黃土堆積體植物籬減沙效益與泥沙顆粒分形特征研究

楊 帥 李永紅 高照良 牛耀彬 白 皓 王 凱

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

黃土堆積體植物籬減沙效益與泥沙顆粒分形特征研究

楊 帥1，2李永紅1，3高照良1，3牛耀彬1,3白 皓3王 凱1

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

為探究植物籬措施對工程堆積體邊坡的減流減沙效益及其對侵蝕泥沙顆粒分形維數的影響，以堆積體未防護邊坡為對照，以不同放水流量對不同坡度堆積體植物籬防護邊坡進行了放水沖刷試驗。結果表明：與對照相比，植物籬邊坡初始產流時間滯后100～500 s，其產流率、產沙率整體均較小，產流率在時間尺度上表現為間歇性波動上升；植物籬減流效率在4%～60%之間，減沙效率范圍在15%～50%之間，減流減沙效率均隨坡度和放水流量的增加呈冪函數形式減??；各處理侵蝕泥沙顆粒中粉粒均占主導地位，黏粒次之，砂粒含量最少。與對照小區相比，植物籬防護邊坡侵蝕泥沙砂粒體積分數降低，黏粒和粉粒體積分數升高；黏粒富集率增加，砂粒富集率減小，泥沙顆粒分形維數增大。分形維數與黏粒和砂粒體積分數之間均呈極顯著線性相關，侵蝕泥沙顆粒分形維數主要由黏粒體積分數決定。

工程堆積體； 植物籬； 土壤顆粒； 分形維數； 徑流沖刷； 減流減沙效益

引言

中國正處于現代化建設加速期，近20 a來資源開發力度大，工礦企業和基礎設施建設項目多，產生了數量眾多的排土場、排矸場、尾礦庫等各類工程堆積體[1]。工程堆積體是指生產建設項目因挖填不平衡所產生的棄土棄渣堆置而成的特殊地貌單元，具有獨特的土壤組成及復雜的脆弱下墊面條件，其土壤土質松散、結構缺失、土壤有機質及植物根系缺乏，致其抗沖性極差。據李建明等[2]對全國主要水蝕區(6大區)的368座工程堆積體的調查總結，工程堆積體具有堆置形態各異、下墊面物質組成復雜、坡形高陡，極易產生水土流失等四大基本特征，是生產建設區新增水土流失的重要來源，受到社會各界廣泛關注[3]。關于工程堆積體坡面土壤侵蝕的研究，多集中在以放水沖刷和人工降雨[4-5]條件下進行模擬試驗，探究工程堆積體土壤侵蝕的影響因素和產流產沙規律[6]，以期能準確預測侵蝕量，找出最佳治理措施和防治技術模式。植物措施其對坡面徑流和泥沙具有重要的調控作用[7]，通常被認為是防治土壤侵蝕的最根本措施，大量研究表明，植物籬有明顯的減流減沙效益[8-9]。國內外許多學者對植物籬控蝕保水的機理進行了研究，RACHMAN等[10]認為植物籬提高了土壤入滲能力、導水率；許峰等[11]研究表明，經過較長時間，植物籬對微地貌的改變對減沙效果也有一定貢獻。侵蝕泥沙土壤顆粒組成是土壤最基本的物理屬性之一，常被用來描述土壤質地狀況和結構性質，對了解土壤侵蝕機制、評價土地生產力意義重大。土壤粒徑、顆粒表面積、顆粒體積、孔隙大小等具有自相似結構，具有一定的分形特征[12]。分形維數是用來描述復雜形體不規則性的量度，反映不規則形體占有空間的有效性。分形理論在土壤科學方面的研究取得了一定的進展，MARTINEZ-MENA等[13]和AHMADI等[14]認為土壤顆粒分形維數可以作為可蝕性差異的區分指標；WARRINGTON等[15]和BERGER等[16]對重度、輕度侵蝕及細溝侵蝕的下泥沙顆粒的組成進行研究，都強調了雨強變化的作用；而國內對泥沙顆粒與侵蝕影響因素之間的關系研究較少，楊帆等[17]通過侵蝕泥沙有效粒徑分布和最終粒徑分布的比值分析泥沙團粒的粒徑分選特征，發現產流初始階段粗砂、細砂、細粉粒和粘粒多以團聚體形式存在，而粗粉砂以初級粒子形式存在。把分形理論及其方法應用到土壤學領域，可推動土壤形態、過程等復雜問題的解決，并可在一定程度上使其定量化[18]。

目前，已有研究主要集中于以緩坡耕地作為下墊面，研究植物籬措施的配置模式及其減流減沙過程和機制，且大多研究主要集中在緩坡模擬沖刷和室內裝填土槽的試驗中，而對人工模擬暴雨在野外陡坡原位小區上土壤侵蝕研究相對較少，有關陡坡工程堆積體坡面植物籬條件下運用分形理論與方法分析植物籬對侵蝕泥沙顆粒特征及其減流減沙效果的研究也較為少見。本文主要通過野外徑流小區放水沖刷試驗模擬陡坡工程堆積體植物籬措施條件下的徑流沖刷過程，引入分形理論，用侵蝕泥沙分形維數來表征整個坡面侵蝕動態變化，探究植物籬措施對工程堆積體坡面侵蝕泥沙顆粒分布特性及其減流減沙效果，以期揭示植物籬對堆積體坡面土壤侵蝕過程及規律，為生產建設項目新增水土流失的預測及植物籬措施的合理配置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗小區概況

試驗區位于中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站王東溝小流域(35°14′24.5″N、107°40′21.2″E)，海拔高度1 107 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量584 mm，降水季節分布不均勻，多集中于7—9月份，年均氣溫9.1℃，年積溫2 994℃，光照資源充沛，晝夜溫差大，無霜期171 d，地下水位50～80 m。該區屬典型黃土高原溝壑區，地帶性土壤為黑壚土，土壤母質為中壤質馬蘭黃土。本試驗小區的布設是基于李建明等[2]對全國主要水蝕區368座工程堆積體的堆置類型、下墊面物質組成、坡形因子和侵蝕規律等概化結果，確定了模擬試驗的徑流小區標準化參數，本研究采用的徑流小區從形式上與標準徑流小區沒有差別，試驗小區為標準徑流小區(坡面投影長20 m，寬5 m)，覆土厚度0.5 m；其下墊面物質組成和坡形因子等均是依據黃土高原水蝕區工程堆積體下墊面物質組成的調查概化結果構建，本試驗堆積體土壤質地為砂壤，碎石粒徑范圍指大于10 mm的礫石，土石質量比超過9∶1，土壤粒徑多在1 mm以下, 原狀土土壤顆粒粒徑0.1～0.2 mm、0.05～0.1 mm、0.02～0.05 mm、0.01～0.02 mm、0.005～0.01 mm、0.002～0.005 mm、0.001～0.002 mm和0～0.001 mm的體積分數依次為0.09%、5.96%、32.59%、24.97%、10.77%、6.67%、5.63%和13.33%；其具體布設方式為：在人工開挖面上構建，開挖面達到了土壤母質層。試驗小區經現場機械開挖后進行人工回填，回填土壤來自周邊高陡邊坡開挖產生的棄土，回填前清除棄土中雜草和有機殘落物層，使其更接近工程堆積體真實情況并避免土壤中根系影響試驗效果，回填后對下墊面進行顆粒組成、土壤容重和含水率等檢驗，經檢驗其下墊面物質組成符合水蝕區工程堆積體概化結果(表1)。本試驗采用徑流沖刷方式，用穩壓水箱保持放水流量恒定，調節閥與水表配合進行率定流量，通過穩流槽獲得平穩、恒定的出流。試驗小區及模擬徑流放水裝置示意圖見圖1，試驗供水來自王東溝民用水井。

表1 試驗區和黃土水蝕區堆積體下墊面物質組成對比Tab.1 Composition comparison of accumulation body underlying-surface in experimental area and loess area

圖1 試驗設備示意圖Fig.1 Device sketch for experiments1.集流桶 2.集流槽 3.試驗小區 4.穩流槽 5.流量計 6.恒壓桶 7.閥門 8.蓄水桶

1.2 試驗設計與方法

根據試驗區一年中發生的最大暴雨強度，并結合前期放水試驗的研究成果，設置35、45、55 L/min共3個放水流量梯度(對應雨強分別為24、31、38 mm/h)。由于野外調查發現工程堆積體邊坡坡度集中在23°～40°，因此試驗設計邊坡坡度為24°、28°和32°，每個坡度設置一個植物籬小區(H)并同時設置裸坡小區作為對照(C)，每個小區在其它相同條件下依次按3個放水流量梯度進行沖刷，共計18場試驗。

試驗小區布設見圖2，本小區布設是基于唐克麗[19]對坡耕地植物籬間距設置為2.8～6 m研究結果，并結合工程堆積體特殊下墊面、坡形因子及前期預試驗修正所得，植物籬小區內布置4道植物籬，籬間距4 m，從距離坡頂3 m處開始布設。從坡頂到坡底按照6、4、4、6 m的長度將坡面分為4個區段，從上至下編號為I～IV，使植物籬小區每個區段內均包含一道植物籬，以便于對比分析對照坡面和植物籬小區細溝侵蝕分布的差異。每場試驗結束后，通過測量細溝尺寸計算細溝體積，以此反映細溝侵蝕量。

圖2 徑流小區布置示意圖Fig.2 Layout of different experiments1.測量斷面 2.植物籬帶 3.紫花苜蓿 4.紫穗槐

依據黃土高原植被建設經驗，本試驗在堆積體坡面沿等高線一定間距種植速生、萌生能力強的灌木和草本植物(紫穗槐和紫花苜蓿)構建植物籬帶。為給植物提供較好的生長條件并利于前期種植，試驗以水平階整地，構建植物籬寬60 cm，試驗前1 a以株距20 cm栽植紫穗槐幼苗，試驗當年以67 kg/hm2的密度播種紫花苜蓿，以保證至試驗前籬帶內覆蓋率達到90%。每次試驗前對坡面進行重新平整，并控制土壤容重和含水率(分別選取5個觀測斷面0～20 cm土壤容重和含水率，土壤容重介于1.30～1.40 g/cm3之間，均值1.33 g/cm3，變異系數為4.52%；土壤質量含水率介于15.22%～17.88%之間，均值16.52%，變異系數5.98%)。每小區設置5個測量斷面，分別為距坡頂2、6、10、14、18 m的位置。試驗從有徑流流出小區時開始計時，持續39 min，最初6 min內每隔2 min，其后每隔3 min測定1次渾水總量并收集徑流泥沙樣，同時在每個測量斷面處測定對應時刻的水寬及流速。在實驗室采用MS2000型激光粒度分析儀分析土壤侵蝕泥沙顆粒組成，烘干法測定樣品中的含沙量，高錳酸鉀示蹤法測定流速(染色劑法測定流速為徑流表層流速，實測流速乘以0.75作為斷面平均流速)。

1.3 數據分析

分形維數采用楊培嶺等[20]提出的用粒徑的質量分布描述土壤分形模型

(1)

王國梁等[21]對體積分形維數模型進行了推導，兩邊取對數后得

(2)

其中

di=(dj+dj+1)/2

式中W(δ>di)——粒徑大于di累積土粒質量W0——各粒級土粒質量之和di——篩分粒徑范圍[dj，dj+1]平均值dmax——某個粒徑級[dj，dj+1]最大粒級平均直徑

2 結果與分析

2.1 徑流和泥沙分析

2.1.1 植物籬對堆積體邊坡產流過程的影響

植物籬可以延緩徑流的產生，將坡度32°，放水流量35、45、55 L/min條件下對照小區和植物籬小區的初始產流時間對比情況見表2。由表2可知，植物籬邊坡初始產流時間明顯滯后于對照小區，其初始產流時間比對照小區滯后100～500 s，分別增加了186%、235%和125%。植物籬條件下產流滯后的主要原因是植物籬帶通過機械阻力消減了徑流能量，降低了徑流流速，從而增加了徑流在坡面表面停留的時間。馮浩等[22]對草地的研究也顯示，植被覆蓋將坡面的起流歷時延長了3倍左右。

表2 32°對照小區和植物籬小區初始產流時間變化Tab.2 Change of runoff time of 32° runoff discharge and gradient

在坡度32°條件下，植物籬坡面和裸坡對照坡面產流率隨沖刷時間的變化過程如圖3所示。由圖3可知，對照小區和植物籬小區的產流率均隨著放水流量的增加而增大，當放水流量由35 L/min增加到55 L/min，坡面平均產流率增加了2.0～2.9倍；隨著時間的推移可分為增長-穩定2個變化階段：在產流前9 min產流率均增長較快，隨后坡面產流過程趨于穩定或略有波動，原因是沖刷試驗中對小區輸入的水量先經過入滲和匯流過程之后，水流才能到達坡底形成岀流；試驗開始時，土壤含水率相對較低，水分下滲率較大，因此產流率較小，而隨著時間推移，土壤含水率增大，下滲率減小，致使產流率隨之增大，當坡面逐漸達到穩定下滲率，產流率也趨于穩定。對比2種小區可得，植物籬小區的產流率始終小于對照小區產流率，這是由于植物籬帶改良了土壤結構使其土壤孔隙度增加，從而增強了土壤入滲及持水能力，增加了坡面蓄滿產流所需的徑流量；同時，植物籬帶通過機械阻力增加了徑流在邊坡表面停留的時間，這種滯后現象也是植物籬水土保持效果的重要影響因素[23]，對于同一時間的沖刷或降雨時間，產流時刻的推移縮短了坡面受到徑流侵蝕的總時間，從而降低坡面侵蝕量。

圖3 32°小區產流率隨時間變化過程Fig.3 Variation process of runoff yield rate with time under 32° runoff plot

2.1.2 植物籬對堆積體邊坡產沙過程的影響

在坡度32°條件下，植物籬坡面和對照坡面產沙率隨沖刷時間的變化過程如圖4所示。由圖4可知，對照小區和植物籬小區的產沙率在放水沖刷的前中期總體隨著放水流量的增加而增大；同時，其產沙率的變化存在2種情況：其中高放水流量下(45、55 L/min)趨勢變化過程對比明顯，前期快速上升，而后明顯下降，產流結束時的產沙率已經小于產流初期的產沙率；而低放流量下(35 L/min)，前期產沙率略有上升，而后漸趨穩定，變化量不大。從對照小區和植物籬小區的產沙對比來看，在產流前中期，對照小區的產沙率均明顯大于植物籬小區，隨著時間的推移，產沙率下降，但對照小區的產沙率變化幅度較大，使得在產流后期，2種小區的產沙過程線逐漸接近，產沙率差距越來越小，在放水流量55 L/min時，植物籬與對照坡面產沙率基本相同，分別為16.32 kg/min和16.76 kg/min。原因是在小區的產流初期，堆積體表面大量松散物質被徑流剝離、搬運，且從坡面頂部開始溝蝕迅速發育，徑流可以挾帶大量泥沙，因此產沙率較高，隨著放水歷時的推移，面蝕的面積減小，侵蝕溝逐漸發育完善，特別是溝頭已經穩定，而徑流到達下部坡面時由于含沙量的增加其剝蝕能力下降，對坡面的侵蝕速率下降，最終導致了坡面產沙率的不斷減小。植物籬的控蝕作用使得坡面的產沙率小于裸坡，但后期二者的產沙率越來越相近，表現出控蝕能力隨時間推移會逐漸減小。

圖4 32°小區產沙率隨時間變化過程Fig.4 Variation process of sediment yield rate with time under 32° runoff plot

2.2 植物籬措施的減流、減沙效率分析

圖5 不同坡度及流量下對照坡面與植物籬坡面的累積徑流量對比Fig.5 Comparison of control plot and hedgerows plot cumulative runoff under different slopes and flows

減流、減沙效率是指實施水土保持措施后減少的徑流和產沙量相對于對照的百分數。不同坡度、不同放水流量條件下各小區的累積徑流量如圖5所示。由圖5可知，對照小區和植物籬小區的累積徑流量都隨著小區坡度和放水流量的增加而增大，植物籬小區的累積徑流量較對照小區減少了0.1～0.6倍；表3顯示了不同條件下植物籬的減流效果，其減流效率在4%～60%之間。經平均值計算，從坡度單一因素分析，植物籬減流效率由小到大表現為：24°(18.45%)、28°(20.48%)、32°(33.82%)，隨坡度的增加而增大；從流量單一因素分析，植物籬的減流效率由小到大表現為：55 L/min(10.73%)、35 L/min(29.70%)、45 L/min(32.32%)，可見植物籬的減流能力與徑流流量不是簡單的正相關關系。

表3 不同坡度及流量下植物籬措施的減流減沙效率Tab.3 Runoff and sediment reduction benefit of hedgerows under different runoff discharges and gradients

圖6 不同坡度及流量下對照坡面與植物籬坡面的累積產沙量對比Fig.6 Comparison of control plot and hedgerows plot cumulative sediment yield under different slopes and flows

不同坡度、不同放水流量條件下各小區的累積產沙量如圖6所示。由圖6可知，對照小區和植物籬小區的累積產沙量都隨著坡度和放水流量的增加而增大，植物籬小區的累積產沙量較對照小區減少了0.2～0.5倍；表3顯示了不同條件下植物籬的減沙效果，植物籬的減沙效果總體趨勢是隨著坡度和放水流量的增大而減小，其減沙效率在15%～50%之間。從坡度單一因素分析，24°、28°、32°植物籬小區的平均減沙效率分別為42.78%、37.39%、23.02%；從流量單一因素分析，35、45、55 L/min流量下植物籬平均減沙效率分別為39.61%、29.09%、34.51%，相比減流效果，植物籬的減沙效果更為明顯且穩定。同時，由表4中的減流、減沙效率與坡度、流量擬合回歸方程的決定系數R2及其相關性(P<0.01)檢驗結果可見，減沙效率方程的擬合效果更好，且符合隨坡度和流量的增加，減沙能力降低的規律，這進一步驗證了減緩邊坡坡度是降低水土流失的重要策略。

在不同的下墊面及降雨條件下采用相同的水土保持措施取得的效果是不同的，總體來說，隨著坡度的增加和坡面來水量的增加，水土保持效果在減弱。因而在植物籬的實際運用中，針對堆積體不同的坡度和當地的降水條件，要達到一定的減沙效果，需要配置不同規格的植物籬，DONJADEE等[24]和馬云等[25]的研究結果對不同規格植物籬與坡度、降水等因素的關系進行了量化，表明在大坡度大雨強的情況下，需要適當通過提高植物籬布設密度等方式來增強其控蝕效果。

表4 減流、減沙效率與坡度、流量的回歸分析Tab.4 Fitted relation of runoff and sediment reduction benefit and runoff discharge and gradient

注：** 表示侵蝕泥沙顆粒與分形維數相關性極顯著(P<0.01)，下同。

2.3 植物籬措施對侵蝕泥沙粒徑分選特性的影響

2.3.1 侵蝕泥沙顆粒組成特征

圖7 對照小區和植物籬小區侵蝕泥沙平均值顆粒體積分數分布Fig.7 Average value of particle size distribution of sediment under different runoff discharges and gradients

按照美國制土壤組成分級標準，將土壤顆粒分為黏粒(粒徑0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)和砂粒(50～2 000 μm)。MARTINEZ-MENA等[26]、WARRINGTON等[15]和BERGER等[16]對重度、輕度侵蝕及細溝侵蝕下的泥沙顆粒組成進行的研究，都強調了降雨強度變化對顆粒組成及其分選特性的影響作用。對照小區和植物籬小區不同流量和坡度條件下侵蝕泥沙平均值顆粒體積分數分布情況如圖7所示，侵蝕泥沙顆粒分布具體情況統計見表5。由圖7和表5可知，各流量和坡度下徑流小區的侵蝕產沙中粉粒均占主導地位，均超過70%，黏粒次之，主要位于19%～21%之間，砂粒所占比重最少，在5%～7%之間；由圖7可知，在單一坡度因子或單一放水流量因子下，對照小區侵蝕泥沙中砂粒的含量逐漸增加，黏粒含量減少。在單一坡度因子下，其侵蝕泥沙黏粒含量由大到小為：C24°(19.60%)、C28°(19.43%)、C32°(19.09%)，其砂粒含量由小到大為：C24°(6.13%)、C28°(7.35%)、C32°(7.40%)，這與彭怡等[26]的研究結論相似，原因可能是在本試驗中小坡度和低流量下坡面徑流的剪切力已經遠超過黏粒之間的粘結力，通過增大坡度和流量而增加的徑流能量使得徑流的挾沙能力提高，可以推移、搬運更多的大顆粒土壤，使含沙徑流中砂粒含量增加。

由圖7、表5還可得出，在不同坡度、流量條件下，植物籬坡面較對照坡面侵蝕泥沙顆粒中的砂粒所占體積分數減少了15.59%，黏粒和粉粒所占比例升高，分別增加了4.35%、0.46%，表明植物籬對砂粒有明顯的攔截作用。原因在于當含沙徑流通過植物籬時，受到的機械阻力與摩擦阻力增大，徑流流速降低，挾沙能力下降，對大顆粒搬運能力下降明顯，但對較細顆粒的輸移能力影響相對較小，因而砂粒的含量相對降低。

2.3.2 侵蝕泥沙中富集顆粒的對比分析

富集率(ER)是侵蝕泥沙分散后某粒級的顆粒含量與供試土樣分散后該粒級顆粒含量的比值。與供試土壤相比，當ER<1 時，說明該粒級顆粒在侵蝕泥沙中含量低，發生沉積；而當ER>1時，該粒級顆粒在侵蝕泥沙中含量高，發生富集；通過分析分散后侵蝕泥沙顆粒含量與原始顆粒含量的比值，可了解土壤顆粒在侵蝕過程中的分選性[27]。

不同坡度、流量條件下，各黏粒、粉粒、砂粒的富集率如表5 所示。由表5可知，各坡度、流量下，黏粒的富集率整體上都大于1，粉粒的富集率整體上都約為1，而砂粒的富集率隨坡度和流量的增強而增加，并最終整體上富集率由約為1變化為明顯大于1，說明對整個侵蝕過程而言，黏粒容易被侵蝕，并表現為在侵蝕泥沙中發生富集，粉粒在侵蝕過程中其含量和供試土壤中粉粒含量幾乎相同，表明其未發生明顯的沉積或侵蝕；而砂粒富集率隨坡度流量變化較大的原因是在整個侵蝕過程中坡度或流量越大，其徑流沖刷作用和搬運能力越強，從而促使侵蝕泥沙中粗顆粒運移，發生富集。在各坡度、流量條件下，植物籬小區黏粒富集率均大于對照小區，砂粒富集率均小于對照小區，且其砂粒富集率整體小于1，說明較對照小區，植物籬小區黏粒更容易被侵蝕，而砂粒則難以被侵蝕，更易沉積，原因主要是植物籬對大顆粒具有更強的機械攔截作用。同時，由表5還可知，植物籬小區砂粒富集率隨坡度或流量的增強而增加，具體表現為：由沉積(ER<1)到富集(ER>1)，這表明植物籬對大顆粒的機械攔截能力是有限度的。因此，在植物籬的實際應用中，應根據各坡度、流量條件，通過減小植物籬布設間距等方式以提升其對大顆粒的機械攔截能力。

表5 不同流量和坡度下侵蝕泥沙顆粒分布及分形維數Tab.5 Particle size distribution and fractal dimension of sediment under different runoff discharges and gradients

圖8 分形維數與黏粒、粉粒和砂粒體積分數的相關關系Fig.8 Correlations between fractal dimension and contents of clay, silt and sand

2.4 植物籬措施對侵蝕泥沙顆粒分形維數的影響

三維顆粒分形維數是由TYLER等[28]根據MANDELBROT[29]的二維分形理論而建立的顆粒體積分維物理模型，其通過用粒徑質量分布代替數量分布的方式來描述土壤分形，突破了土壤顆粒分析條件的限制，解決了無法快速準確測到土壤粒徑分布體積和數量的難題。分形維數通過表征土壤顆粒粒徑分布、土壤質地均一程度、土壤團粒結構團聚體、水穩性團聚體和粒徑組成等[30]，可用于反映坡面土壤質地及肥力對侵蝕過程的響應[25]及坡面土壤結構對侵蝕的影響[4]。

表5中分別列出了不同坡度和放水流量下對照小區和植物籬小區的土壤顆粒分形維數，通過計算分形維數的差值可知，植物籬小區的分形維數均大于對照小區(32°小區在放水流量為35 L/min條件下除外)。侵蝕泥沙顆粒體積分形維數與黏粒、粉粒和砂粒體積分數之間的關系如圖8所示。由圖8可知，分形維數與黏粒和砂粒體積分數之間的關系均可以用線性模型進行較好擬合(P<0.01)，其中，分形維數與黏粒體積分數之間為極顯著正相關關系，但與粉粒和砂粒體積分數之間為負相關關系(其中與砂粒體積分數呈極顯著負相關)，侵蝕泥沙顆粒分形維數主要由黏粒體積分數決定，這與劉淼等[31]、慈恩等[32]、王國梁等[21]和黨亞愛等[33]的研究結果相符。因此，植物籬小區的分形維數相對較高反映了侵蝕泥沙中砂粒比重的下降，黏粒比重升高，可以作為植物籬對侵蝕產沙中泥沙顆粒粒級分布的評價指標。

3 結論

(1)植物籬可以延緩徑流的產生，植物籬的初始產流時間明顯滯后于對照小區。與對照相比，植物籬小區的產流率較小，同時其產沙率在前中期較小，而在后期，產沙率差距越來越小。隨著放水歷時的推移，受坡面植物籬和放水強度的綜合影響，坡面產流產沙過程較為復雜。

(2)不同坡度、放水流量條件下，與對照相比，植物籬減流效率在4%～60%之間，減沙效率范圍在15%～50%之間。植物籬減流、減沙效率與坡度、流量間的關系可用冪函數進行擬合，擬合效果較好，植物籬減沙較減流效益更為明顯且穩定。

(3)隨著流量和坡度的增加，植物籬坡面較對照侵蝕泥沙顆粒中的砂粒體積分數減小，而黏粒和粉粒所占比例增加。與對照相比，植物籬坡面小顆粒(黏粒)富集率較大，大顆粒(砂粒)富集率相對較小。植物籬坡面黏粒更易被侵蝕，而砂粒則更易沉積，植物籬對砂粒有明顯的攔截作用，實際運用中可通過減小植物籬布設間距等方式以提升其對大顆粒的機械攔截能力。

(4)不同坡度和放水流量下，植物籬坡面較對照的分形維數整體較大。分形維數與黏粒和砂粒體積分數之間的關系均可用線性模型進行較好的擬合，顆粒分形維數主要由黏粒體積分數決定。植物籬小區的分形維數較高，反映了侵蝕泥沙中砂粒比重的下降，黏粒比重升高，分形維數可以作為植物籬對侵蝕泥沙顆粒粒級分布的評價指標。

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Runoff and Sediment Reduction Benefit of Hedgerows and Fractal Characteristics of Sediment Particles on Loess Plateau Slope of Engineering Accumulation

YANG Shuai1,2LI Yonghong1,3GAO Zhaoliang1,3NIU Yaobin1,3BAI Hao3WANG Kai1

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shannxi712100,China2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

As a kind of special landform unit, engineering accumulation is an important source of soil erosion. To explore effects of hedgerows on sediment particles fractal dimension on hillslope, and the runoff and sediment reduction effects of engineering measures, the field pouring water scouring experiments were designed for different inflow rates (35 L/min, 45 L/min and 55 L/min) and slopes (24°, 28° and 32°) in six normal runoff plots (20 m×5 m). The results showed that the lagged time of initial runoff of hedgerow plots was 100～500 s, and the runoff rate and sediment yield rate were less than those of the control plot. Runoff rate rose for intermittent fluctuations in time scale compared with the control plot. Hedgerow reduced the flow rate by 4%～60%, and decreased the rate of sediment by 15%～50%. Significant power function relationships of runoff and sediment reduction rate with slope and flow rate were observed, and the effect of sediment reduction was better than that of runoff reduction rate equation. Runoff sediment was dominant with silt particle, followed by clay. Compared with the control plot, the volume percentage of sand particle in sediment of the hedgerow plots was reduced. In contrast, the volume percentage of clay and silt was increased. Hedgerow plots clay enrichment rate was higher than those in the control plot, and the sand accumulation rate was less than the control plot. The fractal dimension of the hedgerow plots was bigger than that in control plots. The relationships between fractal dimension and the volume fraction of clay and sand were available for better fitting linear model, and fractal dimension of sediment erosion was mainly determined by the volume fraction of clay. The research results could provide some basic data for establishing the model of soil erosion of engineering measures under the condition of accumulation, and provide a theoretical reference for the optimal allocation to hedgerow slope.

engineering accumulation; hedgerows; soil particle; fractal dimension; runoff scouring; runoff and sediment reduction benefit

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.031

2017-03-29

2017-06-12

國家自然科學基金項目(41671283)

楊帥(1993—)，男，博士生，主要從事工程建設區土壤侵蝕與水土保持研究，E-mail： ys930125@163.com

李永紅(1971—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業水土工程研究，E-mail： lyh712100@163.com

S157.2

A

1000-1298(2017)08-0270-09