灌草植被覆蓋度和坡度對(duì)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響研究

戴 鑫

(成都雙流建工建設(shè)集團(tuán)有限公司,成都 610017)

0 引言

為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境,中國政府實(shí)施了一系列生態(tài)工程,其中最有代表性的例子就是退耕還林工程,通過植被建設(shè)和水土保持措施的實(shí)施,黃河中游年產(chǎn)沙量減少到3 278 t。然而,在黃土高原地區(qū)存在缺水嚴(yán)重的現(xiàn)象,導(dǎo)致樹木難以生長。植被覆蓋已被確定為最有效的土壤侵蝕管理技術(shù)之一[1-2],種草和灌木已成為黃土高原坡面水土流失治理的主要措施。

學(xué)者們調(diào)查了黃土高原植被覆蓋度對(duì)減少徑流和土壤侵蝕方面的研究,植被的覆蓋能夠有效增加土壤有機(jī)質(zhì),改善土壤物理性質(zhì),從而減少地表徑流和土壤侵蝕,減少養(yǎng)分流失。路志強(qiáng)等[2]定量評(píng)價(jià)了退耕還林還草前后蒲河流域土壤侵蝕變化特征及降水和植被對(duì)土壤侵蝕的影響,提出了覆蓋度與降雨侵蝕力相互作用下土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顩r;王瑞紅等[3]采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn),試驗(yàn)采用草本植物狗牙根研究了不同植被覆蓋度對(duì)三峽庫區(qū)邊坡減蝕的影響,結(jié)果表明,植被覆蓋度在50%～70%時(shí)可以有效抑制坡面的泥沙損失,對(duì)水土流失具有一定的抑制作用;王琳等[4]研究了黃河流域河南段植被覆蓋度變化對(duì)土壤坡面的影響,通過研究為該區(qū)域整個(gè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)提供了理論依據(jù)。

然而,以上成果大多涉及單一的植被類型,關(guān)于灌草結(jié)合與土壤侵蝕之間關(guān)系的研究還鮮有報(bào)道。本文研究了在模擬降雨條件下,徑流和泥沙產(chǎn)量對(duì)灌草植被覆蓋度和坡度差異的響應(yīng),同時(shí),探討了徑流/泥沙與植被覆蓋度的關(guān)系,將有助于評(píng)價(jià)水土保持效益,為生態(tài)環(huán)境和植被建設(shè)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)置有側(cè)噴式模擬降雨系統(tǒng),降雨高度為土壤表面以上16 m。該系統(tǒng)可產(chǎn)生40～150 mm/h的降雨強(qiáng)度,且均勻性大于80%,最大持續(xù)降雨時(shí)間為12 h,有效降雨面積能夠達(dá)到6 m×4 m。如圖1所示,本研究構(gòu)建的徑流區(qū)域?yàn)? m(長)×1 m(寬)×0.5 m(深),每個(gè)地塊由一對(duì)包含盒子的土壤組成,采用0～20°的可變坡度。同時(shí),在每個(gè)地塊的底部,放置了一個(gè)三角形的排水出口,用于收集地表徑流和沉積物,為了在每種條件下保持相同的降雨量,降雨時(shí)間為100 min和30 min,降雨強(qiáng)度為1.0 mm/min和2.0 mm/min,并設(shè)置10°和20°的試驗(yàn)坡度。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)過程土壤和植被

試驗(yàn)土壤取自河南省黃河流域,土壤類型主要為黃色軟沙土。本研究中使用的土壤材料是沙壤土,主要包含沙子(粒徑>0.05 mm)、粉砂(粒徑>0.002 mm)、粘土顆粒(粒徑<0.002 mm),含量分別為13%、65%、22%,試驗(yàn)所用灌木為南天竹。

1.3 試驗(yàn)步驟

在填充土壤地塊之前,用10 mm的篩子過濾干燥的土壤,以去除植物根和石頭等雜質(zhì)。各物料的填充采用罐內(nèi)分層灌裝的方法,首先,將每個(gè)盒子的底部放一層3 cm厚的沙子,以促進(jìn)排水,在沙層上鋪一層紗布,讓水進(jìn)行均勻滲透;其次,將剩余的沙子按照3 cm的增量填充并壓實(shí)在過篩的土壤中,土壤的堆積密度要求為1.35 g/cm3,并且要保持表面平坦且平行于槽的底部。

用土壤水分傳感器測(cè)量土壤槽中不同深度處的初始土壤含水量,為了將初始土壤含水量與實(shí)際取土含水量保持在同一水平,在試驗(yàn)前進(jìn)行了相應(yīng)降雨處理,以確保土壤含水量在8%和15%之間波動(dòng)。同時(shí),每隔1 min用塑料桶收集地表徑流和產(chǎn)生的沉積物,收集后在105℃的干燥箱中干燥至恒重,然后稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 地表徑流起始時(shí)間和徑流流速影響因素分析

徑流起始時(shí)間和徑流流速是坡面徑流的兩個(gè)主要參數(shù),圖2顯示了在不同降雨強(qiáng)度及坡度下,植被覆蓋度對(duì)徑流時(shí)間及流速的影響。可以看出,對(duì)于同一坡度下,隨著灌草植被覆蓋度的增加,徑流起始時(shí)間推遲,徑流流速降低。徑流起始時(shí)間與草地植被覆蓋度呈正相關(guān),與坡度呈負(fù)相關(guān),這意味著徑流的起始時(shí)間隨著坡度的增加而減少,隨著植被覆蓋度的增加而增加;而徑流流速隨著坡度的增加而減少,隨著植被覆蓋度的增加而減小。70%植被覆蓋度對(duì)徑流和土壤流失的影響比其他覆蓋度更明顯,分析原因可歸因于植被覆蓋可以有效降低雨滴動(dòng)能,推遲徑流開始時(shí)間。植被覆蓋的地塊和樹干部分保護(hù)了土壤表面,增加了土壤表面粗糙度,此外,植被根可以改善土壤物理性質(zhì),例如土壤內(nèi)聚性、土壤團(tuán)聚體、土壤有機(jī)質(zhì)。

(a)土壤覆蓋度與徑流量時(shí)間關(guān)系

圖2(a)顯示了不同降雨強(qiáng)度及坡度條件下土壤覆蓋度與徑流量時(shí)間關(guān)系,徑流起始時(shí)間呈增長趨勢(shì),在1.0 mm/min降雨強(qiáng)度下增長率為1.68,在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下增長率為0.77,此外,降雨強(qiáng)度1.0 mm/min的徑流起始時(shí)間是降雨強(qiáng)度2.5 mm/min的2倍左右。圖2(b)顯示了不同降雨強(qiáng)度及坡度條件下土壤覆蓋度與徑流流速的關(guān)系,可以看出,隨著坡度的增加,徑流流速有明顯的增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度在1.0 mm/min,植被覆蓋度超過40%時(shí),徑流流速呈顯著下降趨勢(shì),隨后趨于穩(wěn)定。此外,天然山坡灌草植被覆蓋度的提高,有利于地表徑流向土壤深層滲透,增加坡面流阻力系數(shù),延長徑流起始時(shí)間,降低徑流流速。

2.2 植被覆蓋度與坡度對(duì)徑流率影響因素分析

圖3顯示了植被覆蓋度與坡度對(duì)徑流率的影響,可以看出,徑流率隨著坡度的增大而增大,高坡度達(dá)到穩(wěn)定徑流率的時(shí)間比低坡度短。此外,徑流率在產(chǎn)流初期開始急劇增加,然后趨于穩(wěn)定,并且隨著植被覆蓋度的增加,徑流量減小,70%的植被覆蓋度比其他覆蓋度具有更明顯的減流效果。

(a)土壤覆蓋度與徑流率關(guān)系

圖4顯示了不同降雨強(qiáng)度下植被覆蓋度與坡度對(duì)徑流率影響,可以看出,在較低的降雨強(qiáng)度下,徑流率降低,啟動(dòng)徑流響應(yīng)的延遲增加。在相同降雨強(qiáng)度下,徑流率減少量隨著坡度的增大而減小,在1.0 mm/min雨強(qiáng)下,10°和20°不同坡度的平均產(chǎn)流分別減少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨強(qiáng)度下,10°和20°坡度的平均產(chǎn)流率分別減少26%和23%。在兩種降雨強(qiáng)度下,坡度為10°時(shí)的產(chǎn)流減少量大于坡度為20°時(shí)的產(chǎn)流減少量,這表明陡峭的山坡產(chǎn)生了高徑流,徑流超過了入滲,因此在山坡上產(chǎn)生了徑流。

(a)降雨強(qiáng)度1.0 mm/min下的徑流率

在相同雨強(qiáng)下,隨著灌草覆蓋度的增加,徑流率增加,當(dāng)植被覆蓋度從0增加到70%時(shí),1.0 mm/min雨強(qiáng)下的平均產(chǎn)流分別減少了23%與37%;降雨量為2.5 mm/min時(shí)的徑流產(chǎn)量分別下降了6%與38%。在2.5 mm/min雨強(qiáng)下,增加植被覆蓋度的減流效益變化大于1.0 mm/min雨強(qiáng)下的減流效益幅度,表明植被覆蓋能有效提高兩種雨強(qiáng)下的減流效益。分析原因主要是因?yàn)榻涤觊_始時(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞并不嚴(yán)重,使土壤逐漸飽和,受飛濺侵蝕影響相對(duì)較小的土壤顆粒滲入下層土壤,使得土壤形成結(jié)皮,從而使徑流率逐漸穩(wěn)定。

2.3 植被覆蓋度和坡度對(duì)土壤侵蝕速率的影響

土壤侵蝕速率與植被覆蓋度和坡度密切相關(guān),圖5顯示了不同植被覆蓋度與不同坡度對(duì)土壤侵蝕率的影響,可以看出,土壤侵蝕速率隨著灌草植被覆蓋度的增加而減小,并隨著坡度的增加而增大。在降雨過程中,土壤侵蝕率經(jīng)歷了一個(gè)先快速增加,然后隨著降雨歷時(shí)的變化而降低,最后趨于穩(wěn)定的過程。這是因?yàn)樵诮涤瓿跗?土壤顆粒分散,凝聚力小,加上土壤本身濕度較低,使得沙粒容易被雨滴濺蝕分離。隨著土壤含水量的迅速增加,土壤顆粒變得更加粘聚,土壤的抗侵蝕能力增強(qiáng)。

(a)植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕率的影響

圖6顯示了降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)產(chǎn)沙減少量的影響,可以看出,不同灌草植被覆蓋度下,產(chǎn)沙減少量隨著坡度的增加而減小。在1.0 mm/min的降雨強(qiáng)度,植被覆蓋度40%條件下,10°和20°坡度相關(guān)的產(chǎn)沙量減少分別為44%和36%;在2.5 mm/min的降雨強(qiáng)度下,植被覆蓋度40%條件下,10°和20°坡度相關(guān)的產(chǎn)沙量減少分別為35%和28%。通過對(duì)不同降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)沙減少量的影響,可以看出當(dāng)降雨強(qiáng)度為2.5 mm/min時(shí),與坡度增加相關(guān)的產(chǎn)沙減少量不如降雨強(qiáng)度為1.0 mm/min時(shí)明顯。與徑流相似,產(chǎn)沙量與灌草植被覆蓋度顯著相關(guān),且隨著植被覆蓋度的增加產(chǎn)沙量顯著減少,當(dāng)植被覆蓋度從40%提升到70%時(shí),在1.0 mm/min的產(chǎn)沙量要低于2.0 mm/min的產(chǎn)沙量,這表明在高降雨強(qiáng)度條件下的產(chǎn)沙量相對(duì)較高。降雨強(qiáng)度和坡度是影響土壤侵蝕的主要控制因素,在不同降雨強(qiáng)度下,較高雨強(qiáng)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少幅度大于較低雨強(qiáng)下,降雨強(qiáng)度越大,雨滴的能量越大,地表侵蝕越強(qiáng)。

(a)雨強(qiáng)1.0 mm/min的產(chǎn)沙減少量

2.4 徑流與產(chǎn)沙關(guān)系分析

圖7顯示了不同降雨強(qiáng)度下徑流與產(chǎn)沙關(guān)系,可以看出,當(dāng)灌草植被覆蓋率大于40%時(shí),隨著累積徑流量的增加,累積產(chǎn)沙量逐漸增加。此外,隨著植被覆蓋度的增加,累積徑流量的增加速率大于累積產(chǎn)沙量。在2.5 mm/min的雨強(qiáng)下,當(dāng)植被蓋度大于40%時(shí),累積產(chǎn)沙量的振幅明顯減小。與累計(jì)產(chǎn)沙量的動(dòng)態(tài)變化相比,累計(jì)徑流量在產(chǎn)流初期開始急劇增加,然后趨于穩(wěn)定,這與Xiao et al.[5]的研究結(jié)果相一致。這些結(jié)果表明,隨著降雨強(qiáng)度的增加,需要更多的植被覆蓋來防止水土流失,植被覆蓋度在減少產(chǎn)沙量和徑流量方面起主導(dǎo)作用。

(a)雨強(qiáng)1.0 mm/min的徑流與產(chǎn)沙關(guān)系

3 結(jié)論

本文以沙壤土為研究對(duì)象,采用降雨試驗(yàn)?zāi)M降雨條件下灌草植被覆蓋度和坡度對(duì)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,探索了不同植被覆蓋度、不同降雨強(qiáng)度、坡度對(duì)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響。根據(jù)本研究的結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

(1)保持同一坡度不變的條件下,隨著灌草植被覆蓋度的增加,徑流起始時(shí)間推遲,徑流流速降低。徑流起始時(shí)間與草地植被覆蓋度呈正相關(guān),與坡度呈負(fù)相關(guān)。在1.0 mm/min降雨強(qiáng)度下增長率為1.68,在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下增長率為0.77,降雨強(qiáng)度1.0 mm/min的徑流起始時(shí)間是降雨強(qiáng)度2.5 mm/min的2倍左右。并且,隨著坡度的增加,徑流流速有明顯的增加,當(dāng)植被覆蓋度超過40%時(shí),徑流流速呈顯著下降趨勢(shì),隨后趨于穩(wěn)定。

(2)徑流率隨著坡度的增大而增大,高坡度達(dá)到穩(wěn)定徑流率的時(shí)間比低坡度短。徑流率在產(chǎn)流初期開始急劇增加,然后趨于穩(wěn)定,并且,隨著植被覆蓋度的增加,徑流量減小,70%的植被覆蓋度比其他覆蓋度具有更明顯的減流效果。在相同降雨強(qiáng)度下,徑流率減少量隨著坡度的增大而減小,在1.0 mm/min雨強(qiáng)下,10°和20°不同坡度的平均產(chǎn)流分別減少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨強(qiáng)度下,10°和20°坡度的平均產(chǎn)流率分別減少26%和23%。

(3)土壤侵蝕速率隨著灌草植被覆蓋度的增加而減小,并隨著坡度的增加而增大。在降雨過程中,土壤侵蝕率經(jīng)歷了一個(gè)先快速增加,然后隨著降雨歷時(shí)的變化而降低,最后趨于穩(wěn)定的過程。在不同灌草植被覆蓋度下,產(chǎn)沙減少量隨著坡度的增加而減小。降雨強(qiáng)度和坡度是影響土壤侵蝕的主要控制因素,在不同降雨強(qiáng)度下,較高雨強(qiáng)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少幅度大于較低雨強(qiáng)下,降雨強(qiáng)度越大,地表侵蝕越強(qiáng)。

(4)當(dāng)灌草植被覆蓋度大于40%時(shí),隨著累積徑流量的增加,累積產(chǎn)沙量逐漸增加,累積徑流量的增加速率大于累積產(chǎn)沙量。在2.5 mm/min的雨強(qiáng)下,當(dāng)植被蓋度大于40%時(shí),累積產(chǎn)沙量的振幅明顯減小。與累計(jì)產(chǎn)沙量的動(dòng)態(tài)變化相比,累計(jì)徑流量在產(chǎn)流初期開始急劇增加,然后趨于穩(wěn)定。本研究可為黃土高原生態(tài)環(huán)境管理和植被建設(shè)提供參考。