植被對(duì)水土流失防御作用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證*

汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導(dǎo)教師：盧曉旭 時(shí) 倩

（南京市第四中學(xué), 江蘇 南京 210029）

植被對(duì)水土流失防御作用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證*

汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導(dǎo)教師：盧曉旭 時(shí) 倩

（南京市第四中學(xué), 江蘇 南京 210029）

植被對(duì)水土流失具有防御作用。為了驗(yàn)證植被對(duì)水土流失防御作用的存在和其防御作用的大小，人工堆積了面積750cm2的有植被覆蓋和無(wú)植被覆蓋的兩堆土體，采用人工模擬降水的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，持續(xù)10分鐘左右降水，降水量為25．9mm。稱(chēng)量相應(yīng)環(huán)節(jié)水土重量，對(duì)水土流失量和水土流失率、涵蓄水源率進(jìn)行計(jì)量。發(fā)現(xiàn)無(wú)植被覆蓋的土體水土流失率為4%，植被全覆蓋的土體未有明顯的水土流失現(xiàn)象；依據(jù)兩種計(jì)算方法得出的土壤涵蓄水源率，前者為36．8%和23．6%，后者為51．3%和32．0%。實(shí)驗(yàn)從定量的角度驗(yàn)證了植被對(duì)水土流失防御作用的存在，同時(shí)提供了有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力有明顯提高的數(shù)據(jù)。

植被；水土流失；實(shí)驗(yàn)

水土流失是世界性的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅，控制水土流失成為迫切需要。植被對(duì)降水和徑流侵蝕能力具有很大的減弱或消除作用, 從而減輕土壤侵蝕程度，因此，增加植被覆蓋是控制水土流失的重要舉措。植被對(duì)水土流失的防御作用是通過(guò)改變植株底部的土壤性質(zhì)、改善其結(jié)構(gòu)、降低土壤可蝕性、增加入滲能力而表現(xiàn)出來(lái)的，它的作用程度與植物物種及其搭配有關(guān)，而且又會(huì)隨著尺度（斑塊、坡面、流域）的不同而不同，并呈現(xiàn)出控制作用變化的復(fù)雜性。[1]許多研究者從不同角度開(kāi)展了植被對(duì)水土流失防御作用的定量研究，如Gyssels[2]在比利時(shí)黃土帶的研究表明，增加播種密度可以減少42-53%的土壤流失量，劉元保[3]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋小區(qū)相比裸露小區(qū)侵蝕量減少84-99%。因影響因素較多、機(jī)制復(fù)雜，很難得出一個(gè)公認(rèn)的水土流失率計(jì)量模型，但植被對(duì)水土流失具有防御作用這一規(guī)律的存在則是肯定的。在中學(xué)地理教育領(lǐng)域內(nèi)，驗(yàn)證這一規(guī)律的教學(xué)實(shí)驗(yàn)也非常豐富，這些成果提供了許多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，除植被外還涉及或組合了多個(gè)影響水土流失的因素。文獻(xiàn)還顯示，這些實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中起到了很好的驗(yàn)證規(guī)律、培養(yǎng)參與者科學(xué)思維和科學(xué)精神的作用。但成果中除了劉立新[4]、梁紅梅[5]的研究（要求同學(xué)觀(guān)察分別從有植被覆蓋和無(wú)植被覆蓋的土壤中流出的水的清渾程度）具有定量?jī)A向外，其他基本未發(fā)現(xiàn)有定量呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或定量觀(guān)測(cè)傾向的研究，成果多為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6-16]，部分含有定性觀(guān)測(cè)的要求[17-21]。定性的實(shí)驗(yàn)雖然在一定程度上也能驗(yàn)證規(guī)律，但缺少精致性，如果能以定量的數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題，其實(shí)證過(guò)程對(duì)于規(guī)律的認(rèn)識(shí)更有價(jià)值，更能讓我們形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度和科學(xué)的求證精神。本研究提供了定量的研究過(guò)程和結(jié)果。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)思路

影響水土流失的因素（變量）很多，主要包括土壤的疏松程度、地形的坡度、降水量和降水強(qiáng)度、植被的覆蓋狀況等，一些研究將多種因素組合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，[22-23]不同因素的干擾，不光使實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出更高的復(fù)雜性，可能還使單因素影響的規(guī)律呈現(xiàn)不夠清晰。本研究把植被作為唯一變量，取值分別為有（全覆蓋）和無(wú)（祼地）；把其他變量作為控制變量，在兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中取值不變。研究思路如圖1，具體變量及取值如表1。

圖1 研究思路圖

表1 水土流失影響因素控制情況及其取值

2.實(shí)驗(yàn)材料

（1）土壤3千克（分成兩堆，每堆面積約30cm×25cm=750cm2）

（2）飲料瓶1只（瓶蓋上鉆有小孔、底部鉆有透氣孔，保證水約10分鐘左右流完）

（3）含瓶重2千克的瓶裝水2瓶（用材料(2)重復(fù)灌水使用）

（4）簸箕2只（外形和材質(zhì)相同）

（5）大木板1塊（第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)用到）

（6）秒表1只

（7）電子秤1臺(tái)

（8）塑料桶2只

（9）鐵架（含鐵環(huán)1副）

（10）草皮（根部幾乎無(wú)土壤）若干

（11）小鐵鍬1只

（12）墊磚若干（保持簸箕或木板傾角用）

（13）塑料袋若干（稱(chēng)量土壤和實(shí)驗(yàn)后的泥水重量用）

（14）量角器1只

（15）膠帶1卷（粘透氣孔用）

（16）電吹風(fēng)1個(gè)

（17）吸氣球1只

（18）相機(jī)1架

3.實(shí)驗(yàn)步驟

(1))準(zhǔn)備階段

①稱(chēng)量土壤并平分成兩堆，分別將其平鋪在兩個(gè)相同的簸箕中，稍稍壓實(shí)。（第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)放在一塊較大的木板上，此實(shí)驗(yàn)失?。?/p>

②用飲料瓶盛滿(mǎn)水，稱(chēng)量水的重量。

(2)無(wú)植被保護(hù)的土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)

③將簸箕底部與水平面保持一定的傾角。（因簸箕底部平滑，摩擦系數(shù)較小，故將角度設(shè)定為10°，實(shí)驗(yàn)中開(kāi)始的兩分鐘為0°，后調(diào)整為10°。第一次失敗的實(shí)驗(yàn)放土壤的木板傾角為25°）

④將飲料瓶倒置，揭開(kāi)底部小孔封口，讓水滴滴入土壤中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中移動(dòng)飲料瓶的底部，讓水滴均勻地滴淌在土壤面上。

⑤用塑料桶汲取從土壤中滲淌出來(lái)的泥和水。

⑥飲料瓶中水流結(jié)束三分鐘后稱(chēng)量桶中泥水重，再稱(chēng)量剩余土水重。

⑦桶中水經(jīng)沉淀后，傾倒并配合用吸氣球?qū)⒛嗨蛛x。用電吹風(fēng)將余泥吹干至實(shí)驗(yàn)前的干濕程度，稱(chēng)量“干土”的重量。

圖2 實(shí)驗(yàn)中接受侵蝕的土壤堆體

(3)有植被保護(hù)的土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)

⑧重復(fù)上述步驟③，并將植被覆蓋在土壤上。

⑨重復(fù)上述步驟④-⑦。

(4))總結(jié)階段

⑩數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和分析。

4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

課題組先后進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)。

第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2006年6月3日中午。為保持一定的侵蝕量，實(shí)驗(yàn)將坡度設(shè)定為25°，降水強(qiáng)度為2分40秒“降”1200毫升“雨”。由于設(shè)計(jì)不足，最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠全面，不能滿(mǎn)足分析的需要，實(shí)驗(yàn)基本失敗。但我們看到無(wú)植被覆蓋的土壤水土流失非常嚴(yán)重，泥水匯流成泥流，沖下來(lái)的濕土有0.33千克（涵蓄一定水分的土壤重量），估計(jì)被水沖走的土壤量占土壤總量（約0.8千克）的三到四成，而且還是我們?cè)谇榧敝薪档推露群陀描F鍬阻攔的情況下測(cè)得的，否則土壤會(huì)整體滑坡。原因在于坡度和降水強(qiáng)度都過(guò)大。而有植被覆蓋的實(shí)驗(yàn)則是清水入桶，幾乎無(wú)水土流失現(xiàn)象。對(duì)比雖然能反映相應(yīng)的規(guī)律，但條件設(shè)置不太符合自然狀態(tài)的一般情況，如降雨強(qiáng)度過(guò)大造成極端現(xiàn)象——滑坡，而且實(shí)驗(yàn)中間有明顯人工干預(yù)，數(shù)據(jù)誤差也很大，于是我們重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6月5日中午。為了保證實(shí)驗(yàn)符合一般情況，且對(duì)比實(shí)驗(yàn)之間存在一定的差異度，數(shù)據(jù)量級(jí)適中且誤差可以容忍，我們將降水強(qiáng)度變小，為10分鐘“降”約2000毫升的“雨”（按接受降水的土堆面積計(jì)算降水量，大約為25.9毫米，按降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，[24]屬于大雨等級(jí)或大雨到暴雨等級(jí)）；將坡度調(diào)低，變?yōu)?0°。并事先制定了詳細(xì)的定量實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和記錄表，按步驟操作，最終取得了理想的測(cè)量效果。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算處理

表2 第2次實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖3 入桶水土對(duì)比

圖4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

三、分析與討論

1.有植被保護(hù)的地表幾乎無(wú)水土流失，無(wú)植被保護(hù)的地表水土流失程度較重

無(wú)論從直觀(guān)上看，還是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，植被對(duì)土壤的保護(hù)作用都十分明顯。第一次實(shí)驗(yàn)，高強(qiáng)度降水情況下，坡度約25°的裸地土壤侵蝕率約30～40%，并有滑坡和泥流（相當(dāng)于一些地區(qū)自然狀況下的泥石流）現(xiàn)象，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率幾乎為零；第二次實(shí)驗(yàn)，大雨、大雨到暴雨強(qiáng)度，坡度約10°的裸地的土壤侵蝕率為4%，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率也幾乎為零。這些數(shù)據(jù)來(lái)自于這一特定的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，雖然植被對(duì)不同地區(qū)不同其他因素控制下的土壤的保護(hù)作用會(huì)有差異，但植被對(duì)水土流失的防御作用的存在是客觀(guān)的。

2.有植被保護(hù)的土壤涵蓄水源能力強(qiáng)，無(wú)植被保護(hù)的土壤涵蓄水源能力弱

第二次實(shí)驗(yàn)中，如果不考慮泥水總損耗率或誤差（實(shí)際并不大），有、無(wú)植被覆蓋的情況下，土壤涵蓄水源（干土吸水）率分別為51.3%和36.8%，按實(shí)際土壤含水率來(lái)計(jì)算涵蓄水源（干土吸水）率分別為32.0%和23.6%。土壤涵蓄水源能力存在明顯差異。此實(shí)驗(yàn)以降水結(jié)束3分鐘后測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，反映了短時(shí)間內(nèi)的土壤涵蓄水源的能力，不過(guò)，隨著雨停后時(shí)間的加長(zhǎng)，兩者的涵蓄水源率各自會(huì)有怎樣的時(shí)間變化，多長(zhǎng)時(shí)間后涵蓄水平相等，還有待進(jìn)一步研究。

3.其他因素對(duì)水土流失的影響在實(shí)驗(yàn)中也間接呈現(xiàn)

降水強(qiáng)度大小與水土流失量有很大關(guān)系。第一次實(shí)驗(yàn)降水強(qiáng)度大，降水總量?jī)H為第2次實(shí)驗(yàn)的60%（實(shí)驗(yàn)中也將坡度由最初的25°調(diào)低到與10°，與第二次實(shí)驗(yàn)相同），但水土流失情況仍比第二次實(shí)驗(yàn)明顯。

坡度大小與水土流失量的大小有很大關(guān)系。第一次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始坡度為25°時(shí)，水土流失量明顯很大。

坡度和降水強(qiáng)度過(guò)大會(huì)引起滑坡和泥石流。第一次實(shí)驗(yàn)讓我們感受到了泥流發(fā)生的緊急情景，緊急降坡和鐵鍬阻攔才防止了“滑坡”和“泥石流”的發(fā)生。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

植被對(duì)水土流失具有防御作用得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力更強(qiáng)。

2.建議

(1)學(xué)校和相關(guān)政府部門(mén)要加強(qiáng)植被的水土保護(hù)作用的宣傳，倡導(dǎo)并積極開(kāi)展保護(hù)植被和植樹(shù)造林工作，尤其是加強(qiáng)生活區(qū)附近的荒山、裸地的綠化工作。

(2)我們應(yīng)對(duì)生活地區(qū)的水土和植被狀況有所了解，降水較多、坡度較大、地表疏松、植被覆蓋率低的地區(qū)還應(yīng)加強(qiáng)泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的防御工作。

(3)水土流失驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)還可以從坡度、土壤疏松程度、降水強(qiáng)度、降水量等影響因素方面開(kāi)展。

(4)中學(xué)生在地理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以從定量的視角驗(yàn)證規(guī)律，在設(shè)計(jì)和動(dòng)手過(guò)程中鍛煉自己，并體驗(yàn)科學(xué)理性的學(xué)術(shù)價(jià)值。

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（責(zé)任編校：周維國(guó)）

*本文指導(dǎo)教師盧曉旭同時(shí)為通訊作者。本文由通訊作者在南京市第四中學(xué)校本課程教材《學(xué)會(huì)解決問(wèn)題》（2006年）中發(fā)表的論文初期版本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改而成。本成果的錄像曾作為2007年教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心“高中地理新課程遠(yuǎn)程研修課程的開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目（主持人：林培英）的課程學(xué)習(xí)資源。