灌草植被覆盖度和坡度对地表产流产沙的影响研究

戴 鑫

(成都双流建工建设集团有限公司,成都 610017)

0 引言

为了保护生态环境,中国政府实施了一系列生态工程,其中最有代表性的例子就是退耕还林工程,通过植被建设和水土保持措施的实施,黄河中游年产沙量减少到3 278 t。然而,在黄土高原地区存在缺水严重的现象,导致树木难以生长。植被覆盖已被确定为最有效的土壤侵蚀管理技术之一[1-2],种草和灌木已成为黄土高原坡面水土流失治理的主要措施。

学者们调查了黄土高原植被覆盖度对减少径流和土壤侵蚀方面的研究,植被的覆盖能够有效增加土壤有机质,改善土壤物理性质,从而减少地表径流和土壤侵蚀,减少养分流失。路志强等[2]定量评价了退耕还林还草前后蒲河流域土壤侵蚀变化特征及降水和植被对土壤侵蚀的影响,提出了覆盖度与降雨侵蚀力相互作用下土壤侵蚀的动态发展状况;王瑞红等[3]采用室内模拟降雨试验,试验采用草本植物狗牙根研究了不同植被覆盖度对三峡库区边坡减蚀的影响,结果表明,植被覆盖度在50%～70%时可以有效抑制坡面的泥沙损失,对水土流失具有一定的抑制作用;王琳等[4]研究了黄河流域河南段植被覆盖度变化对土壤坡面的影响,通过研究为该区域整个黄河流域生态保护和恢复提供了理论依据。

然而,以上成果大多涉及单一的植被类型,关于灌草结合与土壤侵蚀之间关系的研究还鲜有报道。本文研究了在模拟降雨条件下,径流和泥沙产量对灌草植被覆盖度和坡度差异的响应,同时,探讨了径流/泥沙与植被覆盖度的关系,将有助于评价水土保持效益,为生态环境和植被建设提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验设置有侧喷式模拟降雨系统,降雨高度为土壤表面以上16 m。该系统可产生40～150 mm/h的降雨强度,且均匀性大于80%,最大持续降雨时间为12 h,有效降雨面积能够达到6 m×4 m。如图1所示,本研究构建的径流区域为4 m(长)×1 m(宽)×0.5 m(深),每个地块由一对包含盒子的土壤组成,采用0～20°的可变坡度。同时,在每个地块的底部,放置了一个三角形的排水出口,用于收集地表径流和沉积物,为了在每种条件下保持相同的降雨量,降雨时间为100 min和30 min,降雨强度为1.0 mm/min和2.0 mm/min,并设置10°和20°的试验坡度。

图1 现场实验装置

1.2 试验过程土壤和植被

试验土壤取自河南省黄河流域,土壤类型主要为黄色软沙土。本研究中使用的土壤材料是沙壤土,主要包含沙子(粒径>0.05 mm)、粉砂(粒径>0.002 mm)、粘土颗粒(粒径<0.002 mm),含量分别为13%、65%、22%,试验所用灌木为南天竹。

1.3 试验步骤

在填充土壤地块之前,用10 mm的筛子过滤干燥的土壤,以去除植物根和石头等杂质。各物料的填充采用罐内分层灌装的方法,首先,将每个盒子的底部放一层3 cm厚的沙子,以促进排水,在沙层上铺一层纱布,让水进行均匀渗透;其次,将剩余的沙子按照3 cm的增量填充并压实在过筛的土壤中,土壤的堆积密度要求为1.35 g/cm3,并且要保持表面平坦且平行于槽的底部。

用土壤水分传感器测量土壤槽中不同深度处的初始土壤含水量,为了将初始土壤含水量与实际取土含水量保持在同一水平,在试验前进行了相应降雨处理,以确保土壤含水量在8%和15%之间波动。同时,每隔1 min用塑料桶收集地表径流和产生的沉积物,收集后在105℃的干燥箱中干燥至恒重,然后称重。

2 结果与讨论

2.1 地表径流起始时间和径流流速影响因素分析

径流起始时间和径流流速是坡面径流的两个主要参数,图2显示了在不同降雨强度及坡度下,植被覆盖度对径流时间及流速的影响。可以看出,对于同一坡度下,随着灌草植被覆盖度的增加,径流起始时间推迟,径流流速降低。径流起始时间与草地植被覆盖度呈正相关,与坡度呈负相关,这意味着径流的起始时间随着坡度的增加而减少,随着植被覆盖度的增加而增加;而径流流速随着坡度的增加而减少,随着植被覆盖度的增加而减小。70%植被覆盖度对径流和土壤流失的影响比其他覆盖度更明显,分析原因可归因于植被覆盖可以有效降低雨滴动能,推迟径流开始时间。植被覆盖的地块和树干部分保护了土壤表面,增加了土壤表面粗糙度,此外,植被根可以改善土壤物理性质,例如土壤内聚性、土壤团聚体、土壤有机质。

(a)土壤覆盖度与径流量时间关系

图2(a)显示了不同降雨强度及坡度条件下土壤覆盖度与径流量时间关系,径流起始时间呈增长趋势,在1.0 mm/min降雨强度下增长率为1.68,在2.0 mm/min降雨强度下增长率为0.77,此外,降雨强度1.0 mm/min的径流起始时间是降雨强度2.5 mm/min的2倍左右。图2(b)显示了不同降雨强度及坡度条件下土壤覆盖度与径流流速的关系,可以看出,随着坡度的增加,径流流速有明显的增加。当降雨强度在1.0 mm/min,植被覆盖度超过40%时,径流流速呈显著下降趋势,随后趋于稳定。此外,天然山坡灌草植被覆盖度的提高,有利于地表径流向土壤深层渗透,增加坡面流阻力系数,延长径流起始时间,降低径流流速。

2.2 植被覆盖度与坡度对径流率影响因素分析

图3显示了植被覆盖度与坡度对径流率的影响,可以看出,径流率随着坡度的增大而增大,高坡度达到稳定径流率的时间比低坡度短。此外,径流率在产流初期开始急剧增加,然后趋于稳定,并且随着植被覆盖度的增加,径流量减小,70%的植被覆盖度比其他覆盖度具有更明显的减流效果。

(a)土壤覆盖度与径流率关系

图4显示了不同降雨强度下植被覆盖度与坡度对径流率影响,可以看出,在较低的降雨强度下,径流率降低,启动径流响应的延迟增加。在相同降雨强度下,径流率减少量随着坡度的增大而减小,在1.0 mm/min雨强下,10°和20°不同坡度的平均产流分别减少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨强度下,10°和20°坡度的平均产流率分别减少26%和23%。在两种降雨强度下,坡度为10°时的产流减少量大于坡度为20°时的产流减少量,这表明陡峭的山坡产生了高径流,径流超过了入渗,因此在山坡上产生了径流。

(a)降雨强度1.0 mm/min下的径流率

在相同雨强下,随着灌草覆盖度的增加,径流率增加,当植被覆盖度从0增加到70%时,1.0 mm/min雨强下的平均产流分别减少了23%与37%;降雨量为2.5 mm/min时的径流产量分别下降了6%与38%。在2.5 mm/min雨强下,增加植被覆盖度的减流效益变化大于1.0 mm/min雨强下的减流效益幅度,表明植被覆盖能有效提高两种雨强下的减流效益。分析原因主要是因为降雨开始时对土壤结构的破坏并不严重,使土壤逐渐饱和,受飞溅侵蚀影响相对较小的土壤颗粒渗入下层土壤,使得土壤形成结皮,从而使径流率逐渐稳定。

2.3 植被覆盖度和坡度对土壤侵蚀速率的影响

土壤侵蚀速率与植被覆盖度和坡度密切相关,图5显示了不同植被覆盖度与不同坡度对土壤侵蚀率的影响,可以看出,土壤侵蚀速率随着灌草植被覆盖度的增加而减小,并随着坡度的增加而增大。在降雨过程中,土壤侵蚀率经历了一个先快速增加,然后随着降雨历时的变化而降低,最后趋于稳定的过程。这是因为在降雨初期,土壤颗粒分散,凝聚力小,加上土壤本身湿度较低,使得沙粒容易被雨滴溅蚀分离。随着土壤含水量的迅速增加,土壤颗粒变得更加粘聚,土壤的抗侵蚀能力增强。

(a)植被覆盖度对土壤侵蚀率的影响

图6显示了降雨强度和坡度对产沙减少量的影响,可以看出,不同灌草植被覆盖度下,产沙减少量随着坡度的增加而减小。在1.0 mm/min的降雨强度,植被覆盖度40%条件下,10°和20°坡度相关的产沙量减少分别为44%和36%;在2.5 mm/min的降雨强度下,植被覆盖度40%条件下,10°和20°坡度相关的产沙量减少分别为35%和28%。通过对不同降雨强度对产沙减少量的影响,可以看出当降雨强度为2.5 mm/min时,与坡度增加相关的产沙减少量不如降雨强度为1.0 mm/min时明显。与径流相似,产沙量与灌草植被覆盖度显著相关,且随着植被覆盖度的增加产沙量显著减少,当植被覆盖度从40%提升到70%时,在1.0 mm/min的产沙量要低于2.0 mm/min的产沙量,这表明在高降雨强度条件下的产沙量相对较高。降雨强度和坡度是影响土壤侵蚀的主要控制因素,在不同降雨强度下,较高雨强下的产流产沙量减少幅度大于较低雨强下,降雨强度越大,雨滴的能量越大,地表侵蚀越强。

(a)雨强1.0 mm/min的产沙减少量

2.4 径流与产沙关系分析

图7显示了不同降雨强度下径流与产沙关系,可以看出,当灌草植被覆盖率大于40%时,随着累积径流量的增加,累积产沙量逐渐增加。此外,随着植被覆盖度的增加,累积径流量的增加速率大于累积产沙量。在2.5 mm/min的雨强下,当植被盖度大于40%时,累积产沙量的振幅明显减小。与累计产沙量的动态变化相比,累计径流量在产流初期开始急剧增加,然后趋于稳定,这与Xiao et al.[5]的研究结果相一致。这些结果表明,随着降雨强度的增加,需要更多的植被覆盖来防止水土流失,植被覆盖度在减少产沙量和径流量方面起主导作用。

(a)雨强1.0 mm/min的径流与产沙关系

3 结论

本文以沙壤土为研究对象,采用降雨试验模拟降雨条件下灌草植被覆盖度和坡度对地表产流产沙的影响,探索了不同植被覆盖度、不同降雨强度、坡度对地表产流产沙过程的影响。根据本研究的结果,可以得出以下结论:

(1)保持同一坡度不变的条件下,随着灌草植被覆盖度的增加,径流起始时间推迟,径流流速降低。径流起始时间与草地植被覆盖度呈正相关,与坡度呈负相关。在1.0 mm/min降雨强度下增长率为1.68,在2.0 mm/min降雨强度下增长率为0.77,降雨强度1.0 mm/min的径流起始时间是降雨强度2.5 mm/min的2倍左右。并且,随着坡度的增加,径流流速有明显的增加,当植被覆盖度超过40%时,径流流速呈显著下降趋势,随后趋于稳定。

(2)径流率随着坡度的增大而增大,高坡度达到稳定径流率的时间比低坡度短。径流率在产流初期开始急剧增加,然后趋于稳定,并且,随着植被覆盖度的增加,径流量减小,70%的植被覆盖度比其他覆盖度具有更明显的减流效果。在相同降雨强度下,径流率减少量随着坡度的增大而减小,在1.0 mm/min雨强下,10°和20°不同坡度的平均产流分别减少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨强度下,10°和20°坡度的平均产流率分别减少26%和23%。

(3)土壤侵蚀速率随着灌草植被覆盖度的增加而减小,并随着坡度的增加而增大。在降雨过程中,土壤侵蚀率经历了一个先快速增加,然后随着降雨历时的变化而降低,最后趋于稳定的过程。在不同灌草植被覆盖度下,产沙减少量随着坡度的增加而减小。降雨强度和坡度是影响土壤侵蚀的主要控制因素,在不同降雨强度下,较高雨强下的产流产沙量减少幅度大于较低雨强下,降雨强度越大,地表侵蚀越强。

(4)当灌草植被覆盖度大于40%时,随着累积径流量的增加,累积产沙量逐渐增加,累积径流量的增加速率大于累积产沙量。在2.5 mm/min的雨强下,当植被盖度大于40%时,累积产沙量的振幅明显减小。与累计产沙量的动态变化相比,累计径流量在产流初期开始急剧增加,然后趋于稳定。本研究可为黄土高原生态环境管理和植被建设提供参考。