三峡消落带是指三峡水库运行时形成的周边水-陆交错带，高程在145~175 m之间，总面积超过348.93 km^2[1]。水库水位周期性涨落过程中的干湿交替作用导致土壤抗侵蚀性能退化，加之受到降雨径流、波浪、水位消长和重力等多营力复合或交替作用影响，导致消落带土壤侵蚀过程复杂、侵蚀程度异常强烈^[2]。监测结果表明：长江干流消落带侵蚀速率为30~75 mm/a，平均为51.5 mm/a，其中波浪侵蚀速率为21~53 mm/a，平均为36.6 mm/a，波浪侵蚀占三峡消落带侵蚀70%以上，是消落带土壤侵蚀的主要类型，已严重影响到库区周边生态环境和经济发展^[3]。

相关研究^[4]表明，水库蓄水后，风区吹程急剧增加，由风力所形成的波高、波频与成库前相比大幅度提高，加上大吨位船行船作用所产生的波浪，加剧库岸侵蚀。波浪作用坡面1个周期内可分为3个阶段：入射阶段，波浪破碎后冲击岸坡形成破波水流；上爬阶段，波浪破碎后沿坡面向上爬升形成的上爬水流；回落阶段，上爬水流至最高处后向下回流形成沿坡面向下的坡面水流^[5]。波浪反复作用下淘蚀坡面，极易在岸线形成内凹的侵蚀龛，内凹达到一定程度时，侵蚀龛上部土体在重力作用向下诱发塌陷并入库。随后，波浪又对岸坡面进一步淘蚀，再度形成新的侵蚀龛。如此反复，造成岸坡形态发生改变。在此过程中，孔隙水压力和土颗粒间产生相互作用，当产生的循环剪切力大于土体抗剪强度时，引起孔隙水压力的累计变化造成土体发生变形或液化，导致岸坡支撑力突然减小最终塌岸^[6]。

植被修复作为控制土壤侵蚀和减少水土流失的有效措施之一^[7-8]，是消落带生态服务功能发挥的主体。Ahmad等^[9]认为在海岸盐沼地中80 m的红树林可以消减80%的波浪。李佳皓等^[10]借助物理模型试验得出植物盖度越高，高速船行波在X和Y方向的水体流速降低越快，减少的波浪能量越多。Beeson等^[11]研究发现植被可以减少80%的河岸带侵蚀量。钟荣华等^[12]试验得出狗牙根(Cynodon dactylon)在80%盖度下的平均消浪系数为0.43，根系固土贡献率为76.2%，平均减蚀效应为97.8%。可见，目前关于植被对波浪消能减蚀作用被广泛研究，而关于植物对波浪作用于坡面表面压力和土体内部孔隙水压力的改变程度及其对侵蚀的影响尚不清楚。

因此，笔者选用三峡消落带典型土壤紫色土和自然恢复下优势物种狗牙根为研究对象，设置不同植被盖度坡面条件，并以裸地作为参照，开展室内模拟试验，分析不同试验条件下坡面波压力、土体内孔隙水压力和侵蚀量，明确狗牙根对三峡库区消落带紫色土波浪作用力和侵蚀的影响，为三峡库区消落带生态环境恢复和水土流失治理提供参考价值。

紫色土是三峡库区消落带最具代表性的侵蚀性土壤^[13]，狗牙根属禾本目禾本科植物，地上部分高约10~30 cm，具有抗旱、存活性强等特点，是三峡库区消落带自然恢复时的优势物种^[14]，因此，本研究以紫色土与狗牙根作为研究对象。紫色土取自湖北省秭归县(E 110°18′~111°0′，N 30°38′~31°11′)消落带，经风干后去除杂物，土壤机械组成采用比重计法测得，其中土壤黏粒、粉粒和砂粒分别为10.43%、43.51%和46.06%，采用电位计法测得pH值为7.53，使用重铬酸钾外加热法测得有机质质量分数为21.73 g/kg，使用液塑限联合测定仪法测定液限和塑限分别为33.70%和19.70%。

将过5 mm筛的土壤装入种植模型中，撒播不同量狗牙根种子并进行养护1 a年以上，部分种植模型为纯土样作为空白对照。养护后期通过ERDAS Imagine 2012进行图像采集大致确定植被盖度，并于正式试验前2个月通过拔根的方式调整盖度，得到设计盖度。试验前测得30%及60%盖度下根质量密度、根长密度和根表面积密度分别为0.262 g/cm³、1.351 cm/cm³和0.189 cm²/cm³及0.622 g/cm³、3.132 cm/cm³和0.414 cm²/cm³。

试验于三峡大学地灾楼(E 111°18′14″、N 30°43′46″)进行。依据JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》^[15]，设定几何相似常数为12，自制本研究所需的波浪侵蚀水槽(长2.5 m，宽0.5 m和高0.6 m)(图 1)，波浪侵蚀水槽由调速电机、时间继电器、造波板、开关组合、压力传感器和数据采集仪等组件组成，可产生不同波高和周期。试验时将坡面固定于试验水槽一端，另一端造波板处悬挂一重物以形成稳定的波浪，造波板侧设置单个阀门出水口取样。

图 1(Fig. 1)

图 1 试验水槽设计试验传感器布置示意图 Fig. 1 Designed test sensor layout schematic in test flume

长江干流4~8 cm波高的波浪出现频率最高^[12]，因此本试验设置3种波高条件(4、6和8 cm)。25°以上的坡占消落带总面积的20.48%^[16]，波浪侵蚀极为严重，因此本研究坡度设置为1∶1。试验前将精度为0.005 kPa的力学传感器(CYY22型，西安徽正电子科技有限公司)等距离埋置布设于坡面，其中布置在土体内2/3中线处的1、2和3号传感器用于监测坡面孔隙水压力的变化，坡面表面的4、5和6号传感器用于监测坡面波压力的变化。试验过程中收集各传感器数据，并选取作用时间长的较稳定的波压力数据和孔隙水压力数据进行后续分析以消除偶然因素影响。

波浪试验流程包括：1)进行试验时，将消落带模型放入水槽坡面，注水至30 cm深；2)在消落带模型表面及内部设置传感器，仪器设置完成后开启电机，打开数据采集仪，待波高和周期稳定后开始试验，试验时长30 min；3)待到试验时长后关闭电机，结束试验，打开出水口进行取样，获取泥沙样，静置后烘干称量得到侵蚀量。每组波浪试验重复3次，并计算出平均值用以试验分析。采用Excel 2016、SPSS 2018和Origin 2018软件进行数据处理。

狗牙根盖度和波高均对波压力造成显著影响，随着波高降低和狗牙根盖度增加，各传感器所测波压力呈现逐渐减小的变化趋势(图 2)。总体来说，随波高增加，裸坡条件下各传感器所测波压力增加3.80%~48.62%。波高相同时，与裸坡条件相比，随盖度的增加，不同位置波压力均逐渐减小，减幅为2.98%~220.17%，且在同一盖度下各传感器波压力呈现6号>5号>4号的变化顺序。在裸坡、波高为8 cm试验条件下出现最大波压力(0.33 kPa)，而最小波压力(0.02 kPa)则出现在盖度60%、波高为4 cm试验条件下。方差分析表明各部位的波压力在不同波高和不同盖度间均存在显著性差异。值得注意的是当盖度从30%提高至60%时，波压力降低幅度有所增加，盖度为30%和60%时，各部位的波压力减小幅度相对裸坡分别为17.40%~41.90%和30.07%~71.99%。这表明提高植被盖度可以有效削弱波浪带来的能量。

图 2(Fig. 2)

大写字母表示同一盖度下同一位置不同波高的显著性差异(P < 0.05)，小写字母表示同一波高下同一位置不同盖度的显著性差异(P < 0.05)。下同。 The uppercase letters indicate the significant difference of different wave heights at the same location under the same coverage (P < 0.05). The lowercase letters indicate the significant difference of different coverage at the same position at the same wave height (P < 0.05). The same below. 图 2 不同狗牙根盖度下波压力传感器压力值 Fig. 2 Pressure values of wave pressure sensors under different Cynodon dactylon coverages

随坡面盖度的增加，不同部位孔隙水压力在各波高条件下均呈缓慢下降的变化趋势(图 3)总体来说，在各波高条件下，孔隙水压力随盖度呈现0>30%>60%的变化顺序。最大孔隙水压力(0.44 kPa)和最小孔隙水压力(0.02 kPa)分别出现在裸坡、波高为8 cm和盖度60%、波高为4 cm试验条件下。方差分析表明：各部位的孔隙水压力在不同盖度间存在显著性差异，而在不同波高间则无显著性差异。裸坡条件下，孔隙水压力随波高增加逐渐增大，增幅为13.12%~50.44%，并且幅度也逐渐增大，但其随竖向深度的加深逐渐减小，幅度也逐渐减小。狗牙根覆盖时，孔隙水压力的变化趋势与裸坡一致，但数值上相比裸坡条件时减小15.47%~75.64%，不同盖度下的孔隙水压力比裸坡降低11.30%~62.18%，且距坡面最近处的1#孔隙水压力幅值衰减较快，说明植物覆盖能够消散一定波浪造成的孔隙水压力。

图 3(Fig. 3)

大写字母表示同一盖度下同一位置不同波高的显著性差异(P < 0.05)。小写字母表示同一波高下同一位置不同盖度的显著性差异(P < 0.05)。下同。 The uppercase letters indicate the significant difference of different wave heights at the same location under the same coverage (P < 0.05). The lowercase letters indicate the significant difference of different coverage at the same position at the same wave height (P < 0.05). The same below. 图 3 不同狗牙根盖度下孔隙水压力传感器压力值 Fig. 3 Pressure values of pore water pressure sensors under different Cynodon dactylon coverages

波浪侵蚀量受波高和植物盖度影响，总体而言，不同波高下的侵蚀量随盖度增加呈减小趋势(图 4)。最大侵蚀量(1.36 kg)出现在裸坡、波高为8 cm试验条件下，而最小侵蚀量(0.15 kg)则出现在盖度60%、波高为4 cm试验条件下。方差分析表明，侵蚀量在不同盖度条件存在显著性差异，除盖度30%和波高为8 cm及4 cm外，侵蚀量在不同波高下无显著性差异，说明植被覆盖是影响侵蚀的主要因子。裸坡条件下，侵蚀量随着波高的增加而增加，增幅为0.88%~8.08%，且增加幅度随着波高的增加而增大。而有狗牙根覆盖时，侵蚀量随波高增加呈先增加后减少的变化趋势。相同波高条件下，侵蚀量随着狗牙根盖度的增加而持续减小。对比裸坡，波高为4、6、8 cm时，盖度30%和60%下侵蚀量分别减少42.71%、29.31%、39.87%和78.76%、80.56%、80.83%，说明盖度增加能够进一步消落带土壤的波浪侵蚀。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同波高时不同狗牙根盖度下的侵蚀量 Fig. 4 Erosion amounts under different coverages of Cynodon dactylon at different wave heights

对侵蚀量与盖度和波浪参数进行相关性分析(表 1)发现，侵蚀量与盖度相关系数最大，其次为1号孔隙水压力、4号波压力、3号孔隙水压力、5号波压力、6号波压力、2号孔隙水压力和波高。其中，侵蚀量与盖度呈显著负相关关系(P < 0.01)，而与4号波压力、5号波压力、1号孔隙水压力和3号孔隙水压力呈显著正相关关系(P < 0.05)，但与2号孔隙水压力、波高和6号波压力则未呈现显著性关系(P>0.05)。

表 1(Tab. 1)

表 1 侵蚀量与盖度及波浪参数相关性分析 Tab. 1 Correlations analysis between erosion amount and coverage and wave parameters 项目Item 盖度 Coverage 波高 Wave height 波压力Wave pressure 孔隙水压力Pore water pressure ④ ⑤ ⑥ ① ② ③ 相关系数Correlation coefficient -0.990** 0.069 0.750* 0.723* 0.649 0.811** 0.590 0.738* 注：*为显著性相关(P < 0.05)，**为极显著相关(P < 0.01)。Notes: * is significant correlation(P < 0.05), and ** is extremely significant correlation(P < 0.01).

表 1 侵蚀量与盖度及波浪参数相关性分析 Tab. 1 Correlations analysis between erosion amount and coverage and wave parameters

波压力随波高增加而增加，随盖度的增加而减小。根据能量守恒定律，波高越高，重力势能越大，波压力越大。植物覆盖时，地上部分叶、茎对波浪产生一定的阻挡效果，减小波浪能量，从而降低波浪作用于坡面的波压力。孔隙水压力随着波高的增加而增加，随传感器随埋设深度的增加而减小，这与李安龙等^[17]认为孔隙水压力随着深度的增加而减小的结论是一致。植物根系主要通过自身蒸腾和基质吸水作用从表层土体中不断进行水分的吸收和孔隙水压力的消散，狗牙根根系形态为倒三角形，可以深入土体吸收较深土层的渗水。随着土体深度的增加，水分的入渗量和孔隙水压力逐步减小，从而提高土体的非饱和度、基质吸力、黏聚力和抗剪强度，对降低波浪作用对消落带的侵蚀起到一定的积极作用。

植物覆盖时产生的侵蚀量比裸坡侵蚀量降低29.31%~80.56%。究其原因，植物覆盖在坡面上可以通过地上部分和地下部分协同作用对波浪冲击形成一定的减蚀作用^[12]。一方面狗牙根地上部分可以在循环荷载作用下自由变形，植物自身摩擦力和摩擦阻力可在波浪冲击植物时消减大量的波能^[18]，同时地上部分的茎、叶能使坡表面变的粗糙，导致水流流速和波浪爬升高度同时降低，从而减少土壤侵蚀的水流分离和能量输送^[19]；另一方面由于地下部分根系的相互渗透、挤压、缠绕和穿插等作用与土体形成根-土复合体^[20]，增加土体迁移阻力并削弱波浪冲击力^[18]，从而减轻侵蚀。裸坡时，波高增加导致能量逐渐增大从而加剧侵蚀，而植被覆盖时，侵蚀量随波高的增加呈先增加后减少的变化趋势。狗牙根作为柔性植物，地上部分长8~30 cm。在试验过程中观察到，当波高达到8 cm时植物被冲倒后贴于坡面的现象。此时这部分植物茎叶可以削弱波浪对坡面的直接作用力，减小波浪在坡面上爬和回落时的能量，从而减少侵蚀量。

植物根系渗入土体会增加土体的内聚力，波浪作用在植被覆盖的坡面时，波压力可由植物茎叶进行消减，部分孔隙水压力可由根系进行消散^[21]。土体抗剪强度大部分由土颗粒产生的黏结力形成，当植物盖度较低时，地下根系分布含量也较低，波浪产生的高围压会加速土-根界面之间土颗粒中较大孔隙的填充，降低土体的变形阻力^[22]。而当植被盖度高时，地下根系含量也较高，可有效促进水分的运移和土-根界面的相容性，限制土体侧向和压缩变形，同时延缓孔隙水压力的变化、超孔隙水压力的消散和土壤有效应力的增加，形成屏障以增强土壤渗透性和抗冲性，达到固持土体的作用^[23]。消落带破坏过程是随着波压力与孔隙水压力反复升降，土颗粒随波浪冲蚀到消落带底部不断累积，当表层土体基质吸力消失后，库岸陷落压密引起超孔隙水压力突然升高，土体在重力和波浪冲击作用下产生滑动变形，库岸边坡抗剪强度瞬间降低导致失稳发生^[24]，从而破坏消落带。而植被覆盖则可以通过减小波浪作用在消落带坡面上的波压力和孔隙水压力，增强消落带的稳定性。

1) 不同波高条件下的不同部位的波压力和孔隙水压力随着狗牙根盖度的增加均呈现稳定降低的变化趋势。狗牙根覆盖可以有效降低波浪作用于消落带坡面的波压力和孔隙水压力，与裸坡相比，波压力和孔隙水压力减幅分别为2.98%~220.17%和15.47%~75.64%。

2) 波浪侵蚀量受到盖度和波高影响，随着盖度增加而减小，而与波高关系较为复杂。裸坡时侵蚀量随着波高增加而增加，但在有植被覆盖时，侵蚀量随着波高增加呈现先增加后减小的变化规律。

总体来看，狗牙根作为一种优良的草本植物，具有较好的抵抗消落带波浪侵蚀特性。本研究可为三峡库区消落带的边坡防护和植被恢复提供参考。