植被改善土壤侵蝕和水分流失效應分析

王 通

（六盤水市水利水電勘測設計研究院，貴州 六盤水 553000）

1 概述

如何解決水土流失問題是我國面臨的巨大挑戰。從災害角度來看，水土流失會增加地表徑流，當暴雨發生時，由于地面坡度大，坡面截流能力較差，會加大滑坡、泥石流等自然災害發生概率[1-3]。另一方面，水土流失同樣會造成生態惡化。因為土被侵蝕、被搬運，肥沃的表土被搬運至他處，徑流白白流失，導致土壤肥力下降、水資源缺乏，進而導致整個生態系統的變化。因此，采取適當的水土保持措施，對于減少災害發生頻率、改善生態環境具有重要作用[4]。

賈國賢[5]對渭干河灌區內麻扎干渠節水改造工程水土流失問題進行分析，提出水土流失量預測措施；牛文鵬等[6]對工程建設過程中的水土流失情況進行分析預測，提出具體水土保持防治措施；張佳威[7]利用ArcGIS 的ModelBuilder 構建基于加權疊加算法的土壤侵蝕強度類型自動繪制模型，對土壤侵蝕狀況進行現狀分析和影響評估；李瑞等[8]采用RUSLE 模型、Getis-OrdGi、地理探測器等方法，量化了石漠化強度評價因子與土壤侵蝕之間的關系；孫家新等[9]以沂水縣為研究對象，基于全國水土流失動態監測成果，對其土壤侵蝕時空變化特征及變化原因進行分析；王瑋娟[10]以汕頭至湛江高速公路項目為例，探討了水土流失現狀及防治措施。

植物種植是當前防治水土流失的重要措施，因其根莖具有較好的錨固作用，能夠增強土壤的抗沖蝕力，長期以來來被廣泛運用于水土保持項目中。本文以貴州省內水土流失重點觀察區域為例，采用當地根莖土壤進行了降雨侵蝕試驗，研究了不同根莖指標對土壤流失的影響，最后分析了根系防止土壤侵蝕機理和防治措施，研究方法可為相關工程提供參考。

2 研究區概況

本次研究區域位于貴州省內，研究土樣取自試驗站的草地、休耕地和部分植被覆蓋區。研究區域旱季較長，年平均降雨量為1850 mm，平均氣溫為28.4℃。該地區具有典型的紅土地貌和地形，海拔為20～85 m，土壤黏土含量分別為56%、24% 和20%，密度為1.82 g/cm3。取樣時使用錘子將剛盒（0.35 m 長、0.09 m 寬和0.08 m 深）打入土壤中，為了保護剛盒，在頂部放置木板防止剛盒變形。取樣后，將樣品放置（包含根系）在一個容器中，器皿水位恒定在土壤表面以下3.5 cm，允許水在土壤毛細管中緩慢上升8 h，使得所有樣品具有相似的土壤水分含量，最后采樣后所有樣品都在常溫（20～25 ℃）下儲存。

3 研究方法

本次土壤流失試驗采用侵蝕模擬器進行，水槽長1.82 m、寬0.94 m，其底部有一個開口，與金屬樣品箱的尺寸（長35 cm、深9 cm、寬8 cm）保持一致，使帶有根系的土壤表面與水槽表面處于同一水平。土壤侵蝕盤的坡度為15°，帶有單中心噴嘴以模擬自然降雨，降雨流速為9～10 L/min。為了收集多余的水和被侵蝕的土壤，本研究還在侵蝕盤的底部放置了測量桶。測量桶每3 min 更換1次，以了解含沙量的變化。所有收集到的水和泥沙隨后被帶到實驗室，對徑流水量和泥沙濃度進行詳細分析。每次試驗持續1.5 min，在桶中收集徑流和沉積物，試驗結束后將桶中水進行靜置，直到懸浮沉積物沉淀，然后用虹吸管吸出清水，將沉淀物轉移到玻璃中，并在105 ℃下干燥，放置8 h 后稱重。土壤抗侵蝕指數計算公式如下：

式中：AS為土壤抗侵蝕指數；f為流速（L/min）；t為沖刷時間（min）；W為烘干沉積物的重量（g）。

土壤AS越高，土壤抗侵蝕性越強。為測得根系對土壤流失的影響，每次試驗后，通過在低水壓下噴水將根系從土壤中分離，然后測量每個樣品的根密度。根密度RD是土壤樣品的根質量和體積之比，其計算公式為：

式中：MD為干燥根系的質量（g）；V為樣品箱的體積（cm3）。

另一方面，根長密度RLD表示根的總長度除以根滲透土壤的體積，其計算公式為：

式中：LR為根系長度（cm）；V為樣品箱的體積（cm3）。

根表面積密度RSAD表示土壤與根系表面接觸的總面積，其計算公式為：

式中：N為根數；D為平均根直徑（cm）；RL為平均根長（cm）。

4 試驗結果分析

本次試驗結果使用LSD（最小顯著性差異）程序在0.01 顯著性水平上進行多范圍分析，確定土壤抗侵蝕性和植物根系之間的關系。分析時，通過非線性回歸方法研究土壤抗侵蝕指標AS與根密度RD、根長密度RLD和根表面積密度RSAD之間的關系，回歸結果用衰減系數來評價。AS與根系各指標之間的數學關系，如圖1—3 所示。由圖1—3 可知，AS分別隨RD、RLD和RSAD增大而增大，不同植被的根直徑差異很大，對土壤抗侵蝕性的影響也不同，不同根系直徑參數下AS相差7 L/g 左右。當RD為1，AS為3 L/g；當RD為8.5，AS為9.5 L/g 左右。當RLD為2.2，AS為3.1L/g；當RLD為8.5，AS為9.5 L/g 左右。當RSAD為0.1，AS為3.5 L/g；當RSAD為1，AS為9.5 L/g左右。

圖1 土壤抗侵蝕指數與根密度關系

圖2 土壤抗侵蝕指數與根長密度關系

圖3 土壤抗侵蝕指數與根表面積密度關系

5 根系抗侵蝕機理分析及防治措施

由試驗結果可知，植物根系能夠較好地提高土壤抗侵蝕性，這是由于植物根系間的錨固作用，能夠增強植物根系與土壤間的凝聚力，從而增強土壤的抗沖蝕力。同時，根系也通過分泌物質來改變土壤，將土壤粘在一起來提高土壤的抗侵蝕性。根尖上通常有十分細小的毛須，隨著根的成熟，毛須會改變根部周圍的土壤，使其更穩定、更容易附著，因此種植植物對土壤流失防治具有重大意義。

對于將來土壤防治措施，建議種植以下植物和樹木。首先是灌木，該品種是中小型多年生植物，與樹木具有共同特征。灌木通常是耐寒植物，由于其強壯的根系和濃密的花朵，是保護周圍土壤免受強風、陽光和傾盆大雨侵襲的較好選擇。其次，種植當地草生植物也是控制土壤侵蝕的最佳選擇之一，因為它的須根能夠迅速深入土壤并生長蔓延，能很好地防治土壤侵蝕。

總之，種植地被、灌木、草和樹木等植物均是有助于防止土壤侵蝕的天然解決方案，該種方法不僅能夠防止土壤顆粒流失，同時也能夠防止土壤營養流失，因此值得推廣應用。

6 結論

水土流失會增加地表徑流，造成生態惡化，導致土壤肥力下降、水資源缺乏，因此采取適當的水土保持措施具有重要作用。本文以貴州省內水土流失重點觀察區域為例，采用當地根莖土壤進行了降雨侵蝕試驗，研究了不同根莖指標對土壤流失的影響，最后分析了根系防止土壤侵蝕機理和防治措施。結果表明，土壤抗侵蝕指標分別隨根密度、根長密度和根表面積密度增大而增大，不同植被的根直徑差異很大，對土壤抗侵蝕性的影響也不同，不同根系直徑參數下土壤抗侵蝕指標相差7 L/g左右。因此，植物根系能夠較好地提高土壤抗侵蝕性，增強植物根系與土壤間的凝聚力，從而增強土壤的抗沖蝕力，值得推廣應用。