植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应-水科学进展

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1、第２７卷第２期水科学进展Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．２２０１６年３月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥＭａｒ．，２０１６ＤＯＩ：１０?１４０４２／ｊ?ｃｎｋｉ?３２?１３０９?２０１６?０２?００７植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应１１２１１肖培青，姚文艺，王国庆，杨春霞，申震洲（１?黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南郑州４５０００３；２?南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００２９）摘要：利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验，阐明了草被和灌

2、木的减流减沙效应，从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明，与裸地相比，野外坡面草地和灌木地径流量分别减少２８?１％～５６?５％和８５?７％～１００％、产沙量分别减少８４?９％～９０?７％和９８?５％～１００％；在人工模拟降雨强度下，草地和灌木地径流量分别减少５１?９％～９０?９％和６１?７％～８０?６％、产沙量分别减少９３?６％～９９?２％和９５?５％～９９?２％；植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用，不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比，且符合库仑定律；不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量

3、呈显著的负相关关系，随着黏聚力的增大，径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势；草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的２?６４～３?１６倍和２?４４～３?１８倍，建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。关键词：土壤侵蚀；抗剪强度；黏聚力；径流切应力；草被；灌木中图分类号：Ｓ１５７?１文献标志码：Ａ文章编号：１００１⁃６７９１（２０１６）０２⁃０２２４⁃０７２０００年以来，随着西部生态环境建设和退耕还林（草）工程的持续实施，黄土高原植被覆盖

4、状况得到较大改善。与此同时，黄河潼关站年实测输沙量由１９１９—１９５９年平均１５?９亿ｔ减少到２０００—２０１３年平均２?７８亿ｔ，减少幅度达到８２?５％。近１０多年是黄河中游土地覆被变化最为剧烈的时期，与２０世纪５０～６０年代相比，在降水量变化不大的情况下，植被对黄河水沙减沙的贡献及其机理研究成为当前人们关注的热点问题。［１］［２］［３］［４］［５］Ｎｅａｖｅ和Ａｂｒａｈａｍｓ、Ｎｅｒｉｓ等、上官周平等、余新晓等和于国强等对不同植被类型的减流减沙作［６］［７］［８］［９］［１０］］用进行了研究。姚文艺等、张宽地等、李鹏等、

5、潘成忠和上官周平、肖培青等研究了植被减蚀［５］作用的水力学机理。于国强等利用野外模拟降雨试验，研究了不同植被类型的侵蚀产沙、径流、地表糙［６］度和入渗规律以及相关关系。姚文艺等研究表明，不同被覆坡面的断面比能参数与产沙量具有高度的关［１１］联性，可表征为产沙的主导因子。朱冰冰等从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果，研究结果表明径流侵蚀功率能够较好地模拟侵蚀动力。目前，植被控制水土流失的研究取得了不少成果，有关植被增强土壤抗蚀性和减缓地表径流作用等结论在学术界已成共识。不少学者利用模拟降

6、雨和冲刷试验研究了植被作用下坡面表层流速、雷诺数等水力学参数的变化及其水流流态特征，揭示了植被减蚀作用的水动力学机理。植被控制水土流失的作用一方面是通过植被覆盖减少雨滴击溅动能和径流冲刷作用，另一方面是通过植被根系增强土壤抵抗径流对土粒分散和运移的能力，但是关于后者的研究成果还较少。关于植被根系增强土壤抗剪强度的研究，多数学者研究了土壤理化性质、土壤结构和根系生物量方面与土壤抗剪强度的关系，取［１２］得了一些研究成果。如解明曙的研究结果表明，植被根系可以提高土壤的抗剪强度，林龄６～１０年的白榆２［１３］根系提高土体抗剪强度为

7、０?０４ｋｇ／ｃｍ。Ｗａｌｄｒｏｎ和Ｄａｋｅｓｓｉａｎ通过试验认为，植被影响土壤抗剪强度的主收稿日期：２０１５⁃１０⁃１５；网络出版时间：２０１６⁃０３⁃１４网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ?ｃｎｋｉ?ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２?１３０９?Ｐ?２０１６０３１４?２２１０?０２４?ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１５７１２７６）；河南省创新型科技人才队伍建设工程（１６２１０１５１０００４）作者简介：肖培青（１９７２—），女，河南卫辉人，教授级高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀过程模拟研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ

8、：ｐｅｉｑｉｎｇｘｉａｏ＠１６３?ｃｏｍ第２期肖培青，等：植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应２２５［１４］要因素是植物根系的形态和根系在土体中的几何分布。李建兴等研究表明，直径Ｄ≤５ｍｍ径级的根长密度和根表面积密度能很好地表征土壤的抗剪强度。尽管土壤抗剪强度与土壤侵蚀力学过程紧密