草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金();国家自然科学基金(,)作者简介:李佳辉(),男,硕士研究生,研究方向为坡面流及土壤侵蚀。:通讯作者:张宽地(),男,教授,博士生导师,主要从事水力学及流域水沙等方面的研究工作。:草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响李佳辉,魏淑娥,刘程龙,张宽地,(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 ;西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 )摘要:为揭示草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,采用模拟降雨试验的方法,对 、和 降雨强度下,个草被格局坡面土壤侵蚀特征进
2、行研究。结果表明:()坡面径流率和侵蚀率随降雨历时的变化均受降雨强度、草被格局以及草种垂直结构的共同影响;()与裸坡相比,不同草被格局植草坡面和留根坡面的减流效益分别为 和 ,减沙效益分别为 和 ,沿等高线带状格局的减流减沙效益最佳;()在不同降雨强度条件下,草本冠层对坡面径流率的削减占主导作用,根系对土壤侵蚀率的削减占主导作用;()土壤侵蚀率与水流剪切力和单位水流功率均呈良好的线性关系,草被覆盖能有效增大坡面临界水流剪切力和临界单位水流功率。坡面侵蚀率和各水动力学参数以及试验变量之间可近似呈线性关系,其相关顺序依次为:。研究结果可为黄土高原坡面侵蚀及生态环境治理提供理论依据。关键词:草被格局
3、;模拟降雨;植物垂直结构;土壤侵蚀;减流减沙中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,;,):,(),(),(),(),:;水土流失严重制约着黄土高原地区经济社会的发展,一直是人们重点关注和亟待解决的问题。温带大陆性气候是黄土高原的主要气候类型,降水量年内分布不均匀,主要集中在夏季且多暴雨,再加上其本身的自然环境相对脆弱和人类活动对植被的破坏,使得黄土高原土壤侵蚀尤为严重,黄河近 的泥沙来源于此 。为控制水土流失,保护生态环境,我国实施了“退耕还林(草)”工程。区域生态得到了明显改善,植被规模得到显著恢复,植被覆盖已被证实是减少水蚀导致土壤侵蚀的有效措施 。自 年以来,随着退耕还林政策的实
4、施,黄土高原植被恢复导致植被覆盖度已接近水资源承载力的阈值。如果只注重覆盖度的影响,将会引发新的生态环境问题 ,因此,关注植被空间格局对坡面流侵蚀以及水沙调控的影响就显得尤为重要 。同时,选择合理的植被空间格局是减轻土壤退化,解决黄土高原地区水土流失的根本措施,对生态环境的改善和恢复有着重要作用。以往关于植被格局的研究多集中在不同植被格局类型和植被斑块在坡面上的分布位置等方面。例如:吉静怡等 通过模拟降雨试验研究了 种分布格局发现,在随机、带状格局下,生物结皮坡面初始产流时间均显著高于裸土坡面,分别是裸土坡面的 倍和 倍。亦有研究表明,植被在坡中、下部时,对于径流流速的削减作用更佳 。杨坪坪等
5、 通过不同的植被空间配置证明坡面径流流态为过渡流或紊流。戴矜君等 通过野外放水冲刷试验发现,紧密排列植被格局的增阻作用要优于随机排列。张冠华等 通过开展不同植被格局下的坡面流冲刷试验发现,与长条状格局相比,带状格局、棋盘状格局和小斑块格局的增阻作用明显较强,也有学者得出了类似的结论 。此外,有学者发现植被格局对坡面地表水沙特性具有重要影响 。王栋栋等 ,通过研究发现,水文路径连通性差的格局在阻控泥沙方面能力较强,而具有良好水文路径连通性的格局效果相对较差。王玉霞等 通过野外人工模拟降雨试验发现茵陈蒿群落小斑块格局对坡面产流的阻控效应较大,而大斑块格局对坡面产沙的阻控效应更为显著。也有大量的研究
6、表明,选择适当的草带位置可以有效降低坡面径流侵蚀 。可见,目前关于植被格局对坡面水动力学及产流产沙特征的研究相对较多,而从侵蚀动力学角度出发针对不同植被格局条件下坡面土壤侵蚀的研究相对较少。另外,植被通常是由地上部分和地下部分组成,地上部分一般由植被冠层、茎秆、地表枯落物构成,而地下部分主要是根系。植被的冠层、茎秆、根系以及枯落物层等不同结构组分可以减少土壤侵蚀 ,且有研究表明,地上部分和地下部分在调控坡面径流侵蚀方面的作用差别较大 。因此将植被的地上部分和地下部分进行分离量化研究来揭示植被覆盖下调控坡面土壤侵蚀机理是更为合理的。基于此,为研究黄土高原地区不同草被格局不同组分对坡面土壤侵蚀特征
7、的影响,本研究利用室内人工模拟降雨试验,选取陕西杨凌土,在不同降雨强度条件下,对不同草被格局的植草坡面和留根坡面的土壤侵蚀过程进行观测,分析草被格局不同组分的减流减沙效益;阐明不同草被格局不同组分对削减径流泥沙的相对贡献率,揭示草被格局不同组分对坡面侵蚀产沙机理的影响,为黄土高原坡面侵蚀及生态环境治理提供理论依据。材料与方法 试验装置与材料本试验于 年 月至 月在水利部西北水利科学研究所人工模拟降雨大厅进行,采用西安淼森电子科技有限公司研发的 ()型人工模拟降雨系统。该模拟降雨面积约为 (),可以产生 范围内的雨强,雨滴直径为 ,降落高度为 ,降雨均匀度在无风环境中大于 。经多次率定,所喷雨滴
8、粒径、降雨动能与天然降雨十分接近 。试验径流小区为小型移动式钢质土槽,土槽规格为 (长)(宽)(高)。土槽尾部设置 形收集口,用来收集形成的径流和泥沙样品。试验土壤取自陕西杨凌(,),土壤质地为粉质壤土。试验所用土壤的物理性质见表 。试验选用草种为麦冬草(),因其根系发达,耐寒耐旱,故常用于防治土壤侵蚀 。表 试验中使用表土()的物理性质土壤质地密度()原状颗粒粒径分布 黏粒()细粉颗粒()粗粉颗粒()砂粒()粉质壤土 水利与建筑工程学报第 卷 试验设计在不同类型的降雨事件下,不同草被格局的水土流失效应差别较大,即使是同样特征的降雨事件由于草被格局的不同有可能产生不同的径流侵蚀效果 。因此,本
9、试验设置顺坡带状格局()、沿等高线带状格局()、菱形带状格局()、棋盘斑状格局()、随机斑状格局()以及裸坡()种草被格局作为格局因素的不同水平。搭配 、三个降雨强度,坡度为 ,草被覆盖度为 。为了定量研究草被格局不同部分对坡面流水沙特性影响的贡献度,在完成了完整植株的降雨试验后,去除掉草被地表上部的冠层部分,去除时贴近地表且不扰动表层土壤,得到不同草被格局留根坡面。为保证试验精度,每个处理均进行重复试验取平均值分析。模拟降雨条件下不同草被格局试验径流小区坡面设置见图 。(顺坡带状格局:,;沿等高线带状格局:,;菱形带状格局:,;棋盘斑状格局:,;随机斑状格局:,;裸坡:,)图 不同草被格局径
10、流小区坡面布置图所有试验用土自取土后在试验场地自然风干,轻微破碎处理后通过 孔径筛网除去杂草、小石块等杂质,每 测量一次土壤含水量。装土之前,在土槽底部均匀铺 厚的天然细沙并覆盖透水纱布,保持土层的透水状况接近自然状态。为保证装填土的均匀性和紧实性,避免遇水后严重塌落,按土壤分 层(每层 )装填。边装填边压实,保证试验土壤容重达到设计要求()。填土时尽量保持土体表面平整,装填完一层便将土壤刮毛,使其具有一定的糙度,防止土体滑移。在试验前将事先在野外种下长势均匀的麦冬草按照设计的草被空间配置方案移栽在试验土槽中,并核对不同试验小区的实际草被覆盖度是否为 。上述准备工作完成后适当洒水养护半个月,方
11、可开展试验。每场降雨的时长为产流开始后持续 ,降雨前对雨强进行校准使率定雨强最大限度接近设计雨强,误差在允许范围内()。降雨过程中,待径流小区出水口连续均匀出现浑水样(即开始产流)后,记录下产流开始的时间。利用高锰酸钾溶液()在上坡段()和下坡段()的固定断面上测定径流表面流速,前 内,每 观测 次,以后每 测量 次,取平均值;根据水流流态确定流速修正系数,进而求得平均流速。在径流小区出水口收集径流泥沙全样,泥沙全样在降雨前 每分钟收集一次,降雨后 每两分钟收集一次,每次收集时间均为 。浑水温度用温度计观测 次。然后,测量径流样品质量,后将样品静置。待泥沙沉淀之后,倒掉上层清液,将余下高浓度泥
12、沙样品转移至小盒内置于烘箱中 烘干 后称重 ,以测得产流量和侵蚀产沙量。数据分析文中各产流产沙特征参数的数据统计分析、显著性分析以及绘图分别采用 、以及 。相关参数计算公式如下:水流剪切力 :()水流功率 :()单位水流功率:()减流效益 :第 期 李佳辉,等:草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响()()减沙效益 :()()式中:为水流剪切力,;为水的重度,为 ;为水力半径,由于本试验水流较薄,用水深 替代,;为径流坡降,其值取坡度的正弦值,即 ,在本试验中,;为水流功率,;为单宽流量,;为平均流速,;为单位水流功率,;为减流效益;为裸坡的径 流 率,;为 覆 草 坡 面 的 径 流 率,;为减沙
13、效益;为裸坡的侵蚀率,;为覆草坡面的侵蚀率,。结果与分析 产流产沙过程 产流过程图 为不同降雨条件下不同草被格局植草坡面()和留根坡面()径流率随降雨历时的变化曲线图。可以发现,在各工况下坡面径流率随降雨历时的变化趋势基本一致,即坡面径流率随降雨历时的延长整体表现为先增加后逐步趋于稳定的状态。稳定径流率受降雨强度、草被格局等多种因素的影响。坡面径流率随降雨强度增大而明显增大,降雨强度越大,稳定后的径流率也越大。比如:在 、降雨强度下,随机斑状格局植草坡面的径流率分别稳定在 、左右。相比于裸坡,在 、降雨强度下,沿等高线带状格局()和菱形带状格局()植草坡面稳定径流率分别降低了 、和 、。由此可
14、以看出稳定径流率减小的幅度随降雨强度的增大而减小。这主要是因为,一方面随着雨强的增大,坡面发生超渗产流可能性增大;另一方面,草被对降雨的截留作用减弱,从而导致覆草坡面与裸坡径流率的差距减小。降雨强度相同时,不同草被格局的稳定径流率也表现出一定的差异性。以降雨强度为 为例,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面稳定径流率依次为 、和 ,与裸坡相比依次降低了 、和 。同时,与其他形式的覆草坡面相比,沿等高线带状格局和随机斑状格局的坡面径流率增幅在降雨前期相对较小,且雨强越小,增幅越小。这是由于这两种草被覆盖形式更好地切断了坡面水流的流动路径,水流受阻的可能
15、性增加,致使坡面水文连通性下降,从而径流率增幅减小,增速变慢。而在大雨强下,草被的图 不同草被格局植草坡面()和留根坡面()径流率随降雨历时的变化水利与建筑工程学报第 卷阻碍作用在雨量及雨滴动能增大的情况下被明显削弱,因此径流率的增速较快,增幅较大。除此之外,不同草被格局会影响坡面径流率趋于稳态阶段的时间。例如:在雨强为 的情况下(图 (),顺坡带状格局、棋盘斑状格局和菱形带状格局的径流率接近稳态的时间约为 ,而随机斑状格局和沿等高线带状格局约为 。结合其他降雨强度下径流率随降雨历时的变化规律来看,径流率趋于稳态所需时间基本上随不同格局水文连通性的减弱而增大。此外,降雨强度的增加能显著缩短多个
16、草被格局径流率趋于稳态阶段的时间,且不同格局的植草坡面径流率趋于稳态的时间要大于留根坡面径流率趋于稳态的时间。在降雨强度相同时,同一草被格局坡面径流率大小表现为裸坡 留根坡面()植草坡面()。在本试验中,植草坡面径流率的大小受冠层和根系共同影响。草本冠层可以同时拦截降雨和增加地表的粗糙度,从而提高土壤的入渗率;根系则会深入土层,增大降雨的下渗。留根坡面由于失去了草冠的保护,因而其径流率大于植草坡面。裸坡由于没有覆被,土壤入渗率相对最小,所以径流率最大 。产沙过程图 为不同降雨强度条件下不同草被格局植草坡面()和留根坡面()侵蚀率随降雨历时的变化曲线图。不难看出,在各工况下坡面侵蚀率随降雨历时的
17、变化趋势基本一致,即降雨开始后一小段时间内坡面开始产流产沙,侵蚀率在短时间内迅速提高,达到峰值后逐渐降低最终趋于相对稳定的状态,稳定侵蚀率受草被格局、降雨强度以及草本不同部位等多种因素的影响。坡面侵蚀率随降雨强度增大而明显增大,降雨强度越大,侵蚀率的峰值亦越大,达到峰值所需时间则越短,稳定后的侵蚀率也相对越大。比如:在 、降雨强度下,沿等高线带状格局()植草坡面的侵蚀率的峰值依次为 、,分别稳定在 、左右。相比于裸坡,在 、降雨强度下,沿等高线带状格局()和随机斑状格局()植草坡面稳定侵蚀率分别降低 、和 、。由此可以看出,降雨强度对坡面土壤侵蚀侵的影响较大。降雨强度相同时,不同草被格局的稳定
18、侵蚀率也表现出一定的差异性。以降雨强度为 为例,顺坡带状格局、棋盘斑状格局、菱形带状格局、随机斑状格局和沿等高线带状格局植草坡面稳定侵蚀率依次为 、和 ,与裸坡相比依次降低了 、和 。图 不同草被格局植草坡面()和留根坡面()侵蚀率随降雨历时的变化第 期 李佳辉,等:草被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响坡面侵蚀率随草被格局的差异可以从水文连通性的角度来解释。草被格局的水文连通性越差,水沙流动过程中遇到的阻碍越多,水沙通过坡面所遇到的阻抗力就越大,从而导致侵蚀率下降 。此外,在相同的的降雨条件下,同一格局不同覆被坡面侵蚀率大小表现为裸坡 留根坡面 植草坡面。草本冠层和根系均对植草坡面的侵蚀率产生影响
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- 格局 土壤侵蚀 特征 影响
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