植被覆盖坡面土壤侵蚀的水动力学机理

孙佳美, 侯沛轩, 逄育波, 张祯尧, 李瀚之

(1.中国科学院 植物研究所 植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093;2.河北省林业和草原工程项目中心, 河北 石家庄 050081; 3.呼伦贝尔市海拉尔区农牧局综合保障中心, 内蒙古 呼伦贝尔 021008; 4.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083; 5.中国林业科学研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[1-2]，水力侵蚀是最常见的一种侵蚀方式，径流是水力侵蚀发生的主要动力，研究径流的水动力学特性对于揭示侵蚀机制有重要意义[3]。国内外学者从20世纪60年代逐渐开始坡面径流水动力学特性的研究[4]，但是由于坡面径流特性受地形地貌、土壤特性、植被覆盖条件、降雨强度等多种因素影响，侵蚀形式极为复杂，加重了径流水动力学特性的研究难度，因此研究不同试验条件下坡面侵蚀过程非常必要。已发表的研究通过室内模拟降雨[5]、天然降雨[6]和放水冲刷[7]试验对坡面径流水动力学特性进行了大量的研究，逐步由经验性分析走向动力学特征为主的机理研究[8]。关于坡面径流水动力学特征方面的研究首先是集中于径流流态的判定，流态判定是评估径流侵蚀力的主要因子，这是由于相对于层流，紊态径流会对土壤表面产生更大的扰动，因此引起更强的土壤侵蚀[9]，而关于径流流态的研究说明径流不是简单的可以归类为层流或紊流，Horton[10]研究说明坡面径流处于一种混合状态，紊流与层流共存，Emmett等[1]研究表明坡面径流为扰动流，具有紊流性质，也具有大部分层流性质，有别于明渠的层流、紊流和过渡流。国内专家姚文艺[11]、张光辉等[12]则将其视作“伪层流”。除了径流流态，径流的动力特征也是影响径流侵蚀力的重要因子，主要是针对径流剪切力、径流功率等径流动能的研究，最早的研究来自于Horton[10]，分析了径流剪切力和坡面土壤侵蚀强度，Govers和Rauws[13]研究了径流剪切力和水流功率对坡面径流输沙的影响，结果表明用水流剪切力和水流功率可以预测径流挟沙能力。除了对径流的动力研究，其阻力特性也是研究重点之一，主要是借助明渠水流阻力概念和对应的表达方法，包括Darcy-Weisbach阻力系数、Manning糙率系数和Chezy系数等，其中Darcy-Weisbach阻力系数应用最为广泛，其值能够反映坡面径流在流动过程中受到的阻力大小，阻力系数越大，说明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，则用于坡面侵蚀和泥沙输移的能量就越小[14]。坡度、坡面粗糙度均对径流阻力系数有影响[11]。植被覆盖是一种重要的水土保持措施，具有显著的增加径流阻力、减缓并延滞径流流速的作用[14]，从而起到减弱坡面径流剪切力和功率的作用，降低土壤侵蚀程度。同时不同类型植被覆盖对径流的影响程度也不相同，会具有不同程度的水土保持作用。现有的关于植被覆盖坡面径流水动力学特性研究多研究均集中于黄土高原[2,15]，而褐土作为华北土石山区主要土壤类型，研究褐土坡面侵蚀机理，尤其是不同植被类型覆盖条件下土壤侵蚀水动力学机理对于华北土石山区水土流失防治与植被恢复具有重要意义[16]。因此，本文在已有研究基础上，采用人工模拟降雨的方法，对油松、侧柏、栓皮栎和酸枣覆盖坡面的产流和产沙过程进行了侵蚀过程水动力学特征研究，探究植被覆盖坡面土壤侵蚀的水动力学机理，以期为揭示华北土石山区植被坡面侵蚀机理提供数据支撑。

1 试验地概况与试验装置

本文中的试验于2018年6—10月在北京林业大学鹫峰林场(40°04′ N, 116°06′ E)降雨大厅进行。区域多年平均温度为9 ℃，生长季节为每年的5—10月，多年平均降水量600 mm，且70%～80%的年降水均发生在6—9月。该区域的土壤条件特殊，土层瘠薄，厚度在0.3～1 m之间，平均土层厚度0.5 m。土壤中含有较高的砾石含量，大于2 mm的砾石含量平均13.9%，最高的砾石含量达到30%[17]。

试验采用了西安清远测控技术有限公司自主设计研发的QYJY-503T降雨控制设备，共包含3个部分，分别为坡面部分、降雨部分和控制部分。坡面部分长2 m，宽0.5 m，深0.4 m，坡面底部有均匀分布的透水孔，用于坡面土壤水分入渗，坡面设计了坡度调节装置可以自由的设置坡度。该降雨装置采用全自动电脑控制系统，可以调节降雨位置和降雨强度。设备的降雨部分由水窖、水泵和导水管组成。水窖用来储存试验用水，保证在最大降雨强度仍有充足的水供给。水泵将水窖中的水输送到顶部经由降雨喷头进行模拟降雨。降雨喷头高度为12 m，能够保证雨滴达到雨滴终速，更好地模拟实际降雨。经过实际的降雨均匀度校准，该降雨设备的降雨均匀度大于85%。在试验操作过程中，在坡面周边布设一定数量的雨量筒，对降雨进行实际监测与校正，确保实际降雨强度满足试验要求。

2 试验方法与数据分析

2.1 试验设置与方法

研究土壤选取华北土石山区常见土壤褐土，该土壤通常呈褐色，其颜色也会随着土层深度而逐渐变浅。土壤来自试验区域的自然土壤，试验前过筛去除土壤中的杂物，然后自然风干到大约10%的含水量进行填土。自然状态下该区域的容重约为1.3～1.4 g/cm3，填土时按照1.34 g/cm3的土壤容重进行计算分层填装，每层10 cm。在填装下1层前，将前1层土壤打毛，确保土壤接触良好，不会发生土壤滑动现象。土壤填装完成后，将土壤坡面放置3～6个月，促进土壤自然沉降，更好地模拟自然状态。

试验中的植物苗木来自区域中的油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、栓皮栎(Quercusvariabilis)和酸枣(Ziziphusjujube)自然幼苗，选取长势良好并相近的苗木移栽到室内土壤坡面上。在移栽苗木的同时，收集苗木生长环境的原状枯落物，均匀的铺设到土壤坡面表面。各个植被类型的平均生长状况详见表1。表中的叶面积指数(LAI)采用LAI-2200植被盖度分析仪(LI-COR生物科学，林肯郡，内华达州，美国)。试验中设置3个降雨强度，分别为30，60和90 mm/h。设置空白坡面进行对照。在每次试验结束后，将土壤坡面放置1个月，使其土壤表面恢复后进行下一次试验。

每场降雨历时从径流开始计时60 min。降雨全程收集坡面产生的径流和泥沙样品，在降雨初期的10 min，由于径流变化较大，因此每2 min收集一次径流样品，收集2 min内坡面产生的所有径流样品。随后的50 min，径流相对稳定，每5 min收集1次径流样品，收集5 min内的所有径流样品。降雨结束后，使用量筒测量各径流样品的体积，随后，将径流样品放置到烘箱，105 ℃恒温烘干24 h后得到产沙量干重。径流流速采用染色剂示踪法进行测量，使用高锰酸钾作为染色剂，记录染色剂流经1 m距离所需时间，从而得出径流流速。径流流速每5 min测量1次，每次在5个平行的位置分别测量，以其平均值作为径流表层流速。

表1 试验坡面植被生长状况

2.2 数据分析

径流平均流速计算公式[18]为：

V=kVm

(1)

式中：Vm为平均径流速度(cm/s)；V为径流表层速度(cm/s)；k为修正系数，当流态为层流时，k=0.67，当流态为过渡流时，k=0.7，当流态为紊流时，k=0.8[18]。

径流深计算公式[19]为：

(2)

式中：h为平均水深(mm)；Q是t时间的径流量(m3)；u是径流平均流速(m/s)；B是过水断面宽度(m)；t是采样时间(s)。

径流雷诺数和弗劳德数计算公式[14,20]为：

(3)

(4)

式中：v为水运动黏滞力系数(m2/s)，v=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2)，t为水温(℃)；R为水力半径(m)；h为径流深度(m)。

Darcy-Weisbach阻力系数计算公式[20]为：

(5)

式中：J为水力坡度(m/m)；V为径流速度(m/s)；R为水力半径(m)。

径流剪切力计算公式[20]为：

τ=γRJ

(6)

式中：τ为径流剪切力(Pa)；γ为水流重度(N/m)。

径流功率计算公式[20]为：

ω=τV

(7)

式中：ω为径流功率〔N/(m·s)〕。

单位径流功率计算公式[20]为：

(8)

式中：J为水力坡度(m/m)；P为径流功率(m/s)。

2.3 数据统计分析

本研究中所有统计均在SPSS 17.0软件(芝加哥，伊利诺伊州，美国)环境中进行分析。研究结果列出的数据为平均值以及其标准差。降雨强度、植被类型等试验条件对试验结果的显著性分析采用ANOVA方差分析，置信区间在95%水平。

3 结果与讨论

3.1 植被对坡面产流与产沙量的影响

各试验植被坡面在不同降雨条件下坡面总产流量和总产沙量结果见下详见表2。由表2的结果对比可以看出，降雨强度对坡面总产流量和产沙量有显著影响，随着降雨强度的增大，坡面的总产流量和总产沙量均有显著的增加(单向方差分析，显著性水平为0.05)。植被类型对坡面总产流量和总产沙量也有显著的影响(单项方差分析，显著性水平为0.05)，同时双向方差分析显示两个因素对总产流和产沙量具有交互作用，在两个因素的共同作用下，总产沙量在降雨强度为90 mm/h条件下，栓皮栎坡面最高达到2 591.87±14.19 g。本研究中的6个植被类型中，侧柏坡面的产流量最大，随着降雨强度从30增大到90 mm/h，其坡面总产流量从17.12 L增大到97.10 L，平均总产流量为56.85 L。而产沙量最高的则是栓皮栎坡面，平均产沙量高达1 189.15 g，随着降雨强度从30增大到90 mm/h，其总产沙量从208.48 g增大到2 591.87 g。

3.2 植被坡面土壤侵蚀的水动力学机制

各植被覆盖坡面的水动力学特性因子详见表3。由表3可知，植被类型和降雨强度均是影响坡面径流流速的重要因子(双向方差分析，显著性水平为0.05)。各植被覆盖坡面径流流速范围在0.803±0.213至4.276±0.430，同时随着降雨强度的增大，覆盖坡面的径流流速显著增大，降雨强度对各植被覆盖坡面的径流流速影响显著(单向方差分析，显著性水平为0.05)。4种覆盖类型中，栓皮栎覆盖坡面径流流速最快，平均流速为2.930 m/min，流速最慢的为酸枣覆盖坡面，平均流速为1.516 m/min。植被覆盖坡面径流雷诺数和弗劳德数范围分别为7.271～62.630，0.177～0.900，径流雷诺数与弗劳德数均随着降雨强度的增大而增大。植被覆盖坡面径流阻力系数随降雨强度的增大而减小，范围为2.858至73.418，随降雨强度的增大而减小，这是因为降雨强度增大了坡面径流流速，增大了水深，使阻力系数显著减小[12]。坡面径流剪切力在各植被影响下范围为0.829～3.394，径流功率范围为0.017～0.131，单位径流功率范围为0.005～0.019，均随着降雨强度的增大而增大。

表2 植被覆盖坡面总产流量和总产沙量

表3 植被覆盖坡面径流水动力学特征

3.2.1 坡面径流剪切力对土壤侵蚀的影响 坡面土壤侵蚀是土壤颗粒在径流剪切力以及土壤颗粒本身的重力共同作用下发生位移，沿着坡面运移的过程，径流剪切力能够打破土壤颗粒之间的黏结力，分离土壤颗粒从而为土壤侵蚀提供物质来源[17]。因此径流剪切力越大时，能剥离更多的土壤颗粒，从而增大侵蚀程度。径流剪切力与土壤侵蚀产沙有显著的相关关系，因此本研究对径流剪切力与坡面产沙率进行了相关分析，结果显示坡面径流剪切力与产沙率呈现良好的线性相关关系，结果如图1所示。在相关方程中，当剪切力太小时，土壤颗粒的黏结程度较强，土壤结构不易受破坏，不发生土壤颗粒运移，当径流剪切力增大后，径流剪切力大于其本身结构黏结强度，能够发生土壤侵蚀。

图1 不同试验条件下植被覆盖坡面径流剪切力与产沙率的相关关系

3.2.2 径流功率对土壤侵蚀的影响 径流作用于土壤颗粒发生运移的过程也是径流耗能的过程，因此引入径流功率来评价径流对土壤颗粒的搬运能力[2]。径流功率越大，则其所蕴含的势能越大，则其能够侵蚀更多的土壤。因此本研究对各植被坡面产沙率与径流功率的相关性进行了研究，相关结果如图2所示，由图2可以看出，坡面径流功率与产沙率呈现较好的线性相关关系。

3.3 讨 论

土壤侵蚀的物理原理为径流搬运泥沙的耗能做功过程，因此径流所蕴含的能量对土壤团粒分散、泥沙颗粒输移有物理作用[21]，因此径流功率是评估侵蚀量的重要因素，径流功率可以作为描述径流做功快慢的物理量，因此其值与径流对土壤颗粒的作用密切相关[22]。

在功率理论基础上，Yang[21]提出了单位水流功率计算公式，其定义为流速与坡降的乘积，即在长度为x，总落差为y的明渠上，单位重量的水体具备的用于输送水和泥沙的能量率。该公式量纲简单，计算简便，能够描述径流的功率特性，但是单位径流功率理论在土壤侵蚀研究中的应用实践不足，Moor和Burch[23]在1986年首次采用单位径流功率来计算侵蚀率；崔文滨等[24]阐述了径流功率理论在黄土坡面侵蚀产沙计算中的应用；肖培青等[8]使用单位径流功率预测苜蓿草地的产沙率，其结果均证明单位径流功率与径流功率能够很好地预测产沙率。植被的存在能够减缓径流流速，降低径流功率，引起径流输移泥沙和径流剪切土壤的能力下降[25]。在实际应用中，由于剪切力的计算过程反映的为剪切力在坡面的平均分布状况，但是实际侵蚀过程并非均匀分布在坡面，植被以及坡面粗糙程度均会造成径流的水深不一，因此径流深的点剪切力较大，使剪切力呈点状分布[26]。而径流功率理论能够消除这一误差，其描述的为径流的初始与终结状态的坡面距离，通过计算坡面径流在坡面顶端和坡面底端的能量差值，从而得到由于侵蚀而消耗的能量[22]。

图2 不同试验条件下植被覆盖坡面径流功率与产沙率相关关系

坡面侵蚀与径流形态密切相关，径流冲刷会引起坡面形态改变，反之形态变化会影响径流形态以及侵蚀程度，因此二者相互影响，密不可分。描述坡面径流水动力学特性的要素主要有：雷诺数、弗劳德数、阻力系数、径流功率、径流深等，这些要素是描述径流特性的重要因素，也是深入了解坡面侵蚀过程以及侵蚀规律的重要途径。本研究采用弗劳德数作为流态表征因子，来探究径流功率与径流流态的相互关系，径流功率的增大会引起径流流态逐渐由层流过渡到紊流，这是由于坡面径流在从坡上向坡下流动过程中，其做功主体势能逐渐转变为径流动能，因此流速会逐渐增大[27]，同时坡面的粗糙特性也会作用于径流，增大径流流体内部紊动程度，从而改变径流流态[25]。侵蚀过程中，土壤表面颗粒的表土团聚体的崩解、分散等水土间相互作用，改变了土壤表面结构，也会加深坡面粗糙程度，从而加深径流流态的变化[28]。

本研究中植被覆盖坡面随着径流雷诺数的增大，坡面径流的阻力系数逐渐减小。径流阻力系数与径流雷诺数的相关关系较为复杂，已发表研究中二者的关系多样，不同坡度等试验条件均会影响二者的相互关系。郑良勇等[29]研究表明阻力系数与雷诺数呈现指数相关关系，其结果也说明坡度是影响相互关系的主要原因，当坡度在15°～30°时，二者存在正相关关系，与郑良勇等研究结果相似，而坡度减小后，二者则呈负相关关系，本研究的坡度为10°，二者为负相关对数关系，与张科利[4]的研究结果相似。以上研究结果显示，径流阻力系数与雷诺数关系复杂，尚无定论，既有可能是正相关，也有可能是负相关关系。雷诺数与阻力系数的相关关系存在临界坡度，在缓坡下二者呈负相关，陡坡下呈正相关，临界值约在10°～12°间。除了坡度影响外，二者关系也受土壤粒径组成和结构影响，这是由于随着雷诺数的增大，径流会在坡面底部土壤颗粒的作用形成较小的漩涡，从而减小土壤颗粒的阻滞力。

4 结 论

本研究通过人工模拟降雨的试验方法，模拟了油松、侧柏、栓皮栎、酸枣4种植被覆盖坡面的侵蚀过程以及径流的水动力学特性。4种植被覆被均能有效地减少径流的产生，减弱径流的输沙能力，从而减少坡面土壤侵蚀量，发挥良好的水土保持作用。侧柏坡面的产流量最大，平均总产流量为56.85 L。而产沙量最高的则是栓皮栎坡面，平均产沙量高达1 189.15 g。各植被覆盖坡面径流流速范围在0.803±0.213至4.276±0.430，栓皮栎覆盖坡面径流流速最快，平均流速为2.930 m/min，流速最慢的为酸枣覆盖坡面，平均流速为1.516 m/min。植被覆盖坡面径流雷诺数和弗劳德数范围分别为7.271～62.630，0.177～0.900，径流雷诺数与弗劳德数均随着降雨强度的增大而增大。坡面径流剪切力在各植被影响下范围为0.829～3.394，径流功率范围为0.017～0.131，均随着降雨强度的增大而增大。研究结果对植被覆盖坡面径流水动力学的探究和土壤侵蚀过程模型的建立具有重要的理论和实践意义。