不同上方来水模式下工程堆积体坡面的植被调控

娄永才，高照良,，李永红,，齐星圆，张 恒，陈 卓，苏 媛，冯志倩

不同上方来水模式下工程堆积体坡面的植被调控

娄永才1，高照良1,2※，李永红1,2，齐星圆1，张 恒1，陈 卓1，苏 媛2，冯志倩1

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

为揭示植被格局对工程堆积体坡面水沙调控的影响，采用野外模拟径流冲刷试验，分析了4种上方来水模式（均匀型、峰值前型、峰值中型和峰值后型）下坡面5种覆草格局（裸坡、坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局）的侵蚀特征。结果表明：水流功率与土壤剥蚀率之间相关性最高且呈极显著幂函数关系（2=0.47～0.72，<0.01），是描述堆积体侵蚀动力机制的最优参数。植被格局的减流效益在12.23%～49.62%之间，减沙效益在12.92%～80.54%之间，减沙效益高于减流效益；带状和坡顶聚集格局的平均减流减沙效益分别为43.87%、58.09%和30.55%、54.41%，显著优于其他植被格局，在治理堆积体水土流失时应优先考虑这两种植被格局。植被格局下侵蚀泥沙中砂粒含量较对照小区减小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被对砂粒的拦截效果显著；侵蚀泥沙颗粒体积分形维数主要由黏粒体积分数决定，两者呈极显著线性相关关系（2=0.90，<0.01）。植被格局的砂粒富集率较对照小区相对减小，黏粒富集率相对增加，体积分形维数增大；侵蚀泥沙中黏粒和砂粒迁移方式以团粒为主，粉粒则以单粒为主。该研究可为工程堆积体水土流失植被防控措施的配置提供参考。

土壤；侵蚀；植被；上方来水模式；土壤颗粒；分形维数；工程堆积体

0 引 言

弃土弃渣和人为扰动地面是生产建设项目新增水土流失的主要来源，其中由弃土弃渣堆置形成的工程堆积体产生的水土流失引发广泛关注。与原地貌相比，工程堆积体具有物质组成复杂、土体结构性差、坡度陡、抗蚀和抗冲性弱等特点导致其在降雨或上方来水条件下极易发生水土流失，从而危害区域生态环境健康，引发环境灾害。

工程堆积体通常由平台和坡面两部分组成，平台是降雨时径流的主要汇集区，其汇集的上方来水是诱发堆积体坡面土壤侵蚀的主要原因，因为上方来水是坡面径流能量传递和泥沙输移的载体，它从根本上改变了坡面下部的水文输入条件，调节了径流侵蚀力的分配[1]，改变了坡面土壤侵蚀的发展过程，加剧了坡面土壤侵蚀程度。目前，多采用室外或室内放水冲刷的方式模拟上方来水对坡面土壤侵蚀的影响，虽然在上方来水对坡面土壤水分再分布[2]、浅沟侵蚀[3-5]、土壤侵蚀过程[6-8]、水动力学参数[9-11]等的影响方面取得了不错的研究成果，但大多都是基于恒定上方来水（恒流）条件下，且未考虑降雨径流时空格局变化对坡面侵蚀的影响，对非恒定（变流）条件下坡面径流侵蚀响应研究较少，从而不利于深入理解上方来水模式对坡面侵蚀过程的调控。

植被作为生物措施能够削弱降雨或地表径流侵蚀、增加入渗量和减少径流量、提高土壤的抗冲和抗蚀性等被认为是防治土壤侵蚀的根本措施。研究表明，调整植被结构可以有效改善土壤性状和减轻土壤侵蚀，但不合理的植被格局则可能会加剧土壤侵蚀或者水土流失的发生[12]，且不同植被空间格局也是造成坡面土壤侵蚀差异性的一个重要因素[13-15]。虽然目前许多研究涉及到坡面侵蚀产沙的植被格局变化响应[16-18]，但限于“格局-过程”这一地学和生态学领域前沿问题的复杂性，以及侵蚀产沙变化中多因素耦合作用的特点，植被格局对侵蚀产沙的影响目前仍不明确[19]：缺乏植被格局调控洪峰量的效益量化；植被格局对不同上方来水模式的调控最佳模式不清；不同植被格局下侵蚀泥沙颗粒分形与分选特征不清。

鉴于此，本文通过模拟径流冲刷试验对不同植被格局下工程堆积体边坡侵蚀特征进行对比研究，明确植被格局对不同上方来水模式条件下工程堆积坡面水沙调控的影响，阐述不同植被格局下工程堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒分布和分选特征，以期为工程堆积体边坡水土流失的措施配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验小区概况

本试验在中国科学院水利部水土保持研究所杨凌岭后试验站（34°19′24″N，107°59′36″E）室外进行。试验区土壤类型为塿土，试验小区修筑在工程开挖坡面上，开挖面土壤母质为马兰黄土，小区覆土为工程开挖产生的弃土。试验小区长20 m，宽1 m，覆土厚0.5 m。小区覆土土壤质地为壤质黏土，土壤颗粒粒径0.1～2.0，0.05～0.1，0.02～0.05，0.01～0.02，0.005～0.01，0.002～0.005和<0.002 mm含量依次为4.08%，6.94%，27.71%，17.91%，8.64%，7.16%和27.56%。试验采用放水冲刷的方式，利用恒压供水以保证溢流槽出流均匀（图1），通过调节阀与水表配合进行流量率定，通过稳流槽获得平稳、恒定的出流。试验小区及模拟径流放水装置示意图见图1。

1.2 试验设计与过程

根据试验区20年一遇最大暴雨强度，并结合前期预试验的结果，在放水总量一致的情况下（900 L），试验设计4种上方来水模式（图2）：均匀型、峰值前型、峰值中型和峰值后型，以间接反映降雨的时间分布特征和下垫面条件对汇流过程的影响。4种来水模式平均放水流量均为20 L/min，放水冲刷过程分为前、中、后3个阶段，每个阶段持续15 min，场次放水冲刷时间为45 min。根据已有研究设计试验边坡坡度为32°[20]，人工草皮覆盖度为50%[21-22]。草皮铺设后进行为期一周的养护，草皮在坡面的空间配置设计4种：坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局，植被面积为10 m2（1块×10 m×1 m；10块×1 m×1 m），设计一个对照小区作为比较，试验共40场（重复2次）。

1.蓄水桶 2.水阀 3.恒压桶 4.溢流管 5.流量计 6.溢流槽 7.观测断面 8.坡度 9.试验小区 10.集流桶

a. 均匀型a. Constantb. 峰值前型 b. Earlier peakc. 峰值中型c. Medium peakd. 峰值后型d. Later peak

试验小区布置如图3所示，在试验小区设置5个观测断面，间隔为4 m。为控制各小区土壤容重和含水率基本一致，每次试验开始前人为对坡面进行整平、压实，并在试验前24 h对坡面均匀洒水，直到坡面即将产流并用塑料薄膜覆盖。试验开始前，用环刀取5个不同观测断面0～20 cm深土壤，测得土壤容重介于1.15～1.32 g/cm3，均值为1.25 g/cm3，土壤质量含水率为21.40%～24.29%，均值为22.25%；率定放水流量3次，以保证实际上方来水量与设计值之间的误差不超过5%。试验从有径流流出小区时开始计时，试验前6 min内每隔2 min测量一次沟宽、沟深、流速、流宽和水深，后隔3 min测量一次，同时用1 000 mL（精度为1 mL）的采样瓶收集径流泥沙样品并记录采样时间，先用电子称（精度为0.01 g）称取径流泥沙样品质量，后将所接径流泥沙样品在105℃烘箱内进行烘干并用电子称（精度为0.01 g）称取泥沙质量；用100 mL泥样瓶（精度1 mL）收集泥沙样品，用于侵蚀泥沙颗粒分析。沟宽、沟深和流宽采用钢尺（精度为1 mm）测量。流速采用电解质薄层水流测定仪（JZ-NB1710）和传统染色法相结合的方法测定，测距为2.5 m，两种方法取平均值作为流速实测值，流速乘以校正系数0.75作为断面平均流速。水深采用精度为0.01 mm的SX40-1型水位测针测定。采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪分析泥沙颗粒，分别测定侵蚀泥沙颗粒的有效粒径和原始粒径各粒径含量，利用侵蚀泥沙颗粒分形维数来表征不同上方来水模式和植被格局下坡面侵蚀变化。

1.3 数据计算

1）土壤剥蚀率（D）：坡面流在单位时间内单位面积上所剥蚀的土壤质量。

1.对照小区 2.坡顶聚集格局 3.坡中聚集格局 4.坡底聚集格局 5.带状

2）水流剪切力()：坡面流在流动过程中造成土壤剥蚀的力。

式中为水流剪切力，Pa；为浑水密度，kg/m3；为重力加速度，9.8 m/s2；为水力半径，m；为水力坡度，m/m。

3）水流功率()：作用于单位面积水流消耗的功率

式中为水流功率，N/(m·s)；为水流平均流速，m/s。

4）单位水流功率（）：单位质量水体势能随时间的变化率。

式中为单位径流功率，m/s。

5）过水断面单位能量（）：以过水断面最低点作为基准面的单位水重的动能和势能之和。

式中为断面单位能量，cm；为水深，cm；为校正系数，取1。

6）土壤颗粒分形维数：采用王国梁等[23]提出的体积分形维数，计算公式如下

本文利用 Excel 2010 和 SPSS 23.0 进行数据统计和分析，采用方差分析（ANOVA）和最小差异显著法（LSD）比较不同处理间的差异性（＜0.05）。利用 Origin 8.6 进行数据绘图。

2 试验结果与分析

2.1 植被格局对堆积体坡面流侵蚀动力的影响

土壤剥蚀率是土壤参数和水力参数的函数，其能够量化土壤侵蚀，是土壤侵蚀预报模型中非常重要的参数。水流剪切力、水流功率、单位水流功率和过水断面单位能等常被用来刻画堆积体坡面土壤侵蚀动力过程。利用SPSS23.0将所有场次的土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率和过水断面单位能分别进行回归分析，其关系式见表1、2。

表1 不同植被格局下土壤剥蚀率与水流剪切力和水流功率的关系

注：**表示相关性极显著（<0.01），=64，下同。

Note: ** indicates that the correlation is extremely significant (<0.01),=64,the same below。

表2 不同植被格局下土壤剥蚀率与单位水流功率和过水断面单位能的关系

由表1可知，土壤剥蚀率（D）与水流剪切力（）和水流功率（）之间均呈极显著的幂函数关系（坡底聚集时除外）。对照小区的土壤剥蚀率与水流剪切力和水流功率的方程拟合指数分别为0.619和0.890，均小于1，根据幂函数性质，表明随着水流剪切力和水流功率的增大，土壤剥蚀率增加幅度逐渐下降，即坡面剥蚀发生的频率趋于弱化，这主要是因为随着冲刷历时的延长，一方面坡面可供侵蚀的物质逐渐减少，另一方面坡面细沟发育成熟，径流率达到稳定阶段，径流侵蚀力和土壤的抗蚀力逐渐达到相对均衡的状态，因此土壤剥蚀率增加幅度逐渐下降直至稳定。坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局的土壤剥蚀率与水流剪切力和水流功率的方程拟合指数总体上均大于1，表明随着径流剪切力和水流功率的增大，坡面土壤剥蚀率增加的幅度逐渐增加，原因在于侵蚀过程中的“源-汇”转变机制使得草皮覆盖的坡面在产流后期控蚀减沙效果存在逐渐减弱的现象，导致其土壤剥蚀率后期呈逐渐上升的趋势。

由表2可知，土壤剥蚀率（D）与单位水流功率（）之间均呈极显著的二次函数关系，与过水断面单位能（）之间均呈极显著幂函数关系。对比表1、2可以看出各植被格局下水流功率与土壤剥蚀率的相关性均大于过水断面单位能、单位水流功率和水流剪切力，表明水流功率是描述堆积体侵蚀动力机制的最优参数。

2.2 植被格局对堆积体坡面土壤侵蚀的减流减沙效益

试验条件下，将所有场次下的峰值流量、径流量、峰值泥沙量及泥沙量和对照小区进行比较并进行差异性检验，量化植被格局对堆积体坡面土壤侵蚀的减流减沙效益，见表3。

表3 不同植被格局下工程堆积体坡面径流量、产沙量及其减小幅度

注：不同小写字母表示同一植被格局不同上方来水类型差异显著(<0.05)；不同大写字母表示同一上方来水类型不同植被格局差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05) between each Inflow rate pattern under the same vegetation pattern, different capital letters indicate significant difference (<0.05) between each vegetation pattern under the same upslope runoff pattern.

由表3可知，不同上方来水模式下，对照小区峰值流量变化介于15.87～30.15 L/min，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局峰值流量较对照小区减小幅度分别介于8.89%～33.27%、7.16%～38.44%、8.66%～33.99%和36.19%～48.65%，表明布设草皮能明显削弱堆积体坡面峰值流量。同一植被格局下，峰值前型、中型和后型所对应的峰值流量并无显著差异；同一上方来水模式下，对照小区和带状格局对应的峰值流量存在显著差异。对照小区径流量变化分别介于615.75～757.42 L，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局径流量变化分别介于346.71～529.08、317.30～659.88、436.94～542.95和310.18～464.49 L，径流量均显著小于对照小区，表明布设草皮能有效增加堆积体坡面流运动阻力，增加坡面入渗量，从而减少堆积体坡面产流量。同一植被格局下，不同上方来水模式间的径流量并无显著差异；同一上方来水模式下，对照小区与坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局对应的径流量存在显著差异。

由表3可知，不同上方来水模式条件下，对照小区峰值泥沙量变化介于6.69～12.66 kg/min，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局峰值泥沙量较对照小区减小幅度分别介于45.61%～63.11%、10.90%～55.75%、3.73%～35.07%和21.05%～72.66%，对比峰值流量，发现植被格局对峰值泥沙量的影响要大于对峰值流量的影响。同一植被格局下，均匀型和峰值前型对应的峰值泥沙量存在显著差异；同一上方来水模式下，坡顶聚集和带状格局间的峰值泥沙量并无显著差异。对照小区产沙量变化分别介于174.48～195.06 kg，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局产沙量变化分别介于68.14～105.24、71.81～128.81、97.59～169.86和37.95～100.83 kg，产沙量均显著小于对照小区，表明草皮的存在能在一定程度上改良土壤结构，提高土壤的抗蚀性，从而有效减小堆积体坡面产沙量。同一植被格局下，不同上方来水模式间的产沙量并无显著差异；同一上方来水模式下，坡顶聚集和带状格局对应的产沙量并无显著差异。

试验条件下，以对照小区为参考，不同上方来水类型下，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局的产流量平均减小幅度分别为30.55%、22.85%、26.21%和43.87%，产沙量平均减小幅度为54.41%、45.30%、32.14%和58.09%，可以看出植被格局的减沙效益要高于其减流效益，带状格局和坡顶聚集的平均减流减沙效益较好，因此在治理堆积体水土流失时应重点考虑这两种植被格局。由表3还可以看出均匀型上方来水模式下，植被格局的减流减沙效益明显高于其他3种来水模式。

2.3 植被格局下堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒粒径分布和分形特征

侵蚀泥沙颗粒组成经常被用于描述土壤质地状况和结构性质，是土壤最基本的物理属性之一，对侵蚀泥沙颗粒组成的分析有助于深入了解土壤侵蚀机制。试验条件下，上方来水模式和植被格局侵蚀泥沙平均颗粒粒径分布和分形特征见图4和表4，由图4及表4可知，无论上方来水模式及植被格局如何变化，侵蚀泥沙颗粒组成中粉粒所占体积分数始终最大，集中在59.29%～62.44%；黏粒次之，集中在32.38%～38.79%，砂粒最小，集中在1.85%～6.49%。由图4可知，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局下砂粒含量较对照小区减小了18.79%～35.80%，黏粒含量较对照小区增加了3.56%～10.69%，表明植被对砂粒的拦截效果显著，原因在于植被的存在能够削弱坡面流侵蚀动力，减缓径流流速，使得径流挟沙能力下降，对大颗粒泥沙的搬运能力弱于小颗粒。研究表明，土壤中黏粒含量越多，土壤胶体越丰富，吸附性能越强，所吸附的土壤养分就越丰富，植被格局下坡面黏粒含量增加，表明土壤对水分、养分的保蓄能力增强，从而有利于坡面植被的恢复。峰值前、中和后型条件下砂粒含量较均匀型增加了14.45%～58.41%，黏粒含量较对照小区减小了3.27%～4.27%，表明在放水总量一致的条件下，流量峰值的存在对侵蚀泥 沙中砂粒的影响要显著高于黏粒，原因在于流量峰值的出现使得坡面流流速突变性增大，径流挟沙能力增强，对大颗粒泥沙的搬运能力增强，而对小颗粒泥沙影响相对较小。

图4 上方来水模式和植被格局侵蚀泥沙颗粒体积分数分布

表4 上方来水模式和植被格局下侵蚀泥沙颗粒分布及分形维数

土壤颗粒分形维数能够反映土壤结构、土壤属性和肥力以及土壤退化程度等。由表4可知，除坡顶聚集在峰值前型条件下外，对照小区分形维数均小于坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局。将体积分形维数分别与侵蚀泥沙颗粒各粒级体积分数进行拟合，由图5可知，体积分形维数与黏粒积分数之间呈极显著的线性正相关关系，与粉粒和砂粒体积分数之间呈显著线性负相关关系，相关性系数表现为：黏粒（0.95）>砂粒（0.71）>粉粒（0.60），表明黏粒体积分数越高分形维数越大，砂粒体积分数越大分形维数越小。试验条件下，各植被格局分形维数大于对照小区表明侵蚀泥沙中黏粒比例上升，砂粒比例下降，再次证明植被对大颗粒泥沙的拦截效果要强于细颗粒泥沙。

图5 侵蚀泥沙黏粒、粉粒和砂粒体积分数与分形维数的关系

Fig.5 Relationship between fractal dimension and contents of clay, silt and sand

2.4 植被格局下堆积体坡面侵蚀泥沙分选特征

为进一步了解在不同上方来水模式和植被格局下堆积体坡面土壤侵蚀过程以及侵蚀泥沙颗粒的分选过程和特性，采用富集率（ER）的概念来描述坡面土壤侵蚀过程中侵蚀泥沙不同粒级颗粒被迁移的难易程度，采用团聚率（AR）的概念来反映坡面径流搬运不同粒级的侵蚀泥沙颗粒的方式。ER>1表明某一特定粒级在侵蚀过程中发生了富集，ER<1则表明某一特定粒级在侵蚀过程中发生了沉积；AR=1表明侵蚀泥沙颗粒以单粒的形式被搬运，AR≠1表明侵蚀泥沙颗粒以团粒的形式被搬运。

由表4可知，不同上方来水模式和植被格局下黏粒和粉粒的ER总体上均大于1，表明在坡面土壤侵蚀过程中黏粒和粉粒更容易被侵蚀并发生富集；砂粒的ER均小于1，表明在坡面土壤侵蚀过程中砂粒不易被侵蚀并发生沉积。与对照小区相比，坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局砂粒的平均值减小了18.52%、35.80%、18.52%和22.22%，原因在于植被对侵蚀泥沙中大颗粒具有较强的机械拦挡作用导致其ER普遍小于对照小区。

不同上方来水模式和植被格局下黏粒的AR均小于1，砂粒的AR均大于1，表明在坡面土壤侵蚀过程中黏粒和砂粒以团粒的形式被搬运；粉粒AR均在1附近波动，表明植被格局和上方来水模式的变化对粉粒的搬运形式影响不显著，在坡面土壤侵蚀过程中以单粒的形式被搬运。对照小区砂粒的AR均小于坡顶聚集、坡中聚集、坡底聚集和带状格局，表明对照小区侵蚀泥沙中团聚体含量最少，颗粒破碎程度高，原因在于裸露坡面下坡面流流速快，水流剪切力大对土壤团聚体破坏性强，而植被小区由于植被对坡面流的消能作用，使得水流剪切力减弱对土壤团聚体的破坏性也较小。

3 讨 论

本文采用模拟径流冲刷试验对比分析了不同上方来水类型下植被格局对堆积体坡面土壤侵蚀的影响，结果表明：与均匀型相比，流量峰值的变化能显著增加堆积体坡面峰值流量和产流量，这与David[24]研究结果相类似；对表3中产流量与上方来水类型和植被格局进行双因素方差分析，结果表明植被格局=13.01>上方来水模式=8.24，说明植被格局对产流量的影响显著大于上方来水类型，原因在于当放水流量增加或者流量峰值变化时，不同格局植被间的微地貌连通性被阻断，坡面流速突变性增大，对坡面产流率的影响将会完全取决于植被对径流的分散能力、对径流路径的改变，以及植被间的相对位置是否与径流路径一致。与均匀型相比，流量峰值的变化能显著增加堆积体坡面峰值泥沙量和产沙量，这与An等[25]、Parsons和Stone[26]研究结果相类似，因为流量峰值的变化能够影响坡面侵蚀的“剥离-迁移”过程，从而影响坡面土壤侵蚀总量[27]；对表3中产沙量与上方来水模式和植被格局进行双因素方差分析，结果表明植被格局=12.48>来水模式=1.39，说明植被格局对产沙量的影响显著大于上方来水类型，植被对坡面土壤侵蚀的影响主要是通过两个方面[28]：一是植被的地上部分能够增加坡面粗糙度，减缓坡面流流速，增加坡面入渗量，降低径流动能；二是植被的地下部分能在一定程度上提高土壤的抗蚀性和抗冲性。

试验条件下，带状格局和坡顶聚集的平均减流减沙效益显著优于其他植被格局，但游珍等[29]和李强等[30]研究发现坡下格局的水土保持效果要优于其他植被格局，分析出现差异性的原因是：本试验下垫面是陡坡松散工程堆积体，后者是缓坡自然荒地，两者下垫面条件不同导致其坡面侵蚀存在差异性；与降雨坡面产流的“点产流”不同，放水冲刷坡面产流是“面产流”，两者的不同导致其坡面水文过程存在差异性[31]；降雨条件下，缓坡地坡面汇流需要一定的汇水时间和坡长，坡下部往往径流强度大，侵蚀严重，而工程堆积体由于上方汇水强度大，导致其与坡面其他部位相比侵蚀最为严重[32-33]。

目前常用力学参数和能量参数来刻画堆积体坡面土壤侵蚀过程，并取得了不错的研究成果，但由于试验设计及观测手段的不同，导致研究结果存在差异性，究竟是力学参数还是能量参数能够更好的用于描绘坡面土壤侵蚀动力过程还有待进一步的研究，此外也没有证据能直接表明某一水动力学参数在描绘土壤侵蚀过程中更优于其他参数[34]。本试验条件下，土壤剥蚀率与水流功率整体上均呈极显著幂函数关系，表明水流功率能够用于预测堆积体坡面土壤侵蚀过程，与传统的线性相关关系[35-37]不同，原因可能在于植被格局和流量峰值的存在改变了下垫面微地貌及侵蚀动力条件，使得拟合关系式不再是单纯的线性关系。此外，拟合方程式的相关性系数不高，可能是因为植被对径流能量的消耗及流量峰值的变化。

与对照小区相比，植被格局和上方来水模式对侵蚀泥沙颗粒中砂粒的影响要大于黏粒和粉粒，原因在于泥沙颗粒起动所需的水流拽引力与泥沙颗粒大小成反比，流量峰值的变化使得坡面径流动能增加，从而使能够侵蚀-搬运的泥沙大颗粒含量显著增加，而对细颗粒泥沙影响较小；植被格局改变了坡面径流流路及流速时空分布，使得径流挟沙能力下降，在其机械拦挡作用下，使得搬运的泥沙大颗粒含量显著降低，而对泥沙细颗粒影响不显著。体积分形维数与黏粒、粉粒、砂粒体积分数均呈线性相关关系，且拟合度表现为：黏粒>砂粒>粉粒，表明侵蚀泥沙中细颗粒含量越多其体积分形维数越大，反之则相反，与杨帅等[38]和马云等[39]的研究结果相一致。上方来水模式和植被格局改变了坡面径流流路和流速，使得径流侵蚀动能发生不同程度的变化，从而对侵蚀泥沙颗粒迁移的难易程度和迁移方式造成影响。

工程堆积体坡面土壤侵蚀受多种因素的影响，但受野外放水冲刷条件、时间和资金等的限制，本研究只分析了不同植被格局和上方来水模式对坡面土壤侵蚀过程的影响，未考虑不同坡度、坡长条件下坡面侵蚀特征变化，在今后的研究中，应通过增加坡长、坡度等变量进一步研究上方来水模式、植被格局、坡长、坡度等因素及其相互作用与坡面土壤侵蚀之间的关系，为工程堆积体植物措施的优化配置及侵蚀预报模型的建立提供理论参考。

4 结 论

1）水流功率与土壤剥蚀率之间相关性最高且总体上呈极显著幂函数关系，与其他参数相比水流功率是描述堆积体侵蚀动力机制的最优参数。

2）植被格局的减流效益介于12.23%～49.62%之间，减沙效益介于12.92%～80.54%之间，减沙效益高于减流效益；带状和坡顶聚集格局的平均减流减沙效益显著优于其他植被格局，在治理堆积体水土流失时应优先考虑这两种植被格局。

3）植被格局下侵蚀泥沙中砂粒含量较对照小区减小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被对砂粒的拦截效果显著；侵蚀泥沙颗粒体积分形维数主要由黏粒体积分数决定，两者呈极显著线性相关关系，分形维数可以作为植被格局对侵蚀泥沙颗粒粒级分布的评价指标。

4）植被格局下的砂粒富集率较对照小区减小，黏粒富集率相对增加；侵蚀泥沙中黏粒和砂粒迁移方式以团粒为主，粉粒则以单粒为主。

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Vegetation regulation on slopes of engineering accumulation under different upslope runoff patterns

Lou Yongcai1, Gao Zhaoliang1,2※, Li Yonghong1,2, Qi Xingyuan1, Zhang Heng1, Chen Zhuo1, Su Yuan2, Feng Zhiqian1

(1.712100; 2.712100)

Engineering accumulations are usually poor in soil structure and susceptible to erosion and corrosion, especially when the slope is steep. These could endanger their ecological functions and result in environmental hazards. How to improve ecological functions and alleviate soil erosion of earth slopes is pressing. The objective of this paper is to experimentally study the efficacy of different vegetation patterns in regulating water and sediment erosion of slopes under different water flow conditions. The experiment was conducted in the field at the Linghou Experimental Station, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences (34°19′24″ N, 107°59′36″E). In the experiment, we analyzed the efficacy of five grass coverage patterns: upper coverage, middle coverage, low slope, band, and no coverage under four upslope runoff patterns (constant, earlier peak, medium peak, later peak). The experimental slope was a 20 m×1 m plot 0.5 m thick excavated from a slop; The slope angle was 32o. We used the fractal dimension of the eroded sediment particles to quantify the change in soil erosion, the enrichment rate (ER) to describe the difficulty associated with migration of eroded particles of certain size group, and the agglomeration rate (AR) to describe the ways that the surface runoff carrying the eroded particles of certain size group. The results showed that: 1) The relationship between soil denudation rate and the runoff power follows power function model (2=0.47-0.72，<0.01), and that the runoff power was the optimal parameter to describe the erosion dynamics of the slope. 2) Runoff can be reduced by 12.23%-49.62%, and sediment can be decreased by 12.92%-80.54% under vegetation patterns, the sediment reduction effect of vegetation pattern was higher than runoff reduction. The average runoff and sediment reduction benefit of the band and upslope patterns was 43.87%, 58.09% and 30.55%, 54.41%, respectively, which were significantly better than other vegetation patterns. 3) Compared with the control plot (without grass coverage), the volume percentage of sand particle in sediment of the vegetation plots was reduced by 18.79%-35.80%, the volume percentage of clay was increased by 3.56%-10.69%, which indicated that the interception effect of vegetation on sand was significant. Volumetric fractal dimension of the eroded particles was dominated by the volumetric fraction of clay and they were linearly correlated at significant level (2=0.90，<0.01). 4). Compared with the control, grass coverage reduced the sand enrichment rate, but increased the clay enrichment rate; their associated volumetric fractal dimension also increased. Clay and sand in the eroded sediments were in the forms of agglomerates, while the silts moved mainly as single particles. Our study has an important implication for ameliorating soil erosion from engineering accumulation.

soils; erosion; vegetation; upslope runoff pattern; soil particles; fractal dimension; engineering accumulation

娄永才，高照良，李永红，齐星圆，张 恒，陈 卓，苏 媛，冯志倩. 不同上方来水模式下工程堆积体坡面的植被调控 [J]. 农业工程学报，2019，35(24)：144－153. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

Lou Yongcai, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, Qi Xingyuan, Zhang Heng, Chen Zhuo, Su Yuan, Feng Zhiqian. Vegetation regulation on slopes of engineering accumulationunder different upslope runoff patterns[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 144－153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

2019-07-29

2019-11-18

十三五国家重点研发计划（2016YFC0501706-02）；国家自然科学基金（41671283）

娄永才，博士生，主要从事工程建设区土壤侵蚀与水土保持研究。Email：lyc4026@126.com

高照良，教授，博士生导师，主要从事农业水土工程和荒漠化防治研究。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018

S157.2

A

1002-6819(2019)-24-0144-10