工程陡坡水蝕特征對(duì)植被密度響應(yīng)的降雨試驗(yàn)

摘要：工程建設(shè)擾動(dòng)地表、破壞原地貌，易誘發(fā)水土流失，而植被種植是恢復(fù)工程擾動(dòng)區(qū)域生態(tài)的重要手段之一。在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，開展了模擬降雨試驗(yàn)，以裸坡為對(duì)照，分析了百喜草（Paspalum notatum Flugge，PF）在2種種植密度（PF10，10 cm×10 cm；PF20，20 cm×20 cm）條件下對(duì)工程陡坡（28°）產(chǎn)流產(chǎn)沙特征以及水沙效益的影響。結(jié)果表明：① 1.0，1.5，2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下PF20地表徑流發(fā)生時(shí)間比裸坡提前61.81%，0.88%，19.38%，而PF10在降雨強(qiáng)度1.5 mm/min和2.0 mm/min時(shí)起到延緩徑流發(fā)生的效果，滯后效益分別達(dá)到76.61%和237.21%。② 裸坡3種降雨強(qiáng)度下的平均產(chǎn)流率是PF10的3.23，4.55，1.28倍，降雨強(qiáng)度1.0 mm/min和1.5 mm/min下，裸坡平均產(chǎn)流率是PF20的1.10倍和1.27倍，但在降雨強(qiáng)度為2.0 mm/min時(shí)，PF20的平均產(chǎn)流率達(dá)到裸坡的1.08倍；在降雨強(qiáng)度≤1.5 mm/min時(shí)植被可顯著減少陡坡侵蝕，但在降雨強(qiáng)度為2.0 mm/min時(shí)在產(chǎn)流中后期出現(xiàn)植被陡坡侵蝕大于裸坡，但總體上3種降雨強(qiáng)度下裸坡平均產(chǎn)沙率分別達(dá)到PF20的7.83，2.86，1.24倍，是PF10的23.01，6.98，3.13倍。③ PF20和PF10的平均減沙效益分別為57.26%和83.11%，平均減流效益分別為7.08%和56.22%，PF10的減流和減沙效益分別是PF20的7.94倍和1.45倍。方差貢獻(xiàn)率分析表明降雨強(qiáng)度對(duì)工程陡坡累計(jì)產(chǎn)流量和累計(jì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率是植被密度的7.18倍和4.31倍，但植被密度的調(diào)控產(chǎn)沙效果高于產(chǎn)流。研究結(jié)果可為工程擾動(dòng)邊坡開展植被生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：工程陡坡； 植被密度； 產(chǎn)流產(chǎn)沙； 減水減沙； 模擬降雨

中圖法分類號(hào)： S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.025

0 引 言

工程建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要支撐［1］。然而，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和加快，土壤侵蝕和水土流失等環(huán)境問題日益凸顯，給生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2-3］。尤其是工程建設(shè)過程中不合理布局和施工方式等進(jìn)一步加劇水土流失［4-5］。例如，大規(guī)模的交通工程、水利工程、能源工程、城市基礎(chǔ)設(shè)施施工易形成大量的裸露陡坡，破壞原有生態(tài)系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致土壤裸露、植被喪失，加劇土壤侵蝕和水土流失［6-8］，嚴(yán)重威脅建設(shè)區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境和工程安全運(yùn)行［9］。植被作為抑制水蝕的重要自然屏障，其調(diào)控土壤侵蝕的作用顯得尤為關(guān)鍵。然而，目前對(duì)于工程陡坡水蝕特征與植被之間的相互響應(yīng)機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)的量化研究［10-11］。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)植被類型、覆蓋度等特征對(duì)坡面水蝕過程的影響開展了相關(guān)研究，并取得系列成果［12-14］。已有研究表明植被調(diào)控坡面侵蝕的作用機(jī)理涵蓋多個(gè)方面，主要有：① 植被通過地下根系穿插纏繞作用固定土壤顆粒［15-16］，且根系分泌物可以增加土壤有機(jī)質(zhì)形成團(tuán)聚體，提高土壤抗蝕能力［17］；② 植被冠層通過減緩水流速度［18-19］，降低雨滴對(duì)地表的擊濺作用［20］，以及植被莖稈對(duì)泥沙顆粒的阻滯作用，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控坡面徑流泥沙效果［21］；③ 植被還能增加土體穩(wěn)定性，保持土壤濕度和調(diào)節(jié)土壤溫度等，間接抑制水土流失［22-23］。此外，研究者們深入分析了植被類型、密度、立體垂直結(jié)構(gòu)等差異對(duì)于植被發(fā)揮水土保持效益的影響，認(rèn)為植被類型和立體垂直結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在喬木、灌木和草本的不同組合，其生物學(xué)及形成的立體防護(hù)結(jié)構(gòu)差異是導(dǎo)致其對(duì)坡面侵蝕調(diào)控效果有差別的重要原因［24-25］。植被密度作為植被形態(tài)的重要方面，直觀反映了植被對(duì)地表的覆蓋程度，也是植被調(diào)控坡面水土流失的重要指標(biāo)［26-27］。然而，已有研究多集中于針對(duì)自然坡面，鮮有針對(duì)工程陡坡的系統(tǒng)性研究［28］，對(duì)于植被尤其是不同密度植被調(diào)控工程陡坡水沙關(guān)系的研究目前較少。本研究通過野外模擬降雨試驗(yàn)，系統(tǒng)分析工程陡坡水蝕特征對(duì)植被密度的響應(yīng)規(guī)律，以裸坡為對(duì)照，深入探討植被與裸坡以及兩種不同密度植被陡坡在不同降雨試驗(yàn)條件下的水沙特征差異及其相互作用機(jī)制，闡明不同植被密度對(duì)調(diào)控工程陡坡產(chǎn)流產(chǎn)沙作用及減水減沙效益的差異性。研究結(jié)果有助于深化對(duì)工程建設(shè)區(qū)水蝕過程的認(rèn)識(shí)，也可為工程陡坡植被配置和水土保持措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究模擬試驗(yàn)選擇在糯扎渡送電廣東±800 kV直流輸電工程的普洱換流站站外邊坡開展（北緯22°39′24.1″，東經(jīng)100°40′0.98″）。試驗(yàn)區(qū)地貌類型主要為山丘和谷地，總體呈西高東低，海拔變化范圍為1 013.9～1 077.8 m。項(xiàng)目區(qū)屬低緯、高原、南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫19.1 ℃，多年平均降水量1 429.9 mm，植被類型以百喜草、紫薇、三角梅、高羊茅等為主。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本研究共布設(shè)3種下墊面：裸坡（BS，無植被，作為對(duì)照）、種植密度20 cm×20 cm（PF20）和10 cm×10 cm（PF10）的2組百喜草（Paspalum notatum Flugge，PF）小區(qū)（圖1），分別作為工程擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)過程中栽植密度稀疏和茂密的典型代表。為便于模擬降雨試驗(yàn)可操作性，在同一片坡面通過鋼板劃分出3個(gè)4 m（長）×2 m（寬）且坡度為28°的試驗(yàn)小區(qū)，下墊面為礫石含量為12%的土石混合介質(zhì)。

各試驗(yàn)小區(qū)四周用鋼板進(jìn)行圍擋，鋼板插入地下25 cm，地表保留5 cm，避免了外部水分進(jìn)入小區(qū)范圍內(nèi)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。同時(shí)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，用薄鋼板將2 m寬試驗(yàn)小區(qū)劃分為2個(gè)1 m寬的試驗(yàn)小區(qū)，作為重復(fù)試驗(yàn)。PF10和PF20試驗(yàn)小區(qū)分別設(shè)置了451穴和246穴，每穴的種子質(zhì)量為0.05g，

經(jīng)養(yǎng)護(hù)6個(gè)月植株高度超過10 cm后準(zhǔn)備試驗(yàn)［29］。采用200 cm3環(huán)刀在3組試驗(yàn)小區(qū)分別取3個(gè)樣品，經(jīng)在烘箱105 ℃條件下烘干24 h后測(cè)定質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算，BS、PF20和PF10的平均密度分別為1.32，1.26 g/cm3和1.19 g/cm3。最終試驗(yàn)前，測(cè)定PF20和PF10的覆蓋度分別是45%和88%，植被的高度均值為12 cm。BS、PF20和PF10的初始含水率分別為18.10%±1.23%、21.23%±1.56%和23.69%±1.89%。

根據(jù)研究區(qū)多年平均降雨特征，降雨強(qiáng)度設(shè)置3個(gè)梯度，分別為1.0，1.5，2.0 mm/min，涵蓋了研究區(qū)不同暴雨級(jí)別的侵蝕性降雨強(qiáng)度。考慮野外模擬降雨試驗(yàn)的可操作性和適用性，本研究降雨設(shè)備采用經(jīng)改制的中國科學(xué)院水土保持研究所生產(chǎn)的SR型側(cè)噴式野外人工模擬降雨機(jī)［30］，包括供水水箱（5 m3）、水泵、分流管（2根對(duì)噴）、供水水管、組裝式降雨水管（含進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門）、噴頭（含不同組合墊片）等裝置，經(jīng)率定降雨強(qiáng)度可達(dá)到0.5～3.0 mm/min，降雨均勻度＞85%。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門以及降雨器不同墊片組合進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度調(diào)控。降雨器放置在試驗(yàn)小區(qū)的上平臺(tái)，通過水泵形成6 m×3 m的均勻降雨范圍、7 m的降雨高度，使得雨滴達(dá)到近似天然降雨的終點(diǎn)速度。

1.3 模擬試驗(yàn)

每次降雨試驗(yàn)前率定降雨強(qiáng)度，采用塑料布覆蓋小區(qū)，在試驗(yàn)小區(qū)四周及中心位置放置雨量筒，通過量測(cè)3 min內(nèi)的降雨量計(jì)算平均降雨強(qiáng)度，至誤差小于設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度的5%。正式降雨試驗(yàn)從揭開塑料布開始計(jì)時(shí)，采用0.01 s精度的秒表記錄從揭開塑料布至在試驗(yàn)小區(qū)出口接到徑流泥沙樣時(shí)刻的時(shí)間，記錄為徑流發(fā)生時(shí)間（降雨前一天已經(jīng)采用0.5 mm/min降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨，保證不同試驗(yàn)小區(qū)初始含水率的一致性）。徑流發(fā)生至降雨結(jié)束總的時(shí)間設(shè)計(jì)為60 min，期間每隔2 min用2 L量筒接取一定時(shí)間內(nèi)的徑流泥沙樣，分別記錄接樣時(shí)間、接樣體積和接樣質(zhì)量。泥沙樣經(jīng)沉淀除去清水后，在105 ℃烘箱中烘干24 h得到泥沙干重，通過泥沙干重除以接樣時(shí)間和試驗(yàn)小區(qū)面積即可得到產(chǎn)沙率；接樣質(zhì)量減去泥沙干重即為清水質(zhì)量，將清水質(zhì)量除以接樣時(shí)間即可得到產(chǎn)流率。累計(jì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量是接樣開始至降雨60 min內(nèi)的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的累加。每次降雨試驗(yàn)在1組小區(qū)（2個(gè)重復(fù)1 m寬小區(qū)）進(jìn)行，因此，共計(jì)完成降雨場(chǎng)次為9場(chǎng)（3種下墊面×3種降雨強(qiáng)度），每組小區(qū)采用2個(gè)重復(fù)小區(qū)的均值作為最終分析的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)差異大，則舍棄該組試驗(yàn)，重新進(jìn)行降雨。為保證各場(chǎng)次降雨前期下墊面條件一致性，2場(chǎng)降雨間需要對(duì)下墊面地表進(jìn)行平整并靜置3 d以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流特征

2.1.1 徑流發(fā)生時(shí)間

降雨在陡坡坡面的水文過程包括入滲和產(chǎn)流兩方面。首先沿坡面由表層向內(nèi)部滲透，由于坡面表層初期未飽和，因此全部降雨入滲，待坡面表層達(dá)到飽和或出現(xiàn)降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度時(shí)發(fā)生超滲產(chǎn)流即形成徑流。因此，分析徑流發(fā)生時(shí)間是揭示植被調(diào)控工程陡坡坡面水文過程的重要內(nèi)容。

圖2為裸坡和2種密度植被陡坡在3種不同降雨強(qiáng)度I下的徑流發(fā)生時(shí)間。結(jié)果表明，裸坡在1.5 mm/min和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下的徑流發(fā)生時(shí)間比1.0 mm/min降雨強(qiáng)度分別提前7.63，9.76 min，PF10分別提前1.53 min和3.22 min，PF20分別提前0.83 min和3.18 min。即隨降雨強(qiáng)度增大，裸坡和2種密度植被陡坡徑流發(fā)生時(shí)間均提前，裸坡提前的幅度（69.05%，88.33%）大于植被陡坡（PF10和PF20提前幅度分別為20.21%，42.54%和19.67%，75.36%），即降雨強(qiáng)度對(duì)裸坡徑流發(fā)生時(shí)間的影響大于對(duì)植被陡坡的影響。分析表明PF20在3種降雨強(qiáng)度下的徑流發(fā)生時(shí)間均快于裸坡，1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下相比裸坡提前幅度分別為61.81%，0.88%，19.38%；PF10在降雨強(qiáng)度1.5，2.0 mm/min時(shí)起到阻滯徑流發(fā)生作用，滯后效益分別為76.61%和237.21%，而在降雨強(qiáng)度I=1.0 mm/min時(shí)徑流發(fā)生時(shí)間提前，幅度達(dá)到31.49%。總體上兩種密度植被對(duì)陡坡徑流發(fā)生時(shí)間調(diào)控作用均受降雨強(qiáng)度影響，隨種植密度增大，植被阻滯徑流發(fā)生的效果越顯著，3種降雨強(qiáng)度下PF10的徑流發(fā)生時(shí)間相較于PF20的滯后效益達(dá)到81.52%，128.61%和283.65%。綜合分析表明種植密度和降雨強(qiáng)度越大，植被阻滯坡面徑流發(fā)生的效果越顯著。

2.1.2 產(chǎn)流過程特征

圖3為3種降雨強(qiáng)度下不同陡坡下墊面產(chǎn)流率隨時(shí)間變化特征。總體上降雨強(qiáng)度I≤1.5 mm/min時(shí)（圖3（a）、（b）），裸坡和2種密度植被陡坡產(chǎn)流率隨時(shí)間呈緩慢遞增后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在產(chǎn)流30 min左右。將產(chǎn)流過程劃分為產(chǎn)流前期（0～30 min）和產(chǎn)流后期（30～60 min）兩個(gè)階段，其中裸坡在2種降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流前期和后期產(chǎn)流率的變化范圍分別為0.14～2.27 L/min和0.86～1.97 L/min，變化幅度分別為58.32%～1 648.12%和3.88%～230.40%；2種降雨強(qiáng)度下PF20和PF10在產(chǎn)流前期的產(chǎn)流率變化范圍分別為0.33～1.75 L/min和0.09～0.56 L/min，產(chǎn)流后期的變化范圍分別為0.80～2.29 L/min和0.10～0.79 L/min。從產(chǎn)流率絕對(duì)值分析，2種密度植被陡坡的產(chǎn)流率總體均低于裸坡（除了PF20最大產(chǎn)流率2.29 L/min大于裸坡2.27 L/min），即植被總體呈現(xiàn)出減少坡面徑流。然而，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到2.0 mm/min時(shí)（圖3（c）），裸坡和植被陡坡產(chǎn)流率隨時(shí)間均呈現(xiàn)快速增大后緩慢遞增變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在10 min左右。產(chǎn)流前10 min裸坡和植被陡坡產(chǎn)流率的變化幅度分別為49.68%～226.83%和79.69%～469.77%，產(chǎn)流后50 min的變化幅度分別為6.93%～84.21%和2.92%～124.36%，即植被陡坡產(chǎn)流率在2個(gè)階段的變化幅度均高于裸坡，表明在強(qiáng)降雨下植被陡坡產(chǎn)流過程的動(dòng)態(tài)變化較裸坡更顯著。產(chǎn)流率絕對(duì)值分析表明，產(chǎn)流前10 min和產(chǎn)流后50 min的PF20產(chǎn)流率最大值分別是裸坡最大值的1.07倍和1.01倍，即出現(xiàn)植被陡坡產(chǎn)流大于裸坡，但PF10的產(chǎn)流均小于裸坡。

對(duì)比分析次降雨過程產(chǎn)流率均值，可直觀地反映出植被調(diào)控陡坡產(chǎn)流效益。圖4為裸坡和2種密度植被陡坡次降雨平均產(chǎn)流率及差異性。結(jié)果表明：裸坡在降雨強(qiáng)度1.5 mm/min和2.0 mm/min時(shí)的平均產(chǎn)流率分別比降雨強(qiáng)度1.0 mm/min增大1.85倍和3.48倍，PF20和PF10分別增大1.59，4.13倍和2.60，12.40倍，即降雨強(qiáng)度對(duì)植被陡坡平均產(chǎn)流率影響大于對(duì)裸坡的影響。在降雨強(qiáng)度1.0 mm/min和1.5 mm/min時(shí)，裸坡平均產(chǎn)流率是PF20的1.10倍和1.27倍，是PF10的3.23倍和4.55倍；但在降雨強(qiáng)度I=2.0 mm/min時(shí)，PF20的平均產(chǎn)流率是裸坡的1.08倍，但裸坡平均產(chǎn)流率是PF10的1.28倍。3種降雨強(qiáng)度下PF20的平均產(chǎn)流率分別達(dá)到PF10的4.15，2.54倍和1.38倍，隨降雨強(qiáng)度增大二者差異減小。除PF20在降雨強(qiáng)度2.0 mm/min的平均產(chǎn)流率高于裸坡外，其他植被陡坡的平均產(chǎn)流率均小于裸坡，即植被總體仍起到減少陡坡徑流作用。差異性分析結(jié)果表明：在降雨強(qiáng)度I為1.0 mm/min和2.0 mm/min時(shí)，裸坡與PF20的平均產(chǎn)流率差異不顯著（P＞0.05），但均與PF10呈顯著差異（P＜0.05），在I=1.5 mm/min時(shí)3種下墊面平均產(chǎn)流率互呈顯著差異（P＜0.05）。同時(shí)3種下墊面3種降雨強(qiáng)度下的平均產(chǎn)流率互呈顯著差異（P＜0.05），進(jìn)一步表明降雨強(qiáng)度對(duì)不同類型陡坡產(chǎn)流均會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

2.2 產(chǎn)沙過程特征

圖5為3種降雨強(qiáng)度下裸坡和植被陡坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化特征。結(jié)果表明，不同降雨強(qiáng)度下裸坡和2種密度植被陡坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化特征差異較大。在降雨強(qiáng)度I=1.0 mm/min時(shí)，裸坡產(chǎn)沙率呈快速遞增-快速遞減-緩慢遞減變化，而植被陡坡產(chǎn)沙率總體呈相對(duì)穩(wěn)定-波動(dòng)增大變化，且產(chǎn)沙量由大到小依次為裸坡＞PF20＞PF10，祼坡、PF20、PF10產(chǎn)沙率變化范圍分別為5.88～56.30 g/min，1.18～4.98 g/min和0.15～4.76 g/min，變化幅度分別為11.64%～857.35%，19.38%～323.44%和42.31%～3 141.72%，PF10產(chǎn)沙率變幅大于裸坡，但絕對(duì)值仍小于裸坡，植被起到減少陡坡侵蝕作用。降雨強(qiáng)度I=1.5 mm/min時(shí)，裸坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間呈波動(dòng)遞增-遞減-增大的動(dòng)態(tài)變化，總體呈遞增趨勢(shì)；而植被陡坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間呈波動(dòng)增大-快速遞增變化，除了產(chǎn)流40 min后出現(xiàn)PF20產(chǎn)沙率大于裸坡外，總體產(chǎn)沙率呈現(xiàn)為裸坡＞PF20＞PF10，裸坡、PF20和PF10產(chǎn)沙率變化范圍分別為3.53～74.84 g/min、1.61～34.12 g/min和0.19～17.60 g/min，變化幅度分別為27.15%～2 022.39%，12.90%～2 019.55%和86.36%～8 984.37%，PF10的產(chǎn)沙率變化幅度大于裸坡，但其絕對(duì)值仍顯著小于裸坡，此降雨強(qiáng)度條件下植被仍呈減少陡坡侵蝕作用。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到2.0 mm/min時(shí)，裸坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間呈快速增大后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化，而植被陡坡產(chǎn)沙率隨時(shí)間呈顯著的持續(xù)增大變化，在產(chǎn)流23 min內(nèi)產(chǎn)沙率呈現(xiàn)裸坡＞PF20＞PF10，此時(shí)植被陡坡表現(xiàn)為減少侵蝕作用，但在23～60 min期間，出現(xiàn)了植被陡坡產(chǎn)沙率大于裸坡的情形；裸坡、PF20和PF10產(chǎn)沙率變化范圍分別為19.97～268.58 g/min，11.67～203.36 g/min和3.07～77.41 g/min，變化幅度分別為86.26%～1 245.02%，84.55%～1 643.08%和74.43%～2 419.82%，植被在產(chǎn)流前期能有效減少坡面侵蝕，但在產(chǎn)流后期可能導(dǎo)致侵蝕加劇。

計(jì)算次降雨全過程平均產(chǎn)沙率可直觀反映出2種密度植被對(duì)陡坡產(chǎn)沙過程影響，見圖6。裸坡在降雨強(qiáng)度1.5 mm/min和2.0 mm/min時(shí)的平均產(chǎn)沙率分別比1.0 mm/min時(shí)增大1.24倍和4.73倍，PF20和PF10分別增大3.40，29.82倍和4.10，34.80倍，即降雨強(qiáng)度對(duì)植被陡坡產(chǎn)沙影響顯著大于對(duì)裸坡影響。降雨強(qiáng)度1.0，1.5，2.0 mm/min裸坡的平均產(chǎn)沙率分別是PF20的7.83，2.86，1.24倍，是PF10的23.01，6.98倍和3.13倍，PF20的平均產(chǎn)沙率是PF10的2.94，2.44倍和2.52倍。3種降雨強(qiáng)度下2種密度植被均能起到減少陡坡次降雨平均產(chǎn)沙率的作用。差異性分析表明：PF10平均產(chǎn)沙率與裸坡呈顯著差異（P＜0.05）；降雨強(qiáng)度2.0 mm/min時(shí)PF20平均產(chǎn)沙率與裸坡差異不顯著（P＞0.05），但降雨強(qiáng)度≤1.5 mm/min仍呈顯著差異（P＜0.05）；PF10與PF20的平均產(chǎn)沙率在降雨強(qiáng)度≥1.5 mm/min時(shí)呈顯著差異（P＜0.05），在1.0 mm/min時(shí)差異不顯著。從降雨強(qiáng)度對(duì)3種下墊面平均產(chǎn)沙率影響分析表明：降雨強(qiáng)度2.0 mm/min與1.0 mm/min和1.5 mm/min間呈顯著差異（P＜0.05），但降雨強(qiáng)度為1.0 mm/min與1.5 mm/min時(shí)不同下墊面平均產(chǎn)沙率差異均不顯著（P＞0.05）。

2.3 植被調(diào)控水沙效益特征

分析3種下墊面次降雨累計(jì)產(chǎn)沙量和累計(jì)產(chǎn)流量的定量關(guān)系見圖7。結(jié)果表明：除了裸坡在降雨強(qiáng)度1.0 mm/min時(shí)的累計(jì)產(chǎn)沙量和累計(jì)產(chǎn)流量線性擬合關(guān)系效果較差（R2=0.288）外，3種下墊面在3種降雨強(qiáng)度下的累計(jì)產(chǎn)沙量均與累計(jì)產(chǎn)流量呈顯著的線性關(guān)系（R2＞0.9）。從線性擬合結(jié)果看：裸坡在降雨強(qiáng)度1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min的累計(jì)產(chǎn)沙量分別達(dá)到PF20的9.40，2.66倍和1.65倍，是PF10的7.67，2.86倍和3.22倍；3種降雨強(qiáng)度下PF20相同累計(jì)產(chǎn)流量下的累計(jì)產(chǎn)沙量是PF10的0.82，1.08倍和1.96倍，差異較小。

為定量分析兩種密度植被調(diào)控工程陡坡次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙作用，計(jì)算3種降雨強(qiáng)度下3種下墊面累計(jì)產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量，以及植被的減水減沙效益，見表1。3種降雨強(qiáng)度下累計(jì)產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)為裸坡＞PF20＞PF10；降雨強(qiáng)度I≤1.5 mm/min時(shí)，累計(jì)產(chǎn)流量也呈現(xiàn)為裸坡＞PF20＞PF10，但在降雨強(qiáng)度I=2.0 mm/min時(shí)呈現(xiàn)出PF20＞裸坡＞PF10。減沙效益分析表明：降雨強(qiáng)度1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min PF20的減沙效益分別為87.23%，65.09%和19.47%，PF10的減沙效益分別為95.64%，85.66%和68.02%，種植密度越大減沙效益越顯著，PF20和PF10的平均減沙效益分別為57.26%和83.11%，即PF10的減沙效益是PF20的1.45倍，降雨強(qiáng)度1.5 mm/min和2.0 mm/min下PF20的減沙效益分別比降雨強(qiáng)度1.0 mm/min下降25.38%和77.68%，PF10的減沙效益分別下降10.44%和28.87%。減流效益結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min下PF10的減流效益達(dá)到77.89%，69.04%和21.75%，平均為56.22%；PF20在降雨強(qiáng)度1.0 mm/min和1.5 mm/min的減流效益分別為8.44%和21.00%，但在降雨強(qiáng)度2.0 mm/min時(shí)不僅無法減少產(chǎn)流，甚至導(dǎo)致產(chǎn)流增大8.20%，3種降雨強(qiáng)度下總體平均減流效益為7.08%。綜合分析3種降雨強(qiáng)度的減流減沙效益表明，PF10的平均減沙效益是減流效益的1.48倍，PF20為8.09倍，總體上植被減沙效益大于減流效益。

通過方差貢獻(xiàn)率計(jì)算得到降雨強(qiáng)度、植被密度以及二者交互作用對(duì)累計(jì)產(chǎn)流量和累計(jì)產(chǎn)沙量的影響。結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度對(duì)累計(jì)產(chǎn)流量和累計(jì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到85.75%和66.35%，植被密度的貢獻(xiàn)率分別為11.93%和15.38%，二者交互作用的貢獻(xiàn)率分別為2.31%和18.27%。總體上降雨強(qiáng)度是影響工程陡坡產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素，對(duì)累計(jì)產(chǎn)流量和累計(jì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率分別是植被密度的7.18倍和4.31倍，分別是二者交互作用的37.05倍和3.63倍。且降雨強(qiáng)度對(duì)工程陡坡產(chǎn)流的貢獻(xiàn)高于對(duì)產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)，而植被密度以及二者交互作用對(duì)產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)高于對(duì)產(chǎn)流的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步表明植被在調(diào)控工程陡坡侵蝕方面的重要作用。

3 結(jié) 論

針對(duì)工程陡坡植被存活率不高，生態(tài)修復(fù)困難等難題，基于野外模擬降雨試驗(yàn)，分析了兩種密度植被對(duì)工程陡坡水蝕過程特征影響，量化不同密度植被調(diào)控陡坡水沙效益，主要結(jié)論如下：

（1） PF20在1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下使得工程陡坡徑流發(fā)生時(shí)間分別比裸坡提前61.81%，0.88%，19.38%，但PF10在降雨強(qiáng)度1.5 mm/min和2.0 mm/min時(shí)能顯著阻滯陡坡徑流發(fā)生，滯后效益分別為76.61%和237.21%，3種降雨強(qiáng)度下PF10的徑流發(fā)生時(shí)間比PF20分別滯后81.52%，128.61%和283.65%。

（2） 降雨強(qiáng)度≤1.5 mm/min時(shí)植被陡坡產(chǎn)流率總體小于裸坡，但降雨強(qiáng)度達(dá)到2.0 mm/min時(shí)，產(chǎn)流后期均出現(xiàn)植被陡坡產(chǎn)流率大于裸坡。1.0，1.5 mm/min和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下裸坡平均產(chǎn)流率是PF10的3.23，4.55倍和1.28倍，在降雨強(qiáng)度1.0 mm/min和1.5 mm/min時(shí)裸坡是PF20的1.10倍和1.27倍；2種密度植被在降雨強(qiáng)度≤1.5 mm/min時(shí)的產(chǎn)沙率小于裸坡，但降雨強(qiáng)度2.0 mm/min時(shí)在產(chǎn)流后期均出現(xiàn)產(chǎn)沙率大于裸坡，但總體上裸坡平均產(chǎn)沙率分別是PF20的7.83，2.86，1.24倍，是PF10的23.01，6.98倍和3.13倍。

（3） PF10和PF20的平均減流效益分別為56.22%和7.08%，平均減沙效益分別為83.11%和57.26%，PF10的減流和減沙效益分別是PF20的7.94倍和1.45倍；降雨強(qiáng)度對(duì)工程陡坡累計(jì)產(chǎn)流量和累計(jì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率達(dá)到植被密度的7.18倍和4.31倍，但植被密度對(duì)產(chǎn)沙調(diào)控效果高于對(duì)產(chǎn)流的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 史志華，于書霞，王玲.南方紅壤區(qū)水土流失與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的耦合關(guān)系［J］.人民長江，2023，54（1）：69-74.

［2］ 余可心，王榮浩，王文龍，等.青藏高原輸電線路工程侵蝕環(huán)境及其水土流失防治［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2022，36（7）：139-146.

［3］ LI Z W，NING K，CHEN J，et al.Soil and water conservation effects driven by the implementation of ecological restoration projects：evidence from the red soil hilly region of China in thelast three decades［J］.Journal of Cleaner Production，2020，260：121109.

［4］ 張樂濤，高照良.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕研究進(jìn)展［J］.中國水土保持科學(xué)，2014，12（1）：114-122.

［5］ 高儒學(xué)，戴全厚，甘藝賢，等.土石混合堆積體坡面土壤侵蝕研究進(jìn)展［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2018，32（6）：1-8，39.

［6］ LIU Y J，HU J M，WANG T W，et al.Effects of vegetation cover and road-concentrated flow on hillslope erosion in rainfall and scouring simulation tests in the Three Gorges Reservoir Area，China［J］.Catena，2016，136：108-117.

［7］ PENG X D，SHI D M，JIANG D，et al.Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area，China［J］.Catena，2014，123：215-224.

［8］ 李斯佳，王金滿，萬德鵬，等.采煤沉陷地微地形改造及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2018，37（6）：1612-1619.

［9］ GAO Y，YIN Y P，LI B，et al.Post-failure behavior analysis of the Shenzhen\"12.20\" CDW landfill landslide［J］.Waste Management，2019，83：171-183.

［10］郭興月，王添，程圣東，等.近30年土壤侵蝕模型研究進(jìn)展［J］.泥沙研究，2023，48（1）：65-72.

［11］史志華，劉前進(jìn)，張含玉，等.近十年土壤侵蝕與水土保持研究進(jìn)展與展望［J］.土壤學(xué)報(bào)，2020，57（5）：1117-1127.

［12］朱方方，秦建淼，朱美菲，等.模擬降雨下林下覆被結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2023，37（3）：10-18.

［13］張銳波，張麗萍，錢婧，等.雨強(qiáng)和植被覆蓋度對(duì)坡地侵蝕產(chǎn)沙影響強(qiáng)度研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2017，26（5）：206-212.

［14］田培，許盈，楊偉，等.鄂東南水土流失時(shí)空變化及其影響因子定量評(píng)價(jià)［J］.人民長江，2023，54（7）：61-68.

［15］馬金龍，王兵.1962～2022年土壤抗沖性研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39（17）：19-28.

［16］VANNOPPEN W，DE BAETS S，KEEBLE J，et al.How do root and soil characteristics affect the erosion-reducing potential of plant species？［J］.Ecological Engineering，2017，109：186-195.

［17］LI Q，LIU G B，ZHANG Z，et al.Relative contribution of root physical enlacing and biochemistrical exudates to soil erosion resistance in the Loess soil［J］.Catena，2017，153：61-65.

［18］張思毅，梁志權(quán)，謝真越，等.白三葉不同部位減沙效應(yīng)及其對(duì)徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（8）：1306-1314.

［19］WEI S，ZHANG K D，LIU C L，et al.Effects of different vegetation components on soil erosion and response to rainfall intensity under simulated rainfall［J］.Catena，2024，235：107652.

［20］LYU L，LI Y，ZHOU C M.Mechanistic analysis of splash erosion on loess by single raindrop impact：interaction of soil compaction，water content，and raindrop energy［J］.Biosystems Engineering，2023，236：238-247.

［21］WANG L J，ZHANG Y L，JIA J C，et al.Effect of vegetation on the flow pathways of steep hillslopes：overland flow plot-scale experiments and their implications［J］.Catena，2021，204：105438.

［22］陳彬，姚錫偉，毛朝勛.水-草-土耦合邊坡流場(chǎng)特性研究［J］.人民長江，2023，54（1）：206-211.

［23］WANG D D，YUAN Z J，CAI Y T，et al.Characterisation of soil erosion and overland flow on vegetation-growing slopes in fragile ecological regions：a review［J］.Journal of Environmental Management，2021，285：112165.

［24］CHEN H，ZHANG X，ABLA M，et al.Effects of vegetation and rainfall types on surface runoff and soil erosion on steep slopes on the Loess Plateau，China［J］.Catena，2018，170：141-149.

［25］毛蘭花，查軒，黃少燕，等.喬灌草治理年限對(duì)紅壤區(qū)土壤養(yǎng)分的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2018，32（2）：173-178.

［26］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.

［27］彭瓊，劉寶元，曹琦，等.作物覆蓋度對(duì)土壤侵蝕的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2022，36（5）：97-103.

［28］YANG S，GAO Z L，LI Y H，et al.Erosion control of hedgerows under soils affected by disturbed soil accumulation in the slopes of loess plateau，China［J］.Catena，2019，181：104079.

［29］董煥煥，趙紅，鄧俊雙，等.植被恢復(fù)方式對(duì)紅壤丘陵區(qū)棄土場(chǎng)植被生長指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的影響［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2022，12（1）：145-152.

［30］何曉玲，鄭子成，李廷軒.不同耕作方式對(duì)紫色土侵蝕及磷素流失的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（12）：2492-2500.

（編輯：黃文晉）

Rainfall experiment on response of water erosion characteristics to vegetation density on engineering steep slopes

GUO Rui1，ZHANG Peng1，LI Li1，LI Jixiao ，LIU Haibo1，WU Guangyao1

（1.Huaneng Lancang River Hydropower Inc.，Kunming 650206，China； 2.Yunnan Key Laboratory of Soil Erosion Prevention and Green Development，Kunming 650228，China； 3.Yunnan Water Science Research Institute，Kunming 650228，China）

Abstract：

Project constructions significantly disrupt the surface and damage the original vegetation，potentially leading to soil erosion.Vegetation planting is one of the important means to restore the regional ecology disturbed by the subsequent implementation of the project.Based on field investigations，simulated rainfall experiments were conducted with bare slopes as controls to analyze the effects of Paspalum notatum Flugge （PF） on the runoff and sediment yielding characteristics and water-sediment benefits of engineering steep slopes （28°） under two vegetation densities （PF10：10 cm×10 cm，PF20：20 cm×20 cm）.Results showed：① The occurrence time of PF20 surface runoff under rainfall intensities of 1.0 ，1.5 mm/min，and 2.0 mm/min was 61.81%，0.88%，and 19.38% earlier than that of bare slopes.In contrast，PF10 delayed runoff occurrence when rainfall intensities of 1.5，2.0 mm/min，with a lag benifits of 76.61% and 237.21%.② The average runoff rate on the bare slope under three different rainfall intensities was 3.23，4.55 times，and 1.28 times than that of PF10.At rainfall intensities of 1.0 mm/min and 1.5 mm/min，the average runoff rate on the bare slope was 1.10 times and 1.27 times than that of PF20.However，at rainfall intensity of 2.0 mm/min，the average runoff rate of PF20 reached 1.08 times than that of bare slope.When rainfall intensity reached 2.0 mm/min，the average sediment yield rate of PF20 was 1.08 times than that of the bare slope.When rainfall intensity was 1.0 mm/min and 1.5 mm/min，vegetation significantly reduced erosion on steep slopes.In contrast，at 2.0 mm/min rainfall intensity，vegetation-induced erosion on steep slopes was greater than that on bare slope in the later stages of runoff.Overall，the average sediment yield on bare slopes was 7.83，2.86，1.24 times more than that of PF20 and 23.01，6.98，3.13 times more than that of PF10.③ The average sediment reduction benefits of PF20 and PF10 were 57.26% and 83.11%，respectively，while the average runoff reduction benefits were 7.08% and 56.22%，respectively.The runoff and sediment reduction benefits of PF10 were 7.94 and 1.45 times than those of PF20，respectively.Variance contribution rate analysis showed that rainfall intensity contributed 7.18 times and 4.31 times than that of the vegetation density to accumulation runoff and sediment production on engineering steep slopes，but vegetation density had a higher impact on regulating sediment production compared to runoff production.These research results can provide scientific guidance for the vegetation ecological restoration of engineering disturbed slopes.

Key words：

engineering steep slopes； vegetation density； runoff and sediment yield； reduction of soil and runoff； simulated rainfall