草带宽度对紫色土坡面细沟形态及水土流失特征的影响

甘凤玲，苟俊菲，刘春红，唐小九，王迦南

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331)

草带可通过物理、生物、化学等作用将坡面径流泥沙拦截、吸收和过滤，具有减缓径流流速、减少地表坡面水土流失量和增加土壤抗侵蚀能力的功效。长江上游紫色土丘陵区，土壤长期遭受高频率的暴雨以及人类活动的破坏，土壤退化十分严重，建立草带是保护和提高生态环境质量的有效措施之一。因此，深化草带调控地表坡面水土流失的研究，对揭示草带减流减沙的机理，准确提出适宜的草带优化配置具有重要的科学和现实意义。

草带种植成本低，成活率高，水土保持效果较好，是农耕实践中能得以广泛推广的水土保持措施之一。草带生长十分密集，并且交错覆盖在地表坡面上，在减流减沙方面发挥着十分重要的作用，主要体现在：(1)径流通过草带的拦截，径流流速变缓，水流冲刷力和挟沙能力减弱；(2)随着水流冲刷力的下降，坡面泥沙在草带上沉积，削减了地表径流中的悬浮颗粒；(3)草带增加了地表粗糙率和径流下渗量，而地表径流量随之减少。此外，草带对地表坡面减流减沙效益主要受降雨强度、草带空间分布、草带宽度、坡度等因素的影响。针对草带调控坡面土壤侵蚀的研究，国内外学者已取得不少成果。如张霞等研究不同位置的草带布设对地表坡面泥沙拦截效果发现，位于坡面中下部的草带水土保持功效显著高于坡面中上部分，坡面地表产沙量与草带位置指标参数呈幂函数相关；陈旭飞等通过人工模拟降雨试验，研究不同降雨强度、坡度和宽度条件下香根草过滤带减沙减流率，结果表明，雨强对径流泥沙拦截量贡献最大，其次为带宽，最后为坡度；Wanyama等研究不同草带长度(2.5，5，10 m)对坡面产流产沙的影响发现，草带越长，坡面的产流产沙越少，减流减沙效益越高。

综上可知，草带宽度与草带的减流减沙密切相关。被草带拦截过后的径流泥沙在坡面重新汇集形成细沟，随着径流的不断汇集，从而加速细沟的发育。这三者之间相互作用，关系极其复杂，已有不少学者针对细沟形态发育与土壤侵蚀之间的关系做了不少研究，并取得丰硕的成果。然而大多数研究主要集中在某一特定土壤的细沟形态发育，较少研究草带宽度对坡面细沟形态参数的影响，即草带宽度对坡面细沟形态参数与土壤侵蚀之间关系的影响尚不明确，解决该问题不仅有利于建立紫色土土壤侵蚀模型，还可以促进指导当地坡耕地实施适宜的水土保持措施，因此亟需在紫色土上开展关于草带宽度对细沟形态参数及其与土壤侵蚀关系的影响研究。为此，本研究选取紫色土常见的四季青草带为研究对象，进行室内模拟放水冲刷试验，根据紫色土常见的草带宽度设置3种宽度(50，75，100 cm)，在3种放水冲刷流量下(4，6，8 L/min)进行试验，通过测定地表径流流速、细沟沟宽、沟深、沟长、产流率及产沙率等指标，对比分析不同草带宽度和放水流量下细沟形态特征参数和产流产沙的差异，探讨草带宽度对坡面细沟形成和土壤侵蚀的影响，为紫色土的水土流失治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验土壤采自重庆师范大学气象园试验站(106°18′10.5″E，29°36′46.2″N)，该区属中亚热带季风性湿润气候区，四季分明，日照偏少，年日照率25%～35%，年均气温16～18 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，降雨多集中在5—9月，年均相对湿度70%～80%，平均雾日为104天。该区紫色土是紫色砂、页、泥岩风化物，土壤pH高于7.5，属微碱性，有机质含量较低，磷、钾等矿质元素丰富，土质肥沃，结构良好，但其发育较浅，保水保土能力较弱。在夏季经常发生短历时强暴雨，极易发生水土流失，其中坡耕地土壤水土流失量占整体水土流失量的60%以上。

1.2 试验材料

本试验于2021年3—7月进行，在研究区域内挖掘原状土成散土，然后搬至阴凉地方自然风干，风干过后去除土壤中的石块、草根等杂物，随后研磨10 mm过筛。供试土壤类型为粉(砂)壤土，其颗粒组成为砂粒16.98%，粉粒72.83%，黏粒10.19%，土壤容重1.31 g/cm，有机质含量10.69 g/kg。经野外调查可知，四季青为多年生植被，不受试验时间的影响，耐淹，是常见的用于保水保土的多年生草本植物，因此本试验草带选择四季青作为研究对象。根据试验需要，提前在土槽中种植符合要求的四季青草带，试验前1个月在裸坡上播种，播种量为1.21 g/m，根系长约为6 cm，长势较好。

试验装置包括放水冲刷装置和钢制土槽2个部分(图1)。其中，土槽为钢制的可移动钢槽，规格为6.0 m(长)×1.2 m(宽)×0.4 m(深)，且坡度在0～25°范围内可调，土槽底端设置集流槽，以便收集径流泥沙样。本试验将土槽中间用PVC隔板隔开，即实际试验坡面宽度为0.6 m。放水冲刷装置由蓄水桶和稳流槽2部分组成。供水桶直径约为0.7 m，高为1.0 m。稳流槽位于土槽前20 cm，并在其下方铺设透水纱布，保证试验过程径流可以均匀平稳溢出。

图1 试验装置示意

1.3 试验设计

本试验采用双因素试验设计，经野外调查重庆市沙坪坝区紫色土坡耕地坡度，外加考虑到室内试验土槽坡面状况和可操作性等因素，本试验所选坡度为15°。结合研究区平均降雨量和暴雨量，并对室内放水冲刷的单宽流量进行标定，设定放水冲刷流量为4，6，8 L/min。根据野外调查和室内土槽坡面的实际情况，设定草带宽度为50，75，100 cm，并设计1个无草带的坡面(裸坡)为对照组。每个试验设计3个重复，共计36场次。

试验初期，在土槽底部铺设透水纱布，确保水分均匀下渗。试验土壤分3层，每层10 cm进行夯实，确保土壤容重在1.31 g/cm左右，并用水壶对土壤进行均匀喷水，保证土壤初始含水量相同((20±2.0)%)，土层厚度为30 cm，上层10 cm是草带生长部分，可使草带与坡面紧密连接。在试验前1周，将草带移至土槽自然生长。考虑到不同草带宽度条件下的细沟侵蚀阶段时间不一致，结合前期预试验，本试验设计为坡面出现细沟和有产流产沙开始，前6 min每隔1 min进行收集径流泥沙样，后10 min每隔2 min进行收集，冲刷历时设置为16 min。当场测定径流量，然后将采集桶静置24 h后将上清液倒掉，并将采集桶中的泥沙样在105 ℃进行烘干，随后测量产沙量。本研究主要测量草带下方坡面所形成的侵蚀沟形态特征，产流产沙结束之后，在草带下部所形成的侵蚀沟的沟头、沟尾、最大值、最小值、坡长每隔1 m处测定细沟宽度和深度，并量取整个侵蚀沟长。试验结束后，更换表层10 cm的土壤，重新压实打磨，并填装草带，隔下周将土壤含水率达到设定值后开始下一场试验。

1.4 数据分析处理

细沟宽深比()指细沟宽度和对应沟深的比值，可以反映细沟产生的形态变化，计算式为：

(1)

式中：为第个监测点的细沟沟宽(cm)；为第个监测点的细沟深度(cm)。

草带减沙效益()是评价草带对坡面产沙的减蚀效果，计算式为：

(2)

式中：为裸坡累计产沙量(g)；为有草带拦截后的产沙量(g)。

细沟土壤侵蚀速率()指细沟在放水冲刷作用下单位面积、单位时间的产沙量，计算公式为：

(3)

式中：为累计产沙量(kg)；为细沟沟宽(cm)；为细沟沟长(cm)；为冲刷时间(min)。

本研究采用决定系数()、纳什效率系数()和均方根误差(RMSE)来评价拟合方程的有效性，筛选最佳决定因素，其计算公式为：

(4)

(5)

(6)

数据分析与制图通过Excel 2010和SPSS 19.0软件来完成。

2 结果与分析

2.1 草带宽度对细沟形态特征的影响

细沟形态特征基本参数(细沟长度、宽度、深度、宽深比等)在一定程度上可以反映坡面土壤的侵蚀程度。从图2可以看出，不同草带宽度条件下，细沟宽度在距草带下部坡顶距离的0.5～2.0 m处为最大值，随着距坡顶距离越大，沟宽呈逐渐减小的趋势。在中小放水冲刷流量下，沟宽的变化趋势较为稳定，即在距坡顶距离0.5～2.0 m处迅速减小并波动趋于稳定，在坡下部分沟宽值最小；但在流量较大条件下(8 L/min)，沟宽波动程度相对较大，即先波动变化后迅速下降在距坡顶距离的2～3.5 m达到最小值后又波动变大，在坡中部沟宽最小；而沟深相对于沟宽变化更为复杂，在坡长上的变化更为波动。在流量较小时(4，6 L/min)，大部分沟深沿坡面呈先迅速减小后波动减小的趋势，其在距坡顶距离3 m处沟深最小；在流量较大时(8 L/min)，除草带宽为50 cm的变化趋势不同外，沟深均表现为先增大后减小再增大的趋势，同样在距坡顶距离3～3.5 m处为最小值，由此可知，坡顶上部是细沟沟深最大的阶段。

图2 不同草带宽度条件下细沟沟深和沟宽随坡长的变化

由图3可知，细沟的平均沟宽、沟深、沟长和宽深比均随着流量的增加而增加，放水冲刷流量从4 L/min增至8 L/min时，不同草带宽度下的细沟平均沟宽、沟深、沟长和宽深比分别增加89.69%～127.51%，50.81%～71.65%，-78.01%～21.75%和-6.13%～32.54%，其中8 L/min条件下的平均沟宽、沟深、沟长和宽深比较4 L/min条件下分别增大0.83，0.61，0.08，0.13倍。由此可知，在大流量条件下，沟宽和沟深的增加幅度远高于沟长，说明在有草带的条件下，沟宽和沟深更容易受放水流量的影响。随着流量的增大，侵蚀细沟在放水冲刷作用下拓宽程度比下切程度更为明显，细沟更容易横向发展，说明草带能够进一步阻止侵蚀沟向底层发展的趋势。

图3 不同流量和草带宽度条件下细沟沟长和宽深比变化特征

通过对比不同草带宽度条件下细沟形态特征基本参数值可知，当放水流量为4 L/min时，100 cm草带宽度下所产生的平均沟宽、沟长和沟宽深比明显小于50，75 cm的草带宽度条件下的沟宽、沟长和沟宽深比，即分别为50，75 cm草带宽度条件下平均沟宽、沟长和沟宽深比的0.78，0.77倍、0.80，0.69倍和0.98，0.74倍，说明在小流量条件下，100 cm草带宽度能够有效阻止细沟发育程度。而当放水流量为8 L/min，不同草带宽度条件下的沟宽深比均无显著差异，75 cm草带宽度下所产生的平均细沟宽度和细沟深度最小，细沟沟长最大，其次为100，50 cm的草带宽度，最后才是0 cm的草带宽度(裸坡)。相比于100 cm的草带宽度，75 cm草带宽度下的平均沟宽和沟深分别降低18.91%和18.22%，说明在极端降雨条件下，75 cm的草带宽度比100 cm的草带宽度更能够阻止细沟发育，其细沟整体表现为纵向发育。

2.2 草带宽度对坡面产流特征的影响

由图4可知，随着冲刷时间的延长，产流率呈现先迅速增加后缓慢增加并逐渐趋于稳定的变化趋势。在流量较低时(4 L/min)，不同草带宽度条件下的产流率变化均比较平缓，呈缓慢增加的趋势。产流率随着不同草带宽度的变化为0 cm>50 cm>75 cm>100 cm，75，100 cm的草带宽度产流率显著低于0，50 cm的草带宽度。在流量中等时(6 L/min)，产流率在冲刷时间0～5 min内迅速增加，然后逐渐平稳或缓慢增加。75 cm草带宽度的产流率显著低于其他组别草带宽度的产流率。当流量为8 L/min时，不同组别的稳定产流率差异较小，均在7 L/min上下波动，说明冲刷流量越大，草带宽度对产流率的变化影响逐渐减小。比较不同冲刷流量下产流率的增长变化可知，裸坡的平均产流率为2.15 L/min，随着冲刷流量的增加，其产流平均增长率为57.67%和206.98%。50，75，100 cm草带宽度在低冲刷流量下的平均产流率为1.99，1.31，1.11 L/min，在高流量条件下其平均产流率分别增加201.33%，280.09%和452.29%。

图4 不同流量和草带宽度条件下产流率变化过程

整体而言，裸坡在不同放水冲刷流量下平均产流率最大，有草带的坡面在冲刷流量较小时，100 cm草带宽度的减流效果较大，随着冲刷流量的增大，75 cm草带宽度减流效果最大，说明草带宽度对坡面的减流效益随着放水流量的变化有所改变。

表1 细沟产流参数与放水流量、草带宽度及其交互项相关性分析

2.3 草带宽度对坡面产沙特征的影响

不同草带宽度和放水流量条件下的产沙率变化特征均有所不同(图5)。随着放水冲刷时间的增加，产沙率的变化过程主要呈现出逐渐增加和先增加并逐渐趋于稳定型。在冲刷流量较低时(4 L/min)，产沙率均随着冲刷时间的延长而逐渐增加，整体的变化趋势基本一致。在中高冲刷流量条件下，除裸坡的产流率呈现出先增加后逐渐减小的趋势，有草带坡面的产流率均表现为先增加后趋于稳定的趋势。不同冲刷流量条件下，裸坡和有草带坡面的产沙率差异较大，且裸坡产沙率均高于有草带坡面的产沙率。

图5 不同流量和草带宽度条件下产沙率变化过程

虽然坡面产沙率随着冲刷流量的增加而增加，但不同草带宽度对产沙率特征的响应程度也有所不同(表2)。主要表现为：(1)各草带宽度下的平均产沙率变化范围为123.79～1 665.94 g/min，其中无草带宽度(裸坡)放水流量最大时，产沙率最大；在草带宽度为75 cm放水流量最小时，产沙率最小，减小92.57%；(2)随着草带宽度和放水流量的增加，产沙率最大值出现的时间逐渐提前，且放水流量越大，产沙率最大值也越大，其变化范围为233.29～2 134.59 g/min；(3)有草带宽度的泥沙拦截率变化范围1.78%～58.11%，其中75 cm的草带宽度在各个放水流量下均为最大值，分别是50，100 cm草带宽度的2.26，1.29倍；(4)各处理下的变异系数变化范围为0.27～0.70，均小于1，属于中等变异程度，其中100 cm草带宽度放水流量最小时变异系数最大，流量小的变异系数高于流量大的变异系数。

表2 不同草带宽度和放水流量下细沟产沙率基本特征

整体而言，各处理下平均产沙率随着放水流量的增大而增大，而随着草带宽度的增加呈现出先减少后增加的趋势。75 cm草带宽度在放水流量为4 L/min时产沙率最小，其减沙效益最大，为58.11%，是100，50 cm草带宽度条件下减沙效益的1.01～32.59倍。可见，在本试验条件下，75 cm草带宽度减沙效益最大，产沙率和最大产沙率最小。

2.4 草带宽度条件下细沟形态特征与产流产沙关系

由表3可知，坡面产流产沙率、土壤侵蚀速率与沟宽、沟深呈极显著相关关系，相关系数均高于0.718，说明沟宽和沟深是表征坡面产流产沙的最佳细沟形态特征指标，能够较好地反映坡面土壤侵蚀程度。其中平均沟长和宽深比与坡面产流产沙的关系不显著，是因为平均沟长基本在3.38～4.86 m，平均宽深比为1.23～2.14，数值的变化程度并不明显。坡面产流产沙率、土壤侵蚀速率与沟宽、沟深的回归分析结果(表4)表明，沟宽对累计产沙量最敏感(=0.774，<0.01，=1.000)，函数符合预报精度要求。

表3 细沟形态与土壤侵蚀参数相关性分析

表4 细沟形态参数与土壤侵蚀的函数关系

有草带的细沟形态特征与其产流产沙相互作用，两者之间的关系较为复杂，仅1个指标无法说明其预报的土壤侵蚀率，需要进行多因素的综合分析。因此，为了确定有草带拦截条件下细沟形态对坡面产流产沙的综合影响，对土壤侵蚀率与沟宽、沟深进行回归分析，结果见公式(1)。

=0.485+4.275-7.785=0.839

RMSE=3.828，NES=0.941

根据多普勒谱可以得到信道的最大多普勒频移，进一步能计算出平均多普勒频移和多普勒扩展。平均多普勒频移描述了信号的频率偏移程度，定义为多普勒功率谱的一阶原点矩。多普勒扩展描述了信号的频率扩展程度，定义为多普勒功率谱密度的二阶中心距。

(1)

公式(1)中可得出沟宽的系数4.275高于沟深系数0.485，由此可判断沟宽对土壤侵蚀率的影响高于沟深。对比综合化的方程可知，新方程的拟合程度更高，预测效果良好。进一步分析草带宽度对减沙效益的关系可知，减沙效益与草带宽度、沟深呈极显著相关关系，表明减沙效益主要受草带宽度与沟深的影响，比较相关系数可知，草带宽度与减沙效益的关系更为显著。

3 讨 论

西南地区气候湿润，其降雨多为短历时、高强度暴雨型，在强降雨季节下，坡面蓄满产流，产生的地表径流对坡面进行冲刷形成细沟侵蚀，水土流失严重，土壤退化加剧；而草带具有减缓径流速度和减少泥沙迁移的作用，能够在径流冲刷下发挥拦截径流泥沙的作用。因此，本文通过室内径流冲刷试验，从产生的细沟形态参数入手，探讨分析草带宽度对坡面细沟侵蚀过程的影响，以期为治理紫色土水土流失的最优草带宽度提供参考依据。

3.1 细沟形态特征变化

不同草带宽度条件下所形成细沟的沟宽、沟深和沟长均随着流量的增大而增大，这与崔志强等研究植被措施下的细沟发育特征结果相一致。同时，本文还发现，在较小放水流量条件下(4，6 L/min)，100 cm的草带宽度产生的沟宽和沟长最小，但沟深却比75 cm的草带宽度大，在放水流量大的条件下(8 L/min)则发生变化，75 cm的草带宽度下沟宽和沟深最小，但沟长比100 cm的草带宽度长，说明75 cm的草带宽度的坡面相对于100 cm的草带宽度更容易形成细沟，但是100 cm的草带宽度的细沟一旦形成，其径流冲刷下的细沟发展比75 cm的草带宽度的坡面更大，这可能是由不同草带宽度对细沟形态特征参数的阻控作用不同所引起，即径流在不同草带宽度上发生水流分散汇集的方式不同。75 cm的草带宽度能够均匀分散径流的冲刷能力，在小流量条件下，通过草带均匀分散的径流在坡面容易形成宽浅的细沟；而对于100 cm的草带宽度，由于草带过宽，水流在草带上先均匀分散后又形成支流并变成集中流，在小流量条件下，通过草带形成的集中流主要发生纵向细沟，随着流量的增大，水流冲刷力变大，径流下切深度和宽度随之增大，细沟主要的发育形态是窄深式，所以在放水冲刷流量较大条件下，100 cm草带宽度的细沟尺寸大于75 cm的草带宽度。

细沟宽深比在不同草带宽度条件下随着放水冲刷流量的增大呈现出先减小后增大的趋势。整体而言，无草带的细沟发育的宽深比明显低于有草带的细沟，表明裸坡形成的细沟发育为“窄深式”，而有草带的坡面因草带可以分散草带上部的径流，使径流宽变大，流速减缓，径流挟沙能力变弱，则有草带拦截的坡面所形成的细沟发展为“宽浅式”。

3.2 产流产沙特征变化

探讨草带对坡面细沟产流产沙的影响变化对评价草带在水土保持上的利用是否合理具有重要参考依据。本试验结果表明，坡面上的草带减少了整个冲刷过程的累计产流产沙量，相对无草带的坡面，减水、减沙分别最大减少48.41%和58.11%。说明草带对减流减沙具有显著影响，主要是因为有草带的坡面，草带增加坡面的粗糙率，降低放水冲刷能力并减缓径流流速，从而降低径流搬运泥沙的能力，从而减少坡面的产流产沙量，而无草带的坡面水土流失量最高。由此可知，在坡面种植草带具有较好的水土保持效益，且草带在拦截径流的同时削弱径流的挟沙能力，能够提高土壤的生产力。

草带宽度是影响草带拦截径流泥沙的关键因素之一。本研究表明，当草带宽度为50 cm时，草带减流减沙效益最高分别可达43.24%和58.11%，而当草带宽度为100 cm时，草带减沙效益均低于75 cm的草带宽度。说明在本试验中，75 cm草带的减流减沙效益较好，当草带宽度为50 cm时，上方径流经过草带时被均匀分散，流速显著降低，草带调节径流泥沙作用逐渐加强，进而土壤侵蚀强度降低，产流产沙量显著降低；当草带宽度为100 cm时，草带过宽，将上方径流所携带的泥沙过滤充分，水流变得清澈，导致径流通过草带后挟沙能力变大，并且径流在草带上汇集形成集中流增大径流对草带下方的剥蚀率，因此继续增加草带宽度并不能再次显著降低产流产沙量。此外，本研究指出，细沟宽、沟深与土壤侵蚀率之间存在显著相关关系，径流在经过草带后，其产生的细沟对产流产沙有着重要的关联关系。

综上，针对不同宽度的草带拦截径流泥沙率的差异，在防控坡耕地坡面水土保持治理措施方面，不仅要考虑当地降雨对土壤侵蚀的影响，还要考虑草带宽度设计的合理性，本研究结果主要为紫色土坡面水土保持措施的草带设计优化提供理论与数据支撑。而坡度、气候、坡向和植被类型等因素对草带措施拦截径流泥沙的影响还需要进一步完善；同时，本试验为室内试验，存在一定的局限性，今后研究需将加入室外人工降雨措施，以期使研究结果更加科学合理。

4 结 论

(1)细沟沟宽、沟深、沟长和宽深比均随着流量的增加而增加，在小流量条件下，100 cm草带宽度下所产生的平均沟宽、沟长和沟宽深比最小，而在大流量条件下，75 cm草带宽度下的沟宽和沟深最小，说明在极端降雨条件下，75 cm的草带宽度比100 cm的草带宽度更能够阻止细沟发育，其细沟整体表现为纵向发育。

(2)草带宽度可有效降低整个坡面的水土流失量。相对于无草带的坡面，50，75，100 cm草带宽度下的产流率分别减少3.52%～48.41%，产沙率分别减少1.78%～58.11%，而75 cm草带宽度的减沙效益最大，是其他草带宽度条件下减沙效益的1.01～32.59倍。此外，有草带拦截坡面的产流产沙率、土壤侵蚀速率与沟宽、沟深呈极显著相关关系。

(3)与沟深相比，草带宽度和沟宽是表征坡面产流产沙的最佳特征指标，能够较好地反映坡面土壤侵蚀程度。

本研究证实，草带能有效减流减沙，对紫色土坡耕地的水土流失具有较好的防治效果。