在黄土高塬沟壑区的调查中发现,该区2015年平均林草覆盖率56.17%[18]。该区在生态建设下,植被覆盖已经有了很大的提高,但植被覆盖率偏低的地区仍存在。如在对陕西某县的1997—2016年植被覆盖度比例面积比例统计发现,1997年植被覆盖0～40%的面积比例占到53%,到了2016年虽然有所下降,但仍有36%左右[19]。本模型主要模拟的是沟坡系统靠近沟缘线的一部分,所以在这部分的植被覆盖度整体较小。而且植被对重力侵蚀的影响复杂,是植被冠层、根系对土壤水文、机械综合作用的结果。在某些情况下,当大量的高强度降雨直接落在土壤表面并超过水渗入土壤的速度时,灌木可以起到屏障的作用。在降雨事件初期,植物冠层上的临时降雨储存会减弱降雨强度[20-21],从而起到延缓雨水进入土壤的时间。植被根系对土壤进行机械加固,有助于山坡的稳定性。在相同的含水量条件下,根土复合提供的加固强度比单独的土壤大得多。对每组重力侵蚀发生时缓坡面下15 cm的含水率进行统计(表4)。除了Ⅲ中重力侵蚀发生时植被侧的平均含水率要低于裸地侧以外,其余各组植被覆盖沟坡中重力侵蚀发生时的平均含水率都要高于相应的裸地沟坡。所以在有植被存在时,发生重力侵蚀需要更高的土壤含水率,这种情况在植被覆盖率高的组别下表现更加明显。
对比不同植被的作用,连翘的RAR系数要高于棣棠,其抗剪强度也较高。所以发生崩滑需要更大的下滑力,并且连翘的覆盖要高于棣棠,所以与棣棠覆盖沟坡相比,连翘覆盖沟坡发生重力侵蚀要滞后。此外,两种植被对土壤含水率的影响也不同,图5为在初始含水率相同的情况下两种植被覆盖沟坡中地表以下15 cm处土壤含水率随时间的变化情况。连翘覆盖沟坡的含水率在第19 min时开始上升,比棣棠覆盖沟坡的早8.5 min。由表2可知,连翘在各个径级均有根系分布,并且平均径级要大于棣棠组,所以根系的渗透速度要比棣棠快。黄土的水敏性使得其抗剪强度随着土壤含水率的升高急剧下降[22],所以在降雨后期,即使有根系的存在,但是根土复合体提供的抗滑力也会减小,再加上之前积攒的能量,连翘覆盖沟坡更容易发生大规模的重力侵蚀。这可能也是在本试验条件下,连翘覆盖沟坡的重力侵蚀比棣棠覆盖沟坡更为严重的原因。由此可见,恢复初期灌木的固土作用对沟坡的稳定性作用的贡献不大。本试验也表现了植被种植初期时的状态,这与以往种植初期灌丛对边坡稳定性影响小的结论是一致的[23]。所以在植被种植初期,沟坡上的植被要选择根茎较小的植被以防过高的水分渗透,或与其他工程措施联合配置,以发挥沟坡稳定的最大效益。
图5 不同植被覆盖地表下15 cm处含水率随时间变化
在本试验中还发现大规模的重力侵蚀虽然发生频率小,但是侵蚀量却很高。在调查中也发现大规模重力侵蚀在确定一个地区的重力侵蚀总量上有重要性的地位,一旦大规模侵蚀发生,对重力侵蚀量的贡献会很大[24-25]。本试验中,在暴雨条件下,植被存在并没有显著减少重力侵蚀发生次数,植被仅降低重力侵蚀的侵蚀规模总量,但却增加了小型重力侵蚀规模的发生频率。有研究表明植被的根系形成的孔隙流可能使得水从表面快速转移到潜在滑移面,导致破坏面的孔隙压力增加,从而增加了破坏的风险[26]。这也是植被没有降低重力侵蚀发生次数的重要原因。此外,植被增加中小重力侵蚀规模分布其实在一定程度上增加了土壤的破碎程度,黄土的易侵蚀性使得当降雨来临时可能会更容易形成高含沙水流,高含沙水流会造成高强度的坡面与沟道侵蚀[27],进一步促进小型重力侵蚀的发生。
在本试验中发现,暴雨初期,植被由于延缓重力侵蚀发生而积攒了发生重力侵蚀的能量,而随着暴雨的持续,沟坡上的植被的根土复合起不到作用时,沟坡上的植被会带着大量的土壤滑落到沟坡底部,此时沟坡上会发生大规模的崩滑,增加了瞬时重力侵蚀速率。这可能也是本试验中的某些组最大侵蚀速率出现在植被覆盖沟坡模型中的原因。对黄土高原延河流域的野外调查发现,植被覆盖率较高的南部小流域的侵蚀要大于植被覆盖率相对较低的北部小流域[28]。在某次暴雨后植被覆盖率较好的地区,重力侵蚀更加严重[29]。在本试验中经历长序列的降雨时间5场降雨情况下,植被的存在还是会使得平均重力侵蚀速率降低的。对黄土高原较大流域长时间的监测中发现,重力侵蚀总量与植被覆盖度有较好的负相关关系[6]。可见植被对重力侵蚀速率的影响与统计的范围和时间有关。在对世界其他流域进行统计时发现,当退耕还林的开始阶段,重力侵蚀是在增加的,40 a之后这种趋势停止[26]。所以当计算侵蚀速率时,在短时间内,植被影响下重力侵蚀速率可能会增加,但以40 a或者更长时间为统计时间段,植被可能就会降低重力侵蚀速率。换句话说,在暴雨条件下,由于统计时空范围的差异,植被对重力侵蚀的短期和长期发展可能会起到不同的效应,造成不同的结果。
在本试验中,植被覆盖率的增加与重力侵蚀在规模和强度上没有一定的线性关系。与植被覆盖率相比,植被布局是影响重力侵蚀的更重要的因素。沟缘线附近的植被布置可能会对重力侵蚀有一定促进作用。沟缘线附近有植被的两组与对应无植被的两组相比,次降雨重力侵蚀总量和重力侵蚀平均速率均有增加。一般来说沟缘线附近是很少种植植被的,因为在该位置的植被根系很容易形成水流通道,导致边坡失稳,造成水土流失[30]。而且沟坡上部植被的自重影响要大于坡脚的位置,也会促进重力侵蚀的发生[31]。而且有试验表明,将植被布设在缓坡面的中下部而不是缓坡的下部,既可以有效减缓坡面水力侵蚀强度,还能够有效抑制减缓径流流速,降低对坡面下部和沟道范围的侵蚀[31]。所以在布设植被时,考虑到植被对水力侵蚀和重力侵蚀控制的双重功效,要将植被布设在距离沟缘线有一定距离的地方才能达到更好地防止沟坡侵蚀的效果。
