灌草植被覆蓋度和坡度對地表產流產沙的影響研究

戴 鑫

(成都雙流建工建設集團有限公司,成都 610017)

0 引言

為了保護生態環境,中國政府實施了一系列生態工程,其中最有代表性的例子就是退耕還林工程,通過植被建設和水土保持措施的實施,黃河中游年產沙量減少到3 278 t。然而,在黃土高原地區存在缺水嚴重的現象,導致樹木難以生長。植被覆蓋已被確定為最有效的土壤侵蝕管理技術之一[1-2],種草和灌木已成為黃土高原坡面水土流失治理的主要措施。

學者們調查了黃土高原植被覆蓋度對減少徑流和土壤侵蝕方面的研究,植被的覆蓋能夠有效增加土壤有機質,改善土壤物理性質,從而減少地表徑流和土壤侵蝕,減少養分流失。路志強等[2]定量評價了退耕還林還草前后蒲河流域土壤侵蝕變化特征及降水和植被對土壤侵蝕的影響,提出了覆蓋度與降雨侵蝕力相互作用下土壤侵蝕的動態發展狀況;王瑞紅等[3]采用室內模擬降雨試驗,試驗采用草本植物狗牙根研究了不同植被覆蓋度對三峽庫區邊坡減蝕的影響,結果表明,植被覆蓋度在50%～70%時可以有效抑制坡面的泥沙損失,對水土流失具有一定的抑制作用;王琳等[4]研究了黃河流域河南段植被覆蓋度變化對土壤坡面的影響,通過研究為該區域整個黃河流域生態保護和恢復提供了理論依據。

然而,以上成果大多涉及單一的植被類型,關于灌草結合與土壤侵蝕之間關系的研究還鮮有報道。本文研究了在模擬降雨條件下,徑流和泥沙產量對灌草植被覆蓋度和坡度差異的響應,同時,探討了徑流/泥沙與植被覆蓋度的關系,將有助于評價水土保持效益,為生態環境和植被建設提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗設置有側噴式模擬降雨系統,降雨高度為土壤表面以上16 m。該系統可產生40～150 mm/h的降雨強度,且均勻性大于80%,最大持續降雨時間為12 h,有效降雨面積能夠達到6 m×4 m。如圖1所示,本研究構建的徑流區域為4 m(長)×1 m(寬)×0.5 m(深),每個地塊由一對包含盒子的土壤組成,采用0～20°的可變坡度。同時,在每個地塊的底部,放置了一個三角形的排水出口,用于收集地表徑流和沉積物,為了在每種條件下保持相同的降雨量,降雨時間為100 min和30 min,降雨強度為1.0 mm/min和2.0 mm/min,并設置10°和20°的試驗坡度。

圖1 現場實驗裝置

1.2 試驗過程土壤和植被

試驗土壤取自河南省黃河流域,土壤類型主要為黃色軟沙土。本研究中使用的土壤材料是沙壤土,主要包含沙子(粒徑>0.05 mm)、粉砂(粒徑>0.002 mm)、粘土顆粒(粒徑<0.002 mm),含量分別為13%、65%、22%,試驗所用灌木為南天竹。

1.3 試驗步驟

在填充土壤地塊之前,用10 mm的篩子過濾干燥的土壤,以去除植物根和石頭等雜質。各物料的填充采用罐內分層灌裝的方法,首先,將每個盒子的底部放一層3 cm厚的沙子,以促進排水,在沙層上鋪一層紗布,讓水進行均勻滲透;其次,將剩余的沙子按照3 cm的增量填充并壓實在過篩的土壤中,土壤的堆積密度要求為1.35 g/cm3,并且要保持表面平坦且平行于槽的底部。

用土壤水分傳感器測量土壤槽中不同深度處的初始土壤含水量,為了將初始土壤含水量與實際取土含水量保持在同一水平,在試驗前進行了相應降雨處理,以確保土壤含水量在8%和15%之間波動。同時,每隔1 min用塑料桶收集地表徑流和產生的沉積物,收集后在105℃的干燥箱中干燥至恒重,然后稱重。

2 結果與討論

2.1 地表徑流起始時間和徑流流速影響因素分析

徑流起始時間和徑流流速是坡面徑流的兩個主要參數,圖2顯示了在不同降雨強度及坡度下,植被覆蓋度對徑流時間及流速的影響?？梢钥闯?對于同一坡度下,隨著灌草植被覆蓋度的增加,徑流起始時間推遲,徑流流速降低。徑流起始時間與草地植被覆蓋度呈正相關,與坡度呈負相關,這意味著徑流的起始時間隨著坡度的增加而減少,隨著植被覆蓋度的增加而增加;而徑流流速隨著坡度的增加而減少,隨著植被覆蓋度的增加而減小。70%植被覆蓋度對徑流和土壤流失的影響比其他覆蓋度更明顯,分析原因可歸因于植被覆蓋可以有效降低雨滴動能,推遲徑流開始時間。植被覆蓋的地塊和樹干部分保護了土壤表面,增加了土壤表面粗糙度,此外,植被根可以改善土壤物理性質,例如土壤內聚性、土壤團聚體、土壤有機質。

(a)土壤覆蓋度與徑流量時間關系

圖2(a)顯示了不同降雨強度及坡度條件下土壤覆蓋度與徑流量時間關系,徑流起始時間呈增長趨勢,在1.0 mm/min降雨強度下增長率為1.68,在2.0 mm/min降雨強度下增長率為0.77,此外,降雨強度1.0 mm/min的徑流起始時間是降雨強度2.5 mm/min的2倍左右。圖2(b)顯示了不同降雨強度及坡度條件下土壤覆蓋度與徑流流速的關系,可以看出,隨著坡度的增加,徑流流速有明顯的增加。當降雨強度在1.0 mm/min,植被覆蓋度超過40%時,徑流流速呈顯著下降趨勢,隨后趨于穩定。此外,天然山坡灌草植被覆蓋度的提高,有利于地表徑流向土壤深層滲透,增加坡面流阻力系數,延長徑流起始時間,降低徑流流速。

2.2 植被覆蓋度與坡度對徑流率影響因素分析

圖3顯示了植被覆蓋度與坡度對徑流率的影響,可以看出,徑流率隨著坡度的增大而增大,高坡度達到穩定徑流率的時間比低坡度短。此外,徑流率在產流初期開始急劇增加,然后趨于穩定,并且隨著植被覆蓋度的增加,徑流量減小,70%的植被覆蓋度比其他覆蓋度具有更明顯的減流效果。

(a)土壤覆蓋度與徑流率關系

圖4顯示了不同降雨強度下植被覆蓋度與坡度對徑流率影響,可以看出,在較低的降雨強度下,徑流率降低,啟動徑流響應的延遲增加。在相同降雨強度下,徑流率減少量隨著坡度的增大而減小,在1.0 mm/min雨強下,10°和20°不同坡度的平均產流分別減少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨強度下,10°和20°坡度的平均產流率分別減少26%和23%。在兩種降雨強度下,坡度為10°時的產流減少量大于坡度為20°時的產流減少量,這表明陡峭的山坡產生了高徑流,徑流超過了入滲,因此在山坡上產生了徑流。

(a)降雨強度1.0 mm/min下的徑流率

在相同雨強下,隨著灌草覆蓋度的增加,徑流率增加,當植被覆蓋度從0增加到70%時,1.0 mm/min雨強下的平均產流分別減少了23%與37%;降雨量為2.5 mm/min時的徑流產量分別下降了6%與38%。在2.5 mm/min雨強下,增加植被覆蓋度的減流效益變化大于1.0 mm/min雨強下的減流效益幅度,表明植被覆蓋能有效提高兩種雨強下的減流效益。分析原因主要是因為降雨開始時對土壤結構的破壞并不嚴重,使土壤逐漸飽和,受飛濺侵蝕影響相對較小的土壤顆粒滲入下層土壤,使得土壤形成結皮,從而使徑流率逐漸穩定。

2.3 植被覆蓋度和坡度對土壤侵蝕速率的影響

土壤侵蝕速率與植被覆蓋度和坡度密切相關,圖5顯示了不同植被覆蓋度與不同坡度對土壤侵蝕率的影響,可以看出,土壤侵蝕速率隨著灌草植被覆蓋度的增加而減小,并隨著坡度的增加而增大。在降雨過程中,土壤侵蝕率經歷了一個先快速增加,然后隨著降雨歷時的變化而降低,最后趨于穩定的過程。這是因為在降雨初期,土壤顆粒分散,凝聚力小,加上土壤本身濕度較低,使得沙粒容易被雨滴濺蝕分離。隨著土壤含水量的迅速增加,土壤顆粒變得更加粘聚,土壤的抗侵蝕能力增強。

(a)植被覆蓋度對土壤侵蝕率的影響

圖6顯示了降雨強度和坡度對產沙減少量的影響,可以看出,不同灌草植被覆蓋度下,產沙減少量隨著坡度的增加而減小。在1.0 mm/min的降雨強度,植被覆蓋度40%條件下,10°和20°坡度相關的產沙量減少分別為44%和36%;在2.5 mm/min的降雨強度下,植被覆蓋度40%條件下,10°和20°坡度相關的產沙量減少分別為35%和28%。通過對不同降雨強度對產沙減少量的影響,可以看出當降雨強度為2.5 mm/min時,與坡度增加相關的產沙減少量不如降雨強度為1.0 mm/min時明顯。與徑流相似,產沙量與灌草植被覆蓋度顯著相關,且隨著植被覆蓋度的增加產沙量顯著減少,當植被覆蓋度從40%提升到70%時,在1.0 mm/min的產沙量要低于2.0 mm/min的產沙量,這表明在高降雨強度條件下的產沙量相對較高。降雨強度和坡度是影響土壤侵蝕的主要控制因素,在不同降雨強度下,較高雨強下的產流產沙量減少幅度大于較低雨強下,降雨強度越大,雨滴的能量越大,地表侵蝕越強。

(a)雨強1.0 mm/min的產沙減少量

2.4 徑流與產沙關系分析

圖7顯示了不同降雨強度下徑流與產沙關系,可以看出,當灌草植被覆蓋率大于40%時,隨著累積徑流量的增加,累積產沙量逐漸增加。此外,隨著植被覆蓋度的增加,累積徑流量的增加速率大于累積產沙量。在2.5 mm/min的雨強下,當植被蓋度大于40%時,累積產沙量的振幅明顯減小。與累計產沙量的動態變化相比,累計徑流量在產流初期開始急劇增加,然后趨于穩定,這與Xiao et al.[5]的研究結果相一致。這些結果表明,隨著降雨強度的增加,需要更多的植被覆蓋來防止水土流失,植被覆蓋度在減少產沙量和徑流量方面起主導作用。

(a)雨強1.0 mm/min的徑流與產沙關系

3 結論

本文以沙壤土為研究對象,采用降雨試驗模擬降雨條件下灌草植被覆蓋度和坡度對地表產流產沙的影響,探索了不同植被覆蓋度、不同降雨強度、坡度對地表產流產沙過程的影響。根據本研究的結果,可以得出以下結論:

(1)保持同一坡度不變的條件下,隨著灌草植被覆蓋度的增加,徑流起始時間推遲,徑流流速降低。徑流起始時間與草地植被覆蓋度呈正相關,與坡度呈負相關。在1.0 mm/min降雨強度下增長率為1.68,在2.0 mm/min降雨強度下增長率為0.77,降雨強度1.0 mm/min的徑流起始時間是降雨強度2.5 mm/min的2倍左右。并且,隨著坡度的增加,徑流流速有明顯的增加,當植被覆蓋度超過40%時,徑流流速呈顯著下降趨勢,隨后趨于穩定。

(2)徑流率隨著坡度的增大而增大,高坡度達到穩定徑流率的時間比低坡度短。徑流率在產流初期開始急劇增加,然后趨于穩定,并且,隨著植被覆蓋度的增加,徑流量減小,70%的植被覆蓋度比其他覆蓋度具有更明顯的減流效果。在相同降雨強度下,徑流率減少量隨著坡度的增大而減小,在1.0 mm/min雨強下,10°和20°不同坡度的平均產流分別減少28%和24%;在2.5 mm/min的降雨強度下,10°和20°坡度的平均產流率分別減少26%和23%。

(3)土壤侵蝕速率隨著灌草植被覆蓋度的增加而減小,并隨著坡度的增加而增大。在降雨過程中,土壤侵蝕率經歷了一個先快速增加,然后隨著降雨歷時的變化而降低,最后趨于穩定的過程。在不同灌草植被覆蓋度下,產沙減少量隨著坡度的增加而減小。降雨強度和坡度是影響土壤侵蝕的主要控制因素,在不同降雨強度下,較高雨強下的產流產沙量減少幅度大于較低雨強下,降雨強度越大,地表侵蝕越強。

(4)當灌草植被覆蓋度大于40%時,隨著累積徑流量的增加,累積產沙量逐漸增加,累積徑流量的增加速率大于累積產沙量。在2.5 mm/min的雨強下,當植被蓋度大于40%時,累積產沙量的振幅明顯減小。與累計產沙量的動態變化相比,累計徑流量在產流初期開始急劇增加,然后趨于穩定。本研究可為黃土高原生態環境管理和植被建設提供參考。