植被覆盖度对黄土高原地区土壤入渗及产流影响的试验研究

2015-03-22赵梦杰姚文艺王金花肖培青

中国水土保持 2015年6期

关键词：产流覆盖度坡面

赵梦杰，姚文艺,王金花，肖培青

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098； 2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003)

植被覆盖度对黄土高原地区土壤入渗及产流影响的试验研究

赵梦杰1,2，姚文艺2,王金花2，肖培青2

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098； 2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003)

植被覆盖度；水力侵蚀；土壤含水率；入渗；产流系数

通过野外人工模拟降雨试验，研究了植被覆盖度变化对土壤含水率、坡面入渗及产流的影响，为揭示植被作用下土壤侵蚀产沙机理提供支撑。研究结果表明：①植被覆盖度不同，表层土壤含水率在降雨前后会有很大差异，其增加幅度随着植被覆盖度增加而增大，同时随着植被覆盖度增加，降雨对深层的土壤含水率影响将更为显著；②植被覆盖对初始入渗率、稳定入渗率的影响比较明显，植被覆盖度越高，稳渗率越大，达到稳渗状态的时间越短；③与裸坡面相比，草被坡面有显著的减流效应，随着植被覆盖度提高产流系数有减小趋势，在植被覆盖度达到18%以上时产流系数减小趋势才比较明显，但在暴雨条件下，即使植被覆盖度达到了50%以上，出现产流的时间仍比较短。

降雨及径流引起的水力侵蚀产沙问题是当今世界最大的环境问题之一[1]。黄土高原水力侵蚀十分严重，研究土壤水分入渗规律对揭示水力侵蚀动力学机理具有重要意义。不同的下垫面条件对土壤入渗及产流量影响很大。近年来，国内一些学者做了大量的研究工作，取得了一定成果：申震洲等[2]研究表明裸地小区的径流量大于荒草地和灌木林地；邹俊亮等[3]选取坝地淤土、黄绵土和风沙土进行试验，结果表明在同一土壤类型条件下植被类型主要对深层土壤水分的垂直分布产生影响；姚文艺等[4]研究表明裸地的入渗率明显低于有草被覆盖的，且裸地的初渗率与后期入渗率的差异要比有草被覆盖的大得多；彭新德等[5]指出植被覆盖度及植被类型是影响土壤入渗的两个重要因素；杨帆等[6]研究表明植被对坡面水力侵蚀的影响主要表现在改变了坡面原有的土壤侵蚀环境、植物茎叶对雨滴的消能截留作用和坡面糙率。

随着黄土高原水土保持生态修复工程的实施，当地植被覆盖发生了较大变化，迫切需要研究不同植被覆盖度条件下黄土高原土壤入渗及产流变化规律，揭示植被覆盖对产流机制变化的作用。基于此，本研究通过内蒙古西柳沟流域野外试验场人工降雨试验，分析了不同植被覆盖度下的土壤水分入渗和产流规律。

1 研究区概况

西柳沟为黄河内蒙古河段直接入黄的十大孔兑之一，全长106.5 km，总面积1 356.3 km2。流域内多为丘陵沟壑区或沙漠区，气候干旱，土壤包气带厚且含水量较少。水蚀、风蚀俱存，水蚀主要分布在吴四屹堵以南的丘陵沟壑区，风蚀主要分布在吴四屹堵至苦菜湾的库布齐沙漠风沙区。属半干旱大陆性气候区，年内四季气候变化特征明显，表现为春季干旱少雨、冷热骤变、风大沙多，夏季炎热短暂、降雨集中，冬季寒冷漫长。年均气温5.3～6.1 ℃，年均降水量311～393 mm。植被以典型草原植被群落为主，主要有黄刺玫、沙柳、沙棘、柠条、沙枣、羊草、披碱草等[7]，植被覆盖度20%～40%。土地利用类型以中覆盖度草地为主，占总面积的30.97%，其次是低覆盖度草地、旱地和裸地。土壤以栗钙土为主，占总面积的53.85%，其次分别为粗骨土、草甸风沙土、新积土、潮土和淡栗钙土，分别占总面积的26.63%、12.24%、3.70%、3.06%和0.52%。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

本试验在西柳沟流域坡度15°自然坡面上的5个径流小区内进行，小区面积均为100 m2(5 m×20 m)，植被为人工种植紫花苜蓿，土壤为栗钙土。对小区进行人工翻土，深翻30 cm，除去杂草和碎石后进行平整，浇灌渗透24 h后，再次翻土去杂草根系，利用坡度仪对小区进行坡度平整，直至达到试验要求的坡度。试验所用紫花苜蓿种子发芽率为96%，依照试验设定的不同植被覆盖度和出苗率90%撒播草籽，在撒播后的两周内，进行人工洒水养护。测得植被覆盖度分别为0、11%、18%、43%、53%，对应2#、3#、4#、5#、6#小区，其中2#小区为裸坡，作为空白对比试验区。

2.2 试验方法

根据研究区典型暴雨频率特征和人工降雨装置性能，设计试验的降雨强度为1.0～1.5 mm/min。试验前一天，用不会引起坡面明显侵蚀、小于0.5 mm/min的降雨对试验小区喷洒10 min，以保证每次试验前土壤含水率基本一致，消除地表处理的差异性。用土壤水分速测仪分别测定0、10、20、30、40 cm深度土层土壤含水率，每个深度测9次，取9次平均值作为该层土壤平均含水率。

从降雨雨滴降落到地表开始计时，坡面产流后，记下产流时间。每间隔1 min用塑料小桶采集一次径流样，降雨停止后，测量塑料小桶中含泥沙水深，乘以径流小桶底面积，就得到径流样体积。

3 结果分析

3.1 植被覆盖度对土壤含水率垂向分布的影响

相同的降雨条件下，不同的下垫面条件会导致土壤下渗量发生变化，从而影响土壤含水率的空间分布。表1为不同植被覆盖度条件下各深度土层土壤平均含水率。在10～30 cm深度，2#、3#、4#小区土壤平均含水率均为先减小后增大，5#小区一直增大，6#小区则先增大后减小，这说明了植被覆盖度对土壤含水率影响的复杂性，以及土壤含水率对植被覆盖度的响应具有非线性特征；在30～40 cm深度， 2#、3#、4#小区土壤平均含水率减小，5#、6#小区增大。可见，低植被覆盖度条件下(2#、3#、4#小区)土壤平均含水率在20～30 cm深度土层增大，中植被覆盖度条件下(5#、6#小区)土壤平均含水率在30～40 cm深度土层增大，这一响应关系说明随着植被覆盖度的增加，降雨对深层土壤含水率影响将更为显著。另外，3#、4#小区各土层深度的土壤平均含水率均大于裸坡，原因是在降雨过程中裸坡更容易形成地面径流，故相应深度土层的含水率偏低，而草地对降雨有一定的截留作用，因而有植被覆盖的草地含水率较高。

表1 不同植被覆盖度条件下各深度土层土壤平均含水率

图1～3分别是2#、5#、6#小区土壤平均含水率的垂向分布。降雨后较降雨前，2#小区(裸坡)在0～20 cm深度土层的土壤平均含水率显著增加，5#小区在0～30 cm深度显著增加，6#小区在0～40 cm深度显著增加，可见随着植被覆盖度增加，降雨对土壤平均含水率垂向分布的影响深度逐渐增大。对比3种植被覆盖度小区发现，由裸坡到植被覆盖度43%、53%时，降雨前后表层土壤含水率增加幅度随植被覆盖度增加而增大，这与植被对降雨的截留和对径流的阻滞作用有关；不同植被覆盖度的地表，表层土壤含水率在降雨前后差异很大，并且植被覆盖度越高，这种差异越显著。试验表明，5#、6#小区降雨前土壤含水率分别为19.01%、21.26%，降雨后含水率达到26.62%、34.52%，分别增加了40.0%和62.4%。

图1 2#小区土壤平均含水率垂向分布

图2 5#小区土壤平均含水率垂向分布

图3 6#小区土壤平均含水率垂向分布

3.2 植被覆盖度对土壤初始、稳定入渗率的影响

大量研究表明，植被覆盖对降雨入渗过程的影响机制主要是在降雨时植物的茎叶对雨滴有一定的消能和截留作用，有效防止了土壤表层形成结皮，使之呈疏松状态，从而保持较高的入渗率。同时，植被改变了坡面原有的土壤侵蚀环境，发达的根系使土壤孔隙增多，为水流入渗创造了良好的条件。此外，坡面糙率随植被覆盖度增加而增大，使坡面水流流速降低，也加大了水流入渗的可能性。由于土壤物理性质的空间变异性，坡面降雨入渗的变化过程比较复杂。如果忽略植被截留和雨期蒸发，则产流后各时段的入渗率为[8]

式中：f为平均降雨入渗率，mm/min；R为降雨强度，mm/min；α为地面坡度，(°)；V为各时段对应的产流量，mL；ti、ti+1分别为始末时间，min；S为坡面面积，cm2。

根据Horton公式，利用Origin 8.0软件分别对裸坡和植被覆盖度11%、18%、43%、53%条件下的坡面入渗过程进行拟合分析，结果见表2。

表2 入渗率随时间变化的关系式

由表2知，2#小区(裸坡)的初始入渗率为1.01 mm/min，3#、4#、5#、6#小区的初始入渗率分别为1.35、0.96、1.42、1.23 mm/min；与裸坡相比，除4#小区外，其他小区的初始入渗率均有所增加。由此可见有植被覆盖的小区，土壤初始入渗率相对较大。对于有植被覆盖的小区，稳渗率的变化范围为0.636～0.903 mm/min，最大值出现在6#小区，最小值出现在2#小区，植被覆盖度从11%增加到53%时土壤稳渗率逐渐增大。这说明植被覆盖对坡地稳渗率的影响是比较明显的，植被覆盖度越高，稳渗率越大。

图4为不同植被覆盖度条件下的土壤入渗率曲线，植被覆盖度越高，达到稳渗状态的时间就越短，如3#、4#、5#、6#小区土壤入渗达到相对稳定的时间分别约为9、7、6、5 min，而2#小区即裸坡达到稳渗状态的时间约为12 min。

图4 不同植被覆盖度条件下土壤入渗率拟合曲线

3.3 植被覆盖度对坡面产流系数的影响

植被覆盖能够防止雨滴直接击溅地表，并拦蓄径流，因而对降雨产流有较大的影响。基于各小区降雨产流数据，得到降雨强度接近条件下的产流系数(表3)。2#小区(裸坡)5 min、10 min产流系数分别为0.55、0.57，均大于有植被覆盖小区的产流系数。与裸坡相比，草被坡面有显著的减流效应，如3#小区5 min和10 min径流系数较2#小区分别减小了32.73%和15.79%。随着植被覆盖度增加，这种减流效应更加明显，5#小区5 min和10 min产流系数较裸坡分别减小了47.27%和35.09%，6#小区5 min和10 min产流系数较裸坡分别减小了63.64%和54.39%。另外，植被覆盖度从11%增加到53%时，相应小区的产流系数有逐渐减小的趋势，如3#小区5 min、10 min产流系数分别为0.37、0.48，6#小区则为0.20、0.26。结合图4分析可知，植被覆盖度越高，坡地稳渗率越大，相应的产流量较少，故得到的产流系数较小。

表3 不同植被覆盖度条件下的产流系数

此外，试验进一步表明，在雨强大于60 mm/h的情况下，3#、4#、5#、6#小区分别在1.5、1.3、1.2、1.5 min后产流，5个试验小区从降雨到开始产流的时间均相对较短，即在暴雨条件下产流很快。这说明在黄土高原地区植被建设过程中，还应实施工程措施如修建淤地坝等，提高对暴雨产流的调控作用，拦洪保土，减少入黄泥沙。