植被恢复对黄土丘陵沟壑区产流模式的影响研究

穆兴民，刘卓昕，王双银，温永福，高 鹏，赵广举，孙文义，马雪燕

（1.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学，陕西杨凌 712100；3.吕梁市水利局，山西吕梁 033000； 4.南京水利科学研究院农村水利研究所，江苏南京 210000；5.新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

长期的水土流失治理特别是1999 年退耕还林（草）工程实施以来，黄土高原植被的生产能力及覆盖度大幅提升、结构和功能明显改善。 植被恢复对降低坡面土壤侵蚀、减少入河水沙具有不可替代的重要作用［1-3］，黄土高原生态恢复也改变了河流水文情势［4-5］。 一般认为黄土区包气带厚，土壤入渗能力差，雨强大，植被覆盖度低，产流模式以超渗产流为主［6-7］。 随着黄土高原土地利用调整和植被结构及功能的恢复，流域产流模式也在发生改变。 2013 年7 月延安市发生长历时强降雨，浅层土壤含水量出现大于田间持水量的现象，部分区域出现饱和地表径流，延河流域并未发生较大洪水，表明通常所认为的超渗产流并没有对流域产流过程产生主导作用［8］。 Liu 等［9］采用水文模型模拟了渭河流域产流模式，发现渭河上游的主要产流模式可能从超渗产流转变为蓄满产流。 李楠［10］选择具有代表性的黄土高原上的汾河上游静乐站控制流域和祖厉河流域，基于次降雨洪水特征辨识了流域产流模式变化，发现汾河上游静乐站控制流域植被恢复后流域超渗产流次数占比减小，混合和蓄满产流的次数占比增加，而下垫面变化未导致祖厉河流域产汇流机制发生较大变化。 胡彩虹等［11］对佳芦河流域的洪水过程数据进行分析，发现随植被覆盖度提高，年均流量大幅度减小，以超渗产流为主的洪水场次减少，以混合及蓄满产流为主的洪水场次增加，该流域发生蓄满产流的概率增大。 顾朝军［12］和穆兴民等［13］研究指出，植被恢复显著改善了土壤水文物理性质，提高了土壤入渗能力，进而改变了产流模式，延河一级支流西川河的产流模式偏向混合产流和蓄满产流，流域在部分降雨过程中发生蓄满产流情况。 洪艳艳［14］利用InHM 水文模型从物理层面探讨了植被恢复对流域产流模式的影响，发现近地表层的土壤饱和导水率在植被恢复后显著提高，土层间导水率差异性增强，这使得土壤形成上层滞水，从而导致黄土高原饱和地表径流产流量增加。

黄土高原的植被恢复为什么能以及如何改变流域产流模式？ 场次洪水径流组成成分的划分从水文学上说明了产流模式是否改变这一问题，但不足以回答为什么会改变的问题，也就难以从机理层面揭示植被恢复对流域产流模式的影响，更难以预测未来产流模式如何变化。 影响产流的主要因素有气候因素（降雨特征、蒸散发特性）和下垫面因素（地形地貌、植被状况、土壤特性），而对于特定区域而言，植被状况是影响产流机制的主要因素［15］。 随植被覆盖度及生产力的提升，植被会通过冠层、近地表枯枝落叶层降低雨滴动能、增加地表糙率，通过地下根系等增强土壤孔隙度、提高土壤水分入渗能力、影响坡面的产（汇）流机理，进而影响流域的产流模式。 目前研究多从场次洪水过程线研判产流模式的变化，缺乏产流模式与土壤性质、土壤入渗之间关系的研究，难以揭示黄土高原产流模式变化的内因。 在百年尺度内，流域基本地形地貌及降雨特征并未发生本质性变化。 因此，本研究采用传统水文方法揭示受植被恢复影响的流域产流模式变化原因，同时分析土壤性质、土壤入渗变化与产流之间的关系，以期为科学认识黄土高原植被恢复驱动下产流模式的变化及其水文模型构建提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

试验研究在陕西省绥德县的桥沟流域进行。 桥沟位于黄土高原黄土丘陵沟壑区第一副区，是裴家峁流域下游右岸的一级支沟，流域面积0.45 km2，主沟道长1.4 km，流域平均宽0.32 km，沟壑密度5.4 km／km2，流域内右岸有一支沟、二支沟两条较大支沟。 桥沟一支沟是桥沟流域下游右岸的一个支沟（靠近桥沟流域出口），流域面积0.069 km2，主沟道长280 m，沟道比降4.97%，流域内植被类型以草地为主。 桥沟二支沟是桥沟流域中游右岸的一个支沟（远离桥沟流域出口），流域面积0.093 km2，主沟道长165 m，沟道比降1.15%，流域内植被类型以草地为主（有少许柠条和刺槐）。 土壤类型主要为黄绵土。 气候类型为半干旱大陆性季风气候，多年平均气温约为10.1 ℃，年平均降水量约为480.0 mm，主要集中在6—9 月，且多以暴雨形式出现。 与黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站资深研究者座谈得知，2000 年以前桥沟流域内大部分土地为坡耕地，尤其是流域梁峁坡和沟底约八成坡耕农田，沟坡及沟道多为荒地，亦因长期过度放牧，流域植被覆盖度不足30%。 2000 年以来，随着国家退耕还林（草）工程的实施，梁峁坡和部分沟床地种植乔灌木林和人工草，植被覆盖度显著增大，目前流域植被类型以草本植物为主，主要有艾蒿、狗尾草、胡枝子、猪毛蒿等草本植物，没有大片林地，植被覆盖度达90%。

1.2 研究方法

1.2.1土壤分层入渗试验

试验于2022 年7—8 月进行。 在桥沟流域的一支沟和二支沟中选择植被生长典型且较为平坦的样地进行不同深度土层的双环入渗试验，土层深度分别为0（表层土）、10、20、40、60 cm，每个样地均进行3 次重复试验。 入渗试验开始前先去除地表植被和枯落物，并将地表铲平，用铁锤将内环直径30 cm、外环直径45 cm的双环垂直打入土壤表面以下5 cm。 试验开始后，同时向内外环迅速注水，当内外环水深达4 cm 时开始计时，采用定水头注水法测定入渗速率。 每次双环入渗试验进行30 min，以0.5、1、3、5、7、10、15、20、25、30 min 为计数时刻，将前1 min 的平均入渗速率视为初始入渗速率，最后10 min 的平均入渗速率视为稳定入渗速率，0～30 min 的平均入渗速率为平均入渗速率。 同时在入渗样地周围使用100 cm3环刀采集原状土样用于测定土壤密度与孔隙度，分析植被恢复后不同土层土壤密度和孔隙度变化对土壤入渗性能的影响。

1.2.2场次降水和洪水数据来源

选取桥沟流域雨量站和水文站的场次降水和洪水观测数据，数据序列为1986—1988 年（植被恢复前）以及2001—2009 年（植被恢复后）。 监测数据已经过多次人工校核，确保数据准确、可靠。

1.2.3产（汇）流特征值的确定

水文观测站径流成分可以分为3 个主要部分：地表径流、壤中流和地下水。 本研究采用退水曲线法［12］对径流进行分割，采用蓄泄关系法［16］计算总径流深。 洪水历时、洪峰流量、洪峰滞时等汇流特征值均可由实测径流过程推求（见图1）。 洪水历时是指洪水起涨点至消退点的时长；洪峰流量是指一次洪水事件中流域内达到的最大流量；洪峰滞时是指净雨质心到洪峰出现的时间。

图1 流域产（汇）流特征值示意

2 结果与分析

2.1 植被恢复对不同深度土层土壤入渗能力的影响

桥沟一支沟、二支沟和农地土壤入渗规律总体相似，均表现为土壤入渗速率在前5 min 内迅速下降，在15 min 后基本趋于稳定，且随着土层深度增加，入渗速率降低（见图2）。 植被恢复对土壤的入渗能力有显著影响（P＜0.05），可以明显看出，在整个入渗过程中，农地不同深度土层的入渗速率整体上小于一支沟和二支沟，且随着土层的加深，农地和植被恢复地入渗性能的差距逐渐增大（见图3）。 植被恢复后，一支沟和二支沟不同深度土层的土壤入渗能力均有不同程度的提升，且平均入渗速率均显著大于农地（P＜0.05）（见图3，图中不同大写字母表示同一植被类型下不同土层的土壤特征指标差异显著，不同小写字母表示相同深度下不同植被类型差异显著）。 相较于农地，一支沟0 ～60 cm 各土层的初始入渗速率依次增大32%、6%、21%、28%、45%，稳定入渗速率依次增大40%、13%、20%、28%、3%；二支沟0～60 cm 各土层的初始入渗速率依次增大23%、8%、31%、19%、41%，稳定入渗速率依次增大45%、15%、29%、49%、79%。

图2 不同深度土层土壤入渗过程

图3 不同深度土层土壤入渗特征值

随着土层的加深，所有样地的土壤入渗能力均显著下降（P＜0.05），各项土壤入渗特征值均随着土层的加深显著降低。 由入渗过程及特征值可知，一支沟和二支沟的土壤分层入渗速率差异明显，尤其是表层土与10 cm 土层之间差异性显著（P＜0.05）。 桥沟一支沟、二支沟和农地10 cm 土层的初始入渗速率相较于表层土分别降低19%、12%和0%，稳定入渗速率分别降低23%、25%和5%。

2.2 不同深度土层土壤入渗影响因素分析

土壤密度和孔隙结构是影响土壤入渗能力的主导因素［17-18］。 由各样地不同深度土层的土壤密度和孔隙度（见表1）可知，土层深度对土壤密度和孔隙度有显著影响（P＜0.05），随着土层的加深，土壤密度增大，孔隙度降低。 相较于农地，受植被恢复影响的草地土壤孔隙结构差异显著（P＜0.05），尤其在40 cm 以上一支沟和二支沟的土壤孔隙度显著高于农地（P＜0.05）。

表1 各样地不同深度土层土壤密度和孔隙度

为进一步明确植被恢复后土壤密度和孔隙结构对土壤入渗能力的影响程度，对土壤入渗能力与土壤密度和孔隙结构进行了相关性分析和回归分析。 土壤密度和各类孔隙度对土壤入渗性能有显著影响（见表2）。 初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率与土壤密度均显著负相关（P＜0.01），与总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度显著正相关（P＜0.01）。 土壤入渗特征值与密度、总孔隙度和毛管孔隙度的拟合程度均较高，而与非毛管孔隙度拟合程度较低（见图4、图5）。 其中，密度、总孔隙度和毛管孔隙度对初始入渗速率解释程度分别为68.7%、68.8%和64.8%（R2分别为0.687、0.688 和0.648）；对稳定入渗速率解释程度分别为54.1%、54.3%和48.6%（R2分别为0.541、0.543和0.486）；对平均入渗速率解释程度分别为60.0%、60.2%和54.3%（R2分别为0.600、0.602 和0.543）。 而非毛管孔隙度对初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率解释程度仅为29.8%、34.1%和36.3%（R2分别为0.298、0.341 和0.363）。

表2 土壤入渗参数与土壤特性指标的相关系数

图4 初始入渗速率与土壤特征参数的关系

图5 稳定入渗和平均入渗速率与土壤特征参数的关系

2.3 植被恢复下的流域产流模式

桥沟流域植被恢复前、后28 场洪水主要特征值见表3、表4。 植被恢复前17 场和植被恢复后11 场降雨的平均降雨历时分别为230 min 和254 min，平均降雨量分别为21.8 mm 和44.1 mm，平均降雨强度分别为8.3 mm／h 和12.6 mm／h，场次平均最大降雨强度为29.4 mm／h和31.3 mm／h。 植被恢复后平均降雨历时、降雨量、降雨强度和最大降雨强度分别增大10.43%、102.29%、51.81%和6.46%，平均降雨量显著增大。 洪水历时平均值分别为166 min 和217 min，洪峰滞时均值分别为31 min 和47 min，多年平均洪峰流量为0.595 m3／s和0.456 m3／s，平均径流深分别为1.30 mm和0.94 mm，径流均以地表径流为主，平均占比分别为85.77%和83.35%，植被恢复后洪水历时和洪峰滞时分别增加30.72%和51.61%，多年平均洪峰流量和径流深分别减小23.36%和27.69%，洪峰滞时显著增大。

表3 桥沟流域1986—1988 年洪水主要特征值统计

表4 桥沟流域2001—2009 年洪水主要特征值统计

综上，植被恢复后多年产洪降雨的平均降雨历时、平均降雨量、平均降雨强度和最大降雨强度均大于植被恢复前，但是洪峰流量、径流深、径流系数以及地表径流占比均减小，地表径流占比的下降说明降水入渗量增大，基流量增加。

植被恢复后，陡涨缓落型的洪水场次占比显著增大，陡涨陡落型占比显著减小，两个时期均无缓涨缓落型洪水（见表5）。 陡涨陡落型洪水比例减小，而陡涨缓落型洪水比例增大，表明流域产汇流速率和退水速率减小，流域对径流的调蓄作用增强［12］。

表5 桥沟流域28 场洪水不同涨落类型场次统计

为了进一步说明流域产流模式的改变是由植被恢复引起的，从28 场洪水中筛选出两组植被恢复前后的场次洪水进行对比分析。 同一组中，植被恢复后产洪降雨的雨量和雨强大于植被恢复前，或与植被恢复前接近。 若植被条件不变，按照传统水文学方法推求可知，植被恢复后场次洪水的洪峰流量、地表径流占比相较于植被恢复前场次洪水均应增大，但对比实测数据（见表3、表4）发现在植被恢复条件下组1 洪水（19870826 和20060731）的洪峰流量、径流深、地表径流占比和径流系数依次降低40%、15%、40%和76%，组2（19880720 和20040726） 的各参数依次降低82.0%、78.2%、3.59%和76.5%，说明植被恢复改变了桥沟流域产流模式。

对比场次洪水过程线（见图6）发现，植被恢复前洪水过程线陡涨陡落，洪峰流量大，植被恢复后洪水过程线转变为陡涨缓落，洪峰流量显著减小，表明植被恢复影响了流域产流机制，改变了流域产流模式。 桥沟流域无常流水，因此无地下径流补充。 植被恢复后地表径流比例降低，洪水退水速率变小原因可能是土壤蓄积水分，对流域洪水径流起到一定调蓄作用。

图6 洪水过程线对比

3 讨论

3.1 植被恢复后流域下垫面变化

已有研究表明，植被恢复过程中，土壤有机质的增加和地下生物活动的加剧导致土壤密度降低，孔隙度增大，土壤渗透性增强，深刻改变了流域下垫面条件［19-20］。 本研究发现，植被恢复可显著降低0 ～60 cm土层土壤密度，改变土壤孔隙结构，提高土壤入渗能力。 顾朝军［12］虽也取得相似规律，但探究的土层深度较浅（0～40 cm），缺乏植被恢复对深层土壤入渗能力的影响。 本研究还发现，植被恢复后，不同深度土层的入渗能力均有不同程度的增大，由于浅层土壤中具有发达的植物根系，因此植被恢复导致表层土和10 cm土层入渗能力差异增大，这使得降雨时入渗量变大，而深层土壤入渗能力较差，容易产生“表层蓄满产流”［21］。

土壤密度和孔隙特征是影响土壤入渗能力的重要因素［22］。 本研究发现土壤密度与初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率显著负相关（P＜0.05），土壤总孔隙度和通气孔隙度与初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率显著正相关（P＜0.05），进一步可以得出植被恢复改善了土壤物理性质，进而提高了土壤入渗能力。 同时，植物根系和土壤生物在土壤中产生的大孔隙使得土壤水入渗时出现优先流［23］，这也会导致土壤入渗速率变大。

3.2 下垫面变化对流域产流模式的影响

影响产流模式的因素可概括为气候因素和下垫面因素两类。 气候因素主要指降雨、蒸发对产流的影响。植被恢复后多场产洪降水的平均降雨量和降雨强度均大于植被恢复前，且有研究表明1986—2020 年桥沟降雨量整体呈缓慢增加趋势［24］，因此可以排除降雨特征变化对流域产流模式造成的影响。 下垫面因素主要包括地形地貌、地表覆盖、土壤特性［15，25］，地形地貌和土壤特性在特定区域内随时间变化甚微［13］，在本研究所涉及的时间及空间范围内可以忽略，因此可以认为以植被恢复为主的地表覆盖变化是引起产流模式变化的主要因素。

桥沟流域自2000 年开始进行植被恢复后，植被覆盖度显著提高，土壤孔隙、密度及入渗性能变化受到植被恢复影响显著。 本研究结果表明，植被对土壤的影响主要表现在较浅的地表及根系所达土层的土壤中，尤其对0～20 cm 土层影响显著，且植被恢复增强了表层土和10 cm 以下土层入渗性能的差异性，这种变化亦造成壤中流的产生［21］，促使土壤蓄积更多水分。 在自然界，由于包气带结构的复杂性和降雨情况的多变性，因此存在多种产流模式组合的产流类型。 典型的黄土区，年均400～600 mm 的降雨量显然不能使传统的包气带土壤完全饱和。 但在黄土的形成过程中，常常存在相对较浅的不透水层，随植被恢复及其对土壤孔隙和入渗性能的改善，上层土壤透水性好，降水后径流成分主要为饱和地面径流和壤中流，若降雨强度超过表层土壤的入渗速率，径流成分则多为超渗地面径流和壤中流［26］，而相对不透水层之下土层的水分仍未饱和，从而在黄土高原形成特有的浅层蓄满产流模式。本研究中的场次洪水特征以及产流过程分析表明，植被恢复后桥沟流域产流过程由陡涨陡落向陡涨缓落的方向转变，其原因是浅层土壤水文性质显著变化，包气带中浅层相对不透水层促使形成了壤中流，从而导致洪水退水速率变小，产流模式发生变化。 黄土高原在植被恢复驱动下，下垫面中的土地利用及地表覆盖条件发生深刻变化，导致浅层土壤水文性能改变，从而引起流域产流模式的变化。 顾朝军［12］、李楠［10］、胡彩虹等［11］、马雪燕［21］采用次降雨洪水特征辨识流域产流模式的方法，分别对黄土高原的西川河、祖厉河、佳芦河、杨家沟和董庄沟进行研究，均发现植被恢复以来，陡涨陡落型洪水比例有所减小，而陡涨缓落型洪水比例有所增大，指出黄土高原产流模式有从传统认为的超渗产流向蓄满产流转变的趋势。 但这里所谓的蓄满产流模式并非包气带土层全部饱和蓄满的产流模式，实际上是浅层蓄满的产流模式。

4 结论

针对黄土高原植被恢复条件下土壤入渗变化导致的流域产流模式转变问题，以绥德桥沟小流域为研究区，分析了植被恢复对土壤入渗性能的影响，探讨了植被恢复对桥沟小流域产流模式的影响，得到主要结论如下。

1）植被恢复显著增强了土壤入渗性能（P＜0.05），不同深度土层的入渗速率均有不同程度的增大，增大幅度随土层深度增加而减小。 其中，表层土和10 cm土层入渗性能的差异最大。

2）密度、总孔隙度和通气孔隙度与土壤入渗性能显著相关（P＜0.01），其中，密度与土壤初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率负相关，总孔隙度和通气孔隙度与土壤初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率正相关。

3）相较于植被恢复前，植被恢复后多年场次洪水的洪峰流量、径流深、径流系数以及地表径流占比均减小，壤中流增加。 植被恢复前后陡涨陡落型洪水和陡涨缓落型洪水占比分别为47.1%、52.9%和9.1%、90.9%，场次洪水过程线及特征值的变化表明流域的产流机制发生改变，形成黄土高原特有的浅层蓄满产流模式。