土壤侵蝕與植被系統相互作用規律研究

李 杰，卞 威

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 概述

因地形、氣候以及自然因素的影響，在我國出現了不同程度的水土流失問題[1]。植被作為生態系統中最重要的元素之一，與自然環境的循環再生能力、生態系統的抗災韌性能力息息相關。通過對植被系統的研究，充分地集合利用區域中的自然資源，從植被的角度出發控制水土流失問題，可以改善區域周邊的生態環境達到恢復生態系統穩定性的目的，進而構建一個與自然和諧相處的關系[2]。

目前國內外一些學者研究了植被對水土保持的效果進行了分析。余雙武等[3]采用薈萃分析方法，研究了典型草原植被和荒漠草原的植被地上生物量和植被蓋度，對該區域的水土保持生態效益進行綜合分析，為該區做好水土保持工作提供技術支撐；王利成等[4]基于土地利用分類成果和水文連通指數空間分布,探討了延河流域植被景觀和水文連通性的格局特征,并借助Geoda 軟件平臺基于空間自相關理論探究了植被格局與水土在空間上的相關性；廖凱濤等[5]依托GIS 和Fragstats 平臺與長時間系列水沙數據,運用植被覆蓋指數分析和統計學方法,分析流域植被系統和水沙變化特征及其相關性；王亞軍[6]基于遙感數據,使用增強型植被指數、歸一化植被指數等覆蓋度指標以及單一因素方差分析法對一個年度不同季節的植被動態變化進行研究；何苗苗等[7]選用雙環入滲法探究土壤入滲特性。以滇池流域典型植被覆蓋類型為研究對象，揭示土壤入滲特性及影響入滲的特征因子。

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區被分成兩個相似的實驗區域。香根草的種植在其中一個區域進行，而另一個區域未種植，用作對照試驗。當試驗進行90 d 后，在兩個試驗區域取出代表性土壤，進行了物理化學成分分析、氮吸附-脫附織構分析、土壤塑性指數分析以及土壤滲透性分析，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本次研究項目河道堤頂高程均為4.20 m。現有岸頂高程高于4.20 m 處則進行整平,讓地表雨水順利匯入河道,發揮河道的匯水功能,既經濟合理又安全可靠;低于高程4.20 m 處進行加高。工程范圍內村宅級河道無藍線,按照現場情況及河道斷面設計需求來進行平面布置,在支河口位置,采用圓弧段與支河順接。工程等級為Ⅲ等,永久性護岸為3級水工建筑物,圍堰等臨時建筑物為5 級水工建筑物。現狀村級河道之間溝通主要是靠管涵溝通,受涵管管徑的影響,村級河道之間水系溝通不暢,暴雨期間雨水排出不暢。為充分體現河道水生態系統的特點，使河道滿足生態系統的多樣性要求。因此考慮河道的下級邊坡不做硬質護砌，而常水位至河堤頂部的結構，在滿足岸坡穩定的前提下盡量采用有利于生物生存的生態護坡型式，為水生植物的生長、水生動物的繁育和棲息創造條件。

2 材料與研究方法

本次實驗從種植香根草開始，種植區為緊鄰河流域的一個邊坡，被分成兩個相似的實驗區域。香根草的種植在其中一個區域進行，而另一個區域未種植，用作對照試驗。試驗一共有75 株植物，分別以3 行25 株的排列方式種植，植物之間的間距為0.5 m。兩個邊坡的坡角約為40°，土壤為砂質黏土，礫石含量較低，表1 為土壤參數。當試驗進行90 d后，在兩個試驗區域取出代表性土壤樣本進行了更詳細的研究。

表1 土壤參數

3 試驗結果分析

3.1 物理化學成分分析

表2 給出了有香根草和無香根草土壤樣品的物理化學成分。由表可知，兩種土壤的pH 值在5～6范圍內，土壤表現出酸性，但種植香根草會導致土壤pH 值發生微小變化，其值較低，為5.89，產生原因可能與降雨有關。這種變化可能會影響一些元素的溶解度，有利于有機質的高度礦化。土壤略微酸化對土壤特性來說影響不大，因為香根草的生長在3～10.5 的pH 范圍內。兩種土壤可溶性鹽和石膏的含量均較低，但在種植香根草后，可以觀察到硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導率比普通土壤的電導率高2 dS/m，表明香根草對保持土壤鹽度的作用不大。此外，試驗還分析出在植物播種的作用下，土壤的陽離子交換容量值從高值（152～192）變為低值（11～16），因此香根草是土壤產生非常好的肥料。

表2 土壤樣品的物理化學成分分析

3.2 氮吸附-脫附織構分析

表3 給出了由固氮吸附和平均孔徑得出的比表面積值。由表可知，未種植香根草的土壤比表面積（單位：m2/g）為15.50（BET 方程）和21.25（Langmuir方程），而香根草樣本的值稍低，分別為11.68（BET）和16.04（Langmuir）。在這些樣本中，使用Langmuil模型通過氮吸附確定的比表面積值高于使用BET模型確定的比表面值。此外，使用Dolinar 的簡化方法確定非膨脹細粒土的外比表面積值沒有變化。

表3 土壤比表面積值（m2/g）

3.3 土壤塑性指數

通過測定塑性和顆粒尺寸進行織構分析。試驗結果得出在種植香根草后，土壤的塑性降低，塑性指數為7.9，土壤分類為砂石灰的砂石灰混合物，或具有中等塑性的砂石灰礫石，可使用BET 和Langmuir比表面積估計塑性指數。

3.4 土壤滲透性分析

為了比較植物對土壤水分入滲的影響，在裸土地塊和覆蓋植物的地塊上進行了兩次入滲試驗。使用雙環入滲儀進行試驗，以準確測量垂直入滲。測量時將兩個圓柱體垂直插入土壤中5 cm，然后用水膜填充。滲透深度在內圓柱體中測量，而外環限制滲透后的水橫向擴散。時間用測速儀記錄，土壤上方的水深度用測量桿測量。測量開始時，記錄時間以及內環中的水位（參考水位）。

當滲透水位達到特定深度時，水被注入內環，以將水重新填充至初始水位，因此在滲透試驗期間，水頭幾乎保持不變。試驗結果通過經典的Kostiakov-lewis 經驗模型進行分析，該模型被廣泛用于表征農業土壤中的滲透。該模型取決于經驗參數K（cm.min-n），n 值低于1。經驗參數f（cm.min-n）為固有滲透率。Kostiakov-Lewis 方程如下所示：

在該方程中，Ia是滲透水位，cm；t是滲透時間時間，min；通過使用最小二乘法進行非線性回歸，來對等式（1）中的三個經驗參數（K、n和f）進行擬合。

表4 給出了裸露土壤和香根草覆蓋的土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數，由表可知，最優擬合系數接近1，表明實驗數據與該模型非常吻合。未種植和種植香根草土壤的滲透測量結果如圖1 所示。由圖可知，由于研究區域為砂質黏土結構，研究區域透率較高，種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結果可能與土壤結構的改善和植物根系造成的壓實有關，同時植物冠層吸收水分也可導致的滲透速率的降低，對保護邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。

表4 土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數

圖1 土壤入滲速率（Ir）和累積入滲（Ic）曲線

4 土壤侵蝕防止措施

以下是有效控制侵蝕的一些常見策略，其中許多是再生農業理念的一部分。值得注意的是，合適的侵蝕控制處理方法應當是基于具體的侵蝕過程提出的。

（1）構建土壤有機質：土壤有機質由植物和動物物質分解組成，是幫助土壤粘合在一起并保持土壤固定的粘合劑。研究表明，將有機質從1%增加到3%可以減少20%～33%的侵蝕，可以提高土壤的持水能力。

（2）使用侵蝕控制墊：侵蝕控制墊這種地面覆蓋物通常由可生物降解的材料制成，用于保護土壤，并為裸露在地面上的植被生長提供支撐。這種侵蝕控制方法通常對太陽能發電場和建筑工地非常有效，因為這些地方大片土地荒蕪，容易受到風和水的侵蝕。

（3）實行免耕/少耕：這兩種方法能夠減少土壤侵蝕和徑流，有利于提高作物生產力和水質。免耕還可以幫助減少氮和其他重要土壤養分的損失。

5 結論

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區被分成兩個相似的實驗區域。香根草的種植在其中一個區域進行而另一個區域未種植，兩區域用作對照試驗。當試驗進行90 d 后，在兩個試驗區域取出代表性土壤，進行了物理化學成分分析、氮吸附-脫附織構分析、土壤塑性指數分析以及土壤滲透性分析。研究結果表明：

（1）種植香根草后，土壤硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導率比普通土壤的電導率高2 dS/m，表明香根草對保持土壤鹽度的作用不大。

（2）種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結果可能與土壤結構的改善和植物根系造成的壓實有關，同時植物冠層吸收水分也可導致的滲透速率的降低，對保護邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。