不同上方來水模式下工程堆積體坡面的植被調控

婁永才，高照良,，李永紅,，齊星圓，張 恒，陳 卓，蘇 媛，馮志倩

不同上方來水模式下工程堆積體坡面的植被調控

婁永才1，高照良1,2※，李永紅1,2，齊星圓1，張 恒1，陳 卓1，蘇 媛2，馮志倩1

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

為揭示植被格局對工程堆積體坡面水沙調控的影響，采用野外模擬徑流沖刷試驗，分析了4種上方來水模式（均勻型、峰值前型、峰值中型和峰值后型）下坡面5種覆草格局（裸坡、坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局）的侵蝕特征。結果表明：水流功率與土壤剝蝕率之間相關性最高且呈極顯著冪函數關系（2=0.47～0.72，<0.01），是描述堆積體侵蝕動力機制的最優參數。植被格局的減流效益在12.23%～49.62%之間，減沙效益在12.92%～80.54%之間，減沙效益高于減流效益；帶狀和坡頂聚集格局的平均減流減沙效益分別為43.87%、58.09%和30.55%、54.41%，顯著優于其他植被格局，在治理堆積體水土流失時應優先考慮這兩種植被格局。植被格局下侵蝕泥沙中砂粒含量較對照小區減小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被對砂粒的攔截效果顯著；侵蝕泥沙顆粒體積分形維數主要由黏粒體積分數決定，兩者呈極顯著線性相關關系（2=0.90，<0.01）。植被格局的砂粒富集率較對照小區相對減小，黏粒富集率相對增加，體積分形維數增大；侵蝕泥沙中黏粒和砂粒遷移方式以團粒為主，粉粒則以單粒為主。該研究可為工程堆積體水土流失植被防控措施的配置提供參考。

土壤；侵蝕；植被；上方來水模式；土壤顆粒；分形維數；工程堆積體

0 引 言

棄土棄渣和人為擾動地面是生產建設項目新增水土流失的主要來源，其中由棄土棄渣堆置形成的工程堆積體產生的水土流失引發廣泛關注。與原地貌相比，工程堆積體具有物質組成復雜、土體結構性差、坡度陡、抗蝕和抗沖性弱等特點導致其在降雨或上方來水條件下極易發生水土流失，從而危害區域生態環境健康，引發環境災害。

工程堆積體通常由平臺和坡面兩部分組成，平臺是降雨時徑流的主要匯集區，其匯集的上方來水是誘發堆積體坡面土壤侵蝕的主要原因，因為上方來水是坡面徑流能量傳遞和泥沙輸移的載體，它從根本上改變了坡面下部的水文輸入條件，調節了徑流侵蝕力的分配[1]，改變了坡面土壤侵蝕的發展過程，加劇了坡面土壤侵蝕程度。目前，多采用室外或室內放水沖刷的方式模擬上方來水對坡面土壤侵蝕的影響，雖然在上方來水對坡面土壤水分再分布[2]、淺溝侵蝕[3-5]、土壤侵蝕過程[6-8]、水動力學參數[9-11]等的影響方面取得了不錯的研究成果，但大多都是基于恒定上方來水（恒流）條件下，且未考慮降雨徑流時空格局變化對坡面侵蝕的影響，對非恒定（變流）條件下坡面徑流侵蝕響應研究較少，從而不利于深入理解上方來水模式對坡面侵蝕過程的調控。

植被作為生物措施能夠削弱降雨或地表徑流侵蝕、增加入滲量和減少徑流量、提高土壤的抗沖和抗蝕性等被認為是防治土壤侵蝕的根本措施。研究表明，調整植被結構可以有效改善土壤性狀和減輕土壤侵蝕，但不合理的植被格局則可能會加劇土壤侵蝕或者水土流失的發生[12]，且不同植被空間格局也是造成坡面土壤侵蝕差異性的一個重要因素[13-15]。雖然目前許多研究涉及到坡面侵蝕產沙的植被格局變化響應[16-18]，但限于“格局-過程”這一地學和生態學領域前沿問題的復雜性，以及侵蝕產沙變化中多因素耦合作用的特點，植被格局對侵蝕產沙的影響目前仍不明確[19]：缺乏植被格局調控洪峰量的效益量化；植被格局對不同上方來水模式的調控最佳模式不清；不同植被格局下侵蝕泥沙顆粒分形與分選特征不清。

鑒于此，本文通過模擬徑流沖刷試驗對不同植被格局下工程堆積體邊坡侵蝕特征進行對比研究，明確植被格局對不同上方來水模式條件下工程堆積坡面水沙調控的影響，闡述不同植被格局下工程堆積體坡面侵蝕泥沙顆粒分布和分選特征，以期為工程堆積體邊坡水土流失的措施配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗小區概況

本試驗在中國科學院水利部水土保持研究所楊凌嶺后試驗站（34°19′24″N，107°59′36″E）室外進行。試驗區土壤類型為塿土，試驗小區修筑在工程開挖坡面上，開挖面土壤母質為馬蘭黃土，小區覆土為工程開挖產生的棄土。試驗小區長20 m，寬1 m，覆土厚0.5 m。小區覆土土壤質地為壤質黏土，土壤顆粒粒徑0.1～2.0，0.05～0.1，0.02～0.05，0.01～0.02，0.005～0.01，0.002～0.005和<0.002 mm含量依次為4.08%，6.94%，27.71%，17.91%，8.64%，7.16%和27.56%。試驗采用放水沖刷的方式，利用恒壓供水以保證溢流槽出流均勻（圖1），通過調節閥與水表配合進行流量率定，通過穩流槽獲得平穩、恒定的出流。試驗小區及模擬徑流放水裝置示意圖見圖1。

1.2 試驗設計與過程

根據試驗區20年一遇最大暴雨強度，并結合前期預試驗的結果，在放水總量一致的情況下（900 L），試驗設計4種上方來水模式（圖2）：均勻型、峰值前型、峰值中型和峰值后型，以間接反映降雨的時間分布特征和下墊面條件對匯流過程的影響。4種來水模式平均放水流量均為20 L/min，放水沖刷過程分為前、中、后3個階段，每個階段持續15 min，場次放水沖刷時間為45 min。根據已有研究設計試驗邊坡坡度為32°[20]，人工草皮覆蓋度為50%[21-22]。草皮鋪設后進行為期一周的養護，草皮在坡面的空間配置設計4種：坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局，植被面積為10 m2（1塊×10 m×1 m；10塊×1 m×1 m），設計一個對照小區作為比較，試驗共40場（重復2次）。

1.蓄水桶 2.水閥 3.恒壓桶 4.溢流管 5.流量計 6.溢流槽 7.觀測斷面 8.坡度 9.試驗小區 10.集流桶

a. 均勻型a. Constantb. 峰值前型 b. Earlier peakc. 峰值中型c. Medium peakd. 峰值后型d. Later peak

試驗小區布置如圖3所示，在試驗小區設置5個觀測斷面，間隔為4 m。為控制各小區土壤容重和含水率基本一致，每次試驗開始前人為對坡面進行整平、壓實，并在試驗前24 h對坡面均勻灑水，直到坡面即將產流并用塑料薄膜覆蓋。試驗開始前，用環刀取5個不同觀測斷面0～20 cm深土壤，測得土壤容重介于1.15～1.32 g/cm3，均值為1.25 g/cm3，土壤質量含水率為21.40%～24.29%，均值為22.25%；率定放水流量3次，以保證實際上方來水量與設計值之間的誤差不超過5%。試驗從有徑流流出小區時開始計時，試驗前6 min內每隔2 min測量一次溝寬、溝深、流速、流寬和水深，后隔3 min測量一次，同時用1 000 mL（精度為1 mL）的采樣瓶收集徑流泥沙樣品并記錄采樣時間，先用電子稱（精度為0.01 g）稱取徑流泥沙樣品質量，后將所接徑流泥沙樣品在105℃烘箱內進行烘干并用電子稱（精度為0.01 g）稱取泥沙質量；用100 mL泥樣瓶（精度1 mL）收集泥沙樣品，用于侵蝕泥沙顆粒分析。溝寬、溝深和流寬采用鋼尺（精度為1 mm）測量。流速采用電解質薄層水流測定儀（JZ-NB1710）和傳統染色法相結合的方法測定，測距為2.5 m，兩種方法取平均值作為流速實測值，流速乘以校正系數0.75作為斷面平均流速。水深采用精度為0.01 mm的SX40-1型水位測針測定。采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀分析泥沙顆粒，分別測定侵蝕泥沙顆粒的有效粒徑和原始粒徑各粒徑含量，利用侵蝕泥沙顆粒分形維數來表征不同上方來水模式和植被格局下坡面侵蝕變化。

1.3 數據計算

1）土壤剝蝕率（D）：坡面流在單位時間內單位面積上所剝蝕的土壤質量。

1.對照小區 2.坡頂聚集格局 3.坡中聚集格局 4.坡底聚集格局 5.帶狀

2）水流剪切力()：坡面流在流動過程中造成土壤剝蝕的力。

式中為水流剪切力，Pa；為渾水密度，kg/m3；為重力加速度，9.8 m/s2；為水力半徑，m；為水力坡度，m/m。

3）水流功率()：作用于單位面積水流消耗的功率

式中為水流功率，N/(m·s)；為水流平均流速，m/s。

4）單位水流功率（）：單位質量水體勢能隨時間的變化率。

式中為單位徑流功率，m/s。

5）過水斷面單位能量（）：以過水斷面最低點作為基準面的單位水重的動能和勢能之和。

式中為斷面單位能量，cm；為水深，cm；為校正系數，取1。

6）土壤顆粒分形維數：采用王國梁等[23]提出的體積分形維數，計算公式如下

本文利用 Excel 2010 和 SPSS 23.0 進行數據統計和分析，采用方差分析（ANOVA）和最小差異顯著法（LSD）比較不同處理間的差異性（＜0.05）。利用 Origin 8.6 進行數據繪圖。

2 試驗結果與分析

2.1 植被格局對堆積體坡面流侵蝕動力的影響

土壤剝蝕率是土壤參數和水力參數的函數，其能夠量化土壤侵蝕，是土壤侵蝕預報模型中非常重要的參數。水流剪切力、水流功率、單位水流功率和過水斷面單位能等常被用來刻畫堆積體坡面土壤侵蝕動力過程。利用SPSS23.0將所有場次的土壤剝蝕率與水流剪切力、水流功率、單位水流功率和過水斷面單位能分別進行回歸分析，其關系式見表1、2。

表1 不同植被格局下土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的關系

注：**表示相關性極顯著（<0.01），=64，下同。

Note: ** indicates that the correlation is extremely significant (<0.01),=64,the same below。

表2 不同植被格局下土壤剝蝕率與單位水流功率和過水斷面單位能的關系

由表1可知，土壤剝蝕率（D）與水流剪切力（）和水流功率（）之間均呈極顯著的冪函數關系（坡底聚集時除外）。對照小區的土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的方程擬合指數分別為0.619和0.890，均小于1，根據冪函數性質，表明隨著水流剪切力和水流功率的增大，土壤剝蝕率增加幅度逐漸下降，即坡面剝蝕發生的頻率趨于弱化，這主要是因為隨著沖刷歷時的延長，一方面坡面可供侵蝕的物質逐漸減少，另一方面坡面細溝發育成熟，徑流率達到穩定階段，徑流侵蝕力和土壤的抗蝕力逐漸達到相對均衡的狀態，因此土壤剝蝕率增加幅度逐漸下降直至穩定。坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局的土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的方程擬合指數總體上均大于1，表明隨著徑流剪切力和水流功率的增大，坡面土壤剝蝕率增加的幅度逐漸增加，原因在于侵蝕過程中的“源-匯”轉變機制使得草皮覆蓋的坡面在產流后期控蝕減沙效果存在逐漸減弱的現象，導致其土壤剝蝕率后期呈逐漸上升的趨勢。

由表2可知，土壤剝蝕率（D）與單位水流功率（）之間均呈極顯著的二次函數關系，與過水斷面單位能（）之間均呈極顯著冪函數關系。對比表1、2可以看出各植被格局下水流功率與土壤剝蝕率的相關性均大于過水斷面單位能、單位水流功率和水流剪切力，表明水流功率是描述堆積體侵蝕動力機制的最優參數。

2.2 植被格局對堆積體坡面土壤侵蝕的減流減沙效益

試驗條件下，將所有場次下的峰值流量、徑流量、峰值泥沙量及泥沙量和對照小區進行比較并進行差異性檢驗，量化植被格局對堆積體坡面土壤侵蝕的減流減沙效益，見表3。

表3 不同植被格局下工程堆積體坡面徑流量、產沙量及其減小幅度

注：不同小寫字母表示同一植被格局不同上方來水類型差異顯著(<0.05)；不同大寫字母表示同一上方來水類型不同植被格局差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05) between each Inflow rate pattern under the same vegetation pattern, different capital letters indicate significant difference (<0.05) between each vegetation pattern under the same upslope runoff pattern.

由表3可知，不同上方來水模式下，對照小區峰值流量變化介于15.87～30.15 L/min，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局峰值流量較對照小區減小幅度分別介于8.89%～33.27%、7.16%～38.44%、8.66%～33.99%和36.19%～48.65%，表明布設草皮能明顯削弱堆積體坡面峰值流量。同一植被格局下，峰值前型、中型和后型所對應的峰值流量并無顯著差異；同一上方來水模式下，對照小區和帶狀格局對應的峰值流量存在顯著差異。對照小區徑流量變化分別介于615.75～757.42 L，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局徑流量變化分別介于346.71～529.08、317.30～659.88、436.94～542.95和310.18～464.49 L，徑流量均顯著小于對照小區，表明布設草皮能有效增加堆積體坡面流運動阻力，增加坡面入滲量，從而減少堆積體坡面產流量。同一植被格局下，不同上方來水模式間的徑流量并無顯著差異；同一上方來水模式下，對照小區與坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局對應的徑流量存在顯著差異。

由表3可知，不同上方來水模式條件下，對照小區峰值泥沙量變化介于6.69～12.66 kg/min，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局峰值泥沙量較對照小區減小幅度分別介于45.61%～63.11%、10.90%～55.75%、3.73%～35.07%和21.05%～72.66%，對比峰值流量，發現植被格局對峰值泥沙量的影響要大于對峰值流量的影響。同一植被格局下，均勻型和峰值前型對應的峰值泥沙量存在顯著差異；同一上方來水模式下，坡頂聚集和帶狀格局間的峰值泥沙量并無顯著差異。對照小區產沙量變化分別介于174.48～195.06 kg，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局產沙量變化分別介于68.14～105.24、71.81～128.81、97.59～169.86和37.95～100.83 kg，產沙量均顯著小于對照小區，表明草皮的存在能在一定程度上改良土壤結構，提高土壤的抗蝕性，從而有效減小堆積體坡面產沙量。同一植被格局下，不同上方來水模式間的產沙量并無顯著差異；同一上方來水模式下，坡頂聚集和帶狀格局對應的產沙量并無顯著差異。

試驗條件下，以對照小區為參考，不同上方來水類型下，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局的產流量平均減小幅度分別為30.55%、22.85%、26.21%和43.87%，產沙量平均減小幅度為54.41%、45.30%、32.14%和58.09%，可以看出植被格局的減沙效益要高于其減流效益，帶狀格局和坡頂聚集的平均減流減沙效益較好，因此在治理堆積體水土流失時應重點考慮這兩種植被格局。由表3還可以看出均勻型上方來水模式下，植被格局的減流減沙效益明顯高于其他3種來水模式。

2.3 植被格局下堆積體坡面侵蝕泥沙顆粒粒徑分布和分形特征

侵蝕泥沙顆粒組成經常被用于描述土壤質地狀況和結構性質，是土壤最基本的物理屬性之一，對侵蝕泥沙顆粒組成的分析有助于深入了解土壤侵蝕機制。試驗條件下，上方來水模式和植被格局侵蝕泥沙平均顆粒粒徑分布和分形特征見圖4和表4，由圖4及表4可知，無論上方來水模式及植被格局如何變化，侵蝕泥沙顆粒組成中粉粒所占體積分數始終最大，集中在59.29%～62.44%；黏粒次之，集中在32.38%～38.79%，砂粒最小，集中在1.85%～6.49%。由圖4可知，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局下砂粒含量較對照小區減小了18.79%～35.80%，黏粒含量較對照小區增加了3.56%～10.69%，表明植被對砂粒的攔截效果顯著，原因在于植被的存在能夠削弱坡面流侵蝕動力，減緩徑流流速，使得徑流挾沙能力下降，對大顆粒泥沙的搬運能力弱于小顆粒。研究表明，土壤中黏粒含量越多，土壤膠體越豐富，吸附性能越強，所吸附的土壤養分就越豐富，植被格局下坡面黏粒含量增加，表明土壤對水分、養分的保蓄能力增強，從而有利于坡面植被的恢復。峰值前、中和后型條件下砂粒含量較均勻型增加了14.45%～58.41%，黏粒含量較對照小區減小了3.27%～4.27%，表明在放水總量一致的條件下，流量峰值的存在對侵蝕泥 沙中砂粒的影響要顯著高于黏粒，原因在于流量峰值的出現使得坡面流流速突變性增大，徑流挾沙能力增強，對大顆粒泥沙的搬運能力增強，而對小顆粒泥沙影響相對較小。

圖4 上方來水模式和植被格局侵蝕泥沙顆粒體積分數分布

表4 上方來水模式和植被格局下侵蝕泥沙顆粒分布及分形維數

土壤顆粒分形維數能夠反映土壤結構、土壤屬性和肥力以及土壤退化程度等。由表4可知，除坡頂聚集在峰值前型條件下外，對照小區分形維數均小于坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局。將體積分形維數分別與侵蝕泥沙顆粒各粒級體積分數進行擬合，由圖5可知，體積分形維數與黏粒積分數之間呈極顯著的線性正相關關系，與粉粒和砂粒體積分數之間呈顯著線性負相關關系，相關性系數表現為：黏粒（0.95）>砂粒（0.71）>粉粒（0.60），表明黏粒體積分數越高分形維數越大，砂粒體積分數越大分形維數越小。試驗條件下，各植被格局分形維數大于對照小區表明侵蝕泥沙中黏粒比例上升，砂粒比例下降，再次證明植被對大顆粒泥沙的攔截效果要強于細顆粒泥沙。

圖5 侵蝕泥沙黏粒、粉粒和砂粒體積分數與分形維數的關系

Fig.5 Relationship between fractal dimension and contents of clay, silt and sand

2.4 植被格局下堆積體坡面侵蝕泥沙分選特征

為進一步了解在不同上方來水模式和植被格局下堆積體坡面土壤侵蝕過程以及侵蝕泥沙顆粒的分選過程和特性，采用富集率（ER）的概念來描述坡面土壤侵蝕過程中侵蝕泥沙不同粒級顆粒被遷移的難易程度，采用團聚率（AR）的概念來反映坡面徑流搬運不同粒級的侵蝕泥沙顆粒的方式。ER>1表明某一特定粒級在侵蝕過程中發生了富集，ER<1則表明某一特定粒級在侵蝕過程中發生了沉積；AR=1表明侵蝕泥沙顆粒以單粒的形式被搬運，AR≠1表明侵蝕泥沙顆粒以團粒的形式被搬運。

由表4可知，不同上方來水模式和植被格局下黏粒和粉粒的ER總體上均大于1，表明在坡面土壤侵蝕過程中黏粒和粉粒更容易被侵蝕并發生富集；砂粒的ER均小于1，表明在坡面土壤侵蝕過程中砂粒不易被侵蝕并發生沉積。與對照小區相比，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局砂粒的平均值減小了18.52%、35.80%、18.52%和22.22%，原因在于植被對侵蝕泥沙中大顆粒具有較強的機械攔擋作用導致其ER普遍小于對照小區。

不同上方來水模式和植被格局下黏粒的AR均小于1，砂粒的AR均大于1，表明在坡面土壤侵蝕過程中黏粒和砂粒以團粒的形式被搬運；粉粒AR均在1附近波動，表明植被格局和上方來水模式的變化對粉粒的搬運形式影響不顯著，在坡面土壤侵蝕過程中以單粒的形式被搬運。對照小區砂粒的AR均小于坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局，表明對照小區侵蝕泥沙中團聚體含量最少，顆粒破碎程度高，原因在于裸露坡面下坡面流流速快，水流剪切力大對土壤團聚體破壞性強，而植被小區由于植被對坡面流的消能作用，使得水流剪切力減弱對土壤團聚體的破壞性也較小。

3 討 論

本文采用模擬徑流沖刷試驗對比分析了不同上方來水類型下植被格局對堆積體坡面土壤侵蝕的影響，結果表明：與均勻型相比，流量峰值的變化能顯著增加堆積體坡面峰值流量和產流量，這與David[24]研究結果相類似；對表3中產流量與上方來水類型和植被格局進行雙因素方差分析，結果表明植被格局=13.01>上方來水模式=8.24，說明植被格局對產流量的影響顯著大于上方來水類型，原因在于當放水流量增加或者流量峰值變化時，不同格局植被間的微地貌連通性被阻斷，坡面流速突變性增大，對坡面產流率的影響將會完全取決于植被對徑流的分散能力、對徑流路徑的改變，以及植被間的相對位置是否與徑流路徑一致。與均勻型相比，流量峰值的變化能顯著增加堆積體坡面峰值泥沙量和產沙量，這與An等[25]、Parsons和Stone[26]研究結果相類似，因為流量峰值的變化能夠影響坡面侵蝕的“剝離-遷移”過程，從而影響坡面土壤侵蝕總量[27]；對表3中產沙量與上方來水模式和植被格局進行雙因素方差分析，結果表明植被格局=12.48>來水模式=1.39，說明植被格局對產沙量的影響顯著大于上方來水類型，植被對坡面土壤侵蝕的影響主要是通過兩個方面[28]：一是植被的地上部分能夠增加坡面粗糙度，減緩坡面流流速，增加坡面入滲量，降低徑流動能；二是植被的地下部分能在一定程度上提高土壤的抗蝕性和抗沖性。

試驗條件下，帶狀格局和坡頂聚集的平均減流減沙效益顯著優于其他植被格局，但游珍等[29]和李強等[30]研究發現坡下格局的水土保持效果要優于其他植被格局，分析出現差異性的原因是：本試驗下墊面是陡坡松散工程堆積體，后者是緩坡自然荒地，兩者下墊面條件不同導致其坡面侵蝕存在差異性；與降雨坡面產流的“點產流”不同，放水沖刷坡面產流是“面產流”，兩者的不同導致其坡面水文過程存在差異性[31]；降雨條件下，緩坡地坡面匯流需要一定的匯水時間和坡長，坡下部往往徑流強度大，侵蝕嚴重，而工程堆積體由于上方匯水強度大，導致其與坡面其他部位相比侵蝕最為嚴重[32-33]。

目前常用力學參數和能量參數來刻畫堆積體坡面土壤侵蝕過程，并取得了不錯的研究成果，但由于試驗設計及觀測手段的不同，導致研究結果存在差異性，究竟是力學參數還是能量參數能夠更好的用于描繪坡面土壤侵蝕動力過程還有待進一步的研究，此外也沒有證據能直接表明某一水動力學參數在描繪土壤侵蝕過程中更優于其他參數[34]。本試驗條件下，土壤剝蝕率與水流功率整體上均呈極顯著冪函數關系，表明水流功率能夠用于預測堆積體坡面土壤侵蝕過程，與傳統的線性相關關系[35-37]不同，原因可能在于植被格局和流量峰值的存在改變了下墊面微地貌及侵蝕動力條件，使得擬合關系式不再是單純的線性關系。此外，擬合方程式的相關性系數不高，可能是因為植被對徑流能量的消耗及流量峰值的變化。

與對照小區相比，植被格局和上方來水模式對侵蝕泥沙顆粒中砂粒的影響要大于黏粒和粉粒，原因在于泥沙顆粒起動所需的水流拽引力與泥沙顆粒大小成反比，流量峰值的變化使得坡面徑流動能增加，從而使能夠侵蝕-搬運的泥沙大顆粒含量顯著增加，而對細顆粒泥沙影響較小；植被格局改變了坡面徑流流路及流速時空分布，使得徑流挾沙能力下降，在其機械攔擋作用下，使得搬運的泥沙大顆粒含量顯著降低，而對泥沙細顆粒影響不顯著。體積分形維數與黏粒、粉粒、砂粒體積分數均呈線性相關關系，且擬合度表現為：黏粒>砂粒>粉粒，表明侵蝕泥沙中細顆粒含量越多其體積分形維數越大，反之則相反，與楊帥等[38]和馬云等[39]的研究結果相一致。上方來水模式和植被格局改變了坡面徑流流路和流速，使得徑流侵蝕動能發生不同程度的變化，從而對侵蝕泥沙顆粒遷移的難易程度和遷移方式造成影響。

工程堆積體坡面土壤侵蝕受多種因素的影響，但受野外放水沖刷條件、時間和資金等的限制，本研究只分析了不同植被格局和上方來水模式對坡面土壤侵蝕過程的影響，未考慮不同坡度、坡長條件下坡面侵蝕特征變化，在今后的研究中，應通過增加坡長、坡度等變量進一步研究上方來水模式、植被格局、坡長、坡度等因素及其相互作用與坡面土壤侵蝕之間的關系，為工程堆積體植物措施的優化配置及侵蝕預報模型的建立提供理論參考。

4 結 論

1）水流功率與土壤剝蝕率之間相關性最高且總體上呈極顯著冪函數關系，與其他參數相比水流功率是描述堆積體侵蝕動力機制的最優參數。

2）植被格局的減流效益介于12.23%～49.62%之間，減沙效益介于12.92%～80.54%之間，減沙效益高于減流效益；帶狀和坡頂聚集格局的平均減流減沙效益顯著優于其他植被格局，在治理堆積體水土流失時應優先考慮這兩種植被格局。

3）植被格局下侵蝕泥沙中砂粒含量較對照小區減小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被對砂粒的攔截效果顯著；侵蝕泥沙顆粒體積分形維數主要由黏粒體積分數決定，兩者呈極顯著線性相關關系，分形維數可以作為植被格局對侵蝕泥沙顆粒粒級分布的評價指標。

4）植被格局下的砂粒富集率較對照小區減小，黏粒富集率相對增加；侵蝕泥沙中黏粒和砂粒遷移方式以團粒為主，粉粒則以單粒為主。

[1]張樂濤，高照良，李永紅，等. 黃土丘陵區堆積體邊坡對上方來水的侵蝕響應[J]. 水科學進展，2015，26(6)：811－819. Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Downslope erosion response of engineered landform to upslope runoff in loess hilly region[J]. Advances in Water Science, 2015, 26(6): 811－819. (in Chinese with English abstract)

[2]陳洪松，邵明安，王克林. 上方來水對坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響[J]. 水科學進展，2005，16(2)：233－237. Chen Hongsong, Shao Ming`an, Wang Kelin. Effects of runoff from upslope on rainfall infiltration and soil water redistribution at a planar slope[J]. Advances in Water Science, 2005, 16(2): 233－237. (in Chinese with English abstract)

[3]郭軍權，劉敏，王文龍. 上方來水對淺溝侵蝕產沙的野外放水沖刷試驗研究[J]. 水土保持學報，2012，26(3)：49－52. Guo Junquan, Liu Min, Wang Wenlong. Experimental study on upslope runoff effects on ephemeral gully erosion processe[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(3): 49－52. (in Chinese with English abstract)

[4]車小力，王文龍，郭軍權，等. 上方來水來沙對淺溝侵蝕產沙及水動力參數的影響[J]. 中國水土保持科學，2011，9(3)：26－31. Che Xiaoli, Wang Wenlong, Guo Junquan, et al. Effects of up-slope runoff and sediment on ephemeral gully erosion sediment and hydraulic parameters[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2011, 9(3): 26－31. (in Chinese with English abstract)

[5]康宏亮，王文龍，薛智德，等. 沖刷條件下黃土丘陵區淺溝侵蝕形態及產流產沙特征[J]. 農業工程學報，2016，32(20)：161－170. Kang Hongliang, Wang Wenlong, Xue Zhide, et al. Erosion morphology and runoff generation and sediment yield on ephemeral gully in loess hilly region in field scouring experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(20): 161－170. (in Chinese with English abstract)

[6]Li Guifang, Zheng Fenli, Lu Jia, et al. Inflow rate impact on hillslope erosion processes and flow hydrodynamics[J]. Soil Science Society of America Journal, 2016, 80(3): 711-719.

[7]馬美景，王軍光，郭忠錄，等. 放水沖刷對紅壤坡面侵蝕過程及溶質遷移特征的影響[J]. 土壤學報，2016，53(2)：365－374. Ma Meijing, Wang Junguang, Guo Zhonglu, et al. Research on sediment and solute transport on red soil slope under simultaneous in fluence of scouring flow[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(2): 365－374. (in Chinese with English abstract)

[8]江長通，王銀梅，胡乾亮，等. 黃土邊坡沖刷過程及影響因素分析[J]. 水土保持學報，2015，29(4)：14－17. Jiang Changtong, Wang Yinmei, Hu Qianliang, et al. Analysis of erosion process of loess slope and its influencing factors[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(4): 14－17. (in Chinese with English abstract)

[9]丁文斌，史東梅，何文健，等. 放水沖刷條件下工程堆積體邊坡徑流侵蝕水動力學特性[J]. 農業工程學報，2016，32(18)：153－161. Ding Wenbin, Shi Dongmei, He Wenjian, et al. Hydrodynamic characteristics of engineering accumulation erosion under side slope runoff erosion process in field scouring experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 153－161. (in Chinese with English abstract)

[10]Tian Pei, Xu Xinyi, Pan Chengzhong, et al. Impacts of rainfall and inflow on rill formation and erosion processes on steep hillslopes[J]. Journal of Hydrology, 2017, 548: 24－39.

[11]張翔，高照良，袁雪紅，等. 工程堆積體坡面細溝流水力學參數特性研究[J]. 泥沙研究，2016(4)：34－40. Zhang Xiang, Gao Zhaoliang, Yuan Xuehong, et al. Study on hydraulic parameters of rill flow on slopes of engineering accumulation[J]. Journal of Sediment Research, 2016(4): 34－40. (in Chinese with English abstract)

[12]Youssef Feras, Visser Saskia M, Karssenberg Derek, et al. The effect of vegetation patterns on wind-blown mass transport at the regional scale: A wind tunnel experiment[J]. Geomorphology, 2012, 159-160: 178－188.

[13]張霞，李鵬，李占斌，等. 不同植被格局下凸型坡徑流流速時空變化及產沙研究[J]. 水土保持學報，2018，32(6)：16－21. Zhang Xia, Li Peng, Li Zhanbin, et al. Study on temporal and spatial variation of runoff velocity and sediment in the convex hillslope under different vegetation patterns[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(6): 16－21. (in Chinese with English abstract)

[14]Feng Tianjiao, Wei Wei, Chen Liding, et al. Assessment of the impact of different vegetation patterns on soil erosion processes on semiarid loess slopes[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2018, 43(9): 1860－1870.

[15]程圣東，李鵬，李聰，等. 降雨-植被格局耦合作用對坡溝系統水沙特征影響[J]. 應用基礎與工程科學學報，2016，24(2)：230－241. Cheng Shengdong, Li Peng, Li Cong, et al. Coupling effect of rainfall-vegetation pattern on runoff and sediment characteristics in slope-gully system[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2016, 24(2): 230－241. (in Chinese with English abstract)

[16]Li Mian, Yao Wenyi, Ding Wenfeng, et al. Effect of grass coverage on sediment yield in the hillslope-gully side erosion system[J]. Journal of Geographical Sciences, 2009, 19(3): 321－330.

[17]王玉霞，劉國彬，王國梁，等. 茵陳蒿群落分布格局對坡面產流產沙的影響[J]. 水土保持研究，2010，17(1)：62－66. Wang Yuxia, Liu Guobin, Wang Guoliang, et al. Effect of artemisia capillaries distribution patterns on runoff and sediment production in loess hilly and gully region[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 17(1): 62－66. (in Chinese with English abstract)

[18]劉紀根，張昕川，李力，等. 紫色土坡面植被格局對水土流失的影響[J]. 水土保持學報，2014，28(6)：1－6. Liu Jigen, Zhang Xinchuan, Li Li, et al. Effects of vegetation patterns on soil and water loss in purple soil slopeland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(6): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[19]Fu Bojie, Zhao Wenwu, Chen Liding, et al. Eco-hydrological effects of landscape pattern change[J].Landscape and Ecological Engineering, 2005, 1(1): 25－32.

[20]戎玉博，駱漢，謝永生，等. 雨強對工程堆積體侵蝕規律和細溝發育的影響[J]. 泥沙研究，2016(6)：12－18. Rong Yubo, Luo Han, Xie Yongsheng, et al. Effect of rainfall intensity on erosion and rill evolution of engineering piles[J]. Journal of Sediment Research, 2016(6): 12－18. (in Chinese with English abstract)

[21]劉斌，羅全華，常文哲，等. 不同林草植被覆蓋度的水土保持效益及適宜植被覆蓋度[J]. 中國水土保持科學，2008，6(6)：68－73. Liu Bin, Luo Quanhua, Chang Wenzhe, et al. Relationship between percentage of vegetative cover and soil erosion[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2008, 6(6): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[22]李勉，姚文藝，陳江南，等. 草被覆蓋對坡面流流速影響的人工模擬試驗研究[J]. 農業工程學報，2005，21(12)：43－47. Li Mian, Yao Wenyi, Chen Jiangnan, et al. Experimental study on the effect of different grass coverages on the overland flow velocity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(12): 43－47. (in Chinese with English abstract)

[23]王國梁，周生路，趙其國. 土壤顆粒的體積分形維數及其在土地利用中的應用[J]. 土壤學報，2005，42(4)：545－550. Wang Guoliang, Zhou Shenglu, Zhao Qiguo. Volume fractal dimension of soil particles and its applications to land use[J]. Acta Pedologica Sinica, 2005, 42(4): 545－550. (in Chinese with English abstract)

[24]David D. Effects of rainfall intensity fluctuations on infiltration and runoff: Rainfall simulation on dryland soils, Fowlers Gap, Australia[J]. Hydrological Processes, 2012, 26(15): 2211－2224.

[25]An Juan, Zheng Fenli, Han Yong. Effects of rainstorm patterns on runoff and sediment yield processes[J]. Soil Science, 2014, 179(6): 293－303.

[26]Parsons AJ, Stone PM. Effects of intra-storm variations in rainfall intensity on interrill runoff and erosion[J]. Catena, 2006, 67(1): 68－78.

[27]Zhang LT, Gao ZL, Li ZB, et al. Downslope runoff and erosion response of typical engineered landform to variable inflow rate patterns from upslope[J]. Natural Hazards, 2016, 80(2): 775－796.

[28]王葆，程金花，王文凱，等. 北京北部褐土區2種典型植物措施減流減沙效應[J]. 水土保持學報，2017，31(3)：56－61. Wang Bao, Cheng Jinhua, Wang Wenkai, et al. Effects of two typical plant measures on runoff and sediment reduction in a cinnamon soil region in Northern Beijing[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(3): 56－61. (in Chinese with English abstract)

[29]游珍，李占斌，蔣慶豐. 坡面植被分布對降雨侵蝕的影響研究[J]. 泥沙研究，2005，6(6)：42－45. You Zhen, Li Zhanbin, Jiang Qingfeng. Study on the effect of vegetation patterns on the slope on the rainfall erosion[J]. Journal of Sediment Research, 2005, 6(6): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[30]李強，李占斌，尤洋，等. 植被格局對坡面產流產沙影響的試驗研究[J]. 水資源與水工程學報，2007，18(5)：31－34. Li Qiang, Li Zhanbin, You Yang, et al. Study on the effect of vegetation patterns on runoff and sediment production filed in slope[J]. Journal of Water Resources& Water Engineering, 2007, 18(5): 31－34. (in Chinese with English abstract)

[31]張樂濤，高照良，李永紅，等. 模擬徑流條件下工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程[J]. 農業工程學報，2013，29(8)：145－153. Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, et al. Soil erosion process of engineering accumulation in steep slope under simulated runoff conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 145－153. (in Chinese with English abstract)

[32]李鵬，李占斌，鄭良勇. 黃土陡坡徑流侵蝕產沙特性室內實驗研究[J]. 農業工程學報，2005，21(7)：42－45. Li Peng, Li Zhanbin, Zheng Liangyong. Indoor experiment of characteristics of runoff erosion in loess steep slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(7): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[33]張翔，高照良，杜捷，等. 工程堆積體坡面產流產沙特性的現場試驗[J]. 水土保持學報，2016，30(4)：19－24，32. Zhang Xiang, Gao Zhaoliang, Du Jie, et al. Field experiment on the characteristics of runoff and sediment yield on slopes of engineering accumulation body[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(4): 19－24, 32. (in Chinese with English abstract)

[34]Nearing M A. A probabilistic model of soil detachment by shallow turbulent flow[J]. Transactions of the ASAE, 1991, 34(1): 81-85.

[35]張樂濤，高照良，田紅衛. 工程堆積體陡坡坡面土壤侵蝕水動力學過程[J]. 農業工程學報，2013，29(24)：94－102. Zhang Letao, Gao Zhaoliang, Tian Hongwei. Hydrodynamic process of soil erosion in steep slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 94－102. (in Chinese with English abstract)

[36]朱慧鑫，胡曉靜，程金花，等. 草被覆蓋下坡面流土壤侵蝕水動力學特征[J]. 東北農業大學學報，2018，49(7)：48－57. Zhu Huixin, Hu Xiaojing, Cheng Jinhua, et al. Hydrodynamic characteristics of soil erosion in overland flow under grass coverage[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2018, 49(7): 48－57. (in Chinese with English abstract)

[37]王凱，王玉杰，王彬，等. 黃壤坡面土壤分離速率研究[J]. 長江流域資源與環境，2018，27(9)：2114－2121. Wang Kai, Wang Yujie, Wang Bin, et al. Study on soil detachment rate on a Yellow-Soil Hillslope[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2018, 27(9): 2114－2121. (in Chinese with English abstract)

[38]楊帥，李永紅，高照良，等. 黃土堆積體植物籬減沙效益與泥沙顆粒分形特征研究[J]. 農業機械學報，2017，48(8)：270－278. Yang Shuai, Li Yonghong, Gao Zhaoliang, et al. Runoff and sediment reduction benefit of hedgerows and fractal characteristics of sediment particles on loess plateau slope of engineering accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2017, 48(8): 270－278. (in Chinese with English abstract)

[39]馬云，何丙輝，何建林，等. 三峽庫區皇竹草植物籬對坡面土壤分形特征及可蝕性的影響[J]. 水土保持學報，2011，25(4)：79－82，87. Ma Yun, He Binghui, He Jianlin, et al. Effects ofHedgerow on soil fractal characteristics and erodibility on sloping cropland in Three Gorges R eservoir Region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(4): 79－82, 87. (in Chinese with English abstract)

Vegetation regulation on slopes of engineering accumulation under different upslope runoff patterns

Lou Yongcai1, Gao Zhaoliang1,2※, Li Yonghong1,2, Qi Xingyuan1, Zhang Heng1, Chen Zhuo1, Su Yuan2, Feng Zhiqian1

(1.712100; 2.712100)

Engineering accumulations are usually poor in soil structure and susceptible to erosion and corrosion, especially when the slope is steep. These could endanger their ecological functions and result in environmental hazards. How to improve ecological functions and alleviate soil erosion of earth slopes is pressing. The objective of this paper is to experimentally study the efficacy of different vegetation patterns in regulating water and sediment erosion of slopes under different water flow conditions. The experiment was conducted in the field at the Linghou Experimental Station, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences (34°19′24″ N, 107°59′36″E). In the experiment, we analyzed the efficacy of five grass coverage patterns: upper coverage, middle coverage, low slope, band, and no coverage under four upslope runoff patterns (constant, earlier peak, medium peak, later peak). The experimental slope was a 20 m×1 m plot 0.5 m thick excavated from a slop; The slope angle was 32o. We used the fractal dimension of the eroded sediment particles to quantify the change in soil erosion, the enrichment rate (ER) to describe the difficulty associated with migration of eroded particles of certain size group, and the agglomeration rate (AR) to describe the ways that the surface runoff carrying the eroded particles of certain size group. The results showed that: 1) The relationship between soil denudation rate and the runoff power follows power function model (2=0.47-0.72，<0.01), and that the runoff power was the optimal parameter to describe the erosion dynamics of the slope. 2) Runoff can be reduced by 12.23%-49.62%, and sediment can be decreased by 12.92%-80.54% under vegetation patterns, the sediment reduction effect of vegetation pattern was higher than runoff reduction. The average runoff and sediment reduction benefit of the band and upslope patterns was 43.87%, 58.09% and 30.55%, 54.41%, respectively, which were significantly better than other vegetation patterns. 3) Compared with the control plot (without grass coverage), the volume percentage of sand particle in sediment of the vegetation plots was reduced by 18.79%-35.80%, the volume percentage of clay was increased by 3.56%-10.69%, which indicated that the interception effect of vegetation on sand was significant. Volumetric fractal dimension of the eroded particles was dominated by the volumetric fraction of clay and they were linearly correlated at significant level (2=0.90，<0.01). 4). Compared with the control, grass coverage reduced the sand enrichment rate, but increased the clay enrichment rate; their associated volumetric fractal dimension also increased. Clay and sand in the eroded sediments were in the forms of agglomerates, while the silts moved mainly as single particles. Our study has an important implication for ameliorating soil erosion from engineering accumulation.

soils; erosion; vegetation; upslope runoff pattern; soil particles; fractal dimension; engineering accumulation

婁永才，高照良，李永紅，齊星圓，張 恒，陳 卓，蘇 媛，馮志倩. 不同上方來水模式下工程堆積體坡面的植被調控 [J]. 農業工程學報，2019，35(24)：144－153. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

Lou Yongcai, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, Qi Xingyuan, Zhang Heng, Chen Zhuo, Su Yuan, Feng Zhiqian. Vegetation regulation on slopes of engineering accumulationunder different upslope runoff patterns[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 144－153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

2019-07-29

2019-11-18

十三五國家重點研發計劃（2016YFC0501706-02）；國家自然科學基金（41671283）

婁永才，博士生，主要從事工程建設區土壤侵蝕與水土保持研究。Email：lyc4026@126.com

高照良，教授，博士生導師，主要從事農業水土工程和荒漠化防治研究。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018

S157.2

A

1002-6819(2019)-24-0144-10