不同坡位的植被缓冲带对坡面侵蚀产沙来源的影响

于国强, 贾莲莲， 朱冰冰, 张 霞

(1.中国地质调查局 干旱—半干旱区地下水与生态重点实验室, 西安 710054; 2.黄河水利委员会 黄河上中游管理局， 西安710021； 3.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,西安 710061; 4.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048)

黄土高原的土壤侵蚀问题日益严重，生态矛盾日益突出[1-2]。我国黄土区地形破碎，土壤抗侵蚀能力弱，植被有限，是入黄泥沙主要来源[3]。合理的植被结构能够有效减少、防止水土流失，改良土壤性质[4-6]；不合理的植被布局加剧水土流失[7]。因此，如何合理布设植被，实现植被对水土保持效益最大化，是治理黄土区水土流失的关键。

植被在黄土高原生态环境建设中有着不可替代的作用，学者们对植被盖度与土壤侵蚀的关系、植被对水力学参数和土壤性质的影响、植被的减水减沙效应等方面开展了大量研究[8]。在植被调控坡面侵蚀研究方面，研究者们认为除植被类型、数量决定侵蚀产沙外，位置、分布也同侵蚀产沙关系密切[9]。不少研究发现，在相同降雨或上坡来水条件下，植被分布在下坡的侵蚀产沙小于中坡和上坡[10-11]。然而，由于土壤侵蚀十分复杂且技术手段的限制，导致现有研究多停留在定性分析阶段，只给出了不同植被分布与侵蚀产沙变化的逻辑关系，对植被分布对减流减沙的影响过程缺乏深入的阐述[12]。因此，本研究采用室内模拟降雨试验和三维激光扫描技术，通过分析不同坡位植被缓冲带坡面产沙来源的变化特征，阐述不同坡位植被带下坡面侵蚀的形态演变过程和差异，以期为揭示草地坡面侵蚀规律和植被减蚀效应研究提供依据。

1 试验材料与方法

本研究根据黄土丘陵沟壑区坡面地貌形态，同时结合室内试验条件，构建坡面物理概念化模型。如图1所示，试验模型上坡长8 m、坡度12°、下坡长5 m、坡度25°[6]。

本研究的试验用土壤为西安郊区丘陵台塬地貌黄土，经过筛分处理。颗粒尺寸为0.002～0.05 mm的颗粒占91.39%，0.05～0.1 mm的颗粒占6.21%，为粉质土。选用野生马尼拉草为试验草带，草根系长20 cm，长势较好。试验开始15 d前，草带在试验钢槽内生长，按照模型的尺寸，草带的尺寸设定为2 m×1 m。试验槽底部铺设20 cm厚的天然砂。对钢槽内黄土进行夯实，使其容重在1 300 kg/m3左右，通过喷水预湿的方法使土壤含水量在20%左右。然后在沙层上放置20 cm厚的土壤，并为草带布设预留10 cm空间，使草带与裸坡紧密连接以防止降雨时滑动。针对较为干旱环境和条件下的黄土高原地区植物实际生长情况[13]，试验选择覆盖度为25%，共设计5种植被位置(图1)：位置a(裸坡)、位置b(上坡下部)、位置c(上坡中下部)、位置d(上坡中上部)、位置e(上坡上部)。

图1 坡面概化模型

模拟降雨采用向上式降雨装置，滤纸法[9]测量的雨滴直径与自然降雨雨滴尺寸接近。试验中上坡、下坡分别布设4个喷头，每个喷头的降雨面积达到3～4 m2。试验采用喷头尺寸和水压力来准确控制雨强、雨量和降雨均匀程度[13]。试验中选用黄土区的中雨雨强(90 mm/h)[13-15]、间隔24 h的间歇性降雨，每个位置开展2场试验。为减少试验误差，每场试验重复2次，重复结果表明，产沙和径流均值未发生显著差异，次降雨产沙量误差可以控制在10%以内。根据产流达到稳定状态的时间，确定径流历时为30 min。试验进行时，水沙样品每1 min采样1次，测量径流量；泥沙经过24 h静置后分离，在105℃下烘干8 h后称重。

将坡面均分为13个1 m×1 m的坡段，每个断面径流表面流速采用染料示踪法确定。雷诺数由径流深、径流平均流速和动力粘性系数(与温度有关)计算。根据径流流态对流速进行修正，最终求得平均径流流速[13]。

使用扫描仪测量降雨前、后坡面三维地形。测量精度为1 mm，进而建立试验中坡面表面DEM[16]。每种位置下共扫描3个DEM数据(1 m×13 m)，见图2。

图2 不同草带位置下降雨前后DEM结果

将初始降雨前DEM记为“Rain0”，第2次降雨后的DEM标为“Rain2”。第2次降雨后的产沙量为Rain1—Rain2。下垫面的草带会影响DEM测试数据，需要去除植被的噪点数据。对获取的DEM点云数据进行插值处理，插值间距为10 mm ×10 mm。产沙总体积计算如下：

VE=∑HiS

(1)

式中：VE为产沙体积；Hi为DEM高程；S为面积，规格为10 mm×10 mm。

由图2可以看出，在有、无草带的情况下，第2次降雨后的下垫面DEM较第1次降雨后变化不大，按照公式(1)计算得到的2次降雨的侵蚀体积变化幅度轻微，因此在后续的结果分析中，仅采用第2次降雨后的数据进行研究。

2 结果与分析

2.1 不同植被位置下坡面侵蚀输沙来源辨析

坡面从坡顶至坡底每1 m为一个坡段，上坡为“坡段1—8”的8个坡段；下坡为“坡段9—13”的5个坡段。以每个坡段产沙体积表征侵蚀量(产沙量)，第2次降雨后各坡段产沙体积计算结果见表1。

表1 第二次降雨后各个植被位置下不同坡段产沙体积

裸坡条件下，整个坡面的产沙体积为0.123 72 m3，均值9.52×10-3m3/m2。第5坡段的侵蚀量是1.048×10-2m3/m2，达到坡面产沙量的8.48%，是上坡主要产沙部位。下坡范围内的中部、中下部以及下部(坡段11—13)是整个坡面范围内侵蚀最为严重的部位(图2)，3 m长的坡段产沙体积为6.876 ×10-2m3，产沙率为29.80 kg/m2，占整个坡面产沙量的55.56%。

位置b条件下，坡面侵蚀总体积为0.103 38 m3，略小于裸坡时的0.123 72 m3，植被具有一定的减缓侵蚀的作用，但作用较弱。位置b下的上坡产沙量在所有试验场次中最少，为1.88×10-2m3，占整个坡面产沙量的18.11%，侵蚀程度最低。但下坡产沙量较裸坡却有增加，主要的侵蚀区域集中于下坡整个5 m的坡段，产沙多集中于此(图2)，侵蚀体积为8.466×10-2m3，产沙率为22.01 kg/m2，占整个坡面产沙量的81.89%，这说明草带调控(减缓)侵蚀的范围有限，仅对上坡有效果。与此相反，位置c条件下，草带布设于上坡60%位置，整个坡面的产沙体积仅为6.872×10-2m3，小于裸坡时的0.123 72 m3，说明植被种植位置较为合适，就可以具有较好的减缓侵蚀的作用，其调控范围覆盖整个坡面。上坡产沙体积仅为2.719×10-2m3，占整个产沙量的39.57%；下坡产沙量仅为4.153×10-2m3，占整个坡面的60.43%，侵蚀程度最低。只有下坡中上部(坡段10)和中部(坡段11)产沙量较大，是坡面产沙的主要来源部位(图2)，其2 m的坡段的侵蚀体积为2.179×10-2m3，产沙率仅为14.16 kg/m2，占整个坡面产沙的31.71%。

位置d条件下，整个坡面的产沙体积达到0.240 16 m3，远大于裸坡，侵蚀的程度增强，草带减缓侵蚀效果较差，甚至失去调控效果。此时上坡、下坡的侵蚀程度均较为严重。从下坡中部至上坡中下部6 m范围内的侵蚀程度十分严重(图2)，侵蚀产沙多来源于此，其产沙量达到0.199 87 m3，产沙率为43.30 kg/m2，占坡面产沙量的83.22%。

位置e与位置d侵蚀情况类似，但侵蚀剧烈程度强于位置d，整个坡面的产沙体积达到了0.259 86 m3，远远大于裸坡，植被减缓侵蚀的效果最差。此时从下坡下部一直延伸至上坡中部9 m范围内的侵蚀程度达到试验范围内峰值，侵蚀严重，其产沙体积高达0.256 25 m3，产沙率增至37.01 kg/m2，占坡面产沙总量的98.61%，侵蚀程度和产沙量达到峰值。

2.2 不同植被位置调控坡面侵蚀输沙作用辨析

对不同植被位置下的DEM进行提取[17]，测量、计算第2次降雨后的产沙体积等侵蚀强度指标(表2)。与裸坡相比，位置b条件下的细沟体积和产沙体积分别减少了32%，16%，细沟宽度减少30%，细沟深度降低39%。而位置c与裸坡相比各个指标均大幅降低，细沟体积降低69%，产沙体积降低44%；细沟宽度减少36%，深度降低58%，达到谷值。位置d和e的情况则刚好相反，较裸坡相比，侵蚀程度大幅加剧，位置d的细沟体积和产沙体积分别增加1.67倍和94%，最大细沟深度和宽度分别增加7.5%和1.46倍；位置e的产沙体积和细沟体积分别增加1.1，1.98倍，细沟深度增加14%，宽度增加1.56倍达到峰值。

表2 第二次降雨后不同植被位置下的侵蚀强度指标

对比5种植被位置，草带位置d和e下的细沟侵蚀量占总侵蚀量的76%，78%，远大于其他位置的情况，这与文献记载结论一致[18]。说明草带位置d，e条件下，细沟侵蚀成为了主要的侵蚀方式，细沟侵蚀部位(侵蚀产沙来源)多处于下坡下部至上坡下部(图2)。草带位置b和c下的细沟侵蚀量达到谷值，不到总侵蚀量的45%，说明此时主要的侵蚀方式是击溅侵蚀和片蚀，而不再是细沟侵蚀，细沟侵蚀也仅仅发生在下坡下部的小区域内(图2)[19]。

在合理的位置条件下，尽管草带没有改变侵蚀部位，但能够减缓侵蚀，降低了侵蚀强度。值得注意的是，位置b和c的草带减缓侵蚀的程度和作用范围是不同的。位置b的草带调控侵蚀的效果稍弱于位置c，调控范围仅限于上坡，其范围内的产沙量很小；但下坡范围内产沙量却超过了裸坡。此时下坡成为侵蚀的主要部位，产沙体积为8.466×10-2m3，占整个坡面的82%。位置c时草带调控侵蚀的效果更加明显，调控侵蚀范围从下坡至上坡，有效减少了坡面所有坡段的产沙水平，侵蚀强度指标处于谷值(图2和表2)。将坡面产沙的主要部位控制在下坡中上部和中部2 m的坡段，使得产沙率仅为14.16 kg/m2，产沙体积仅为2.179×10-2m3，占坡面产沙的31.71%。

尽管位置d，e的植被减缓侵蚀效果、范围不同，但产沙主要部位均是由下坡中部、中下部逐渐向上扩展至下坡上部至上坡下部、中部。同时由于位置d，e时草带布设相对靠上，留给了植被下部更多的裸坡与出口直接相连，流速快速增长，侵蚀能力急剧增大。加之植被过滤，含沙量有所降低，径流携运泥沙能力增强[20]，使得侵蚀程度(产沙量)增加，产沙的主要部位也因此发生改变，各个侵蚀指标较裸坡均有一定程度的增加(表2)。

综合以上分析，草带种植于坡面，下坡始终是坡面产沙的主要部位。植被种植位置偏于上坡上部会在一定程度上加剧侵蚀，使得产沙量达到峰值；但由于植被减缓侵蚀的部位和调控的范围有所不同，侵蚀加剧的程度和泥沙主要来源存在不同。草带种植位置偏于坡面下部，都会减缓侵蚀，产沙量为最低；但减缓的侵蚀范围不同，侵蚀主要的部位也会不同。草带种植于上坡底部，植被减缓侵蚀的范围有限，仅可以有效降低上坡范围的侵蚀，而下坡的产沙量较裸坡有增长(图2)。草带种植于上坡中下部，植被减缓侵蚀的范围达到整个坡面，可以在较大程度上抑制流速的增长，减缓整个坡面的侵蚀强度，使产沙量达到最低。

3 结 论

裸坡条件下，下坡中部、中下部、下部3 m的坡段是坡面的主要产沙部位，产沙体积6.876×10-2m3，产沙率29.80 kg/m2。植被位于上坡下部或中下部时，下坡中部、中下部为主要泥沙来源，侵蚀程度得到缓解。当草带位于上坡中部、中上部时，泥沙侵蚀拥有了更多的裸露空间，泥沙来源部位逐渐向上扩展。同裸坡相比，主要侵蚀范围增加2～3倍，产沙率增至37.01～43.30 kg/m2，增加幅度达24%～45%，侵蚀程度进一步加剧，产沙量达到峰值。

当草带在上坡下部和中下部布设时，虽然没有改变裸坡时的主要侵蚀部位，但却抑制、缓解了侵蚀强度。当草带种植于上坡下部60%位置，可以有效减缓整个坡面的侵蚀强度，进一步降低了各个细沟侵蚀指标，甚至改变了侵蚀方式，调控范围可覆盖整个坡面，有效地将主要的产沙范围控制在下坡中上部和中部2 m的坡段部位；使得主要产沙范围和产沙率较裸坡分别降低33%，53%。

致谢：本文得到了自然资源部地下水与生态—陕西榆林野外科学观测基地的支持，在此表示感谢。