植被对土壤入渗和地表产流过程的影响研究进展

李 坤，姚文艺，肖培青，庄 宁，杨春霞，张 浩

(1．河海大学，江苏 南京 210098; 2．黄河水利科学研究院/水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003；3.河南黄河河务局，河南 郑州 450003)

植被对土壤入渗和地表产流过程的影响研究进展

李 坤1,2，姚文艺2，肖培青2，庄 宁1，杨春霞2，张 浩3

(1．河海大学，江苏 南京 210098; 2．黄河水利科学研究院/水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003；3.河南黄河河务局，河南 郑州 450003)

植被；土壤入渗；产流；水文效应；研究进展

从不同层面全面阐述了植被对土壤入渗产汇流作用的研究进展，包括不同植被类型、植被覆盖度、植被种植方式条件下土壤特性、入渗能力、产汇流过程等水文特性的变化规律，指出了目前研究中存在的不足，提出了未来需要进一步研究的方向，包括植被覆盖下坡面降雨-入渗过程的定量描述、植被-径流耦合关系临界的揭示、植被-降雨-入渗-产流耦合关系的分析等，以期为科学评价植被的水文效应提供参考。

植被能够直接影响水分蒸散发、土壤入渗、产汇流等水文过程[1-3]，研究植被作用下的入渗产流过程及其变化规律，是构建植被作用下坡面产流模式、揭示植被变化下的水文响应机制、完善利用植被措施调控水沙的重要理论基础。目前，学者们对植被截留、根系改善土壤入渗特性、增强土壤抗冲性及土壤抗剪强度、植被对坡面流水力学参数的影响等方面的研究取得了不少成果[4-10]。一般来说，土壤入渗特性和产流机制受下垫面影响很大，而不同植被下的土壤性质也不相同[11-12]。植被变化对水文循环有着显著影响，目前关于植被变化对产流机制演化的驱动作用及其被覆临界、植被如何影响入渗和径流等水文过程的研究相对缺乏，坡面侵蚀动力过程对产流机制调整的响应等问题也有待深入研究。基于此，对植被作用下土壤入渗和地表产流过程研究进展进行系统总结，分析目前研究中存在的不足，提出未来需要进一步研究的方向，以期为科学评价植被的水文效应提供参考。

1 植被类型对土壤入渗及产流的影响

国内外学者对植被影响入渗产流的作用开展了大量研究，结果认为不同类型植被通过植被覆盖层截留降雨促进水分再分配并增加入渗减少径流量与泥沙量[12]，其中植被对降水再分布的影响主要体现在冠部截留、改变土壤特性、阻碍径流三方面[13]，并通过根系改变土壤结构，进而改变土壤中水流的运动方式[14]。朱显谟等[15-17]通过实地观测不同种类植被覆盖下的产流量和侵蚀量并将其与裸地对比，发现不同植被类型增加土壤入渗、削减径流能力的顺序为林>灌>草。彭舜磊等[18]采用双环入渗法对伏牛山东麓6种植被恢复类型的土壤水分入渗过程进行了测定，结果表明：初始入渗率、稳渗率和前60 min入渗总量随植被恢复类型的不同而变化，呈栓皮栎次生林>栓皮栎人工林>刺槐人工林>侧柏人工林>灌丛>裸地的规律；栓皮栎次生林能抵御10年一遇的暴雨，栓皮栎人工林能抵御1年一遇的暴雨，而刺槐人工林、侧柏人工林、灌丛和裸地均不能抵御1年一遇的暴雨，易产生暴雨径流。姚文艺等[8,19]研究表明，裸地入渗率明显小于草地和灌木林地，3种地类降雨前后稳渗率变化范围不同，以裸地初始入渗率与稳渗率相差最大，但是随着雨强增大，裸地与草地、灌木林地产流量相差减少，说明在一定雨强范围内，植被对于洪水过程具有削峰调控作用。

不同植被类型对坡面系统入渗产流的调控方式不同，其水土保持措施效率也不相同，比如草地对水沙的调控作用机制更多的是直接拦沙的功效，而林地的水土保持功效则更多体现在蓄水减沙的水沙调控机制方面。文献[20]对火山灰土壤农田有机质、氮矿化、团聚体结构比、体积密度、含水量、水滴穿透时间等的研究表明，相比常绿阔叶林和松树林，农田土壤团聚体含量、结构稳定性和有机质含量有一个明显的下降，体积密度却有所增加，对于增加土壤入渗率的作用为常绿阔叶林>松柏林>农田。王士永等[21]研究了东台沟小流域不同植被覆盖对坡面产流的影响，结果表明，3种径流小区产流量排序为刺槐林<火炬林<裸地。

2 植被覆盖度对土壤入渗及产流的影响

植被覆盖度与土壤入渗、地表产汇流机制之间具有显著的相关性，是影响入渗产流等水文参数的重要因素[12,22]。研究表明植被覆盖可以使雨滴降落能量有效降低，并使降雨再分配，增加土壤入渗并减少地面径流[23-24]。不同植被覆盖度下入渗产流模式不同，一般来讲，植被覆盖度越大，土壤入渗功能越强，产流量越少[15]。SEEGER[12]研究表明植被覆盖度的增加能有效减少径流量和产沙量。ESHGHIZADEH, et al.[25]在伊朗东北部选取侵蚀地点，监测分析2008—2015年的土壤侵蚀量，研究影响半干旱地区径流和土壤流失的主要自然因素，得出了植被覆盖度与径流量、土壤侵蚀量具有线性关系的结论。李毅等[26]在植草坡地进行了人工模拟降雨试验，分析了人工草地覆盖度、雨强、土壤质地等因素对黄土坡面降雨入渗规律的影响，结果表明当其他条件相同时，草地植被覆盖度越大，初始和稳定入渗率越高，降水入渗补给系数越大，不同覆盖度的入渗率和累积入渗量随时间变化均可表示为幂函数关系。

一般来讲，植被覆盖度只有达到一定程度时才能发挥大量增加入渗、减少产流、控制土壤侵蚀的作用，能使其土壤流失量小于该地允许土壤流失量的覆盖度为最佳覆盖度，并且植被覆盖具有临界覆盖度和有效覆盖度两种不同的定义，当超过临界覆盖度时，植被覆盖对于减水减沙的作用不会随覆盖度的增加而增大[27-28]，此外在强降雨条件下，降雨强度超过降雨临界阈值时，植被减流作用会随之降低，被覆对产流影响很小[8]。朱冰冰等[24]通过野外人工模拟降雨试验，研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响，结果表明当植被覆盖度为0～60%时，植被覆盖度的增加能有效降低产流、产沙量，而植被覆盖度大于80%时，覆盖度的增加对于径流系数的影响减弱，植被对产流、产沙量影响趋于稳定，因此临界植被覆盖度为60%～80%。赵梦杰等[29]通过野外人工模拟降雨试验发现，植被覆盖度会对土壤含水率、坡面入渗及产流产生明显影响，植被覆盖度达到18%之后，到达稳渗的时间缩短，径流系数有一个明显的减小，但在暴雨条件下，黄土高原地区坡地即使覆盖度达到了50%以上，产流仍然很快。

森林郁闭度的变化可以影响降雨截留和树干茎流进而使整个森林的水文效应产生变化。HUBER，et al[30]研究表明净降雨量和树干茎流量受林木郁闭度影响，在降雨量较少的地区，森林密度的减少降低了总茎流量但增加了单株茎流量，有利于单株植被的生长，进而对森林的水文循环产生影响。周彬等[31]研究了不同郁闭度下油松人工林林冠截留率、穿透雨量、树干茎流量与降雨量的关系，以及林冠截留过程的特点，结果表明：郁闭度为 0.8 的油松人工林林冠截留量与降雨量呈线性关系，郁闭度为 0.7、0.6、0.5 时呈幂函数关系；各郁闭度的油松人工林林冠截留率与降雨量均呈对数函数关系；穿透雨量、树干茎流量与降雨量均呈明显的线性关系，穿透雨量和树干茎流量随着降雨量的增加而增加。宋小帅等[32]通过定位试验结合室内测定的方法，研究了山西太岳山不同郁闭度油松人工林水文效应，结果表明林分郁闭度从0.5增加到0.6时，土壤总孔隙度增加，之后随着郁闭度增大，土壤总孔隙度又有所减少，郁闭度0.6的林分土壤涵养水源能力最强，不同郁闭度林分土壤有效蓄水量大小按郁闭度排序为0.6>0.7>0.5>0.8，不同郁闭度林分土壤达到稳渗时间一般都在30 min左右，郁闭度0.7林分的土壤初渗速率和稳渗速率均最大。

3 种植方式对土壤入渗及产流的影响

不同种植模式下植被对入渗产流产生的作用不同，能使土壤团聚体、孔隙度、容重、有机质含量、含水量等土壤性质及入渗性能发生改变[33-42]，进而改变流域的水文状况和产汇流机制。为了提高土地利用率，优化植被种植方式，科学合理地种植植被不仅能让植被更加适应当地地形、气候条件，增加植被成活率及其覆盖度，保护环境[33]，而且可大大增加农作物产量并节省耕地资源，减少产流产沙[34-36]，为此需要明晰不同植被种植方式下的土壤结构变化规律及其入渗产流机制。AL-SEEKH，et al.[37]研究表明，等高集雨耕作措施比传统平作措施能大大减少径流量和沉积量的产生，能显著提升土壤含水量。朱聿申等[38]在黄土高原地区进行了试验，结果表明从土壤体积含水量、产流量、侵蚀量、植被生长状况来看，大鱼鳞坑整地小区明显优于传统鱼鳞坑、水平沟整地小区，得出了大鱼鳞坑是最具水土保持功能、最适合在黄土沟壑区使用的种植模式。安瞳昕等[39]进行了玉米间作蔬菜和草带等不同种植方式对坡耕地水土流失影响的研究，结果表明通常情况下农田种植模式采用土地间作方式较单一种植方式更为合理。陈小强等[41]采用田间径流小区试验，研究了坡耕地玉米大豆间作、玉米单作、大豆单作和裸地的水土保持效果，结果表明大豆、玉米间作种植模式相比大豆、玉米单独种植能有效增加耕地地表植被覆盖度，从而增加入渗，减少产流，在云南省中部地区采用2∶2的玉米大豆间作种植模式能大大提高农作物产量和减少水土流失量。薛宇燕等[43]研究秸秆覆盖耕作措施控制土壤侵蚀机制，在2008—2010年雨季对不同覆盖方式下径流小区径流量、侵蚀量进行监测，观察不同降雨强度下覆盖对水土流失的影响，结果发现稻草秸秆编织物覆盖种植玉米能有效增加降雨入渗量，减小径流量，覆盖处理小区比无覆盖处理小区径流量减少528.71 m3/(hm2·a)，土壤侵蚀量减少62.02 t/(hm2·a)，且在中强度雨强下，减流效果最为明显。

4 问题与展望

4.1 存在问题

综上所述，植被改变土壤理化性质及其影响入渗产流模式、调控水文机制的作用研究取得了明显进展，但还有一些问题需要进一步研究，主要有以下几点：

(1)植被与入渗产流的关系研究大多是从土壤的理化性质方面进行参数比较来判定土壤入渗能力，但是对于植被作用下产流机制重要水力参数之一的土壤入渗能力的演变过程与规律还缺少系统的定量研究。特别是对于降雨驱动下不同植被类型坡面土壤水分运动及其入渗率变化的过程特征、植被坡面土壤入渗变化及水分再分配过程等还有待研究。

(2)国内外学者对植被覆盖度变化对入渗产流的影响研究多是通过野外试验观测，以单一植被的覆盖度变化研究为主，极少关注不同覆盖度植被措施下的坡面径流量变化过程，并且现有的产流机制理论研究中关于植被类型、植被覆盖度、种植方式多因素混合对土壤结构变化及入渗产流过程的影响等成果还较为缺乏。

(3)现在试验观测多采用野外天然降雨，关于植被对坡面径流的影响更侧重于坡面径流特征的描述和产流特性参数变化，缺少植被、降雨、入渗、产流耦合研究，特别是植被作用下产流机制演化机理及其被覆临界还需进一步研究。

4.2 研究展望

针对目前植被作用下土壤入渗和地表产流过程研究中存在的问题，建议未来应当加强以下几方面的研究：

(1)从植被截留、阻流和土壤入渗性能耦合变化特征出发，研究降雨驱动下不同被覆坡面土壤水分运动及其入渗率变化的过程特征，以及植被坡面土壤入渗变化及水分再分配过程，阐明植被对调控土壤入渗过程的作用。

(2)通过观测裸坡降雨试验和不同种类、不同覆盖度、不同植被措施下的坡面径流量变化过程，寻找植被-径流耦合关系的临界，对比不同下垫面情况下地表径流变化，分析其特征，并定量表达植被覆盖度与地表径流变化过程的响应关系。

(3)分析降雨-植被-入渗-产流耦合关系，阐明植被对产流过程的作用，明晰产流机制的参数变化规律，找出被覆临界，构建植被作用下坡面产流模式，进一步完善水文学科理论。

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(责任编辑 李杨杨)

河南省创新型科技人才队伍建设工程(162101510004)；国家自然科学基金资助项目(41571276)；水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室基金项目(2016-01)

S157.1

A

1000-0941(2017)03-0027-04

李坤(1994—)，男，河南商丘市人，硕士研究生，从事水土保持与生态水文学方面的研究；通信作者姚文艺( 1957—)，男，河南周口市人，教授级高级工程师，博士，从事河流动力学、土壤侵蚀方面的研究。

2016-09-20