草被地上部分水土保持作用研究進展

張曉艷，周正朝，黨珍珍

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

草被地上部分水土保持作用研究進展

張曉艷，周正朝，黨珍珍

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

土壤侵蝕；草地植被；冠層；枯落物

草地植被的地上部分具有覆蓋、保護地表，截留降雨和削弱雨滴侵蝕能力的作用，在保水護土方面發揮著重要作用。為探討草被地上部分的水土保持效應，在系統分析國內外有關草被地上部分控制侵蝕營力研究的基礎上，歸納并總結了草被冠層及枯落物對降雨動能和坡面流侵蝕能力的影響、草被蓋度與土壤侵蝕的關系、草被地上部分對土壤理化性狀的影響等方面的最新研究進展，并提出了一些今后有待深入研究的問題。

在實踐上為水土流失地區草地植被的建設和生態恢復提供科學依據。

1 草被地上部分對降雨擊濺作用的影響

降雨對地表的打擊力是土壤濺蝕的直接作用力[14]。當雨滴降落到地表時，其動能直接傳遞給地表，使土壤顆粒發生飛濺，而與喬灌類植物相比，草被高度相對較低，緊附地表，可以更有效地減小雨滴動能、減少雨滴濺蝕量和土壤濺蝕程度。Ghidey和Alberts[9]認為土壤濺蝕量是降雨動能與土壤可蝕性的函數，且與雨滴動能呈正相關關系。李鵬[15]研究發現，草被的冠層能夠截留降雨、削減降雨動能，防止和減少擊濺侵蝕的發生發展。劉曉路等[16]研究得出，草被的莖葉、腐殖質層(包括落葉層、根莖交界面)能夠削弱雨滴濺蝕；同時發現，在水流有一定流速的情況下，土工網墊形成的植物復合保護層具有良好的消能和促進落淤的作用。

在草被地上部分影響降雨擊濺侵蝕機理方面，韓永偉等[17]根據不同下墊面條件下的相對雨滴能量預測公式EC=1-[(Et-Eh)/Et]FC做了相關研究。公式中，EC代表植被覆蓋下的雨滴相對能量，Et為單位面積上以末速度降落的雨滴動能，Eh為單位面積上從高為h的覆蓋層上降落的雨滴動能，FC為植被蓋度。從式中可以看出，植被高度和蓋度對降雨能量具有較大影響。由于草被的平均高度和平均蓋度分別是農作物的88.27%、1.52倍，經分析得出，草地植被覆蓋下的雨滴相對能量EC較小，因此同等條件下坡草地的土壤受雨滴侵蝕作用小于坡耕地，坡草地的土壤濺蝕量也小于坡耕地。同時，草地植被的蓋度、留茬高度和粗糙度平均值都比同時期農田土壤表層的相應平均值大得多，使得<0.1 mm沙粒的起動和運移比在農田中更困難。分析認為，草地植被的地上部分可以有效降低雨滴能量和土壤濺蝕量。但是，由于草地植被莖稈較低，采用濾紙法、面粉球法和色斑法等常規方法直接測定冠層以下部分的雨滴相對困難，所以有關草被地上部分與降雨擊濺侵蝕關系的研究相對較少。

2 草被地上部分削弱坡面流侵蝕能力的研究

2.1 草被地上部分對坡面流侵蝕動力參數的影響

坡面流是造成坡面土壤被分散、剝蝕和沖刷的關鍵因素[18]，坡面流的水動力參數，如流速、徑流能量、剪切力等與侵蝕的關系一直是研究的熱點[19]。草被地上部分可以減小坡面徑流的動能和勢能，使坡面流的曼寧糙率和Darcy阻力系數變??；草被地上部分對坡面流流態也有顯著影響，隨放水流量的增大，草被覆蓋坡面的流態由層流-緩流轉變為過渡流-緩流，在有草被覆蓋的斷面，徑流雷諾數和弗勞德數變化很小[20-22]。在草被冠層對坡面徑流水動力學特性的影響方面，徐震[23]也研究得出：在小雨強下，草冠平均能減小徑流流速40.9%、弗勞德數40.7%，增加坡面流水深1.46倍、糙率4.8倍、阻力34.1倍；在大雨強下，草冠平均能減小坡面流流速5.9%、弗勞德數4.8%，增加徑流水深0.5倍、糙率2.1倍、阻力20.4倍。

肖培青等[24]研究發現，草地植被下的坡面流阻力系數f可表示為f=104.1P-1.12V-0.22H0.000 5R1.275C1.44，相關系數為0.92。式中，P為降雨強度，V為水流速度，H為徑流水深，R為地表粗糙度，C為覆蓋度。比較各變量系數可以得出，覆蓋度對阻力系數的貢獻率最大，這也說明，草被覆蓋度是阻延徑流的主導因子、影響坡面阻力的重要因素。鑒于草被地上部分減蝕作用的復雜性和目前試驗量測條件的限制，今后還需要結合更多的試驗觀測，進而從理論上揭示草地植被地上部分的阻流機制及坡面流侵蝕能力對草被地上部分的響應機理。

2.2 草被地上部分減少坡面流泥沙效應的研究

草被地上部分具有攔蓄坡面徑流和減少泥沙的效應[25]。草被地上部分攔蓄泥沙的機理為草被的地上部分能削減雨滴的動能，當雨滴從冠層落到土壤表面時，距離很短，其動能很小，幾乎不會對土壤顆粒起到打擊分散的作用，而坡面產沙量在很大程度上受徑流沖刷的影響，所以與裸地相比，有草被冠層、枯落物等地上部分覆蓋的徑流小區，坡面徑流泥沙含量相對較小。白紅英等[26]發現草被地上部分的吸水量占降雨量的15.5%。鄭粉莉等[25]研究得出，草被的莖葉部分主要在于截留降雨，而枯落物層主要在于減少徑流和侵蝕的發生。甘卓亭等[27]發現，在剪去牧草地上部分以后，坡面容易產生較大的侵蝕產沙量。

不同類型的草被，其地上部分的減流減沙效應不同。甘卓亭等[27]定量研究了草被冠層在調控坡面土壤侵蝕過程中的減流減沙貢獻，結果表明冠層具有較大的攔蓄降水、增加入滲和減少坡面流的貢獻率，與紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)相比，黑麥草(LoliumperenneL.)冠層的減流貢獻率更大，除最后試驗階段外，其貢獻率都大于60%。分析認為，這主要是由于黑麥草的蓋度和厚度都較大，能夠攔蓄更多的降雨量，延長降雨的入滲時間，使更多的雨水滲入到土壤中。楊潔等[28]研究了果園清耕、狗牙根帶狀覆蓋及狗牙根全園覆蓋3種措施下的水土保持效應，結果表明，有狗牙根覆蓋的柑橘林小區水土流失量明顯小于果園清耕小區，草被帶狀覆蓋小區的減流減沙效果最好，減流率為98.21%，減沙率為99.84%。因此，條帶植草覆蓋具有明顯的減流減沙效應，該結論對我國南方紅壤丘陵區的果業生產具有指導作用，有利于丘陵果園區水土流失的防治。

3 草被蓋度與土壤侵蝕的關系

從廣義上來說，草被對地表的覆蓋包括地表層的活植被和死植被，以及草被的枯落物、動物糞便、巖石和其他材料等。在降雨量較少的干旱區，地表覆蓋還包括苔蘚、地衣等低等生物土壤結皮[29]。草被覆蓋與土壤侵蝕的關系多通過研究草被蓋度而得出，后來又提出了有效蓋度、臨界蓋度、潛勢蓋度的概念。潛勢蓋度可反映植物群落保持水土的程度，臨界蓋度是指植被群落的水土保持作用達到最大或極限時的群落蓋度[30]，而有效蓋度是植被能有效防止侵蝕并使其土壤流失量控制在一定程度的臨界蓋度[31]。

草被有效蓋度與土壤侵蝕之間有著密切的關系。張光輝和梁一民[32]研究發現，隨著草被蓋度的增大，土壤侵蝕量呈指數下降趨勢，并將草被有效蓋度定為70%。焦菊英等[3]認為草地有效蓋度是降雨因子、地形因子、土壤因子和植被類型的函數，建立了草被有效蓋度(v)與次降雨量、次最大30 min雨強的乘積(P·i30)和坡度(s)之間的關系，即v=-103.20+34.62×lg(P·i30)+78.97lg(s)，相關系數r=0.780；并指出草被有效蓋度隨降雨、坡度的增大而增大，當坡度分別為20°、25°、30°、35°時，草地的有效蓋度對應為63.4%、71.1%、77.3%、82.6%，當草地的蓋度達到或超過有效蓋度時，草地就能夠有效地防止水土流失。王升等[33]研究了不同蓋度下紫花苜蓿(MedicagosativaL.)地的產流產沙與養分流失規律，發現隨著植被蓋度的增加，坡面流速、徑流深、水力半徑、雷諾數和弗勞德數都減小，而平均糙率增加；并且得出紫花苜蓿的蓋度為43.2%時，草被對黃土坡地的減蝕和保持養分的作用已經很顯著，再增加蓋度則會加大投資，效果也不顯著。

4 草被地上部分對土壤理化性狀影響的研究進展

草被地上部分可以通過生物柵欄作用削弱雨滴擊濺侵蝕、減小降雨對土壤的破壞程度，保護土壤自然結構；枯落物層的大孔隙有利于水分下滲，提高土壤滲透性。在草被冠層等地上部分保持土壤水分和養分方面，龍忠富等[34]研究發現，百喜草(PaspalumnotatumFlugge)的覆蓋可以減少土壤表層水分的蒸發；王升等[33]研究得出，隨著草被蓋度的增加，坡面徑流中的溴離子流失量減小，土壤養分濃度得到了很好的保持；楊潔等[28]研究認為，在大部分土層深度，狗牙根帶狀覆蓋的小區土壤水分含量最高，均大于清耕果園區，而全園覆蓋區由于植物蒸騰耗水量大，土壤水分含量反而低于帶狀覆蓋區，因此通過條帶植草來增加草被地上部分覆蓋的措施對土壤的保水效果最好。

草被枯落物層等地上部分能夠改善土壤肥力、保護土壤結構，具有重要的水土保持作用。張明忠等[35]分析了金沙江干熱河谷地區草被凋落物的分解率和持水性能，結果表明：凋落物能截留降水，使水分緩慢入滲，提高土壤中的水分含量，增強土壤肥力；在6種草被中，新諾頓豆(Neonotoniawightii)凋落物的分解率及持水性能都最高，該結論對于促進草地土壤發育或改良有著重要意義。秦瑞杰[36]研究得出，草被生長所產生的大量凋落物在土壤中不斷地積累和礦化，把大部分的無機營養元素歸還到土壤中，腐爛后的枯枝落葉形成腐殖質層，可以有效增加土壤中有機質含量，提高土壤肥力，促進土壤團粒的生成，從而改善土壤結構，提高土壤的透水性、通氣性和抗侵蝕性。高麗倩等[37]通過研究發現，草被覆蓋坡面的地表結皮能夠改善土壤的理化性質，增強土壤的黏結力和抗侵蝕能力。

5 結語與展望

過去眾多的研究揭示了草地植被地上部分在減小降雨擊濺和坡面流侵蝕能力方面的作用，以及提高土壤抗侵蝕能力的機理，為進一步深入研究草被的水土保持功效奠定了重要基礎。但是，由于草被莖葉和枯落物研究方法、手段的局限性和草被生長微地形的復雜性，現有的研究成果較少涉及不同物種、不同結構、不同年齡及不同立地條件下的草被，并且很多試驗結果是通過室內模擬得到的，所以草被莖稈、枯落物及其空間分布對野外坡溝系統的影響是否也存在類似于室內研究結果的結論還不得而知。因此，要充分認識和揭示草被地上部分控制土壤侵蝕的機理、更好地與當前水土保持生態建設契合，還需從以下幾個方面開展研究：①在時間尺度上，需要對草地植被地上部分進行長期系統的定位觀察和研究，將莖葉的生長及枯落物等各部分的變化與土壤侵蝕能力進行動態耦合。②在研究區域上，需要對黃土高原的典型區域、長江流域山地和丘陵等侵蝕嚴重及生態脆弱區的草被地上部分控制侵蝕營力的效果進行研究。③在研究內容上，需要定量探討草被冠層蓋度、葉面積指數、枯落物覆蓋度與厚度等與降雨動能、打擊力之間的關系，然后對草被冠層和枯落物等地上部分削減降雨擊濺動力及影響侵蝕的機制和有效性，尤其是不同類型草被之間和不同空間配置方式下的對比進行研究，以利于建立草地土壤濺蝕模型；此外，還需要系統分析草被通過莖葉、枯落物等引起坡面流分離和能量損失而導致形態阻力增大，以及通過草被冠層削減降雨打擊作用而改變降雨阻力的定量關系，從而全面理解草被地上部分控制侵蝕動力的作用。

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(責任編輯 徐素霞)

S157.1

C

1000-0941(2015)01-0047-04

國家自然科學基金青年基金項目(40901131)；霍英東教育基金會高等院校青年教師基金項目(131025)

張曉艷(1988—)，女，安徽阜陽市人，碩士研究生，研究方向為水土資源評價與規劃；通信作者周正朝(1980—)，男，四川瀘州市人，副教授，博士，主要從事植被與土壤侵蝕關系研究。

2014-01-28

目前，水土流失是全球性的生態環境問題之一，對人類生存和社會可持續發展造成了嚴重威脅。研究表明，人類對植被的破壞與不合理的土地利用方式是導致土壤侵蝕加重的重要原因[1]。林草植被是地球上寶貴的自然資源，也是地球上的重要生態屏障，在土壤侵蝕防治中發揮著極為重要的作用[2-5]。近年來，自然干擾(如干旱、風蝕、水蝕、沙塵暴、鼠蟲害等)和長期的過度放牧、開荒墾田及人為破壞使得草地植被退化嚴重。伴隨著草地退化，草地生態環境問題隨之而來，在侵蝕方面總體上表現為黃土高原的大部分地區、云貴高原、青藏高原和長江黃河源區水土流失嚴重[6]。草地生態的好壞，不僅決定著草原區的自然環境狀況，還關系著其他地區的生態安全，而且通過對干旱區植被的降雨截留效應分析發現，草本植被的截留量(38.4%±32.3%)大于喬木(23.6%±14.9%)和灌木(24.8%±12.9%)，草地防止水土流失的能力高于灌叢和森林[7-8]。所以，草地生態系統對我國的水土流失治理具有十分重要的意義。

草被地上部分能夠有效地攔截和吸附雨滴、沙粒，削弱雨滴擊濺動能，增大坡面糙率和延阻徑流。目前，在草被冠層、莖稈、枯落物等地上部分與土壤侵蝕關系方面已取得了大量研究成果[9-13]，可以概括為4個方面：冠層及枯落物對降雨動能的影響、莖稈及枯落物對坡面水土流失的影響、草被蓋度與侵蝕的關系及草被地上部分對土壤的影響。本文系統總結了草被地上部分的水土保持作用，以期在理論上為全面理解和研究草被冠層及枯落物與土壤侵蝕的關系提供參考，同時