石質(zhì)邊坡枯枝落葉層的水土保持功能研究

韓瑞宏，趙 江，梁建華，王明祖，劉 萍，陳 平

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 園藝園林學院，廣州510225；2.順德區(qū)大良農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查站，廣東 佛山528300）

石質(zhì)邊坡是非常特殊而極端的一類生境，石質(zhì)邊坡大多坡度大，建植植被的土壤有限，植物可利用的基質(zhì)很少，在強降水情況下極易發(fā)生水土流失，危害生態(tài)安全。枯枝落葉層在石質(zhì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位，枯枝落葉直接覆蓋地表，可以防止雨滴打擊，增加降水入滲［1－2］。同時枯枝落葉能增加地表層的粗糙度，減緩及減少地表徑流，防止土壤沖刷［3］。枯枝落葉層是生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)［4］，枯枝落葉的分解產(chǎn)物能改善土壤性狀，增加土壤有機質(zhì)［5］，對石質(zhì)邊坡土壤發(fā)育和改良具有重要意義。目前，國內(nèi)外學者對枯枝落葉層蓄積量［6］、水土保持效益［7］、枯落物的養(yǎng)分含量［8］、分解因子［9］、枯枝落葉層下土壤養(yǎng)分等［7］進行了系列研究，但目前對人工復綠的石質(zhì)邊坡其枯枝落葉層水土保持功能的研究還未見報道。近年來，隨著房地產(chǎn)、水利、公路等施工項目的增加，廣東省產(chǎn)生了大量陡峭裸露的巖質(zhì)邊坡，增加了發(fā)生次生地質(zhì)災害的安全隱患，石質(zhì)邊坡的修復和綠化迫在眉睫。本研究探討石質(zhì)邊坡枯枝落葉的水土保持功能，以期為石質(zhì)邊坡生態(tài)恢復提供科學參考依據(jù)。

1 研究材料及方法

1.1 研究地概況

大睡牛崗為石質(zhì)邊坡，位于廣東省順德區(qū)大良街道舊寨村，年平均溫度為22.5℃，1月平均溫度為13.3℃，7月平均溫度為28.9℃，年均降雨量1 649.9 mm［10］。崩崗區(qū)位于大睡牛崗的北側(cè)邊坡，坡頂最高點地理位置為113°16′58″E，22°48′41″N。2009—2010年先后通過格構梁工程和植物工程措施錨固坡面，復綠2a后植被覆蓋率達98%［11］。

1.2 試驗材料

試驗于2013年10月進行。試驗材料取自大睡牛崗石質(zhì)邊坡，按邊坡的格構梁工程特點，根據(jù)該護坡工程修筑的四段階梯將邊坡劃分為：平臺（海拔4 m，坡度0°）、下坡（海拔16m，坡度30°）、中坡（海拔33m，坡度45°）及上坡（海拔47m，坡度45°），采樣點分布示意圖見圖1。每一坡位選取0.5m×0.5m的樣方15個，用直尺測定樣方內(nèi)枯枝落葉層厚度，收集樣方內(nèi)的枯枝落葉，裝入黑色塑料袋中并封口。在收集完枯枝落葉的樣地中取土樣（取樣方法見1.3.5）。回到實驗室后將每坡位15個樣方的枯枝落葉混勻后，立即進行相關指標測定。各坡位的主要植被及枯枝落葉層厚度見表1。

圖1 大睡牛崗采樣點分布

表1 大睡牛崗主要植被

1.3 試驗方法

1.3.1 枯枝落葉吸水速率的測定 參照黃承標等［5］的方法加以改進，將烘干的枯枝落葉等重（74g）置于透水性良好的布袋中并封住袋口，將布袋浸泡于清水中。0～30min時段內(nèi)，每隔10min提起稱重；30～120min（2h），每隔30min提起稱重；2～6h，每隔60min（1h）提起稱重；6～12h，每隔2h提起稱重；12～24h，每隔6h提起稱重，每組3次重復。

1.3.2 枯枝落葉蓄積量與最大持水量的測定 稱量枯枝落葉濕樣（質(zhì)量為M），稱重后置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重（質(zhì)量為M0），根據(jù)M0計算單位面積枯枝落葉的蓄積量。計算枯枝落葉自然含水率M1，M1＝（M－M0）／M×100%。將烘干樣品置于布袋，放入清水中浸泡48h后提起，待無滴水時稱重（質(zhì)量為M2），計算枯枝落葉最大凈持水量M3，M3＝M2－M0，將最大凈持水量換算成體積（v），利用單位面積（s）計算出枯枝落葉截留的降水深度h，即h＝v／s。

1.3.3 徑流流出時間 參照趙鴻雁［7］等、王丹丹等［12］的方法加以改進，采用室內(nèi)模擬沖刷法，用白鐵皮自制沖刷模擬裝置（圖2），給水槽長10cm、寬10 cm、高10cm，給水槽前方設一流水擋板，擋板底部與給水槽底部有很好的密合性并可以自由取下。流水槽長50cm、寬10cm、高10cm。在流水槽中分次裝入不同厚度吸水飽和的枯枝落葉（0cm，1cm，2cm，3cm），在30°坡度下，分別向給水槽中慢慢注入1mm，2mm，3mm 深徑流量（50ml，100ml，150ml水量），注入完畢后拿下流水擋板，使水流進入流水槽（這樣可以保證進入流水槽的水流初速度為0），在流水槽末端測定出水時間。

1.3.4 土壤侵蝕量測定 模擬沖刷裝置同上，流水槽內(nèi)裝入石質(zhì)邊坡表土，使土壤容重達到1.6g／cm3，土層厚度2cm，沖刷前在不淹沒土樣頂部的前提下，浸泡土樣12h。流水槽上覆蓋吸水飽和的枯落落葉，枯落物厚度為2cm。流水槽坡度為30°，以流水槽徑流深度1cm的水量（500ml）倒入給水槽，拿下流水擋板，使水流進入流水槽，用杯口直徑123mm，容量為1 000ml的大燒杯在流水槽底部收集流出的泥水，室內(nèi)靜置沉淀，將泥沙烘干稱量，即流水槽的土壤侵蝕量。

圖2 試驗模式圖

1.3.5 石質(zhì)邊坡土壤理化性質(zhì)測定 在收集完枯枝落葉的樣地中采用環(huán)刀法在土層0—5cm，5—10 cm，10—15cm處取樣，重復3次。土壤容重＝環(huán)刀內(nèi)干土重／環(huán)刀體積；總孔隙度＝（1－容重／比重）×100%，比重取2.65［13］。土壤毛管持水量＝環(huán)刀內(nèi)水分重量／環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量×100%［14］。毛管孔隙度＝毛管持水量×容重，非毛管孔隙度＝總孔隙度—毛管孔隙度［15］。收集完枯枝落葉的樣地中取0—15cm土樣，并按等體積混合，風干后按四分法取1kg左右樣品用于測定土壤化學性質(zhì)，參照林波等［16］的方法測定。

2 結果與分析

2.1 枯枝落葉吸水量隨時間的變化

由圖3可知，枯枝落葉在浸水的0～10min吸水速率最快，吸水量占最大吸水量的52%～60%，10 min～4h吸水量達到最大吸水量的80%～88%。浸水18h后，枯枝落葉基本達到飽和吸水狀態(tài)，吸水量與24h無明顯變化。中坡枯枝落葉吸水量小于其他坡位，浸泡10min，中坡枯枝落葉吸水量為60.9g，其他坡位枯枝落葉吸水量均在70g以上，浸泡24h，中坡枯枝落葉吸水量為101.3g，而其他坡位枯枝落葉吸水量為135g左右。

圖3 枯枝落葉吸水量隨時間的變化

2.2 枯枝落葉蓄積量與最大持水量

根據(jù)樣方內(nèi)枯枝落葉干重換算各坡位枯枝落葉單位蓄積量，由表2可知，下坡枯枝落葉蓄積最大為322.33g／m2，平臺次之，上坡枯枝落葉蓄積量最小為117.33g／m2。由表3可以看出，中坡枯枝落葉自然含水率最小，上坡枯枝落葉自然含水率最大。就枯枝落葉最大凈持水率而言，各坡位均高于60%，其中上坡最大為75.23%。大睡牛崗各坡位枯枝落葉的最大凈持水量均在350g／m2以上，其中下坡的最大凈持水量最大，為723.40g／m2，是自身干重的2.2倍，相當于0.72mm的降水深度。

2.3 枯枝落葉滯緩徑流時間

由圖4可以看出，未覆蓋枯枝落葉，流水槽徑流流出時間非常短，小于1s。而在枯枝落葉覆蓋下，流水槽徑流流出時間延長。以徑流深度1mm，枯枝落葉3cm為例，流水槽徑流流出時間能達到14s。總體上，隨枯枝落葉厚度的增加，徑流流出時間增大。以徑流深度1mm，下坡枯枝落葉覆蓋的流水槽為例，枯枝落葉厚度1cm，2cm，3cm，流水槽徑流流出時間分別為未覆蓋枯枝落葉流水槽的13倍、21.83倍、23.33倍。總體上，隨徑流深度的增加，徑流流出時間變短。以下坡枯枝落葉厚度1cm為例，當徑流深度從1mm增至3mm時，徑流流出時間分別為7.8s，5.8s和5.2s。在相同徑流深度、相同枯枝落葉厚度下，不同坡位的枯枝落葉滯緩徑流時間亦不同。總體上，下坡及中坡枯枝落葉滯緩徑流的效果好于平臺及上坡。

表2 枯枝落葉蓄積量

圖4 不同徑流深度下枯枝落葉層厚度對徑流流出時間的影響

2.4 枯枝落葉減少土壤侵蝕量

枯枝落葉能極大地削弱雨滴對裸露地表的徑流沖刷。由圖5可知，徑流深度1cm，坡度為30°時，對照（未覆蓋枯枝落葉的流水槽，面積500cm2）土壤侵蝕量達到6.62g，而覆蓋2cm厚的枯枝落葉可大大減少流水槽的土壤侵蝕，提高抗沖性。與對照相比，平臺枯枝落葉可減少62.23%的土壤侵蝕量，下坡、中坡、上坡的枯枝落葉可減少87.80%以上的土壤侵蝕量。

圖5 枯枝落葉對土壤侵蝕量的影響

2.5 枯枝落葉對石質(zhì)邊坡土壤的改良作用

枯枝落葉使營養(yǎng)物質(zhì)貯存起來，在微生物作用下，將營養(yǎng)元素不斷地歸還給土壤［17］。大睡牛崗上的土壤為廢棄苗圃大田表土與泥炭土按10∶1混合的客土，種植植物前土壤的化學性質(zhì)見表4。種植植被3a后，由于枯枝落葉的分解，石質(zhì)邊坡土壤的pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效鉀含量均有所提高。除中坡外，其他坡位有效磷含量均高于未種植被前。不同坡位間相比，上坡和下坡枯枝落葉對土壤的改良效果好于平臺和中坡，由表1可知，上坡和下坡豆科植被較多。

由表5可知，同一坡位，總體上隨著土層深度的增加，土壤容重增大。不同坡位土壤容重不同，平臺和中坡土壤容重高于下坡和上坡。有研究表明，土壤容重值為1.1～1.4g／cm3，土壤松緊程度比較適宜［18］。大睡牛崗下坡和上坡土壤容重較適宜，而平臺和中坡土壤容重相對較大。

土壤孔隙度是土壤養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的傳輸通道。有研究認為，土壤中總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1／5～2／5時，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)［19］。本研究中，除下坡和上坡0—5cm土壤總孔隙度大于50%，平臺10—15cm土壤總孔隙度小于50%外，其他坡位和土層土壤總孔隙度均在50%左右。除下坡10—15cm非毛管孔隙較小外，其他坡位和土層非毛管孔隙均占總孔隙度的1／5～2／5（見表5）。總體上，隨著土層深度的增加總孔隙度呈下降趨勢，而不同坡位間則表現(xiàn)為下坡和上坡土壤總孔隙度和非毛管孔隙高于平臺和中坡。

表4 大睡牛崗土壤化學性質(zhì)

表5 大睡牛崗土壤物理性質(zhì)

3 結論與討論

大睡牛崗枯枝落葉對降水具有較強的吸收作用，枯枝落葉浸泡在水中的前10min吸水量已經(jīng)達到總吸水量的50%以上，這一結果與黃承標等人對桉樹林地枯枝落葉層吸水特性的研究結果一致，說明降雨時枯枝落葉層能快速吸收水分［5］。而枯枝落葉的吸水過程至18h左右才達到飽和狀態(tài)，說明枯枝落葉層對降水有較長時間的吸收能力，對于分散、阻滯地表徑流的形成，增加水分下滲意義重大。大睡牛崗枯枝落葉具有較大的持水能力，對于保持水土，防止表土蒸發(fā)以及水分下滲有著十分重要的作用。中坡枯枝落葉自然含水率小于其他坡，推測可能與中坡種植較多的陰香、鵝掌柴、水鬼蕉等植物有關，陰香的葉片革質(zhì)，鵝掌柴、水鬼蕉葉片較厚，枯落后分解較慢，阻礙吸水［20］。在4個坡位中，下坡枯枝落葉的蓄積量及最大凈持水量均較大，說明枯枝落葉貯存水量的多少與枯枝落葉的蓄積量有關。

枯枝落葉層能有效滯緩地表徑流，其滯緩徑流時間與枯落物的厚度、坡度和徑流深度等因素有關。本研究中，隨枯枝落葉層厚度的增加，枯枝落葉滯緩徑流時間延長。隨徑流深度的增加，枯枝落葉滯緩徑流時間減少。

枯枝落葉覆蓋能減少石質(zhì)邊坡坡面土壤侵蝕，枯枝落葉減少土壤侵蝕的能力可能與枯枝落葉的形狀有關。本研究中，平臺枯枝落葉減少坡面土壤侵蝕的效果較差。平臺上的灌木和草本植物較多，尤其是白茅、類蘆等禾本科草本植物較多，禾本科植物枯落物葉狹窄、細長，與水的接觸面積小，導致其保水能力較差，土壤侵蝕量極顯著地大于其他坡。

枯枝落葉層和植物根系層直接參與對土壤的改良。深層的土壤改良主要與植物根系有關，而地表土壤的改良則主要與枯枝落葉層有關，枯枝落葉是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還的主要途徑［21－22］。本研究中，在枯枝落葉作用下，土壤表層（0—15cm）化學性質(zhì)改善，有機質(zhì)、堿解氮、有效鉀、有效磷含量提高，土壤肥力增強。本研究未測定種植植被初期石質(zhì)邊坡土壤的物理性質(zhì)，因此無法對比種植前后枯枝落葉層對土壤物理性質(zhì)的改良效果，但不同坡位間土壤物理性狀差異很大。與平臺和中坡相比，下坡和上坡土壤容重小，總孔隙度大，非毛管孔隙大。下坡和上坡除土壤物理性質(zhì)好于平臺和中坡外，土壤的化學性質(zhì)亦好于平臺和中坡。由表1可知，下坡和上坡豆科植物較多，豆科植物枯枝落葉中蛋白質(zhì)含量高，纖維素含量少，分解速率快，能加快有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的積累［23］，因此，下坡和上坡土壤的有機質(zhì)、堿解氮等營養(yǎng)物質(zhì)高于平臺和中坡，而土壤有機質(zhì)含量增加可提高土壤通氣性，改良土壤的物理性質(zhì)。

［1］ 吳欽孝，趙鴻雁，韓冰.黃土高原森林枯枝落葉層保持水土的有效性［J］.西北農(nóng)林科技大學學報，2001，29（5）：95－98.

［2］ 李廣，黃高寶.雨強和土地利用對黃土丘陵區(qū)徑流系數(shù)及蓄積系數(shù)的影響［J］.生態(tài)學雜志，2009，28（10）：2014－2019.

［3］ 薛立，何躍君，屈明，等.華南典型人工林凋落物的持水特性［J］.植物生態(tài)學報，2005，29（3）：415－421.

［4］ 王婧，聶晶，張立敏，等.昆明樹木園枯枝落葉層無脊椎動物群落多樣性［J］.生態(tài)學雜志，2012，31（12）：3144－3149.

［5］ 黃承標，楊鈣仁，魏國余，等.桉樹林地枯枝落葉層的水文特性及養(yǎng)分貯量［J］.福建林學院學報，2011，31（4）：289－294.

［6］ 張冀，汪有科，吳欽孝.黃土高原幾種主要森林類型的凋落及其過程比較研究［J］.水土保持學報，2001，15（5）：91－94.

［7］ 趙鴻雁，吳欽孝，劉國彬.黃土高原人工油松林枯枝落葉層的水土保持功能研究［J］.林業(yè)科學，2003，39（1）：168－172.

［8］ 林德喜，樊后保.馬尾松林下補植闊葉樹后森林凋落物量、養(yǎng)分含量及周轉(zhuǎn)時間的變化［J］.林業(yè)科學，2005，41（6）：7－15.

［9］ Poll C，Marhan S，Ingwersen J，et al.Dynamics of litter carbon turnover and microbial abundance in a rye detritusphere［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2008，40：1306－1321.

［10］ 梁紅，馮穎竹，王英強，等.廣東省順德古銀杏的初步研究［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2003，11（1）：127－129.

［11］ 陳平，梁建華，韓瑞宏，等.順德裸露石質(zhì)邊坡復綠植物多樣性及群落演替分析［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學，2013，17：155－159.

［12］ 王丹丹，張建軍，丁楊，等.晉西黃土區(qū)退耕林地土壤抗沖性研究［J］.水土保持學報，2014，28（3）：14－18.

［13］ 馬海霞，王柳英.7種混播組合對公路邊坡土壤物理性質(zhì)改善的比較［J］.青海大學學報：自然科學版，2007，25（2）：18－21.

［14］ 曹鶴，薛立，謝騰芳，等.華南地區(qū)八種人工林的土壤物理性質(zhì)［J］.生態(tài)學雜志，2009，28（4）：620－625.

［15］ 丁松，應學亮，呂丹，等.贛南飛播馬尾松林林下植被蓋度對土壤質(zhì)量的影響［J］.水土保持研究，2014，21（3）：31－36.

［16］ 林波，劉慶，吳彥，等.川西亞高山針葉林凋落物對土壤理化性質(zhì)的影響［J］.應用與環(huán)境生物學報，2003，9（4）：346－351.

［17］ 郭繼勛，祝廷成.羊草草原枯枝落葉積累的研究：枯枝落葉積累對草原生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)力的作用［J］.草業(yè)科學，1994，11（4）：15－16.

［18］ 黃進勇，嚴力蛟，王兆賽.紅壤小流域不同土地利用方式下的水土流失特征［J］.浙江大學學報：農(nóng)業(yè)與生命科學版，2002，28（l）：78－52.

［19］ 趙筱青，和春蘭，許新惠.云南山地尾葉桉類林引種對土壤物理性質(zhì)的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（11）：1810－1816.

［20］ 楊曾獎，曾杰，徐大平，等.森林枯枝落葉分解及其影響因素［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16（2）：649－654.

［21］ Scott N A，Binkley D.Foliage litter quality and annual net N mineralization：comparison across North American forest sites［J］.Oecologia，1997，111（2）：151－159.

［22］ 姜紅梅，李明治，王親，等.祁連山東段不同植被下土壤養(yǎng)分狀況研究［J］.水土保持研究，2011，18（5）：166－170.

［23］ 李志安，鄒碧，丁永禎，等.森林凋落物分解重要影響因子及其研究進展［J］.生態(tài)學報，2004，23（6）：77－83.