湘西岷抗沖地區(qū)三種植被覆蓋水土保持效益研究

袁志忠，陳國玉，尹黎明，姚 亮，張旭平，饒碧娟

(1.吉首大學生物資源與環(huán)境科學學院，湖南 吉首 416000;2.湖南省水土保持監(jiān)測總站，湖南 長沙 410007;3.湖南省水利廳，湖南 長沙 410007;4.湘西州水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站，湖南 吉首 416000)

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，目前全國生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢尚未得到根本遏制，水土流失已成為我國的頭號環(huán)境問題［1］。我國南方地區(qū)年降水量大、開發(fā)建設項目多，山丘區(qū)有1/3以上的土地存在著不同程度的水土流失，水土流失造成水土資源和水資源生態(tài)庫的嚴重破壞，導致水旱災害和其他自然災害頻繁發(fā)生［2－3］?？茖W試驗和生產實踐證明，植物措施具有良好的蓄水保土效果和投資低、見效久等優(yōu)點，因此植被建設是水土保持生態(tài)建設的重點。

湘西土家族苗族自治州是一個以山地為主的“老、少、邊、山、窮”地區(qū)，是長江中游地區(qū)沅水流域水土流失最嚴重的地區(qū)之一，也是湖南省水土流失相對嚴重的地區(qū)之一。境內多中、低山，主要的土壤類型為山地紅壤和紫砂土，土層母質有石灰?guī)r、紫砂巖和板石巖等［4］，因其多數所處的部位較高、坡度大，故水土流失嚴重。近年來，由于人口劇增、需求增長和自然因素的綜合影響，湘西州水土流失面積呈增加趨勢，最新的水土流失調查結果顯示，湘西州水土流失面積為4358.82km2，其中輕度流失面積1382.79km2、中度2138.17km2、強烈以上837.86km2，分別占土地總面積的 8.9% 、13.8% 、5.4%［5］。

香根草是一種高大的簇生成叢的禾本科多年生草本植物，具有龐大而發(fā)達的根系，抗逆性強，耐旱、耐熱、耐寒、耐貧瘠、耐澇、耐酸、耐堿，在溫度為－15.9～55℃、年降水量為300mm的干旱地區(qū)和年降水量6000mm的潮濕地區(qū)均可生長［6－7］，且伴隨植株生長其根系向地下縱深發(fā)展，是一種優(yōu)良的水土保持植物。為探索湘西州植物措施蓄水保土的效果，我們在湘西州吉首市開展了植物措施的水土保持效益研究。

試驗地選擇在湘西州吉首市岷抗沖徑流小區(qū)，試驗小區(qū)共設置4種處理，即香根草種植地、蔬菜種植地、自然恢復地和裸露地，通過觀測4種小區(qū)的土壤容重、土壤含水率、土壤養(yǎng)分含量以及坡面徑流量、泥沙流失量等，探討3種不同植被覆蓋徑流小區(qū)的水土保持效益。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)岷抗沖徑流小區(qū)位于吉首市八月湖旅游景區(qū)附近，靠近103鄉(xiāng)道，與吉首市城區(qū)的直線距離約為7km，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期長，光熱水基本同步，立體氣候特征明顯，年降水量1300～1500mm，降水集中在春夏兩季，多年平均水面蒸發(fā)量738 mm［8］，土壤類型為黃紅壤，屬易蝕性土壤。

1.2 試驗設計

試驗地徑流小區(qū)由湘西州水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站和吉首大學生物資源與環(huán)境科學學院聯(lián)合建立。小區(qū)布設中，沿等高線在坡度為19°的坡地上共設置D1(裸露地)、D2(種植蔬菜地)、D3(自然恢復地)、D4(種植香根草地)4種處理，共4個徑流小區(qū)，每個小區(qū)的水平面積均為20m×5m。在各小區(qū)之間修建水泥磚隔墻，隔墻高出地面15 cm，隔墻高度與四周圍墻一致，隔墻的頂面成V形槽，徑流小區(qū)之間隔墻共用。徑流小區(qū)下方設置集流池，集流池尺寸為1.2 m×1m×1m(長×寬×深)，池頂無蓋，用于觀測每次降雨產生的徑流量和泥沙流失量。于2011年10月15日在徑流小區(qū)人工種植香根草幼苗，幼苗平均高度在30cm左右，行距15 cm，株距8～10cm，種植一個星期后香根草完全處于自然生長狀態(tài)，試驗區(qū)光照充足，通風條件良好;2011年12月4日人工種植蔬菜，行距15 cm，種植前翻地20cm深并整平，蔬菜播種后經常拔草，蔬菜生長完全處于自然狀態(tài);裸露地使其地表覆蓋度保持在5%以下。

1.3 測定方法和數據處理

(1)植被覆蓋度。采用目測法每周測定一次。

(2)降雨量。用SJ1虹吸式自記雨量計測定降雨量(mm)。

(3)地表徑流量和土壤侵蝕量。于每次降雨結束后測定集流池內的徑流深度，根據水深計算出地表徑流量;將集流池中的渾水充分攪拌后取水樣150mL，重復取樣3次，將3個水樣混合后靜置至澄清，然后把清水緩慢倒出，剩余的泥沙樣烘干至恒重后稱重，之后計算土壤侵蝕量［9］。將在徑流小區(qū)所取的土壤樣品過0.28 mm篩后，測定土壤TOC(總有機碳)、TN(全氮)、TP(全磷)含量，其中 TOC采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化－容量法，TN采用濃硫酸消煮－半微量凱氏法，TP采用 HClO4－H2SO4消煮鉬銻抗比色法［10］。

(4)土壤容重。在每個徑流小區(qū)中軸線1/3靠上部位選1個取樣點，去除地表覆蓋物后，在0—20cm的剖面用手持土鉆環(huán)刀取樣器分層取出100cm3土樣，將所取土樣放入鋁盒帶回實驗室測定其自然容重，然后在105℃的烘箱內烘12 h后稱重并計算其容重。

2 結果與分析

2.1 不同植被覆蓋度下的水土流失變化

2012年4—7月對徑流小區(qū)植物生物學特性進行測定的結果顯示，在植物生長起來后，植物的高度、覆蓋度逐漸增加，有效的地表覆蓋可以減少雨滴擊濺，防止坡地水土流失。圖1列出了2012年4—7月3種不同植物覆蓋下4個徑流小區(qū)的植被覆蓋度變化情況。從圖1和觀測資料可知，對于不同的植物覆蓋來說，植被的覆蓋度都在顯著增加，其中:蔬菜地小區(qū)在7月份的植被覆蓋度最小，僅為79.3%;自然恢復地小區(qū)次之;香根草地小區(qū)植被覆蓋度最大。植被覆蓋度是影響水土流失的重要指標之一，隨著植被覆蓋度的增加，水土流失呈減小趨勢［11］。

2.2 不同植被類型對土壤容重和土壤含水率的影響

圖1 不同植被徑流小區(qū)覆蓋度的變化

土壤容重是表征土壤物理性狀及其滲透能力的重要指標之一。植被種植8個月后，于2012年7月29日測定徑流小區(qū)的土壤容重，結果(表1)顯示，在0—20cm表土層內，香根草地小區(qū)、蔬菜地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)的土壤容重均比裸露地小區(qū)有所降低，其中香根草地小區(qū)的土壤容重為1.14 g/cm3，比對照裸露地小區(qū)的土壤容重降低了18%。對各徑流小區(qū)土壤含水率測定的結果表明，香根草地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)、蔬菜地小區(qū)、裸露地小區(qū)的土壤含水率依次呈遞減趨勢。土壤容重和土壤含水率的測定結果都表明香根草在岷抗沖地區(qū)的土壤中能夠明顯地改良土壤性質，具有較好的水土保持效果。

表1 不同植被徑流小區(qū)土壤容重和土壤含水率

2.3 不同植被類型對土壤養(yǎng)分流失的影響

土壤養(yǎng)分的流失與植被覆蓋度、植物類型有著密切的關系。研究結果表明(表2)，植物種植8個月后，有植被群落覆蓋小區(qū)的TP、TN、TOC、有機質的含量要明顯高于對照裸露地小區(qū)，表明植被覆蓋區(qū)的土壤養(yǎng)分流失量要比裸露地小區(qū)少，其中香根草小區(qū)(D4)的TP、TN、TOC、有機質的流失量明顯低于 D1、D2、D3。黃滿湘等［12］在對官廳水庫農田地表徑流污染物的流失研究中發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分P的流失與土壤侵蝕強度有關，植被物覆蓋可以顯著地減少徑流中P的流失，這與本研究結果是一致的。

表2 不同植被徑流小區(qū)土壤養(yǎng)分含量

2.4 不同植被類型的水土保持效果對比

從觀測的8次降雨產流情況看，每次產流對照裸露地小區(qū)(D1)的平均地表徑流量和土壤侵蝕量都要大于有植被覆蓋的小區(qū)。以D4為例，4月15日、4月28日和6月12日3次降雨的降雨量分別為23.5、25.0和23.4 mm，降雨強度分別為2.3、2.6和 2.1mm/h，3次降雨的降雨量和降雨強度差別不大，但每次降雨的地表徑流量和土壤侵蝕量均呈明顯的遞減趨勢(表3)，由此可知植被覆蓋有效地防止了水土流失，隨著植被覆蓋度的提高，平均地表徑流量和土壤侵蝕量呈減小的趨勢。對8次降雨產流總和的分析結果表明，香根草地小區(qū)(D4)地表總徑流量7429 m3/km2，遠小于對照裸露地小區(qū)的16597 m3/km2，也小于蔬菜地小區(qū)(D2)和自然恢復地小區(qū)(D3)的地表總徑流量;而土壤侵蝕模數131.27 t/(km2·a)同樣也明顯小于D1、D2、D3〔366.15、268.19、151.43 t/(km2·a)〕，說明與香根草地小區(qū)相比，蔬菜地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)的土壤更容易被雨水侵蝕。香根草地小區(qū)(D4)的蓄水、保土效率分別為55.24%、64.15%，而蔬菜地小區(qū)(D2)只有36.96%、26.75%，自然恢復地小區(qū)也只有42.67%、58.64%。由此可見，種植香根草可以改善土壤物理性狀，提高土壤抗蝕性，能有效防治水土流失。

表3 不同徑流小區(qū)的平均地表徑流量和土壤侵蝕量變化

3 討論

(1)在湘西岷抗沖徑流小區(qū)分別布設香根草地小區(qū)、蔬菜地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)和裸露地小區(qū)，據2012年4—7月對小區(qū)進行的觀測可知，植被覆蓋率逐漸上升，其中香根草地小區(qū)的覆蓋率達89.9%，自然恢復地小區(qū)和蔬菜地小區(qū)的覆蓋率接近，在80%左右。2012年7月，測定了0—20cm不同植被徑流小區(qū)的土壤容重、土壤含水率和土壤養(yǎng)分含量，研究結果顯示:香根草地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)和蔬菜地小區(qū)的土壤容重都低于對照裸露地小區(qū)，而含水率都高于裸露地小區(qū)，相比之下香根草地小區(qū)的土壤容重明顯低于其他3個小區(qū)，含水率明顯高于其他3個小區(qū)，其土壤容重比對照裸露地小區(qū)降低了18.0%，土壤含水率高出了4百分點;2012年7月，香根草地小區(qū)、自然恢復地小區(qū)和蔬菜地小區(qū)土壤的TP、TN、TOC、有機質的含量都明顯高于對照裸露地小區(qū)，其中香根草地小區(qū)土壤的TP、TN、TOC、有機質的含量分別為0.24、1.16、19.25、31.61 g/kg，養(yǎng)分含量比其他3種小區(qū)都明顯高，比裸露地小區(qū)的TP、TN、TOC、有機質含量分別高出了41.18%、24.73%、22.77%、13.09%;蓄水、保土率的計算結果表明，香根草地小區(qū)、蔬菜地小區(qū)都有一定的蓄水保土效果，但香根草地小區(qū)的蓄水率、保土率分別達55.24%、64.15%，比蔬菜地小區(qū)(36.96%、26.75%)和自然恢復地小區(qū)(42.67%、58.64%)都要高。

(2)上述分析表明，香根草地小區(qū)的土壤理化性質得到了明顯改良，種植香根草能夠有效地抑制水土流失，但并非種植任何一種植物都能夠實現(xiàn)這一目標。如在該區(qū)域種植蔬菜，其土壤容重比自然恢復地小區(qū)要高，土壤含水率比自然恢復地小區(qū)要低，對土壤TP、TN、TOC、有機質的保護效果不及自然恢復地小區(qū)，其蓄水率、保土率也比自然恢復地小區(qū)低。因此，從保持水土效果看，在該區(qū)種植具有一定經濟收益的蔬菜并不是最佳的選擇，選擇種植香根草才是最適合的。香根草特點明顯，種植成本也不高，是該區(qū)水土保持植物的首選。

4 結語

(1)在湘西岷抗沖徑流小區(qū)內種植不同的植物，其保持水土的效果不一定高于植被自我恢復措施，如蔬菜地小區(qū)的蓄水率、保土率僅為36.96%、26.75%，比自然恢復地小區(qū)的42.67%、58.64%要低。

(2)在該區(qū)種植香根草可以明顯地改善土壤理化性質，其蓄水率、保土率分別達55.24%、64.15%，這為今后研究類似情況或同一區(qū)域水土流失治理效益分析提供了一定的理論依據。

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