0 引 言

坡面流是指降雨强度或流量超过地面入渗能力情况下，水流沿坡面顺坡方向上在重力作用下扣除下渗、填洼等水分损失后的浅层明流[1]，是土壤侵蚀的主要动力来源[2]。因此，系统研究坡面流水力学特征及其影响因素对于准确预测土壤侵蚀具有着重要意义。流速、流态和阻力特征是表征坡面流的常用指标，其主要受坡面土壤类型、地表形态、土地利用方式、降雨或流量特征、含沙量和土壤近地表特征等的影响[3-7]。植被覆盖可显著影响产流、产沙过程，因而有关植被覆盖对坡面流水力学参数的影响备受关注。目前，植被特征对坡面流水动力特性影响的研究已经取得了一定的成果，如有无植被[8]、植被覆盖度[9-12]、植被格局[13-14]、刚性植被和柔性植被[15-16]以及植被淹没程度[17-18]。枯落物作为植被的重要产物覆盖于地表，可消减雨滴动能、延缓产流时间、削弱坡面流冲刷和改善土壤理化性质，进而有效保护土壤、减少土壤侵蚀[19-21]。然而，有关枯落物覆盖减流减沙作用的水动力学机理的研究相对较少[22-23]。黄土高原是中国、乃至全世界水土流失最严重的地区之一，强烈的水土流失直接威胁区域经济与生态环境可持续发展。自1999年退耕还林（草）工程实施以来，植被得以恢复，近地表枯落物大量蓄积[6]。在这过程中，草地面积显著增加，约占黄土高原总面积的41.7%[24]。基于此，本文选取黄土丘陵沟壑区典型草地菊科植物铁杆蒿（Artemisia gmelinii）枯落物和禾本科植物白羊草（Bothriochloa ischcemum (Linn.) Keng.）枯落物作为研究对象，采用人工模拟降雨试验，系统研究铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖对坡面流水动力学特征的影响，量化枯落物覆盖量与坡面流水力学参数之间的定量关系，以期为揭示黄土高原典型草地枯落物水土保持机理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年8月在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点室降雨大厅进行。人工模拟降雨采用QYJY-503固定式人工降雨设备，该设备采用组合喷头降雨，喷头安置高度均为18 m，雨滴大小控制在0.4～6 mm，可调节雨强范围为30～300 mm/h，降雨均匀度大于0.8，雨滴终点速度近似天然降雨。

1.2 试验处理

在安塞纸坊沟流域选取典型铁杆蒿群落（菊科）和白羊草群落（禾本科）草地，收集其自然凋落未分解的枯落物，并通过体积排水法测定枯落物密度，WinRHIZO Pro 2.0 图像分析软件测定枯落物长度、投影面积、直径和表面积，结果如表1。铁杆蒿和白羊草枯落物分别设置7个覆盖量处理（表2），每个处理2个重复。

表1 铁杆蒿和白羊草枯落物特征Table 1 Litter characteristics of Artemisia gmelinii and Bothriochloa ischcemum (Linn.) Keng.枯落物类型Litter species长度Length/(cm·g-1)投影面积Projected area/(cm2·g-1)表面积Surface area/(cm2·g-1)平均直径AverageDiameter/mm密度Litter density/(g·cm-3) 铁杆蒿. 白羊草.

表2 铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖量Table 2 Litter mass of Artemisia gmelinii and Bothriochloa ischcemum (Linn.) Keng. for each treatment处理编号Treatment numberT0T1T2T3T4T5T6 铁杆蒿枯落物覆盖Aglitter mass coverage/(g·m-2)08001 000 白羊草枯落物覆盖Bi litter mass coverage/(g·m-2)

1.3 试验过程

试验土槽长、宽、深分别为2.0、0.5、0.4 m，坡度为15°。供试土壤采自安塞退耕地表层土（0～40 cm），其理化性质见表3。土槽底部铺0.10 m细沙，而后进行填土，为保证土壤水分均匀下渗，将细沙层和填土层铺用纱布隔开。填土前先将土壤过2 mm筛，去除石砾和草根后按照容重1.2 g/cm3分层填装，每层0.05 m，铺平、压实，每次填装下层土壤之前将表土打毛，消除土壤之间的分层现象。填土结束后，将枯落物按照预设覆盖量均匀撒铺在坡面上，并适量洒水（不产生径流和物理结皮），静置2周后开始进行降雨试验。

表3 供试土壤理化性状Table 3 Physical and chemical properties of soil for experiment有机质Organic content/(g·kg-1)pH值pH value土壤质地Soil texture机械组成Mechanical composition 黏粒Clay/%粉粒Powder/%砂粒Sand/% 3.238.40粉壤土

降雨前，均对各处理土壤含水量进行标定，以消除土壤含水量差异对试验的影响。根据黄土高原雨季侵蚀性降雨和极端暴雨情况，60 mm/h降雨强度为该区域较为常见的侵蚀性降雨强度；此外，考虑到极端降雨，又设置了120 mm/h的雨强。另陕北子洲绥德“7·26”特大暴雨中子洲最大一小时降雨量为52.0mm[25]，故降雨历时分别为60和30 min；降雨过程中测定水温，每3 min收集径流泥沙全样并采用高锰酸钾法测定坡面流表面流速，再根据实测水温计算出水流粘滞系数，进一步计算雷诺数和判断水流流态，乘以校正系数（缓流：0.6；过渡流：0.7；急流：0.8）获得平均流速[26]，用以计算坡面流水力学参数。结合上述枯落物种类和覆盖梯度，共计降雨56场。