模拟降雨条件下不同草本植被对产流产沙的影响

袁巧丽^1,2， 吕桂军^1,2， 侯礼婷^1,2

 

Influence of Different Herbal Vegetation on Runoff and Sediment Yield Based on Simulation Rainfall

YUAN Qiaoli^1，2，LV Guijun^1，2，HOU Liting^1，2

 

 

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模拟降雨条件下不同草本植被对产流产沙的影响

袁巧丽^1，2，吕桂军^1，2，侯礼婷^1，2

（1.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南 开封 475004；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

摘 要：为了探讨不同草本植被对坡面产流产沙的影响，在人工模拟降雨条件下，选择福禄考、佛甲草、蓝羊茅，设计坡度为10°；早熟禾、黑麦草、高羊茅，设计坡度分别为5°、10°、15°，进行试验研究。研究结果表明：不同草本植物均能有效降低土壤的产沙量与产流量，起到保持水土、修复生态的作用。相同草本，不同坡度下，坡度越大，产流、产沙、土壤侵蚀量越大，作用系数也越大。

关键词：人工模拟降雨；草本植被；产流；产沙；覆盖度；作用系数；差异性分析

 

0 引言

土壤侵蚀、水土流失是人类所面临的重大环境问题之一。导致土壤侵蚀的因素很多，其中一个最重要的因素就是降雨，特别是强降雨。实际上，土壤本身就具有一种抵抗雨水冲刷的能力，而这种能力与土壤的各种特性（如土壤的体积重量、渗透性、含水量等）有关。除此之外，土壤植被也是其抵抗雨水冲刷能力的一个重要因素。植被类型、植被覆盖程度、植被根系状况、植被形成有机质的多少和植被对土壤团聚体稳定性影响的程度等都影响着土壤抵抗雨水机械破坏的能力。目前，已有许多学者通过人工模拟降雨模式研究植被下土壤的流失情况，其研究成果均说明了有植被覆盖的土壤对径流能起到滞阻延缓作用，从而提高土壤保水保土的能力。2012 年，王安等研究了有枯落物等覆盖物时土壤的流失情况，揭示了枯落物等覆盖物的防蚀效益^［1－2］。2020 年，杨静怡等又更详细地阐述了残落物水土保持效益^［3］。近两年，又出现了人工降雨条件下植被对土壤抗冲性的影响研究。韦小茶等通过模拟喀斯特区降雨情况，研究了不同植被类型下土壤的产流产沙量，得出阔叶林土壤抗冲性最强的结论^［4］。陈戎欣等研究了草被对坡面径流的调控，揭示了草被覆盖度的阈值^［5］。马华东研究了灌木植被护坡的水文效应^［6］。以往研究均是从植物措施方面分析植被对坡面产流产沙的作用及其调控的机理，揭示了在雨水冲刷下植被对土壤的有力固持作用。而掌握植被如何抵挡雨水对土壤侵蚀的规律，筛选更优的固持水土的草本植被对减轻土壤侵蚀、有效治理侵蚀具有重要意义。笔者通过试验定量分析了人工模拟降雨条件下，不同草本植被下坡面产流产沙过程中各项指标的情况，以期筛选出更有利于坡面水土保持与生态修复的优良草被。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料

试验在河南省小流域生态水利工程技术研究中心水文气象试验站人工降雨场进行，采用南京南林电子科技有限公司生产的NLJY—10 型移动式人工模拟降雨系统。该设备有效雨滴降落高度为5.5 m，有效降雨面积为6 m×5 m，可模拟降雨强度范围为15～200 mm／h（分为微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨），降雨均匀度在80%以上。

试验土槽为液压移动变坡式钢槽，其长、宽、高分别为3 m、1 m、0.55 m，钢槽顶部设有集水孔，底部有开孔，并铺有入渗层（可使土壤水分自由、均匀渗入底部），坡度调节范围为0°～25°（如图1 所示）。

 

图1 人工模拟降雨示意图
Fig.1 Diagram of artificial simulation rainfall

供试土壤为黄河滩区（开封段）水稻乡孙庄裸土，草种选择早熟禾、黑麦草、高羊茅、福禄考、佛甲草、蓝羊茅。其中，福禄考、佛甲草、蓝羊茅、空白（CK）为1^＃组，设计了1 个坡度（10°）；早熟禾、黑麦草、高羊茅、空白（CK））为2^＃ 组，设计了3 个坡度（5°、10°、15°）。

1.2 研究方法

本研究分别设计降雨强度为80 mm／h 和60 mm／h，每个处理重复2 次，取其平均值进行分析。其中，产流量误差为1%～2%，产沙量误差为6%～10%。

1^＃组草本为移植草本，移栽时间为2021 年4 月1 日，移栽株距、行距分别为10 cm、5 cm。待移栽1个月，且根系扎根稳定后（如图2 所示），进行人工降雨试验，降雨强度为80 mm／h。2^＃组草本为种植草本，种植时间为6 月中旬，25 d 后成坪 （如图3 所示），但由于正值暑期，天气炎热，影响草本的继续生长，试验时间延后到9 月份进行。试验时，降雨强度设定为60 mm／h（大雨）。

 

图2 1^＃组草本图
Fig.2 Herbal of group one

 

图3 2^＃组草本图
Fig.3 Herbal of group two

试验前，先打开人工模拟降雨设备，连接好雨量计，实施人工降雨，使所有钢槽的土壤水分达到相同水平值（用南林电子科技出产的便携式土壤水分速测仪NLSC201 进行测量），并进行降雨强度的率定，再把钢槽液压到相应的坡度。钢槽的径流口处放有带盖的水桶，盖子中间有1 圆孔，水桶与径流口处用塑料管子连接。然后，选择降雨类型，开始人工模拟降雨。降雨时间为产流后30 min。产流结束后，量测桶内的泥水总质量，并用取样筒取径流样品于室内过滤，滤出的泥沙置于烘箱内，在105°条件下烘干后，称重。

2 结果与分析

2.1 1^＃组草本产流产沙差异性分析

1^＃组草本种植方式为移植。虽然植被种类不同，但在种植时，选取粗细均匀、长度基本一致的植株，并使株距、行距相同，从而使密度、盖度相同，以便观测和计算。产沙量和植被作用系数按式（1）～式（3）计算。采用样点法计算植被覆盖度。

 

式中：W 为观测桶产沙量，g；W₀ 为取样筒泥沙量，g；V 为观测桶产流量，ml；V₀ 为取样量，ml。

 

式中：K₁ 为植被下土壤作用系数，%；W₁ 为不同草本观测桶产沙量，g；W_CK 为空白观测桶产沙量，g。

 

式中：K₂ 为植被下径流作用系数，%；V₁ 为不同草本观测桶产流量，ml；V_CK 为空白观测桶产流量，ml。

经计算，1^＃组植被作用系数如表1 所示。

表1 1^＃组植被作用系数统计表
Ta.1 Statistics of vegetation function coefficient of group one

 

从表1 可以看出，当坡度设定为10°时，与CK 相比，3 种不同草本植物均能有效降低土壤的产沙量与产流量，并且降低程度相当显著。相同盖度和降雨强度条件下，不同草本植物的产流、产沙、土壤侵蚀量不同，其结果均为：CK＞福禄考＞佛甲草＞蓝羊茅。土壤和径流的作用系数分别为：福禄考＞佛甲草＞蓝羊茅。

2.2 2^＃组草本产流产沙差异性分析

2^＃组为种植草本，试验设定了3 个坡度，分别为5°、10°、15°。设定降雨强度为60 mm／h（大雨），根据式（1）～式（3）计算植被作用系数，结果如表2 所示。

表2 2^＃组植被作用系数统计表
Tab.2 Statistics of vegetation function coefficient of group two

 

由表2 可知，与对照相比，在降雨强度相同时，不同坡度下3 种种植草本均能够明显降低土壤的产流量和土壤侵蚀量，生态效应明显。其中，当坡度为5°时，早熟禾的土壤侵蚀量、土壤作用系数最低。各草本的土壤侵蚀量、土壤作用系数排序为：CK＞高羊茅＞黑麦草＞早熟禾。虽然3 种草本的泥沙量、土壤侵蚀量等有所不同，但其差值相差极小。高羊茅与黑麦草的土壤侵蚀量、土壤作用系数、径流作用系数的差值分别为0.04 g／m²、0.02%、0.08%；高羊茅与早熟禾相差0.05 g／m²、0.02%、0.18%，黑麦草与早熟禾相差0.01 g／m²、0、0.1%。这说明，在缓坡的情况下，3 种草本均能有效降低土壤水分的流失，起到保持水土的作用。当坡度为10°时，不同草本的产流量、产沙量、土壤侵蚀量及土壤作用系数排序为：CK＞早熟禾＞黑麦草＞高羊茅。此时，高羊茅的盖度最高，其各指标值最低。这说明，草种的盖度越高，水土保持作用越好。当坡度为15°时，不同草本的产流量表现为：CK＞黑麦草＞早熟禾＞高羊茅；泥沙量表现为：CK＞黑麦草＞高羊茅＞早熟禾。出现这种情况可能与这3 种草本的生长情况有关。

在进行人工降雨前，分别对早熟禾、黑麦草、高羊茅3 种草本的盖度、高度、根长和根宽进行测量。取样时，采用四分法随机取样。为了避免根系的损坏，取样时，土壤湿度保持在15%左右。盖度的算法采用样线法测定，取整数。所有指标重复3 次，取其平均值。3 种草本的生长情况如表3 所示。

表3 草本生长情况表
Tab.3 Condition of herbal growth

 

由表3 可知，在相同土壤、小气候、管理条件下，早熟禾、黑麦草、高羊茅3 种草本的长势是不同的。高羊茅出芽早，生长快，成坪早，试验前盖度达到了80%；早熟禾出芽晚，生长慢，试验前盖度仅有60%；黑麦草介于它们之间，试验前盖度为70%。试验前，高羊茅、黑麦草和早熟禾的平均高度分别为17.90 cm、11.88 cm 和9.35 cm，高羊茅长势明显好于黑麦草和早熟禾。当坡度为5°（缓坡）时，3 种草的根系都能够有效地固牢土壤，所以在人工降雨条件下，3 种草本土壤的流失量差异极小。但由于长势和盖度的不同，高羊茅地上部分对雨水的截留量要高于黑麦草和早熟禾，其产生的径流要少于黑麦草和早熟禾。同理，黑麦草产生的径流要少于早熟禾。当坡度变大为10°时，在人工降雨条件下，3 种草本土壤的流失量差异明显增大，长势最差和盖度最小的早熟禾流失泥沙量会随着累积径流量的增加而增加，且其增大趋势及增加量明显高于黑麦草和高羊茅。当坡度为15°时，虽然黑麦草的长势和盖度介于高羊茅和早熟禾之间，但其土壤流失的泥沙量和产流量却是最大的。这说明，此时草本的地上部分对产流和产沙已不起决定性作用了，起关键性作用的在于它们的根部。

挖取平均高度均为6 cm 的3 种草本，每种草本数量相等，均为23 根，用清水将根部泥土洗净，测量根部的平均宽度和长度，观察根的情况。不同草本的根系情况如图4 所示。

 

图4 不同草本根系情况
Fig.4 Root systems of different herbs

经观测，高羊茅的平均根宽为1.87 cm，平均根长为8 cm，根的直径较黑麦草和早熟禾粗，主根发达，侧根稀疏。黑麦草的平均根宽为1.4 cm，平均根长为10 cm，根的直径较早熟禾的粗，毛细须根较多。早熟禾的平均根宽为1.3 cm，平均根长为8 cm，根的直径最小，毛细须根发达。吴彦^［7］、王库^［8］等也在其文章中提出大量毛细须根的存在，能够增加土体与根系的直接接触面积，从而增强土壤内部胶结作用，使土壤不易流失。这也解释了为什么高坡度（15°）时，黑麦草的土壤流失量和产流量要高于早熟禾了。

3 结语

草本具有增加地面粗糙度，减轻雨滴对地面的打击，增加土壤入渗，减少地表径流，减缓流速和削弱冲刷的作用。为了更好地筛选出水土固持作用好、生态环境修复优良的草种，本研究通过对不同种植方式的2 组草本进行人工模拟降雨试验，得出以下结论：（1）对于1^＃组，3 种不同草本均能显著降低土壤的产沙量和产流量。相同盖度及降雨强度条件下，不同草本的产流、产沙、土壤侵蚀量不同，其结果均为：CK＞福禄考＞佛甲草＞蓝羊茅。土壤和径流的作用系数分别为：福禄考＞佛甲草＞蓝羊茅。（2）对于2^＃组而言，相同坡度下，不同草本的产流、产沙、土壤侵蚀量不同。当坡度为5°缓坡时，其产流量为：CK＞早熟禾＞黑麦草＞高羊茅，产沙、土壤侵蚀量差异极小；当坡度为10°时，其产流、产沙、土壤侵蚀量均表现为：CK＞早熟禾＞黑麦草＞高羊茅；当坡度为15°时，其产流、产沙、土壤侵蚀量表现为：CK ＞黑麦草＞高羊茅＞早熟禾。相同草本，坡度越大，产流、产沙、土壤侵蚀量越大，作用系数也越大。但与CK 相比，3 种草本均能够有效降低产流产沙量，起到水土保持、生态修复的作用。

参考文献：

［1］王安，郝明德，王荚文.人工降雨条件下秸秆覆盖及留茬的水土保持效应［J］.水土保持通报，2012，32（2）：26-28.

［2］张芝萍，杨均科，胡海波.人工降雨条件下毛竹林地表枯落物固土防蚀效应［J］.应用研究，2012，26（2）：68-71.

［3］杨静怡，谢云，辛艳.基于人工降雨试验的残茬覆盖水土保持效益评价［J］.水土保持学报，2020，34（5）：81-85.

［4］韦小茶，龙小梅，唐欣，等.基于人工模拟降雨和原状土冲刷试验的喀斯特区土壤抗冲性研究［J］.人民珠江，2020，41（2）：67-73.

［5］陈戎欣，吕锡芝，倪用鑫，等.人工降雨下草被对黄土丘陵沟壑区坡面径流的调控及临界阈值［J］.生态环境学报2020，29（1）：122-128.

［6］马华东.降雨作用下灌木植被护坡的水文效应模型试验研究［D］.成都：西南交通大学，2018.

［7］吴彦，刘世全，王金锡.植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响［J］.应用与环境生物学报，1997，2（3）：119-124.

［8］王库.植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响［J］.土壤与环境，2001，10（3）：250-252.

窗体顶端

窗体底端

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Influence of Different Herbal Vegetation on Runoff and Sediment Yield Based on Simulation Rainfall

YUAN Qiaoli^1，2，LV Guijun^1，2，HOU Liting^1，2
（1.Henan Small Watershed Ecological Water Conservancy Engineering Technology Research Center，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

Abstract： In order to explore the effects of different herbal vegetation on runoff and sediment yield on slope，under artificial simulation rainfall condition，the Annual phlox，Sedum lineare，Festuca glauca are selected to carry out experimental study with a design slope of 10°，and the Bluegrass，Ryegrass，Tall fescue are selected to carry out experimental study with a design slope of 5°，10°，15°，respectively.The results showed that different herbal plants could effectively reduce the runoff and sediment yield of soil sediment，and play a role in soil and water conservation and ecological restoration.For the same herb，under different slopes，the greater the slope，the greater the runoff yield，sediment yield and soil erosion，and the greater the action coefficient.

Key Words： Artificial simulation rainfall；herbal vegetation；runoff yield；sediment yield；cover degree；function coefficient；difference analysis 

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作者简介：袁巧丽（1979—），女，江苏如皋人，讲师，硕士，主要从事高校水利工程专业的教学与研究工作，研究方向为水土保持和生态修复研究。

 

[责任编辑 杨明庆]