滴直徑與自然降雨雨滴尺寸接近。試驗中上坡、下坡分別布設(shè)4個噴頭，每個噴頭的降雨面積達到3～4 m2。試驗采用噴頭尺寸和水壓力來準確控制雨強、雨量和降雨均勻程度[13]。試驗中選用黃土區(qū)的中雨雨強(90 mm/h)[13-15]、間隔24 h的間歇性降雨，每個位置開展2場試驗。為減少試驗誤差，每場試驗重復(fù)2次，重復(fù)結(jié)果表明，產(chǎn)沙和徑流均值未發(fā)生顯著差異，次降雨產(chǎn)沙量誤差可以控制在10%以內(nèi)。根據(jù)產(chǎn)流達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，確定徑流歷時為30 min。試驗進行時，水沙樣品每1 min采樣1次，測量徑流量；泥沙經(jīng)過24 h靜置后分離，在105℃下烘干8 h后稱重。

將坡面均分為13個1 m×1 m的坡段，每個斷面徑流表面流速采用染料示蹤法確定。雷諾數(shù)由徑流深、徑流平均流速和動力粘性系數(shù)(與溫度有關(guān))計算。根據(jù)徑流流態(tài)對流速進行修正，最終求得平均徑流流速[13]。

使用掃描儀測量降雨前、后坡面三維地形。測量精度為1 mm，進而建立試驗中坡面表面DEM[16]。每種位置下共掃描3個DEM數(shù)據(jù)(1 m×13 m)，見圖2。

圖2 不同草帶位置下降雨前后DEM結(jié)果

將初始降雨前DEM記為“Rain0”，第2次降雨后的DEM標為“Rain2”。第2次降雨后的產(chǎn)沙量為Rain1—Rain2。下墊面的草帶會影響DEM測試數(shù)據(jù)，需要去除植被的噪點數(shù)據(jù)。對獲取的DEM點云數(shù)據(jù)進行插值處理，插值間距為10 mm ×10 mm。產(chǎn)沙總體積計算如下：

VE=∑HiS

(1)

式中：VE為產(chǎn)沙體積；Hi為DEM高程；S為面積，規(guī)格為10 mm×10 mm。

由圖2可以看出，在有、無草帶的情況下，第2次降雨后的下墊面DEM較第1次降雨后變化不大，按照公式(1)計算得到的2次降雨的侵蝕體積變化幅度輕微，因此在后續(xù)的結(jié)果分析中，僅采用第2次降雨后的數(shù)據(jù)進行研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被位置下坡面侵蝕輸沙來源辨析

坡面從坡頂至坡底每1 m為一個坡段，上坡為“坡段1—8”的8個坡段；下坡為“坡段9—13”的5個坡段。以每個坡段產(chǎn)沙體積表征侵蝕量(產(chǎn)沙量)，第2次降雨后各坡段產(chǎn)沙體積計算結(jié)果見表1。

表1 第二次降雨后各個植被位置下不同坡段產(chǎn)沙體積

裸坡條件下，整個坡面的產(chǎn)沙體積為0.123 72 m3，均值9.52×10-3m3/m2。第5坡段的侵蝕量是1.048×10-2m3/m2，達到坡面產(chǎn)沙量的8.48%，是上坡主要產(chǎn)沙部位。下坡范圍內(nèi)的中部、中下部以及下部(坡段11—13)是整個坡面范圍內(nèi)侵蝕最為嚴重的部位(圖2)，3 m長的坡段產(chǎn)沙體積為6.876 ×10-2m3，產(chǎn)沙率為29.80 kg/m2，占整個坡面產(chǎn)沙量的55.56%。

位置b條件下，坡面侵蝕總體積為0.103 38 m3，略小于裸坡時的0.123 72 m3，植被具有一定的減緩侵蝕的作用，但作用較弱。位置b下的上坡產(chǎn)沙量在所有試驗場次中最少，為1.88×10-2m3，占整個坡面產(chǎn)沙量的18.11%，侵蝕程度最低。但下坡產(chǎn)沙量較裸坡卻有增加，主要的侵蝕區(qū)域集中于下坡整個5 m的坡段，產(chǎn)沙多集中于此(圖2)，侵蝕體積為8.466×10-2m3，產(chǎn)沙率為22.01 kg/m2，占整個坡面產(chǎn)沙量的81.89%，這說明草帶調(diào)控(減緩)侵蝕的范圍有限，僅對上坡有效果。與此相反，位置c條件下，草帶布設(shè)于上坡60%位置，整個坡面的產(chǎn)沙體積僅為6.872×10-2m3，小于裸坡時的0.123 72 m3，說明植被種植位置較為合適，就可以具有較好的減緩侵蝕的作用，其調(diào)控范圍覆蓋整個坡面。上坡產(chǎn)沙體積僅為2.719×10-2m3，占整個產(chǎn)沙量的39.57%；下坡產(chǎn)沙量僅為4.153×10-2m3，占整個坡面的60.43%，侵蝕程度最低。只有下坡中上部(坡段10)和中部(坡段11)產(chǎn)沙量較大，是坡面產(chǎn)沙的主要來源部位(圖2)，其2 m的坡段的侵蝕體積為2.179×10-2m3，產(chǎn)沙率僅為14.16 kg/m2，占整個坡面產(chǎn)沙的31.71%。

位置d條件下，整個坡面的產(chǎn)沙體積達到0.240 16 m3，遠大于裸坡，侵蝕的程度增強，草帶減緩侵蝕效果較差，甚至失去調(diào)控效果。此時上坡、下坡的侵蝕程度均較為嚴重。從下坡中部至上坡中下部6 m范圍內(nèi)的侵蝕程度十分嚴重(圖2)，侵蝕產(chǎn)沙多來源于此，其產(chǎn)沙量達到0.199 87 m3，產(chǎn)沙率為43.30 kg/m2，占坡面產(chǎn)沙量的83.22%。

位置e與位置d侵蝕情況類似，但侵蝕劇烈程度強于位置d，整個坡面的產(chǎn)沙體積達到了0.259 86 m3，遠遠大于裸坡，植被減緩侵蝕的效果最差。此時從下坡下部一直延伸至上坡中部9 m范圍內(nèi)的侵蝕程度達到試驗范圍內(nèi)峰值，侵蝕嚴重，其產(chǎn)沙體積高達0.256 25 m3，產(chǎn)沙率增至37.01 kg/m2，占坡面產(chǎn)沙總量的98.61%，侵蝕程度和產(chǎn)沙量達到峰值。

2.2 不同植被位置調(diào)控坡面侵蝕輸沙作用辨析

對不同植被位置下的DEM進行提取[17]，測量、計算第2次降雨后的產(chǎn)沙體積等侵蝕強度指標(表2)。與裸坡相比，位置b條件下的細溝體積和產(chǎn)沙體積分別減少了32%，16%，細溝寬度減少30%，細溝深度降低39%。而位置c與裸坡相比各個指標均大幅降低，細溝體積降低69%，產(chǎn)沙體積降低44%；細溝寬度減少36%，深度降低58%，達到谷值。位置d和e的情況則剛好相反，較裸坡相比，侵蝕程度大幅加劇，位置d的細溝體積和產(chǎn)沙體積分別增加1.67倍和94%，最大細溝深度和寬度分別增加7.5%和1.46倍；位置e的產(chǎn)沙體積和細溝體積分別增加1.1，1.98倍，細溝深度增加14%，寬度增加1.56倍達到峰值。

表2 第二次降雨后不同植被位置下的侵蝕強度指標

對比5種植被位置，草帶位置d和e下的細溝侵蝕量占總侵蝕量的76%，78%，遠大于其他位置的情況，這與文獻記載結(jié)論一致[18]。說明草帶位置d，e條件下，細溝侵蝕成為了主要的侵蝕方式，細溝侵蝕部位(侵蝕產(chǎn)沙來源)多處于下坡下部至上坡下部(圖2)。草帶位置b和c下的細溝侵蝕量達到谷值，不到總侵蝕量的45%，說明此時主要的侵蝕方式是擊濺侵蝕和片蝕，而不再是細溝侵蝕，細溝侵蝕也僅僅發(fā)生在下坡下部的小區(qū)域內(nèi)(圖2)[19]。

在合理的位置條件下，盡管草帶沒有改變侵蝕部位，但能夠減緩侵蝕，降低了侵蝕強度。值得注意的是，位置b和c的草帶減緩侵蝕的程度和作用范圍是不同的。位置b的草帶調(diào)控侵蝕的效果稍弱于位置c，調(diào)控范圍僅限于上坡，其范圍內(nèi)的產(chǎn)沙量很??；但下坡范圍內(nèi)產(chǎn)沙量卻超過了裸坡。此時下坡成為侵蝕的主要部位，產(chǎn)沙體積為8.466×10-2m3，占整個坡面的82%。位置c時草帶調(diào)控侵蝕的效果更加明顯，調(diào)控侵蝕范圍從下坡至上坡，有效減少了坡面所有坡段的產(chǎn)沙水平，侵蝕強度指標處于谷值(圖2和表2)。將坡面產(chǎn)沙的主要部位控制在下坡中上部和中部2 m的坡段，使得產(chǎn)沙率僅為14.16 kg/m2，產(chǎn)沙體積僅為2.179×10-2m3，占坡面產(chǎn)沙的31.71%。

盡管位置d，e的植被減緩侵蝕效果、范圍不同，但產(chǎn)沙主要部位均是由下坡中部、中下部逐漸向上擴展至下坡上部至上坡下部、中部。同時由于位置d，e時草帶布設(shè)相對靠上，留給了植被下部更多的裸坡與出口直接相連，流速快速增長，侵蝕能力急劇增大。加之植被過濾，含沙量有所降低，徑流攜運泥沙能力增強[20]，使得侵蝕程度(產(chǎn)沙量)增加，產(chǎn)沙的主要部位也因此發(fā)生改變，各個侵蝕指標較裸坡均有一定程度的增加(表2)。

綜合以上分析，草帶種植于坡面，下坡始終是坡面產(chǎn)沙的主要部位。植被種植位置偏于上坡上部會在一定程度上加劇侵蝕，使得產(chǎn)沙量達到峰值；但由于植被減緩侵蝕的部位和調(diào)控的范圍有所不同，侵蝕加劇的程度和泥沙主要來源存在不同。草帶種植位置偏于坡面下部，都會減緩侵蝕，產(chǎn)沙量為最低；但減緩的侵蝕范圍不同，侵蝕主要的部位也會不同。草帶種植于上坡底部，植被減緩侵蝕的范圍有限，僅可以有效降低上坡范圍的侵蝕，而下坡的產(chǎn)沙量較裸坡有增長(圖2)。草帶種植于上坡中下部，植被減緩侵蝕的范圍達到整個坡面，可以在較大程度上抑制流速的增長，減緩整個坡面的侵蝕強度，使產(chǎn)沙量達到最低。

3 結(jié) 論

裸坡條件下，下坡中部、中下部、下部3 m的坡段是坡面的主要產(chǎn)沙部位，產(chǎn)沙體積6.876×10-2m3，產(chǎn)沙率29.80 kg/m2。植被位于上坡下部或中下部時，下坡中部、中下部為主要泥沙來源，侵蝕程度得到緩解。當草帶位于上坡中部、中上部時，泥沙侵蝕擁有了更多的裸露空間，泥沙來源部位逐漸向上擴展。同裸坡相比，主要侵蝕范圍增加2～3倍，產(chǎn)沙率增至37.01～43.30 kg/m2，增加幅度達24%～45%，侵蝕程度進一步加劇，產(chǎn)沙量達到峰值。

當草帶在上坡下部和中下部布設(shè)時，雖然沒有改變裸坡時的主要侵蝕部位，但卻抑制、緩解了侵蝕強度。當草帶種植于上坡下部60%位置，可以有效減緩整個坡面的侵蝕強度，進一步降低了各個細溝侵蝕指標，甚至改變了侵蝕方式，調(diào)控范圍可覆蓋整個坡面，有效地將主要的產(chǎn)沙范圍控制在下坡中上部和中部2 m的坡段部位；使得主要產(chǎn)沙范圍和產(chǎn)沙率較裸坡分別降低33%，53%。

致謝：本文得到了自然資源部地下水與生態(tài)—陜西榆林野外科學(xué)觀測基地的支持，在此表示感謝。