植被覆蓋對土壤水蝕的影響評價

夏 青，尚潤陽

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

水力侵蝕是目前世界上分布最廣、危害最為普遍的一種土壤侵蝕類型。水力侵蝕是指在降雨雨滴擊濺、地表徑流沖刷和下滲水分作用下，土壤、土壤母質(zhì)及其他地面組成物質(zhì)被破壞、剝蝕、搬運和沉積的全部過程[1]。植被覆蓋和管理是土壤水蝕的主要抑制因素之一。德國土壤學(xué)家沃倫（Wollny）在1877—1895年完成第一個侵蝕科學(xué)實驗研究，用實驗小區(qū)觀測到了植被和地面覆蓋物對防止降雨侵蝕和土壤結(jié)構(gòu)惡化的影響[2]。1936年，植被覆蓋被列為土壤侵蝕的一個影響因素[3]。在通用土壤流失方程中，把覆蓋與田間管理因子作為控制土壤流失強(qiáng)度的一個重要影響因子。

1 植被對土壤水蝕的影響

降雨是水力侵蝕的動力來源，降雨對土壤的擊濺以及隨后形成的徑流對土壤的搬運沖刷構(gòu)成了土壤的水力侵蝕。植被對水循環(huán)中的降雨、下滲和徑流3個環(huán)節(jié)都有調(diào)節(jié)和控制作用[1]，改變了降雨對土壤的作用這一水文過程。植被對水蝕的影響主要表現(xiàn)在以下幾個環(huán)節(jié)：植被截留降雨；植被葉滴擊濺；植被攔濾徑流、泥沙；植被根系增強(qiáng)土壤抗蝕性；植被枯枝落葉層對土壤的保護(hù)作用[4]。

植被對水蝕的影響主要表現(xiàn)在：植被的垂直截留作用（包括林冠層截留、灌木草本層截留、枯枝落葉層截留）削弱降雨動能，減少或消除了雨滴對土壤的打擊力[5]，從而減弱或防止了濺蝕；植被增加土壤的蓄水量和地表粗糙度，對徑流流量和流速都有明顯的降低作用，從而減少徑流侵蝕力和對泥沙的搬運能力[6]，即減少面蝕和溝蝕。

1.1 植被對濺蝕的影響

植被的垂直截留作用削弱降雨動能，緩沖雨滴的落地速度，減少或消除了雨滴對土壤的打擊力[7]，從而大大減少了雨滴對土壤的濺蝕作用。雨滴下落后受到植被枝葉攔截，在降雨量較小時可攔截全部降雨，當(dāng)降雨量較大時可攔截部分降雨，這樣落到地表的雨滴量就大大減少了；并且枝葉的阻擋起到緩沖雨滴動能的作用，故雨滴落到地面上的速度很小，因而導(dǎo)致其擊濺力減小，又由于植被的枯枝落葉覆蓋在地面上，故落下的水滴及沒有被攔截的雨滴遭受第二次攔截，經(jīng)過這二次作用，雨滴的動能將大大損失，擊濺力會削減很多[8]。

植被對降雨的截留、對雨滴動能的削弱作用是毋庸置疑的，但植被的葉滴擊濺作用也是不可忽視的。原因在于，在葉片上重新組合過的雨滴，質(zhì)量通常大于天然雨滴，在降落到地表的過程中，它們可能被充分地加速到具有一定的能量，這種能量對滴濺侵蝕的影響是不應(yīng)忽略的[9-11]。植被的高度是影響其葉滴擊濺的最重要因素，低矮農(nóng)作物和灌木由于植株較低，盡管匯集的雨滴一部分形成比原來大的水滴擊落在土壤上，但這段距離較小，故落地速度很小，因而其擊濺力小；而一般高大的喬木，當(dāng)雨滴匯集形成大的水滴，由于有較高的自由落體高度，促使其落地速度較大，再加上大的質(zhì)量，導(dǎo)致能量增加，對地表的擊濺力大。因此，單獨喬木林的覆蓋效果往往是增大擊濺侵蝕，除非地面枯枝落葉層較厚或有灌木或草生長，對二次擊濺的動能可以起很大的削減作用[12]。克漢[13]在1992年的研究中指出，隨著作物高度的增加，土壤流失量也增加，當(dāng)作物高度為1 m時，土壤流失量和無作物覆蓋情況下基本相同，從作物莖稈上掉下的雨滴所增加的額外動能已完全抵消了作物對土壤的保護(hù)作用。

1.2 植被對面蝕的影響

植被對面蝕的主要影響，一方面可以增加降雨的下滲和土壤的蓄水量，從而減少徑流量；另一方面能增加地表的粗糙度，從而降低流速。從徑流對土壤的侵蝕機(jī)理來看，徑流的流量和流速決定徑流侵蝕力的大小，因而植被可以降低徑流侵蝕力。

植被覆蓋效益還表現(xiàn)于植被形成糙率對水流的影響，一般草地的糙率系數(shù)為裸地的十幾倍[14]。糙率增加大大減小徑流速度，實際測量表明，當(dāng)坡度為16°時，裸地的水流速度為草地的4～5倍，故草地的徑流沖刷能力大大減弱，入滲能力有很大的加強(qiáng)[15]。

1.3 植被對溝蝕的影響

植被可以減緩溝蝕發(fā)展的作用，主要表現(xiàn)在：可以對坡面暴雨徑流過程進(jìn)行調(diào)平，減小洪峰流量，從而降低徑流的沖刷能力；可以增加溝道床面的阻力，降低溝道水流流速，減小徑流的拖曳力[16]。在種植有沙棘的溝道中，通過繁衍，在溝床上的沙棘可以逐漸衍生到溝坡上，與類型相同的無植被的溝道相比，在同一時期內(nèi)，前者均無明顯的溝岸擴(kuò)張現(xiàn)象，而后者則有新的溝岸侵蝕坡面；在溝床上種植喬灌林后，可以起到滯流攔沙作用，形成“柔性壩”[17]，抬升床面，使侵蝕基準(zhǔn)面相應(yīng)抬高，從而可以減緩溝頭的溯源前進(jìn)速度。

即使在同一條流域，因植被條件不同，其溝道侵蝕程度也有明顯的差別[16]。如，在伏爾加河流域的中上游，由于雨水充沛，森林茂盛，植被覆蓋度高，其侵蝕強(qiáng)度很弱，溝道侵蝕現(xiàn)象很少；而在流域下游，由于屬于干旱半干旱地區(qū)，植被由上中游的喬木林逐漸變?yōu)楣嗄緟埠筒蓊悾腋采w率相對較低，因此土壤侵蝕比較明顯，溝道侵蝕現(xiàn)象很普遍，外切、沖溝均有發(fā)生[18]。

2 植被覆蓋度與水力侵蝕

植被對地表的有效覆蓋是影響降雨徑流侵蝕過程的重要因素，很多學(xué)者對此都進(jìn)行過深入研究[15]。植被覆蓋度是當(dāng)今研究植被與水土流失關(guān)系中用得最多的一個參數(shù)，它是指單位土地面積上植被垂直覆蓋面積所占的百分比，常用百分?jǐn)?shù)表示，取值范圍是0～100%[4]。

植被覆蓋度對土壤入滲量、地表徑流量和土壤侵蝕量均有影響。張華嵩[8]的研究表明：①土壤入滲量隨植被覆蓋度增長而增加。植被覆蓋度由0到10%每增長1%，土壤入滲量增加2%，隨著植被覆蓋度增長，土壤入滲量增加的比例愈大，當(dāng)植被覆蓋度增長到80%以上時土壤入滲量增加3倍以上。②地表徑流量隨植被覆蓋度增長逐漸減少，植被覆蓋度從0到10%每增長1%，地表徑流系數(shù)平均減少1.04%～1.21%，隨著植被覆蓋度增長，減少地表徑流系數(shù)的百分比愈大，當(dāng)植被覆蓋度增長到90%以上時地表徑流基本可得到控制。③土壤侵蝕量隨植被覆蓋度增長逐漸減少。植被覆蓋度從0到10%每增長1%，土壤侵蝕量平均減少1.19%～1.36%，植被覆蓋度增長愈高，減少土壤侵蝕量的百分比愈大，當(dāng)植被覆蓋度增長到90%以上時土壤侵蝕就基本停止。

2.1 植被覆蓋度對降雨入滲過程的影響

植被覆蓋對降雨入滲過程的主要影響是對降雨雨滴的消能作用，可以有效地防止土壤表層形成結(jié)皮，使之呈疏松狀態(tài)，保持有較高的水流入滲率；同時，發(fā)達(dá)的根系也給水流的入滲創(chuàng)造了良好的條件；坡面的糙率隨植被覆蓋度增加而增加，使坡面水流流速降低，也加大水流入滲的可能性。滿開言等[19]的實驗表明：當(dāng)降雨強(qiáng)度為80、50 mm/h時裸露坡面的水流穩(wěn)滲率分別約為225、350 mm/min，植被覆蓋度為100%時土壤的穩(wěn)滲率分別高達(dá)910、660 mm/min。無論雨強(qiáng)如何，穩(wěn)滲率均隨植被覆蓋度的增加而增大。所以，水流的入滲量隨植被覆蓋度的增加而增加，而地表徑流量則隨之減少。張華嵩[8]根據(jù)京西礦區(qū)各煤礦徑流小區(qū)觀測資料，得到植被覆蓋度與土壤入滲量、地表徑流系數(shù)的關(guān)系。土壤入滲量隨著植被覆蓋度的增長而直線上升；覆蓋度愈大，形成地表徑流的速度愈慢，徑流量愈小。具體情況，見表1。

2.2 植被覆蓋度與侵蝕量的關(guān)系

對于植被覆蓋度與侵蝕量之間的相關(guān)關(guān)系，很多學(xué)者都進(jìn)行過深入研究，得出了兩者之間的關(guān)系式，而更多的統(tǒng)計回歸結(jié)果表明土壤侵蝕量與植被覆蓋度之間為指數(shù)關(guān)系[20，21]。早在1965年，E.L.Noble在分析美國猶他州一些小流域侵蝕與植被度的關(guān)系后認(rèn)為，表土侵蝕量與植被覆蓋度之間呈指數(shù)關(guān)系；1976年，愛爾韋爾加斯托克提出了土壤流失量與作物被覆百分比間的指數(shù)關(guān)系為：

表1 植被覆蓋度與土壤入滲量、徑流系數(shù)的關(guān)系

式中：S為土壤流失量（t）；F為作物覆蓋度；A、B為常數(shù)。

李寅生的研究表明，中國黃土地區(qū)的土壤侵蝕量與林草地覆蓋率之間也具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

式中：a、b為參數(shù)；We為土壤侵蝕量（t）；α為林草地覆蓋率。

蔡強(qiáng)國等[22]對實驗資料進(jìn)行多種擬合關(guān)系比較，得到濺蝕量與覆蓋度之間的最佳曲線為：

式中：Y為濺蝕量（mg/cm2）；V為覆蓋度。其中，相關(guān)系數(shù)r=-0.994，樣本數(shù)n=12，覆蓋高度H=1 m。

1997年余新曉等人的研究認(rèn)為，小流域森林植被覆蓋度與土壤侵蝕量之間存在冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系：

式中：Ms為土壤侵蝕量（t）；C為常數(shù)；F為植被覆蓋度。

雖然關(guān)系式形式不同，但結(jié)果都認(rèn)定植被蓋度與侵蝕產(chǎn)沙量之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著植被覆蓋度的增加，小區(qū)的水土流失量減少[23]。

2.3 植被覆蓋度對侵蝕模數(shù)的影響

植被覆蓋度也影響著侵蝕模數(shù)。張勝利[24]在研究北洛河流域侵蝕模數(shù)與林地覆蓋率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)林地覆蓋率小于30%時侵蝕模數(shù)急劇增加，即林地覆蓋率低于30%時控制侵蝕的作用是不大的。王秋生[25]通過對觀測資料的分析，從定量角度探討了植被控制土壤侵蝕的規(guī)律，運用指數(shù)回歸分析，建立了不同類型區(qū)的侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系方程：

式中：M為侵蝕模數(shù)[t/（km2·a）]；e為自然對數(shù)的底；a、b為回歸系數(shù)；F為植被覆蓋度。

汪有科等[26]通過對黃土高原有森林覆蓋的10個流域的森林覆蓋率與土壤侵蝕模數(shù)之間關(guān)系的研究，建立了土壤侵蝕模數(shù)與森林覆蓋率之間的線性關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)森林覆蓋率高于95%時土壤侵蝕量接近于零。

2.4 有效覆蓋度對侵蝕量的影響

對植被的水土保持作用而言，起關(guān)鍵作用的是植被的有效覆蓋度[27]。有效覆蓋度指在一定區(qū)域內(nèi)，草地或者林地保持土壤并且使土壤侵蝕量降低到土壤最大允許侵蝕量以內(nèi)所應(yīng)該達(dá)到的植被覆蓋度[28]。大量的研究證實，只有當(dāng)林草對地面覆蓋達(dá)到一定程度的時候，才能起到防止土壤侵蝕的作用，令人滿意的水土保持措施是其土壤侵蝕量小于該地土壤流失的允許值[29]。張光輝等[28]通過模擬降雨實驗，研究了人工草地的產(chǎn)沙產(chǎn)流過程，結(jié)果表明：土壤侵蝕量隨著草地植被覆蓋度的增大呈指數(shù)下降趨勢，并分析認(rèn)為70%的植被覆蓋度可以作為實驗條件下的有效植被覆蓋度。

3 植被高度與水力侵蝕的關(guān)系

植被高度主要影響葉滴擊濺侵蝕量，作物高度的增加有可能使雨滴聚合后降落地面，對土壤的擊濺作用會抵消甚至超過作物截留對土壤的保護(hù)作用[23]。降雨經(jīng)植被截留后部分將在枝葉上形成大水滴后落到地面，并對地表產(chǎn)生大雨滴的擊濺作用，這些大雨滴的下落高度是影響降雨濺蝕的重要因素。蔡強(qiáng)國等[15]實驗測量資料表明，覆蓋度不變，覆蓋高度越大，濺蝕分散作用越大，由表2得到表征濺蝕量與覆蓋高度之間的一般表達(dá)式：

式中：Y為濺蝕量（mg/cm2）；H為覆蓋高度（m）；a、b為回歸系數(shù)。

表2 濺蝕量與覆蓋高度之間的關(guān)系

4 小結(jié)

植被是影響水土流失的一個重要因素。植被地上部分對降雨的截留作用，枯枝落葉層對降低徑流流速、增強(qiáng)土壤入滲和減少徑流量的作用，植被根系對固結(jié)土壤、增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和提高土壤的抗蝕性起重要作用。植被覆蓋度能很好地反映植被對水土流失過程的影響。隨著西部大開發(fā)的實施，植被在生態(tài)環(huán)境建設(shè)與恢復(fù)中的作用日益突出，進(jìn)一步加強(qiáng)植被生態(tài)功能特別是水土保持功能的定量化研究，對于推動土壤侵蝕預(yù)報的發(fā)展和西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

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