植被和梯田措施对坡沟系统细沟侵蚀调控作用

董敬兵，时 鹏，李占斌，李 鹏，白璐璐，赵 准，宋致华，赵倩卓，慕全鹏

植被和梯田措施对坡沟系统细沟侵蚀调控作用

董敬兵1，时 鹏1※，李占斌2，李 鹏1，白璐璐1，赵 准1，宋致华1，赵倩卓1，慕全鹏1

（1. 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；2. 旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，西安 710048）

坡沟系统作为黄土丘陵沟壑区基本的地貌单元，也是黄土高原侵蚀泥沙的主要来源区。植被和梯田作为坡面水土流失治理的主要措施，对于土壤侵蚀控制和生态恢复发挥着重要的作用，定量评估林草、梯田对坡面细沟侵蚀的调控作用以及多措施协同配置问题对于黄土高原水土流失治理和生态保护具有重要意义。为了揭示植被和梯田的格局和配置对坡沟系统细沟侵蚀的协同调控作用，该研究采用人工模拟降雨，结合三维激光扫描技术，分析了坡面4种措施：上坡位植被（措施A）、下坡位植被（措施B）、梯田（措施C）、梯田+植被（措施D）对细沟侵蚀发生和演变过程的影响。结果表明：1）相同植被覆盖度下，下坡位的植被布设细沟最大长度较上坡位的植被布设细沟最大长度减小量更大；2） 第1次降雨中，侵蚀率最大值达到3 500 g/min以上，第2次降雨过程中侵蚀率最大值仅为1 100 g/min以上，在各产流时间内第2次降雨侵蚀率均为第1次降雨侵蚀率的1/3～1/2；3）对于各措施下细沟沟长发育率由大到小表现为措施A（6.55 cm/min）、措施C（5.71 cm/min）、措施B（3.60 cm/min）、措施D（2.69 cm/min）；4）梯田与植被同时布设（措施D）对于细沟侵蚀的调控作用优于单一措施（措施B和C），梯田和植被对细沟侵蚀指数细沟侵蚀量、细沟面积、细沟密度产生了协同作用（分别为7.71%、13.76%、7.52%）。研究可为黄土高原坡沟治理措施配置和细沟侵蚀调控提供一定的科学参考依据。

侵蚀；植被；细沟；坡沟系统；梯田；措施配置；协同作用

0 引 言

土壤侵蚀一直以来都是一个全球性的环境问题[1]，细沟侵蚀是黄土坡面土壤侵蚀中重要的土壤侵蚀形式之一，细沟侵蚀量一般占到坡面土壤流失的62.2%～84.8%[2]。细沟侵蚀作为土壤侵蚀由面蚀转为沟蚀的过渡阶段，在土壤侵蚀研究中具有不可替代的价值。影响细沟侵蚀的因素有很多，其中最直接的因素就是径流（包括径流量和流速）和土壤表面特征[3]。在整个细沟发育过程中，细沟侵蚀的发生、发展使得细沟形态趋于复杂化，同时，细沟形态又反过来作用于坡面径流，在整个土壤侵蚀过程中，坡面径流与细沟形态之间一直发生着相互作用[4]。坡面径流通过对细沟沟壁、沟底、沟头土壤的分散、冲刷和搬运过程，不断改变着细沟网络结构和细沟形态。细沟侵蚀携带大量泥沙和营养物质，造成土地退化[5]和其他的环境问题[6]，对农业和生态环境造成了巨大危害，坡沟系统作为黄土高原丘陵区最常见的侵蚀单元，也是侵蚀产沙的主要来源地，侵蚀物质的输移和能量的传递从坡面到沟道会发生显著变化，且坡道和沟道可同时进行工程措施，最大限度防治水土流失过程。坡改梯和林草作为坡面易侵蚀区常用的水保措施，不仅可以消减自身所在区域的水沙，还可在一定程度上拦截上坡面的来水来沙，对坡面乃至流域尺度的治理具有显著影响。

国内外已开展了大量有关细沟侵蚀过程与机理的研究[7-8]，并取得了一系列的成果。但是，细沟侵蚀有别于其他沟道侵蚀的一个显著特点就是伴随侵蚀产沙过程，细沟形态迅速演变，因此细沟形态演化过程与侵蚀产沙过程呈互馈过程。并且细沟侵蚀过程同时受到雨强、雨量、时长[9]、坡度[10]、雨型[11]、移动方向、覆盖条件[12]、耕作方式[13]等多种因素的共同影响。众多学者针对不同尺度下、不同研究角度下的细沟侵蚀展开了大量研究。有研究[14]通过模拟细沟侵蚀试验，得出了剥蚀率与含沙量和坡长的关系式。目前大量研究结果均表明植被对土壤具有保护和改良作用，然而植被的格局配置对土壤侵蚀的影响问题却一直存在诸多争议。除了植被分布位置外，植被类型以及覆盖度也是影响土壤侵蚀的重要因素[15]，Sun等[16]通过模拟不同类型的植被格局对坡面侵蚀过程的影响表明，与裸地相比，不同植被斑块格局均能延缓产流时间，增加土壤入渗，减小坡面产流量和产沙量。流域水沙变化与细沟的发生、发育过程的研究一直都是细沟侵蚀的研究热点，大部分学者均选取系列指标（细沟宽度、深度、沟长、细沟密度、细沟宽深比等）来描述细沟形态变化过程[17]，以此来反映实际侵蚀产沙过程中下垫面侵蚀与沉积情况。

梯田作为一种水土保持工程措施，能极大地减少沟蚀的发生和发展。Pan 等[18]通过室内模拟试验，较全面地揭示了植被空间分布位置对坡沟系统细沟侵蚀的调控作用，结果表明，布设植被不仅能减缓细沟发育速度，还能降低细沟发育程度。设置植被和梯田会影响分散径流、降低流速、增加入渗等，从而减小细沟侵蚀程度。关于黄土高原细沟侵蚀的研究大量聚焦于植被位置、降雨强度、坡度等对细沟发育的影响[19]，且是基于单个坡面进行研究。针对坡沟系统在模拟降雨条件下的细沟侵蚀较少，关于植被格局以及植被和梯田协同配置是否可以发挥协同作用的研究较少。因此，本研究设置了4种坡沟系统治理措施的配置方式，研究基于间歇性降雨条件下的草带和梯田配置对于细沟侵蚀的调控作用，以期为黄土高原坡沟系统综合治理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和装置

试验土壤取自西安本地周边农田表层去掉浮渣后20 cm厚度黄土，供试土壤运回试验大厅后，去除土样中的杂草、石子等杂物，风干后过10 mm土筛，备用。土壤属于粉壤土，粉粒占比最多，0～2.00m粒径占比1.13%，2.00～50.00m粒径占比91.26%，>50.00m粒径占比7.61%（Mastersizer 2000激光粒度分析仪，英国马尔文公司）。

试验在西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室降雨侵蚀大厅进行，试验槽采用总长度为10 m、宽度1 m、高0.5 m的可升降式钢制土槽来模拟黄土高原最基本组成单元—坡沟系统，其中上坡面长6 m、坡度为15°，下沟道长4 m、坡度为28°，并将全长10 m分为10个长度为1 m的测量单元，从上到下依次称为1、2…10号断面（见图 1），钢槽底部每隔10 cm均匀地钻有直径为10 mm的小孔，以便水分到达深层后能够有效地下渗。

降雨器采用西安理工大学水资源研究所研制的下喷式降雨装置，喷嘴孔径在1～6 mm之间，用滤纸法测量雨滴直径，平均达到1.5 mm，分布在0.4～3.0 mm之间，与自然降雨相似。降雨试验开始前对降雨强度进行多次率定，直至其达到稳定且与既定大小（雨强1.5 mm/min，均匀度≥85%）相对误差不超过2%时，方进行正式试验。使用美国Campbell公司的CR1000数据采集器测定土壤含水率，利用CS616土壤水分传感器获取土壤含水率数据，频率为1次/min，水分探头分别布设在上坡面2、5、7、9号断面，每个断面在垂直土壤面上不同深度处（5、10、15 cm）放置3个探头，记录不同断面不同深度处的含水率变化情况。采用美国的trimble FX三维激光扫描仪获取坡面高精度DEM。

注：坡面从上到下依次为1、2…10号断面。

1.2 试验设计与方法

本研究设计了2种植被位置和1种梯田位置以及梯田与植被结合的布置模式，以裸坡作为对照，设置了4种不同坡沟系统治理措施，见图1。

1）上坡位草带（措施A），在第3、4号断面布设2 m2的块状草带。

2）下坡位草带（措施B）：在第5、6号断面布设2 m2的块状植被带。

3）梯田（措施C）：在第3、4号断面布设2 m2的水平梯田，由上坡面坡度及布设区域长度计算梯田每一阶梯的高度和宽度，最终每个阶梯的高度为8.6 cm、长度为32.2 cm，2 m2区域内共布设6级阶梯。

4）梯田+草带（措施D）：在3、4、5、6号断面同时布设上述草带。

5）对照组为裸坡，坡面和沟道上均不设置任何治理措施。

在土槽中填土，装土厚度共计20 cm，填土前均匀地铺一层厚度为20 cm的细沙，采用分层填装再人工踩实的方法进行填土，每层厚度5 cm左右，每层填装完成后洒上适量水分，待其渗透后再将土层表面打毛，以使两层土壤能够更加紧密地结合在一起。装土完成后分别在2、5、7、9号断面用环刀取土，测量其容重并取平均值，并观测含水率是否在允许误差5%内，使其土壤容重控制在1.3 g/cm3左右，土壤含水率在20%左右（质量分数）。然后，土槽静置24 h进行正式降雨试验。每种措施下均进行2次间歇性降雨，使其降雨产流时间为30 min，2场降雨中间间隔24 h。

试验过程全程使用高清摄像机记录，并使用高清相机每2 min拍1次坡面，供后续与实测数据进行对比。用铁丝将坡面分为10个长度为1 m、大小1 m2的测量单元。降雨开始后记录从降雨到产流所需时间，同时开始计时，产流后每隔1 min分别由一人手持钢尺对坡面细沟（水流）宽、深、长进行测量，另一人使用浓度为30%的高锰酸钾溶液对径流流速进行测量，同时由2人对测得数据进行记录。在径流出口处用径流桶收集每分钟浑水样，同时用径流瓶取得每分钟径流泥沙样，采用烘干法得到每分钟含沙率变化。当出现细沟后，记录细沟出现时间和断面位置，并开始测量细沟形态大小。每场降雨结束后均用三维激光扫描仪对坡面地形进行扫描，使用前需先在所要扫描区域内放置一定数量的标靶球，以便后续通过标靶球来剪切所需区域的点云数据，并对扫描仪三脚架进行调水平操作。用数据线使其一端连接电源，一端连接电脑，打开扫描仪主机开关按钮，打开电脑端配套操控主机的软件Trimble FX Controller，使扫描主机回到初始方向位置，并校准是否水平。使用时点击Trimble FX Controller中Scan并进行一系列参数调整，主要目的是使其扫描范围和扫描精度达到要求。

三维激光扫描仪水平旋转角度为360°，竖直方向旋转角度为270°，测量精度可调，本试验所设测量精度为2 mm，即1个面积为2 mm×2 mm的区域代表1个点云数据。1次扫描过程用时8 min左右，降雨前后各进行1次扫描，等待24 h后进行下次降雨试验。

1.3 数据处理与分析

采用三维激光扫描仪获取坡面点云数据，利用Trimble RealWorks对扫描点云数据进行裁剪、拼接、建立坐标系等操作。最后输出shp图层，利用Arcgis10.2进行坡面DEM数据提取和细沟提取等一系列操作。细沟形态数据用直尺测得，与软件测量结果进行比对矫正后作为最终结果，用origin2018和AutoCAD2021进行绘图。计算指标如下：

1）细沟宽深比

细沟宽深比是指坡面某断面处细沟的平均宽度与细沟平均深度之比，该项指标能表征细沟整体纵断面形状变化，反映细沟在发育过程中下切侵蚀与侧蚀间的相互关系，计算式为

式中WD指细沟宽深比；W指细沟第处监测点的细沟宽度，m；D指第处监测点的细沟深度，m。

2）细沟密度

细沟密度是指单位研究区域内所有细沟的总长度，用来反映坡面细沟密集程度，计算方法如下：

式中是细沟密度，m/m2；0为试验坡面的表面积，m2；L是第条细沟及其分叉的总长度，m。

3）细沟表面积

通过ArcGIS 10.2提取正负地形，得到沟沿线并进行修正。计算方法如下

=·S（3）

式中为细沟表面积，m2；为沟沿线内的栅格数量；S为单元栅格面积，栅格大小为5 mm×5 mm。

4）协同作用计算

首先，以裸坡为对照组，分别计算坡沟治理措施植被、梯田对于细沟侵蚀量、细沟面积和细沟密度的减小效益，假设分别为、，再按照同样的方法计算协同措施配置下（植被+梯田）对细沟侵蚀特征参数的减小效益，假设为，则最终多措施间的协同作用为

=--（4）

2 结果与分析

2.1 坡面侵蚀对治理措施的响应

2.1.1 坡面微地形变化特征

坡面微地貌变化是反映坡面侵蚀的最直观表现，能定性判断不同坡沟治理措施下坡面侵蚀的强弱以及侵蚀部位的动态变化。植被根茎能极大地减小径流流速，最大程度上滞留泥沙，控制地貌变化。图2为不同处理下微地形变化。

注：0～2分别指降雨前和1、2场降雨。

由图2可知，第1次降雨开始阶段，主要以击溅侵蚀为主，受土壤质地和降雨均匀性影响，在坡面不同部位出现不同程度的击溅侵蚀，随着径流的产生和贯通，径流逐渐汇合并开始在沟道下部出现下切侵蚀和溯源侵蚀[20]，并在径流的冲刷下不断加剧。第1次降雨过后，坡面出现明显侵蚀，细沟网络基本形成。裸坡（对照组）下，侵蚀最严重，细沟侵蚀面积最大，长度已到达沟道中上部，并在第2次降雨过后，细沟得到进一步的发展，已基本到达沟道上部，并且侵蚀面积、深度等均有明显增加。当在上坡面布设治理措施后，细沟侵蚀均得到了一定的调控作用，都表现出了衰减的效果，其中效果最明显的是梯田+植被组合模式（措施D），对于下坡位草带（措施B）和上坡位梯田（措施C）两者的调控作用均较好，且相差不大，效果较差的是上坡位布置草带（措施A）。

2.1.2 侵蚀产沙率变化特征

图3为4种不同坡沟治理措施下坡面侵蚀产沙率随时间的变化情况。

图3 降雨过程侵蚀侵蚀率变化

总体而言，第1次降雨过程中的侵蚀率均大于第2次降雨过程中的侵蚀率，且第1场降雨过程中侵蚀率最大值达到了3 500 g/min以上，第2场最大值仅为1 100 g/min以上，且第2次降雨各措施下的侵蚀率均为第1次降雨时的1/3～1/2（图3）。对照组中，相邻时段侵蚀率变化最大值达到了1 500 g/min左右，而在各类措施的影响下，相邻时段侵蚀率变化最大值仅为500 g/min左右，第2场降雨过程中相邻时段侵蚀率变化值更小。表明侵蚀主要发生在第1场降雨过程中。第1次降雨过程中和第2次降雨过程中的侵蚀率均呈现出逐渐增大，然后趋于平稳的趋势，且在10～25 min内均出现了不同程度的波动，原因在于当降雨达到一定时间后，土壤内部已充满下渗水，导致土壤较为松散，加之径流逐渐贯通成股流，并开始出现跌坎和细沟雏形，所以此时土壤极易形成垮塌现象，导致侵蚀率波动较为严重。对于不同坡沟治理措施下的侵蚀率变化，整体上呈现出了措施A>措施C>措施B>措施D>对照组的规律，表明措施D对于坡面侵蚀的调控作用最为显著，其次是措施B和措施C，较差的措施A，这与前面图2变现出的效果基本吻合。同时，第2次降雨时的侵蚀率更加平稳，原因在于，经过第1次降雨过后的土壤表面松散土壤已基本被冲走，且经过24 h后，土壤表面出现沉淀、结皮，较为光滑，土壤不易被剥离。且不论第1次降雨还是第2次降雨过程中，布置措施后的侵蚀率变化均比对照组的侵蚀率更为平稳，说明坡沟治理措施不仅能调节坡面侵蚀大小，还能使侵蚀更为平稳、可控。

2.1.3 细沟最大长度变化

图4为不同坡沟治理措施下细沟最大长度发育特征，作为在细沟发育过程中最基本的几何参数，细沟长度能够直接反映细沟整体的发育过程变化情况，基于每隔2 min测得的一次沟长数据，总体上可以将细沟沟长变化过程分为发育阶段和稳定阶段两部分，由于不同措施的布置，使得细沟沟长整体变化呈现出一定的规律，即对于发育阶段而言，无任何治理措施的对照组的发育时间最长，且呈现出一定的波动性，当布置措施后，细沟沟长变化开始逐渐稳定发育，并且能够更快地达到稳定阶段，达到稳定的时间基本呈现出对照组>措施A>措施B>措施C>措施D的规律。说明坡沟治理措施能较好地减缓细沟沟长发育时间和细沟沟长发育强度。并且措施的布置能调控细沟侵蚀出现的时间，由图还可以看出，下坡位草带（措施B）的布设使得细沟出现时间大大延后，出现在15 min以后，而措施D的布设更是使细沟首次出现时间推迟了20 min以后，这说明不同坡沟治理措施的布设不仅能对细沟形态大小和发育方式进行调控，而且还能控制细沟出现的时间和细沟发育阶段的持续时间。对于总的细沟长度来看，没有治理措施的对照组细沟总长度超过200 cm，上坡面布置措施后细沟沟长总长度均得到了不同程度的减小，其中草带在下坡位（措施B）使得细沟沟长不足60 cm，表明在措施D条件下，细沟溯源侵蚀得到了最大程度的削减。从细沟沟长发育率来看，表现为措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min）的规律。可见，在细沟沟长发育阶段措施A下的细沟溯源侵蚀较为剧烈，措施D下的细沟溯源侵蚀发育最慢。同时，措施B和措施D下的细沟沟长发育阶段细沟的增加长度均小于100 cm。

图4 细沟沟长发育阶段变化

2.2 不同治理措施对细沟形态发育的调控作用

2.2.1 细沟宽深比变化

细沟在发育过程中径流不断塑造细沟形态，同时细沟形态的变化也会对径流泥沙的输移产生一定的影响，两者在不断交互作用下发育变化。对于径流而言，当沟道过水面积一定时，湿周越小，则阻力越小，越有利于径流流动[21]，所以，细沟宽深变化对于径流的流动和侵蚀动力的影响至关重要。研究表明，当沟道下垫面相对稳定时，最优水力断面对应的宽深比为0.828[22]，由图5可以看出，所有试验条件下的细沟宽深比均呈现出波动下降趋势，表明细沟在发育过程中由最初的侧蚀为主逐渐转变为以下切侵蚀为主，最后趋于稳定。且随着措施的布置，宽深比变化趋于平稳，对照组条件下的宽深比在最初细沟出现时达到了6以上，说明此时的细沟发育及其不稳定。总体而言，细沟发育全过程中宽深比值大小均基本保持对照组>措施B>措施A>措施C>措施D的规律，表明措施的布置均能使细沟形态更快趋于最优形态。由于本次共设置2场降雨，且每次降雨均使产流时间持续30 min，细沟在第1场降雨过后已基本过了发育期，在第2场降雨中逐渐达到稳定，基于水力学原理[23]，当下垫面相对稳定时，最优水力断面对应的宽深比为0.828，因此当细沟发育到一定阶段后逐渐趋于稳定，细沟纵断面形态也基本保持不变，细沟宽深比最后均在最优宽深比0.828附近。

图5 不同措施下细沟宽深比变化

2.2.2 细沟网络形态分异特征

采用细沟体积、细沟面积、细沟表面积、细沟密度、细沟侵蚀占比来分析坡面细沟形态在不同坡沟治理措施下的演变过程。由表1可以看出，不同坡沟治理措施配置下的细沟体积、细沟面积、细沟表面积、细沟密度、细沟侵蚀占比均在第2次降雨过程中得到加强，进一步表明细沟侵蚀在第2次降雨过程中得到了进一步发育。且对于布置治理措施后的各个参数变化幅度均明显减小，如对照组中细沟表面积从2.91 m3增加到了4.10 m3，增加了1.19 m3，而其他场次的增加值在0.01～0.8 m3不等，其他参数也存在类似规律，表明坡沟治理措施不仅能在细沟侵蚀总量上起到调控作用，还能使细沟侵蚀过程趋于平稳化，这与前面的结论一致。且在细沟侵蚀占比中，呈现出对照组>措施A>措施C>措施B>措施D的规律，其中，对照组（裸坡）中细沟侵蚀占比达到了73.89%，此结果与Shen等[2]细沟侵蚀量占坡面土壤流失总量的62.2%～84.8%的结果一致。其他参数的变化基本也遵循这个规律，表明，措施D对于细沟侵蚀的调控作用最佳，措施A的调控作用在本试验措施配置中效果最差，措施B和措施C的效果相对较好。

2.3 多措施间对细沟侵蚀调控的协同作用

针对上坡位梯田（措施C）和下坡位草带（措施B）以及两者组合配置（措施D）对细沟侵蚀的协同作用，分别选取细沟侵蚀量、细沟面积、细沟密度3个指数来定量估算中部梯田+下部植被同时布设（措施D）下相较于上坡位梯田（措施C）和下坡位植被（措施B）2种不同措施单独布设的协同作用。结果显示（表2），对于3个指数的协同作用大小均是正值，表明2种措施同时布设相较于单独布设时能产生相互促进的效果，能对细沟侵蚀起到很好的调控作用。如表2所示，其中对于细沟面积减少效益所产生的协同作用最大，达到了13.76%，对于细沟侵蚀量的协同效益次之，为7.71%，对于细沟密度的协同效益相较于其他2个参数而言最小，只有7.52%。分析可知，相较于单措施草带在下坡位时，在其上部增加同样面积大小的梯田，上坡位梯田对于径流泥沙的拦截作用在经过下坡位草带时，其拦截作用得到进一步的加强，从而使在单一措施下本该流走的径流泥沙被拦截下来，且两措施间相互影响径流流速和径流路径，使得径流更加分散，降低流速，从而增加了在梯田部位和草带位置的下渗量。双措施同时布设时，其对于径流泥沙的拦截效果不仅仅是简单的叠加效果，而是通过改变径流路径、增加入渗量、降低径流流速等作用对流过植被和梯田的径流进行消减，并且拦截绝大部分上坡面冲刷下来的泥沙，进而对下沟道的细沟侵蚀起到一定的调控作用，发挥措施间的协同作用。

图6 细沟网络分异特征

表1 2次降雨后细沟形态参数

表2 不同措施细沟调控效应

3 讨 论

3.1 植被和梯田水土保持调控作用

植被和梯田作为黄土高原丘陵区最主要的水土保持措施，一直以来都在水土流失治理中发挥着重要的作用，其通过影响下垫面特征、水沙传输路径等方式，直接或间接作用于坡沟系统的水文过程和泥沙迁移[24]。细沟侵蚀作为坡面侵蚀的主要方式，其侵蚀量可占坡面总侵蚀量的50%～80%[25]，这与本文各措施下细沟侵蚀量占比73.89%、64.54%、63.16%、58.94%结论一致。而植被梯田协同配置下的细沟侵蚀量占比仅为41.37%，表明多措施协同配置下能在一定程度上降低细沟侵蚀占比。本文未对坡面坡度、降雨强度，土壤质地等影响细沟侵蚀得因素进行试验，有待于进一步研究。

3.2 植被和梯田对沟蚀调控的协同作用

坡改梯作为黄土丘陵区主要的水土保持治理工程措施，马勇星等[26]指出水平梯田对流域水土流失治理具有良好效果。胡春宏等[27]基于黄土高原丘陵区不同时期水平梯田的减水减沙效果，表明梯田修建后流域径流、泥沙量可减小70%以上，冉大川等[28]研究发现次降雨量在100 mm时条件良好的梯田在一定降雨时间内可基本实现全部降雨入渗。对于本试验条件下的植被和梯田措施，其对细沟侵蚀量的减小效益分别为27.12%和15.31%，且在植被和梯田协同配置下对于细沟侵蚀量、细沟面积、细沟密度的协同效益分别为7.71%、13.76%、7.52%。由此可见，多措施间存在相互影响，且对于细沟侵蚀的调控具有协同效应，对于水土保持措施优化配置具有一定指导意义。同时，今后研究中也可适当考虑其他措施间的协同效应，为多措施下的水土保持效应评价做出进一步的补充研究。

3.3 坡面水土保持措施配置

坡沟系统治理措施的科学配置一直以来都受到国内外学者的广泛关注，对于在坡面布设草带而言，已有大量研究[29]表明，对相同覆盖度下草带不同位置对于坡面侵蚀产沙的影响均表现出坡下大于坡中大于坡上的结果，这与本试验结果基本一致。但是对于试验条件下梯田的布设，前人研究较少，且由于试验条件下的梯田一般布设位置位于坡面中部[30]，因此，本试验并没有设置不同梯田位置变化。对于相同位置下布设草带与布设梯田之间对细沟侵蚀的调控作用进行比较，结果表明无论是从坡面微地形变化（图2）、细沟沟长发育率（图4）还是细沟形态分异特征（图6），梯田（措施C）的水土保持效益要好于草带（措施A），且当两措施协同配置时，其对细沟侵蚀的调控作用均达到最大，说明本研究中上坡位梯田与下坡位草带之间产生了协同作用，此研究结果可为今后水土保持措施布设提供参考。今后研究中可进一步从多角度量化多措施对细沟侵蚀和水沙调控作用的协同机制。

4 结 论

本次室内模拟降雨试验，定量研究了4种不同坡沟治理措施下（上坡位植被，A；下坡位植被，B；上坡位梯田，C；上坡位植被与下坡位梯田结合，D）的坡面微地形变化、细沟形态网络以及多措施间对于细沟侵蚀的协同作用等，主要结论如下：

1）2次间歇性降雨过后，不同坡沟系统治理措施下坡面均发生了不同程度的破裂侵蚀，措施A的侵蚀最为严重。

2）各坡沟治理措施对于细沟网络的调控都具有较好的效果，其中，措施D的侵蚀量减少了50.14%，细沟密度减少了41.99%，调控效果最好。

3）本试验条件下，梯田与草带之间协同配置时对细沟侵蚀存在一定程度上的协同效益，对细沟侵蚀量、细沟面积、细沟密度的协同效益分别为7.71%、13.76%、7.52%。

4）对于不同措施下的细沟最大沟长发育率，表现为措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min），表明措施D对细沟发育过程具有很好的调控作用。

5）整个细沟发育过程中，各措施下的细沟宽深比均呈现出逐渐减小并趋于稳定的趋势，逐渐降低到水力最优断面宽深比0.828附近，表明细沟形态断面趋于稳定。

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Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system

Dong Jingbing1, Shi Peng1※, Li Zhanbin2, Li Peng1, Bai Lulu1, Zhao Zhun1, Song Zhihua1, Zhao Qianzhuo1, Mu Quanpeng1

(1.,,710048,;2.,710048,)

As the basic geomorphological unit of the loess hilly gully area, the slope and gouge system is also the main source area of eroded sediment on the Loess Plateau. As the main measures for slope erosion control, vegetation and terraces play an important role in soil erosion control and ecological restoration, and quantitative assessment of the regulatory effect of forest grass and terraces on slope fine trench erosion, and multi-measure collaborative allocation are of great significance for soil erosion control and ecological protection of the Loess Plateau. Based on the previous research on soil erosion and slope trench erosion, in order to reveal the synergistic regulation effect of vegetation and terraced land pattern and configuration on fine trench erosion in slope and trench system, this paper used artificial simulation rainfall, combined with 3D laser scanning technology, to quantitatively analyze the regulatory effect of different measures on fine trench erosion from the slope surface sand production rate and slope micro-terrain change as a whole, and quantitatively analyze the characteristics of single furrow morphological changes such as the change characteristics of the development process of fine furrow length and the change characteristics of fine furrow width and depth ratio from the single furrow morphology. The development process of fine furrow network was also analyzed, and parameters including but not limited to fine furrow erosion amount, fine furrow area, and fine furrow erosion proportion were quantitatively calculated, and the influence of different slope and ditch treatment measures on the characteristic parameters related to fine furrow erosion was expounded from multiple angles, and finally the synergistic effect of different measures on the erosion amount, area and density of fine trench was quantitatively calculated and analyzed for the synergistic effect between multiple measures. The effects of four slope measures: uphill vegetation (measure A), downhill vegetation (measure B), terraces (measure C), and terraces + vegetation (measure D) on the occurrence and evolution of fine furrow erosion were analyzed. The results showed that: 1) Under the same vegetation coverage, the maximum length of the downhill vegetation furrow was reduced compared with that of the uphill vegetation furrow (including the maximum ditch length of the uphill position reached 238.8 cm and the maximum ditch length in the downslope position reached 142.3 cm); 2) In the first rainfall, the maximum sand yield rate reached more than 3 500 g/min, and the maximum sand yield in the second rainfall was only more than 1 100 g/min. The sand yield rate of the second rainfall was 1/3-1/2 of the sand yield of the first rainfall during each production time; 3) The development rate of fine furrow length under each measure was the highest for measure A (6.55 cm/min), followed by measure C (5.71 cm/min), measure B (3.60 cm/min), and measure D (2.69 cm/min); 4) The simultaneous arrangement of terraces and vegetation (measure D) had a better regulatory effect on fine trench erosion than a single measure (measures B and C), and the terraces and vegetation had a synergistic effect on the erosion amount, area and density of fine trench on the erosion index of fine trench (7.71%, 13.76% and 7.52%, respectively). Based on the above research methods and related conclusions, this study provides a relatively new perspective in the prevention and control of soil erosion in the hilly area of the Loess Plateau, that is, when setting up actual engineering measures, the differences in the influence of the same measures on the erosion of fine ditches at different positions in the slope and ditch system and the impact of multiple measures and the synergistic effect between multiple measures can be properly considered, and the configuration of soil erosion control programs can be continuously optimized to maximize the benefits of each treatment measure. This study can provide a certain scientific reference for the allocation of slope and ditch treatment measures and the erosion control of fine ditches on the Loess Plateau.

erosion; vegetation; rills; slope-gully system; terrace; measure configuration; synergetic effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011

S216

A

1002-6819(2022)-20-0096-09

董敬兵，时鹏，李占斌，等. 植被和梯田措施对坡沟系统细沟侵蚀调控作用[J]. 农业工程学报，2022，38(20)：96-104.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

Dong Jingbing, Shi Peng, Li Zhanbin, et al. Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 96-104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

2022-06-16

2022-08-10

国家自然科学基金项目（42077073）

董敬兵，博士生，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：dong18772498343@163.com

时鹏，副教授，硕士生导师，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：shipeng015@163.com