模拟降雨条件下凋落物覆盖类型及覆盖量对坡面径流和泥沙产量的影响

《Sustainability》：Effects of Litter Mulch Type and Coverage Amount on Slope Runoff and Sediment Yield in Simulated Rainfall Shao-Ping Huang, Hao Wan, Yu-Han Liu, Yun-Yi Xu, Wan-Qing Li, Yao Li, Shang-Ge Liu, Kun Fang and Yuan-Hai Yang

　　

摘要：土壤侵蚀对坡面稳定性和生态功能构成重大威胁。具有复杂物理结构的凋落物层能够增加地表粗糙度，减轻直接降雨冲击，并改善雨水截留和土壤保持能力。本研究选取中国湖北省武汉市的三种典型护坡植物物种（Cynodon dactylon, Indigofera amblyantha, 和 Cinnamomum camphora）的凋落物作为实验材料，在模拟降雨强度为60 mm/h、持续时间为1小时的条件下，量化了四种覆盖水平（基于干质量，分别为0, 500, 800, 和 1000 g/m2）的凋落物覆盖对坡面径流和泥沙产量的影响。结果表明：(1) 所有类型的凋落物及其覆盖量均能有效延迟坡面径流的产生，但其在水分和泥沙减少方面的效率存在显著差异。(2) 与裸露坡面相比，在800 g/m2的覆盖量下，Cynodon dactylon, Cinnamomum camphora, 和 Indigofera amblyantha 凋落物覆盖小区的泥沙产量分别降低了96.5%, 67.5%, 和 9.4%。Cynodon dactylon 和 Cinnamomum camphora 凋落物覆盖小区的径流产量分别降低了56.9% 和 29.7%，而 Indigofera amblyantha 凋落物覆盖反而使径流产量增加了31.6%。(3) 此外，与裸露坡面相比，将凋落物覆盖量从500增加到1000 g/m2，径流减少了29%至84%，泥沙产量减少了27.3%至93.6%。这些发现证明了凋落物覆盖在减少径流和土壤侵蚀方面的重要性，为基于植被的坡面管理优化提供了定量支持。

土壤侵蚀已成为全球性的关键问题，导致农业和林地生产力下降、生态环境退化，并引发泥石流等自然灾害，威胁人类安全与基础设施 [1,2,3,4]。湖北省作为中国受土壤侵蚀影响最严重的地区之一，侵蚀分布广泛且强度大。根据《中国水土保持公报》（2024年），2024年湖北省受侵蚀面积达到29,199平方公里，占其总面积的15.72% [5]。在自然侵蚀过程中，降雨直接冲刷坡面土壤，是诱导坡面径流的主要因素。地表径流携带泥沙，导致坡面稳定性降低和土壤侵蚀问题 [6,7,8,9]。凋落物覆盖层能有效缓解径流侵蚀效应，在维持坡面稳定中发挥关键作用 [10,11,12,13]。该层通过复杂的物理结构增加地表粗糙度，减轻降雨对土壤表面的直接冲击 [14,15,16,17,18]，从而增强雨水截留和土壤保持能力，降低侵蚀强度 [19,20,21]。其作用在消散雨滴动能、减少径流量和泥沙产量、减缓坡面流速以及促进土壤入渗方面尤为显著 [22,23,24,25,26]。凋落物层不仅直接影响土壤物理化学性质 [27,28]，还通过其大小、形状、分解速率和持水能力显著影响地表径流的生成和输移 [29,30,31,32]，使其成为坡面径流和泥沙产量过程中的关键因素。现有研究主要集中于森林地表凋落物并取得显著进展 [37,38,39]，而针对适合在坡面种植的护坡植物凋落物的研究相对较少。研究人员假设不同类型的凋落物覆盖及其覆盖量会对坡面径流和泥沙产量产生显著影响。此外，由于形态特征的差异，不同护坡植物凋落物在减少径流方面的有效性也存在差异。因此，本研究调查了中国湖北省武汉市的三种常见护坡植物凋落物，设计了三种不同的覆盖水平，旨在开展降雨模拟实验：(1) 检查不同降雨事件中不同凋落物类型和覆盖水平下坡面径流和侵蚀的特征及差异；(2) 量化凋落物覆盖与坡面径流及泥沙产量之间的关系；(3) 评估凋落物覆盖在减少坡面径流和泥沙流失方面的有效性，为优化坡面植被选择以增强水土保持和生态修复提供参考。

论文发表在《Sustainability》。研究人员采用模拟降雨实验技术，选取湖北省武汉市的三种典型护坡植物——狗牙根（Cynodon dactylon）、马棘（Indigofera amblyantha）和樟树（Cinnamomum camphora）的凋落物。实验构建了三个坡度模型（高2米，宽1米，坡比1:2，倾角约26°），土壤取自武汉市0-2米深度的黄色褐色 compact 土壤，经风干、粉碎、过筛处理后，以20%含水量、80%压实度分层填入模型。实验设置四个覆盖水平（基于干质量）：0（裸露对照）、500、800 和 1000 g/m2。模拟降雨强度控制在60 mm/h（目标值±2%误差范围内），持续时间1小时。径流和泥沙样品通过定制的集水集沙装置收集，采用称重法测定径流量和泥沙产量。实验采用完全随机设计，每个处理重复三次。

在研究结果方面，研究人员首先分析了凋落物类型对坡面径流的影响。结果表明，凋落物类型显著影响径流产生时间。在800 g/m2覆盖量下，裸露坡面径流产生时间为80秒，而狗牙根、樟树和马棘覆盖坡面分别延长至250秒、207秒和142秒，分别延长了3.13、2.59和1.78倍。这是因为狗牙根形成致密线性纤维层，有效降低流速；樟树落叶大且重叠，增强入渗；而马棘叶小结构松散，延迟效果较弱。在累计径流量方面，与裸露坡面相比，狗牙根和樟树覆盖分别使径流减少56.9%和29.7%，而马棘覆盖反而增加31.6%，因其细枝薄片结构在饱和后迅速压实，加速径流汇集。在径流速率方面，狗牙根覆盖在初期和前60分钟稳定期的径流速率抑制效果最显著，其次是樟树，而马棘在初期径流速率增长最快。

其次，研究人员分析了凋落物覆盖量对坡面径流的影响。发现凋落物覆盖量与初期径流产生时间呈显著正相关。以樟树为例，覆盖量500、800、1000 g/m2使径流产生时间分别延长146%、158%和337%。累计径流量随覆盖量增加呈线性下降趋势，拟合方程为 y = -0.1469x + 200.209。与裸露坡面相比，500、800、1000 g/m2覆盖量分别使径流减少29%、39%和84%。此外，建立了覆盖量与径流量的三次回归方程。在径流速率方面，高覆盖量（1000 g/m2）显著延迟径流产生并减缓增长，最终稳定速率远低于裸露坡面，归因于凋落物层的物理截留、增加地表粗糙度以及保护土壤结构防止雨滴溅蚀。

在土壤侵蚀方面，研究人员分析了凋落物类型对泥沙产量的影响。裸露坡面泥沙产量为11,000克。马棘覆盖仅减少9.4%（至9,990克），因其形态光滑且不易形成致密覆盖层；樟树覆盖减少67.5%（至3,575克），因其叶片宽大坚硬形成保护层；狗牙根覆盖效果最佳，减少96.5%（至380克），因其细密纤维结构能紧贴坡面，有效拦截雨滴并降低流速。泥沙浓度分析显示，狗牙根维持近零浓度，樟树维持低浓度，而马棘因径流大且泥沙间歇性增加，浓度波动较大。在覆盖量对泥沙产量的影响中，泥沙产量随覆盖量增加呈非线性急剧下降。500 g/m2覆盖减少27.3%，800 g/m2降至约3,500克，1000 g/m2降至约700克，减少93.6%。覆盖量与泥沙产量呈显著线性负相关，拟合方程为 y = -10.4837x + 11,854.903，以及二次回归方程 y = -3.302x - 0.007x2 + 11,225.176。

相关性分析显示，径流在不同凋落物类型和覆盖量间表现出高度同步的正相关，而泥沙产量的相关性模式更为异质，表明泥沙动态对凋落物类型差异更敏感。高覆盖量下，泥沙减少主要受限于雨滴冲击缓冲导致的剥离减少（detachment limitation）和因增加粗糙度导致的输移能力下降（transport limitation）。

讨论部分指出，本研究与Ding [13]的发现一致，即叶片形态（长度、宽高比、圆度）显著影响泥沙输移，狗牙根的细线性纤维结构比马棘的小圆叶片更有效。与Jourgholami et al. [36]的研究相比，本研究证实了覆盖量与侵蚀的负相关，并指出中等覆盖量（500-800 g/m2）即可实现显著的径流和泥沙减少，同时揭示了马棘可能因结构松散导致径流增加的悖论现象。研究机制上，凋落物通过缓冲雨滴冲击减少表面封闭，增加洼地储水，以及增加Manning粗糙度来降低流速和剪切应力，从而减少泥沙输移。通过事件平均泥沙浓度（C=M/V）分析，发现500 g/m2樟树覆盖主要受输移控制，而800/1000 g/m2覆盖及狗牙根覆盖则主要受剥离限制控制，表明凋落物效应涉及剥离和输移过程的联合改变。

研究结论总结如下：(1) 由于物理结构不同，不同凋落物导致不同的水文响应。狗牙根细密纤维结构形成高粗糙度、高持水层，最有效地延迟径流产生、降低径流速率并抑制泥沙输移；樟树大而坚硬的结构形成交错覆盖层，效果居中；马棘结构松散，易被径流分散，结构稳定性差。这表明水土保持效果不仅取决于凋落物的存在，更取决于其结构特征。(2) 凋落物覆盖量与径流和泥沙产量之间存在高度显著的负相关。研究建立了数学模型量化这一关系：径流量与覆盖量服从三次函数关系 y = -0.343x - 0.001 x2 - 5.141 × 10?? x3 + 220，泥沙产量服从二次函数关系 y = -3.302x - 0.007x2 + 11,225.176。(3) 凋落物层的水文调节机制是多过程协同作用的综合体现，直接截留部分降雨并延迟地表汇流时间，有效防止雨滴直接冲击溅射土壤表面，从而减少径流和泥沙的产生。