工程堆積體典型生態(tài)修復措施對土壤侵蝕水動力過程的影響

周 濤，蘇正安，劉剛才，王俊杰，劉翊涵,3，伍 佐,4，王麗娟

（1.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，中國科學院山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室，成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610100； 4.四川農業(yè)大學水利水電學院，雅安 625014）

0 引 言

工程堆積體作為生產(chǎn)建設項目的副產(chǎn)物，通常也伴隨著一系列的環(huán)境問題。生產(chǎn)建設活動中難免人為地對原始巖層和物質進行擾動和重塑，受限于棄土棄渣的臨時性、量大且難以調配，工程堆積體常存在生境破壞、非點源污染以及滑坡泥石流等次生災害。此外，工程堆積體是中國現(xiàn)階段水土流失的一個重要來源，據(jù)2006－2015年《中國水土保持公報》顯示，中國在“十一五”和“十二五”期間共審批生產(chǎn)建設項目的水土保持方案多達26.14萬個，所產(chǎn)生的棄土棄渣量也不低于450億m，生產(chǎn)建設活動中每年所產(chǎn)生的水土流失量約為8億t，松散新堆積體的土壤流失量則更大，侵蝕模數(shù)高達14 000～18 000 t/(km·a)，水土流失的嚴重程度已不容忽視，且在降雨和徑流沖刷的作用下極易產(chǎn)生劇烈水土流失和堆積體失穩(wěn)等次生災害，工程堆積體的生態(tài)修復刻不容緩。

川西生態(tài)屏障區(qū)生產(chǎn)建設活動中產(chǎn)生的工程堆積體巖土結構、立地條件等均具有明顯的地域性。中國川西生態(tài)屏障區(qū)地質環(huán)境復雜，深切河谷縱橫，各類淺表生時效變形現(xiàn)象發(fā)育，區(qū)域內廣泛發(fā)育和分布著第四紀松散堆積地層，具有巖層破碎、組分復雜和結構無序等特點，易衍生隨機性、復發(fā)性和多發(fā)性的地質災害，據(jù)報道顯示，在建成蘭鐵路約70%的段落巖體為千枚巖、板巖等軟弱巖層，且在建設過程中多處隧道出現(xiàn)了不同程度的軟巖變形破壞現(xiàn)象，尤其是處于成都至川主寺段的松潘隧道、榴桐寨隧道和楊家坪隧道等。西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來，受地質和地形的影響，該區(qū)域生產(chǎn)建設工程中常涉及隧道開挖，隧道開挖后形成的大型工程堆積體具有與原生下墊面顯著不同的巖土和生境條件：1）巖土組成中以破碎礫石和巖石為主；2）巖土結構差，養(yǎng)分、水分匱乏，生境惡劣，植被成活率低；3）高陡邊坡（坡度一般在37°左右）導致水土流失嚴重，植被難以成活。相關研究表明，位于川西生態(tài)屏障區(qū)的龍門山斷裂帶廣泛發(fā)育著糜棱巖和千枚巖等軟弱巖層，巖層具有明顯的破碎帶，且該區(qū)域高速公路、鐵路建設等的工程形式以隧道為主，產(chǎn)生的棄渣量大且可利用性低，在重力和降雨的作用下易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質災害，調查顯示，汶馬高速公路汶川至理縣段共有27處厚度達25 m以上的千枚巖堆積體，在2016年雨季期間共發(fā)生4處滑坡、1處泥石流、13處溜坍。近年來，川西生態(tài)屏障區(qū)的基礎設施建設水平和公共服務能力不斷提高，出于該區(qū)域的生態(tài)屏障價值和建設安全等方面考慮，工程堆積體的生態(tài)修復工作具有極大的必要性和迫切性。

工程堆積體的生態(tài)修復需協(xié)同考慮植被重建、基質改良和生境恢復等，相關的生態(tài)修復技術已頗為廣泛和成熟。工程堆積體的生態(tài)修復理論可追溯到恢復生態(tài)學，認為恢復是破壞過程的逆向演替，可通過生態(tài)系統(tǒng)的自然演替或人工誘導實現(xiàn)。相關研究表明，礫石為主的工程堆積體自然恢復的時間大約需要100～1 000年，適當?shù)娜藶檎T導和支持對工程堆積體生態(tài)恢復極為重要。目前關于工程堆積體的生態(tài)修復方法主要涉及生境改良（客土覆蓋，土壤改良，生態(tài)工程材料的應用）和植被選擇（鄉(xiāng)土植物、耐受植物）兩方面。Li等對煤矸石堆積體的生態(tài)恢復研究發(fā)現(xiàn)，歷經(jīng)9年的生態(tài)修復期后，不同先鋒植物群落的生長發(fā)育可在不同程度上顯著改善堆積體表層土壤（0～10 cm）的質量，增加土壤持水能力和土壤肥力；Zheng等研發(fā)了一種新型改良劑：聚丙烯酰胺-磁鐵礦（PAM-MAG），并通過人工降雨模擬試驗測試其在礦區(qū)堆積體生態(tài)修復中的作用，結果表明在土壤中施加5.985 g/m的PAM-MAG后，徑流的土壤累積損失量降低90.8%，徑流濁度降低79.9%。目前關于工程堆積體的生態(tài)修復實際應用技術均建立在長期生態(tài)系統(tǒng)修復的基礎上，且關于工程堆積體的生態(tài)修復時限和質量并沒有嚴格規(guī)定和標準，而新生工程堆積體初期水土流失防治及短期快速的生態(tài)修復也非常重要，關于此方面的研究則鮮有報道。

綜上，本研究選取成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號橫洞渣場為研究對象，選擇鄉(xiāng)土植物、羊糞和PVAc等進行典型生態(tài)修復措施的構建，采用徑流小區(qū)原位放水沖刷模擬試驗，測定其坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，分析不同修復措施、不同材料的水土保持作用差異，以查明工程堆積體的水沙變化特征，篩選工程堆積體快速生態(tài)修復的適宜措施，以期為西南山區(qū)工程堆積體的生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣土門鎮(zhèn)（31°45′20.15′′ N，104°2′27.50′′ E，海拔1 223 m），屬涪江流域，氣候類型為溫暖濕潤季風氣候區(qū)，年均氣溫11～13.7 ℃，全年降雨量703～800 mm，土壤類型以山地黃壤為主。研究區(qū)地處青藏高原與四川盆地的過渡地帶，構造單元屬龍門山構造斷裂帶，具有“四極三高”的特點（即地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應極為顯著；高地殼應力、高地震烈度和高地質災害風險），圍巖巖性以綠泥石千枚巖為主，具有弱風化、片理極其發(fā)育等特點，巖質較軟且破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，是青藏高原、長江上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的高山峽谷區(qū)的典型代表。富順渣場系成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號橫洞渣場，楊家坪隧道于2012年12月開始施工，并按規(guī)劃就近堆置棄渣，堆置方式主要為溝道傾倒堆積，區(qū)域內工程堆積體上的植被類型以灌草為主，附帶少量的喬木，優(yōu)勢物種包括刺槐（）、枹櫟（）、大籽蒿（）、千里光（）、燕麥（）、苜蓿（）等。

1.2 研究方法

工程堆積體生態(tài)修復模擬試驗于成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號橫洞渣場進行，堆積體主要由隧道修建所產(chǎn)生的碎石渣組成，試驗平臺選擇原位渣場邊坡，坡度為20°左右。2019年4月，將試驗平臺劃分為13個徑流小區(qū)，每個小區(qū)規(guī)格相同：長×寬（斜面長度）8 m×2 m，坡度20°，在每個小區(qū)內部進行均勻的人工覆土，覆土厚度為40 cm，且靜置待土層自然壓實。通過前期植被調查，選擇該區(qū)域具有經(jīng)濟價值和水土保持價值的優(yōu)勢鄉(xiāng)土植物：紫苜蓿（）、燕麥（）、刺槐（），以及經(jīng)濟實惠且無環(huán)境危害的土壤改良材料：羊糞、PVAc（聚醋酸乙烯酯，Polyvinyl Acetate）作為該區(qū)域工程堆積體生態(tài)修復的主要材料。將不同生態(tài)修復材料進行混合搭配以配置草本措施、喬草措施以及復合措施共12種處理，并設計裸地措施作為空白對照處理，具體措施配置情況如表1所示。通過當?shù)卣{查和研究考證，確定不同材料的具體布設方法：刺槐的布設采用苗木移栽法，在徑流小區(qū)坡面上以2 m為間隔進行等間距種植，每個徑流小區(qū)坡面共4棵；紫苜蓿和燕麥的布設采用播種法，以40 g/m為標準進行均勻播撒；PVAc的布設采用液施法，將濃度為2%的PVAc溶液以1 L/m為標準進行均勻噴灑；羊糞的布設按5 kg/m進行均勻鋪設。措施布設后，靜待植被1～2 a的生長期后，通過放水沖刷試驗探究不同生態(tài)修復措施的水土保持效果。

表1 工程堆積體徑流小區(qū)生態(tài)修復措施 Table 1 Ecological restoration measures in different runoff plots on engineering accumulation

2020年10月，通過放水沖刷試驗探究不同措施的生態(tài)修復效果，流量設定為60 L/min，單次試驗從坡面產(chǎn)生連續(xù)徑流開始共持續(xù)60 min。試驗開始前，將水流通過流量計以均勻流量通入小區(qū)上部穩(wěn)流池內，使水流以均勻穩(wěn)定的流量和流態(tài)進入小區(qū)，保證試驗的進行。于坡面徑流到達徑流小區(qū)下部出水口時開始計時，試驗過程中每隔10 min于坡面由上至下0～2、2～4、4～6、6～8 m處重復3次測定坡面徑流水動力參數(shù)（徑流深、徑流寬、徑流流速等）。坡面產(chǎn)沙特征的測定通過在徑流小區(qū)底部的集流池中收集徑流泥沙混合樣進行，試驗前10 min內，分別于第1，3，5，7，10 min時進行徑流泥沙混合樣的采集，10 min后，每隔5 min采集一次徑流泥沙混合樣，單次試驗共計15個樣品。徑流流速測定采用顏料示蹤法；徑流深和徑流寬的測定采用直尺直接量測法；泥沙樣品測定采用烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)放水沖刷模擬試驗所測得的各個斷面的徑流參數(shù)（徑流深、徑流寬和流速等），計算徑流的各個水動力參數(shù)，以表征不同植被措施和生態(tài)材料措施對堆積體坡面徑流過程的影響程度。雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻尼系數(shù)、徑流功率的計算式如下：

式中為徑流雷諾數(shù)；為徑流的平均流速，m/s；為水力半徑，m；為水的粘滯系數(shù)，cm/s，=0.017 75/ (1+0.033 7+0.000 221)，為水溫，℃；為重力加速度，m/s；為弗勞德數(shù)；為徑流Darcy-Weisbach阻力系數(shù)；為水力能坡，取坡面坡度的正弦值或正切值；為徑流功率，N/(m·s)；為水的容重，kg/m。

采用Shapiro-Wilk檢驗對試驗數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（方差齊性采用LSD法，方差不齊采用Tamhane’s T2法）、多因素方差分析（主效應、交互效應）等進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用獨立樣本Kruskal-Wallis的非參數(shù)檢驗進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗。試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析通過SPSS 20.0軟件進行，圖表繪制通過Origin 2017軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理坡面徑流含沙量的時間變化特征

各處理的坡面產(chǎn)沙過程基本均表現(xiàn)為隨沖刷時間的增加，徑流含沙量先呈波動減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，但各處理徑流含沙量在沖刷歷時中的波動特征差異性較大（圖1）。CK處理中，徑流含沙量的波動性主要集中于前20 min內，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，由73.16 g/L急劇增加到579.36 g/L，再波動降低至5.46 g/L；20 min后，坡面徑流含沙量呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量為15.57 g/L。相較于CK處理，草本措施處理下坡面徑流含沙量基本均呈現(xiàn)出先波動減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，且M、MM和A處理均可顯著降低徑流含沙量（圖2a）。其中，種植紫苜蓿的小區(qū)在沖刷初始階段，徑流含沙量呈現(xiàn)出波動減小的趨勢，30 min后，徑流含沙量呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢，MM、MP和M處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為4.51、9.84、1.09 g/L，相較于CK處理，徑流含沙量降低71.01%、36.77%、93.02%；而種植燕麥的小區(qū)在初始階段呈現(xiàn)出減小-波動增加-減小的趨勢，45 min后，徑流含沙量呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢，AM、AP和A處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為4.37、2.55、2.07 g/L，相較于CK處理，徑流含沙量降低71.95%、83.64%、86.72%。此外，種植燕麥小區(qū)的徑流含沙量在放水沖刷過程中的波動性小于種植紫苜蓿小區(qū)。喬草措施中，RMP和RAM處理的坡面徑流含沙量在沖刷前30 min內呈現(xiàn)出波動變化趨勢，30 min后則呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢，而其他處理的坡面徑流含沙量則在沖刷過程中始終保持相對穩(wěn)定的趨勢，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為9.84、15.93、6.91、6.28、7.06、6.39 g/L。相較于CK處理，僅RM、RAP和RA處理可顯著降低徑流含沙量。

圖1 不同處理坡面的徑流產(chǎn)沙過程 Fig.1 Temporal variations of soil sediment concentrations in different treatments

2.2 不同處理坡面徑流水動力參數(shù)的時間變化特征

雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)是水力學中判定水流流態(tài)的重要參數(shù)，不同水流流態(tài)的區(qū)分主要依據(jù)臨界雷諾數(shù)和臨界弗勞德數(shù)。根據(jù)明渠水流理論，水流可分為層流（＜500）、紊流（＞500）、緩流（＜1）和急流（＞1）等。不同處理中水力半徑和流速的關系表示在圖3的log-log關系圖中，此外，通過繪制=500和=1兩條函數(shù)進行水流流態(tài)的四區(qū)分區(qū)。由圖2b和圖3可知，雖然部分處理的在沖刷過程中具有顯著差異性，但各處理坡面徑流流態(tài)均處于紊流區(qū)，表明工程堆積體在陡坡條件下，坡面徑流均以紊流的形式存在。此外，各處理坡面徑流在沖刷歷時中不同程度地分布于緩流區(qū)和急流區(qū)。CK處理中，坡面徑流在沖刷歷時過程中均處于急流區(qū)，處于1.08～2.17之間；草本措施處理的坡面徑流在12.50%～66.67%的情況下處于緩流狀態(tài)，MM、MP、M、AM、AP、A處理的坡面徑流平均值分別為1.18、1.25、0.85、1.10、1.02和1.26，相較于CK處理，各處理坡面徑流平均分別降低了22.66%、17.61%、43.76%、27.88%、32.95%和16.88%；而喬草處理的坡面徑流在0～37.50%的情況下處于緩流狀態(tài)，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理的坡面徑流平均值分別為1.05、1.26、1.39、1.47、1.49和1.49，相較于CK處理，各處理坡面徑流平均分別降低了30.79%、17.07%、8.41%、3.02%、1.72%和1.96%。此外，由圖2c和表2可知，植被措施對降低坡面徑流弗勞德數(shù)具有較大的顯著效應，其中草本的效用可達到0.16，喬木的效用可達到0.15。

表2 不同措施類別作用效應分析 Table 2 MANOVA of different factors

圖2 不同處理坡面徑流含沙量、水動力參數(shù)的差異性分析 Fig.2 Analysis on soil sediment concentrations and hydrodynamic parameters in different treatments

圖3 不同處理坡面的徑流流態(tài) Fig.3 Flow regime zones of the slope flows in different treatments

徑流流速可直接影響坡面的土壤侵蝕過程，其變化特征與細溝的發(fā)育過程息息相關。本研究中，不同措施之間坡面徑流流速隨沖刷時間的增加均呈現(xiàn)出波動增加—趨于穩(wěn)定的趨勢，但試驗過程中徑流流速的增幅較小（圖4），且不同修復措施對坡面徑流過程的影響不顯著。CK處理中，坡面徑流流速在沖刷過程中由0.48 m/s增加至0.56 m/s，平均徑流流速為0.52 m/s。相較于CK處理，各處理均能在沖刷過程中不同程度地降低徑流流速，同時M、AM、AP、A、RMM和RMP處理與CK處理具有顯著性差異（圖2d）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過程中的坡面徑流平均流速分別為0.43、0.44、0.29、0.40、0.36、0.35 m/s，相較于CK處理，坡面平均徑流流速分別降低了17.42%、15.02%、43.63%、23.46%、31.36%、32.01%；喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過程中的坡面徑流平均流速分別為0.35、0.41、0.43、0.49、0.45、0.50 m/s，相較于CK處理，坡面平均徑流流速分別降低了32.08%、20.54%、16.83%、6.05%、14.21%、3.21%。此外，由多因素方差分析可知，除工程材料主效應，不同措施類別的主效應及其交互效應均可顯著影響坡面徑流流速（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達0.22。

圖4 不同處理坡面徑流流速隨沖刷時間的變化 Fig.4 Temporal variations of flow velocity in different treatments

坡面侵蝕過程中，由于水土界面的摩擦作用和徑流內部質點的無序運動等均會對徑流的運移產(chǎn)生阻礙作用，從而直接影響徑流流速、運移路徑和有效侵蝕力等。與徑流流速相反，各處理坡面徑流阻力系數(shù)在沖刷過程呈現(xiàn)出減小—趨于穩(wěn)定的趨勢，但試驗過程中徑流阻力系數(shù)的變化幅度較?。▓D5）。CK處理中，坡面徑流阻力系數(shù)在沖刷過程中由1.65減小至1.32，平均徑流阻力系數(shù)為1.44。相較于CK，各處理均能在試驗過程中不同程度地增加徑流阻力系數(shù)，同時M、AM、AP和RMM處理與CK處理具有顯著性差異（圖2e）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過程中的坡面徑流平均阻力系數(shù)分別為2.64、2.18、5.14、2.72、2.89、1.94，為CK處理的1.84、1.52、3.58、1.89、2.01、1.35倍。喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過程中的坡面徑流平均阻力系數(shù)分別為3.00、2.12、1.92、1.46、1.78、1.46，分別為CK處理的2.09、1.48、1.34、1.02、1.24、1.02倍。由多因素方差分析可知，草本、喬木、草×工程材料、喬×工程材料和草×喬×工程材料均可顯著影響坡面徑流阻力系數(shù)（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達0.16。

圖5 不同處理坡面徑流阻力系數(shù)隨沖刷時間的變化 Fig.5 Temporal variations of resistance coefficient in different treatments

徑流功率從能量的角度表征了坡面徑流運移過程中所具有的能量大小，徑流功率越大，徑流的土壤侵蝕能力越強，挾沙能力越強。與徑流流速類似，各處理的徑流功率在坡面沖刷過程中同樣呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，但試驗過程中徑流功率的增幅較?。▓D6）。CK處理中，坡面徑流功率在沖刷過程中由2.03增加到2.54 N/(m·s)，平均徑流功率為2.26 N/(m·s)。相較于CK處理，各處理均能在沖刷過程中不同程度地降低徑流功率，同時M、AP、A、RMM、RMP、RM和RAP處理與CK處理具有顯著性差異（圖2f）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過程中的坡面徑流平均徑流功率分別為2.12、1.74、1.28、1.96、1.67、1.09 N/(m·s)，相較于CK處理，分別降低了6.10%、9.20%、43.11%、13.36%、25.86%、51.90%。喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過程中的坡面徑流平均徑流功率分別為1.49、1.66、1.57、2.00、1.49、2.13 N/(m·s)，相較于CK處理，分別降低了34.02%、26.27%、30.35%、11.58%、33.94%、5.80%。由多因素方差分析可知，草本、工程材料、草×喬、草×工程材料和喬×工程材料均可顯著影響坡面徑流功率（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達0.25。

圖6 不同處理坡面徑流功率隨沖刷時間的變化 Fig.6 Temporal variations of flow power in different treatments

3 討 論

3.1 徑流含沙量和徑流水動力參數(shù)的時間變化規(guī)律

植被類型、格局等可通過改變徑流和泥沙輸移路徑的連通度從而影響坡面的侵蝕過程。本研究發(fā)現(xiàn)，工程堆積體陡坡上植被的存在可明顯改變坡面的徑流產(chǎn)沙過程，且作用效果主要分布在坡面侵蝕初期。本研究中，CK對照處理的坡面徑流含沙量隨徑流沖刷的延續(xù)呈現(xiàn)出先急劇增加后減小再趨于穩(wěn)定的趨勢，而植被措施處理基本均呈現(xiàn)出先波動減小后趨于穩(wěn)定的趨勢。徑流沖刷初期，由于工程堆積體坡度較陡，裸露坡面上松散的土壤顆粒在徑流沖刷過程中極易被搬運流失；而植被作為徑流、泥沙等物質的“匯”景觀深度影響著坡面的產(chǎn)沙輸沙過程，從而減少坡面徑流的含沙量。李建明等的研究表明，植被的存在改變了坡面的粗糙度，可對泥沙進行有效地攔蓄，同時被植被攔蓄的泥沙會在攔蓄-潰決的過程中造成徑流含沙量跳躍性增加或減少，致使產(chǎn)沙過程中的多峰多谷現(xiàn)象。

不同生態(tài)修復措施下，工程堆積體坡面各水動力參數(shù)的過程特征均呈現(xiàn)為前期波動變化，后期趨于穩(wěn)定的趨勢。坡面徑流沖刷初期，工程堆積體坡面侵蝕逐漸進入細溝侵蝕階段，徑流基本沿著侵蝕溝道向下運移，徑流深度增加，徑流量相對增加，從而徑流流速和徑流功率增加、徑流阻力系數(shù)減小；隨徑流沖刷的持續(xù)，土體逐漸飽和而達到穩(wěn)定入滲率，各水動力參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，不同于前人研究，本研究中植被對工程堆積體坡面的徑流過程特征沒有顯著的影響，各處理之間坡面徑流的水動力特征均呈現(xiàn)相似的時間變化趨勢。李建明等通過人工降雨試驗探究不同植被類型對堆積體坡面水動力特征的影響，結果表明植被的存在可顯著降低產(chǎn)流歷時中徑流流速、阻力系數(shù)、徑流功率等水動力參數(shù)的變化幅度，并改變其變化特征。而本研究中不同處理之間坡面徑流流速、徑流功率和徑流阻力系數(shù)的時間變化趨勢則沒有顯著差異，可能與堆積體坡面坡度較陡、土壤滲透性較高有關。徑流在向下運移過程中其自身重力沿坡面上的分力較大，致使徑流向下運動的慣性增大，一定程度上減弱了植被對徑流的分散作用，從而難以發(fā)揮植被對坡面徑流過程的影響；山地黃壤具有粗骨性、滲透性較高，粘聚力較弱等特點，致使其在坡面初始產(chǎn)流后很快就達到了相對飽和的狀態(tài)，后續(xù)沖刷過程中，坡面產(chǎn)流量基本維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，植被對徑流過程特征的影響不大。

3.2 植被措施對工程堆積體坡面侵蝕特征的影響

植被措施在工程堆積體坡面上的水土保持效果主要表現(xiàn)為植被本身的減流減沙效益、根土復合體協(xié)同抗蝕作用、以及間接改良土壤環(huán)境提高土壤的抗蝕能力等。本研究中發(fā)現(xiàn)，植被的存在可顯著降低工程堆積體的徑流含沙量、徑流流速、徑流功率，增加徑流阻力系數(shù)，并促進坡面徑流由急流向緩流轉變（圖2、表2）。一方面，植被可以通過其在坡面上的空間結構、分布及排列等格局特征直接影響土壤侵蝕過程，可直接改變了坡面的水文連通性，實現(xiàn)了對徑流的分流和攔截，是坡面水土流失泥沙匯集的重要因素，并且植被所攔截的泥沙一定程度上改變了坡面微地形，對徑流運移產(chǎn)生相應的阻力從而增加徑流阻力系數(shù)，減小徑流流速和徑流功率；另一方面，根土復合體的存在可顯著增加土體的抗沖能力，從而增大徑流運移阻力；再者，土壤中縱橫交錯的根系可顯著增加土壤的孔隙度進而增加土壤入滲能力，起到減流的作用。王倫江等的研究認為，植被的各組織器官在不同的侵蝕階段對徑流水動力特征的影響不同：面蝕階段，坡面徑流水動力特征的變化主要歸因于草本莖稈間距，且徑流阻力系數(shù)隨間距的增加而減??；細溝侵蝕階段，徑流基本均在溝道內運移，此時的徑流水動力特征的變化主要歸因于細溝內根系的出露分布情況。

雖然M、AP、A、RMM、RAP等措施可不同程度上發(fā)揮出顯著的水土保持效果，但措施之間并無顯著的差異性。研究結果表明，相較于草本處理，喬草措施并未發(fā)揮出更大的減流減沙優(yōu)勢，此現(xiàn)象可能與兩類措施中草本層生長狀況的差異、不同物種之間物候期的差異等因素有關。本研究中，草本措施和喬草措施草本層的生長狀況具有明顯差異，表現(xiàn)為草本措施小區(qū)中的草本層生長狀況優(yōu)于喬草措施小區(qū)中的草本層生長狀況，主要歸因于喬草措施小區(qū)中植被生長過程中存在的競爭關系，高大的刺槐在生長過程中會汲取更多的光照條件和養(yǎng)分條件等，從而對草本層的生長產(chǎn)生相對不利的影響。在短時期內，植被對坡面徑流水文狀態(tài)的影響主要通過近地表植被層來實現(xiàn)，即草本層發(fā)揮著主要作用。楊春霞等通過對植被建設初期不同植被類型坡面的水土流失差異進行研究，結果表明相較于農地和灌木林地，草地的減流減沙效益最明顯，可延緩坡面上跌坎和細溝的形成。不可否認地，刺槐在減少土壤侵蝕和改變坡面水文條件方面同樣具有不可忽略的作用，但刺槐的土壤的改良作用是隨其生長年限的增加逐漸體現(xiàn)出來的，短期的生態(tài)修復中，刺槐的生態(tài)修復效益難以較好的發(fā)揮，且喬木對土壤侵蝕的控制作用很大程度上與冠幅的截留消能作用有關，但本研究所采用的放水沖刷試驗無法考慮到此部分作用，仍需后續(xù)更深入的補充、研究和探索。

3.3 羊糞和PVAc對工程堆積體坡面侵蝕特征的影響

一般情況下，有機肥和PVAc等土壤改良劑均可促進土壤顆粒的團聚而增加土壤的抗蝕能力。Liu等通過在沙土上噴灑3 L/m不同濃度的聚醋酸乙烯酯乳液（PVIN）探究其固沙抗蝕能力，結果表明當PVIN濃度在5%時就足以起到固沙效果。Gholami等研究表明在土壤中施加0.3 kg/m的有機肥可有效降低土壤濺蝕、徑流含沙量并延長產(chǎn)流時間，此外，在不同降雨強度下有機肥的水土保持效果不同。不同于前人研究，本研究中增加羊糞和PVAc的施用，并不能在降低坡面產(chǎn)沙、改善坡面水動力條件上產(chǎn)生顯著的增效作用，分析其原因，可能由于因羊糞和PVAc而形成的團聚體在水的浸泡下發(fā)生崩解而不能提高土壤抗蝕強度有關。本研究中生態(tài)修復持續(xù)的時間較短，有機肥的腐化率較低，因有機肥而產(chǎn)生的團聚體含量也偏低，此外，通過調查，本研究區(qū)山地黃壤的土壤粘聚力低、入滲能力強，在水流沖擊下易分散，因此，在徑流的作用下，因羊糞和PVAc而形成的團聚體極易發(fā)生崩解，其減流減沙效益不能得到有效體現(xiàn)。

4 結 論

1）試驗條件下，工程堆積體坡面的水沙特征呈現(xiàn)出不同的時間變化趨勢。隨沖刷歷時的延續(xù)，對照處理的坡面徑流含沙量呈現(xiàn)出急劇增加-減小-穩(wěn)定的趨勢，而其他處理則基本均呈現(xiàn)出波動減小-穩(wěn)定的趨勢；各處理的坡面徑流流態(tài)始終處于紊流狀態(tài)，徑流流速和徑流功率均呈現(xiàn)出緩慢增加—趨于穩(wěn)定的趨勢，徑流阻力系數(shù)則呈現(xiàn)出緩慢降低—趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）植被措施可顯著降低工程堆積體坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙。相較于對照處理，黃壤+紫苜蓿+羊糞、黃壤+紫苜蓿（M）、黃壤+燕麥（A）、黃壤+刺槐+紫苜蓿、黃壤+刺槐+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+燕麥處理均能顯著降低坡面徑流含沙量，且放水沖刷試驗初始階段，各生態(tài)修復措施的減沙效果最顯著。此外，M、A、黃壤+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+紫苜蓿+羊糞處理基本均可顯著改善徑流流型、降低徑流流速和徑流功率、增加徑流阻力系數(shù)。

3）相較于對照處理，黃壤+紫苜蓿、黃壤+燕麥、黃壤+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+紫苜蓿+羊糞等處理雖然均可顯著減少工程堆積體的水土流失，但措施之間基本沒有顯著的差異性，表明短期生態(tài)修復條件下，喬木、羊糞和PVAc等的添加并未在工程堆積體水土保持方面發(fā)揮有效的增效作用。

4）在工程堆積體生態(tài)修復初期，本研究區(qū)宜采用黃壤+紫苜?；螯S壤+燕麥的修復措施。