苜蓿影響砒砂巖陡坡侵蝕的水動力學機理研究*

王倫江，張興昌

苜蓿影響砒砂巖陡坡侵蝕的水動力學機理研究*

王倫江1，3，張興昌1，2?

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3. 北京師范大學地理科學學部，北京 100875）

砒砂巖陡坡是黃河中游泥沙和粗沙的重要來源地，草本植物恢復是防治土壤侵蝕的重要措施，然而對草本植物防治砒砂巖陡坡侵蝕機理的研究卻較少。為明確草本植物防治砒砂巖陡坡土壤侵蝕的水動力學機理，通過小區徑流沖刷實驗，分析不同苜蓿密度（株間距為2 cm、4 cm、5.6 cm、8 cm）下砒砂巖陡坡產流產沙和徑流水動力學特性變化。結果表明，苜蓿覆蓋下砒砂巖陡坡產沙主要發生在徑流沖刷前期，產沙過程呈單峰形式。產沙速率與徑流流速和水流功率均呈冪函數形式關系，決定系數（2）分別為0.94和0.68。苜蓿能減小砒砂巖陡坡徑流量，影響徑流水動力性質。株間距增大的過程中坡面徑流阻力呈冪函數形式減小，導致徑流流速和水流功率呈冪函數形式增大，苜蓿通過莖稈和根系影響徑流水動力過程。細溝形成前，苜蓿主要通過莖稈的作用增大徑流阻力；細溝形成后苜蓿還可能通過其出露于細溝中的根系影響股流的阻力狀況。由于徑流水動力性質和土壤抗沖性質的變化，砒砂巖陡坡侵蝕量大大減小，產沙量隨苜蓿蓋度增大呈冪函數形式減小（2=0.55）。相比于蓋度，苜蓿株間距與產沙的關系更為密切（2=0.93），原因可能是株間距更能綜合地反映苜蓿整體（地上和地下部分）防治砒砂巖陡坡侵蝕的作用。研究可以為砒砂巖陡邊坡侵蝕防治中草本植物的配置提供一定的科學依據。

砒砂巖；陡邊坡；草本植物；蓋度；株間距；水動力學特性

砒砂巖一般特指位于干旱半干旱的黃河中游、晉陜蒙交界地區的二疊紀到白堊紀期間形成的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂頁巖組成的巖石互層，它具有干燥時堅硬如石、濕潤時柔軟如泥的性質。砒砂巖極易被風化，在干濕和冷熱交替等作用的影響下，砒砂巖表面會風化累積形成一定厚度的松散層。砒砂巖的特性和這一地區的氣候條件，使松散層極易受風力、水力和重力等多種作用而發生侵蝕。劇烈的侵蝕使該地區成為中國土壤侵蝕最嚴重的地區之一，一些地方侵蝕模數高達3萬～4萬t·km–2·a–1 [1-3]，侵蝕產生的泥沙是黃河中游泥沙特別是粗沙的主要來源地[2-4]。由于侵蝕劇烈、治理難度大，砒砂巖地區被中外專家稱為“環境癌癥”，其中，砒砂巖溝谷陡坡（坡度>25°）是侵蝕最強烈的地貌部位[2]，是侵蝕防治的難點和重點。

植被恢復是防治土壤侵蝕、進行生態恢復的主要措施。20世紀80年代以來，砒砂巖地區實施了一系列植被恢復工程[5]。研究表明，由于植被恢復，該地區水土流失量大幅度減少。田鵬等[6]和喻鋒等[7]結合皇甫川流域土地利用類型變化和模型計算（USLE和RUSLE模型）結果發現砒砂巖地區植被覆蓋情景下的土壤流失明顯小于裸露地表。吳永紅等[8]利用“水保法”推算了皇甫川、孤山川和窟野河流域沙棘恢復對砒砂巖地區侵蝕的影響，結果發現，沙棘的減洪和減沙效益均隨其在流域內的種植面積擴大而顯著增大。蘇濤等[9]采用野外徑流沖刷的方法分析了油松、草地、檸條和沙棘的減流減沙作用，結果顯示砒砂巖坡面不同種類的植物減流減沙作用存在顯著差異。

目前對砒砂巖地區植被防治侵蝕的巨大作用形成了一致認識，但是對植物冠層、莖稈和根系的變化如何影響砒砂巖坡面侵蝕,特別是陡坡的侵蝕過程仍然不清楚，因此需要進一步開展相關研究。草本植物是干旱半干旱地區最重要的植物類型之一，也常常是植被恢復過程中的先鋒植物[10]，相較于灌木和喬木，草本植物具有生長較快、迅速覆蓋地表和抓固表層土壤的特點，能有效減弱雨滴擊濺和徑流沖刷的作用[11-13]。因此，有必要重點研究草本植物對砒砂巖陡坡侵蝕防治作用及其徑流水動力學機理。苜蓿是中國干旱半干旱地區治理水土流失、改善生態環境常用的草本植物。研究顯示，苜蓿能夠顯著影響坡面徑流水動力[14]、土壤可蝕性[15]，進而改變坡面侵蝕產沙過程[16-17]。本研究選擇苜蓿為防治砒砂巖陡坡侵蝕的草本植物代表,采用徑流沖刷實驗研究苜蓿莖稈和根系變化對砒砂巖侵蝕和產沙的影響，揭示苜蓿影響侵蝕的徑流水動力學機理，以期為砒砂巖地區陡坡生態恢復的植被選擇和配置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處晉陜蒙交界的砒砂巖地區，總面積1.67萬km2，屬于干旱半干旱氣候，處在中國風蝕水蝕交錯地帶。該地區年降雨約300～500 mm，降雨主要集中于6—9月，占全年降雨量的75%～80%，該地區年均氣溫5.5～8.8 ℃，年蒸發量1 800～2 500 mm，最大風速可達20 m·s–1。該地區土壤類型包括砒砂巖風化土、黑壚土、黃綿土和風沙土[1]，由于侵蝕劇烈，地表呈強烈丘陵溝壑切割形態[2]。該地區原生草本植物有針茅、蒿類等，灌木有沙棘、檸條等，喬木主要為人工種植的油松。

1.2 實驗設計與小區準備

實驗地在內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗黃天綿圖鎮（39°69′N，110°27′E）。實驗小區尺寸為1.5 m×0.4 m（圖 1），小區共10個，以37°坡面代表陡邊坡，該坡度約為砒砂巖陡邊坡的平均坡度[2]。小區填土選用的土壤為紅棕色砒砂巖風化碎屑，取自準格爾旗暖水鎮，其黏粒、粉粒和砂粒的體積含量分別為8.72%、49.52%和41.76%（激光粒度儀法）。依據美國制土壤質地分類標準為壤土。小區填土容重為1.44 g·cm–3[4，18]，土壤未過篩，將大于3 cm的塊狀顆粒挑選去除，以保持土壤結構并使填土均勻[19]。填土前先于小區底部鋪一層厚約3 cm的沙，以促進入滲水流排出，之后在其上部按每層10 cm填裝30 cm厚的砒砂巖土壤，在填上一層之前先將一層土壤表面打毛，以防止層間發生分層。填裝完成后用噴壺于坡面緩慢灑水，促進土壤自然沉降。

圖1 沖刷實驗小區

砒砂巖坡面種植紫花苜蓿（），由于坡面徑流過程主要受苜蓿莖稈和莖稈間距大小的影響，因此本研究以苜蓿株間距控制苜蓿密度，苜蓿株間距分別為8 cm、5.6 cm、4 cm、2 cm，對應的苜蓿株密度分別為156、319、625、2 500株·m–2（表1）。在保證數據可重復性的原則下，同時考慮野外實驗場地和費用的限制，本實驗的苜蓿處理的重復僅為2～3個。2014年6月種植苜蓿，依據大于設計株數以網格為參照均勻地在小區坡面播撒種子，之后按幼苗出苗情況拔除或剪除部分植株，以達到設計密度，其中，對于2 500株·m–2處理的小區，在小區上部和下部的中間各選20 cm×20 cm的區域，數小區域內苜蓿株數，以確定其達到實驗設計要求。苜蓿種植完成之后讓其自然生長4個月，在這期間坡面經歷15次自然降雨事件，次降雨的降雨量在4.0～31.3 mm之間，總降雨量為198.1 mm。

1.3 徑流沖刷實驗

2014年10月進行徑流沖刷實驗。實驗時苜蓿的平均高度約為15 cm，總體而言，株間距小的小區苜蓿高度較小，而株間距大的小區苜蓿高度較大。實驗前用削尖的直徑為2 cm的塑料管插入坡面中部5 cm深取約10 g土，以烘干法（105℃）測量坡面土壤前期含水率；用數碼相機垂直于小區坡面對小區拍照以分析苜蓿冠層蓋度，之后用剪刀小心地剪除苜蓿冠層，保留約3 cm的莖稈。徑流沖刷實驗所用的水為當地的生活用水，采用定水頭法供水，以閥門控制流量大小，設計沖刷流量為2 L·min–1,該流量相當于砒砂巖地區暴雨雨強（60 mm·h–1）下5 m坡長的坡面對應的徑流量。每次實驗前對流量進行率定，以保證其準確性。實驗時水流經供水水箱進入溢流槽，再經過一塊水平放置（以水平尺測量保證平面水平）的鋪有紗布的玻璃達到坡面。鋪紗布一方面可以使水流在玻璃面上均勻分布，從而保證實驗小區上方水流以薄層水流的形式均勻地向下流動，另一方面可以增大徑流阻力，使徑流初速度接近于零，防止上方過度沖刷。當沖刷水流從玻璃表面流到砒砂巖小區坡面頂端后開始計時，記錄水流從坡面頂端到達小區出水口而發生產流所經歷的時間（產流歷時）。產流之后沖刷實驗繼續持續20 min，在這段時間內每隔1 min用容積為1 L的塑料瓶取1次徑流泥沙樣，每次取樣時長約為30 s。將小區分為上段（0.75 m）和下段（0.75 m），每隔4 min用KMnO4染色法分別測量其坡面徑流流速。測量時用洗瓶輕輕滴入適量KMnO4溶液，同時按下秒表開始計時，當染色劑前鋒到達終線時再次按下秒表，記錄秒表的時間。徑流表面流速為上、下兩段長度（0.75 m）分別除時間后取均值的結果。染色法測量的表面流速需要根據流態進行修正以獲得徑流平均流速，由于本研究的坡面徑流為層流（下文交待），修正系數取0.67[20]。用精度為0.5 mm的鋼尺于距小區出水口0.1 m、0.5 m、1.0 m和1.4 m的4個斷面測量徑流深度，以4個斷面的平均值代表坡面平均徑流深度。同時每隔4 min對坡面拍照以觀察坡面徑流和坡面侵蝕特征變化。沖刷過程結束后，稱取每個水沙樣的質量，沉淀、輕輕倒掉部分上清液之后放入烘箱烘24 h（105 ℃，24 h），之后稱量烘干泥沙質量。

表1 實驗小區苜蓿處理

1.4 根長數據獲取

沖刷實驗結束后，在小區坡面選取徑流沖刷較弱的苜蓿株間空地和苜蓿基部兩個點，分別用土鉆垂直取土，土鉆直徑為5 cm，取土深度為7.5 cm。將土樣裝入塑封袋、編號并帶回實驗室。之后清洗出根，將根擺放于透明的A4塑料紙上，以EPSONScan掃描儀進行掃描，掃描得到的圖片用WinRHIZO 2013e軟件進行處理獲得根長數據。

1.5 水動力參數計算

（1）雷諾數反映坡面徑流的慣性力和黏滯力之比，計算方法如下：

式中，為平均流速（m·s–1）；為水力半徑，坡面薄層水流可近似地以流深（m）代替；為運動黏滯系數（m2·s–1），是水溫（t，℃）的函數，0.01775/（1+0.0337t+0.00221t2）。

（2）佛汝徳數表示徑流的慣性力和重力的比值，計算方法如下：

式中，為重力加速度（m·s–2）。

（3）達西-維斯巴赫阻力系數能反映不同地表狀況影響下徑流的阻力大小，其計算方法如下：

式中，為能坡（m·m–1）。

（4）水流功率代表徑流作用于土壤表面的徑流能量大小，是常用的分析土壤分離和泥沙搬運的簡單而有效的參數，本研究的水流功率（ω,W·m–2）的計算采用下式[21]：

式中，為剪切力（N·m–2）；為水的密度（1 000 kg·m–3）。

1.6 數據處理

本研究用PCOVER-3植被覆蓋度分析軟件[22]分析拍攝的小區照片得到小區苜蓿蓋度；下文對坡面產流特征、產沙特征以及徑流水動力學特性進行分析，其中，產流量是產流開始后20 min小區出水口的實測徑流總量，產流速率是坡面單位投影面積和單位時間內的產流量，對應地，產沙量和產沙速率也有相似的含義。用Pearson相關分析產流量和產沙量與可能影響它們的因素之間的相關關系；用簡單回歸分析產沙量、產沙速率、徑流水動力學特性與苜蓿蓋度、株間距、根長密度等變量間的關系。所有相關分析和回歸分析均在SPSS19.0軟件中進行。

2 結果

2.1 不同苜蓿處理砒砂巖陡坡的產沙隨時間變化規律

結合對實驗過程的觀察和產沙過程線分析（圖2）可以發現，在徑流沖刷過程中，砒砂巖陡坡坡面的產沙主要發生在沖刷早期，總體趨勢為：沖刷開始后水流在坡面呈面狀均勻分布，坡面出現短暫的面狀侵蝕，徑流相對均勻地沖刷坡面，產沙速率迅速增大。隨后徑流匯集成股流，徑流下切坡面土壤形成細小的侵蝕溝，產沙量繼續增大。產沙量大約在產流開始后3～5 min之間達到峰值，之后坡面產沙速率迅速減少，這一過程持續10 min左右，此時產沙速率達到穩定狀態，細溝也趨于穩定。此后產沙速率雖然會出現一定程度的波動，但是基本維持在較低的水平，直至實驗結束。沖刷結束后測量發現最大細溝深約為3 cm。觀察不同苜蓿株間距處理坡面的產沙過程曲線可以發現，在產沙速率達到穩定之前，產沙速率一致地表現為隨著株間距的增大而增大。但是在產沙速率達到穩定后，其隨苜蓿株間距的變化不再具有明顯的規律性。

圖2 不同苜蓿株間距處理砒砂巖坡面的產沙過程

數據分析顯示株間距為2、4、5.6、8 cm 時，砒砂巖陡坡平均產流速率分別為1.575、1.684、1.628、1.960 L·m–2·min–1，即隨著苜蓿株間距增大，坡面產流速率呈增大的趨勢；相似地，平均產沙速率和峰值產沙速率的總體趨勢均隨苜蓿株間距增大而增大。具體而言，苜蓿株間距從2 cm 至 8 cm增大的過程中，平均產沙速率分別為0.054、0.139、0.189、0.256 kg·m–2·min–1，而對應處理的峰值產生速率分別為0.113、0.368、0.592、0.894 kg·m–2·min–1。同時，從產沙速率變化曲線還發現，在苜蓿株間距最小的坡面，產沙峰不明顯。

2.2 影響砒砂巖陡坡產沙的因素

表2為實驗小區苜蓿特征和產流產沙數據。從中可以發現，不同實驗小區苜蓿蓋度變化范圍為43.39%～95.79%，平均值為79%，其中株間距為8 cm實驗處理的三個重復（8、9、10號小區）的蓋度間有一定的差異，原因可能是在剪除部分植株（以達到設計株間距）時一部分植株的基部未被徹底清理，基部萌蘗出部分小植株，使得蓋度偏大。該差異可能會在一定程度上影響實驗結果，但由于徑流沖刷過程中苜蓿主要通過莖稈影響坡面徑流過程，因此，苜蓿蓋度差異的影響可能較小。不同苜蓿株間距處理小區的根長密度變化范圍為3.65～48.20 km·m–3，平均根長密度為16.50 km·m–3；坡面前期土壤含水率范圍為11.9%～20.7%；產流歷時變化范圍為16～66 s；產流量變化范圍為12.51 L～18.84 L；產沙量變化范圍為0.67～5.01 kg·m–2，最大值為最小值的7.5倍。

對產流量與前期土壤含水率、產流歷時、徑流流速、苜蓿蓋度、根長密度等5個因素進行Pearson相關分析發現，產流與這些因素均沒有顯著的相關性，但是分析顯示在產流后4 min內產流量與株間距有顯著的相關關系（=0.66，<0.05）。對總產沙量與產流量、苜蓿蓋度、株間距、根長密度、前期土壤含水率和產流歷時進行相關分析，結果顯示（表3），產沙量與苜蓿蓋度、株間距、根長密度等代表苜蓿特征的變量均顯著相關，分別為–0.82、0.96、–0.67。進一步利用回歸分析發現，產沙量與苜蓿蓋度和根長密度為指數函數關系，其2分別為0.55和0.46，與株間距呈線性關系，2為0.93（圖3）。

分析砒砂巖陡坡徑流水動力學特性和產沙的關系，結果顯示坡面產沙速率和徑流水動力學特性密切相關，其中，坡面產沙速率與流速和水流功率相關系數分別為0.87和0.81。回歸分析發現，產沙量與流速和水流功率均呈冪函數關系，2分別為0.94和0.68（圖4）。同時，分別分析前4、8、12、16、20 min的平均產流速率和平均產沙速率的關系，結果顯示，在產流后8 min內產沙速率與產流速率存在顯著相關性，之后產沙速率與產流速率相關性不再顯著，其中，前4 min和前8 min產沙速率與產流速率呈冪函數關系，2分別為0.65（<0.05）（圖5）和0.47（<0.05）。

表2 實驗小區苜蓿特征和產流產沙數據

表3 小區產流產沙與苜蓿特性之間的相關性

注：**表示顯著水平<0.01,*表示顯著水平<0.05 Note：** significant at <0.01，* significant at <0.05

圖3 產沙量與苜蓿蓋度（a）、株間距（b）和根長密度（c）的關系

圖 4 產沙速率與流速（a）和徑流功率（b）的關系

圖 5 前4 min產沙速率與產流速率的關系

2.3 苜蓿對砒砂陡坡徑流水動力的影響

對實驗條件下不同苜蓿株間距坡面徑流水動力學特性數據分析發現，坡面徑流雷諾數（Re）的變化范圍為133～322，徑流屬于層流，佛汝徳數（Fr）的變化范圍為0.191～0.448，屬于緩流。隨苜蓿株間距增大，雷諾數和佛汝徳數均呈冪函數形式增大（圖 6），徑流流速和水流功率也隨苜蓿株間距增大而呈冪函數形式增大（圖 7），而對阻力系數的數據分析發現，其隨株間距增大呈冪函數形式減小（圖 8）。同時發現，實驗前4 min內，由于坡面徑流為面狀徑流，徑流均勻地剝離坡面土壤，坡面未形成細溝，此時徑流流速隨苜蓿株間距增大呈冪函數形式顯著增大（2=0.93，<0.05）；在實驗開始后的4～20 min徑流出現明顯的集中現象，并下切坡面土壤形成侵蝕細溝。細溝形成后，雖然株間距與徑流流速仍然具有顯著關系，但是決定系數變小（2=0.84，<0.05），即莖稈對徑流動力的影響變小。而回歸分析發現，根長密度與4～20 min平均流速間存在顯著的線性關系（2=0.47，<0.05）（圖 9），即隨著根長密度增大，流速線性減小。觀察發現，在這一階段由于徑流下切進入土壤中，使得原先土壤中的根系出露于細溝內。

3 討 論

3.1 苜蓿覆蓋對砒砂巖陡坡侵蝕過程的影響

砒砂巖地區土壤侵蝕是黃河中游侵蝕最嚴重的地區，而砒砂巖陡坡侵蝕是主要的產沙來源。相對于緩坡，砒砂巖陡坡坡面土壤顆粒穩定性大大降低，因此其在降雨擊濺和徑流剪切作用下容易發生侵蝕。本實驗的砒砂巖陡坡產沙過程中，不同苜蓿處理小區產沙峰值均出現在沖刷早期，雖然坡面出現了細溝，但是產沙量沒有隨著細溝出現繼續增加，而是達到峰值之后迅速下降達到一個較小且平穩的產沙速率，這可歸因于砒砂巖的特殊性質。研究顯示砒砂巖以不穩定、易風化、親水性強的黏土礦物為主要礦物組成，且顆粒大小懸殊、排列無序、顆粒之間膠結性差[23-24]，所以容易在降雨、徑流及溫度場變化等作用下發生從表層向下層、從大顆粒向小顆粒逐漸風化[4，25]。隨時間推移，風化層厚度會逐漸增大，由于風化后顆粒間缺乏黏結力，坡面土壤在雨滴擊濺和徑流剪切力的作用下易被分離而發生下切。然而，隨徑流下切進行，風化較強的上層土壤被剝離殆盡，降雨和徑流直接與風化程度較弱的下層顆粒發生作用，而這一層土壤的顆粒間黏聚力較大，不易被徑流分離。因此，在一定的坡面徑流水動力條件下，砒砂巖陡坡侵蝕產沙速率在沖刷早期迅速增大并達到峰值，之后迅速下降趨于穩定。需要注意的是，在下一次侵蝕性降雨發生前，砒砂巖坡面土壤顆粒會發生風化，為侵蝕性降雨準備松散的顆粒物質。這一過程導致了砒砂巖坡面特殊的風化-侵蝕交替進行的現象[4]。

圖6 苜蓿株間距與雷諾數（a）和佛汝徳數（b）的關系

圖7 苜蓿株間距與流速（a）和水流功率（b）的關系

植物對坡面侵蝕的影響是一個復雜的過程。根系密度、冠層蓋度、植物株間距（密度）等是常用的反映植物對坡面產沙過程影響的重要指標。本研究的分析結果顯示，這三個指標與坡面產沙速率均存在顯著的關系。其中，苜蓿根系密度與產沙速率為指數函數關系，該結果與Vannoppen 等[11]的研究結果相似。但是與株間距和冠層蓋度相比，根系密度與產沙量關系的決定系數相對較小。這一方面可能與根系的作用發生在徑流下切進入土壤之后才體現有關，另一方面也可能與取樣不足有關。本研究在一個坡面只取了兩個土樣分析苜蓿根系密度，因此可能不能很好地代表根系對坡面產沙過程的影響。相對于苜蓿根系密度，苜蓿蓋度與坡面產沙量的關系更密切，說明苜蓿蓋度較根系密度更能有效反映其對坡面產沙的影響。本研究的分析結果表明砒砂巖陡坡坡面的產沙量隨著苜蓿蓋度增大呈指數函數形式減小，這一結果與前人的研究相似[12]。需要注意的是，本研究的徑流沖刷實驗過程中苜蓿冠層并不直接影響砒砂巖陡坡坡面侵蝕過程，蓋度變化實際上間接反映了苜蓿植株莖桿密度和根系密度變化，因此間接地反映了莖稈和根系的作用。三個指標中，苜蓿株間距與產沙量的關系最密切，說明在實驗的苜蓿密度處理范圍內，株間距最能有效地反映苜蓿對砒砂巖陡坡產沙過程的影響。其原因可能是相較于苜蓿冠層蓋度，株間距更能反映莖稈對坡面徑流水動力的影響，同時株間距與苜蓿根系密度的關系也較蓋度與根系密度的關系密切，因此株間距也更能反映根系對砒砂巖陡坡侵蝕的影響。

圖8 苜蓿株間距與阻力系數的關系

圖9 細溝形成后坡面徑流流速與苜蓿株根長密度的關系

3.2 苜蓿防治砒砂巖陡坡侵蝕的水動力機理

水力侵蝕是徑流能量作用于坡面土壤的過程，徑流侵蝕力和土壤抗蝕能力的強弱決定侵蝕的強度和產沙量的多少。植被的存在既能增大土壤抵抗徑流沖刷的能力[11，16]，也能減小坡面徑流能量[26-27]。前者通過植物根系的化學吸附和物理纏繞實現，而后者可能通過莖稈和根系阻擋攔截實現。分析顯示，砒砂巖陡坡產沙速率隨坡面徑流流速增大呈冪函數形式增大，該結果與蘇濤和張興昌[28]在砒砂巖裸坡上沖刷實驗結果相似。同時本研究還發現，坡面徑流功率增大，砒砂巖陡坡產沙速率約呈二次冪函數形式增大。該趨勢大于肖培青等[14]的實驗結果，其實驗在坡度為20o的黃土坡面進行，實驗結果發現苜蓿覆蓋坡面產沙速率與水流功率間呈顯著的線性關系。出現這種差異的原因可能是本研究的砒砂巖風化土壤自身的抗蝕性較小，加之陡坡條件大大降低了坡面土壤的穩定性，坡面徑流水動力條件較小的變化就能大幅度地改變產沙速率。

苜蓿通過改變徑流水動力特征影響侵蝕過程。苜蓿的存在能增大入滲速率而減少坡面產流速率，導致徑流深度減小。在相似的地表糙率狀況下，徑流深度減小，單位徑流所受的地表阻力會增大。因此，苜蓿的存在能通過減少產流速率而增大徑流阻力，阻力條件的這種變化會減小徑流分離土壤顆粒和搬運泥沙的能力。這可能部分解釋了在沖刷前期產沙量隨徑流量變化而呈冪函數形式變化的趨勢（圖 5）。在本實驗的流量條件下，受苜蓿覆蓋影響，砒砂巖陡坡坡面徑流屬于層流和緩流流態。在該流態下，徑流分離和搬運泥沙的能量較小，泥沙以接觸質的形式運動[29]，徑流挾帶的泥沙容易因徑流阻力增大發生沉積。本研究的實驗數據顯示，隨著苜蓿密度增大，坡面徑流阻力顯著增大，這可能是砒砂巖陡坡的產沙速率隨苜蓿密度增大顯著減小的原因之一。

在坡面徑流向下坡運動的過程中，苜蓿通過其莖稈和根系的作用改變徑流阻力。在面蝕階段，坡面徑流直接受苜蓿莖稈作用，因此徑流水動力特征的變化主要歸因于苜蓿莖稈間距，表現為阻力系數隨苜蓿株間距增大而顯著減小，而流速則隨苜蓿株間距增大呈冪函數形式增大。在徑流下切形成細溝后，坡面徑流更多地匯集進入細溝中，一部分徑流不再直接受苜蓿莖稈作用，而受細溝中因土壤剝離而出露的根系作用。因此，徑流水動力特征的變化在一定程度上可歸因于細溝中出露的根系及其密度變化。根系作用于徑流改變了徑流能量，具體表現為徑流流速隨根長密度增大呈線性減小（圖9）。這些結果說明苜蓿的地上部分和地下部分共同影響徑流水動力過程，且侵蝕階段不同，苜蓿通過不同的組織影響徑流水動力學特性。其中，根系對徑流水動力學特性的影響在以往的研究中很少被注意到，也沒有被直接量化研究。因此，本研究有利于更加全面地認識植物影響坡面侵蝕的徑流水動力學機理。但由于本研究的根系取樣較少，這一發現需要進一步的實驗印證。

3.3 研究的不足

本研究利用人工小區徑流沖刷實驗研究了苜蓿對砒砂巖陡坡侵蝕及水動力過程的影響。限于試驗條件限制，研究主要存在兩點不足：（1）實驗坡長較小（1.5 m），研究顯示徑流在向下坡運動的過程中存在一個加速區間，坡長大于該區間，徑流流速等動力參數才能達到穩定狀態[30]。調查顯示，砒砂巖地區不同長度陡坡坡面大量存在，坡長變化對苜蓿的作用可能有一定的影響。（2）本研究采用徑流沖刷實驗研究坡面侵蝕過程，實驗過程中剪除了苜蓿的冠層，這種實驗方法忽略了苜蓿冠層對砒砂巖陡坡濺蝕的影響，而濺蝕對產沙可能是砒砂巖陡坡產沙的重要方面。因此，有必要在今后的實驗中增加模擬降雨或進行自然降雨觀測，以分析苜蓿冠層對砒砂巖陡坡侵蝕的影響。這樣才能獲得更加全面的草本植物對砒砂巖陡坡侵蝕影響的認識。

4 結 論

砒砂巖陡坡產沙主要發生在徑流沖刷前期，呈單峰形式。隨著株間距增大，峰值產沙速率和平均產沙速率均呈增大趨勢，前者的變化范圍為0.113～0.894 kg·m–2·min–1，而后者的變化范圍為 0.054～0.256 kg·m–2·min–1。苜蓿蓋度、株間距、根系密度三個指標中，苜蓿株間距最能反映苜蓿對坡面產沙的綜合影響，與坡面產沙量的關系最密切（2=0.93）。

在實驗坡度和徑流流量條件下，砒砂巖陡坡坡面徑流屬于層流和緩流，徑流流速變化范圍為 0.038～0.085 m·s–1，水流功率變化范圍為 0.901～2.201 W·m–2，達西維斯巴赫阻力系數的變化范圍為25.9～110.3。苜蓿的存在能影響砒砂巖陡坡的徑流水動力過程，隨著株間距增大，流速和水流功率呈冪函數形式顯著增大，阻力系數則呈冪函數形式顯著減小。

苜蓿的存在通過直接作用和間接作用影響坡面阻力狀況，從而影響坡面水動力過程。直接作用通過苜蓿莖稈和根系發揮，在細溝形成前，苜蓿通過莖稈直接作用于徑流而增大徑流阻力；在細溝形成后，苜蓿還通過其出露于細溝中的根系影響匯集于細溝中的徑流阻力狀況。間接作用是苜蓿通過增大砒砂巖陡坡入滲速率而減小徑流深度，從而增大了坡面徑流阻力。

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Hydraulic Mechanism of Alfalfa Controlling Soil Erosion on Steep Slopes of Pisha-sandstone

WANG Lunjiang1, 3, ZHANG Xingchang1, 2?

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University,Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, CAS & Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3. Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Steep slopes of Pisha-sandstone are the major sources of silt and coarse sand in the mid-reaches of the Yellow River of China. Revegetation of herbaceous plants on the slopes is one of the most effective measures to control soil erosion thereupon. However, so far little has been reported in the literature about how herbaceous plants influence soil erosion on steep slopes of Pisha-sandstone.This study aimed to quantitatively study effects of herbs on soil erosion on steep slope of Pisha-sandstone and hydraulic mechanism of the erosion.A total of ten artificial slopes (37°) were set up and planted with alfalfa plants different in spacing (2 cm、4 cm、5.6 cm、8 cm ) in Erdos, Inner Mongolia. Plot runoff scouring experiments were carried out with a constant inflow (2 L·min–1). Runoff and sediment yields on the slopes and variation in hydraulic features of the runoff were monitored and analyzed to explore the mechanism of alfalfa controlling soil erosion.Results show sediment yield on the slopes planted with alfalfa occurred in the initial period of runoff and scouring period, forming a single peak. Sediment yielding rate increased with flow velocity and stream power in a power function, with determination coefficients being 0.94 and 0.68, respectively. The presence of alfalfa decreased runoff volume and changed the flow hydraulics. Flows on the alfalfa covered slopes were in a laminar and subcritical state. Increase in plant spacing resulted in greater flow velocity (2=0.90) and stream power (2=0.62), but a decrease in flow resistance (2=0.87). Stems and roots of alfalfa played an important role in altering flow hydraulics. Before rill formation, stems of the plants hindered the flow of runoff. However, after rill formation, apart from the stems, roots of the plants standing out in the rills inceased resistance to the flows therein. Due to the changes in flow hydraulics and soil erodibility, soil loss on the slopes decreased exponentially with alfalfa coverage (2=0.55). However, compared to the alfalfa coverage, plant spacing was more closely related to soil loss (2=0.93).Plant spacing may reflect more comprehensively the effect of alalfa as a whole (shoots and roots) on controlling soil erosion of steep slopes of Pisha-sandstone. The study may provide a certain scientific basis for planting herbs on steep slopes of Pisha-sandstone for erosion control.

Pisha-sandstone; Steep slope; Herbaceous plant; Coverage; Plant spacing; Hydraulics

S157.1

A

10.11766/trxb201901080603

王倫江，張興昌. 苜蓿影響砒砂巖陡坡侵蝕的水動力學機理研究[J]. 土壤學報，2020，57（2）：284–295.

WANG Lunjiang，ZHANG Xingchang. Hydraulic Mechanism of Alfalfa Controlling Soil Erosion on Steep Slopes of Pisha-sandstone[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：284–295.

* 中國科學院科技服務網絡計劃（KFJ-STS-ZDTP-12）和國家重點研發計劃項目（2017YFC0504504）資助Supported by the Science and Technology Service Network Initiative (No.KFJ-STS-ZDTP-012) and the National Key R & D Program of China (No.2017YFC0504504)

， E-mail：zhangxc@ ms.iswc.ac.cn

王倫江（1989—），男，貴州省興義市人，博士研究生，主要從事坡面水文與土壤侵蝕研究。E-mail: wang_lunjiang@163.com

2019–01–08；

2019–05–13；

優先數字出版日期（www.cnki.net）：2019–06–10

（責任編輯：檀滿枝）