白三葉不同部位減沙效應及其對徑流水動力學參數的影響

張思毅，梁志權，謝真越，卓慕寧，郭太龍，

廖義善1，韋高玲1，李定強1，2

1. 廣東省生態環境技術研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 廣東省科學院，廣東 廣州 510070

白三葉不同部位減沙效應及其對徑流水動力學參數的影響

張思毅1，梁志權1，謝真越1，卓慕寧1，郭太龍1，

廖義善1，韋高玲1，李定強1，2

1. 廣東省生態環境技術研究所//廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 廣東省科學院，廣東 廣州 510070

植被是控制土壤侵蝕的關鍵因子，研究植被不同部位的減沙效益及機理對于水土保持、植物保護和恢復具有指導意義。以白三葉（Trifolium repens L.）和紅壤為實驗對象，采用人工模擬降雨的方式，在坡度15°和雨強60、120、180 mm·h-1條件下，測定完整植株坡面、根系坡面和裸坡的產流產沙過程和流速，研究草本植物完整植株、冠層、根系在紅壤坡面的減沙效應及其對坡面徑流水動力學參數的影響。研究結果表明，蓋度為85%的白三葉平均減沙效益為97.3%，根系、冠層的平均減沙效益分別為66.3%、31.0%，根系的減沙效益顯著高于冠層。植被能夠降低徑流含沙量，尤其是降雨初期的徑流含沙量。植被能夠降低38.6%的坡面徑流流速，其中冠層的平均減速效益為31.2%，根系的平均減速效益為7.3%，冠層的減速效益遠大于根系。植被對坡面徑流雷諾數影響較小，能夠降低徑流的弗勞德數，緩解徑流流態，但坡面徑流都為層流-緩流形態。植被能夠顯著增加坡面徑流的達西-韋斯巴赫阻力系數，冠層的平均增阻效益為402.4%，根系的增阻效益為33.0%。隨著雨強的增大，植被的增阻效益降低。白三葉具有良好的調控坡面侵蝕的能力，其中冠層主要通過對坡面徑流的流速和阻力的影響來減少坡面侵蝕，而根系的減沙效益要大于其減速和增阻效益。植被調控坡面侵蝕的機理十分復雜，其中根系的減蝕機理需要進一步深入研究。

坡面侵蝕；水力學參數；紅壤；根系；冠層；白三葉

ZHANG Siyi， LIANG Zhiquan， XIE Zhenyue， ZHUO Muning， GUO Tailong， LIAO Yishan， WEI Gaoling， LI Dingqing. Effects of different parts of Trifolium repens L. on sediment reduction and runoff hydrodynamic parameters ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1306-1314.

土壤侵蝕是世界上所有陸地生態系統都面臨的一個嚴重的環境問題。土壤侵蝕會導致農田、草原、森林等生態系統受到多重嚴重破壞，導致土壤持水能力下降，地表徑流增加，土壤有機質減少，有益土壤生物減少，土壤水分和養分流失，地表水系受污染；進而導致土地荒漠化，生物物種多樣性降低，生態系統生產力下降，甚至引起全球氣候變化。植被是防止地面水土流失最積極的因素，冠層和根系分別作為植被的地上和地下部分，兩者調控坡面土壤侵蝕的作用有所差別。已有的研究表明，根系的減蝕作用往往大于冠層（甘卓亭等，2010；趙春紅等，2013；Wang et al.，2014）。如不同生長期的黑麥草（Lolium perenne L.）和紅豆草（Onobrychis viciaefolia Scop.）根系的減沙效益可達72.0%～96.0%和16.0%～93.0%；不同雨強坡度下，沙打旺（Astragalus adsurgens）根系的平均減沙效益達50.5%，遠高于冠層的21.5%（表1）。冠層對坡面侵蝕的影響主要通過影響降雨過程、徑流過程來產生（Bochet et al.，1998；Rey，2003；Puigdefábregas，2005；Durán Zuazo et al.，2006；Durán Zuazo et al.，2008）。根系則主要通過改善土壤理化性質、纏繞固結等方式增強土壤的侵蝕能力和抗剪切強度，減少坡體表面土壤侵蝕，提高邊坡穩定性（Li et al.，2015；Vannoppen et al.，2015）。在土壤侵蝕預報中，植物根系對土壤侵蝕力的影響越來越受到關注（Gyssels et al.，2005）。RUSLE（revised universal soil loss equation）模型把根系密度因子包含在植被管理因子的子因子土壤生物量和土壤表面粗糙度中（Renard et al.，1997），而WEPP（water erosion prediction project）模型則把活根、死根生物量與土壤抗蝕性相關聯（Flanagan et al.，1995）。因此，定量研究植物不同部位的減沙效應及機理對于水土流失防治和土壤侵蝕預報都具有重要意義。

植被影響坡面徑流水動力學參數是植被調控坡面侵蝕的重要機理（楊帆等，2013）。草本植物可以通過增加水流阻力，減少水流切應力，提高坡面產沙臨界條件來控制土壤侵蝕（秦富倉等，2005；李勉等，2007；肖培青等，2011；姚文藝等，2011）。植被蓋度越大，流速越小，弗勞德數越小，阻力系數越大（張思毅等，2016）。草本植物根系和冠層對坡面徑流水動力學參數的影響有所差異，趙春紅等（2013）的研究認為根系的減速作用大于冠層，而增阻作用小于冠層。目前有關植被調控坡面侵蝕的研究多集中在不同植被類型和不同植被覆蓋度方面，較少涉及植被結構對坡面侵蝕的調控作用（如：De Baets et al.，2006；Zhou et al.，2007）。植被冠層和根系對坡面產流產沙的作用是不同的，評價植被的水土保持效益不能只看植被蓋度，根系對土壤侵蝕的影響也應該得到重視。特別是在南方紅壤區，存在“遠看青山在，近看水土流”的問題，由于水熱條件較好，植被蓋度可以達到較高水平，但是由于植被結構不同，許多茂密植被下依然存在水土流失問題（梁音等，2008）。研究紅壤區植被結構對坡面侵蝕的調控及其對坡面水力學參數的影響，對定量評價植被水土保持效益和水土保持植物物種選擇具有指導意義。

白三葉草（Trifolium repens L.）是豆科三葉草屬重要的多年生牧草，莖匍匐生長，主根短，側根發達，侵占性強，具有很好的固土防蝕、水土保持功能；有根瘤，可大量固定空氣中的氮素；生長周期長，生物產量高，適應性強，分布廣，具有一定的抗寒、耐蔭和耐脊薄能力。可用作飼料、綠肥、蜜源和藥材等，是水土保持、草坪綠化植物。本研究嘗試探討白三葉不同部位的減沙效應及其對坡面徑流水力學參數的影響。

表1　部分關于草本植被減沙效益的人工模擬降雨實驗研究Table 1　Some former researches on the reduction of sediment by herbage vegetation under artificial simulated rainfall experiment

1　材料與方法

1.1實驗條件與實驗設計

模擬降雨實驗在廣東省生態環境技術研究所華南紅壤侵蝕動力工程實驗室降雨大廳進行。降雨大廳有效降雨高度13.4 m。降雨系統采用5種不同規格的下噴式噴頭，每種噴頭的雨滴大小不同，并可通過施加不同的水壓產生不同的雨強，通過疊加不同規格的噴頭并施加適當的水壓來模擬自然降雨。降雨均勻度85%以上。坡面系統為可自由調節坡度的土槽，土槽規格為2.0 m×0.5 m×0.5 m（長×寬×高）；土槽尾部設置V形收集口，用來收集形成的徑流和泥沙；其他3邊額外加高5 cm，以防止泥沙濺出土槽之外，造成泥沙量的損失；底部打孔，使土壤水可以滲透出土槽外。華南紅壤區內山地丘陵較多，坡耕地面積較大，有90%的坡耕地和部分經濟林、果園具有不同程度的水土流失，常見的坡度范圍為0～25°，故設計實驗坡度為15°。降雨強度分別為60、120、180 mm·h-1，降雨歷時為產流后1 h。根據相關研究，珠江三角洲地處低緯，屬熱帶、亞熱帶季風氣候區，季風氣候特征極其顯著，季風作用下短歷時、大雨量的暴雨或特大暴雨發生頻數之多、強度之大，皆居全國前列。重現期2 a的短時強降水設計值已達50 mm·h-1以上，半數地區最大1 h強降水100 a重現期的強度大于100 mm，最大可以達到181 mm（陳子燊等，2015），而沿海地區的1 h可能最大暴雨可以達到247.3 mm（劉麗詩，2007）。因此本研究所采用的雨強范圍在珠江三角洲具有典型代表意義。

實驗土壤為赤紅壤，取自廣州市郊區。＜0.002、0.002～0.05和＞0.05 mm的粒徑含量百分比分別為8.9%、35.4%和55.7%；有機質、全氮、全磷和全鉀含量分別為1.89、0.079、0.25和24.60 g·kg-1（Zhao et al.，2015）。根據實地測定，采樣地的土壤容重為1.30 g·cm-3，試驗土槽裝土容重與原狀土容重相同。

實驗植物為白三葉。2015年8月中旬種植，共種植2個試驗土槽，用于重復試驗。種植后3個月，于2015年11月中旬開始模擬降雨試驗。植被的地上生物量干重平均為177.7 g·m-2，表層10 cm地下生物量干重為317.5 g·m-3，植被蓋度約為85%，葉面積指數為2.4 m2·m-2。

實驗利用2個種植了白三葉的土槽依次進行完整植株降雨實驗和根系降雨實驗，另外用2個沒有種植植物的裸坡進行對照降雨實驗，實驗設計如表2。首先進行完整植株降雨實驗，坡面的植被是包括冠層和根系的完整植株，測定冠層和根系共同作用下坡面的侵蝕特征，依次進行降雨強度為60、120、180 mm·h-1的降雨實驗，每次實驗2個重復同時進行。完整植株降雨實驗完成后，將2個土槽放置在露天自然條件下生長一段時間，讓植株和土壤坡面進行自然恢復。由于完整植株的保護，每次降雨實驗造成的坡面侵蝕較少（見后文結果與分析），加上試驗后的恢復，坡面狀況變化較小。然后齊地面完全剪去2個土槽上白三葉冠層，進行僅根系坡面降雨試驗，測定僅根系作用下坡面的侵蝕特征。降雨雨強和次序與完整植株降雨實驗相同。最后用2個沒有種植植物、其他處理與2個種植白三葉相同的裸坡進行對照降雨實驗。在降雨實驗中測定坡面產流量、產沙量，并測定坡面徑流流速，具體過程：降雨過程中，記錄產流時間，產流開始后每10分鐘接1組徑流。降雨結束后，稱量徑流泥沙總量，澄清后分離出泥沙，105 ℃烘干至恒重，稱量泥沙質量。烘干的泥沙質量即為產沙量，徑流泥沙總量減去產沙量即為產流量。降雨過程中同時采用染色劑法測定坡面流流速，將坡面分為10段，分別測定每段坡面的流速，重復6次，求其平均值，并根據后文計算的雷諾數得到坡面流為層流，乘以修正系數0.67（Li et al.，1996）作為水流斷面平均流速。

表2　實驗設計Table 2　The design of experiments

1.2參數計算

坡面流極薄，直接測定的水流深誤差較大，并不能代表真實狀況，因此采用反推的方法求得坡面薄層水流水深。因此在假定坡面薄層水流均勻分布的條件下，采用以下公式計算坡面薄層水流水深：

式中，h為薄層水流水深（m）；Q為t時間內徑流量（m3）；t為徑流取樣間隔時間（s）；v為斷面平均流速（m·s-1）；B為過水斷面寬度（m）。

雷諾數（Re）在流體力學中是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量，通過Re可以判定水流流態。根據明渠均勻流的水力學理論，當Re＞500時，坡面流流態為紊流；當Re＜500時，坡面流流態為層流；當Re=500時，流態為過度流。采用以下公式計算Re：

式中，u為水運動黏性系數（m2·s-1），u=0.01775/（1+0.0337T+0.000221T2），其中T為水溫（℃）。

弗勞德數（Fr）是流體力學中表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數，它表示慣性力和重力量級的比。當Fr＞1時，慣性力對水流起主導作用，水流為急流；Fr＜1時，重力起主導作用，水流為緩流；Fr=1時，重力、慣性力作用相等，水流為臨界流。采用以下公式計算Fr：

式中，g為重力加速度（m·s-2）。

達西-韋斯巴赫阻力系數（f）是坡面流水動力學基本參數之一，適用于描述層流的阻力特征。采用以下公式計算f：

式中，J為水流能坡，用坡度的正弦值代替。

1.3數據分析

1.3.1減沙率

試驗過程中，白三葉處于生長旺盛階段，枯落物較少，不考慮枯落物的影響，草本植物對坡面土壤侵蝕的調控作用僅為冠層與根系之和，冠層對坡面流水動力學參數為完整植株的作用減去根系的作用。

完整植株、根系和冠層減沙率的計算公式分別為：

式中，CSp、CSr和CSc分別為完整植株、根系和冠層的減沙率；Sb、Sp和Sr分別為裸坡、完整植株坡面和根系坡面的產沙模數（g·m-2·h-1）。

1.3.2減速效益

完整植株、根系和冠層減速效益的計算公式分別為：

式中，CVp、CVr和CVc分別為完整植株、根系和冠層的減速效益；vb、vp和vr分別為裸坡、完整植株坡面和根系坡面水流流速（m·s-1）。

1.3.3增阻效益

完整植株、根系和冠層增阻效益的計算公式分別為：

式中，CFp、CFr和CFc分別為完整植株、根系和冠層的增阻效益；fb、fp和fr分別為裸坡、完整植株坡面和根系坡面的達西-韋斯巴赫阻力系數。

1.3.4統計分析

采用SPSS 16.0軟件對數據進行獨立樣本t檢驗和單因素方差分析（one-way ANOVA），采用最小顯著差數法（LSD）進行差異顯著性檢驗（P=0.05）。采用Origin 8.5軟件作圖。

表3　不同坡面的產沙模數Table 3　The Sediment transport rate of slopes with different coverage g·m-2·h-1

表4　植被不同部位的減沙率Table 4　The reduction rate of sediment by different part of vegetation %

2　結果與分析

2.1植被的減沙效益

在3種雨強下，不同處理的產沙模數具有顯著性差異（表3）。完整植株覆蓋的坡面產沙模數最小，180 mm·h-1雨強下產沙模數也只有14.1 g·m-2·h-1。裸坡產沙模數最大，180 mm·h-1雨強下可達5521.4 g·m-2·h-1。完整植株的減沙率均值為97.3%，其中根系的減沙率均值為66.3%，冠層的減沙率均值為31.0%（表4）。由此可見，根系的減沙貢獻大于冠層的減沙貢獻。不同雨強下，坡面的產沙模數隨雨強增大而增大，除了完整植株坡面在60 mm·h-1雨強下產沙模數略大于120 mm·h-1雨強的產沙模數，這是由于前者為第一批實驗，坡面有少量浮土，浮土較易被徑流沖刷而流走。完整植株的減沙率隨雨強增大而增大，但是根系和冠層的減沙率則有不同的變化。根系的減沙率在120 mm·h-1雨強下的減沙率最小，而在180 mm·h-1雨強下的減沙率最高，冠層則在60 mm·h-1雨強下的減沙率最小，而120 mm·h-1雨強下的減沙率最大。

坡面徑流含沙量由降雨期間產沙量和徑流量決定，而坡面侵蝕產沙量和徑流量受降雨特性和下墊面共同影響。隨著雨強的增大，坡面徑流含沙量總體呈增加趨勢（圖1）。據統計分析結果，相同雨強情況下，完整植株坡面徑流含沙量顯著小于根系坡面和裸坡的徑流含沙量，根系坡面徑流含沙量顯著小于裸坡的徑流含沙量。完整植株坡面徑流含沙量平均只有裸坡徑流含沙量的5.3%，而且雨強越大，完整植株坡面徑流含沙量與裸坡徑流含沙量的比值越小；根系坡面徑流含沙量平均為裸坡的34.2%。在雨強為60 mm·h-1情況下，完整植株坡面和根系坡面徑流含沙量在前10 min較高，這是由于這是第一批實驗，坡面有一些浮土，10 min之后到降雨結束徑流含沙量較為平穩。裸坡的坡面徑流含沙量則隨降雨歷時的增加呈逐漸降低趨勢。在雨強為120、180 mm·h-1情況下，完整植株坡面徑流含沙量很低，并且隨著降雨歷時的增加略有下降，說明在降雨在把松散的土壤表層侵蝕后，完整植株能夠很好的保護土壤不被侵蝕；根系坡面徑流含沙量逐漸上升，表明在降雨早期，根系的減沙作用較明顯，隨著降雨歷時的增加，根系的減沙作用有所減弱，可能與降雨能直接打擊土壤，促進根系和土壤的分離有關。

植被恢復和建設是防治我國水土流失的一個重要手段，大量研究表明草本植被具有良好減沙效益（表1）。在本研究中，蓋度為85%的白三葉完整植株能夠極好的控制坡面侵蝕，減沙效益達93.2%以上，即使在180 mm·h-1大雨強情況下，也能控制坡面產沙模數在14.1 g·m-2·h-1范圍以內。相比前人的研究（表1），白三葉的減沙效率較高，與甘卓亭等（2010）的研究結果接近。草本植被的減沙效益可以區分為冠層和根系兩部分。在本研究中，根系的減沙效益在58.8%～72.3%之間，冠層的減沙效益在25.5%～40.1%之間。根系的減沙效益大于冠層的減沙效益，這與甘卓亭等（2010）、趙春紅等（2013）的研究結果類似。這是由于根系通過穿插和纏繞等物理方式以及分泌粘液、有機酸和糖分等化學生物方式促進了土壤團聚體的形成，提高了土壤抗侵蝕能力，尤其是當坡面表層根系細根較多時，土壤抗侵蝕能力能得到極大的增強（Martens，2002；Gyssels et al.，2005）。因此，在坡面只有根系的情況下，坡面侵蝕產沙量也能得到較好的控制，表現出較高的減沙效益。但是白三葉冠層的減沙效益要比黑麥草等（甘卓亭等，2010）的減沙效益高，可能與白三葉蓋度較大且是貼近地面生長有關。白三葉貼近地面生長，蓋度達到85%，冠層截留降雨較大，承接了降雨的大部分動能，冠層高度較低，使得降雨從冠層以穿透雨再降落到坡面時的動能極大減少（余新曉，1988；Crockford et al.，2000），而且部分冠層匍匐在地面，可以對坡面徑流產生較大直接影響，而黑麥草等只有植株基部才會對徑流產生直接影響。

圖1　不同雨強下完整植株、根系和裸坡的坡面徑流含沙量Fig. 1　Sediment concentration changes of slopes with entire plant， root and bare slope under rainfall intensity of （a） 60， （b） 120 and （c） 180 mm·h-1

2.2植被對水動力學參數的影響

2.2.1植被對徑流流速和水深的影響

坡面徑流的流速直接關系到坡面水蝕的土壤分離、泥沙輸移和沉積過程，是計算其他水動力學參數的基礎。隨著降雨強度的增加，坡面流速都顯著增加（表5）。在相同雨強情況下，僅有根系的坡面流速與裸坡的坡面流速沒有顯著區別，而完整植株的坡面流速顯著低于根系坡面和裸坡坡面流速。完整植株的減速效益達24.3%～56.0%（表6）。隨著降雨強度的增加，完整植株、根系、冠層的減速效益都下降。根系的減速效益較冠層的減速效益弱，介于5.6%～8.8%之間（表6），占完整植株減速效益的16%～23%；而冠層的減速效益可以達到18.7%～47.2%（表6），占完整植株減速效益的77%～84%。由此可知，冠層是植被減速效益的主要作用部分。

隨著雨強的增大，植被的減速效益有所降低。在雨強為60 mm·h-1情況下，完整植株的減速效益達到56.0%，而在雨強為180 mm·h-1情況下，完整植株的減速效益為24.3%；冠層和根系的減速效益也是小雨強情況下要比大雨強情況下明顯（表6）。根系的減速效益在180 mm·h-1情況下的減速效益只有5.6%。說明在大雨強情況下，植被的減速效益受限。

植被不同部位對水深也有很大影響。試驗過程中，坡面徑流水深很薄，難以直接測量，主要通過徑流量和流速計算。由于3種坡面產流量類似，所以水深主要由流速決定，流速小則水深大。因此，植被對水深的影響與對流速的影響相反。完整植株坡面徑流的水深顯著大于根系坡面和裸坡的水深，而根系坡面與裸坡的水深則沒有顯著差異（表7）。

表5　不同坡面平均流速Table 5　The flow velocity of slopes with different coverage m·s-1

表6　植被不同部位的減速效應Table 6　The flow velocity reduction by different part of vegetation %

表7　完整植株坡面、根系坡面和裸坡的坡面徑流水動力學參數Table 7　Hydrodynamic parameters of overland flow of slopes with entire plant， root， and bare slope

表8　不同坡面達西-韋斯巴赫阻力系數Table 8　The Darcy-Weisbach friction coefficient of slopes with different coverage

2.2.2植被對坡面徑流形態的影響

所有不同蓋度的坡面在不同雨強下的Re介于19.4～122.9之間，均值如表7，都明顯小于500，表明坡面流為層流；而Fr介于0.17～0.75之間，均值如表1，都明顯小于1，說明所有的坡面流都為緩流。因此，所有的坡面流都為層流-緩流形態。不同地表覆蓋坡面徑流之間的雷諾數沒有顯著差別，表明不同地表覆蓋坡面徑流流型比較一致；而完整植株坡面、根系坡面和裸坡坡面徑流的弗勞德數之間存在顯著性差異，三者的弗勞德數逐漸增加，說明根系和冠層都能夠緩解坡面徑流的流態。

2.2.3植被對坡面流阻力特征的影響

坡面徑流在流動過程中不可避免地會受到下墊面阻力的作用，坡面徑流阻力系數反映了下墊面對流動水體的阻力大小，是從宏觀層面反映流體整體特性的一個重要參數。完整植株坡面的達西-韋斯巴赫阻力系數顯著大于根系坡面和裸坡的阻力系數，根系坡面的阻力系數大于裸坡，但是差異不顯著（表8）。不同雨強情況下，根系的增阻效益為23.0%～45.1%，即根系坡面的阻力系數比裸坡增加23.0%～45.1%；而完整植株的增阻效益為152.7%～759.3%，即完整植株坡面的阻力系數比裸坡增加152.7%～759.3%；冠層的增阻效益約為130.0%～717.8%（表9）。60 mm·h-1雨強下完整植株坡面徑流的阻力系數是180 mm·h-1雨強下的5倍以上，而根系坡面和裸坡的阻力系數則是其2倍左右；雨強從60 mm·h-1增加到180 mm·h-1，根系的增阻效益降低18.5%，冠層的增阻效益則降低588.0%。雨強越大，坡面徑流的阻力系數越小，植被的增阻效益越弱。

植被改變坡面粗糙度、坡面產匯流過程及其水動力學特性是植被減少土壤侵蝕的重要機理之一（Dunjó et al.，2004；Yu et al.，2006），草本植被能夠對坡面流流速、流型、流態、水深和坡面阻力等方面產生影響。本研究表明，白三葉根系和冠層能夠減小坡面流流速、緩解坡面流流態和增加坡面阻力系數，這與秦富倉等（2005）、趙春紅等（2013）的研究結果基本一致。在本研究中，白三葉冠層能顯著減小坡面流流速，不同雨強下平均減速效益為38.6%；根系雖能減小坡面流流速，但是與裸坡坡面流流速差異不顯著，不同雨強下減速效益僅為7.3%。顯然，冠層的減速作用大于根系，這與沙打旺根系的減速作用大于冠層（趙春紅等，2013）有所不同。其原因可能是白三葉匍匐地面生長，冠層跟地面接觸較多，且植被蓋度也高達85%有關，而趙春紅等（2013）研究的沙打旺蓋度僅為40%。由此可見，冠層的形態及其蓋度會影響其降低坡面流流速的作用，與地面接觸越多，蓋度越大，冠層對坡面流速的影響越大；根系由于處于地表以下，對坡面流速影響較小。

顯著增加地表阻力也是植被減少坡面土壤侵蝕的重要機理之一。本研究結果表明，完整植株坡面的阻力系數比裸坡高出152.7%～759.3%，根系坡面的阻力系數比裸坡高出23.0%～45.1%。由此看出，植被的增阻效益主要由冠層貢獻，占130.0%～717.8%，這與趙春紅等（2013）的研究結果類似。冠層的增阻作用遠大于根系，其原因可能是草本冠層直接覆蓋在地表，能直接改變坡面形態，大大增加坡面的形態阻力，甚至是坡阻力，而根系主要分布在地表以下，其對坡面阻力的影響主要通過增加土壤團聚體顆粒來提高坡面顆粒阻力，但是這種作用比較有限（趙春紅等，2013）。

綜上所述，根系的減沙效益高于冠層，而冠層的減速增阻效益高于根系。根系與冠層之間的減沙、減速和增阻效益之間貢獻的不一致，說明植被除了通過影響坡面徑流水動力學特征來減少坡面侵蝕，還通過增強土壤的抗侵蝕能力來減少坡面侵蝕，而植被增強土壤抗侵蝕能力主要通過根系來完成（Nilaweera et al.，1999；Gyssels et al.，2005；Reubens et al.，2007）。根系在提高團聚體穩定性，增強入滲能力，減小容重，改善質地，增加有機質等改良土壤內在性質方面具有重要作用（Moir et al.，2000；Gyssels et al.，2005）。根系對于土壤團聚體的積極影響包括：根系分泌物附著于細土粒表面使它們轉化為穩定的大團聚體；根系吸收水分使根際土壤干化，從而使土壤顆粒平行于根系聚集在一起；為土壤提供可分解的有機物，增加土壤有機質含量；支持根際大量的微生物和土壤動物；釋放多價陽離子并增加土壤水的離子濃度（Amézketa，1999）。根系通過穿透土壤層，增加土壤大孔隙和連續性孔隙，以及促進形成直徑2～5 mm水穩性團聚體，進而增加土壤入滲能力（ Li et al.，1992；甘卓亭等，2010）。在黃土高原，枯枝落葉層、生物結皮層和根系能夠減少98.9%的土壤沖蝕，其中根系起主要作用，占53.7%（Wang et al.，2014），這與本研究白三葉的減沙效益占完整植株減沙效益58.8%以上的結果類似。

表9　植被不同部位的增阻效益Table 9　The contribution on friction coefficient increase by different part of vegetation　%

3　結論

植被是控制土壤侵蝕的關鍵，采用人工模擬降雨的方式，研究了白三葉植被不同部位在紅壤坡面的減沙效應及其對坡面徑流水動力學參數的影響。研究結果表明：

（1）蓋度為85%的白三葉減沙效益達93.2%以上，根系、冠層的減沙效益分別為66.3%、31.0%，冠層和根系減沙效益差異明顯。植被能夠降低徑流的泥沙含量。

（2）植被對坡面徑流水動力學參數具有重要影響。白三葉能夠有效降低坡面徑流的流速，緩解坡面徑流流態，并增加坡面徑流的阻力系數，且冠層的減速和增阻作用比根系明顯。白三葉冠層平均減速效益為38.6%，而根系平均減速效益為7.3%。

（3）根系的減沙效益大于其減速和增阻效益，這與根系除了影響坡面徑流水動力學特征外，還能影響土壤性質、增強土壤抗侵蝕能力等有關。根系的減沙效益顯著，然而由于根-土-水之間的關系復雜，根系的減沙機理相對復雜，有待進一步深入研究。

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Effects of Different Parts of Trifolium repens L. on Sediment Reduction and Runoff Hydrodynamic Parameters

ZHANG Siyi1， LIANG Zhiquan1， XIE Zhenyue1， ZHUO Muning1， GUO Tailong1，LIAO Yishan1， WEI Gaoling1， LI Dingqing1，2
1. Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control//Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Sciences，Guangzhou 510650， China； 2. Guangzhou Branch of Chinese Academy of Sciences， Guangdong Academy of Sciences， Guangzhou 510070， China

Vegetation is a key factor controlling soil erosion， and it is of guiding significance for vegetation protection and restoration in soil and water conservation to study the effect and mechanism of sediment reduction by different parts of vegetation. Trifolium repens L. and red soil were chosen as experimental vegetation and soil in this study. The study was conducted under the artificial simulated rainfall， with a slope of 15° and three rainfall intensities （60， 120 and 180 mm·h-1）. The runoff and sediment process and flow velocity on slopes with entire plant， root and bare slopes were measured during the rainfall. The effect of the entire plant，canopy and root on the sediment and runoff hydrodynamic parameters was analyzed. The results show that the Trifolium repens L. with the coverage about 85% could reduce 97.3% sediment load， with 66.3%， 31.0% from the root and canopy， respectively； and the contribution of the root is significantly higher than that of the canopy. The vegetation can reduce runoff sediment concentration，especially in the initial stage of the rainfall. The vegetation could effectively reduce the flow rate by 38.6%， with 31.2%， 7.3% from the root and canopy， respectively； and the contribution of the canopy is significantly higher than that of the root. The vegetation had no significant influence on the Reynolds number， but did decrease significantly the Froude number， but the runoff was all laminar-tranquil flow. Vegetation can significantly increase the Darcy-Weisbach friction coefficient. The mean contributions on friction coefficient increase by canopy and root were 402.4% and 33.0% for canopy and root， respectively. The efficiency of increasing friction coefficient by vegetation decreased when the rainfall intensity increased. In conclusion， the Trifolium repens L. had a great effect on controlling the slope erosion. The canopy reduced slope erosion mainly through its effect on the runoff velocity and slope resistance. The efficiency of root was higher in sediment reduction than in runoff velocity reduction and resistance increase. The mechanism of vegetation controlling slope erosion is very complex， and the mechanism of sediment reduced by the root system needs to be further studied.

slope erosion； hydrodynamic parameters； red soil； root； canopy； Trifolium repens L.

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.008

S157； S173

A

1674-5906（2016）08-1306-09

國家自然科學基金項目（41501295）；廣東省科學院項目（qnjj201506；Sytz201501）；廣東省科技計劃項目（2013B091500077；2015B070701017）；水利部公益性行業專項經費項目（201501047）；廣東省院創新平臺建設專項

張思毅（1985年生），男，助理研究員，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持、生態水文和土壤水文研究。E-mail: syzhang@soil.gd.cn

2016-06-27

引用格式：張思毅， 梁志權， 謝真越， 卓慕寧， 郭太龍， 廖義善， 韋高玲， 李定強. 白三葉不同部位減沙效應及其對徑流水動力學參數的影響［J］. 生態環境學報， 2016， 25（8）: 1306-1314.