黄土堆积体植物篱减沙效益与泥沙颗粒分形特征研究
杨 帅1，2 李永红1，3 高照良1，3 牛耀彬1,3 白 皓3 王 凯1
【摘 要】摘要：为探究植物篱措施对工程堆积体边坡的减流减沙效益及其对侵蚀泥沙颗粒分形维数的影响，以堆积体未防护边坡为对照，以不同放水流量对不同坡度堆积体植物篱防护边坡进行了放水冲刷试验。结果表明：与对照相比，植物篱边坡初始产流时间滞后100～500 s，其产流率、产沙率整体均较小，产流率在时间尺度上表现为间歇性波动上升；植物篱减流效率在4%～60%之间，减沙效率范围在15%～50%之间，减流减沙效率均随坡度和放水流量的增加呈幂函数形式减小；各处理侵蚀泥沙颗粒中粉粒均占主导地位，黏粒次之，砂粒含量最少。与对照小区相比，植物篱防护边坡侵蚀泥沙砂粒体积分数降低，黏粒和粉粒体积分数升高；黏粒富集率增加，砂粒富集率减小，泥沙颗粒分形维数增大。分形维数与黏粒和砂粒体积分数之间均呈极显著线性相关，侵蚀泥沙颗粒分形维数主要由黏粒体积分数决定。 【期刊名称】农业机械学报 【年(卷),期】2017(048)008 【总页数】9
【关键词】工程堆积体； 植物篱； 土壤颗粒； 分形维数； 径流冲刷； 减流减沙效益
引言
中国正处于现代化建设加速期，近20 a来资源开发力度大，工矿企业和基础设施建设项目多，产生了数量众多的排土场、排矸场、尾矿库等各类工程堆积体[1]。工程堆积体是指生产建设项目因挖填不平衡所产生的弃土弃渣堆置而成的
特殊地貌单元，具有独特的土壤组成及复杂的脆弱下垫面条件，其土壤土质松散、结构缺失、土壤有机质及植物根系缺乏，致其抗冲性极差。据李建明等[2]对全国主要水蚀区(6大区)的368座工程堆积体的调查总结，工程堆积体具有堆置形态各异、下垫面物质组成复杂、坡形高陡，极易产生水土流失等四大基本特征，是生产建设区新增水土流失的重要来源，受到社会各界广泛关注[3]。关于工程堆积体坡面土壤侵蚀的研究，多集中在以放水冲刷和人工降雨[4-5]条件下进行模拟试验，探究工程堆积体土壤侵蚀的影响因素和产流产沙规律[6]，以期能准确预测侵蚀量，找出最佳治理措施和防治技术模式。植物措施其对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用[7]，通常被认为是防治土壤侵蚀的最根本措施，大量研究表明，植物篱有明显的减流减沙效益[8-9]。国内外许多学者对植物篱控蚀保水的机理进行了研究，RACHMAN等[10]认为植物篱提高了土壤入渗能力、导水率；许峰等[11]研究表明，经过较长时间，植物篱对微地貌的改变对减沙效果也有一定贡献。侵蚀泥沙土壤颗粒组成是土壤最基本的物理属性之一，常被用来描述土壤质地状况和结构性质，对了解土壤侵蚀机制、评价土地生产力意义重大。土壤粒径、颗粒表面积、颗粒体积、孔隙大小等具有自相似结构，具有一定的分形特征[12]。分形维数是用来描述复杂形体不规则性的量度，反映不规则形体占有空间的有效性。分形理论在土壤科学方面的研究取得了一定的进展，MARTINEZ-MENA等[13]和AHMADI等[14]认为土壤颗粒分形维数可以作为可蚀性差异的区分指标；WARRINGTON等[15]和BERGER等[16]对重度、轻度侵蚀及细沟侵蚀的下泥沙颗粒的组成进行研究，都强调了雨强变化的作用；而国内对泥沙颗粒与侵蚀影响因素之间的关系研究较少，杨帆等[17]通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值分析泥沙团粒的粒
径分选特征，发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在，而粗粉砂以初级粒子形式存在。把分形理论及其方法应用到土壤学领域，可推动土壤形态、过程等复杂问题的解决，并可在一定程度上使其定量化[18]。 目前，已有研究主要集中于以缓坡耕地作为下垫面，研究植物篱措施的配置模式及其减流减沙过程和机制，且大多研究主要集中在缓坡模拟冲刷和室内装填土槽的试验中，而对人工模拟暴雨在野外陡坡原位小区上土壤侵蚀研究相对较少，有关陡坡工程堆积体坡面植物篱条件下运用分形理论与方法分析植物篱对侵蚀泥沙颗粒特征及其减流减沙效果的研究也较为少见。本文主要通过野外径流小区放水冲刷试验模拟陡坡工程堆积体植物篱措施条件下的径流冲刷过程，引入分形理论，用侵蚀泥沙分形维数来表征整个坡面侵蚀动态变化，探究植物篱措施对工程堆积体坡面侵蚀泥沙颗粒分布特性及其减流减沙效果，以期揭示植物篱对堆积体坡面土壤侵蚀过程及规律，为生产建设项目新增水土流失的预测及植物篱措施的合理配置提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验小区概况
试验区位于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站王东沟小流域(35°14′24.5″N、107°40′21.2″E)，海拔高度1 107 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量584 mm，降水季节分布不均匀，多集中于7—9月份，年均气温9.1℃，年积温2 994℃，光照资源充沛，昼夜温差大，无霜期171 d，地下水位50～80 m。该区属典型黄土高原沟壑区，地带性土壤为黑垆土，土壤母质为中壤质马兰黄土。本试验小区的布设是基于李建明等[2]对全国主要水蚀区368座工程堆积体的堆置类型、下垫面物质组成、坡形因子和侵蚀规律等
黄土堆积体植物篱减沙效益与泥沙颗粒分形特征研究
