喀斯特地區不同林草植被的減流減沙作用

蔣 榮，張興奇，張科利，楊 勇，楊光檄，顧再柯

（1．南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京210093；2．北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京100875；3．貴州省水土保持監測站，貴州 貴陽550002）

人類在認識和研究水土流失的過程中，很早就發現了林草植被的減流減沙作用。早在19世紀末，德國土壤學家沃倫［1］就利用試驗小區觀測到了植被和地面覆蓋物對防止降雨侵蝕和土壤結構變差的影響。劉世榮等［2］研究表明，視林種類型及其郁閉度、降水量和降水強度不同，冠層可截降水總量的12%～35%。劉向東［3］，趙鴻雁［4］，汪有科［5］研究發現枯枝落葉層具有截留降水、減小地表徑流、減少地表蒸發、保護地表、改良土壤結構等功能。李勇等［6］在黃土高原地區的研究表明，根系可以顯著提高土壤抗沖性，從而減少坡面侵蝕產沙。楊大三［7］在三峽地區對比分析了杉木和馬尾松成林的減流減沙效應，侯喜祿［8］在黃土高原地區對刺槐林地、檸條成林地、沙打旺草地與荒山坡地進行了比較研究，結果表明林草植被具有很強的保水固土作用。盡管目前關于不同林草植被減流減沙作用的研究很多，但在貴州喀斯特地區同類研究還比較少見。

1 研究區概況

貴州省位于世界3大喀斯特集中分布區之一的東亞片區的核心，喀斯特面積占全省土地面積的73%，區內溝谷深切、山高坡陡、地形破碎，坡耕地比重大，＜6°的耕地僅占全省耕地總面積的19．10%，坡度6°～25°的耕地占61．01%，＞25°的坡地占19．89%，長期大規模的破壞性、掠奪性開墾，地表植被遭到嚴重破壞［9］。區內降雨豐沛，且多暴雨，水土流失嚴重，大面積的陡坡耕地成了侵蝕泥沙的主要源地，嚴重的水土流失導致了石漠化問題的出現。目前，全省石漠化面積已達6×104km2，約占全省國土面積1／3［10］，石漠化嚴重的地區，水土資源已經到了難以維系人類生存的地步。雖然多年來該地區已經采取了封山育林、退耕還林（草）、梯土、橫坡耕作等多種防治措施，但水土流失治理速度仍然緩慢，沒有達到預期的治理效果，水土流失嚴重、生態與環境惡化的趨勢尚未得到根本遏制［11］。而該地區水土流失及其防治研究起步相對較晚，多集中在水土流失特征、成因、侵蝕程度等方面的研究，且定性研究較多，對不同林草植被的減流減沙作用研究較少且結論不一。為此，本研究通過徑流小區觀測方法，分析不同林草類型及其不同配置方式下的減流減沙作用，為貴州喀斯特地區水土保持生物措施的合理配置提供技術支撐。

2 研究方法

目前，關于林草植被減流減沙作用研究的方法主要有徑流小區觀測法、人工模擬法、遙感GIS測量法、河流水沙監測代用法等，它們各具優越性。由于貴州喀斯特地區存在地表地下雙層空間結構，因此不宜用河流水沙監測代用法；遙感GIS測量法成本過高，不適宜連續監測；人工模擬法雖省時、易于控制、便于記錄過程，但無法代替徑流小區真實反映、記錄自然條件下水土流失過程的優點。因此，本研究仍采用徑流小區觀測這一傳統方法。

2．1 試驗小區布設

試驗小區布設在黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域陽坡中部，屬長江流域烏江水系，流域面積11．89km2，水土流失面積7．41km2。氣候屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑。多年平均氣溫為14．8℃，降雨量859．3mm，其中4月中旬至10月上旬降雨量占全年降雨量的84%左右。共設18個徑流小區，均為黃壤，坡度在19．5°～25．1°，包括9種林草類型和2個對照小區，對照小區保持休閑裸露狀態，小區設置情況見表1。

表1 小區基本情況

2．2 野外觀測與數據處理

降雨過程由自記雨量計記錄。每次侵蝕性降雨結束后，根據各小區的分流池和集流池內的刻度讀取產流量，用攪拌法進行泥沙樣采集，用烘干法測定產沙量。選擇整理2008—2010年共54場侵蝕性降雨的實測產流、產沙數據，利用Excel2003和SPSS 17．0等統計軟件進行相關處理分析。

減流作用是將其他林草措施小區產流量與對照小區進行比較，計算公式［12］：

式中：fr——減流率（%）；Rb——某一種林草措施小區的產流量〔m3／（km2·a）〕；Ra——對照小區的產流量〔m3／（km2·a）〕。f為正值，表明該小區較對照產流量減少。fr為負值，則意味著該小區產流量比對照多。

與減流作用類似，減沙作用公式為：

式中：fs——減沙率（%）；Sb——某一種林草措施小區的產沙量〔t／（km2·a）〕；Sa——對照小區的產沙量〔t／（km2·a）〕。

3 結果與分析

3．1 不同林草植被的減流減沙作用

3．1．1 不同林草植被的減流作用 由于林草枝葉的蔓延、枯枝落葉的累積以及植物根系的固定等都要經歷一定的生長過程，植被的減流作用也是一個循序漸進的過程（圖1）。2008年，除梨樹具有13．1%的減流率外，其余各植被小區的產流量均高于對照小區，減流率介于－116．8%（墨西哥柏）～－2．73%（樹莓）；2009年，梨樹的減流率增長為14．9%，楊梅、桃樹也逐漸發揮了減流作用，減流率分別為4．2%和16．0%，但楊樹的產流量卻較2008年增長了31．7%，其余各植被的減流率在－74．4%（墨西哥柏）～－1．7%（樹莓）；2010年，除楊樹仍不具減流作用外，其減流率為－8．0%，其余各植被的減流率在7．0%（白三葉）～64．3%（楊梅），梨樹的減流率為62．2%。

圖1 不同林草植被的減流作用

貴州省喀斯特地區水熱條件較好，植被生長迅速，僅3a時間研究區大部分林草植被類型均達到了一定的郁閉度，減流作用相對穩定。2010年各林草植被中經濟林的減流作用最明顯，4種經濟林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的減流率介于52．5%～64．3%；其次分別為楊樹與墨西哥柏混交林（45．7%）、黑麥草（40．6%）和墨西哥柏（32．6%）；作用最差的是白三葉和楊樹，減流率分別為7．0%和－8．0%。經濟林生長速度快，樹冠冠幅較大，有利于對降雨截留。墨西哥柏葉呈鱗片狀，葉片上的雨滴不易形成滴流，且樹枝較粗糙利于截留雨水，楊樹葉面寬闊，樹干光滑，易于形成滴流，林冠截留能力差，而楊樹與墨西哥柏混交林屬于針闊混交林，針闊混交林自由透流系數小［13］，林下枯枝落葉持水量大于針葉林和闊葉林［14］，因此3種水保林的減流作用表現為：楊樹與墨西哥柏混交林＞墨西哥柏＞楊樹。人工草地沒有林冠層，不存在樹冠截留降雨的作用，因此其減流作用相對較弱，但它們的地被層厚而密集，地表粗糙度大，可減緩徑流速度，增加滲透時間，從而減少產流量［15］。

3．1．2 不同林草植被的減沙作用 與減流作用類似，林草植被的減沙作用也經歷了完全不具減沙作用—部分具有減沙作用—減沙作用明顯的變化過程（圖2）。與裸露對照相比，2008年各林草植被的減沙率在－6．1%（梨樹）～－570．8%（楊樹）；2009年，除楊樹和墨西哥柏仍不具減沙作用外，其余各植被的減沙率介于34．0%（白三葉）～62．7%（桃樹）；2010年，各林草植被都起到了顯著的減沙作用，減沙率介于64．9%（白三葉）～99．6%（楊梅）。一方面林草種植不久，植株還未充分生長，上層枝葉覆蓋度低，下層根系稀少，達不到滯水固土的效果；另一方面種植破壞了小區土體本來的平衡狀態，水穩性團粒結構被破壞，土壤可蝕性增強。隨著植株的生長，小區土體平衡狀態的恢復，再加上地表枯枝落葉的積累，因而各林草植被逐漸表現出了減沙作用。

圖2 不同林草植被的減沙作用

2010年各林草植被中減沙作用最明顯的同樣是經濟林，4種經濟林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的平均減沙率達99．3%；其次分別為黑麥草（99．1%）、楊樹與墨西哥柏混交林（99．0%）、墨西哥柏（98．8%）、楊樹（93．7%）；白三葉的減沙作用相對較弱，減沙率為64．9%。經濟林樹冠冠幅大，不僅有利于降雨截留還可以緩沖雨滴動能，減小降雨對地表的擊濺侵蝕［16］，再加上林隙間雜草和枯枝落葉對地表的保護，因此其產沙量極少。黑麥草須根發達，分蘗多，0—40cm土層的根重顯著大于白三葉［17］，根系對土壤有良好的穿插、纏繞、網絡固結作用，固土、抗蝕效果較好［18］，因此雖沒有林冠層，黑麥草仍可以起到很強的減沙作用。徑流是攜帶泥沙的載體，3種水保林減沙作用的強弱與減流作用一致。

3．2 相同林種不同配置方式的產流量、產沙量比較

植被對地表產流產沙的影響是由冠層、地被層（枯枝落葉、雜草等）以及根層的綜合效能決定的［2－6］，不同配置方式（種植密度、混交方式等）勢必會引起這3方面的差異，從而導致產流產沙量不同。相鄰2個小區的產流產沙量比較結果見表2。

表2 相鄰2個小區的產流產沙量比較

對相同林種不同株間距的相鄰2個小區產流產沙量進行比較發現，楊樹的種植密度不宜過大，一方面密度過大各植株之間爭奪有限的光照和熱量，不利于楊樹的生長，林冠枝葉覆蓋度低，根系得不到充分的延伸；另一方面密度過大不利于地表雜草的生長，地表覆蓋度低。墨西哥柏種植密度大的小區減流減沙作用較好，因為墨西哥柏的枝葉向四周延伸的幅度相對楊樹較小，因此只有保證一定的種植密度，才能保證其冠層的覆蓋度以及林下的枯枝落葉量。2008年經濟林楊梅和桃樹種植密度小的小區產流產沙量較種植密度大的小區明顯偏高，但2009，2010年種植密度小的小區產流產沙量逐漸減少，且低于種植密度大的小區，說明楊梅和桃樹種植密度小的小區雖然初始階段的減流減沙作用較弱，但隨著植株的生長其減流減沙作用逐漸增強。這是因為初始階段種植密度低，則冠層枝葉稀疏、枯枝落葉層薄、土壤層根系少，因而減流減沙作用弱。但經濟林楊梅和桃樹生長速度快，樹冠冠幅大，經過一段時間的生長，種植密度小的小區植株發育狀況逐漸超過種植密度大的小區，因此從長遠的角度考慮，楊梅和桃樹的種植密度不宜過大。

5，6號小區的產流產沙量差異表明了混交方式對植被減流減沙作用的影響。這2個小區均為楊樹與墨西哥柏混交林，株間距均為1．5m×2m，其中5號小區配置為中間1排楊樹，兩邊各1排墨西哥柏，6號為中間1排墨西哥柏，兩邊各1排楊樹，5號小區各年的產流產沙量均明顯高于6號，年均產流產沙量分別比6號小區高80．7%，63．7%。這是由于1．5m×2m的株間距較適合墨西哥柏的生長，而不利于楊樹枝葉的延伸，5號小區的混交方式抑制了楊樹的生長，降低了其減流減沙作用的發揮，同時墨西哥柏的部分枝葉已經伸展到小區的外圍，對小區內部的水土保持貢獻率大大降低，6號小區的情況則剛好相反。

4 結 論

（1）植被的減流作用是一個循序漸進的過程。貴州喀斯特地區水熱條件較好，植被生長迅速，到觀測試驗的第3a（2010年）大部分林草植被類型的減流作用已相對穩定，各林草植被中經濟林的減流作用最明顯，4種經濟林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的減流率介于52．5%～64．3%；其次分別為楊樹與墨西哥柏混交林（45．7%），黑麥草（40．6%）和墨西哥柏（32．6%）；作用最差的是白三葉和楊樹，減流率分別為7．0%，－8．0%。

（2）在3a觀測試驗期間（2008—2010年），植被的減沙作用經歷了完全不具減沙效果—部分具有減沙效果—減沙效果明顯的變化過程。至2010年，各林草植被中減沙作用最明顯的同樣是經濟林，4種經濟林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的平均減沙率達99．3%；其次分別為黑麥草（99．1%）、楊樹與墨西哥柏 混 交 林 （99．0%），墨 西 哥 柏 （98．8%），楊 樹（93．7%）；白三葉的減沙作用相對較弱，減沙率為64．9%。

（3）林草植被配置方式（種植密度、混交方式）對植被的減流減沙作用有很大影響。楊樹的種植密度不宜過大，墨西哥柏種植密度大的減流減沙作用較好，從長遠角度考慮，經濟林楊梅和桃樹的種植密度不宜過大。因此進行水土保持林草措施配置時，不僅要考慮其類型，還應進一步考慮其配置方式，這樣才能獲得最佳的水土保持效益。受觀測年限和數據資料等因素的限制，本文初步分析了貴州喀斯特地區不同林草植被的減流減沙作用，今后需要進行長期觀測與深入研究，進一步揭示貴州喀斯特地區林草措施配置與水土保持效果的關系。

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