模拟降雨下坡面草带分布对产流产沙过程的影响

孙若修，申明爽，胡亚伟，徐勤涛，张建军,2,3,4

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站(北京林业大学)，山西 吉县 042200；3.水土保持国家林业局重点实验室(北京林业大学)，北京 100083；4.北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学)，北京 100083)

众所周知，中国的黄土高原是全国乃至世界土壤侵蚀最严重的地区，也是黄河泥沙的主要来源。为了控制黄土高原严重的水土流失，国家从20世纪50年代开始采取一系列的措施治理水土流失，其中植物措施在拦蓄泥沙方面起到主要作用。由于黄土高原地处我国干旱半干旱地区，降水量有限，土壤水对植被的承载能力有限，因此植被的布局和配置是目前黄土高原地区植被建设中需要解决的问题之一。

众多学者对植被配置与土壤侵蚀的关系进行大量的研究，目前的研究主要围绕植被的类型、组成、大小、分布位置及发育程度等角度研究植被对坡面产流产沙的影响。这些研究中也有大量关于植被空间分布位置的研究，如Pan等通过室内模拟试验，分析植被空间分布位置对土壤侵蚀的控制作用发现，种植在下坡位的草带能有效减少水土流失，而种植在上坡位的草带对土壤侵蚀的控制有限；此外研究还发现，植被空间分布对土壤侵蚀的控制作用大于对径流的控制作用，该研究建议在植被配置时，将草带尽可能布设在下坡位，有利于减少坡面径流和泥沙；张霞等的研究与Pan等的研究结果不同，在坡沟系统中，植被布设在坡面的中下部，蓄水拦沙效果最好，能够实现最好的水土保持效益；根据以往研究结果发现，当植被布设在坡面的中下部或者下部时，其拦沙蓄水效果最好，这主要是植被位于坡下部时，能够减小降雨对坡面下部土壤的溅蚀作用，同时还能拦蓄坡面上部和坡面中部的径流，沉积径流中的泥沙，而坡面中部和坡面上部的植被虽然能减小坡面上部和中部的雨滴溅蚀作用，但是对于坡面下部的土壤起不到保护作用，坡面中上部产生的径流和泥沙还会增加坡面下部的侵蚀，进一步加剧坡面下部的土壤侵蚀。现有研究针对植被不同坡位分布的侵蚀特征研究较多，但有关坡面植被在不同降雨条件下减少产流和产沙的最佳分布范围研究还有所欠缺，从而导致各类侵蚀产沙模型中缺少反映植被位置对侵蚀影响的量化参数，未能深入揭示导致侵蚀产沙变化的作用机制。因此，定量评价不同植被分布条件对坡面产流产沙的影响，进而确定不同降雨条件下植被的最佳空间位置，对植被恢复过程中植被的优化配置具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用的试验土槽为可移动式变坡土槽，坡度调整范围为0～60°，土槽的长、宽和高分别为2，1，0.5 m，土槽上侧、左右两侧均设置10 cm高的挡板，防止人工降雨时雨滴击溅使土壤颗粒溅出。人工土槽的径流收集口采用“V”形设计，并连接径流桶，用于收集人工降雨试验坡面产生的径流和泥沙。土槽底部有均匀分布的透水孔，有利于人工降雨过程中土壤水能够自由下渗，以免在土槽内产生积水而影响试验效果。试验土壤采集点在山西省吉县蔡家川小流域，野外取土点的土地利用类型为草地，土壤为褐土，黄土母质，土壤容重为(1.38±0.01)g/cm。粒径为0～0.002，0.002～0.05，0.05～2 mm的颗粒分别占总量的3.89%，65.22%，30.89%。人工降雨器采用的是下喷式人工模拟降雨机(EL-RS3)，其有效降雨覆盖面积为4.5 m×2.2 m，均匀系数>90%，满足室内人工降雨试验的需要。

1.2 试验设计

根据研究区土壤特征，本试验设计的土壤容重为1.38 g/cm。采集草地0—20 cm土壤并存放至阴凉处自然风干，过10 mm的土筛，除去土壤中的植物根系、砾石和枯落物，以免对土壤的结构造成影响，并通过烘干法测定土壤的含水量。晋西黄土区降雨主要呈现短历时、高强度和长历时、低强度的特点，基于降雨特征，设置3个梯度的人工降雨强度，即30，60，90 mm/h，为充分研究草带对坡面侵蚀产沙的影响过程，本试验从坡面产生径流开始进行60 min的人工降雨试验。山地丘陵地貌是晋西黄土区最主要的地貌类型，整个研究区的坡度范围为5°～40°，其中坡度为10°～20°的面积最大，因此本试验设置坡度为15°。

本研究提出“相对距离”的概念，表示草带在坡面的相对位置，本研究中将“植被相对距离”定义为植被草带下缘裸地长度与坡面长度减去植被草带沿坡长度的比值，相对距离的范围为0～1。不同相对距离的植被采用带状草皮，40%植被覆盖度下草皮的尺寸为长×宽为0.80 m×0.50 m，60%植被覆盖度草皮的尺寸为长×宽为1.20 m×0.50 m，根据试验设计，在坡面相应位置铺设人工草皮(图1)。每个试验设计进行2次重复。

图1 试验设计示意

1.3 试验方法

试验土槽铺设共分为3层，纱布层、细沙层(10 cm)和试验土层(30 cm)，铺设纱布层和细沙层主要是为了保证土槽具有良好的透水性，使土槽内不发生积水。试验土层采用分层填装法，每层厚度10 cm，按照试验设计的土壤容重，通过土槽体积和供试土壤含水量计算需要填充的土壤质量。在填土过程中，每完成1层填土要对土壤表面进行刮毛处理，减小土层之间的边界效应。每层土壤厚度为10 cm。

每次降雨试验前需要对降雨强度进行率定，以满足试验设计，同时对坡面进行预降雨试验，以保证土壤初始含水量一致，预降雨采用的降雨强度为20 mm/h，当坡面开始产流时停止预降雨，预降雨结束后，需要对土槽坡面进行覆盖，静置24 h后进行正式模拟降雨试验。每次降雨时间为坡面开始产流后60 min。记录每场降雨的产流时间，在产流后的前10 min，每2 min取1次径流样品，径流产生10 min后，每5 min收集1次径流样品，每场降雨试验总共收集试验样品15个。每次试验后使用量筒测定各样品的总径流量。样品沉淀24 h后，将上层澄清的液体从样品中分离出来，剩余的沉淀物转移到1个大铝盒中，并在105 ℃的烘箱中干燥24 h。

1.4 数据分析

(1)产流率。选择坡面产流率(mm/(min·m))表征不同植被条件下坡面的产流状况。

(1)

式中：为收集每个样品的总径流量(mL)；为收集每个样品所用时间(min)；为试验小区的面积(m)。

(2)产沙率。选择坡面产沙率(g/(min·m))表征不同植被条件下坡面的产沙状况。

(2)

式中：为收集每个样品的总泥沙量(g)；为收集每个样品所用时间(min)；为试验小区的面积(m)。

(3)随机森林。随机森林算法利用OOB误差计算特征变量重要性，首先根据袋外数据计算随机森林中每个分类树的袋外误差()，然后随机改变袋外数据第个特征变量()的值，并计算新的袋外误差()；最后，变量的重要性[)]表示为：

(3)

变量的变化引起的袋外误差增加得越大，精度减少得越多，说明该变量越重要。根据相关的研究成果表明，随机森林算法能够避免剔除重要的变量，这些重要变量可能与其他变量具有相关性。

利用随机森林算法可以得到决策树中每个变量的重要性，这个重要性显示了变量对分类的贡献，根据重要性的大小可以进行特征选择，重要性值越大，优先考虑为特征影响因素。%IncMSE和IncNodePurity都可以进行输入变量的重要性排序，是评判重要性的标准，两者数值越大，说明输入变量对模型的影响程度越大。

(4)数据处理。利用IBM SPSS Statistics 25.0软件中的ANOVA和Duncan多重极差检验对不同雨强、坡度和不同植被相对距离条件下的产流和产沙结果进行显著性检验。随机森林利用R语言进行处理，利用Excel 2016记录整理试验数据，利用Origin 2017软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同植被相对距离坡面产流过程特征

随着降雨过程的进行，不同植被相对距离的坡面产流率变化过程趋势基本一致(图2)，降雨初期坡面产流率最小，随着降雨的进行，土壤含水量逐渐增大，土壤入渗减小，坡面径流增大，使坡面产流率迅速增加，当土壤含水量达到最大饱和土壤含水率时，土壤产流率趋于相对稳定状态。

图2 不同植被相对距离条件下坡面产流率

通过对不同试验条件的对比发现，坡面初始产流率随着植被相对距离的增大而增大，最小初始产流速率均为植被相对距离为0的坡面，在不同试验条件下，其初始产流率范围为0.054～0.58 mm/(min·m)，而平均产流率表现出与初始产流率不同的结果；随着植被相对距离的增大，平均产流率在植被覆盖率为40%条件下的大小为植被相对距离1.0>植被相对距离0.8>植被相对距离0.6>植被相对距离0.4>相对距离0>植被相对距离0.2。经ANOVA方差分析表明，不同植被相对距离的平均产流率在不同降雨强度条件下均表现为显著性差异(<0.05)；当植被覆盖度提高到60%时，平均产流率的大小为植被相对距离1.0>植被相对距离0.8>植被相对距离0.6>植被相对距离0>植被相对距离0.4>植被相对距离0.2。经ANOVA方差分析表明，植被相对距离为0，0.2，0.4的平均产流率在不同降雨强度条件下均显著小于植被相对距离为0.6，0.8，1的坡面(<0.05)。在所有试验中，植被相对距离0.2的坡面的平均产流率在不同植被覆盖度和降雨强度条件下均为最小。

利用随机森林算法对影响坡面产流率的变量进行重要性排序，模型的预测结果与实际结果的拟合度()达到0.81，表示模型的拟合度较好。从表1可以看出，降雨强度靠前，说明降雨强度是影响坡面产流率最重要的因素。此外，试验结果表明，随着植被覆盖度的增加，不同植被相对距离坡面的初始产流率、平均产流率和稳定产流率均减小。

表1 利用随机森林算法对影响坡面平均产流率的因素重要性排序

2.2 不同植被相对距离坡面产沙过程分析

不同植被相对距离坡面的产沙率具有相似的变化趋势(图3)，这个变化过程可以分为3个阶段，首先是降雨初期，随着坡面径流的增加，产沙率迅速增加，直至达到产沙率最大值，随着降雨的进行，产沙率开始缓慢减小，最终趋于稳定。

试验结果发现，不同植被相对距离坡面产沙率达到稳定状态的时间差异较大。各类试验条件下，随着植被相对距离的增大，坡面产沙率达到稳定状态的时间越短，而植被相对距离为0和0.2的坡面达到稳定产沙率的时间最长，约20 min；同时坡面平均产沙率也随着植被相对距离的增大而减小，平均产沙率最小的坡面为植被相对距离0.2的坡面(图3)。经ANOVA方差分析表明，植被相对距离为0和0.2的坡面平均产沙率在不同降雨强度条件下均显著小于其他植被相对距离的坡面(<0.05)。利用随机森林算法对影响坡面平均产沙率的变量进行重要性排序，模型的预测结果与实际结果的拟合度()达到0.87，表示模型的拟合度较好。从表2可以看出，降雨强度排序靠前，说明降雨强度是影响坡面平均产沙率最重要的因素。在本研究中，植被覆盖度为40%时，降雨强度从30 mm/h增加到60 mm/h，不同植被相对距离坡面的平均产沙率从2.23 g/(min·m)增加到6.39 g/(min·m)；当降雨强度增加到90 mm/h，平均产沙率增加到13.52 g/(min·m)。随着植被覆盖度的提高，不同植被相对距离的坡面产沙率均显著减小(<0.05)。

图3 不同植被相对距离条件下坡面产沙率

表2 利用随机森林算法对影响坡面平均产沙率的因素重要性排序

2.3 坡面植被相对距离的优化配置

植被不同空间位置均能显著减少产流量和产沙量，但植被不同空间位置之间的产流量和产沙量之间也存在差异(图4)。然而，目前有关植被空间位置对土壤侵蚀的影响研究主要通过定性方法进行表述，这种表述方法比较绝对，本研究针对这个问题提出“相对距离”参数，以定量反映植被空间位置对水土流失的影响，并根据防治水土流失的效果确定坡面植被的最优化空间位置。不同试验条件下，坡面累积产流量和累积产沙量均随着植被相对距离的增加，整体呈现先减小后增加的趋势。但累积产流量和累积产沙量在不同试验条件下略有差异，坡面累积产流量大小在40%植被覆盖度条件下均表现为植被相对距离0.2<植被相对距离0<植被相对距离0.4<植被相对距离0.6<植被相对距离0.8<植被相对距离1(图4a)。经ANOVA方差分析表明，植被相对距离为0.2的坡面累积产流量在不同降雨强度条件下均显著小于其他植被相对距离坡面(<0.05)；当植被覆盖度为60%时，坡面累积产流量大小表现为植被相对距离0.2<植被相对距离0.4<植被相对距离0<植被相对距离0.6<植被相对距离0.8<植被相对距离1.0(图4b)。在降雨强度为30 mm/h时，植被相对距离为0.2的坡面累积产流量显著小区其他试验坡面，但降雨强度为60，90 mm/h时，植被相对距离为0.2和0.4的坡面累积产流量无显著性差异(<0.05)。坡面累积产沙量大小在植被覆盖度为40%和60%条件下均表现为植被相对距离0.2<植被相对距离0<植被相对距离0.4<植被相对距离0.6<植被相对距离0.8<植被相对距离1.0(图4)，植被相对距离为0，0.2的坡面累积产沙量显著小于其他试验坡面(<0.05)。

图4 不同植被相对距离条件下累积产流量和累积产沙量

综上所述，本研究在现有试验条件下，植被对控制径流和泥沙的最优空间位置是植被相对距离为0.2的坡面，因此在植被恢复过程中，植被覆盖度一定的条件下，建议优先将植被配置在相对距离为0.2的位置上。此外，植被相对距离<0.4时，坡面植被均表现出良好的减流、减沙效益，这表明植被的空间位置对控制产流和产沙存在一个最优的区域范围。为进一步确定植被空间位置的最优范围，本研究对坡面植被相对距离与产流和产沙数据进行进一步分析发现，植被相对距离范围在0～0.2内，产流量和产沙量均表现为减小趋势，而植被相对距离0.2～1.0的坡面的产流量和产沙量均表现为增加趋势，对植被相对距离为0.2～1.0范围内的产流产沙数据进行分析，拟合植被相对距离与产流量和产沙量的函数关系，产流量和产沙量与植被相对距离函数关系均表现为=+的线性相关关系(表3)。结合植被相对距离为0时的坡面产流和产沙情况，确定植被空间最优化位置，当植被覆盖度为40%时，以减少径流为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.36，以减少泥沙为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.31；当植被覆盖度为60%时，以减少径流为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.43，以减少泥沙为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.22。

表3 坡面植被相对距离(0.2～1.0)与产流量和产沙量的关系

3 讨 论

目前大量研究结果证明，植被对土壤具有保护和改良作用，然而在植被恢复过程中，仍然存在诸多问题，特别是植被恢复过程中的植被配置问题。在坡面尺度上合理的植被配置不仅能加快植被恢复的速度，而且能够显著减少土壤侵蚀，保护生态环境，但在植被恢复过程中植被配置不合理影响植被恢复效果，进而影响植被的水土保持作用，使植被恢复进入恶性循环状态，甚至造成严重的水土流失。因此，在植被恢复过程中植被配置是一个重要的考虑因素。黄土高原地处我国干旱、半干旱地区，降水较少，蒸发量较大，该地区地形多为山地和低矮丘陵，受地形影响，可利用的土地资源十分有限，因此在植被恢复过程中常常出现社会发展与植被恢复相矛盾，人地关系不和谐，进而影响植被恢复，也阻碍社会经济的发展。与以往研究一致，本研究发现，不同植被空间位置对坡面产流产沙有显著的影响(<0.05)，然而植被空间位置不同，对控制土壤侵蚀的作用也存在差异。

本研究中植被相对距离为0.2时，其拦沙蓄水效果最好，这主要是植被位于坡下部时，能够减小降雨对坡面下部土壤的溅蚀作用，同时植被的空间异质性改变径流的集中过程和径流运动过程，改变流速，虽然坡面上部产生大量径流，但植物带能拦蓄坡面上部和坡面中部的径流，通过坡面产流过程可以发现，不同植被相对距离的坡面产流出现滞后性，这表明植被的拦蓄作用得到充分的发挥，使径流中的泥沙得到沉积；此外植被带使径流流速减缓，从而减小对坡面下部土壤的侵蚀作用。当植被相对距离为0时，坡面植被对土壤侵蚀的控制作用小于植被相对距离为0.2的坡面，这主要是因为植被位于坡面最下部，坡面中上部产生更多的径流和泥沙，植被带对径流和泥沙的控制能力有限，使坡面产生的径流和泥沙从出口断面流出，这与张霞等的研究结果一致；当植被相对距离逐渐增加时，坡面产流量和产沙量逐渐增大，虽然植被带对坡面上部的径流和泥沙有较强的调控作用，但随着植被相对距离的增加，坡面下部的裸地面积增大，下部坡面失去植被的保护作用，产生较多的径流和泥沙，并且植被相对距离越大，坡面下部裸地面积越大，产生的径流和泥沙越多。因此，植被越靠近坡面中下部，对坡面径流和泥沙的控制作用越强，坡面植被的蓄水能力和对泥沙的拦截能力越强。在生态恢复过程当中，建议将植被优先布设在坡面中下部，综合考虑植被水土保持作用，本研究建议植被布设位置为植被相对距离范围为0～0.22的坡面上。

4 结 论

(1)不同植被相对距离的坡面产流和产沙过程分别表现为增长—稳定型和增加—减小—稳定型；同时植被相对距离为0，0.2和0.4的坡面累积产流量和累积产沙量均显著小于其他植被相对距离的坡面；植被覆盖度对产流和产沙也有重要的影响，随着植被覆盖度的增加，不同植被相对距离坡面的产流率和产沙率减小，随着植被相对距离的增加，坡面平均产流率和产沙率表现出先减小后增大的趋势，植被相对距离为0.2的坡面的平均产流率在不同试验条件下均为最小。

(2)通过随机森林算法发现，降雨强度和植被覆盖度对坡面产流有重要影响，而产沙过程受降雨强度和植被相对距离的影响较大。

(3)植被空间位置的优化配置受植被覆盖度的影响，当植被覆盖度为40%时，分别以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.36和0～0.31；当植被覆盖度为60%时，分别以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置为0～0.43和0～0.22。因此，在降水有限的地区开展坡面植被恢复时，应该优先恢复中下部坡面的植被。