草被地上部分水土保持作用研究進(jìn)展

張曉艷，周正朝，黨珍珍

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

草被地上部分水土保持作用研究進(jìn)展

張曉艷，周正朝，黨珍珍

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

土壤侵蝕；草地植被；冠層；枯落物

草地植被的地上部分具有覆蓋、保護(hù)地表，截留降雨和削弱雨滴侵蝕能力的作用，在保水護(hù)土方面發(fā)揮著重要作用。為探討草被地上部分的水土保持效應(yīng)，在系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)草被地上部分控制侵蝕營(yíng)力研究的基礎(chǔ)上，歸納并總結(jié)了草被冠層及枯落物對(duì)降雨動(dòng)能和坡面流侵蝕能力的影響、草被蓋度與土壤侵蝕的關(guān)系、草被地上部分對(duì)土壤理化性狀的影響等方面的最新研究進(jìn)展，并提出了一些今后有待深入研究的問題。

在實(shí)踐上為水土流失地區(qū)草地植被的建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 草被地上部分對(duì)降雨擊濺作用的影響

降雨對(duì)地表的打擊力是土壤濺蝕的直接作用力[14]。當(dāng)雨滴降落到地表時(shí)，其動(dòng)能直接傳遞給地表，使土壤顆粒發(fā)生飛濺，而與喬灌類植物相比，草被高度相對(duì)較低，緊附地表，可以更有效地減小雨滴動(dòng)能、減少雨滴濺蝕量和土壤濺蝕程度。Ghidey和Alberts[9]認(rèn)為土壤濺蝕量是降雨動(dòng)能與土壤可蝕性的函數(shù)，且與雨滴動(dòng)能呈正相關(guān)關(guān)系。李鵬[15]研究發(fā)現(xiàn)，草被的冠層能夠截留降雨、削減降雨動(dòng)能，防止和減少擊濺侵蝕的發(fā)生發(fā)展。劉曉路等[16]研究得出，草被的莖葉、腐殖質(zhì)層(包括落葉層、根莖交界面)能夠削弱雨滴濺蝕；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在水流有一定流速的情況下，土工網(wǎng)墊形成的植物復(fù)合保護(hù)層具有良好的消能和促進(jìn)落淤的作用。

在草被地上部分影響降雨擊濺侵蝕機(jī)理方面，韓永偉等[17]根據(jù)不同下墊面條件下的相對(duì)雨滴能量預(yù)測(cè)公式EC=1-[(Et-Eh)/Et]FC做了相關(guān)研究。公式中，EC代表植被覆蓋下的雨滴相對(duì)能量，Et為單位面積上以末速度降落的雨滴動(dòng)能，Eh為單位面積上從高為h的覆蓋層上降落的雨滴動(dòng)能，F(xiàn)C為植被蓋度。從式中可以看出，植被高度和蓋度對(duì)降雨能量具有較大影響。由于草被的平均高度和平均蓋度分別是農(nóng)作物的88.27%、1.52倍，經(jīng)分析得出，草地植被覆蓋下的雨滴相對(duì)能量EC較小，因此同等條件下坡草地的土壤受雨滴侵蝕作用小于坡耕地，坡草地的土壤濺蝕量也小于坡耕地。同時(shí)，草地植被的蓋度、留茬高度和粗糙度平均值都比同時(shí)期農(nóng)田土壤表層的相應(yīng)平均值大得多，使得<0.1 mm沙粒的起動(dòng)和運(yùn)移比在農(nóng)田中更困難。分析認(rèn)為，草地植被的地上部分可以有效降低雨滴能量和土壤濺蝕量。但是，由于草地植被莖稈較低，采用濾紙法、面粉球法和色斑法等常規(guī)方法直接測(cè)定冠層以下部分的雨滴相對(duì)困難，所以有關(guān)草被地上部分與降雨擊濺侵蝕關(guān)系的研究相對(duì)較少。

2 草被地上部分削弱坡面流侵蝕能力的研究

2.1 草被地上部分對(duì)坡面流侵蝕動(dòng)力參數(shù)的影響

坡面流是造成坡面土壤被分散、剝蝕和沖刷的關(guān)鍵因素[18]，坡面流的水動(dòng)力參數(shù)，如流速、徑流能量、剪切力等與侵蝕的關(guān)系一直是研究的熱點(diǎn)[19]。草被地上部分可以減小坡面徑流的動(dòng)能和勢(shì)能，使坡面流的曼寧糙率和Darcy阻力系數(shù)變??；草被地上部分對(duì)坡面流流態(tài)也有顯著影響，隨放水流量的增大，草被覆蓋坡面的流態(tài)由層流-緩流轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡流-緩流，在有草被覆蓋的斷面，徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)變化很小[20-22]。在草被冠層對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響方面，徐震[23]也研究得出：在小雨強(qiáng)下，草冠平均能減小徑流流速40.9%、弗勞德數(shù)40.7%，增加坡面流水深1.46倍、糙率4.8倍、阻力34.1倍；在大雨強(qiáng)下，草冠平均能減小坡面流流速5.9%、弗勞德數(shù)4.8%，增加徑流水深0.5倍、糙率2.1倍、阻力20.4倍。

肖培青等[24]研究發(fā)現(xiàn)，草地植被下的坡面流阻力系數(shù)f可表示為f=104.1P-1.12V-0.22H0.000 5R1.275C1.44，相關(guān)系數(shù)為0.92。式中，P為降雨強(qiáng)度，V為水流速度，H為徑流水深，R為地表粗糙度，C為覆蓋度。比較各變量系數(shù)可以得出，覆蓋度對(duì)阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)率最大，這也說明，草被覆蓋度是阻延徑流的主導(dǎo)因子、影響坡面阻力的重要因素。鑒于草被地上部分減蝕作用的復(fù)雜性和目前試驗(yàn)量測(cè)條件的限制，今后還需要結(jié)合更多的試驗(yàn)觀測(cè)，進(jìn)而從理論上揭示草地植被地上部分的阻流機(jī)制及坡面流侵蝕能力對(duì)草被地上部分的響應(yīng)機(jī)理。

2.2 草被地上部分減少坡面流泥沙效應(yīng)的研究

草被地上部分具有攔蓄坡面徑流和減少泥沙的效應(yīng)[25]。草被地上部分?jǐn)r蓄泥沙的機(jī)理為草被的地上部分能削減雨滴的動(dòng)能，當(dāng)雨滴從冠層落到土壤表面時(shí)，距離很短，其動(dòng)能很小，幾乎不會(huì)對(duì)土壤顆粒起到打擊分散的作用，而坡面產(chǎn)沙量在很大程度上受徑流沖刷的影響，所以與裸地相比，有草被冠層、枯落物等地上部分覆蓋的徑流小區(qū)，坡面徑流泥沙含量相對(duì)較小。白紅英等[26]發(fā)現(xiàn)草被地上部分的吸水量占降雨量的15.5%。鄭粉莉等[25]研究得出，草被的莖葉部分主要在于截留降雨，而枯落物層主要在于減少?gòu)搅骱颓治g的發(fā)生。甘卓亭等[27]發(fā)現(xiàn)，在剪去牧草地上部分以后，坡面容易產(chǎn)生較大的侵蝕產(chǎn)沙量。

不同類型的草被，其地上部分的減流減沙效應(yīng)不同。甘卓亭等[27]定量研究了草被冠層在調(diào)控坡面土壤侵蝕過程中的減流減沙貢獻(xiàn)，結(jié)果表明冠層具有較大的攔蓄降水、增加入滲和減少坡面流的貢獻(xiàn)率，與紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)相比，黑麥草(LoliumperenneL.)冠層的減流貢獻(xiàn)率更大，除最后試驗(yàn)階段外，其貢獻(xiàn)率都大于60%。分析認(rèn)為，這主要是由于黑麥草的蓋度和厚度都較大，能夠攔蓄更多的降雨量，延長(zhǎng)降雨的入滲時(shí)間，使更多的雨水滲入到土壤中。楊潔等[28]研究了果園清耕、狗牙根帶狀覆蓋及狗牙根全園覆蓋3種措施下的水土保持效應(yīng)，結(jié)果表明，有狗牙根覆蓋的柑橘林小區(qū)水土流失量明顯小于果園清耕小區(qū)，草被帶狀覆蓋小區(qū)的減流減沙效果最好，減流率為98.21%，減沙率為99.84%。因此，條帶植草覆蓋具有明顯的減流減沙效應(yīng)，該結(jié)論對(duì)我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)的果業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，有利于丘陵果園區(qū)水土流失的防治。

3 草被蓋度與土壤侵蝕的關(guān)系

從廣義上來說，草被對(duì)地表的覆蓋包括地表層的活植被和死植被，以及草被的枯落物、動(dòng)物糞便、巖石和其他材料等。在降雨量較少的干旱區(qū)，地表覆蓋還包括苔蘚、地衣等低等生物土壤結(jié)皮[29]。草被覆蓋與土壤侵蝕的關(guān)系多通過研究草被蓋度而得出，后來又提出了有效蓋度、臨界蓋度、潛勢(shì)蓋度的概念。潛勢(shì)蓋度可反映植物群落保持水土的程度，臨界蓋度是指植被群落的水土保持作用達(dá)到最大或極限時(shí)的群落蓋度[30]，而有效蓋度是植被能有效防止侵蝕并使其土壤流失量控制在一定程度的臨界蓋度[31]。

草被有效蓋度與土壤侵蝕之間有著密切的關(guān)系。張光輝和梁一民[32]研究發(fā)現(xiàn)，隨著草被蓋度的增大，土壤侵蝕量呈指數(shù)下降趨勢(shì)，并將草被有效蓋度定為70%。焦菊英等[3]認(rèn)為草地有效蓋度是降雨因子、地形因子、土壤因子和植被類型的函數(shù)，建立了草被有效蓋度(v)與次降雨量、次最大30 min雨強(qiáng)的乘積(P·i30)和坡度(s)之間的關(guān)系，即v=-103.20+34.62×lg(P·i30)+78.97lg(s)，相關(guān)系數(shù)r=0.780；并指出草被有效蓋度隨降雨、坡度的增大而增大，當(dāng)坡度分別為20°、25°、30°、35°時(shí)，草地的有效蓋度對(duì)應(yīng)為63.4%、71.1%、77.3%、82.6%，當(dāng)草地的蓋度達(dá)到或超過有效蓋度時(shí)，草地就能夠有效地防止水土流失。王升等[33]研究了不同蓋度下紫花苜蓿(MedicagosativaL.)地的產(chǎn)流產(chǎn)沙與養(yǎng)分流失規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著植被蓋度的增加，坡面流速、徑流深、水力半徑、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)都減小，而平均糙率增加；并且得出紫花苜蓿的蓋度為43.2%時(shí)，草被對(duì)黃土坡地的減蝕和保持養(yǎng)分的作用已經(jīng)很顯著，再增加蓋度則會(huì)加大投資，效果也不顯著。

4 草被地上部分對(duì)土壤理化性狀影響的研究進(jìn)展

草被地上部分可以通過生物柵欄作用削弱雨滴擊濺侵蝕、減小降雨對(duì)土壤的破壞程度，保護(hù)土壤自然結(jié)構(gòu)；枯落物層的大孔隙有利于水分下滲，提高土壤滲透性。在草被冠層等地上部分保持土壤水分和養(yǎng)分方面，龍忠富等[34]研究發(fā)現(xiàn)，百喜草(PaspalumnotatumFlugge)的覆蓋可以減少土壤表層水分的蒸發(fā)；王升等[33]研究得出，隨著草被蓋度的增加，坡面徑流中的溴離子流失量減小，土壤養(yǎng)分濃度得到了很好的保持；楊潔等[28]研究認(rèn)為，在大部分土層深度，狗牙根帶狀覆蓋的小區(qū)土壤水分含量最高，均大于清耕果園區(qū)，而全園覆蓋區(qū)由于植物蒸騰耗水量大，土壤水分含量反而低于帶狀覆蓋區(qū)，因此通過條帶植草來增加草被地上部分覆蓋的措施對(duì)土壤的保水效果最好。

草被枯落物層等地上部分能夠改善土壤肥力、保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，具有重要的水土保持作用。張明忠等[35]分析了金沙江干熱河谷地區(qū)草被凋落物的分解率和持水性能，結(jié)果表明：凋落物能截留降水，使水分緩慢入滲，提高土壤中的水分含量，增強(qiáng)土壤肥力；在6種草被中，新諾頓豆(Neonotoniawightii)凋落物的分解率及持水性能都最高，該結(jié)論對(duì)于促進(jìn)草地土壤發(fā)育或改良有著重要意義。秦瑞杰[36]研究得出，草被生長(zhǎng)所產(chǎn)生的大量凋落物在土壤中不斷地積累和礦化，把大部分的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素歸還到土壤中，腐爛后的枯枝落葉形成腐殖質(zhì)層，可以有效增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力，促進(jìn)土壤團(tuán)粒的生成，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的透水性、通氣性和抗侵蝕性。高麗倩等[37]通過研究發(fā)現(xiàn)，草被覆蓋坡面的地表結(jié)皮能夠改善土壤的理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤的黏結(jié)力和抗侵蝕能力。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

過去眾多的研究揭示了草地植被地上部分在減小降雨擊濺和坡面流侵蝕能力方面的作用，以及提高土壤抗侵蝕能力的機(jī)理，為進(jìn)一步深入研究草被的水土保持功效奠定了重要基礎(chǔ)。但是，由于草被莖葉和枯落物研究方法、手段的局限性和草被生長(zhǎng)微地形的復(fù)雜性，現(xiàn)有的研究成果較少涉及不同物種、不同結(jié)構(gòu)、不同年齡及不同立地條件下的草被，并且很多試驗(yàn)結(jié)果是通過室內(nèi)模擬得到的，所以草被莖稈、枯落物及其空間分布對(duì)野外坡溝系統(tǒng)的影響是否也存在類似于室內(nèi)研究結(jié)果的結(jié)論還不得而知。因此，要充分認(rèn)識(shí)和揭示草被地上部分控制土壤侵蝕的機(jī)理、更好地與當(dāng)前水土保持生態(tài)建設(shè)契合，還需從以下幾個(gè)方面開展研究：①在時(shí)間尺度上，需要對(duì)草地植被地上部分進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)的定位觀察和研究，將莖葉的生長(zhǎng)及枯落物等各部分的變化與土壤侵蝕能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合。②在研究區(qū)域上，需要對(duì)黃土高原的典型區(qū)域、長(zhǎng)江流域山地和丘陵等侵蝕嚴(yán)重及生態(tài)脆弱區(qū)的草被地上部分控制侵蝕營(yíng)力的效果進(jìn)行研究。③在研究?jī)?nèi)容上，需要定量探討草被冠層蓋度、葉面積指數(shù)、枯落物覆蓋度與厚度等與降雨動(dòng)能、打擊力之間的關(guān)系，然后對(duì)草被冠層和枯落物等地上部分削減降雨擊濺動(dòng)力及影響侵蝕的機(jī)制和有效性，尤其是不同類型草被之間和不同空間配置方式下的對(duì)比進(jìn)行研究，以利于建立草地土壤濺蝕模型；此外，還需要系統(tǒng)分析草被通過莖葉、枯落物等引起坡面流分離和能量損失而導(dǎo)致形態(tài)阻力增大，以及通過草被冠層削減降雨打擊作用而改變降雨阻力的定量關(guān)系，從而全面理解草被地上部分控制侵蝕動(dòng)力的作用。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S157.1

C

1000-0941(2015)01-0047-04

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(40901131)；霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金項(xiàng)目(131025)

張曉艷(1988—)，女，安徽阜陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗临Y源評(píng)價(jià)與規(guī)劃；通信作者周正朝(1980—)，男，四川瀘州市人，副教授，博士，主要從事植被與土壤侵蝕關(guān)系研究。

2014-01-28

目前，水土流失是全球性的生態(tài)環(huán)境問題之一，對(duì)人類生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅。研究表明，人類對(duì)植被的破壞與不合理的土地利用方式是導(dǎo)致土壤侵蝕加重的重要原因[1]。林草植被是地球上寶貴的自然資源，也是地球上的重要生態(tài)屏障，在土壤侵蝕防治中發(fā)揮著極為重要的作用[2-5]。近年來，自然干擾(如干旱、風(fēng)蝕、水蝕、沙塵暴、鼠蟲害等)和長(zhǎng)期的過度放牧、開荒墾田及人為破壞使得草地植被退化嚴(yán)重。伴隨著草地退化，草地生態(tài)環(huán)境問題隨之而來，在侵蝕方面總體上表現(xiàn)為黃土高原的大部分地區(qū)、云貴高原、青藏高原和長(zhǎng)江黃河源區(qū)水土流失嚴(yán)重[6]。草地生態(tài)的好壞，不僅決定著草原區(qū)的自然環(huán)境狀況，還關(guān)系著其他地區(qū)的生態(tài)安全，而且通過對(duì)干旱區(qū)植被的降雨截留效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，草本植被的截留量(38.4%±32.3%)大于喬木(23.6%±14.9%)和灌木(24.8%±12.9%)，草地防止水土流失的能力高于灌叢和森林[7-8]。所以，草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)我國(guó)的水土流失治理具有十分重要的意義。

草被地上部分能夠有效地?cái)r截和吸附雨滴、沙粒，削弱雨滴擊濺動(dòng)能，增大坡面糙率和延阻徑流。目前，在草被冠層、莖稈、枯落物等地上部分與土壤侵蝕關(guān)系方面已取得了大量研究成果[9-13]，可以概括為4個(gè)方面：冠層及枯落物對(duì)降雨動(dòng)能的影響、莖稈及枯落物對(duì)坡面水土流失的影響、草被蓋度與侵蝕的關(guān)系及草被地上部分對(duì)土壤的影響。本文系統(tǒng)總結(jié)了草被地上部分的水土保持作用，以期在理論上為全面理解和研究草被冠層及枯落物與土壤侵蝕的關(guān)系提供參考，同時(shí)