高動能降雨條件下植被對土壤侵蝕速率的影響

［關鍵詞］ 土壤侵蝕速率；根系密度；高動能降雨；石門小流域

［摘要］ 利用降雨模擬器，通過對比試驗分析高動能降雨條件下石門小流域植物對土壤侵蝕速率的影響，為科學治理水土流失問題提供依據(jù)。結果顯示，土壤孔隙度與根系密度呈正相關關系（p＜0.05），土壤容重與根系密度呈負相關關系（p＜0.001），植被地上部分對土壤侵蝕速率有較大影響，而植物根系對土壤侵蝕速率影響較小。

［中圖分類號］ S157.1［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）06－0064－03

具有高動能的雨滴促使土壤飛濺剝離，破壞土體結構，并在土壤表面形成了一個相對封閉的土層，導致坡面徑流增強，引起坡面水土流失。許多研究表明，植被地上部分的水土保持功能主要包括冠層的截留和枯枝落葉層的涵水作用，而植物根系在穩(wěn)定土壤結構、提高土壤抗蝕性、防治土壤侵蝕方面具有重要作用，土壤侵蝕速率與根系密度之間存在一定聯(lián)系，但具體的關系尚未有明確定論［1-4］。本研究利用降雨模擬器，分析高動能降雨條件下，石門小流域不同植被條件下的土壤物理性質(zhì)、徑流比、土壤侵蝕速率及沉積物濃度等，探討植物根系對土壤物理性質(zhì)和土壤侵蝕速率的影響，旨在指導流域水土流失防治工作，促進區(qū)域水土保持高質(zhì)量發(fā)展。

1試驗方案

1.1研究區(qū)概況

石門小流域位于山東省臨沂市沂水縣院東頭鎮(zhèn)境內(nèi)，屬北方土石山區(qū)水力侵蝕區(qū)，土壤侵蝕嚴重，侵蝕形式以面蝕為主［5-6］，流域面積32.02 km2，2021年水土流失面積1 269.46 hm2。流域內(nèi)水利設施不健全，多數(shù)梯田年久失修、生產(chǎn)力低下，農(nóng)業(yè)用水困難，生產(chǎn)道路受暴雨徑流沖刷，損毀嚴重。

1.2試驗裝置

1.2.1土壤箱植物培育

2019年7月于石門小流域某斜坡采集土壤樣品，土壤樣品由13%的黏土、70%的淤泥和17%的沙子組成。試驗所用的土壤箱長37 cm×寬25 cm×高13 cm，放入土壤并壓實，土壤堆高7 cm。在箱底鉆孔110個、箱前部鉆孔9個（每個直徑1 cm），排出徑流（圖1）。在土壤箱內(nèi)種植草本植物（三葉草和燕麥草），在先前壓實的土壤上添加混合了種子的土壤，使總高度達到9 cm，然后再次壓實土壤。土壤箱放置于實驗室坡度為30°的坡面上，用噴霧器每天澆水，持續(xù)20～30 d。試驗共設置30個土壤箱，分為3種類型進行對比分析：①植被AB，植物生長后不經(jīng)過任何處理，具有地上部分和地下部分，土壤箱數(shù)量為10個；②植被地下部分A，去除植物地上部分只保留植物地下部分，土壤箱數(shù)量為16個；③裸土NO，去除所有植被只保留裸土，土壤箱數(shù)量為4個。

1.2.2高動能模擬降雨器

本研究使用的降雨模擬器見圖2。儲存在水箱中的水被泵送至噴嘴處釋放，噴嘴設置在土壤箱上方4 m處，土壤箱放置在坡度為30°的斜坡上。水斜向上噴射，從大約5 m的高度落入土壤箱中。連續(xù)向水箱供應自來水，以保持恒定的水位。在閥門和噴嘴中間設置速度測量器用以監(jiān)測和調(diào)整水量。每次模擬降雨時間為連續(xù)的1 h，每次試驗時在土壤箱的4個角分別放置1個帶有漏斗（直徑為11.5 cm）的儲水瓶，根據(jù)儲水瓶的平均水量測定模擬降雨量，降雨量范圍在125～180 mm。同時測定各土壤箱根系密度、土壤孔隙度、土壤容重等數(shù)據(jù)。

2結果與分析

2.1土壤孔隙度和土壤容重

土壤孔隙度、土壤容重與植物根系密度的關系分別見圖3、圖4。所有土壤箱的土壤孔隙度范圍在42%～53%，土壤孔隙度與根系密度呈顯著的正相關關系（p＜0.05）。所有土壤箱的土壤容重范圍在1.09～1.32 g/cm3，土壤容重與根系密度呈顯著的負相關關系（p＜0.001）。 苗德志：高動能降雨條件下植被對土壤侵蝕速率的影響植物根系的存在會引起土壤孔隙度的增加和土壤容重的減少。

2.2土壤侵蝕速率

土壤侵蝕是雨滴下落形成徑流，徑流輸送泥沙的過程，土壤侵蝕速率的確定分為分離和輸送兩個過程。分別統(tǒng)計各類型土壤箱的土壤侵蝕速率（圖5）和沉積物濃度（圖6），可以更好地分析植物根系對土壤侵蝕的影響。結果顯示：①3種類型土壤箱的土壤侵蝕速率從高到低表現(xiàn)為NO＞A＞AB，沉積物濃度從高到低表現(xiàn)為NO＞A＞AB。②NO中各土壤箱的土壤侵蝕速率和沉積物濃度變化差異較大，明顯高于其他類型。③AB的土壤侵蝕速率和沉積物濃度明顯小于NO，植被地上部分對土壤侵蝕速率的影響較為明顯，植物根系對土壤侵蝕速率的影響較小。

3結論

利用降雨模擬器模擬高動能降雨條件，在石門小流域開展植物對土壤侵蝕速率影響的對比試驗，通過設置3種類型（植被AB、植被地下部分A、裸土NO）共30個土壤箱，測定土壤箱的根系密度、土壤孔隙度、土壤容重、土壤侵蝕速率和沉積物濃度，進行植物根系密度與土壤孔隙度、土壤容重的相關性分析，對比3種類型土壤箱的土壤侵蝕速率和沉積物濃度，結論如下：①植物根系對土壤物理性質(zhì)有較大影響，土壤孔隙度與根系密度呈顯著的正相關關系（p＜0.05），土壤容重與根系密度呈顯著的負相關關系（p＜0.001）；②土壤侵蝕速率從高到低表現(xiàn)為NO＞A＞AB；④AB的土壤侵蝕速率和沉積物濃度明顯小于NO，植物根系對土壤侵蝕速率的影響不明顯，這可能與模擬情形是高動能降雨條件有關。

［參考文獻］

［1］ 李燦，曾和平.不同空間尺度下植被覆蓋對土壤有機碳流失的影響研究進展［J］.云南大學學報（自然科學版），2019，41（1）：194-204.

［2］ 肖洋，歐陽志云，徐衛(wèi)華，等.基于GIS重慶土壤侵蝕及土壤保持分析［J］.生態(tài)學報，2015，35（21）：7130-7138.

［3］ 熊燕梅，夏漢平，李志安，等.植物根系固坡抗蝕的效應與機理研究進展［J］.應用生態(tài)學報，2007，18（4）：895-904.

［4］ 劉定輝，李勇.植物根系提高土壤抗侵蝕性機理研究［J］.水土保持學報，2003，17（3）：34-37，117.

［5］ 樊彥國，韓志聰，李倩倩，等.基于GIS和CSLE的土壤侵蝕定量評價：以山東省臨沂地區(qū)為例［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44（11）：439-442.

［6］ 王鴻成，陳磊.臨沂市土壤侵蝕的經(jīng)濟損失分析［J］.資源開發(fā)與市場，2013，29（6）：633-636，673.

［作者簡介］ 苗德志（1977—），男，山東沂水人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)督管理工作。

［收稿日期］ 2021-04-29

（責任編輯李佳星）