降雨对不同坡比边坡产流产沙过程的影响

2020-12-02杨庆楠徐金忠李志飞侯淑艳

农学学报 2020年11期

杨庆楠，徐金忠，李志飞，侯淑艳

（黑龙江省水利科学研究院水土保持研究所，黑龙江省水土保持重点实验室，哈尔滨 150070）

0 引言

东北黑土区侵蚀沟数量众多、分布广泛、侵占土地面积大，侵蚀类型多样且相互作用。根据2012年全国第一次水利普查，仅黑龙江省长度在100～5000 m的侵蚀沟有11.55 万条[1]，沟道总面积928.99 km2，总长度45244.34 km，沟道密度0.10 km/km2。受植被覆盖度低、土壤抗冲性差、降雨相对集中[2]及人为因素等影响，侵蚀沟发展迅速[3]，水土流失形势严峻[4]，造成耕地、道路被吞噬，土地生产力下降等诸多不利后果。侵蚀沟是东北黑土区水土流失问题的集中表现，是水土流失治理的重点[5]。侵蚀沟按照不同发展阶段可划分为发展沟、稳定沟和半稳定沟[6]，其中半稳定沟和稳定沟的沟道两侧边坡相对平缓，植被能稳定的生长，而发展沟的沟道坡面坡度较大，沟岸及沟坡经常发生崩塌[7]、滑坡等现象，鲜有植被生长。发展沟的沟岸扩张、沟底下切，发展迅速，是侵蚀沟治理中的重中之重。

目前，边坡植被防护措施研究主要集中于高速公路、道路、填埋场、排土场等特定边坡[8-11]，鲜有针对侵蚀沟边坡植被防护措施的研究。在实际侵蚀沟治理中以工程措施与植物措施相结合为主，陡峭边坡需削坡至稳定边坡比后进行植被措施的配置，削坡会侵占一定面积的耕地，由于尚无补偿政策，往往难以实施。目前侵蚀沟边坡以栽植乔灌木为主，如杨树、樟子松、灌木柳、沙棘等，根系深、分布范围广，固土作用强，优于草本植被。但在侵蚀沟恢复前期乔灌木生长缓慢、地表裸露面积大，防止雨滴击溅的能力弱，而草本具有生长速度快、迅速覆盖地表等优点，在侵蚀沟边坡前期防护中应用前景广阔。

因此，本研究以无芒雀麦(Bromus inermisLeyss.)、早熟禾(Poa annuaL.)、紫花苜蓿(Medicago sativaL.)为研究对象，通过野外径流小区的观测，了解分析在植被覆盖下次降雨对产流产沙过程的贡献，以期为侵蚀沟植被边坡防护提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 径流小区布设

在黑龙江省水土保持科技园区一自然坡面上进行人工削坡，设计坡度为1:1.2(39.81°)和1:1.5(33.69°)，坡向为南北向，削坡后坡面回填2～3 cm表土。在1:1.2和1:1.5 坡上分别设置A 组、B 组试验区，每个试验区又分为8 个微型径流小区，小区间隔为0.3 m，边界由铁板构成，铁板高40 cm，地下埋深20 cm。径流小区由坡面区、集流区、导流区组成，如图1 所示。通过导流区的径流泥沙直接流入集流桶（上口直径28.5 cm，下口直径25.5 cm，高34 cm）中进行收集。

1.2 试验设计

选取适合在当地生长，且生长迅速、固土能力强的无芒雀麦、早熟禾、紫花苜蓿3种草种。播种前进行室内发芽试验。2018 年5 月3 日，人工清理、平整坡面，充分浇水灌溉后将3 种草种按照表1 配置分别按照50 g/m2等重量比例撒播在各相应的小区坡面。播种后覆0.5～1.0 cm表土，轻轻镇压，苫盖遮阳网。出苗前定期灌溉，出苗后无需管理，定期拍摄照片。

1.3 径流泥沙测定

每次降雨产流后，将集流桶内径流泥沙充分搅拌均匀，取出500 mL浑水样品（不足500 mL全部取出），标记好带回实验室滤纸过滤、烘干，测定泥沙量，剩余浑水全部倒入量杯中测定体积，做好径流量的记录。

表1 径流小区植被配置

1.4 试验仪器

降雨因子采用SL-2 型虹吸式雨量器（长春，0.1 mm精度）测量；泥沙样品采用鼓风恒温烘干箱（中国大陆，1℃）烘干，称重采用天美JA2603D 电子天平（上海，1 mg）测定。

1.5 统计分析

采用Excel软件进行数据统计分析与作图。

2 结果与分析

6—9月采集有效径流泥沙样23次，对应的降雨历时、平均雨强、最大30 min雨强(I30)、降雨总动能(E)、降雨侵蚀力(EI30)情况，见表2。

2.1 1:1.5和1:1.2坡比边坡降雨产流情况

2.1.1 1:1.5 坡比边坡降雨产流由图2 可知，总体上次降雨产流量随雨量大小的变化而变化。0～5 mm 次降雨量，径流小区平均产流2.4 L，5～10 mm次降雨量，径流小区平均产流4.4 L，大于10 mm 次降雨量，径流小区平均产流7.4 L。同等次降雨量对6月和7月产流的影响大于8月和9月，主要是由于植被覆盖率低和径流小区建设土层稳定性受干预造成的，贺小容等研究表明土层紧实度直接影响坡面产流结果[12]，同时径流对降雨量的敏感性随植被盖度的提高而降低。但也存在特殊情况，如7月15日和8月30日的降雨量相对较低，但产流量却较高，是因为7月15日降雨的历时短，平均雨强、E 和EI30较大，对坡面的侵蚀能力强，产流量大。8 月30 日虽雨强和土壤侵蚀力较低，但之前发生连续降雨，土壤含水量高，土壤下渗能力差，进而形成较多地表径流。7 月15 日与7 月16 日的降雨量相差悬殊，产流量却相近均较高，与7月12日降雨量大、历时长，土壤有足够时间入渗，土壤含水量高有关，影响7月15日的降雨入渗量。8月前，不同降雨量下，B1～B8产流量差距较小，8月及以后B1～B8产流量差距变大，且降雨量越高，差距越显著，这是由于前期植被覆盖率均很低，受植被影响较小，雨热同期后不同草种植被覆盖率有显著差异，导致植被截流降雨作用的差距，产流量不同。7—9月，各次降雨B8产流量都高于植草各径流小区，且随时间推进差距逐渐增大，可见植被减流作用的重要性。6月中旬—7月，除B1和B2的其他植被配置小区各次降雨下产流量相差不大，8—9月，5 mm降雨量左右时各径流小区产流差别不显著，10 mm 左右降雨量时B7减流作用非常显著。前期B3减流作用明显优于B1和B2，后期B1和B2减流作用反超B3。

表2 次降雨各因子情况

2.1.2 1:1.2 坡比边坡降雨产流由图3 可知，A 组次降雨产流随雨量大小的变化而变化，与B组趋势一致，0～5 mm降雨量，径流小区平均产流2.4 L，5～10 mm降雨量，径流小区平均产流4.9 L，大于10 mm降雨量，径流小区平均产流8.4 L。坡度增大，次降雨量愈大，A 组产流量愈高于B 组，但增量很小。肖登攀等研究也表明坡度增大后，增大产流增加的可能性[13]。整体上看A7、A6、A5和A3产流量较小，但不同时间段优势植被配置不同，6月A3和A7产流少，7月A6和A7产流少，8 月A3 和A7 产流少，9 月A7、A3、A5 产流均低。6 月和7月A组和B组各次降雨产流量相近，虽坡度变大，但同样降雨量和较低植被盖度情况下，产流量相近。8月除4日和27日A组产流量明显高于B组，其他次产流A组和B组相差不大，与降雨量大小和土壤条件密切相关。9月各次降雨产流量A组显著高于B组。即坡度变陡后，植被生长前期产流量大小较为一致，8月雨量较小时A组和B组产流差距不大，当雨量较大时，差距明显变大，9月无论降雨量大小A组产流大于B组。

2.2 1:1.5和1:1.2坡比边坡降雨产沙情况

2.2.1 1:1.5 坡比边坡降雨产沙由图4 可知，整体上产沙量不随降雨量大小的变化而变化，各次降雨下产沙量差距悬殊，存在阈值。降雨量小于15 mm，产沙量较少，降雨量大于15 mm，产沙量明显升高，且B8产沙量比其他植被配置径流小区增长量更大。王蕙[14]、黄俊[15]、钟壬琳等[16]试验表明坡面产沙随雨强增大产沙量也增大。6月和7月次降雨下的产沙量较高，一方面由于径流小区建成初始，土壤容重、紧实度、稳定性等变化而受到影响，另一方面由植被根系发育不完全，固土能力弱导致的，占海歌研究表明植物根系能提高土壤的抗蚀性，降低产沙量[17]。产沙量主要集中在6 月20 日和7 月16 日两次降雨，是由于植被覆盖率低，平均雨强、I30、E、EI30高造成的。同时6 月5 日、7 月19 日和8 月30 日产沙量也较多，其他次降雨产沙量则极小。6 月5 日，径流小区土壤稳定性没有恢复，土壤颗粒随径流极易被带走导致产沙量大。7月19日产沙量较高由平均雨强、I30、E、EI30较高形成的。8 月30 日降雨量较小产沙量却较高，是因为8 月24—27 日有连续降雨，土壤含水量接近饱和，地表产流量大带走泥沙量大。相同降雨量下，6 月和7 月产沙量高于8 月和9月。6月植被混播配置B6、B7、B3产沙较少，随着时间推移，不同时间段优势植被配置不同，7 月B3、B4、B5减沙效果较好。8月B1和B2相比其他植被配置，由前期产沙量高变为明显下降，甚至超过混播配置及紫花苜蓿。9月产沙量均极少。

2.2.2 1:1.2 坡比边坡降雨产沙由图5 可知，A 组在各次降雨下产沙走势与B 组基本一致，次降雨产沙主要集中在6月20日、7月16日和7月19日，同样的次降雨量，坡度变大后，坡面抗侵蚀能力降低，产沙量明显增加，特别是7月19日A组产沙急剧增长，与赵龙山等[18]研究表示坡面产沙量随坡度增大而增加相同。6 月5日和7 月20 日产沙量也较高，其他次降雨产沙量极小。6—9 月0～5 mm 降雨下A 组与B 组产沙量相近，6月和7 月大于5 mm 次降雨A 组产流显著高于B 组同期产沙量，8月和9月则差距不大。8月24—27日连续降雨时均有产沙，略高于B 组同期产沙。侯沛轩[19]研究表明，除去降雨、坡度、坡向、土壤等相同因素，产沙量的差异主要来源于径流量大小和植被种类的不同。但8月30日次降雨下，A组产沙量低于B组，是因为坡度变大后，坡面入渗能力降低，8月24—8月27日产流量相对较多，土壤入渗量并未达到饱和，8月30日降雨土壤入渗增加，地表径流减少，产沙减少。初期A3产沙量较少，后期A5 和A7 产沙量少。因为各径流小区播种重量一致，A3紫花苜蓿播种量大，快速出苗，根系发挥作用和降低击溅作用较早，与艾宁研究植被改土可减沙结果一致[20]，与孙婷婷等[21]研究认为紫花苜蓿混合生态护坡保土效果好一致。