模擬降雨條件下不同覆被減流減沙效益與侵蝕影響因子

孫佳美, 余新曉, 梁洪儒, 常 玉

(北京林業大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083)

模擬降雨條件下不同覆被減流減沙效益與侵蝕影響因子

孫佳美, 余新曉, 梁洪儒, 常 玉

(北京林業大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083)

摘要：[目的] 研究不同坡度和降雨強度條件下，不同覆被的減流減沙效果，定量分析各侵蝕影響因子的權重。[方法] 采用室內人工模擬降雨的方法。[結果] (1) 與裸地相比，枯落物、礫石和黑麥草均具有良好的減流減沙效果，枯落物的減流效果最好，減流效益最大為79.7%，平均減流效益46.1%。其次為黑麥草，最大減流效益68.9%。第三為礫石，最大減流效益68.0%。 (2) 黑麥草的減流效果存在臨界蓋度，其值在60%左右，當蓋度大于60%后其減流效益不再增加。 (3) 減沙效益隨著蓋度的增加而增加，枯落物、礫石和草地最大減沙效益分別為98.8%，64.6%和88.1%。 (4) 經過灰色關聯定量分析得出選取的8個影響因子與徑流均有較高的關聯性，關聯度都在0.622 3以上。[結論] 不同試驗條件和不同覆被對坡面產流產沙具有明顯影響，降雨強度和降雨量是對泥沙量影響較大的因素，降雨強度、降雨量、覆被蓋度和坡度是對徑流量影響較大的4個因子，影響因子與徑流和泥沙的關聯度和關聯序因土壤種類不同而存在差異。

關鍵詞：模擬降雨; 產流; 產沙; 灰色關聯

坡面徑流是造成水土流失最主要的原因[1]，通過在坡面種植植被能夠有有效地調節徑流的產生[2]，研究表明增加地表覆被可以有效的減少徑流和泥沙的產生，起到良好的水土保持作用。不同的地表覆被具有不同程度的減流減沙效果，草被能夠調節坡面流流態，減弱雨滴對土表的動能侵蝕，地表覆被礫石和枯落物也能夠達到減弱雨滴動能減少侵蝕的目的[3]，同時枯落物還有截留降雨的功能[4]，能夠有效減少徑流。同時還有一些影響徑流產生的因素，這些影響因子主要可以歸納為兩個方面，一是降雨過程的影響，包括降雨強度、歷時、降雨量[5]等；二是下墊面變化的影響，主要是土壤、覆被和坡長、坡度、坡面面積等地形因子[6]。目前針對單個影響因子對徑流產生過程的影響研究較多[7]，尤其是降雨強度、坡度[8]、土壤類別和草地[9-10]的研究。綜合針對各個因子之間的作用以及共同作用的綜合研究稍顯不足[11]，并且多為定性描述各個因子對侵蝕的影響程度[12]以定量的方法來確定不同因子在影響侵蝕產生的主要和次要因子以及相關程度，對有效控制土壤侵蝕，指導水土保持措施的合理配置具有重要意義[13]。灰色關聯法能夠反映數據進行不同初始化處理后對關聯度的影響，因此可以用來模擬各個因子的不同處理對侵蝕過程的影響。灰色關聯方法首次應用到林業行業是閆俊華等[14]采用灰色關聯法分析森林生態系統植被狀況對地表徑流系數的影響進行分析。李香云等[15]進行了不同植被類型對地表徑流影響的灰色關聯分析，以及張強等[16]進行了黃土區土質道路徑流水動力學參數的灰色關聯度分析。

本研究通過模擬降雨試驗，設置不同坡度、降雨強度和蓋度，對比分析了不同覆被減弱水土流失的效益，在此試驗基礎上，查閱文獻獲得大量人工降雨試驗數據，對不同土壤類型和控制條件下徑流和泥沙影響因子之間的灰色關聯度進行綜合分析，確定各個影響因子對徑流和泥沙的影響權重，為有效分析侵蝕過程和進行科學的水土保持措施配置提供科學參考和實踐[17]。

1材料與方法

1.1　試驗準備和布設

試驗在北京林業大學降雨大廳進行，降雨分布均勻度達到85%以上，坡面系統為可自由調節坡度的土槽，土槽規格為2 m×0.5 m×0.4 m，槽內回填北京市典型土壤褐土，取自北京市昌平區。土槽尾部設置V形收集口，用來收集形成的徑流和泥沙，底部打孔，使土壤水可以滲透出土槽外。其他3邊額外加10 cm高度，防止雨滴使侵蝕的泥沙濺出土槽之外，造成泥沙量的損失。按照設計容重分層回填土，設計試驗容重為1.34 g/cm3，每10 cm為1層，下面兩層分層填天然細沙，然后鋪一層紗布，上面裝試驗用土。裝土時要注意土面保持平整，每層裝完要刻意制造一定的地表糙度，防止土的滑移[18]；為保證試驗初始含水量相同，對坡面進行預降雨，待土壤達到飽和剛開始產流停止降雨，用塑料布蓋上靜置24 h保證試驗前期含水量相同用于降雨試驗[19]；降雨過程中，記錄產流時間，產流開始后前10 min每2 min收集一組徑流樣，以后每5 min收集一組徑流樣，量取徑流體積用于分析。

1.2　試驗設計

模擬降雨試驗選定試驗坡度為10°和20°，降雨強度選定30和60 mm/h，并確定枯落物、礫石和黑麥草(LoliumperenneL.)3種覆被種類，并分別設置20%，40%，60%，80%和100%這5個試驗蓋度，同時設置裸地作為空白對照，按照此控制條件，最后共進行試驗64場次。

(1) 黑麥草試驗設置。采用條帶狀種植的方法達到控制效果，黑麥草種植控制蓋度分別為0,20%,40%,60%,80%和100%，首先通過種業公司調查黑麥草在實際生產中種植的最大密度，將按照最優密度種植作為100%的蓋度，然后按照控制蓋度比例確定單位面積需要的黑麥草種子質量，將這些種子條帶狀均勻種植。

(2) 礫石試驗設置。礫石控制蓋度與黑麥草一致，試驗用礫石取自北京市鷲峰試驗林場，將礫石分別過6和20 mm直徑的方孔篩，選取直徑范圍在6～20 mm的礫石用于試驗，蓋度通過CAD勾圖法確定，選擇部分礫石隨機均勻的鋪在土表面，測量其蓋度，依據勾圖法確定的結果調整蓋度，直至蓋度符合試驗要求停止調整。

(3) 枯落物試驗設置。枯落物控制蓋度與黑麥草一致，選取鷲峰試驗林場風干狀態的人工栓皮櫟林的枯落物，枯落物覆被蓋度確定方法和礫石相同。

(4) 灰色關聯分析。試驗條件可控制是模擬降雨試驗的最大優勢，在實際生產當中徑流產生的影響因子對于控制土壤侵蝕的過程，防治水土流失有重要意義。為研究不同試驗因子對侵蝕影響程度的差異，采用灰色關聯分析法對徑流量和泥沙量產生影響因子進行研究分析，但是本試驗的試驗條件相對簡單，控制因子較少，為了分析更多的影響因子并且得到更準確的分析結果，進行灰色關聯分析時結合了王志偉[5]的模擬降雨試驗(對褐土和棕壤坡面在不同雨強和坡度條件下土壤侵蝕過程的研究)，王萬忠[20]的模擬降雨試驗(對黃土坡面在不同試驗條件下土壤侵蝕過程的研究)，田育新[3]的模擬降雨試驗(對紅壤坡面在不同試驗條件下土壤侵蝕過程的研究)，豐富了試驗條件，得到了對應的分析結果。

1.3　試驗方法

使用公式(1)計算減流效益[9]：

Lp=(Sf-Sp)/Sf×100%

(1)

式中：Lp——有覆蓋物時的減流效益；Sf——裸地土槽的產流量；Sp——有覆蓋物的土槽的產流量。

使用公式(2)計算減沙效益[9]：

Np=(Rf-Rp)/Rf×100%

(2)

式中：Np——有覆蓋物時的減沙效益；Rf——裸地土槽的產沙量；Rp——有覆蓋物的土槽的產沙量。

對不同土壤侵蝕影響因子進行灰色關聯分析。分析步驟為：

(1) 確定參考數列和比較數列。參數數列x0為徑流量，x1-8為各個因素的實際條件，分別為：土壤容重、土槽面積、坡長、坡度、降雨強度、降雨歷時、降雨量、覆被蓋度。

(2) 對原始數據進行轉換，消除量綱，轉換為可以比較的數據序列。

(i=0,1,2,…,8)

(3) 計算差序列，計算公式為：

求出兩級最大差和最小差。記為：

(4) 分辯系數δ=0.5，計算關聯系數γ0i(k)，公式為：

(5) 計算關聯度γ0i，計算公式為：

(6) 列出關聯序進行分析。

2結果與分析

2.1　不同覆被減流效益分析

各試驗條件下減流效益隨蓋度變化如圖1所示，對其數據進行統計檢驗，均達到顯著水平(取顯著水平為0.01)。

圖1為不同覆被和雨強條件下各小區的減流效益。由圖1可以看出，與裸地相比枯落物、礫石和黑麥草均具有明顯的抑制徑流產生效果，能夠有效地減少徑流量，3種覆被均表現為坡度較小、降雨強度較大時減流效益明顯。其中枯落物的減流效果最好，在坡度為10°，降雨強度60mm/h，蓋度為100%時減沙效益高達79.7%，能夠實現有效的水土保持效應。坡度為10°時礫石的平均減流效益優于黑麥草，坡度為20°時黑麥草的平均減流效益優于礫石。

圖1　不同覆被和雨強條件下各小區的減流效益

枯落物的減流效益隨著蓋度的增加而增加，當降雨強度變化時減流效益的增幅較大，說明降雨強度對徑流產生的影響較大，并且在坡度較小時減流作用更加明顯。在以上4種控制條件下，隨礫石蓋度從20%增加到100%減流效益增幅分別為19.7%，7.6%，3.4%，18.1%；黑麥草減流效益隨蓋度增加分別為17.3%，9.8%，12.7%，24.4%，均表現為在坡度10°，降雨強度為60 mm/h時礫石的減流作用最明顯。礫石表現為減流效益受坡度影響較大，而黑麥草表現為減流效益隨降雨強度變化較大，這主要是由于礫石減弱了雨滴動能，增加入滲，當降雨強度較大，礫石蓋度較大時，礫石的入滲增加效果不能很好地發揮，因此試驗過程中當礫石蓋度高于60%時，減流效益不再增加，反而呈現減小的趨勢。黑麥草在降雨強度為30 mm/h時也呈現出隨蓋度增加減流效益減小的趨勢，但不明顯。枯落物由于自身的截留作用較強，因而隨著枯落物量的加大，截留作用增強，因而減流效益增加。

2.2　不同覆被減沙效益分析

各試驗條件下減沙效益隨蓋度的變化如圖2所示。對其數據進行統計檢驗，均達到顯著水平(取顯著水平為0.01)。經過計算得出枯落物、礫石和黑麥草具有較強減沙作用，在坡度10°，降雨度30 mm/h，蓋度為100%時，枯落物的減沙效益高達98.8%，防蝕效果非常明顯。同時降雨強度和坡度也是影響坡面產沙的重要因素之一。由圖2可以看出，減沙效益隨蓋度的增加而增加，隨坡度和降雨強度的增加均呈現明顯增大的變化趨勢。

枯落物隨蓋度增加減沙效益增加趨勢明顯，增幅最大是坡面20°，降雨強度60 mm/h，蓋度從20%增加到100%減沙效益共增加54.9%，礫石增幅最大在20°降雨強度30 mm/h時，增幅為37.4%。而黑麥草增幅最大出現在條件10°，降雨強度60 mm/h時，增幅為55.4%。3者相比較枯落物蓋度增加對減沙作用影響最大，枯落物的減沙作用最強，在坡度10°降雨強度30 mm/h時可達到減沙98.2%，既發揮了其自身的截留作用，又能夠有效減弱雨滴動能，減少土壤侵蝕，防止水土流失。黑麥草的減沙效益也較高，在坡度10°，降雨強度30 mm/h時可減沙88.1%，這是由于黑麥草根系較細，在生長初期不會破壞土壤本身的結構，同時能夠對土壤形成很好的團聚作用，增強土壤團聚體的形成，提高土壤抗沖蝕能力。3者之中礫石的減沙效益最差，其減沙效益平均為47.2%，最大減沙效益為64.6%，但也能夠達到很好的水土保持效果。3種覆被的最大效益出現條件均為坡度10°，降雨強度30 mm/h，這主要是由于坡度和降雨強度較小時坡面流速較慢，坡面流對土表產生的剪切力較弱，同時流速慢則坡面流流經整個坡面的時間較長，增加了土壤入滲作用，都可以減少產流和產沙，減弱土壤侵蝕。

圖2　不同覆被和雨強條件下的減沙效益

2.3　侵蝕影響因子灰色關聯分析

影響坡面土壤侵蝕過程的因素很多，研究這些因子對侵蝕的影響權重大小，對有效控制水土流失，保護生態環境意義重大。隨著灰色關聯度的增大，比較數列與參數數列的發展趨勢越接近，也可以說比較參數對參考數列的影響就越大。即某侵蝕影響因子的灰色關聯度越大，該因子對侵蝕的影響越大，選擇徑流量和泥沙量表示侵蝕量。

從表1—2的關聯度可以看出，所選擇的影響因子對徑流量和泥沙量的影響較大，關聯度均在0.613以上，并且對于不同的土壤，影響因子與徑流量以及泥沙量的關聯度和關聯序存在差異，但是差異不顯著。黃土、褐土、紅壤和棕壤這4種土壤的降雨強度、降雨量與徑流的灰色關聯度均較大(表1)，但是4種土壤中對泥沙量影響較大的影響因素是降雨強度和降雨量(表2)，在黃土區降雨強度與徑流的關聯度甚至高達1.00，說明強度是影響黃土地區徑流最重要的因子。這是因為降雨不僅是產生徑流的原因，也是徑流的來源，大量的研究都發現，降雨強度越大，雨滴的中徑越大，更利于產生徑流。在降雨強度和其他條件一定時，徑流量和泥沙量的大小就主要取決于降雨量。

對徑流影響關聯結果中坡度和植被的蓋度關聯序分別為第3和第4，只有在黃土地區覆被覆蓋因子排在坡度前，覆被蓋度關聯序為第3，坡度為第3。這主要是因為黃土本身多孔，入滲性好，入滲是影響產流的重要因子，入滲量直接決定徑流量的多少，而覆被主要通過影響雨滴能力和入滲來影響徑流的產生，因此覆被對黃土產生徑流的影響比坡度大。但是褐土和棕壤條件下，覆被蓋度對泥沙量影響較小，關聯序均為第8，這是由于覆被蓋度對泥沙的產生干擾較大，較小蓋度覆被即可對泥沙的產生造成很大干擾，因此蓋度增加過程對泥沙產生較小。坡長和土槽面積對徑流和泥沙的產生影響相同，降雨歷時和土壤容重對不同土壤產生徑流和泥沙的影響差異明顯，對褐土和棕壤影響較大，對黃土和紅壤影響相對較小。

表1　徑流量影響因子構成的關聯度及關聯序

表2　泥沙量影響因子構成的關聯度及關聯序

3結 論

(1) 枯落物、礫石和黑麥草均具有良好的減流減沙效益，效益大小排序為：枯落物>黑麥草>礫石，枯落物減流效益最大為79.7%，減沙效益最大為98.8%，平均減流減沙效益分別為46.1%和65.5%。黑麥草最大減沙效益達到68.9%，礫石最大減沙效益為68.0%。

(2) 黑麥草的減流效果存在臨界蓋度，其值在60%左右，當蓋度太大時其減流效益不再增加；減沙效益隨著蓋度增加而增加。

(3) 經過灰色關聯定量分析得出，對于不同種類的土壤，影響因子與徑流量和泥沙量的關聯度和關聯序均存在差異；降雨強度和降雨量是對泥沙量影響較大的因素，降雨強度、降雨量、覆被蓋度和坡度是對徑流量影響較大的4個因素。

(4) 本試驗過程只涉及單一覆被，未對兩種覆被或兩種以上覆被組合進行減流減沙效益試驗，且收集的枯落物均為未分解枯落物，沒有模擬自然環境中的半分解以及分解狀態枯落物，需要今后做進一步研究。

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Reduction Benefits of Different Land Cover on Runoff-Sediment and Its Erosion Factors Under Simulated Rainfall

SUN Jiamei, YU Xinxiao, LIANG Hongru, CHANG Yu

(KeyLab.ofSoil&WaterConservationandDesertificationCombatingofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：[Objective] To explore the effect of different rainfall intensity and slope gradient under the conditions of different cover on runoff and sediment reduction effect, and to quantitative determine the weight of erosion influence factors. [Methods] Use the methods of artificial rainfall and gray correlation analysis.[Results] (1) Compared with bare land, the slope with litter, gravel and ryegrass had a good effect on runoff and sediment reduction, reducing the flow of benefits to a maximum of 79.7%, the average current reducing benefits was 46.1%. Followed by ryegrass, with maximum flow reducing benefits of 68.9%. The third is gravel, with maximum flow reducing benefits of 68%. (2) Ryegrass flow reducing effect exists critical coverage, its value was in the 60% or so, when the coverage was more than 60% after the current reducing benefits, no longer increased. (3) Sediment reduction effect increased with the increase of coverage, the biggest sediment reduction effect of the litter, gravel and lawn were 98.8%, 64.6% and 88.1% respecitively. (4) Through gray correlation quantitative analysis on selected 8 influence factors and runoff had high correlation, correlation degree was more than 0.622 3. [Conclusion] The different test conditions and different cover on runoff and sediment yield had significant effect, the rainfall intensity and rainfall is larger on the factors affecting sediment yield, rainfall intensity, rainfall, cover and slope were 4 factors which had greater influence on runoff, the influence of correlation degree and correlation factors and runoff and sediment sequence for different types of soil.

Keywords:simulated rainfall; runoff; sediment; grey correlation

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0046-06

中圖分類號：S157.1

通信作者：余新曉(1961—),男(漢族),甘肅省平涼市人,博士,教授,主要從事森林水文和水土保持方面的研究。E-mail:yuxinxiao11@126.com。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-04-11
資助項目：國家自然科學基金“基于穩定同位素的典型森林生態系統水、碳過程及其耦合機制研究”(41430747)； 國家林業局林業公益性行業科研專項 (20130430104)
第一作者：孫佳美(1990—),女(漢族),河北省張家口市人,碩士研究生,研究方向為水土保持。E-mail:sunkami@yeah.net。