趙文婷　姜曉晗　李萌萌　焦菊英　嚴(yán)晰芹　祁泓錕

摘要：植被對(duì)暴雨的攔蓄是調(diào)控全球變暖進(jìn)程中頻發(fā)的雨洪災(zāi)害的重要手段。為探究黃丘區(qū)大規(guī)模退耕后自然植被坡面對(duì)暴雨的攔蓄作用，針對(duì)陜西省延安市安塞區(qū)坊塌小流域2019—2022年全部發(fā)生的6場(chǎng)暴雨事件，使用土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)1個(gè)灌叢和3個(gè)草本群落坡面10 m土層進(jìn)行逐小時(shí)監(jiān)測(cè)。分析結(jié)果表明：暴雨對(duì)草本群落最大補(bǔ)給深度可達(dá)200 cm，但對(duì)灌叢群落僅為100 cm;灌叢的攔蓄效果優(yōu)于草本群落，草本群落的攔蓄效果隨退耕年限增長(zhǎng)而提高;自然灌草植被坡面對(duì)低雨量短歷時(shí)暴雨的攔蓄率可達(dá)60.8%，而對(duì)高雨量長(zhǎng)歷時(shí)暴雨僅可攔蓄40.8%。因此，建議在黃丘區(qū)合理保護(hù)和布局灌-草生態(tài)系統(tǒng)，以提升植被-土壤對(duì)暴雨的容蓄減災(zāi)作用。

關(guān)鍵詞：暴雨事件;灌草植被;攔蓄作用;土壤入滲;黃丘區(qū)

中圖分類號(hào)：S152

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）05-0731-13

暴雨是水土流失及洪水災(zāi)害的主要誘因，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全［1］。植物-土壤生態(tài)系統(tǒng)能夠通過(guò)冠層和枯枝落葉層的攔擋及“土壤水庫(kù)”等方式來(lái)降低雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)［2］。自退耕還林/草工程實(shí)施以來(lái)，黃丘區(qū)植被覆蓋度顯著提高［3］，土壤水分的入滲性能和蓄持能力顯著提升［4］。然而，在全球變暖導(dǎo)致暴雨發(fā)生頻率大幅增加的背景下［5］，退耕恢復(fù)植被對(duì)暴雨的攔蓄作用及抵御能力如何還不是很明確，但這對(duì)提升植被-土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)暴雨的減災(zāi)作用、優(yōu)化植被恢復(fù)布局具有重要的指導(dǎo)意義。因此，暴雨條件下不同退耕植被對(duì)水分?jǐn)r蓄和土壤入滲能力的影響仍需進(jìn)一步研究［6］，明確退耕恢復(fù)植被對(duì)暴雨產(chǎn)流的影響及其對(duì)降雨的調(diào)控，以盡最大可能提升植被對(duì)降雨的調(diào)控作用，避免降雨-洪水災(zāi)害鏈的形成。

近年來(lái)，植被對(duì)降雨的攔蓄作用受到國(guó)際廣泛關(guān)注［7-8］。然而，由于退耕還林/草工程為中國(guó)特色生態(tài)恢復(fù)工程，故國(guó)內(nèi)研究聚焦于退耕造成的影響，多集中在不同植被類型與恢復(fù)方式對(duì)降雨的響應(yīng)以及干化土層形成特征與恢復(fù)等［9］，而針對(duì)不同暴雨條件下退耕植被蓄水減洪能力的研究較少。在黃丘區(qū)，一般降雨的土壤補(bǔ)給深度為100～200 cm，僅有較大的降雨事件才能滲透至深層土壤［10］。如在2013年7月延安長(zhǎng)歷時(shí)極端降雨事件中（總雨量高達(dá)792.9 mm），自然退耕草本群落的補(bǔ)給深度可達(dá)500 cm，但人工退耕林地僅可補(bǔ)給至300 cm［11］。雖然極端降雨事件發(fā)生頻率相對(duì)較低，但降雨強(qiáng)度在50～100 mm/d的暴雨即可導(dǎo)致黃丘區(qū)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生地表徑流，在造成雨水資源浪費(fèi)的同時(shí)，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的土壤侵蝕［11］。

人工植被掠奪性地利用有限的土壤水資源，形成了明顯的土壤干層，影響生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展［4，12］。而自然恢復(fù)的植被由于與生態(tài)環(huán)境相適宜而具有較高的生態(tài)功能［13］。因此，本文采用多探頭土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，對(duì)2019—2022年陜西省延安市安塞區(qū)坊塌小流域不同退耕年限的自然恢復(fù)植被坡面土壤水分對(duì)暴雨的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行分析，以揭示黃丘區(qū)坡面植被自然恢復(fù)后對(duì)暴雨的攔蓄作用，為區(qū)域合理利用土壤水資源和優(yōu)化植被布局提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

第5期趙文婷，等：黃丘區(qū)自然植被對(duì)暴雨的攔蓄作用

水科學(xué)進(jìn)展第34卷

陜西省延安市安塞區(qū)坊塌小流域位于黃丘區(qū)腹地，屬第二副區(qū)，具有溝壑縱橫、地形破碎等典型黃丘區(qū)特征，也曾遭受?chē)?yán)重的水土流失問(wèn)題。該流域在1999年被選作退耕還林/草工程的“先行者”進(jìn)行示范及推廣［14］，擁有耕地、果園、林地、草地等多種土地利用類型，有壩系、水平梯田等水土保持工程措施，布設(shè)有大量徑流小區(qū)和土壤水分監(jiān)測(cè)儀器，且廣泛開(kāi)展了植被恢復(fù)、土壤恢復(fù)、土壤碳循環(huán)、侵蝕產(chǎn)沙、泥沙連通性等研究［15-17］，已成為典型的農(nóng)業(yè)生態(tài)小流域和研究小流域。因此，坊塌小流域具有成為后續(xù)黃丘區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)“由綠變穩(wěn)”、生態(tài)保護(hù)與暴雨洪水減災(zāi)工作的一把“金釘子”的潛力。坊塌小流域地理坐標(biāo)介于36°47′19″N—36°49′35″N、109°14′40″E—109°17′09″E，面積為10.5 km2，海拔為997～1 731 m;屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候過(guò)渡區(qū)，以水力侵蝕為主，多年平均氣溫為8.8 ℃，年平均降水量為542.6 mm，降雨集中在7—10月且多暴雨，多年平均無(wú)霜期為160 d［18］;屬于暖溫帶落葉闊葉林向暖溫帶草原區(qū)過(guò)渡的森林草原區(qū)，土壤類型以黃綿土為主，黃綿土顆粒組成以細(xì)砂粒和粉粒為主，疏松多孔，滲透性較強(qiáng)［19］。該流域優(yōu)勢(shì)植物種與黃丘區(qū)也基本相似［20］，主要有刺槐（Robinia pesudoacacia）、檸條（Caragana korshinskii）、狼牙刺（Sophora davidii）、鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、草木樨狀黃芪（Astragalus melilotoides）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、長(zhǎng)芒草（Stipa bungeana）、茭蒿（Artemisia giraldii）和達(dá)烏里胡枝子（Lespedeza daurica）等［21］，典型自然植物群落主要為鐵桿蒿群系和狼牙刺群落。

1.2 樣地選擇、土壤水分與降雨監(jiān)測(cè)

自然植被恢復(fù)演替時(shí)間長(zhǎng)，而完整的固定樣地演替觀測(cè)很少，因此“時(shí)空互代”法被廣泛使用在自然植被恢復(fù)研究中。黃丘區(qū)的植被恢復(fù)演替需經(jīng)歷一年生草本群落、多年生蒿禾類草本群落、灌木群落和喬木群落階段［20，22］。退耕還林/草工程已大規(guī)模實(shí)行24 a，已由一年生草本群落演替到多年生草本群落及灌木群落階段，但尚未演替到喬木群落階段。其中，半灌木鐵桿蒿是植被演替到多年生蒿禾類草本階段的主要群落的建群種或亞優(yōu)勢(shì)種;而灌木狼牙刺在多年生篙類群落階段侵入，因處干燥貧瘠生境，基質(zhì)恢復(fù)慢，可存留20～40 a，是黃丘區(qū)干旱生境中的主要植被類型［23-24］。依據(jù)課題組于2022年對(duì)黃丘區(qū)森林帶、森林草原帶和草原帶的42個(gè)坡面物種組成的調(diào)查結(jié)果，鐵桿蒿群系出現(xiàn)頻率高達(dá)95.2%，狼牙刺群落約占灌木群落的60.0%?？梢?jiàn)，鐵桿蒿群系和狼牙刺群落是該區(qū)域的典型植物群落。同時(shí)，2019—2022年坊塌小流域的79個(gè)草本樣方內(nèi)鐵桿蒿群系出現(xiàn)頻率為81.0%。其中，鐵桿蒿群落占鐵桿蒿群系的36.9%，鐵桿蒿+草木樨狀黃芪群落占32.7%，鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落占15.6%。在26個(gè)灌木樣方中，狼牙刺群落占42.3%?？梢?jiàn)，這4種植被群落類型在坊塌小流域也具有代表性。因此，本研究選取了立地條件相似且具有這4種典型植物群落的連貫坡面，通過(guò)多次野外考證與農(nóng)戶走訪確定退耕年限，最終選擇截至2022年退耕47 a的鐵桿蒿群落、32 a的鐵桿蒿+草木樨狀黃芪群落、12 a的鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落和47 a的灌叢狼牙刺群落作為研究對(duì)象，從不同演替階段和不同群落結(jié)構(gòu)差異角度進(jìn)行對(duì)比分析，以深入了解退耕還林/草工程實(shí)施后不同恢復(fù)年限間同一群系的自然草本群落、灌木群落和草本群落對(duì)土壤水分調(diào)控效果的差異性，以評(píng)估自然退耕坡面對(duì)暴雨的抵御效果，為后續(xù)制定合理的植被建設(shè)方向提供科學(xué)參考，以實(shí)現(xiàn)退耕還林/草工程成果的可持續(xù)性。

退耕坡面上各布設(shè)有1個(gè)徑流小區(qū)（圖1，表1），規(guī)格為2.5 m×10.0 m。同時(shí)，坡面均設(shè)有CS650-CR1000土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（美國(guó)Campbell公司），可對(duì)0～1 000 cm土層深度的土壤體積含水量進(jìn)行長(zhǎng)期原位、多層次的土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，水分探頭安裝深度分別為10、30、50、70、100、200、300、500、700和1 000 cm，監(jiān)測(cè)頻率為1次/h，體積含水率變化范圍為4.0%～34.1%。土壤水分觀測(cè)年限為2019—2022年，4 a的小時(shí)尺度0～1 000 cm土層的土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精細(xì)地刻畫(huà)了降雨過(guò)程中土壤水分的動(dòng)態(tài)變化情況，為退耕還林/草工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)以及雨洪災(zāi)害預(yù)防提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐。

降雨數(shù)據(jù)通過(guò)布置在本研究退耕植被坡面的翻斗式自記雨量計(jì)獲取，監(jiān)測(cè)頻率為4次/h。降雨過(guò)程依據(jù)最小降雨間歇6 h進(jìn)行劃分，即降雨時(shí)間間隔小于6 h則為1次降雨過(guò)程，反之則為2次［25］。并對(duì)降雨事件的最大30 min雨強(qiáng)（I30）和平均雨強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1.3 土壤對(duì)降雨攔蓄作用的表征指標(biāo)

土壤對(duì)降雨的攔蓄即為降雨的就地入滲［26］，其中降雨進(jìn)入土壤后在土層內(nèi)的分布及其隨時(shí)間的變化是土壤攔蓄降雨的重要過(guò)程，故本研究選用土壤入滲量、土壤水分入滲率/消退率對(duì)暴雨條件下土壤的攔蓄過(guò)程進(jìn)行描述，并采用土壤水分補(bǔ)給率指示土壤對(duì)暴雨的攔蓄效益。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用CS650-CR1000土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器的配套軟件LoggerNet和Microsoft Excel 2016進(jìn)行土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)提取及分析;基于SPSS 26.0開(kāi)展土壤水分指標(biāo)與降雨指標(biāo)、雨前土壤含水量及土壤深度的K-S正態(tài)性檢驗(yàn)和Spearman相關(guān)性分析，以探究不同指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系;本文中的圖件均通過(guò)Origin 2022和Adobe Photoshop 2020繪制。

2 結(jié)果分析

2.1 暴雨事件特征

根據(jù)國(guó)家氣象局降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)在2019—2022年共發(fā)生6場(chǎng)暴雨事件。其中，暴雨5場(chǎng)，大暴雨1場(chǎng)，累計(jì)降水量為666.5 mm，占4 a內(nèi)共發(fā)生的244次降雨事件總降水量的63.7%。同時(shí)，這些暴雨事件的徑流深累計(jì)35.8 mm，占比高達(dá)總徑流深的67.3%。這6場(chǎng)暴雨事件的降雨與產(chǎn)流特征如圖2和表2所示。根據(jù)各場(chǎng)暴雨的歷時(shí)和雨量特征將以上6場(chǎng)暴雨劃分為長(zhǎng)歷時(shí)、高雨量暴雨（暴雨3和5）和短歷時(shí)、低雨量暴雨（暴雨1、2、4和6）。同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)［30］將其進(jìn)一步劃分為長(zhǎng)歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高雨量暴雨（暴雨3和5），短歷時(shí)、中雨強(qiáng)、低雨量暴雨（暴雨2和6）以及短歷時(shí)、高雨強(qiáng)、低雨量暴雨（暴雨1和4）。

暴雨事件對(duì)植物群落坡面的補(bǔ)給深度最深可達(dá)200 cm。其中，暴雨對(duì)草本群落坡面的補(bǔ)給深度為70～200 cm，而對(duì)灌叢坡面的補(bǔ)給深度僅為70～100 cm。且不同暴雨類型對(duì)植物群落坡面的補(bǔ)給深度也存在差異。在短歷時(shí)、低雨量的暴雨事件中，各植物群落充分入滲后的平均補(bǔ)給深度為70～100 cm，其中，土壤水分入滲深度（d）對(duì)暴雨1的響應(yīng)最小，經(jīng)充分入滲，除鐵桿蒿群落的補(bǔ)給深度達(dá)到100 cm，其余3個(gè)群落的最大入滲深度均為70 cm;而對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)、高雨量暴雨事件，各群落土壤水分補(bǔ)給深度為100～200 cm（圖3，其中，W₀為雨前土壤含水量；S₀為雨后0 h土壤入滲量；S₉₆為雨后96 h土壤入滲量），其中，狼牙刺群落的補(bǔ)給深度為100 cm，其余群落均為200 cm，這表明長(zhǎng)歷時(shí)、高雨量的暴雨事件對(duì)植物群落坡面的入滲深度更深。

植被群落坡面土壤水分入滲總量對(duì)暴雨的響應(yīng)較為復(fù)雜，主要受到降水量和I₃₀的主導(dǎo)（p<0.05），而平均雨強(qiáng)對(duì)土壤水分入滲總量的影響卻并不顯著（p>0.05）（表3）。各植被群落坡面在短歷時(shí)、低雨量暴雨中的平均土壤水分入滲總量為48.7 mm（圖3），其中，暴雨1和暴雨2的降水量相當(dāng)，但暴雨2的I₃₀是暴雨1的1.4倍，理應(yīng)暴雨1的土壤入滲總量高于暴雨2，但由于暴雨2的雨前土壤含水量高于暴雨1，其各群落坡面的降雨入滲總量較暴雨1低6.06%～16.00%，平均入滲深度向下延伸30～50 cm。在長(zhǎng)歷時(shí)、高雨量暴雨事件中，各植被群落坡面的平均土壤水分入滲總量為72.9 mm，遠(yuǎn)高于短歷時(shí)、低雨量暴雨事件（圖3）。其中，暴雨5的降水量低于暴雨3，但平均雨前土壤含水量較暴雨3多43.1 mm，其在植物群落坡面的平均土壤水分入滲量較暴雨3少50.3 mm?？梢?jiàn)，除了降水量和I₃₀外，雨前土壤含水量也會(huì)對(duì)土壤入滲產(chǎn)生影響。

土壤水分入滲率（V）隨著平均雨強(qiáng)和I₃₀的增加而增加（p<0.01）（表3）。其中，短歷時(shí)、高雨強(qiáng)、低雨量暴雨的土壤水分入滲率為2.11 mm/h;其次為短歷時(shí)、中雨強(qiáng)、低雨量暴雨，V=1.11 mm/h;而長(zhǎng)歷時(shí)、中雨強(qiáng)、大雨量暴雨的V僅為0.96 mm/h（圖4）。

灌叢群落的入滲能力強(qiáng)于草本群落，而草本群落的入滲能力隨退耕年限的增加而增加。暴雨條件下灌叢和草本植物群落坡面0～200 cm的土壤水分入滲總量介于22.1～102.9 mm（圖3）。其中，灌叢狼牙刺群落坡面對(duì)暴雨響應(yīng)最為強(qiáng)烈，入滲總量均值高達(dá)61.4 mm;而草本群落鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草、鐵桿蒿+草木樨狀黃芪和鐵桿蒿群落坡面的入滲總量分別為56.6、51.3和65.7 mm。不同植物群落坡面的土壤水分入滲率也展現(xiàn)出同樣趨勢(shì)，灌叢群落較草本群落的土壤水分入滲率高10.9%～41.2%，鐵桿蒿群落較鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落和鐵桿蒿+草木樨狀黃芪群落的土壤水分入滲率分別增加0.50和0.15 mm/h（圖4）。

2.3 暴雨條件下不同植物群落坡面土壤水分的補(bǔ)給特征

降雨結(jié)束初期退耕時(shí)間長(zhǎng)的群落坡面對(duì)暴雨的攔蓄作用較退耕時(shí)間短的群落更強(qiáng)，但坡面的攔蓄作用會(huì)隨時(shí)間的推移呈降低趨勢(shì)，而且退耕年限長(zhǎng)的植物群落坡面對(duì)暴雨的攔截作用隨時(shí)間下降的幅度較退耕年限短的群落更大。因?yàn)橹参锶郝淦旅娴耐寥浪盅a(bǔ)給率與暴雨事件的降雨歷時(shí)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01）（表3）。在短歷時(shí)、低雨量暴雨中，退耕47 a的鐵桿蒿群落和狼牙刺群落坡面雨后0 h的平均土壤水分補(bǔ)給率大于退耕時(shí)間較短的鐵桿蒿+草木樨狀黃芪和鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落;而在降雨結(jié)束96 h后，退耕年限較長(zhǎng)的狼牙刺群落和鐵桿蒿群落的平均土壤水分補(bǔ)給率分別降低了26.3%、21.1%，但退耕年限較短的群落僅降低了9.3%和4.0%（表4）。

高雨強(qiáng)暴雨較中雨強(qiáng)暴雨的平均土壤水分補(bǔ)給能力更強(qiáng)。其中，短歷時(shí)、高雨強(qiáng)、低雨量暴雨的雨后0 h平均土壤水分補(bǔ)給率為64.8%，雨后96 h降低至53.8%；而短歷時(shí)、中雨強(qiáng)、低雨量暴雨平均土壤水分補(bǔ)給率為56.8%，雨后96 h縮減為33.3%；在長(zhǎng)歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高雨量暴雨中，雨后0 h土壤水分補(bǔ)給率為40.8%，遠(yuǎn)低于短歷時(shí)、低雨量暴雨條件下的土壤水分補(bǔ)給率（表4）。

不同植物群落各土層的土壤水分消退率（R）隨著土壤深度的增加快速下降（圖5）。其中，狼牙刺、鐵桿蒿群落10～50 cm土層土壤水分消退率相對(duì)較高，平均值分別為0.13 mm/h和0.11 mm/h;經(jīng)96 h充分入滲后，土壤水分向深層運(yùn)移，70～200 cm土層的土壤水分增加，所以70～100 cm土層的土壤水分消退率較低，平均值分別為0.04 mm/h和0.03 mm/h。鐵桿蒿+草木樨狀黃芪、鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落10～30 cm土層的土壤水分消退率相對(duì)較高，平均值均為0.11 mm/h，而50～100 cm土層的土壤水分消退率平均值均降至0.03 mm/h。這4種群落坡面各土層的平均土壤水分消退率分別為0.11、0.09、0.08、0.08 mm/h。對(duì)不同暴雨事件而言，長(zhǎng)歷時(shí)、高雨量暴雨事件的土壤水分消退率平均值為0.06 mm/h;而短歷時(shí)、低雨量暴雨事件的消退率平均值為0.09 mm/h，其中的高雨強(qiáng)暴雨事件的土壤水分消退率高達(dá)0.11 mm/h，特別是暴雨1，土壤水分消退率高達(dá)0.15mm/h，各植物群落在10～30 cm土層的土壤水分消退率為其他場(chǎng)次暴雨相應(yīng)土層土壤水分消退率的0.5～2.3倍。

3 討論

黃丘區(qū)坊塌小流域自實(shí)行退耕還林/草措施以來(lái)，植被覆蓋度及地上生物量大幅增加，土壤水分物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)得以有效改善［31］，但退耕后土壤水分對(duì)暴雨的響應(yīng)研究仍有不足，所以本研究采用由自計(jì)雨量計(jì)獲取的2019—2022年流域內(nèi)發(fā)生的6場(chǎng)暴雨進(jìn)行了研究，雖然暴雨次數(shù)較少，但通過(guò)對(duì)2007—2020年位于黃丘區(qū)的綏德縣、志丹縣和吳起縣的暴雨事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這些站點(diǎn)在14 a內(nèi)均僅發(fā)生了7次暴雨和1次大暴雨，而在2017—2020年4 a內(nèi)發(fā)生了3～4次暴雨和1次大暴雨。可見(jiàn)，黃丘區(qū)暴雨事件的出現(xiàn)愈加頻繁。因此，坊塌小流域在4 a監(jiān)測(cè)到的5場(chǎng)暴雨和1場(chǎng)大暴雨事件，在數(shù)量上具有典型性。同時(shí)，6場(chǎng)暴雨事件可被劃分為“長(zhǎng)歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高雨量暴雨”、“短歷時(shí)、中雨強(qiáng)、低雨量暴雨”以及“短歷時(shí)、高雨強(qiáng)、低雨量暴雨”3種黃丘區(qū)常出現(xiàn)的類型［32］，且均有2場(chǎng)重復(fù)。因此，雖然本研究時(shí)段中僅發(fā)生了6場(chǎng)暴雨事件，但其對(duì)黃丘區(qū)暴雨事件的發(fā)生是具有代表性的。

當(dāng)前，黃丘區(qū)的自然植被坡面土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，主要受降水量、I₃₀、降雨歷時(shí)的主導(dǎo)調(diào)控。特別是I₃₀較平均雨強(qiáng)影響的解釋力更為顯著，因?yàn)槠骄陱?qiáng)容易掩蓋自然降雨過(guò)程中的“強(qiáng)度爆發(fā)”與“間歇性”等降雨波動(dòng)特征［27］。隨著降雨強(qiáng)度增加，土壤攔蓄率隨之增加，且在4.8和7.9 mm/h的高雨強(qiáng)暴雨事件中坡面土壤水分入滲率達(dá)到2.11 mm/h，遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)氐耐寥婪€(wěn)滲率1.15～1.30 mm/h［33］，但并未發(fā)生超滲產(chǎn)流事件，可能黃丘區(qū)的植被建設(shè)已使降雨-產(chǎn)流模式發(fā)生自“超滲產(chǎn)流”向“蓄滿產(chǎn)流”的轉(zhuǎn)變［34］。在降雨過(guò)程中，表層土壤水分先受到補(bǔ)充;由于不同土層間土水勢(shì)的差異，水分逐漸向深層運(yùn)移;但隨著降雨歷時(shí)的增加，不同土層間的土水勢(shì)差值逐漸減小，導(dǎo)致各自然植物群落坡面的土壤水分入滲率和補(bǔ)給率隨降雨歷時(shí)的延伸出現(xiàn)不同程度的下降［35］。

水分在土壤剖面內(nèi)的運(yùn)移及分配受到植被類型、土壤質(zhì)地和雨前土壤含水量等下墊面因素的調(diào)控。在黃丘區(qū)，對(duì)土壤水分的補(bǔ)給深度基本集中在地下70～200 cm，其中草地坡面的補(bǔ)給深度最深可達(dá)200 cm。但由于灌叢蒸散量大，表層土壤水分消耗劇烈，因此灌叢群落坡面100 cm以下土層的水分難以得到補(bǔ)充［36］。此外，植被恢復(fù)與重建過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)、孔隙度、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加，土壤重度降低［37-38］，土壤質(zhì)地發(fā)生改善，所以呈現(xiàn)退耕年限久的植被對(duì)暴雨的攔蓄能力強(qiáng)和灌叢群落坡面較草本群落坡面對(duì)暴雨的攔蓄能力更強(qiáng)的規(guī)律。具體在本研究中，草本群落的土壤有機(jī)質(zhì)含量自退耕12 a的7.62 g/kg提升至12.03 g/kg，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量由50.64%提升至66.12%，毛管孔隙度由50.81%提升至52.47%，土壤重度因此降低了0.04 g/cm（表1），促使水分的下滲與貯蓄［29，31］。故草本群落中，退耕47 a的入滲量較退耕32 a和12 a分別提升14.0%和22.0%。灌木群落階段的毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量比同退耕年限的草本群落更高，土壤重度更低，故而擁有更強(qiáng)的入滲能力［27，39］。同時(shí)，退耕年限長(zhǎng)的狼牙刺和鐵桿蒿群落坡面由于土壤孔隙度的增加，對(duì)其土層內(nèi)入滲的土壤水分再分配迅速，也可迅速排空大部分進(jìn)入淺土層內(nèi)的降雨，如若短期內(nèi)再次降雨，仍可容納較多的雨水。此外，來(lái)自降雨的入滲水分首先要補(bǔ)足表層因植被導(dǎo)致的水分虧缺才能繼續(xù)下滲，所以雨前土壤含水量高的坡面會(huì)較含水量低的坡面先補(bǔ)足表層土壤水分進(jìn)行深層入滲，導(dǎo)致入滲深度更深。然而，坡面在補(bǔ)足表層水分后，濕潤(rùn)前沿的水力梯度也隨之減小，下滲的過(guò)程相對(duì)更為困難，因此入滲量更少［27］。

綜上，退耕植被恢復(fù)的確有利于增強(qiáng)土壤持蓄水分的能力，減少?gòu)搅鲄R集，錯(cuò)峰消洪，促成“偽蓄滿產(chǎn)流”。然而，土壤只能攔蓄部分降雨，其產(chǎn)生的徑流仍可誘發(fā)土壤侵蝕，增大洪水風(fēng)險(xiǎn)。因此，在黃丘區(qū)仍應(yīng)在加強(qiáng)自然恢復(fù)植被坡面攔蓄能力的同時(shí)，合理配置引排措施，以期更好地發(fā)揮植被-土壤對(duì)暴雨的攔蓄作用。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)陜西省延安市安塞區(qū)坊塌小流域在2019—2021年所發(fā)生的6次暴雨事件進(jìn)行逐小時(shí)土壤水分監(jiān)測(cè)，定量分析了不同自然灌草植被坡面在不同暴雨類型下的攔蓄效果，探究了黃丘區(qū)退耕自然灌草植被坡面對(duì)暴雨的攔蓄作用。主要結(jié)論如下：

（1） 6場(chǎng)暴雨對(duì)草本群落的補(bǔ)給深度最深可達(dá)200 cm，但對(duì)灌叢狼牙刺群落的補(bǔ)給深度最深僅為100 cm。灌叢狼牙刺群落的土壤水分入滲量、入滲率均較草本群落高;草本群落中，退耕年限長(zhǎng)的鐵桿蒿群落的入滲量、入滲率均高于退耕年限較短的鐵桿蒿+草木樨狀黃芪群落和鐵桿蒿+長(zhǎng)芒草群落。

（2） 灌木狼牙刺群落的土壤水分入滲總量、土壤水分入滲率以及土壤水分補(bǔ)給率較草本群落更優(yōu)，即灌木狼牙刺群落對(duì)暴雨的攔蓄效果更強(qiáng)，草本群落對(duì)暴雨的攔蓄效果隨退耕年限的增長(zhǎng)而提升;但雨前土壤含水量較高會(huì)降低植物群落對(duì)暴雨的攔蓄作用。

（3） 自然灌草植被坡面在短歷時(shí)、高雨強(qiáng)、低雨量暴雨前期可平均攔蓄約64.8%的降雨，在短歷時(shí)、中雨強(qiáng)、低雨量暴雨條件下可攔蓄56.8%，但長(zhǎng)歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高雨量暴雨僅可攔蓄40.8%。

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Interception and storage of heavy rainfall by natural vegetations

in the loess hilly and gully area

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.U2243213;No.42077078）.

ZHAO Wenting JIANG Xiaohan LI Mengmeng JIAO Juying YAN Xiqin QI Hongkun

（1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A & F University，

Yangling 712100，China;

2. Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and

Ministry of Water Resource，Yangling 712100，China）

Abstract：Vegetative trapping of heavy rainfall is an important mechanism for mitigating frequent rain-induced flood disasters in the context of global warming.To investigate the role of natural vegetation in trapping heavy rainfall following the widespread implementation of the “the Grain for Green” project in the Loess Hilly and Gully area，an automatic soil moisture monitoring system was employed to continuously monitor the soil moisture content in the top 10 m on one shrub-covered slope and three herbaceous slopes during six heavy rainfall events occurring in the Fangta watershed of the Ansai District，Shaanxi Province，from 2019 to 2022.The results showed that the maximum infiltration depth of the herbaceous slopes was approximately 200 cm during the heavy rainfall events，while for the shrub-covered slope，it was only 100 cm.Furthermore，the shrub-covered slope exhibited superior rainfall interception compared to the herbaceous slopes.The trapping efficianncy of the herbaceous slopes improved with each successive year of “Grain for Green” project implementation.Additionally，natural shrub-covered slopes displayed a trapping efficiency of up to 60.8% during low-intensity，short-duration rainfall events，and 40.8% during high-intensity，long-duration rainfall events.Therefore，it is advisable to strategically conserve and allocate shrub-herbaceous ecosystems within the Loess Hilly and Gully area to enhance the storage and mitigation capacity of vegetation and soil in response to heavy rainfall.

Key words：heavy rainfall event;scrub and herbaceous;heavy rainfall interception and storage;soil infiltration;the loess hilly and gully area