湘西岷抗沖地區三種植被覆蓋水土保持效益研究

袁志忠，陳國玉，尹黎明，姚 亮，張旭平，饒碧娟

(1.吉首大學生物資源與環境科學學院，湖南 吉首 416000;2.湖南省水土保持監測總站，湖南 長沙 410007;3.湖南省水利廳，湖南 長沙 410007;4.湘西州水土保持生態環境監測分站，湖南 吉首 416000)

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，目前全國生態環境惡化的趨勢尚未得到根本遏制，水土流失已成為我國的頭號環境問題［1］。我國南方地區年降水量大、開發建設項目多，山丘區有1/3以上的土地存在著不同程度的水土流失，水土流失造成水土資源和水資源生態庫的嚴重破壞，導致水旱災害和其他自然災害頻繁發生［2－3］。科學試驗和生產實踐證明，植物措施具有良好的蓄水保土效果和投資低、見效久等優點，因此植被建設是水土保持生態建設的重點。

湘西土家族苗族自治州是一個以山地為主的“老、少、邊、山、窮”地區，是長江中游地區沅水流域水土流失最嚴重的地區之一，也是湖南省水土流失相對嚴重的地區之一。境內多中、低山，主要的土壤類型為山地紅壤和紫砂土，土層母質有石灰巖、紫砂巖和板石巖等［4］，因其多數所處的部位較高、坡度大，故水土流失嚴重。近年來，由于人口劇增、需求增長和自然因素的綜合影響，湘西州水土流失面積呈增加趨勢，最新的水土流失調查結果顯示，湘西州水土流失面積為4358.82km2，其中輕度流失面積1382.79km2、中度2138.17km2、強烈以上837.86km2，分別占土地總面積的 8.9% 、13.8% 、5.4%［5］。

香根草是一種高大的簇生成叢的禾本科多年生草本植物，具有龐大而發達的根系，抗逆性強，耐旱、耐熱、耐寒、耐貧瘠、耐澇、耐酸、耐堿，在溫度為－15.9～55℃、年降水量為300mm的干旱地區和年降水量6000mm的潮濕地區均可生長［6－7］，且伴隨植株生長其根系向地下縱深發展，是一種優良的水土保持植物。為探索湘西州植物措施蓄水保土的效果，我們在湘西州吉首市開展了植物措施的水土保持效益研究。

試驗地選擇在湘西州吉首市岷抗沖徑流小區，試驗小區共設置4種處理，即香根草種植地、蔬菜種植地、自然恢復地和裸露地，通過觀測4種小區的土壤容重、土壤含水率、土壤養分含量以及坡面徑流量、泥沙流失量等，探討3種不同植被覆蓋徑流小區的水土保持效益。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區岷抗沖徑流小區位于吉首市八月湖旅游景區附近，靠近103鄉道，與吉首市城區的直線距離約為7km，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期長，光熱水基本同步，立體氣候特征明顯，年降水量1300～1500mm，降水集中在春夏兩季，多年平均水面蒸發量738 mm［8］，土壤類型為黃紅壤，屬易蝕性土壤。

1.2 試驗設計

試驗地徑流小區由湘西州水土保持生態環境監測分站和吉首大學生物資源與環境科學學院聯合建立。小區布設中，沿等高線在坡度為19°的坡地上共設置D1(裸露地)、D2(種植蔬菜地)、D3(自然恢復地)、D4(種植香根草地)4種處理，共4個徑流小區，每個小區的水平面積均為20m×5m。在各小區之間修建水泥磚隔墻，隔墻高出地面15 cm，隔墻高度與四周圍墻一致，隔墻的頂面成V形槽，徑流小區之間隔墻共用。徑流小區下方設置集流池，集流池尺寸為1.2 m×1m×1m(長×寬×深)，池頂無蓋，用于觀測每次降雨產生的徑流量和泥沙流失量。于2011年10月15日在徑流小區人工種植香根草幼苗，幼苗平均高度在30cm左右，行距15 cm，株距8～10cm，種植一個星期后香根草完全處于自然生長狀態，試驗區光照充足，通風條件良好;2011年12月4日人工種植蔬菜，行距15 cm，種植前翻地20cm深并整平，蔬菜播種后經常拔草，蔬菜生長完全處于自然狀態;裸露地使其地表覆蓋度保持在5%以下。

1.3 測定方法和數據處理

(1)植被覆蓋度。采用目測法每周測定一次。

(2)降雨量。用SJ1虹吸式自記雨量計測定降雨量(mm)。

(3)地表徑流量和土壤侵蝕量。于每次降雨結束后測定集流池內的徑流深度，根據水深計算出地表徑流量;將集流池中的渾水充分攪拌后取水樣150mL，重復取樣3次，將3個水樣混合后靜置至澄清，然后把清水緩慢倒出，剩余的泥沙樣烘干至恒重后稱重，之后計算土壤侵蝕量［9］。將在徑流小區所取的土壤樣品過0.28 mm篩后，測定土壤TOC(總有機碳)、TN(全氮)、TP(全磷)含量，其中 TOC采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化－容量法，TN采用濃硫酸消煮－半微量凱氏法，TP采用 HClO4－H2SO4消煮鉬銻抗比色法［10］。

(4)土壤容重。在每個徑流小區中軸線1/3靠上部位選1個取樣點，去除地表覆蓋物后，在0—20cm的剖面用手持土鉆環刀取樣器分層取出100cm3土樣，將所取土樣放入鋁盒帶回實驗室測定其自然容重，然后在105℃的烘箱內烘12 h后稱重并計算其容重。

2 結果與分析

2.1 不同植被覆蓋度下的水土流失變化

2012年4—7月對徑流小區植物生物學特性進行測定的結果顯示，在植物生長起來后，植物的高度、覆蓋度逐漸增加，有效的地表覆蓋可以減少雨滴擊濺，防止坡地水土流失。圖1列出了2012年4—7月3種不同植物覆蓋下4個徑流小區的植被覆蓋度變化情況。從圖1和觀測資料可知，對于不同的植物覆蓋來說，植被的覆蓋度都在顯著增加，其中:蔬菜地小區在7月份的植被覆蓋度最小，僅為79.3%;自然恢復地小區次之;香根草地小區植被覆蓋度最大。植被覆蓋度是影響水土流失的重要指標之一，隨著植被覆蓋度的增加，水土流失呈減小趨勢［11］。

2.2 不同植被類型對土壤容重和土壤含水率的影響

圖1 不同植被徑流小區覆蓋度的變化

土壤容重是表征土壤物理性狀及其滲透能力的重要指標之一。植被種植8個月后，于2012年7月29日測定徑流小區的土壤容重，結果(表1)顯示，在0—20cm表土層內，香根草地小區、蔬菜地小區、自然恢復地小區的土壤容重均比裸露地小區有所降低，其中香根草地小區的土壤容重為1.14 g/cm3，比對照裸露地小區的土壤容重降低了18%。對各徑流小區土壤含水率測定的結果表明，香根草地小區、自然恢復地小區、蔬菜地小區、裸露地小區的土壤含水率依次呈遞減趨勢。土壤容重和土壤含水率的測定結果都表明香根草在岷抗沖地區的土壤中能夠明顯地改良土壤性質，具有較好的水土保持效果。

表1 不同植被徑流小區土壤容重和土壤含水率

2.3 不同植被類型對土壤養分流失的影響

土壤養分的流失與植被覆蓋度、植物類型有著密切的關系。研究結果表明(表2)，植物種植8個月后，有植被群落覆蓋小區的TP、TN、TOC、有機質的含量要明顯高于對照裸露地小區，表明植被覆蓋區的土壤養分流失量要比裸露地小區少，其中香根草小區(D4)的TP、TN、TOC、有機質的流失量明顯低于 D1、D2、D3。黃滿湘等［12］在對官廳水庫農田地表徑流污染物的流失研究中發現土壤養分P的流失與土壤侵蝕強度有關，植被物覆蓋可以顯著地減少徑流中P的流失，這與本研究結果是一致的。

表2 不同植被徑流小區土壤養分含量

2.4 不同植被類型的水土保持效果對比

從觀測的8次降雨產流情況看，每次產流對照裸露地小區(D1)的平均地表徑流量和土壤侵蝕量都要大于有植被覆蓋的小區。以D4為例，4月15日、4月28日和6月12日3次降雨的降雨量分別為23.5、25.0和23.4 mm，降雨強度分別為2.3、2.6和 2.1mm/h，3次降雨的降雨量和降雨強度差別不大，但每次降雨的地表徑流量和土壤侵蝕量均呈明顯的遞減趨勢(表3)，由此可知植被覆蓋有效地防止了水土流失，隨著植被覆蓋度的提高，平均地表徑流量和土壤侵蝕量呈減小的趨勢。對8次降雨產流總和的分析結果表明，香根草地小區(D4)地表總徑流量7429 m3/km2，遠小于對照裸露地小區的16597 m3/km2，也小于蔬菜地小區(D2)和自然恢復地小區(D3)的地表總徑流量;而土壤侵蝕模數131.27 t/(km2·a)同樣也明顯小于D1、D2、D3〔366.15、268.19、151.43 t/(km2·a)〕，說明與香根草地小區相比，蔬菜地小區、自然恢復地小區的土壤更容易被雨水侵蝕。香根草地小區(D4)的蓄水、保土效率分別為55.24%、64.15%，而蔬菜地小區(D2)只有36.96%、26.75%，自然恢復地小區也只有42.67%、58.64%。由此可見，種植香根草可以改善土壤物理性狀，提高土壤抗蝕性，能有效防治水土流失。

表3 不同徑流小區的平均地表徑流量和土壤侵蝕量變化

3 討論

(1)在湘西岷抗沖徑流小區分別布設香根草地小區、蔬菜地小區、自然恢復地小區和裸露地小區，據2012年4—7月對小區進行的觀測可知，植被覆蓋率逐漸上升，其中香根草地小區的覆蓋率達89.9%，自然恢復地小區和蔬菜地小區的覆蓋率接近，在80%左右。2012年7月，測定了0—20cm不同植被徑流小區的土壤容重、土壤含水率和土壤養分含量，研究結果顯示:香根草地小區、自然恢復地小區和蔬菜地小區的土壤容重都低于對照裸露地小區，而含水率都高于裸露地小區，相比之下香根草地小區的土壤容重明顯低于其他3個小區，含水率明顯高于其他3個小區，其土壤容重比對照裸露地小區降低了18.0%，土壤含水率高出了4百分點;2012年7月，香根草地小區、自然恢復地小區和蔬菜地小區土壤的TP、TN、TOC、有機質的含量都明顯高于對照裸露地小區，其中香根草地小區土壤的TP、TN、TOC、有機質的含量分別為0.24、1.16、19.25、31.61 g/kg，養分含量比其他3種小區都明顯高，比裸露地小區的TP、TN、TOC、有機質含量分別高出了41.18%、24.73%、22.77%、13.09%;蓄水、保土率的計算結果表明，香根草地小區、蔬菜地小區都有一定的蓄水保土效果，但香根草地小區的蓄水率、保土率分別達55.24%、64.15%，比蔬菜地小區(36.96%、26.75%)和自然恢復地小區(42.67%、58.64%)都要高。

(2)上述分析表明，香根草地小區的土壤理化性質得到了明顯改良，種植香根草能夠有效地抑制水土流失，但并非種植任何一種植物都能夠實現這一目標。如在該區域種植蔬菜，其土壤容重比自然恢復地小區要高，土壤含水率比自然恢復地小區要低，對土壤TP、TN、TOC、有機質的保護效果不及自然恢復地小區，其蓄水率、保土率也比自然恢復地小區低。因此，從保持水土效果看，在該區種植具有一定經濟收益的蔬菜并不是最佳的選擇，選擇種植香根草才是最適合的。香根草特點明顯，種植成本也不高，是該區水土保持植物的首選。

4 結語

(1)在湘西岷抗沖徑流小區內種植不同的植物，其保持水土的效果不一定高于植被自我恢復措施，如蔬菜地小區的蓄水率、保土率僅為36.96%、26.75%，比自然恢復地小區的42.67%、58.64%要低。

(2)在該區種植香根草可以明顯地改善土壤理化性質，其蓄水率、保土率分別達55.24%、64.15%，這為今后研究類似情況或同一區域水土流失治理效益分析提供了一定的理論依據。

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