黃土高原植被固土減蝕作用研究進展

肖培青，姚文藝，張海峰

（1.黃河水利科學研究院 水利部 黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，鄭州450003；2.中國海洋大學 信息學院海洋信息與技術教育部工程中心，山東 青島266100）

20世紀40年代以來，植被保持水土及其控制水土流失效應的機理研究一直是土壤侵蝕研究的前沿領域。近年來，隨著西部生態(tài)環(huán)境建設退耕還林還草工程的實施，植被變化與流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的關系成為當前研究的熱點，其研究成果對黃土高原水土保持和生態(tài)環(huán)境建設具有參考價值［1］。坡面水力侵蝕的發(fā)生取決于坡面徑流侵蝕營力與地面土壤自身抵抗侵蝕能力的對比關系，地面植被的存在改變了侵蝕營力在坡面上的空間分布，增強了地面土壤的抗侵蝕能力，使得侵蝕過程變得更為復雜，并引起了流域產(chǎn)流產(chǎn)沙機制和水沙關系的變化。黃土地區(qū)作為水土流失的重要地區(qū)，許多學者通過模擬試驗和定位觀測對植被保土保水功效進行了大量研究，并且也給出了一些定性關系，但缺乏從力學角度揭示植被的保持水土作用［2－3］。深入開展植被固土減蝕作用的機理研究對定量分析植被坡面侵蝕過程具有重要意義，也將為建立區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設評價模型提供理論支撐?；诖耍疚膶﹃P于植被固土減蝕作用的研究進展進行總結，研究結果對于黃土高原植被建設的宏觀布局及流域水土保持措施配置具有重要的意義。

1 植被改善土壤特性的作用

植被根系生長過程中在土壤中產(chǎn)生了較多空隙，增加了土壤的滲透能力和雨水入滲的時間，延緩了地表徑流的流速和產(chǎn)流時間，減少了地表產(chǎn)流量。國外大量的研究表明［4－6］，植被可以改善土壤參數(shù)，如土壤緊實度、容重、水穩(wěn)性團粒含量、有機質(zhì)含量、滲透性能等，并增強土壤抗侵蝕性能。Carrol等［7］通過對植被恢復過程研究發(fā)現(xiàn)，在不同類型的土地上，植被對侵蝕的影響是占主導地位的，植被覆蓋的存在可以保護土壤團聚體免遭降雨的破壞，減弱雨滴擊濺侵蝕，避免土壤大空隙的堵塞。朱顯謨［8］認為，根系對土壤滲透力的作用主要是根系能將土壤單粒粘結起來，同時也能將板結密實的土體分散，并通過根系自身的腐解和轉化合成腐殖質(zhì)，使土壤有良好的團聚結構和孔隙狀況。朱顯謨［5］研究了子洲徑流站土地利用狀況對入滲的影響，發(fā)現(xiàn)休閑地的入滲率最大，牧草地最小，農(nóng)耕地的初滲率最大，入滲總量居休閑地和牧草地之間。蔣定生等［9］對子午嶺林區(qū)新墾林地土壤與非林地土壤的滲透試驗表明，20～50cm深度土層的滲透率差1.4～1.9倍。李勇等［10］以油松林、沙棘林、百草和黃菅草為對象，對根系提高土壤水穩(wěn)性團粒和土壤滲透力以及非毛孔隙度的增量與有效根密度的相關關系進行了深入的研究，建立了根系強化土壤滲透力有效性的數(shù)學模型：

式中：k——根系提高土壤滲透力的有效性系數(shù)；Rd——有效根密度（個／100cm2）；a，b——待定參數(shù)。試驗表明，根系在提高土壤對降雨的滲透能力方面具有極其顯著的作用，并提出可以根據(jù)該模型對不同植物根系消弱超滲產(chǎn)流、涵養(yǎng)水源的功能做出動態(tài)定量評價，從而確定水土保持林草措施配置的最佳方案。白紅英等［11］通過野外人工降雨試驗，對坡度為22°～24°，雨強為1.56mm／min的天然草地進行了三種下墊面條件處理，發(fā)現(xiàn)天然草地基本上不發(fā)生徑流和土壤流失。天然草被破壞開墾后，土壤入滲量減少了50%～60%，產(chǎn)流量增加了20倍左右，產(chǎn)沙量增加了146t／km2。唐克麗等［12］在子午嶺林區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，當?shù)乇碇脖簧L良好時，降雨、地形、坡度等因素對土壤侵蝕量的影響很小。肖培青等［13］利用人工模擬降雨試驗，定量研究了不同覆蓋度和不同立地條件下的坡面入滲變化規(guī)律（圖1—2），結果表明，隨草地覆蓋度的增加，草地入滲率呈下降并趨于穩(wěn)定的趨勢。由圖2可見，裸地的下滲率比草地和灌木地的明顯減小，且下滲過程波動性強。即植被能顯著增加土壤的入滲性，對洪水過程具有消波調(diào)控作用。

植被改善土壤特性的研究取得了不少成果，為定量和從動力學角度研究植被固土作用奠定了基礎，但是，不同植被枯落物分解程度不同，坡面流運動狀態(tài)也不同，枯落物改善土壤特性及其減蝕作用的水力學機理還有待于深入研究。

圖1 不同覆蓋度草地入滲率變化過程

圖2 不同立地條件下坡面入滲率變化過程

2 植被與土壤抗沖性

朱顯謨［14］在20世紀50年代就提出土壤抗沖性、抗蝕性的概念，在70年代開始了這方面的研究，并認為，黃土與黃土區(qū)土壤的滲透性強和抗沖性弱的特征，完全與黃土沉降方式中形成的黃土顆粒的“點棱接觸側斜支架式多孔結構”有關，黃土堆積以后由于植被的生長，尤其是一定數(shù)量根系的上下串聯(lián)纏繞固結作用，才使得黃土的這種支架接觸式多孔結構得以保存和鞏固，這種作用使土體有較高的抗蝕強度，從而大大提高了土壤的抗沖、抗蝕性。關于植被地下部分根系強化土壤入滲作用的定量研究方面，不少學者開展了廣泛的研究，其中以李勇、劉國彬的研究最具有代表性。

李勇等［15］通過對黃土高原地區(qū)喬灌草根系與土壤物理性質(zhì)的關系研究，發(fā)現(xiàn)植物根系強化土壤抗沖性的能力主要取決于有效根密度在土壤剖面中的分布盤繞狀況，有效根密度的物理基礎是100cm2土壤截面上≤1mm的須根的個數(shù)，并從定量描述不同土層深度處根系強化土壤抗沖性的特征及減沙效應入手，建立了植物根系對提高土壤抗沖性的有效性方程：

式中：Y——根系減沙效應（%）；Rd——有效根密度（個／100cm2）；K——根系減沙效應所能達到的最大值（%），其值大小隨Rd總量及其在土壤剖面中的分布規(guī)律而異。當時，A1／B＝Rd，故 A1／B是根系減沙達到最大效應值一半時的有效根密度，因此，A1／B是根系提高土壤抗沖性能有效性的特征參數(shù)，可以定量評價根系提高土壤抗沖性的強弱。

劉國彬等［16］從根系減沙效應作用方面對該公式提出了改進，并從生物力學角度對根系的抗拉力進行了研究，結果表明：當坡面發(fā)生侵蝕時，被根系纏繞串聯(lián)的土壤的流失不是由于毛根的斷裂，而是由于根—土分離造成的。劉國彬等［17］還以黃土丘陵區(qū)處于不同恢復階段的草地為對象，采用野外測定與人工模擬試驗相結合的方法，首次系統(tǒng)地研究了植被恢復過程中土壤抗沖性的時空動態(tài)特征以及植物根系、化學元素積累和影響因素，以及抗沖性土體構型的諸因素在植被演替過程中的變化，并對比分析了天然草地和人工草地強化抗沖性的不同機制。在對根系生物力學特征進行系統(tǒng)分析的基礎上，指出植物毛根強化土壤抗沖性的3種作用方式：網(wǎng)絡串聯(lián)作用，根土粘結作用及根系生物化學作用，并建立了相應的機制模型。查小春等［18］對開墾前后林地土壤的抗沖性進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著侵蝕年限的增長，土壤的抗蝕性呈減弱趨勢。

到目前為止，大多數(shù)研究人員所采用的根系指標，一般是用單位截面積上根系的個數(shù)來進行描述，而且在徑流的沖刷過程中，根系對土壤抗沖性的提高作用是與根系在整個坡面土體中的分布狀況有關，因而，采用何種指標對根系進行合理有效的描述，以反映根系在土體中的分布狀況等都有待于今后逐步開展。

3 植被與土壤抗剪強度

土的抗剪強度是指土在外力作用下，滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。一般將土的抗剪強度分為兩部分，即凝聚力和內(nèi)摩擦力，前者與垂直壓力無關，而后者則隨垂直壓力而變化，與垂直壓力成正比。一般采用庫倫公式表示土壤抗剪強度與凝聚力和內(nèi)摩擦力之間的關系：

式中：τ ——抗剪強度（kPa）；σ——垂直壓力（kPa）；φ——內(nèi)摩擦角（°）；C——凝聚力（kPa）。土體的穩(wěn)定性與土壤的粘著力、內(nèi)摩擦力有很大關系，因而抗剪強度是一個能反映土體抗蝕、崩塌、滑坡的重要指標。

國外土壤侵蝕力學研究者認為，土壤抗剪強度與土壤侵蝕力學過程緊密相關，Torri［19］認為土壤表層土壤抗剪強度可以作為評價抗侵蝕性的指標。Waldron［20］等通過試驗認為，植物影響土壤剪切強度的主要因素是植物根系的形態(tài)和根系在土體中的幾何分布。Gray［21］等也都認為，有根系的土壤比沒有根系的土壤在達到土體破壞前，能承受更大的剪切位移。

近年來，國內(nèi)一些學者用抗剪強度作為土壤抗侵蝕的指標。范興科和蔣定生［22］認為，植物根系的存在能明顯地改善土壤的物理性質(zhì)，因而，在一定條件下，可以把土壤抗剪強度的增加歸結為植物根系存在的結果。解明曙［23］建立了根系提高坡面土體抗剪強度增量的計算方法，當根系剛松動而未動的時刻土壤抗剪強度最大值為τmax＝C＋σtgψ1，整個剪切面貫通時瞬間土壤抗剪強度的最小值為τmax＝C＋σtgψ2，根系增加的土體抗剪強度為Δτ＝τmax－τmin＝σ（tgφ1－tgφ2），研究結果表明，林齡6～10a的白榆根系提高土體抗剪強度為0.04kg／cm2，10～19，20～29，30～40，＞40a的白榆根系提高土體抗剪強度分別為0.08，0.13，0.15，0.18kg／cm2。

以上研究成果揭示了植被對土壤抗剪強度的影響。進一步深入分析植被與根系提高土壤抗剪強度之間的關系，建立二者之間的關系模型，將有助于推動植被覆蓋下土壤侵蝕力學的研究進展。

4 植被減蝕作用的動力學機理研究

大量研究表明，植被覆蓋度與土壤流失量密切相關。侯喜祿和曹清玉［24］利用野外徑流小區(qū)資料分別建立了植被蓋度與侵蝕量的回歸關系。熊運阜等［25］通過對綏德、延安、離石等河龍區(qū)間黃土丘陵區(qū)野外徑流小區(qū)實測資料的系統(tǒng)分析，得出土壤流失率隨著草地覆蓋度的減少呈指數(shù)增加趨勢，尤其是平水年較豐水年和枯水年的增加趨勢更為顯著。白志剛［26］通過分析綏德80a一遇日降雨量（120mm）條件下草地、農(nóng)耕地的侵蝕模數(shù)，發(fā)現(xiàn)草地與坡耕地相比，可以減少侵蝕70%～90%，減蝕效果非常明顯。劉斌等［27］分析了1954—2004年南小河溝流域林地、草地徑流場觀測數(shù)據(jù)源，將人工草地徑流場發(fā)生的328場次產(chǎn)流降雨，按照草地覆蓋度的大小進行分組統(tǒng)計，結果發(fā)現(xiàn)，人工草地植被覆蓋度以40%～60%分界明顯，當覆蓋度大于60%時，削減土壤侵蝕的作用減輕，而在覆蓋度小于40%時，減弱土壤侵蝕的作用不穩(wěn)定，因此，黃土高原溝壑區(qū)人工林地和草地建設的有效植被覆蓋度應不小于60%和50%（表1）。肖培青［28］的研究結果表明，在45，87和127mm／h降雨強度下，草地坡面土壤的平均入滲率是裸地坡面入滲率的2.1～4.2倍；與裸地相比，草地徑流流速減少77.3%～79.8%，徑流量減少51.9%～99.1%，產(chǎn)沙量減少93.6%～99.2%（表2）。

表1 人工草地徑流量及侵蝕量與植被覆蓋度關系

表2 不同降雨強度下草地和裸地入滲率、徑流流速、徑流量及產(chǎn)沙量特征

近年來，不少學者從不同角度嘗試揭示植被減蝕作用的動力學機理。肖培青［29］從能量角度研究植被林冠對降雨動能的影響，張洪江［30］從植被地表糙率分析了地被物對徑流流速的阻延作用，郭忠升［31］建立了描述有林地和無林地的坡面霍頓地表徑流侵蝕數(shù)學物理模型，評價林木對土壤侵蝕的控制作用。王兆?。?2］對植被—侵蝕動力學進行了初步探索和應用，研究了流域植被與侵蝕在人類活動影響下的演變規(guī)律，模擬了黃土高原安家溝流域的植被侵蝕演變過程。李勉等［33－34］通過室內(nèi)放水沖刷試驗研究了黃土丘陵溝壑區(qū)坡溝系統(tǒng)坡面不同草被覆蓋對坡面流流速變化過程及阻延坡面流作用的研究。楊春霞等［35－36］利用放水沖刷試驗研究了草被措施作用下的坡面侵蝕產(chǎn)沙過程。潘成忠［37］以多年生黑麥草為對象，通過室內(nèi)模擬降雨試驗，在人為控制條件下研究了牧草植被蓋度控制侵蝕的作用機理。肖培青等［28］利用人工模擬降雨試驗對草地固土作用的力學機制進行了探討，通過分析草被坡面土壤顆粒的受力情況，推導出了草被坡面產(chǎn)沙量概念模型：

式中：M——坡面產(chǎn)沙量；k——與降雨強度、坡面糙度和土粒間的粘結力等有關的參數(shù)；τ0——土粒被分散的臨界徑流切應力；A——試驗區(qū)面積；t——降雨時間。由模型可知，土壤顆粒被分離的臨界徑流切應力越大，坡面產(chǎn)沙量越小，因而，土壤顆粒被分離的臨界徑流切應力大小可以反應植被固土作用的強弱。

植被對降雨和徑流的再分配過程改變了坡面水力特性以及侵蝕產(chǎn)沙的發(fā)生發(fā)展過程，植被減蝕作用的動力學機理是當前研究的熱點。由于植被坡面不同于裸地坡面的徑流入滲過程，有必要深入揭示植被作用下坡面流水力學機理，并從植被根系影響土壤力學性質(zhì)的角度揭示植被的固土作用機制。

5 問題與展望

綜上所述，植被改變土壤特性結構及其控制水土流失作用的研究方面取得了明顯進展。目前，植被與坡面產(chǎn)沙的關系研究多側重于植被對侵蝕的調(diào)控機理方面，一般是通過不同植被坡面的野外徑流小區(qū)資料，研究不同植被類型、坡度和蓋度等條件下的水土保持效應。在國外，草地攔蓄泥沙的模擬試驗主要集中在緩坡；在國內(nèi)，從植被作用下土壤理化性質(zhì)改善方面闡明了植被增強土壤抗蝕性的機理，關于植被增強土壤抗沖性和土壤抗剪強度的研究也取得了初步的成果。目前，一些學者利用模擬降雨試驗和徑流沖刷試驗研究了植被坡面水力學參數(shù)的變化［38－39］。所有這些研究結果揭示了植被固土減蝕作用機理，為深入研究植被的水土保持功效提供了研究思路。

鑒于目前的研究手段和測定方法的限制，關于植被作用下土壤抗蝕性特征及其表述指標等方面進行了大量的經(jīng)驗統(tǒng)計分析研究工作，但是從力學的角度表征土壤抗蝕性參數(shù)的研究還不多，從力學的角度揭示植被固土作用及其增強土壤抵抗徑流搬運能力的研究還很薄弱。今后的研究工作應深入研究植被措施作用下坡面侵蝕動力和抗侵蝕力的差異，揭示植被增強土壤抗蝕性的力學作用和植被減蝕作用的力學驅(qū)動機制，從而為建立黃土高原土壤侵蝕區(qū)域生態(tài)環(huán)境模型提供理論基礎，同時為黃土高原植被建設及流域水土保持措施配置提供科學依據(jù)。

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