降雨，特别是暴雨是诱发滑坡、崩塌等地质灾害的重要原因^[1-2]。全国290个县市的地质调查结果表明，暴雨诱发的滑坡占滑坡总数的90%以上^[3]。2013年7月21日20：00至22日10：00，位于子午岭林区的富县全境普降暴雨，平均降雨量146.5 mm，其暴雨中心——张村驿镇降雨量达到172.8 mm^[4]。该次暴雨造成富县多处山体发生滑坡和崩塌等次生灾害，致使大量农田被掩埋，道路中断，房屋受损，给人民群众造成了严重的生命财产损失^[5]。

子午岭林区是黄土高原目前惟一保存较完整的天然次生林区，具有完整的植被演替序列。由于该区森林郁闭度很高，地表覆盖度达90%以上，土壤侵蚀已很轻微^[6]。然而在此次暴雨过程中，该区植被覆盖良好的沟缘线附近滑坡侵蚀异常强烈，引发对土体稳定性与植被关系的重新思考。目前，国内外关于土体稳定性与植被关系的研究，大多趋向于认为植被及其根系对土体稳定性具有明显的促进作用^[7-10]，因此，植被护坡在铁路、公路等生产建设项目边坡防护方面得到大量应用^[11-13]。但仍有一部分研究者认为植被对土体稳定性的影响是复杂的、多方面的，特别是在降雨条件下，植被通过增加降水入渗量、增加土体重量，从而改变土体水文效应和力学效应，对斜坡土体稳定性产生不利影响^[14-17]。魏丽等^[18]也认为植被覆盖程度越高，发生滑坡灾害的危险性越大。结合此次暴雨滑坡侵蚀实际情况，笔者产生以下疑问：造成此次林区暴雨滑坡侵蚀林草地较无植被土体剧烈的主要原因是什么，其滑坡侵蚀的特征与植被类型有什么样的关系？这些问题的回答有助于确切评价植被的防蚀效果，进一步分析降雨-植被-土体稳定性之间的关系。为此，本文通过调查子午岭林区典型小流域暴雨滑坡侵蚀特征，分析影响林草地暴雨滑坡侵蚀剧烈的主要原因，探讨植被类型以及根系分布对暴雨滑坡的影响，进而加深理解林草植被与暴雨滑坡侵蚀的关系，为科学评价植被防蚀作用机理提供一定的理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于子午岭林区陕西富县境内(35°44′06″N—36°23′23″N，108°29′30″E—109°42′54″E)。该区属典型黄土丘陵沟壑地貌，由于地处新构造运动相对强烈抬升区，滑坡面出露频繁，但大多已被林草植被所固定^[6]。地面组成物质主要以新、老黄土为主，有些沟谷底部有三趾马红土和白垩纪砂、页岩出露。土壤为尚处于发育阶段的灰褐色森林土，有明显腐殖质层，但无明显淋溶层与垫积层^[19]。年均降水量为576.7 mm，主要集中在7—9月。林区植被繁茂，地表覆盖度在90%以上，林下枯枝落叶层厚度达5—8 cm。因植被条件良好，土壤侵蚀轻微，年侵蚀模数多在100 t km^-2 a^-1以下^[20]。“7·21”特大暴雨后，通过对该区滑坡侵蚀灾害进行实地勘查，选取位于富县任家台林场的小流域为研究区域。研究区面积0.7 km²，其中农耕地面积占总面积65.7%。区内共有37个规模不等的滑坡，滑坡分布密度达52.8个/km²，远高于相近降雨条件下的非林区滑坡分布密度^[21]。

1.2 “7·21”特大暴雨水文特征

根据子午岭野外试验站观测结果，本次特大暴雨历时12 h，降雨131 mm，最大30 min雨强为0.53 mm/min。该次暴雨的降雨过程如图 1所示，产流特征如表 1所示。

1.3 研究方法

于2013年7月23日调查了流域内所有滑坡的基本特征(滑动面深度、长度、宽度等)以及滑坡周边的植被特征(包括植被类型、主要物种、覆盖度、郁闭度等)。在此基础上，于2013年7月24日按照主要植被类型(草本、灌丛、乔木)及滑坡侵蚀深度，选取9处具有典型侵蚀特征的滑坡(三类滑坡侵蚀各选定有代表性的3处作为3次重复处理)，并在其滑坡后壁部位进行土壤剖面和植被根系调查。

基于此次暴雨在研究区林地径流小区的最大入渗深度及滑坡产生的最大侵蚀深度，将土壤剖面调查深度确定在150 cm，并以10 cm为一层将各剖面划分为15层。同时，确定土壤容重、饱和含水量、根系重量这3个指标为采样指标在剖面调查过程中进行采样。确定的3个取样指标在每个剖面(9个)每层(15层)均取2个样品(2次重复)，因此，试验过程中每个采样指标分别采集270个(9个×15层×2次重复)土壤样品。整个试验过程共采集810个(3个指标×270个)土壤样品。

1)土壤容重用环刀法测定各土层的土壤容重。

2)土壤孔隙度基于各土层的土壤容重，计算对应土层的土壤孔隙度。

3)土壤含水量用烘干法测定各土层土壤含水量(利用土壤容重样品进同时行测定)。

4)饱和土壤含水量各土层分别取原状土，用浸水法测定。

5)根系重量按根钻法每10 cm分层采集根系样品，样品带回实验室后过筛并拣出所有根系，用水冲洗出后晾干称重。

1.4 数据获取及处理

滑坡侵蚀强度单位面积滑动面上产生的滑坡侵蚀量。由于滑坡为整层下滑，滑动面基本呈矩形，假定滑坡侵蚀深度H，滑动面长度为L，滑动面宽度为b，滑坡后壁土体厚度为h_i的第i层土壤容重为ρ_i(i=1，2, …，15)，则滑坡侵蚀深度H、滑坡侵蚀量A、滑坡侵蚀强度M_S计算式分别为：

滑坡侵蚀深度

滑坡侵蚀量

滑坡侵蚀强度

式中，A为滑坡侵蚀量(kg)；H为滑坡侵蚀深度(cm)；h_i为第i层深度(cm)；L为滑动面长度(m)；b为滑动面宽度(m)；ρ_i为土壤容重(g/cm³)；M_s为滑坡侵蚀强度(kg/m²)；S为滑动面面积(m²)。

2 结果与分析 2.1 植被类型对滑坡侵蚀特征的影响

根据滑坡侵蚀的基本特征，结合滑坡周围的植被类型，将该流域37处滑坡大致划分为三类(表 2)，旨在进一步探讨植被类型对这次暴雨滑坡侵蚀特征的影响。以草本植被为主的A类滑坡，共计14处，规模较小，体积多在100—500 m³之间，滑动距离较短，滑坡物质多在沟坡下部发生堆积。以灌丛植被为主的B类滑坡，共计7处，滑坡规模较A类为大，体积多在300—700 m³之间，滑动距离较远，部分滑坡物质堆积于沟坡下部未能进入沟道。以乔木植被为主的C类滑坡，共计16处，其规模在三类滑坡中最大，体积多在500—1500 m³之间，滑动距离较远，滑坡物质大多进入沟道而堆积于沟床。

上述三类滑坡中，A类滑坡的侵蚀深度为29—65 cm，其滑坡侵蚀深度平均值为45 cm；B类滑坡数侵蚀深度范围在58—73 cm，分布较集中，其滑坡侵蚀深度平均值为63 cm；C类滑坡数量最多，侵蚀深度范围为75—141 cm，分布较前两种相对分散，其滑坡侵蚀深度平均值为96 cm；若以100 cm为界对滑坡的侵蚀深度划分，则滑坡深度小于100 cm的滑坡数目占总数的69%(表 3)，其中以分布于30—100 cm的滑坡占绝大多数，其数目占总滑坡总数的92%，说明此次暴雨滑坡的侵蚀深度具有相对集中的特性，即滑坡土体为根系相对集中分布的浅层土体。

2.2 滑坡侵蚀深度与根系分布特征的关系

由于不同植被类型对应不同的滑坡侵蚀深度及滑坡规模，因此，这里探讨植被根系分布特征与滑坡侵蚀深度的关系。图 2表明，以草本植被为主的A类滑坡，占总根量60%的根系分布在0—40 cm土层，而40 cm以下迅速减少；以灌丛植被为主的B类滑坡，占总根量的70%以上的根系分布于0—60 cm土层，60 cm以下随土层深度增加根系逐渐减少；以乔木植被为主的C类滑坡根系分布则相对较深，占总根量80%左右的根系分布在0—80 cm土层，100 cm以下均迅速减少。前人的研究结果也表明，以白草等草本植被为主的根系主要分布在0—40 cm土层，以铁杆蒿、绣线菊等为主的灌木半灌木植被的根系主要分布在0—60 cm土层；而油松、辽东栎等乔木植被的根系则主要分布在0—80 cm土层^[22-24]。

虽然图 2中三类滑坡侵蚀的植被根系重量在不同土层深度的变化趋势不同，但对于具有深厚土层的黄土而言，植被的根系仍相对集中的分布于浅层^[25]，且三者在根系总重量方面差异并不显著。这些根系在土体中穿插、缠绕、固结，从而极大的改变了根系层土壤的抗侵蚀能力^[17]。为此，这里通过土壤剖面调查进一步分析了滑坡侵蚀深度与植被根系深度的关系。结果表明，滑坡侵蚀深度与植被根系深度具有很好的线性关系(图 3)，说明此次暴雨滑坡侵蚀过程中，植物根系深度决定了滑坡侵蚀深度。

2.3 滑坡侵蚀强度与各指标相关关系分析

一般来说，植被可通过改变土壤水分情况来改变土壤的抗剪强度，从而起到固土护坡的作用。但降雨径流会导致土壤含水量增加，土体抗剪强度减小，使得边坡失稳变形。在一定环境条件下，随着含水量增加，植被提高土壤的抗剪强度的程度会逐渐减小^[26-27]。为此，本研究根据土壤剖面调查结果，对滑坡侵蚀强度与对应深度处的根系重量、土壤孔隙度、土壤容重、土壤含水量、饱和土壤含水量进行偏相关分析，讨论滑坡侵蚀强度与这些影响因素的相关关系。

从表 4可以看出，三类滑坡的侵蚀强度与根系重量相关性最好，相关系数均在0.9以上；其次为土壤孔隙度和土壤容重，相关系数均在0.8以上。而滑坡侵蚀强度与土壤含水量以及饱和土壤含水量相关性较差，相关系数基本均低于0.6。有研究表明，土壤含水量对滑坡具有重要影响^[26]，即二者之间具有较好的相关性。但表 4中土壤含水量与滑坡侵蚀强度的相关性较差，究其原因可分为两方面。首先，以往研究中的滑坡侵蚀大多发生在在地震、人类活动等直接或间接影响后的无植被或植被较少的斜坡土体上^{[3, 10]}，随降雨入渗、土壤含水量增加，这种结构受到破坏的土体就会逐渐失稳变形而发生滑坡。但此次滑坡侵蚀发生在林区内特大暴雨条件下，纵横交错的根系促进了滑坡侵蚀的发生，表现为植被及其根系对滑坡侵蚀的影响较强，而土壤含水量的影响相对较弱。这也是表 4中植被根系与滑坡侵蚀强度相关系数高于土壤含水量与滑坡侵蚀强度的相关系数的主要原因。其次，虽然雨后只有表层土壤含水量会随时间发生变化，但分析时仍从整个剖面着手，这也可能是导致剖面整体土壤含水量与滑坡侵蚀强度的相关性较差的原因之一。

通过表 4可以判断影响滑坡侵蚀强度的主要因素依次为根系重量、土壤孔隙度和土壤容重。再者，滑坡侵蚀强度与根系重量、土壤孔隙度为正相关，与土壤容重为负相关，说明根系重量和土壤孔隙度对滑坡侵蚀强度有促进作用，而土壤容重则对滑坡侵蚀有抑制作用。但由于土壤孔隙度通过土壤容重计算得到，且通过其计算公式可推断出二者为负相关关系。即随土层加深呈现相反的变化趋势。通常情况下，浅层土壤，尤其是表层，由于能获得较多的热量和水分，使堆积于地表的枯枝落叶及地被物易于腐解，从而形成疏松多孔的土壤结构，因而表层土壤容重比较小。随着土壤层次加深，根系减少，土壤水分和通气性变差，地下生物活动减少^[28]，土壤紧实度增加，土壤容重变大，土壤孔隙度减小。正是由于土壤孔隙度与土壤容重截然相反的变化趋势，导致二者与滑坡侵蚀强度的影响也表现出相反的作用。由于此次滑坡侵蚀大多位于沟缘线附近，坡度基本相同(多集中在35°—42°)，可排除地形差异对滑坡侵蚀造成的影响。

此外，在研究区布设的大型林地径流小区(径流小区面积达1660 m²)尚未有径流发生(表 1)，说明林地在此次降雨过程中雨水全部下渗而无地表径流产生，因而可排除径流冲蚀对滑坡的影响。上述结果均表明，根系在影响此次暴雨滑坡侵蚀的诸因素中居主导地位。

2.4 根系重量对滑坡侵蚀强度的影响

为分析各影响因素对滑坡侵蚀强度的影响，这里对根系重量、土壤孔隙度、土壤容重这3个指标进行相关分析，在此基础上进一步分析根系对滑坡侵蚀强度的影响。根系重量与土壤孔隙度呈极显著正相关，与土壤容重呈极显著负相关(表 5)，说明植被根系对土壤孔隙度和土壤容重都有影响，但对土壤孔隙度的变化为促进作用，而对土壤容重的变化为抑制作用。

表 5中植被根系重量与土壤孔隙度、土壤容重之间的关系均表现为极显著相关，而且土壤孔隙度与土壤容重之间也存在极显著相关关系，表明土壤孔隙度与土壤容重受到根系重量的影响，且二者之间也存在相互影响。因此，这里仅分析滑坡侵蚀强度与根系重量的关系。方程(4)是滑坡侵蚀强度与根系重量线性回归结果(n=15，R²=0.845，sig < 0.001)。

式中，M_s为滑坡侵蚀强度(kg/m²)；R_w为根系重量(kg/m³)。

根系重量与滑坡侵蚀强度成正相关关系，表明此次暴雨滑坡过程中，植被根系重量不仅对滑坡发生发育具有促进作用，而且是影响此次暴雨滑坡侵蚀的主控因素。由于植被及其根系的存在，以及枯枝落叶腐解，林地土壤因存在丰富的孔隙，且孔隙之间具有开放性和连续性，成为径流入渗的优先通道^[29]，并为土壤水的储蓄提供空间，这就使得林地根系层土体具有更大的储水能力。

研究发现，根系特征(根系深度、根系类型等)对土体稳定性方面具有重要影响^[30-31]，主要表现为：穿插于土体的根系中，垂直方向的根系主要起锚固作用，水平方向的根系主要起牵拉作用。通过这种方式，整个根系层形成土壤和根系的复合体。当雨水及径流逐渐充满孔隙、裂隙等空间后，整个根系层便形成一个土壤水分暂时饱和的“饱和壳”^[32]。一旦该饱和土体下滑力大于抗剪强度时，整个饱和层发生滑动，滑坡侵蚀强度也随之急剧增加。

此外，降雨过程中，裂缝、裂隙以及动物通道等在土体中也构成重要的降水输送通道，加快降雨入渗速率，这对滑坡的形成也起到了促进作用。

2.5 根系层土体土壤孔隙度与土壤容重差异分析

虽然根系重量是影响滑坡侵蚀强度的主控因素，但土壤孔隙度和土壤容重仍会对滑坡侵蚀强度产生一定影响。因此，通过对根系层土体——“饱和壳”上下层土壤之间土壤孔隙度差值(上层孔隙度值-下层孔隙度值)与土壤容重差值(下层容重值-上层容重值)进行分析，进一步解释植被根系通过改变土壤孔隙度与土壤容重而对滑坡侵蚀造成的影响。

图 4和图 5中土壤孔隙度差值与土壤容重差值变化趋势基本相同，且差值最大的土层即为土壤孔隙度和土壤容重发生明显变化的的土层。对于三类滑坡类型，上下层土壤孔隙度和土壤容重差值出现最大土层依次为第4—5、6—7、8—9层，即草本植被滑坡壁土体在4—5层，即土层深度为40—50 cm时土壤孔隙度差值与土壤容重差值最大；灌丛植被滑坡壁土体在第6—7层，即土层深度为60—70 cm时土壤孔隙度差值与土壤容重差值最大；乔木植被滑坡壁土体在第8—9层，即土层深度为80—90 cm时土壤孔隙度差值与土壤容重差值最大。土壤孔隙度差值、土壤容重差值出现最大值的土层深度与各自对应植被类型的根系分布深度相近，且与对应的入渗深度、滑坡侵蚀深度相近。

草本、灌丛、乔木这3种植被的根系分别主要分布在0—40 cm、0—60 cm、0—80 cm土层。在这3个土层深度内，植被根系以及林下枯落物不仅减缓了径流流速，而且延长了降水在地表的存留时间。同时，疏松多孔的根系层土壤结构，为增强土体入渗^[33-34]，贮存更多水分而提供有利条件。然而随土壤深度增加，下层土体因根系减少而土壤孔隙度减小，土壤容重增大，形成一个相对不透水层(图 4和图 5)。此时，进入土体的雨水开始在不透水层以上积聚，并在不透水层之间形成滑动面^[35]。随着降雨继续，不透水层以上部分—即根系层土体因吸纳大量降水而逐渐饱和，随着“饱和壳”不断软化，当其自重增大到致使下滑力大于抗剪强度时，整个根系层土体沿滑动面发生移动而导致滑坡侵蚀发生。

此外，黄土坡面沟缘线附近坡度较陡、土质相对比较均匀，为滑坡侵蚀发育提供了良好场所^[36]。同时，乔木等高大植被的地上部分吸水作用和冠层降水截留作用导致植被自身重量增加，使土体下滑力增大，这也促进了滑坡侵蚀的发生^[37]。

3 结语

(1)“7·21”暴雨引发的浅层滑坡侵蚀与植被类型密切相关，不同植被类型下滑坡侵蚀深度和滑坡侵蚀强度各不相同。以草本植被为主的A类滑坡的侵蚀深度集中在30—60 cm，侵蚀强度多集中在150—1200 kg/m²；以灌丛植被为主的B类滑坡的侵蚀深度集中在50—80 cm，侵蚀强度多集中在200—2000 kg/m²；以乔木植被为主的C类滑坡的侵蚀深度集中在80—100 cm；侵蚀强度集中在300—2800 kg/m²。

(2)此次暴雨滑坡侵蚀中，滑坡侵蚀强度与根系重量、土壤孔隙度、土壤容重密切相关，其中，根系重量对滑坡侵蚀强度的贡献率达80%以上，表明植被根系是影响此次暴雨滑坡侵蚀强度的主控因素。在暴雨、根系等因素综合作用下，根系层土体与下部紧实土体之间因水分差异形成水分饱和层。随土壤含水量增加，一旦根系层土体下滑力大于抗剪强度，上部的根系层土体就沿滑动面发生整体滑动。而且正是因为上述原因，才导致此次暴雨滑坡出现不同类型植被根系深度与侵蚀深度相近的侵蚀现象。此研究结果也说明了当降水量达到诱发林区滑坡灾害发生的临界值时，植被及其根系会加剧滑坡侵蚀的发生。对该方面进行研究，有助于重新认识植被固水保土、防灾减灾的作用，对水土保持林草措施布设具有借鉴意义。

(3)在今后的水土保持工作中，尤其是针对开发建设项目等边坡治理时，应根据特定地形、土壤等特点，因地制宜，合理配置乔灌草等各类植被，如：浅根型植被与深根型植被搭配；陡坡种植深根型植被，增加根系的固土深度，从而改善植被提高土体稳定性及防治水土流失的作用。在此基础上，可结合其它水土保持措施，如：修建坡面排水沟，同时利用自然沟道汇集径流，形成地面排水系统，从而加快地面排水；修建渗沟、盲沟等引出滞水及潜水来增加浅层地下排水，用以降低地下水位。通过上述方式，可更好地发挥植被的水土保持效益。