植被和梯田措施對(duì)坡溝系統(tǒng)細(xì)溝侵蝕調(diào)控作用

董敬兵，時(shí) 鵬，李占斌，李 鵬，白璐璐，趙 準(zhǔn)，宋致華，趙倩卓，慕全鵬

植被和梯田措施對(duì)坡溝系統(tǒng)細(xì)溝侵蝕調(diào)控作用

董敬兵1，時(shí) 鵬1※，李占斌2，李 鵬1，白璐璐1，趙 準(zhǔn)1，宋致華1，趙倩卓1，慕全鵬1

（1. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2. 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

坡溝系統(tǒng)作為黃土丘陵溝壑區(qū)基本的地貌單元，也是黃土高原侵蝕泥沙的主要來源區(qū)。植被和梯田作為坡面水土流失治理的主要措施，對(duì)于土壤侵蝕控制和生態(tài)恢復(fù)發(fā)揮著重要的作用，定量評(píng)估林草、梯田對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用以及多措施協(xié)同配置問題對(duì)于黃土高原水土流失治理和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。為了揭示植被和梯田的格局和配置對(duì)坡溝系統(tǒng)細(xì)溝侵蝕的協(xié)同調(diào)控作用，該研究采用人工模擬降雨，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，分析了坡面4種措施：上坡位植被（措施A）、下坡位植被（措施B）、梯田（措施C）、梯田+植被（措施D）對(duì)細(xì)溝侵蝕發(fā)生和演變過程的影響。結(jié)果表明：1）相同植被覆蓋度下，下坡位的植被布設(shè)細(xì)溝最大長(zhǎng)度較上坡位的植被布設(shè)細(xì)溝最大長(zhǎng)度減小量更大；2） 第1次降雨中，侵蝕率最大值達(dá)到3 500 g/min以上，第2次降雨過程中侵蝕率最大值僅為1 100 g/min以上，在各產(chǎn)流時(shí)間內(nèi)第2次降雨侵蝕率均為第1次降雨侵蝕率的1/3～1/2；3）對(duì)于各措施下細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育率由大到小表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）、措施C（5.71 cm/min）、措施B（3.60 cm/min）、措施D（2.69 cm/min）；4）梯田與植被同時(shí)布設(shè)（措施D）對(duì)于細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用優(yōu)于單一措施（措施B和C），梯田和植被對(duì)細(xì)溝侵蝕指數(shù)細(xì)溝侵蝕量、細(xì)溝面積、細(xì)溝密度產(chǎn)生了協(xié)同作用（分別為7.71%、13.76%、7.52%）。研究可為黃土高原坡溝治理措施配置和細(xì)溝侵蝕調(diào)控提供一定的科學(xué)參考依據(jù)。

侵蝕；植被；細(xì)溝；坡溝系統(tǒng)；梯田；措施配置；協(xié)同作用

0 引 言

土壤侵蝕一直以來都是一個(gè)全球性的環(huán)境問題[1]，細(xì)溝侵蝕是黃土坡面土壤侵蝕中重要的土壤侵蝕形式之一，細(xì)溝侵蝕量一般占到坡面土壤流失的62.2%～84.8%[2]。細(xì)溝侵蝕作為土壤侵蝕由面蝕轉(zhuǎn)為溝蝕的過渡階段，在土壤侵蝕研究中具有不可替代的價(jià)值。影響細(xì)溝侵蝕的因素有很多，其中最直接的因素就是徑流（包括徑流量和流速）和土壤表面特征[3]。在整個(gè)細(xì)溝發(fā)育過程中，細(xì)溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展使得細(xì)溝形態(tài)趨于復(fù)雜化，同時(shí)，細(xì)溝形態(tài)又反過來作用于坡面徑流，在整個(gè)土壤侵蝕過程中，坡面徑流與細(xì)溝形態(tài)之間一直發(fā)生著相互作用[4]。坡面徑流通過對(duì)細(xì)溝溝壁、溝底、溝頭土壤的分散、沖刷和搬運(yùn)過程，不斷改變著細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和細(xì)溝形態(tài)。細(xì)溝侵蝕攜帶大量泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，造成土地退化[5]和其他的環(huán)境問題[6]，對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境造成了巨大危害，坡溝系統(tǒng)作為黃土高原丘陵區(qū)最常見的侵蝕單元，也是侵蝕產(chǎn)沙的主要來源地，侵蝕物質(zhì)的輸移和能量的傳遞從坡面到溝道會(huì)發(fā)生顯著變化，且坡道和溝道可同時(shí)進(jìn)行工程措施，最大限度防治水土流失過程。坡改梯和林草作為坡面易侵蝕區(qū)常用的水保措施，不僅可以消減自身所在區(qū)域的水沙，還可在一定程度上攔截上坡面的來水來沙，對(duì)坡面乃至流域尺度的治理具有顯著影響。

國(guó)內(nèi)外已開展了大量有關(guān)細(xì)溝侵蝕過程與機(jī)理的研究[7-8]，并取得了一系列的成果。但是，細(xì)溝侵蝕有別于其他溝道侵蝕的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是伴隨侵蝕產(chǎn)沙過程，細(xì)溝形態(tài)迅速演變，因此細(xì)溝形態(tài)演化過程與侵蝕產(chǎn)沙過程呈互饋過程。并且細(xì)溝侵蝕過程同時(shí)受到雨強(qiáng)、雨量、時(shí)長(zhǎng)[9]、坡度[10]、雨型[11]、移動(dòng)方向、覆蓋條件[12]、耕作方式[13]等多種因素的共同影響。眾多學(xué)者針對(duì)不同尺度下、不同研究角度下的細(xì)溝侵蝕展開了大量研究。有研究[14]通過模擬細(xì)溝侵蝕試驗(yàn)，得出了剝蝕率與含沙量和坡長(zhǎng)的關(guān)系式。目前大量研究結(jié)果均表明植被對(duì)土壤具有保護(hù)和改良作用，然而植被的格局配置對(duì)土壤侵蝕的影響問題卻一直存在諸多爭(zhēng)議。除了植被分布位置外，植被類型以及覆蓋度也是影響土壤侵蝕的重要因素[15]，Sun等[16]通過模擬不同類型的植被格局對(duì)坡面侵蝕過程的影響表明，與裸地相比，不同植被斑塊格局均能延緩產(chǎn)流時(shí)間，增加土壤入滲，減小坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。流域水沙變化與細(xì)溝的發(fā)生、發(fā)育過程的研究一直都是細(xì)溝侵蝕的研究熱點(diǎn)，大部分學(xué)者均選取系列指標(biāo)（細(xì)溝寬度、深度、溝長(zhǎng)、細(xì)溝密度、細(xì)溝寬深比等）來描述細(xì)溝形態(tài)變化過程[17]，以此來反映實(shí)際侵蝕產(chǎn)沙過程中下墊面侵蝕與沉積情況。

梯田作為一種水土保持工程措施，能極大地減少溝蝕的發(fā)生和發(fā)展。Pan 等[18]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，較全面地揭示了植被空間分布位置對(duì)坡溝系統(tǒng)細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用，結(jié)果表明，布設(shè)植被不僅能減緩細(xì)溝發(fā)育速度，還能降低細(xì)溝發(fā)育程度。設(shè)置植被和梯田會(huì)影響分散徑流、降低流速、增加入滲等，從而減小細(xì)溝侵蝕程度。關(guān)于黃土高原細(xì)溝侵蝕的研究大量聚焦于植被位置、降雨強(qiáng)度、坡度等對(duì)細(xì)溝發(fā)育的影響[19]，且是基于單個(gè)坡面進(jìn)行研究。針對(duì)坡溝系統(tǒng)在模擬降雨條件下的細(xì)溝侵蝕較少，關(guān)于植被格局以及植被和梯田協(xié)同配置是否可以發(fā)揮協(xié)同作用的研究較少。因此，本研究設(shè)置了4種坡溝系統(tǒng)治理措施的配置方式，研究基于間歇性降雨條件下的草帶和梯田配置對(duì)于細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用，以期為黃土高原坡溝系統(tǒng)綜合治理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和裝置

試驗(yàn)土壤取自西安本地周邊農(nóng)田表層去掉浮渣后20 cm厚度黃土，供試土壤運(yùn)回試驗(yàn)大廳后，去除土樣中的雜草、石子等雜物，風(fēng)干后過10 mm土篩，備用。土壤屬于粉壤土，粉粒占比最多，0～2.00m粒徑占比1.13%，2.00～50.00m粒徑占比91.26%，>50.00m粒徑占比7.61%（Mastersizer 2000激光粒度分析儀，英國(guó)馬爾文公司）。

試驗(yàn)在西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨侵蝕大廳進(jìn)行，試驗(yàn)槽采用總長(zhǎng)度為10 m、寬度1 m、高0.5 m的可升降式鋼制土槽來模擬黃土高原最基本組成單元—坡溝系統(tǒng)，其中上坡面長(zhǎng)6 m、坡度為15°，下溝道長(zhǎng)4 m、坡度為28°，并將全長(zhǎng)10 m分為10個(gè)長(zhǎng)度為1 m的測(cè)量單元，從上到下依次稱為1、2…10號(hào)斷面（見圖 1），鋼槽底部每隔10 cm均勻地鉆有直徑為10 mm的小孔，以便水分到達(dá)深層后能夠有效地下滲。

降雨器采用西安理工大學(xué)水資源研究所研制的下噴式降雨裝置，噴嘴孔徑在1～6 mm之間，用濾紙法測(cè)量雨滴直徑，平均達(dá)到1.5 mm，分布在0.4～3.0 mm之間，與自然降雨相似。降雨試驗(yàn)開始前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行多次率定，直至其達(dá)到穩(wěn)定且與既定大?。ㄓ陱?qiáng)1.5 mm/min，均勻度≥85%）相對(duì)誤差不超過2%時(shí)，方進(jìn)行正式試驗(yàn)。使用美國(guó)Campbell公司的CR1000數(shù)據(jù)采集器測(cè)定土壤含水率，利用CS616土壤水分傳感器獲取土壤含水率數(shù)據(jù)，頻率為1次/min，水分探頭分別布設(shè)在上坡面2、5、7、9號(hào)斷面，每個(gè)斷面在垂直土壤面上不同深度處（5、10、15 cm）放置3個(gè)探頭，記錄不同斷面不同深度處的含水率變化情況。采用美國(guó)的trimble FX三維激光掃描儀獲取坡面高精度DEM。

注：坡面從上到下依次為1、2…10號(hào)斷面。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本研究設(shè)計(jì)了2種植被位置和1種梯田位置以及梯田與植被結(jié)合的布置模式，以裸坡作為對(duì)照，設(shè)置了4種不同坡溝系統(tǒng)治理措施，見圖1。

1）上坡位草帶（措施A），在第3、4號(hào)斷面布設(shè)2 m2的塊狀草帶。

2）下坡位草帶（措施B）：在第5、6號(hào)斷面布設(shè)2 m2的塊狀植被帶。

3）梯田（措施C）：在第3、4號(hào)斷面布設(shè)2 m2的水平梯田，由上坡面坡度及布設(shè)區(qū)域長(zhǎng)度計(jì)算梯田每一階梯的高度和寬度，最終每個(gè)階梯的高度為8.6 cm、長(zhǎng)度為32.2 cm，2 m2區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6級(jí)階梯。

4）梯田+草帶（措施D）：在3、4、5、6號(hào)斷面同時(shí)布設(shè)上述草帶。

5）對(duì)照組為裸坡，坡面和溝道上均不設(shè)置任何治理措施。

在土槽中填土，裝土厚度共計(jì)20 cm，填土前均勻地鋪一層厚度為20 cm的細(xì)沙，采用分層填裝再人工踩實(shí)的方法進(jìn)行填土，每層厚度5 cm左右，每層填裝完成后灑上適量水分，待其滲透后再將土層表面打毛，以使兩層土壤能夠更加緊密地結(jié)合在一起。裝土完成后分別在2、5、7、9號(hào)斷面用環(huán)刀取土，測(cè)量其容重并取平均值，并觀測(cè)含水率是否在允許誤差5%內(nèi)，使其土壤容重控制在1.3 g/cm3左右，土壤含水率在20%左右（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。然后，土槽靜置24 h進(jìn)行正式降雨試驗(yàn)。每種措施下均進(jìn)行2次間歇性降雨，使其降雨產(chǎn)流時(shí)間為30 min，2場(chǎng)降雨中間間隔24 h。

試驗(yàn)過程全程使用高清攝像機(jī)記錄，并使用高清相機(jī)每2 min拍1次坡面，供后續(xù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。用鐵絲將坡面分為10個(gè)長(zhǎng)度為1 m、大小1 m2的測(cè)量單元。降雨開始后記錄從降雨到產(chǎn)流所需時(shí)間，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，產(chǎn)流后每隔1 min分別由一人手持鋼尺對(duì)坡面細(xì)溝（水流）寬、深、長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，另一人使用濃度為30%的高錳酸鉀溶液對(duì)徑流流速進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)由2人對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在徑流出口處用徑流桶收集每分鐘渾水樣，同時(shí)用徑流瓶取得每分鐘徑流泥沙樣，采用烘干法得到每分鐘含沙率變化。當(dāng)出現(xiàn)細(xì)溝后，記錄細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間和斷面位置，并開始測(cè)量細(xì)溝形態(tài)大小。每場(chǎng)降雨結(jié)束后均用三維激光掃描儀對(duì)坡面地形進(jìn)行掃描，使用前需先在所要掃描區(qū)域內(nèi)放置一定數(shù)量的標(biāo)靶球，以便后續(xù)通過標(biāo)靶球來剪切所需區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)掃描儀三腳架進(jìn)行調(diào)水平操作。用數(shù)據(jù)線使其一端連接電源，一端連接電腦，打開掃描儀主機(jī)開關(guān)按鈕，打開電腦端配套操控主機(jī)的軟件Trimble FX Controller，使掃描主機(jī)回到初始方向位置，并校準(zhǔn)是否水平。使用時(shí)點(diǎn)擊Trimble FX Controller中Scan并進(jìn)行一系列參數(shù)調(diào)整，主要目的是使其掃描范圍和掃描精度達(dá)到要求。

三維激光掃描儀水平旋轉(zhuǎn)角度為360°，豎直方向旋轉(zhuǎn)角度為270°，測(cè)量精度可調(diào)，本試驗(yàn)所設(shè)測(cè)量精度為2 mm，即1個(gè)面積為2 mm×2 mm的區(qū)域代表1個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。1次掃描過程用時(shí)8 min左右，降雨前后各進(jìn)行1次掃描，等待24 h后進(jìn)行下次降雨試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用三維激光掃描儀獲取坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Trimble RealWorks對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、拼接、建立坐標(biāo)系等操作。最后輸出shp圖層，利用Arcgis10.2進(jìn)行坡面DEM數(shù)據(jù)提取和細(xì)溝提取等一系列操作。細(xì)溝形態(tài)數(shù)據(jù)用直尺測(cè)得，與軟件測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)矯正后作為最終結(jié)果，用origin2018和AutoCAD2021進(jìn)行繪圖。計(jì)算指標(biāo)如下：

1）細(xì)溝寬深比

細(xì)溝寬深比是指坡面某斷面處細(xì)溝的平均寬度與細(xì)溝平均深度之比，該項(xiàng)指標(biāo)能表征細(xì)溝整體縱斷面形狀變化，反映細(xì)溝在發(fā)育過程中下切侵蝕與側(cè)蝕間的相互關(guān)系，計(jì)算式為

式中WD指細(xì)溝寬深比；W指細(xì)溝第處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的細(xì)溝寬度，m；D指第處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的細(xì)溝深度，m。

2）細(xì)溝密度

細(xì)溝密度是指單位研究區(qū)域內(nèi)所有細(xì)溝的總長(zhǎng)度，用來反映坡面細(xì)溝密集程度，計(jì)算方法如下：

式中是細(xì)溝密度，m/m2；0為試驗(yàn)坡面的表面積，m2；L是第條細(xì)溝及其分叉的總長(zhǎng)度，m。

3）細(xì)溝表面積

通過ArcGIS 10.2提取正負(fù)地形，得到溝沿線并進(jìn)行修正。計(jì)算方法如下

=·S（3）

式中為細(xì)溝表面積，m2；為溝沿線內(nèi)的柵格數(shù)量；S為單元柵格面積，柵格大小為5 mm×5 mm。

4）協(xié)同作用計(jì)算

首先，以裸坡為對(duì)照組，分別計(jì)算坡溝治理措施植被、梯田對(duì)于細(xì)溝侵蝕量、細(xì)溝面積和細(xì)溝密度的減小效益，假設(shè)分別為、，再按照同樣的方法計(jì)算協(xié)同措施配置下（植被+梯田）對(duì)細(xì)溝侵蝕特征參數(shù)的減小效益，假設(shè)為，則最終多措施間的協(xié)同作用為

=--（4）

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面侵蝕對(duì)治理措施的響應(yīng)

2.1.1 坡面微地形變化特征

坡面微地貌變化是反映坡面侵蝕的最直觀表現(xiàn)，能定性判斷不同坡溝治理措施下坡面侵蝕的強(qiáng)弱以及侵蝕部位的動(dòng)態(tài)變化。植被根莖能極大地減小徑流流速，最大程度上滯留泥沙，控制地貌變化。圖2為不同處理下微地形變化。

注：0～2分別指降雨前和1、2場(chǎng)降雨。

由圖2可知，第1次降雨開始階段，主要以擊濺侵蝕為主，受土壤質(zhì)地和降雨均勻性影響，在坡面不同部位出現(xiàn)不同程度的擊濺侵蝕，隨著徑流的產(chǎn)生和貫通，徑流逐漸匯合并開始在溝道下部出現(xiàn)下切侵蝕和溯源侵蝕[20]，并在徑流的沖刷下不斷加劇。第1次降雨過后，坡面出現(xiàn)明顯侵蝕，細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)基本形成。裸坡（對(duì)照組）下，侵蝕最嚴(yán)重，細(xì)溝侵蝕面積最大，長(zhǎng)度已到達(dá)溝道中上部，并在第2次降雨過后，細(xì)溝得到進(jìn)一步的發(fā)展，已基本到達(dá)溝道上部，并且侵蝕面積、深度等均有明顯增加。當(dāng)在上坡面布設(shè)治理措施后，細(xì)溝侵蝕均得到了一定的調(diào)控作用，都表現(xiàn)出了衰減的效果，其中效果最明顯的是梯田+植被組合模式（措施D），對(duì)于下坡位草帶（措施B）和上坡位梯田（措施C）兩者的調(diào)控作用均較好，且相差不大，效果較差的是上坡位布置草帶（措施A）。

2.1.2 侵蝕產(chǎn)沙率變化特征

圖3為4種不同坡溝治理措施下坡面侵蝕產(chǎn)沙率隨時(shí)間的變化情況。

圖3 降雨過程侵蝕侵蝕率變化

總體而言，第1次降雨過程中的侵蝕率均大于第2次降雨過程中的侵蝕率，且第1場(chǎng)降雨過程中侵蝕率最大值達(dá)到了3 500 g/min以上，第2場(chǎng)最大值僅為1 100 g/min以上，且第2次降雨各措施下的侵蝕率均為第1次降雨時(shí)的1/3～1/2（圖3）。對(duì)照組中，相鄰時(shí)段侵蝕率變化最大值達(dá)到了1 500 g/min左右，而在各類措施的影響下，相鄰時(shí)段侵蝕率變化最大值僅為500 g/min左右，第2場(chǎng)降雨過程中相鄰時(shí)段侵蝕率變化值更小。表明侵蝕主要發(fā)生在第1場(chǎng)降雨過程中。第1次降雨過程中和第2次降雨過程中的侵蝕率均呈現(xiàn)出逐漸增大，然后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，且在10～25 min內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，原因在于當(dāng)降雨達(dá)到一定時(shí)間后，土壤內(nèi)部已充滿下滲水，導(dǎo)致土壤較為松散，加之徑流逐漸貫通成股流，并開始出現(xiàn)跌坎和細(xì)溝雛形，所以此時(shí)土壤極易形成垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致侵蝕率波動(dòng)較為嚴(yán)重。對(duì)于不同坡溝治理措施下的侵蝕率變化，整體上呈現(xiàn)出了措施A>措施C>措施B>措施D>對(duì)照組的規(guī)律，表明措施D對(duì)于坡面侵蝕的調(diào)控作用最為顯著，其次是措施B和措施C，較差的措施A，這與前面圖2變現(xiàn)出的效果基本吻合。同時(shí)，第2次降雨時(shí)的侵蝕率更加平穩(wěn)，原因在于，經(jīng)過第1次降雨過后的土壤表面松散土壤已基本被沖走，且經(jīng)過24 h后，土壤表面出現(xiàn)沉淀、結(jié)皮，較為光滑，土壤不易被剝離。且不論第1次降雨還是第2次降雨過程中，布置措施后的侵蝕率變化均比對(duì)照組的侵蝕率更為平穩(wěn)，說明坡溝治理措施不僅能調(diào)節(jié)坡面侵蝕大小，還能使侵蝕更為平穩(wěn)、可控。

2.1.3 細(xì)溝最大長(zhǎng)度變化

圖4為不同坡溝治理措施下細(xì)溝最大長(zhǎng)度發(fā)育特征，作為在細(xì)溝發(fā)育過程中最基本的幾何參數(shù)，細(xì)溝長(zhǎng)度能夠直接反映細(xì)溝整體的發(fā)育過程變化情況，基于每隔2 min測(cè)得的一次溝長(zhǎng)數(shù)據(jù)，總體上可以將細(xì)溝溝長(zhǎng)變化過程分為發(fā)育階段和穩(wěn)定階段兩部分，由于不同措施的布置，使得細(xì)溝溝長(zhǎng)整體變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即對(duì)于發(fā)育階段而言，無任何治理措施的對(duì)照組的發(fā)育時(shí)間最長(zhǎng)，且呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，當(dāng)布置措施后，細(xì)溝溝長(zhǎng)變化開始逐漸穩(wěn)定發(fā)育，并且能夠更快地達(dá)到穩(wěn)定階段，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間基本呈現(xiàn)出對(duì)照組>措施A>措施B>措施C>措施D的規(guī)律。說明坡溝治理措施能較好地減緩細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間和細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育強(qiáng)度。并且措施的布置能調(diào)控細(xì)溝侵蝕出現(xiàn)的時(shí)間，由圖還可以看出，下坡位草帶（措施B）的布設(shè)使得細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間大大延后，出現(xiàn)在15 min以后，而措施D的布設(shè)更是使細(xì)溝首次出現(xiàn)時(shí)間推遲了20 min以后，這說明不同坡溝治理措施的布設(shè)不僅能對(duì)細(xì)溝形態(tài)大小和發(fā)育方式進(jìn)行調(diào)控，而且還能控制細(xì)溝出現(xiàn)的時(shí)間和細(xì)溝發(fā)育階段的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于總的細(xì)溝長(zhǎng)度來看，沒有治理措施的對(duì)照組細(xì)溝總長(zhǎng)度超過200 cm，上坡面布置措施后細(xì)溝溝長(zhǎng)總長(zhǎng)度均得到了不同程度的減小，其中草帶在下坡位（措施B）使得細(xì)溝溝長(zhǎng)不足60 cm，表明在措施D條件下，細(xì)溝溯源侵蝕得到了最大程度的削減。從細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育率來看，表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min）的規(guī)律?？梢姡诩?xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育階段措施A下的細(xì)溝溯源侵蝕較為劇烈，措施D下的細(xì)溝溯源侵蝕發(fā)育最慢。同時(shí)，措施B和措施D下的細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育階段細(xì)溝的增加長(zhǎng)度均小于100 cm。

圖4 細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育階段變化

2.2 不同治理措施對(duì)細(xì)溝形態(tài)發(fā)育的調(diào)控作用

2.2.1 細(xì)溝寬深比變化

細(xì)溝在發(fā)育過程中徑流不斷塑造細(xì)溝形態(tài)，同時(shí)細(xì)溝形態(tài)的變化也會(huì)對(duì)徑流泥沙的輸移產(chǎn)生一定的影響，兩者在不斷交互作用下發(fā)育變化。對(duì)于徑流而言，當(dāng)溝道過水面積一定時(shí)，濕周越小，則阻力越小，越有利于徑流流動(dòng)[21]，所以，細(xì)溝寬深變化對(duì)于徑流的流動(dòng)和侵蝕動(dòng)力的影響至關(guān)重要。研究表明，當(dāng)溝道下墊面相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，最優(yōu)水力斷面對(duì)應(yīng)的寬深比為0.828[22]，由圖5可以看出，所有試驗(yàn)條件下的細(xì)溝寬深比均呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)，表明細(xì)溝在發(fā)育過程中由最初的側(cè)蝕為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵虑星治g為主，最后趨于穩(wěn)定。且隨著措施的布置，寬深比變化趨于平穩(wěn)，對(duì)照組條件下的寬深比在最初細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)達(dá)到了6以上，說明此時(shí)的細(xì)溝發(fā)育及其不穩(wěn)定。總體而言，細(xì)溝發(fā)育全過程中寬深比值大小均基本保持對(duì)照組>措施B>措施A>措施C>措施D的規(guī)律，表明措施的布置均能使細(xì)溝形態(tài)更快趨于最優(yōu)形態(tài)。由于本次共設(shè)置2場(chǎng)降雨，且每次降雨均使產(chǎn)流時(shí)間持續(xù)30 min，細(xì)溝在第1場(chǎng)降雨過后已基本過了發(fā)育期，在第2場(chǎng)降雨中逐漸達(dá)到穩(wěn)定，基于水力學(xué)原理[23]，當(dāng)下墊面相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，最優(yōu)水力斷面對(duì)應(yīng)的寬深比為0.828，因此當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到一定階段后逐漸趨于穩(wěn)定，細(xì)溝縱斷面形態(tài)也基本保持不變，細(xì)溝寬深比最后均在最優(yōu)寬深比0.828附近。

圖5 不同措施下細(xì)溝寬深比變化

2.2.2 細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)形態(tài)分異特征

采用細(xì)溝體積、細(xì)溝面積、細(xì)溝表面積、細(xì)溝密度、細(xì)溝侵蝕占比來分析坡面細(xì)溝形態(tài)在不同坡溝治理措施下的演變過程。由表1可以看出，不同坡溝治理措施配置下的細(xì)溝體積、細(xì)溝面積、細(xì)溝表面積、細(xì)溝密度、細(xì)溝侵蝕占比均在第2次降雨過程中得到加強(qiáng)，進(jìn)一步表明細(xì)溝侵蝕在第2次降雨過程中得到了進(jìn)一步發(fā)育。且對(duì)于布置治理措施后的各個(gè)參數(shù)變化幅度均明顯減小，如對(duì)照組中細(xì)溝表面積從2.91 m3增加到了4.10 m3，增加了1.19 m3，而其他場(chǎng)次的增加值在0.01～0.8 m3不等，其他參數(shù)也存在類似規(guī)律，表明坡溝治理措施不僅能在細(xì)溝侵蝕總量上起到調(diào)控作用，還能使細(xì)溝侵蝕過程趨于平穩(wěn)化，這與前面的結(jié)論一致。且在細(xì)溝侵蝕占比中，呈現(xiàn)出對(duì)照組>措施A>措施C>措施B>措施D的規(guī)律，其中，對(duì)照組（裸坡）中細(xì)溝侵蝕占比達(dá)到了73.89%，此結(jié)果與Shen等[2]細(xì)溝侵蝕量占坡面土壤流失總量的62.2%～84.8%的結(jié)果一致。其他參數(shù)的變化基本也遵循這個(gè)規(guī)律，表明，措施D對(duì)于細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用最佳，措施A的調(diào)控作用在本試驗(yàn)措施配置中效果最差，措施B和措施C的效果相對(duì)較好。

2.3 多措施間對(duì)細(xì)溝侵蝕調(diào)控的協(xié)同作用

針對(duì)上坡位梯田（措施C）和下坡位草帶（措施B）以及兩者組合配置（措施D）對(duì)細(xì)溝侵蝕的協(xié)同作用，分別選取細(xì)溝侵蝕量、細(xì)溝面積、細(xì)溝密度3個(gè)指數(shù)來定量估算中部梯田+下部植被同時(shí)布設(shè)（措施D）下相較于上坡位梯田（措施C）和下坡位植被（措施B）2種不同措施單獨(dú)布設(shè)的協(xié)同作用。結(jié)果顯示（表2），對(duì)于3個(gè)指數(shù)的協(xié)同作用大小均是正值，表明2種措施同時(shí)布設(shè)相較于單獨(dú)布設(shè)時(shí)能產(chǎn)生相互促進(jìn)的效果，能對(duì)細(xì)溝侵蝕起到很好的調(diào)控作用。如表2所示，其中對(duì)于細(xì)溝面積減少效益所產(chǎn)生的協(xié)同作用最大，達(dá)到了13.76%，對(duì)于細(xì)溝侵蝕量的協(xié)同效益次之，為7.71%，對(duì)于細(xì)溝密度的協(xié)同效益相較于其他2個(gè)參數(shù)而言最小，只有7.52%。分析可知，相較于單措施草帶在下坡位時(shí)，在其上部增加同樣面積大小的梯田，上坡位梯田對(duì)于徑流泥沙的攔截作用在經(jīng)過下坡位草帶時(shí)，其攔截作用得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，從而使在單一措施下本該流走的徑流泥沙被攔截下來，且兩措施間相互影響徑流流速和徑流路徑，使得徑流更加分散，降低流速，從而增加了在梯田部位和草帶位置的下滲量。雙措施同時(shí)布設(shè)時(shí)，其對(duì)于徑流泥沙的攔截效果不僅僅是簡(jiǎn)單的疊加效果，而是通過改變徑流路徑、增加入滲量、降低徑流流速等作用對(duì)流過植被和梯田的徑流進(jìn)行消減，并且攔截絕大部分上坡面沖刷下來的泥沙，進(jìn)而對(duì)下溝道的細(xì)溝侵蝕起到一定的調(diào)控作用，發(fā)揮措施間的協(xié)同作用。

圖6 細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)分異特征

表1 2次降雨后細(xì)溝形態(tài)參數(shù)

表2 不同措施細(xì)溝調(diào)控效應(yīng)

3 討 論

3.1 植被和梯田水土保持調(diào)控作用

植被和梯田作為黃土高原丘陵區(qū)最主要的水土保持措施，一直以來都在水土流失治理中發(fā)揮著重要的作用，其通過影響下墊面特征、水沙傳輸路徑等方式，直接或間接作用于坡溝系統(tǒng)的水文過程和泥沙遷移[24]。細(xì)溝侵蝕作為坡面侵蝕的主要方式，其侵蝕量可占坡面總侵蝕量的50%～80%[25]，這與本文各措施下細(xì)溝侵蝕量占比73.89%、64.54%、63.16%、58.94%結(jié)論一致。而植被梯田協(xié)同配置下的細(xì)溝侵蝕量占比僅為41.37%，表明多措施協(xié)同配置下能在一定程度上降低細(xì)溝侵蝕占比。本文未對(duì)坡面坡度、降雨強(qiáng)度，土壤質(zhì)地等影響細(xì)溝侵蝕得因素進(jìn)行試驗(yàn)，有待于進(jìn)一步研究。

3.2 植被和梯田對(duì)溝蝕調(diào)控的協(xié)同作用

坡改梯作為黃土丘陵區(qū)主要的水土保持治理工程措施，馬勇星等[26]指出水平梯田對(duì)流域水土流失治理具有良好效果。胡春宏等[27]基于黃土高原丘陵區(qū)不同時(shí)期水平梯田的減水減沙效果，表明梯田修建后流域徑流、泥沙量可減小70%以上，冉大川等[28]研究發(fā)現(xiàn)次降雨量在100 mm時(shí)條件良好的梯田在一定降雨時(shí)間內(nèi)可基本實(shí)現(xiàn)全部降雨入滲。對(duì)于本試驗(yàn)條件下的植被和梯田措施，其對(duì)細(xì)溝侵蝕量的減小效益分別為27.12%和15.31%，且在植被和梯田協(xié)同配置下對(duì)于細(xì)溝侵蝕量、細(xì)溝面積、細(xì)溝密度的協(xié)同效益分別為7.71%、13.76%、7.52%。由此可見，多措施間存在相互影響，且對(duì)于細(xì)溝侵蝕的調(diào)控具有協(xié)同效應(yīng)，對(duì)于水土保持措施優(yōu)化配置具有一定指導(dǎo)意義。同時(shí)，今后研究中也可適當(dāng)考慮其他措施間的協(xié)同效應(yīng)，為多措施下的水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)做出進(jìn)一步的補(bǔ)充研究。

3.3 坡面水土保持措施配置

坡溝系統(tǒng)治理措施的科學(xué)配置一直以來都受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，對(duì)于在坡面布設(shè)草帶而言，已有大量研究[29]表明，對(duì)相同覆蓋度下草帶不同位置對(duì)于坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響均表現(xiàn)出坡下大于坡中大于坡上的結(jié)果，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但是對(duì)于試驗(yàn)條件下梯田的布設(shè)，前人研究較少，且由于試驗(yàn)條件下的梯田一般布設(shè)位置位于坡面中部[30]，因此，本試驗(yàn)并沒有設(shè)置不同梯田位置變化。對(duì)于相同位置下布設(shè)草帶與布設(shè)梯田之間對(duì)細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用進(jìn)行比較，結(jié)果表明無論是從坡面微地形變化（圖2）、細(xì)溝溝長(zhǎng)發(fā)育率（圖4）還是細(xì)溝形態(tài)分異特征（圖6），梯田（措施C）的水土保持效益要好于草帶（措施A），且當(dāng)兩措施協(xié)同配置時(shí)，其對(duì)細(xì)溝侵蝕的調(diào)控作用均達(dá)到最大，說明本研究中上坡位梯田與下坡位草帶之間產(chǎn)生了協(xié)同作用，此研究結(jié)果可為今后水土保持措施布設(shè)提供參考。今后研究中可進(jìn)一步從多角度量化多措施對(duì)細(xì)溝侵蝕和水沙調(diào)控作用的協(xié)同機(jī)制。

4 結(jié) 論

本次室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，定量研究了4種不同坡溝治理措施下（上坡位植被，A；下坡位植被，B；上坡位梯田，C；上坡位植被與下坡位梯田結(jié)合，D）的坡面微地形變化、細(xì)溝形態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及多措施間對(duì)于細(xì)溝侵蝕的協(xié)同作用等，主要結(jié)論如下：

1）2次間歇性降雨過后，不同坡溝系統(tǒng)治理措施下坡面均發(fā)生了不同程度的破裂侵蝕，措施A的侵蝕最為嚴(yán)重。

2）各坡溝治理措施對(duì)于細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控都具有較好的效果，其中，措施D的侵蝕量減少了50.14%，細(xì)溝密度減少了41.99%，調(diào)控效果最好。

3）本試驗(yàn)條件下，梯田與草帶之間協(xié)同配置時(shí)對(duì)細(xì)溝侵蝕存在一定程度上的協(xié)同效益，對(duì)細(xì)溝侵蝕量、細(xì)溝面積、細(xì)溝密度的協(xié)同效益分別為7.71%、13.76%、7.52%。

4）對(duì)于不同措施下的細(xì)溝最大溝長(zhǎng)發(fā)育率，表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min），表明措施D對(duì)細(xì)溝發(fā)育過程具有很好的調(diào)控作用。

5）整個(gè)細(xì)溝發(fā)育過程中，各措施下的細(xì)溝寬深比均呈現(xiàn)出逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，逐漸降低到水力最優(yōu)斷面寬深比0.828附近，表明細(xì)溝形態(tài)斷面趨于穩(wěn)定。

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Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system

Dong Jingbing1, Shi Peng1※, Li Zhanbin2, Li Peng1, Bai Lulu1, Zhao Zhun1, Song Zhihua1, Zhao Qianzhuo1, Mu Quanpeng1

(1.,,710048,;2.,710048,)

As the basic geomorphological unit of the loess hilly gully area, the slope and gouge system is also the main source area of eroded sediment on the Loess Plateau. As the main measures for slope erosion control, vegetation and terraces play an important role in soil erosion control and ecological restoration, and quantitative assessment of the regulatory effect of forest grass and terraces on slope fine trench erosion, and multi-measure collaborative allocation are of great significance for soil erosion control and ecological protection of the Loess Plateau. Based on the previous research on soil erosion and slope trench erosion, in order to reveal the synergistic regulation effect of vegetation and terraced land pattern and configuration on fine trench erosion in slope and trench system, this paper used artificial simulation rainfall, combined with 3D laser scanning technology, to quantitatively analyze the regulatory effect of different measures on fine trench erosion from the slope surface sand production rate and slope micro-terrain change as a whole, and quantitatively analyze the characteristics of single furrow morphological changes such as the change characteristics of the development process of fine furrow length and the change characteristics of fine furrow width and depth ratio from the single furrow morphology. The development process of fine furrow network was also analyzed, and parameters including but not limited to fine furrow erosion amount, fine furrow area, and fine furrow erosion proportion were quantitatively calculated, and the influence of different slope and ditch treatment measures on the characteristic parameters related to fine furrow erosion was expounded from multiple angles, and finally the synergistic effect of different measures on the erosion amount, area and density of fine trench was quantitatively calculated and analyzed for the synergistic effect between multiple measures. The effects of four slope measures: uphill vegetation (measure A), downhill vegetation (measure B), terraces (measure C), and terraces + vegetation (measure D) on the occurrence and evolution of fine furrow erosion were analyzed. The results showed that: 1) Under the same vegetation coverage, the maximum length of the downhill vegetation furrow was reduced compared with that of the uphill vegetation furrow (including the maximum ditch length of the uphill position reached 238.8 cm and the maximum ditch length in the downslope position reached 142.3 cm); 2) In the first rainfall, the maximum sand yield rate reached more than 3 500 g/min, and the maximum sand yield in the second rainfall was only more than 1 100 g/min. The sand yield rate of the second rainfall was 1/3-1/2 of the sand yield of the first rainfall during each production time; 3) The development rate of fine furrow length under each measure was the highest for measure A (6.55 cm/min), followed by measure C (5.71 cm/min), measure B (3.60 cm/min), and measure D (2.69 cm/min); 4) The simultaneous arrangement of terraces and vegetation (measure D) had a better regulatory effect on fine trench erosion than a single measure (measures B and C), and the terraces and vegetation had a synergistic effect on the erosion amount, area and density of fine trench on the erosion index of fine trench (7.71%, 13.76% and 7.52%, respectively). Based on the above research methods and related conclusions, this study provides a relatively new perspective in the prevention and control of soil erosion in the hilly area of the Loess Plateau, that is, when setting up actual engineering measures, the differences in the influence of the same measures on the erosion of fine ditches at different positions in the slope and ditch system and the impact of multiple measures and the synergistic effect between multiple measures can be properly considered, and the configuration of soil erosion control programs can be continuously optimized to maximize the benefits of each treatment measure. This study can provide a certain scientific reference for the allocation of slope and ditch treatment measures and the erosion control of fine ditches on the Loess Plateau.

erosion; vegetation; rills; slope-gully system; terrace; measure configuration; synergetic effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011

S216

A

1002-6819(2022)-20-0096-09

董敬兵，時(shí)鵬，李占斌，等. 植被和梯田措施對(duì)坡溝系統(tǒng)細(xì)溝侵蝕調(diào)控作用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(20)：96-104.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

Dong Jingbing, Shi Peng, Li Zhanbin, et al. Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 96-104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

2022-06-16

2022-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42077073）

董敬兵，博士生，研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。Email：dong18772498343@163.com

時(shí)鵬，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。Email：shipeng015@163.com