植被對水土流失防御作用的實驗驗證*

汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導教師：盧曉旭 時 倩

（南京市第四中學, 江蘇 南京 210029）

植被對水土流失防御作用的實驗驗證*

汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導教師：盧曉旭 時 倩

（南京市第四中學, 江蘇 南京 210029）

植被對水土流失具有防御作用。為了驗證植被對水土流失防御作用的存在和其防御作用的大小，人工堆積了面積750cm2的有植被覆蓋和無植被覆蓋的兩堆土體，采用人工模擬降水的方法進行實驗，持續(xù)10分鐘左右降水，降水量為25．9mm。稱量相應環(huán)節(jié)水土重量，對水土流失量和水土流失率、涵蓄水源率進行計量。發(fā)現(xiàn)無植被覆蓋的土體水土流失率為4%，植被全覆蓋的土體未有明顯的水土流失現(xiàn)象；依據(jù)兩種計算方法得出的土壤涵蓄水源率，前者為36．8%和23．6%，后者為51．3%和32．0%。實驗從定量的角度驗證了植被對水土流失防御作用的存在，同時提供了有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力有明顯提高的數(shù)據(jù)。

植被；水土流失；實驗

水土流失是世界性的環(huán)境問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展構成威脅，控制水土流失成為迫切需要。植被對降水和徑流侵蝕能力具有很大的減弱或消除作用, 從而減輕土壤侵蝕程度，因此，增加植被覆蓋是控制水土流失的重要舉措。植被對水土流失的防御作用是通過改變植株底部的土壤性質、改善其結構、降低土壤可蝕性、增加入滲能力而表現(xiàn)出來的，它的作用程度與植物物種及其搭配有關，而且又會隨著尺度（斑塊、坡面、流域）的不同而不同，并呈現(xiàn)出控制作用變化的復雜性。[1]許多研究者從不同角度開展了植被對水土流失防御作用的定量研究，如Gyssels[2]在比利時黃土帶的研究表明，增加播種密度可以減少42-53%的土壤流失量，劉元保[3]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋小區(qū)相比裸露小區(qū)侵蝕量減少84-99%。因影響因素較多、機制復雜，很難得出一個公認的水土流失率計量模型，但植被對水土流失具有防御作用這一規(guī)律的存在則是肯定的。在中學地理教育領域內(nèi)，驗證這一規(guī)律的教學實驗也非常豐富，這些成果提供了許多創(chuàng)新的設計，除植被外還涉及或組合了多個影響水土流失的因素。文獻還顯示，這些實驗在實踐中起到了很好的驗證規(guī)律、培養(yǎng)參與者科學思維和科學精神的作用。但成果中除了劉立新[4]、梁紅梅[5]的研究（要求同學觀察分別從有植被覆蓋和無植被覆蓋的土壤中流出的水的清渾程度）具有定量傾向外，其他基本未發(fā)現(xiàn)有定量呈現(xiàn)實驗結果或定量觀測傾向的研究，成果多為實驗設計[6-16]，部分含有定性觀測的要求[17-21]。定性的實驗雖然在一定程度上也能驗證規(guī)律，但缺少精致性，如果能以定量的數(shù)據(jù)說明問題，其實證過程對于規(guī)律的認識更有價值，更能讓我們形成嚴謹?shù)难芯繎B(tài)度和科學的求證精神。本研究提供了定量的研究過程和結果。

一、實驗設計與過程

1.實驗思路

影響水土流失的因素（變量）很多，主要包括土壤的疏松程度、地形的坡度、降水量和降水強度、植被的覆蓋狀況等，一些研究將多種因素組合在一起進行實驗，[22-23]不同因素的干擾，不光使實驗呈現(xiàn)出更高的復雜性，可能還使單因素影響的規(guī)律呈現(xiàn)不夠清晰。本研究把植被作為唯一變量，取值分別為有（全覆蓋）和無（祼地）；把其他變量作為控制變量，在兩個對比實驗中取值不變。研究思路如圖1，具體變量及取值如表1。

圖1 研究思路圖

表1 水土流失影響因素控制情況及其取值

2.實驗材料

（1）土壤3千克（分成兩堆，每堆面積約30cm×25cm=750cm2）

（2）飲料瓶1只（瓶蓋上鉆有小孔、底部鉆有透氣孔，保證水約10分鐘左右流完）

（3）含瓶重2千克的瓶裝水2瓶（用材料(2)重復灌水使用）

（4）簸箕2只（外形和材質相同）

（5）大木板1塊（第一次實驗時用到）

（6）秒表1只

（7）電子秤1臺

（8）塑料桶2只

（9）鐵架（含鐵環(huán)1副）

（10）草皮（根部幾乎無土壤）若干

（11）小鐵鍬1只

（12）墊磚若干（保持簸箕或木板傾角用）

（13）塑料袋若干（稱量土壤和實驗后的泥水重量用）

（14）量角器1只

（15）膠帶1卷（粘透氣孔用）

（16）電吹風1個

（17）吸氣球1只

（18）相機1架

3.實驗步驟

(1))準備階段

①稱量土壤并平分成兩堆，分別將其平鋪在兩個相同的簸箕中，稍稍壓實。（第一次實驗時放在一塊較大的木板上，此實驗失敗）

②用飲料瓶盛滿水，稱量水的重量。

(2)無植被保護的土壤侵蝕實驗

③將簸箕底部與水平面保持一定的傾角。（因簸箕底部平滑，摩擦系數(shù)較小，故將角度設定為10°，實驗中開始的兩分鐘為0°，后調整為10°。第一次失敗的實驗放土壤的木板傾角為25°）

④將飲料瓶倒置，揭開底部小孔封口，讓水滴滴入土壤中，實驗過程中移動飲料瓶的底部，讓水滴均勻地滴淌在土壤面上。

⑤用塑料桶汲取從土壤中滲淌出來的泥和水。

⑥飲料瓶中水流結束三分鐘后稱量桶中泥水重，再稱量剩余土水重。

⑦桶中水經(jīng)沉淀后，傾倒并配合用吸氣球將泥水分離。用電吹風將余泥吹干至實驗前的干濕程度，稱量“干土”的重量。

圖2 實驗中接受侵蝕的土壤堆體

(3)有植被保護的土壤侵蝕實驗

⑧重復上述步驟③，并將植被覆蓋在土壤上。

⑨重復上述步驟④-⑦。

(4))總結階段

⑩數(shù)據(jù)處理、計算和分析。

4.實驗過程

課題組先后進行了兩次實驗。

第一次實驗時間為2006年6月3日中午。為保持一定的侵蝕量，實驗將坡度設定為25°，降水強度為2分40秒“降”1200毫升“雨”。由于設計不足，最終的實驗數(shù)據(jù)不夠全面，不能滿足分析的需要，實驗基本失敗。但我們看到無植被覆蓋的土壤水土流失非常嚴重，泥水匯流成泥流，沖下來的濕土有0.33千克（涵蓄一定水分的土壤重量），估計被水沖走的土壤量占土壤總量（約0.8千克）的三到四成，而且還是我們在情急之中降低坡度和用鐵鍬阻攔的情況下測得的，否則土壤會整體滑坡。原因在于坡度和降水強度都過大。而有植被覆蓋的實驗則是清水入桶，幾乎無水土流失現(xiàn)象。對比雖然能反映相應的規(guī)律，但條件設置不太符合自然狀態(tài)的一般情況，如降雨強度過大造成極端現(xiàn)象——滑坡，而且實驗中間有明顯人工干預，數(shù)據(jù)誤差也很大，于是我們重新進行了設計。

第二次實驗時間為6月5日中午。為了保證實驗符合一般情況，且對比實驗之間存在一定的差異度，數(shù)據(jù)量級適中且誤差可以容忍，我們將降水強度變小，為10分鐘“降”約2000毫升的“雨”（按接受降水的土堆面積計算降水量，大約為25.9毫米，按降水強度等級劃分標準，[24]屬于大雨等級或大雨到暴雨等級）；將坡度調低，變?yōu)?0°。并事先制定了詳細的定量實驗計劃和記錄表，按步驟操作，最終取得了理想的測量效果。

二、實驗數(shù)據(jù)及計算處理

表2 第2次實驗測量及計算數(shù)據(jù)表

圖3 入桶水土對比

圖4 實驗場景

三、分析與討論

1.有植被保護的地表幾乎無水土流失，無植被保護的地表水土流失程度較重

無論從直觀上看，還是從實驗數(shù)據(jù)看，植被對土壤的保護作用都十分明顯。第一次實驗，高強度降水情況下，坡度約25°的裸地土壤侵蝕率約30～40%，并有滑坡和泥流（相當于一些地區(qū)自然狀況下的泥石流）現(xiàn)象，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率幾乎為零；第二次實驗，大雨、大雨到暴雨強度，坡度約10°的裸地的土壤侵蝕率為4%，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率也幾乎為零。這些數(shù)據(jù)來自于這一特定的驗證實驗，雖然植被對不同地區(qū)不同其他因素控制下的土壤的保護作用會有差異，但植被對水土流失的防御作用的存在是客觀的。

2.有植被保護的土壤涵蓄水源能力強，無植被保護的土壤涵蓄水源能力弱

第二次實驗中，如果不考慮泥水總損耗率或誤差（實際并不大），有、無植被覆蓋的情況下，土壤涵蓄水源（干土吸水）率分別為51.3%和36.8%，按實際土壤含水率來計算涵蓄水源（干土吸水）率分別為32.0%和23.6%。土壤涵蓄水源能力存在明顯差異。此實驗以降水結束3分鐘后測量數(shù)據(jù)為基礎，反映了短時間內(nèi)的土壤涵蓄水源的能力，不過，隨著雨停后時間的加長，兩者的涵蓄水源率各自會有怎樣的時間變化，多長時間后涵蓄水平相等，還有待進一步研究。

3.其他因素對水土流失的影響在實驗中也間接呈現(xiàn)

降水強度大小與水土流失量有很大關系。第一次實驗降水強度大，降水總量僅為第2次實驗的60%（實驗中也將坡度由最初的25°調低到與10°，與第二次實驗相同），但水土流失情況仍比第二次實驗明顯。

坡度大小與水土流失量的大小有很大關系。第一次實驗開始坡度為25°時，水土流失量明顯很大。

坡度和降水強度過大會引起滑坡和泥石流。第一次實驗讓我們感受到了泥流發(fā)生的緊急情景，緊急降坡和鐵鍬阻攔才防止了“滑坡”和“泥石流”的發(fā)生。

四、結論與建議

1.結論

植被對水土流失具有防御作用得到了實驗的驗證，實驗同時發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力更強。

2.建議

(1)學校和相關政府部門要加強植被的水土保護作用的宣傳，倡導并積極開展保護植被和植樹造林工作，尤其是加強生活區(qū)附近的荒山、裸地的綠化工作。

(2)我們應對生活地區(qū)的水土和植被狀況有所了解，降水較多、坡度較大、地表疏松、植被覆蓋率低的地區(qū)還應加強泥石流、滑坡等自然災害的防御工作。

(3)水土流失驗證性實驗還可以從坡度、土壤疏松程度、降水強度、降水量等影響因素方面開展。

(4)中學生在地理實驗過程中，可以從定量的視角驗證規(guī)律，在設計和動手過程中鍛煉自己，并體驗科學理性的學術價值。

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（責任編校：周維國）

*本文指導教師盧曉旭同時為通訊作者。本文由通訊作者在南京市第四中學校本課程教材《學會解決問題》（2006年）中發(fā)表的論文初期版本的基礎上進一步修改而成。本成果的錄像曾作為2007年教育部基礎教育課程教材發(fā)展中心“高中地理新課程遠程研修課程的開發(fā)”項目（主持人：林培英）的課程學習資源。