草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响

李佳辉,魏淑娥,刘程龙,张宽地,2

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

水土流失严重制约着黄土高原地区经济社会的发展,一直是人们重点关注和亟待解决的问题。温带大陆性气候是黄土高原的主要气候类型,降水量年内分布不均匀,主要集中在夏季且多暴雨,再加上其本身的自然环境相对脆弱和人类活动对植被的破坏,使得黄土高原土壤侵蚀尤为严重,黄河近90%的泥沙来源于此[1-4]。为控制水土流失,保护生态环境,我国实施了“退耕还林(草)”工程。区域生态得到了明显改善,植被规模得到显著恢复,植被覆盖已被证实是减少水蚀导致土壤侵蚀的有效措施[5-7]。

自1999年以来,随着退耕还林政策的实施,黄土高原植被恢复导致植被覆盖度已接近水资源承载力的阈值。如果只注重覆盖度的影响,将会引发新的生态环境问题[8-11],因此,关注植被空间格局对坡面流侵蚀以及水沙调控的影响就显得尤为重要[12]。同时,选择合理的植被空间格局是减轻土壤退化,解决黄土高原地区水土流失的根本措施,对生态环境的改善和恢复有着重要作用。以往关于植被格局的研究多集中在不同植被格局类型和植被斑块在坡面上的分布位置等方面。例如:吉静怡等[13]通过模拟降雨试验研究了5种分布格局发现,在随机、带状格局下,生物结皮坡面初始产流时间均显著高于裸土坡面,分别是裸土坡面的2.46倍和1.78倍。亦有研究表明,植被在坡中、下部时,对于径流流速的削减作用更佳[14-15]。杨坪坪等[16]通过不同的植被空间配置证明坡面径流流态为过渡流或紊流。戴矜君等[17]通过野外放水冲刷试验发现,紧密排列植被格局的增阻作用要优于随机排列。张冠华等[18]通过开展不同植被格局下的坡面流冲刷试验发现,与长条状格局相比,带状格局、棋盘状格局和小斑块格局的增阻作用明显较强,也有学者得出了类似的结论[19-20]。此外,有学者发现植被格局对坡面地表水沙特性具有重要影响[21-22]。王栋栋等[20,23]通过研究发现,水文路径连通性差的格局在阻控泥沙方面能力较强,而具有良好水文路径连通性的格局效果相对较差。王玉霞等[24]通过野外人工模拟降雨试验发现茵陈蒿群落小斑块格局对坡面产流的阻控效应较大,而大斑块格局对坡面产沙的阻控效应更为显著。也有大量的研究表明,选择适当的草带位置可以有效降低坡面径流侵蚀[25-28]。可见,目前关于植被格局对坡面水动力学及产流产沙特征的研究相对较多,而从侵蚀动力学角度出发针对不同植被格局条件下坡面土壤侵蚀的研究相对较少。另外,植被通常是由地上部分和地下部分组成,地上部分一般由植被冠层、茎秆、地表枯落物构成,而地下部分主要是根系。植被的冠层、茎秆、根系以及枯落物层等不同结构组分可以减少土壤侵蚀[29],且有研究表明,地上部分和地下部分在调控坡面径流侵蚀方面的作用差别较大[30-33]。因此将植被的地上部分和地下部分进行分离量化研究来揭示植被覆盖下调控坡面土壤侵蚀机理是更为合理的。

基于此,为研究黄土高原地区不同草被格局不同组分对坡面土壤侵蚀特征的影响,本研究利用室内人工模拟降雨试验,选取陕西杨凌土,在不同降雨强度条件下,对不同草被格局的植草坡面和留根坡面的土壤侵蚀过程进行观测,分析草被格局不同组分的减流减沙效益;阐明不同草被格局不同组分对削减径流泥沙的相对贡献率,揭示草被格局不同组分对坡面侵蚀产沙机理的影响,为黄土高原坡面侵蚀及生态环境治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

本试验于2022年4月至6月在水利部西北水利科学研究所人工模拟降雨大厅进行,采用西安淼森电子科技有限公司研发的MSR-T-W1100(1500)型人工模拟降雨系统。该模拟降雨面积约为120 m2(12 m×10 m),可以产生20 mm/h～240 mm/h范围内的雨强,雨滴直径为0.3 mm～6.0 mm,降落高度为6.0 m,降雨均匀度在无风环境中大于85%。经多次率定,所喷雨滴粒径、降雨动能与天然降雨十分接近[34-36]。试验径流小区为小型移动式钢质土槽,土槽规格为2.0 m(长)×1.0 m(宽)×0.4 m(高)。土槽尾部设置V形收集口,用来收集形成的径流和泥沙样品。试验土壤取自陕西杨凌(108°4′28″E,34°16′56″N),土壤质地为粉质壤土。试验所用土壤的物理性质见表1[37]。试验选用草种为麦冬草(OphiopogogonJaponicus),因其根系发达,耐寒耐旱,故常用于防治土壤侵蚀[38]。

表1 试验中使用表土(0～50 cm)的物理性质

1.2 试验设计

在不同类型的降雨事件下,不同草被格局的水土流失效应差别较大,即使是同样特征的降雨事件由于草被格局的不同有可能产生不同的径流侵蚀效果[6]。因此,本试验设置顺坡带状格局(DBP)、沿等高线带状格局(CBP)、菱形带状格局(RBP)、棋盘斑状格局(CSP)、随机斑状格局(RSP)以及裸坡(BSP)6种草被格局作为格局因素的不同水平。搭配60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h三个降雨强度,坡度为15°,草被覆盖度为50%。为了定量研究草被格局不同部分对坡面流水沙特性影响的贡献度,在完成了完整植株的降雨试验后,去除掉草被地表上部的冠层部分,去除时贴近地表且不扰动表层土壤,得到不同草被格局留根坡面。为保证试验精度,每个处理均进行重复试验取平均值分析。模拟降雨条件下不同草被格局试验径流小区坡面设置见图1。

(顺坡带状格局: Down-slope band pattern, DBP; 沿等高线带状格局: Cross-slope band pattern, CBP; 菱形带状格局: Rhombus band pattern, RBP; 棋盘斑状格局: Chessboard spot-shaped pattern, CSP; 随机斑状格局: Random spot-shaped pattern, RSP; 裸坡: Bare slope pattern, BSP)图1 不同草被格局径流小区坡面布置图

所有试验用土自取土后在试验场地自然风干,轻微破碎处理后通过5 mm孔径筛网除去杂草、小石块等杂质,每24 h测量一次土壤含水量。装土之前,在土槽底部均匀铺10 cm厚的天然细沙并覆盖透水纱布,保持土层的透水状况接近自然状态。为保证装填土的均匀性和紧实性,避免遇水后严重塌落,按土壤分6层(每层5 cm)装填。边装填边压实,保证试验土壤容重达到设计要求(1.25 g/cm3)。填土时尽量保持土体表面平整,装填完一层便将土壤刮毛,使其具有一定的糙度,防止土体滑移。在试验前将事先在野外种下长势均匀的麦冬草按照设计的草被空间配置方案移栽在试验土槽中,并核对不同试验小区的实际草被覆盖度是否为50%。上述准备工作完成后适当洒水养护半个月,方可开展试验。

每场降雨的时长为产流开始后持续30 min,降雨前对雨强进行校准使率定雨强最大限度接近设计雨强,误差在允许范围内(±5 mm/h)。降雨过程中,待径流小区出水口连续均匀出现浑水样(即开始产流)后,记录下产流开始的时间。利用高锰酸钾溶液(KMnO4)在上坡段(0.4 m～1.0 m)和下坡段(1.0 m～1.6 m)的固定断面上测定径流表面流速,前10 min内,每1 min观测2次,以后每2 min测量2次,取平均值;根据水流流态确定流速修正系数,进而求得平均流速。在径流小区出水口收集径流泥沙全样,泥沙全样在降雨前10 min每分钟收集一次,降雨后20 min每两分钟收集一次,每次收集时间均为30 s。浑水温度用温度计观测2次。然后,测量径流样品质量,后将样品静置。待泥沙沉淀之后,倒掉上层清液,将余下高浓度泥沙样品转移至小盒内置于烘箱中105℃烘干24 h后称重[18],以测得产流量和侵蚀产沙量。

1.3 数据分析

文中各产流产沙特征参数的数据统计分析、显著性分析以及绘图分别采用Microsoft Excel 2021、SPSS 25以及Origin 2021。相关参数计算公式如下:

水流剪切力τ:

τ=γRJ

(1)

水流功率ω:

ω=γqJ=γhvJ=τv

(2)

单位水流功率Pu:

Pu=vJ

(3)

减流效益Rrb:

(4)

减沙效益Srb:

(5)

式中:τ为水流剪切力,N/m2;γ为水的重度,为9.8 kN/m3;R为水力半径,由于本试验水流较薄,用水深h替代,m;J为径流坡降,其值取坡度的正弦值,即J=sinθ,在本试验中,θ=15°;ω为水流功率,N/m/s;q为单宽流量,m2/s;v为平均流速,m/s;Pu为单位水流功率,m/s;Rrb为减流效益;Rb为裸坡的径流率,L/m2/min;Rg为覆草坡面的径流率,L/m2/min;Srb为减沙效益;Sb为裸坡的侵蚀率,g/m2/min;Sg为覆草坡面的侵蚀率,g/m2/min。

2 结果与分析

2.1 产流产沙过程

2.1.1 产流过程

图2为不同降雨条件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)径流率随降雨历时的变化曲线图。可以发现,在各工况下坡面径流率随降雨历时的变化趋势基本一致,即坡面径流率随降雨历时的延长整体表现为先增加后逐步趋于稳定的状态。稳定径流率受降雨强度、草被格局等多种因素的影响。坡面径流率随降雨强度增大而明显增大,降雨强度越大,稳定后的径流率也越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨强度下,随机斑状格局植草坡面的径流率分别稳定在0.702 L/m2/min、1.134 L/m2/min、1.832 L/m2/min左右。

图2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)径流率随降雨历时的变化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨强度下,沿等高线带状格局(CBP)和菱形带状格局(RBP)植草坡面稳定径流率分别降低了0.644 L/m2/min、0.610 L/m2/min、0.606 L/m2/min和0.421 L/m2/min、0.377 L/m2/min、0.361 L/m2/min。由此可以看出稳定径流率减小的幅度随降雨强度的增大而减小。这主要是因为,一方面随着雨强的增大,坡面发生超渗产流可能性增大;另一方面,草被对降雨的截留作用减弱,从而导致覆草坡面与裸坡径流率的差距减小。降雨强度相同时,不同草被格局的稳定径流率也表现出一定的差异性。以降雨强度为60 mm/h为例,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面稳定径流率依次为1.051 L/m2/min、0.967 L/m2/min、0.809 L/m2/min、0.702 L/m2/min、0.586 L/m2/min和1.230 L/m2/min,与裸坡相比依次降低了14.6%、21.4%、34.2%、42.9%和52.4%。同时,与其他形式的覆草坡面相比,沿等高线带状格局和随机斑状格局的坡面径流率增幅在降雨前期相对较小,且雨强越小,增幅越小。这是由于这两种草被覆盖形式更好地切断了坡面水流的流动路径,水流受阻的可能性增加,致使坡面水文连通性下降,从而径流率增幅减小,增速变慢。而在大雨强下,草被的阻碍作用在雨量及雨滴动能增大的情况下被明显削弱,因此径流率的增速较快,增幅较大。除此之外,不同草被格局会影响坡面径流率趋于稳态阶段的时间。例如:在雨强为60 mm/h的情况下(图 2(c)),顺坡带状格局、棋盘斑状格局和菱形带状格局的径流率接近稳态的时间约为10 min,而随机斑状格局和沿等高线带状格局约为16 min。结合其他降雨强度下径流率随降雨历时的变化规律来看,径流率趋于稳态所需时间基本上随不同格局水文连通性的减弱而增大。此外,降雨强度的增加能显著缩短多个草被格局径流率趋于稳态阶段的时间,且不同格局的植草坡面径流率趋于稳态的时间要大于留根坡面径流率趋于稳态的时间。

在降雨强度相同时,同一草被格局坡面径流率大小表现为裸坡>留根坡面(OR)>植草坡面(CR)。在本试验中,植草坡面径流率的大小受冠层和根系共同影响。草本冠层可以同时拦截降雨和增加地表的粗糙度,从而提高土壤的入渗率;根系则会深入土层,增大降雨的下渗。留根坡面由于失去了草冠的保护,因而其径流率大于植草坡面。裸坡由于没有覆被,土壤入渗率相对最小,所以径流率最大[39]。

2.1.2 产沙过程

图3为不同降雨强度条件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蚀率随降雨历时的变化曲线图。不难看出,在各工况下坡面侵蚀率随降雨历时的变化趋势基本一致,即降雨开始后一小段时间内坡面开始产流产沙,侵蚀率在短时间内迅速提高,达到峰值后逐渐降低最终趋于相对稳定的状态,稳定侵蚀率受草被格局、降雨强度以及草本不同部位等多种因素的影响。坡面侵蚀率随降雨强度增大而明显增大,降雨强度越大,侵蚀率的峰值亦越大,达到峰值所需时间则越短,稳定后的侵蚀率也相对越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨强度下,沿等高线带状格局(CBP)植草坡面的侵蚀率的峰值依次为27.58 g/m2/min、46.62 g/m2/min、62.06 g/m2/min,分别稳定在4.72 g/m2/min、12.56 g/m2/min、17.18 g/m2/min左右。

图3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蚀率随降雨历时的变化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨强度下,沿等高线带状格局(CBP)和随机斑状格局(RSP)植草坡面稳定侵蚀率分别降低21.56 g/m2/min、25.84 g/m2/min、31.66 g/m2/min和19.12 g/m2/min、21.44 g/m2/min、27.88 g/m2/min。由此可以看出,降雨强度对坡面土壤侵蚀侵的影响较大。降雨强度相同时,不同草被格局的稳定侵蚀率也表现出一定的差异性。以降雨强度为60 mm/h为例,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面稳定侵蚀率依次为16.54 g/m2/min、12.86 g/m2/min、9.62 g/m2/min、8.58 g/m2/min和4.72 g/m2/min,与裸坡相比依次降低了36.3%、50.5%、62.9%、67.0%和81.8%。

坡面侵蚀率随草被格局的差异可以从水文连通性的角度来解释。草被格局的水文连通性越差,水沙流动过程中遇到的阻碍越多,水沙通过坡面所遇到的阻抗力就越大,从而导致侵蚀率下降[40]。此外,在相同的的降雨条件下,同一格局不同覆被坡面侵蚀率大小表现为裸坡>留根坡面>植草坡面。草本冠层和根系均对植草坡面的侵蚀率产生影响,且二者的作用方式不同。草本冠层一方面通过削减雨滴动能来减小降雨对坡面表层土的击溅作用[41];另一方面,通过增大地表粗糙度,来减小径流挟沙能力。而草本根系则是通过与土壤表层土的接触和缠绕,增大了根系与土壤颗粒间的粘结作用,从而达到良好的固土效果[42]。当然,只有在冠层和根系的共同作用下能够更好的减缓径流和增大土壤的抗蚀能力。因此,不同草被格局植草坡面侵蚀率最小,留根坡面侵蚀率次之,裸坡坡面侵蚀率最大,这与柳晓娜得到的结果类似[39]。

2.2 减流减沙效益

不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的减流减沙效率见图4。与裸坡相比,其他草被格局的植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的径流率依次降低了6.85%～65.34%和2.19%～23.15%(见图 4(a)～图4(c))。随降雨强度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的减流效益均降低。以沿等高线带状格局(CBP)为例,当降雨强度依次为60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h时,其植草坡面减流效益依次为65.34%、41.01%和26.43%,留根坡面减流效益依次为23.15%、17.26%和13.90%。此外,在降雨强度相同的情况下,草被格局的水文连通性的越差,植草坡面和留根坡面减流效益均增加。在60 mm/h降雨强度条件下,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面减流效益依次为14.44%、23.26%、38.89%、55.13%和65.34%,留根坡面减流效益依次为5.51%、9.55%、12.99%、18.93%和23.15%(图 4(a))。由此可见不同草被格局不同处理坡面的减流效益差异较大,其中60 mm/h降雨强度下沿等高线带状格局(CBP)植草坡面的减流效益最好,而120 mm/h降雨强度下顺坡带状格局(DBP)留根坡面的减流效益最差。

图4 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的减流减沙效益

相比于裸坡,不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的土壤侵蚀率依次降低了22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。整体而言,随降雨强度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的减沙效益均降低(见图 4(d)～图4(f))。以随机斑状格局为例,当降雨强度依次为60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h时,其植草坡面减沙效益依次为60.73%、47.86%和45.34%,留根坡面减沙效益依次为40.09%、35.65%和34.99%。此外,在降雨强度相同的情况下,随草被格局水文连通性的减弱,不同草被格局植草坡面和留根坡面减沙效益均增加。比如:在120 mm/h的降雨强度条件下,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面减沙效益依次为22.88%、33.70%、38.11%、45.34%和52.57%,留根坡面减沙效益依次为15.55%、23.96%、28.27%、34.99%和43.13%(图 4(f))。由此可见,与不同草被格局的减流效益类似,不同草被格局不同处理坡面的减流效益差异较大。总体来看,不同草被格局植草坡面和留根坡面的减沙效益要优于减流效益。

2.3 草本不同部位对减流减沙的贡献率

不同草被格局下草本不同部位减流减沙贡献率见图5。在不同降雨强度条件下,不同草被格局的草本冠层对减流效益的相对贡献率为47.40%～68.98%,草本根系对减流效益的相对贡献率为31.02%～52.60%。整体而言,冠层与根系对减流效益贡献率的比值大于1,说明草本冠层对径流削减的作用要大于根系(见图 5(a)～图5(c))。草本冠层对径流的削减作用主要体现拦截降雨削减雨滴动能、分散径流和增加地表粗糙度三个方面,而草本根系对径流的延缓削减作用主要体现在根系与土壤的固结作用削减了径流能量和增加地表粗糙度两个方面[39]。本试验所使用的麦冬草冠层比较发达,对降雨的截留能力强,从而延长了入渗时间,这说明麦冬草冠层的存在有利于促进土壤入渗,保持土壤水分。降雨强度相同时,草本冠层对径流削减的相对贡献率随草被格局的不同而表现出一定的差异性。例如:120 mm/h雨强下,沿等高线带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局草本冠层对径流削减的相对贡献率依次为68.04%、54.95%、52.88%、49.83%和47.40%(图5(c))。此外,随雨强的增大,同一格局下的草本冠层对径流削减的相对贡献率随降雨强度的增大而减小。例如:菱形带状格局草本冠层对径流削减的相对贡献率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三种雨强下依次为66.60%、60.52%和52.88%。

图5 不同草被格局下草本不同部位减流减沙贡献率

在本研究中,不同草被格局对坡面土壤侵蚀的调控主要是由草本冠层和草本根系共同作用的。在不同工况下,草本冠层对减沙效益的相对贡献率为17.97%～63.17%,草本根系对减沙效益的相对贡献率为36.83%～82.03%。同时,根系与冠层贡献率的比值大于1,这说明草本根系对土壤侵蚀的削减能力更大(见图 5(d)～图5(f))。究其原因,主要是麦冬草的根系较发达,能够通过广泛的物理缠绕固结土壤颗粒从而增强坡面土壤的抗冲刷侵蚀能力[42]。这说明即使麦冬草的冠层被减去或破坏,麦冬草的根系也可以有效的减少土壤侵蚀。

降雨强度相同时,草本冠层对减沙效益的贡献率随草被格局的不同而呈现出一定的差异性[43-46]。例如:在90 mm/h降雨强度下,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局草本冠层对减沙效益的贡献率依次为41.19%、38.26%、31.11%、25.52%和22.88%(图 5(e))。此外,随雨强的增大,同一格局下的草本冠层减沙贡献率随降雨强度的增大而减小。菱形带状格局草本冠层对减沙效益的贡献率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三种雨强下依次为42.46%、31.11%和25.83%。

2.4 土壤侵蚀机理

2.4.1 侵蚀动力学机理

为了进一步说明不同草被格局不同组分对坡面侵蚀的影响,分析了水流剪切力(τ)与坡面土壤侵蚀率(Sr)的关系。坡面土壤颗粒的启动与否主要取决于坡面流冲刷能够分散的土壤颗粒大小和重量,只有当坡面径流作用在土壤颗粒的剪切力大于土壤颗粒的黏结度时,土壤颗粒之间的黏结力才会被破坏,土壤颗粒在坡面水流的冲刷下才会发生滑动,从而产生土壤侵蚀[47]。为了便于描述,引出坡面水流临界剪切力(τ0),即当水流剪切力大于临界剪切力时坡面开始发生侵蚀;当水流剪切力小于临界剪切力时坡面不发生侵蚀[48]。不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力与土壤侵蚀率的关系如图6所示。

图6 不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力(τ)和侵蚀率(Sr)之间的关系

观察图6可以发现,同一草被格局水流剪切力与坡面侵蚀率的关系基本相似,即坡面侵蚀率随水流剪切力的增大而增大。对不同草被格局的水流剪切力与坡面侵蚀率做相关分析,得到水流剪切力与侵蚀率的相关方程,并求出不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)条件下的临界剪切力,将结果列于表2。

表2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蚀率(Sr)和水流剪切力(τ)相关方程

从表2可以看出,整体而言不同草被格局植草坡面和留根坡面土壤侵蚀率与水流剪切力可近似呈y=ax+b线性关系。在本试验中,裸坡的临界水流剪切力为0.548 N/m2,不同草被格局植草坡面的临界剪切力介于0.496 N/m2～0.678 N/m2之间,留根坡面的临界剪切力介于0.307 N/m2～0.563 N/m2之间,植草坡面和留根坡面的临界剪切力相比裸坡增大了-0.052 N/m2～0.130 N/m2和-0.256 N/m2～0.015 N/m2,增长率为-9.49%～23.7%和-46.7%～2.74%。肖培青对草地、灌木地以及裸坡进行试验研究得出紫花苜蓿、紫穗槐调控坡面和裸坡发生坡面侵蚀的临界剪切力为2.86 N/m2、1.65 N/m2和0.86 N/m2[49],可见覆被坡面能够在一定程度上增大坡面径流临界剪切力。由于只有当水流剪切力大于临界水流剪切力时,才会发生坡面侵蚀,因而,临界水流剪切力体现了不同草被格局植草坡面和留根坡面条件下土壤抵抗径流分散和搬运土壤颗粒能力的强弱。

总体而言,对于沿等高线带状格局(CBP)来说,不论是植草坡面还是留根坡面,其临界水流剪切力均大于其他草被格局形式,表明这种格局形式具有较强的抵抗径流侵蚀的能力。临界剪切力增大说明土壤抗蚀性增强,抵御径流侵蚀的能力增强,从而说明在其他条件一定的前提下,选择合适的草被分布格局能够更加有效地阻止坡面产沙,削减了土壤侵蚀,从而达到良好的水土保持效益。

从能量的角度分析,坡面径流对土壤的侵蚀过程是一个克服阻力做功消耗能量的过程。为了研究侵蚀输沙理论,Yang(杨志达)提出了单位水流功率的概念,将其定义为流速与坡降的乘积,但该公式最初应用于明渠水流[50]。Moor和Burch在1986年通过对坡面细沟侵蚀率进行计算得出的结论为当土壤颗粒为分散状态和临界单位水流功率取0.002 m/s时,杨志达公式能够较准确的预测坡面和细沟流输沙率[51]。根据杨志达单位水流功率计算公式,分析不同降雨强度条件下不同草被格局植草坡面侵蚀率和单位水流功率之间的关系(见图7),对于不同的草被格局来说,单位水流功率与土壤侵蚀率的关系都有相似的规律,即侵蚀率随单位水流功率的增大而增大。

图7 不同草被格局植草坡面(CR)单位水流功率(Pu)和侵蚀率(Sr)之间的关系

在既定的试验条件下,降雨强度增大引起坡面径流量的增大,侵蚀产沙率也会随之增大,所以单位水流功率的增大必然引起土壤侵蚀率的增大[49,52]。对不同试验条件下坡面单位水流功率(Pu)和土壤侵蚀率(Sr)进行相关分析,得到单位水流功率与土壤侵蚀率的相关方程,并求出不同草被格局植草坡面和留根坡面的临界单位水流功率(Pu0),得到的结果列于表3。从表3可以看出,整体而言,不同草被格局植草坡面和留根坡面在不同降雨强度条件下坡面侵蚀率与单位水流功率可近似呈y=ax+b线性关系。在本试验中,裸坡的临界单位水流功率为0.0026 m/s,不同草被格局植草坡面的临界单位水流功率为0.0077 m/s～0.0105 m/s,留根坡面的临界单位水流功率为0.0018 m/s～0.0059 m/s,不同草被格局植草坡面和留根坡面的临界单位水流功率相比裸坡分别增大了0.0051 m/s～0.0079 m/s和-0.0008 m/s～0.0033 m/s,增大了1.96～3.04倍和-0.31～1.27倍。总体来看,除了个别草被格局留根坡面外,在草被覆盖条件下,只有当坡面水流具有更大的能量时,才会引起坡面土壤侵蚀[52]。

表3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蚀率(Sr)和单位水流功率(Pu)相关方程

2.4.2 侵蚀率和水动力学参数相关性分析

由上述分析可知,坡面径流水动力学特性会直接影响土壤侵蚀程度。因此在实际生产实践中,可通过对径流水动力学特性的预测来评估坡面土壤侵蚀量。为研究坡面径流各水动力学特性参数与坡面土壤侵蚀率的相关关系,本试验进行了皮尔逊相关分析,结果显示在本试验条件下坡面土壤侵蚀率(Sr)和各水动力学参数间有良好的相关关系,相关程度顺序为:Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ(见图 8)。因此,在本研究中用单位水流功率来描述土壤侵蚀率的关系是最为合适的。相关分析是为了比较不同参数对土壤侵蚀率的影响程度,每个参数都对土壤侵蚀过程与机理研究有重要贡献,是研究坡面土壤侵蚀水动力学因子的必要参数。

图8 侵蚀率与影响因素间的相关性

3 结 论

(1) 坡面径流率随降雨历时的延长整体表现为先增加后趋于稳定。侵蚀率在产流后的较短时间内迅速增加,达到峰值后逐渐降低最终趋于相对稳定的状态。稳定径流率和稳定侵蚀率受降雨强度、草被格局以及草种垂直结构等因素的影响。

(2) 与裸坡相比,不同草被格局的植草坡面和留根坡面的减流效益为6.85%～65.34%和2.19%～23.15%,减沙效益22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。随降雨强度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的减流效益和减沙效益均降低,沿等高线带状格局减沙效益最佳。

(3) 在不同降雨强度条件下,草本冠层对减流效益的相对贡献率为47.40%～68.98%,草本根系对减流效益的相对贡献率为31.02%～52.60%。草本冠层与草本根系贡献率比值大于1,即草本冠层对径流率的削减占主导作用;草本冠层对减沙效益的相对贡献率为17.97%～63.17%,草本根系对减沙效益的相对贡献率为36.83%～82.03%。草本根系与草本冠层的比值大于1,即草本根系对土壤侵蚀率的削减起到主导作用。

(4) 土壤侵蚀率与水流剪切力和单位水流功率均呈良好的线性关系,草被覆盖能够有效增大坡面临界水流剪切力和临界单位水流功率,根据皮尔逊相关分析,坡面侵蚀率和各水动力学参数以及试验变量之间均有良好的相关关系,相关程度的顺序为:Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ。