植被覆盖下坡面流研究进展

程竞萱

（太原市水土保持科学研究所）

水力侵蚀是最为主要的土壤侵蚀方式，具有分布范围广、危害性大的特点，对生态环境保护与修复构成了重大威胁，严重影响社会经济建设和持续发展。水力侵蚀最直观的表现途径就是坡面流，而植被通过其拦截阻碍效应以及改良土壤等方式，直接地影响坡面流造成的土壤侵蚀与土壤养分的迁移过程。研究植被覆盖下的坡面流特性，对于探讨小流域土壤侵蚀规律、区域产流产沙水文特征、预防地质灾害以及生态文明建设等方面，均有着极为重要的科学意义。

坡面流是指地表水流在受到重力作用后，沿坡面移动的一种状态，包括片流和细沟流。传统的坡面流研究，多采用野外观测法进行，基于简单的观察数据，利用数理统计进行分析探讨。随着科技的飞速发展，近年来，在研究方法上逐步演化为利用室内模拟实验与室外原型观测相结合，并利用综合分析手段研究其水动力学特性和侵蚀机理，进而建立土壤侵蚀预报模型。本项研究收集了大量文献资料，将从植被的减流减沙效益、坡面流水力学特性、养分迁移机制等三个方面，综述国内外坡面流研究进展。

1 植被减流减沙效益研究

植物措施是水土保持三大措施之一，对于缓解降雨径流冲刷以及土壤侵蚀具有重要作用。蒋荣等[1]通过径流小区观测，对不同林草植被类型的径流与产沙情况进行分析，认为灌丛和草地相对其他植被类型，控制土壤侵蚀和地表径流的效果最好；林分的垂直结构和植物群落构造的复杂性，有利于植被控制土壤侵蚀和地表径流产生。Kateb[2]等选择中国东南部的典型水力侵蚀区域，划定33个侵蚀地块，调查地块内植被覆盖下的径流、泥沙状况，结果表明，土壤侵蚀速率与坡面植被覆盖度密切相关，其中草本植物覆盖地块较其他土地利用类型地块的径流和土壤流失均较少，减流减沙效果最为明显。

近年来，植物措施的减流减沙研究取得了重大进展。这些研究，主要集中于植被盖度、植物种类、土地利用类型、冲刷流量以及雨强、坡度、植物群落结构、植被多样性等因素对土壤侵蚀的影响，但对于植被覆盖下坡面侵蚀过程的研究相对较弱。在实际冲刷过程中，土壤侵蚀所带来的微地形变化以及下渗过程变化等，则会影响坡面流水动力学特性，从而反作用于土壤侵蚀过程。对于坡面土壤侵蚀过程的研究，是构建土壤侵蚀预报模型和采取防治土壤侵蚀措施的重要理论基础，因此，研究模拟放水冲刷下实际坡面的土壤侵蚀过程变化规律，具有十分重要的意义。

2 坡面流水力学特性

坡面流的水力学特征是比较复杂的。一方面，可借助水文学、水力学、泥沙运动力学、河床演变学等成熟理论，分析坡面流的水力学特征；另一方面，则可根据坡面流的自身特点，进行室内模拟实验和野外实地观测相结合，研究分析坡面流水力学特征。实际坡面流的水深较小，所以边界作用复杂，外界影响较大。有别于明渠流的是，坡面流的水动力学特性受地表覆盖、降雨溅蚀、土壤下渗特性、地面坡度等因素影响较大。因此，在研究坡面水力学特性时，不能单纯地从理论上对其进行研究。以前的方法，主要是通过大量的观察数据进行分析，但近些年来，开始利用室内模拟方法对其进行研究，大大加快了研究进程，并有利于集中研究某一因素或几个因素对坡面流的水力学特性影响。

通过翻阅大量文献，发现在坡面流的水力学特征研究上，主要集中在两个方面：

2.1 流态判断

在受到诸多因素影响下，坡面流的流态变得复杂多变。虽然坡面流流态复杂，但对径流输沙的影响是直接的，因此流态成为一个研究热点。学术界对于坡面流，到底是属于层流还是紊流，争议很大。目前，多沿用明渠流的判别方式进行研究，一般参照雷诺数Re 和弗汝德数。Zavala 等[3]通过实验证明，坡面流以明渠流判断方式属于层流范畴，但也具备明显的紊流特征。

2.2 流速分布测定

多数学者认为，含沙量与坡面水流速度呈反比关系，即在含沙量增加的情况下，地表土壤颗粒间不断碰撞的几率加大，在垂直方向上，增加了一个相反的力来推动介质运动，使得土壤颗粒输移速度降低，从而降低坡面流速。董月群[4]对比了传统盐液和染色剂两种不同的染色示踪法研究成果，得出由于水流的影响则会导致人体产生视觉误差，从而会对流速的测定产生影响。Guang hui Zhang 等[5]通过对几种测量流速的方法进行校正，但其结论是运用于实践中的可行性，还需要通过大量试验进行验证。

3 养分迁移机制

近10 a 来，农业面源污染逐步成为我国土壤环境污染的主要形式之一，越来越受到有关部门及研究者的关注。根据国家环境保护部2014年中国环境状况公告，我国农业污染物主要来自于全氮和全磷的排放。在降雨条件下，雨滴击溅侵蚀使得径流泥沙携带氮、磷、钾等养分物质输移，从而造成严重面源污染，使得土壤质量下降；部分径流携带这部分物质进入地下水，对流域或区域内的饮用水安全构成重大威胁，从而影响人体健康；同时，农业面源污染也会影响到经济社会的持续发展和生态文明建设。

在这方面的研究上，主要集中在以下三点：

3.1 土壤养分与坡面流的相互作用

研究表明，土壤颗粒的养分物质，在径流作用下容易发生溶解、解吸，并随径流输移，其结果会造成产流区域土壤养分贫乏，而径流聚集区域土壤养分富集。由于土壤中存在的优先流结构，土壤养分会随土壤颗粒的移动而发生流失。土壤养分与坡面流的相互作用过程，成为农业面源污染的重要研究过程。国内外不少学者，对坡面流与土壤养分的作用机理进行了大量研究。Ahuja 等[6]将P32放置于不同深度的土壤中，研究养分随径流迁移的规律，结果表明，土壤表层的养分更容易进入径流从而发生迁移，且径流中的养分物质与土壤深度呈指数递减关系。

3.2 土壤养分迁移过程与形态

土壤颗粒在降雨和径流作用下发生富集和迁移，使得土壤养分也随之迁移。在降雨雨滴击溅和地表径流冲刷作用下，吸附在地表土壤颗粒和土壤团聚体上的养分物质开始发生溶解，随水体发生迁移；与此同时，下层土壤也受到影响，促使养分在土壤垂直方向发生迁移。土壤养分的迁移形态与不同迁移形态流失的占比，受土壤性质、坡面冲刷条件、地表粗糙度、植被覆盖度以及降雨条件等因素所左右。Inoue 和Ebise[7]通过对流域内COD、BOD、C、N 进行研究分析，其结果表明：土壤养分在流失过程中，88%的磷是以颗粒形态流失，其流失时期主要是在径流紊动性较大时；氮的流失受径流状态的影响相对较小，但其流失的形态不同于磷，主要是溶解态。韩建刚等[8]科技人员，通过选择紫色土区域不同地形和土地利用类型，研究了土壤氮养分流失形式，结果表明：硝态氮为氮的主要流失形态，流失量占农田中硝态氮和铵态氮流失总浓度（5.36±2.13 mg/L）90%以上。

3.3 土壤养分迁移的影响因素

在一定地表形态和覆盖条件下，强降雨会导致更为严重的土壤侵蚀。一般来讲，土壤侵蚀量越大，土壤营养物质随径流泥沙输移而产生的养分流失量也越大。大量研究表明，流域内养分迁移和径流汇集有一定的变化规律。土壤中的硝态氮和总磷，多以溶淋方式在土壤入渗条件下进行垂直输移；而氨氮由于被土壤胶体物质所吸附，受坡面流影响输移量则较小。王全九[9]等通过野外放水冲刷试验，探讨了植被类型对黄土坡面地表径流、坡面产沙及养分迁移机制的影响，结果表明：随着时间的推移，坡面产沙量会出现峰值；硝态氮和水溶性磷随坡面流迁移浓度动态变化，先是迅速上升，而后下降并趋于稳定。王丽等[10]通过人工模拟降雨试验，研究了硝态氮、铵态氮和速效钾等土壤养分在不同坡面、不同坡度下随径流迁移的变化规律，结果表明：养分浓度与坡度有较大关系，且养分浓度在10°-15°坡度之间存在临界值。

4 讨论

目前，对于植被覆盖下坡面流的研究，仍主要停留在野外冲刷实验和模型模拟层面，现将有关问题讨论如下：

（1）实验条件简陋，实验设备不精确。在野外放水冲刷实验条件下，径流小区因地形修建，不完善、不规范，加之植被生长情况的不可控性与实验操作过程存在的偶然性，使得实验结果存在较大差异。在实验操作中，坡面流的流速和水深测量，仍是今后研究改进的方向。对于常用染色剂的使用，肉眼的观测、计算，加之难以准确地测量水深与流速值，会对实验结果造成较大影响。因此，在今后的研究中，提高实验设备的精度，设计发明一种准确反映水深、流速等数值的测试仪器，对于坡面流的研究十分重要。

（2）模型模拟研究，应考虑多重因素相互作用。在模型模拟研究中，仅考虑坡度、坡面状态、土壤质地等，是远远不够的。特别是在植被覆盖条件下坡面流的研究中，植被覆盖度、植物生长状况、植被结构情况是非常重要的先决条件，但与坡度、坡向、土壤以及实验过程中的风力影响，均密切相关。这些因素，经常相互制约，甚至会互相干扰，对研究结果影响很大。因此，研究坡面流在植被覆盖下的特性机理时，应综合考虑不同因素之间的相互作用，而不能仅考虑研究分析单一因素对其造成的影响。

（3）应进一步提高改进坡面流模型。在坡面流研究中，多数学者应用模型模拟法对其特性进行综合分析。但在植被覆盖条件下，坡面流的流态极为复杂，受到多方面因素的制约，现有模型的实用性、广普性以及科学性，仍需要进一步提高改进。