喀斯特山地不同類型植物籬的減流減沙作用

羅鼎+熊康寧+王恒松+王露偉

摘要：喀斯特山地環(huán)境特殊，水土流失現(xiàn)象普遍存在，運用植物籬治理喀斯特水土流失是一種新的嘗試。2012—2014年間在喀斯特分布典型的山地區(qū)域研究植物籬減流減沙作用，通過對區(qū)域內產流、產沙監(jiān)測及土壤滲透性測定，計算土壤的滲透速度、滲透系數及減流率、減沙率，分析植物籬模式對減流、減沙作用的影響。結果表明，在植物籬模式下減流率普遍在30%～60%，最高可達65%；減沙率一般在70%，最高可達86%；同時減流減沙作用與土壤的滲透性相關聯(lián)。結果為喀斯特山區(qū)植物籬的進一步研究提供了切實可行的技術依據。

關鍵詞：植物籬；減流率；減沙率；滲透性

中圖分類號： S157

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0430-06

在中國960萬 km2的土地上，喀斯特分布面積超過124萬 km2，約占全國總面積的13%，主要集中分布在中國西南的貴州、廣西、云南、四川、重慶、湖南、湖北，以及北方的山西、河北和山東等省，其中以貴州為中心連接桂北、滇東、湘西及川東南等地連成一片的地區(qū)所占的面積最大，超過55萬 km2，是世界上最大最集中連片的喀斯特區(qū)。貴州喀斯特面積占南方喀斯特典型區(qū)域總面積的73.8%[1]，喀斯特分布面積占貴州省面積的85%，其中，出露的碳酸鹽巖面積達15萬 km2，占貴州省土地總面積的73.6%，是全國唯一沒有平原支撐的山區(qū)省[2-3]。因此，貴州喀斯特具有突出的代表性。貴州喀斯特山地不但分布廣泛，水土流失也極為嚴重，治理難度大，在治理工作中已經進行了多種探索和實踐。植物籬技術作為控制耕地水土流失、控制土壤侵蝕的生態(tài)手段受到各國學者的廣泛關注[4-6]，20世紀90年代以來，植物籬作為一種新型的復合農林業(yè)技術措施得到了國內理論研究者的重視[7]，該技術在我國得到廣泛應用[8-10]，我國學者在植物籬技術控制水土流失的效應和機制方面取得了大量研究成果[11-12]，在水土保持中植物籬的作用也得到了廣泛的認可。貴州特殊的地理環(huán)境，給水土保持帶來巨大困難的同時，也提供了一個多樣化的實踐平臺。植物籬能減少土壤侵蝕、增加水分截留、改變微地貌、增加土壤微生物豐富度、保持或者增加土壤肥力等，以植物籬減少土壤泥沙流失、水分截留為切入點，研究喀斯特山區(qū)植物籬的減流減沙作用，同時考慮植物籬的不同類型，以找出喀斯特山區(qū)植物籬與減流減沙間的重要數量關系，為貴州喀斯特山區(qū)水土保持、生態(tài)改善提供理論依據。

1 研究區(qū)域

畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)，代表溫涼春干夏濕喀斯特高原山地輕—中度石漠化區(qū)，位于烏江上游段六沖河流域，畢節(jié)市西部的撒拉溪鎮(zhèn)和野角鄉(xiāng)境內，示范區(qū)總面積8 627.19 hm2，喀斯特面積占總面積的73.94%，屬喀斯特高原山地生態(tài)環(huán)境。地貌類型多樣，地形破碎，耕地多分布于坡面上、臺地和山間谷地，常形成環(huán)山梯土和溝谷壩地。旱土耕層淺薄、肥力較低。示范區(qū)內地帶性植被主要為針闊葉混交林，長期以來由于人類活動，旱地植被占有較大優(yōu)勢，主要有玉米、蕎麥、馬鈴薯等。自然植被分布較少，其中木本植物有馬尾松、漆樹、杉、白楊、樺木、刺梨、火棘、馬桑、珍珠莢迷、多種懸鉤子；草本植物有蒿類、狗尾草、野菊、千里光、風輪菜、鬼針草、下田菊、香薷、小蓬草、三葉草、馬唐等。示范區(qū)多年平均降雨量在 984.40 mm，年平均氣溫約為12 ℃。

畢節(jié)地區(qū)主要分布著黃壤、黃棕壤、棕壤、紫色土、石灰土、草甸土、沼澤土、潮土、水稻土等。示范區(qū)內土壤主要為喀斯特黃壤，部分地區(qū)為山地喀斯特黃棕壤、石灰土和黃泥土。當地分布大面積的碳酸鹽巖，巖性對當地土壤的發(fā)育具有重要影響，在土壤形成中起重要作用。純石灰?guī)r在風化過程中，以溶蝕作用產生強烈的碳酸反應，鈣元素流失快，所形成發(fā)育的土壤，根據地帶的差異，在山間谷地由殘積物發(fā)育成石灰土和大土泥土，多形成鐵鋁質黃壤和黃泥土，或鐵鋁質山地黃棕壤；不純石灰?guī)r，在溶蝕和侵蝕作用下形成母質多是殘積和坡積物，發(fā)育的土壤主要有鐵鋁質黃棕壤，黃壤和黃泥土，石沙土和石灰土。白云巖在風化作用中，碳酸鹽反應弱，母質中石灰含量較高，質地疏松，透水性好，主要發(fā)育鐵鋁質黃壤和黃泥土，鐵鋁質山地黃棕壤和灰泡土等[13]。

2 研究方法

2.1 植物籬類型

在示范區(qū)根據當地氣候土壤條件，結合當地農戶種植習慣，選擇生長習性適宜的常用外來品種和當地品種。外來品種主要有紫羊茅、高羊茅、黑麥草、早熟禾、扁穗雀麥、紫穗槐、紅三葉等；當地品種主要有刺梨、白三葉、火棘等。每小區(qū)設置1～2帶植物籬，每帶設置1～3行，每帶的寬度限制在 20～50 cm。帶間距的確定采用常見的簡化設計理論公式[14-15]：

2.2 指標選取

指標測定中，主要選取與研究密切相關的降水量、產流量、泥沙量3個指標，與反映土壤滲透性的滲透率指標。降水量、產流量、泥沙量的測定，降雨量通過小型氣象站記錄，產流量通過小區(qū)面積、集流池水量和時間計算得出，泥沙量通過取樣、烘干、稱重結合產流量計算得出。在每次取樣之前記錄集流池內的水量深度，用攪拌法進行泥沙樣采集。

2.3 樣點選擇及數據分析方法

2.3.1 樣點的選擇 在示范區(qū)根據喀斯特地形、土壤條件、坡度、坡向、土地利用類型等因素選擇了8個點，建立了15個徑流小區(qū)，分別代表了洼地、谷地、坡地、黃壤、黃棕壤、石灰土、陰坡、陽坡、耕地、草地、林地等內容。

2.3.2 土壤滲透率的測定 采用野外滲透筒測定法與土壤滲透率環(huán)刀法[17]相結合的測定方式。滲透筒測定土壤滲透率，需要經過2步，第1步是滲透速度的計算，第2步是計算測定時使用水溫度的滲透系數，并轉換為水溫10 ℃時的滲透系數[18]。滲透速度（V）的計算公式：

3 結果與分析

3.1 植物籬模式下土壤滲透率差異性及相關性分析

根據滲透速度公式計算每個小區(qū)每次重復的滲透速度（Vi）（圖1），其中BJ徑2（2）的第1重復及BJ徑7（1）的第2重復偏高，其他各重復平均值為40.79 mm/min，最低值為 043 mm/min，單次測定之間差異較大。根據平均滲透速度公式計算每個小區(qū)的平均滲透速度（V）（表2），15個小區(qū)的滲透速度在0.08～3.74 mm/min之間，較高的是林地，為2.92 mm/min，最高的是黃泥土耕地，為 3.74 mm/min。其次是BJ徑2（1） 和BJ徑2（2）2個小區(qū)，分別是1.67、1.33 mm/min。除數值變小外與單次重復中出現(xiàn)高值的結果一致，其他數值單次重復與平均結果也呈正相關。

在野外測定滲透系數時水溫在20～22 ℃，為計算方便，取平均值21 ℃作為測定時水的溫度。根據滲透系數KT公式計算水溫21 ℃時的K21值（圖2），依據K21的值使用滲透系數K10公式，把K21的值轉換成K10的值（圖3），結果發(fā)現(xiàn)不同小區(qū)的K21值與K10存在明顯的正相關性，高值與低值的出現(xiàn)成一一對應關系（圖4）。此結果與胡順軍等測定結果[20]范圍相吻合。根據研究滲透速度或者滲透系數高的地方土壤下滲效果較好，對于降水時產流作用和產沙作用具有抑制作用。

3.2 植物籬模式下減流效果分析

通過2013年9月至2014年8月監(jiān)測的產流數據分析不同小區(qū)的產流量見圖5。選取BJ徑5（2）為主對照小區(qū)，BJ徑3（1）為次對照小區(qū)，BJ徑6（1）為BJ徑6（2）的對照小區(qū)，BJ徑8（1）為目標最優(yōu)對照小區(qū)。當以BJ徑5（2）為對照小區(qū)時，根據減流公式計算各小區(qū)的減流（fr）見圖6，最高減流率達到了64.78%，與同地點、同坡度、同坡向相鄰的2個小區(qū)BJ徑5（1）、BJ徑5（3）相比分別減少45.48%、 32.29%。當以BJ徑3（1）為對照小區(qū)時，根據減流公式計算各小區(qū)的減流率fr見圖7，最大減流率63.52%，但出現(xiàn)了負值，原因是此對照小區(qū)雖然為未種植植物籬的石漠化小區(qū)，但沒有位于迎風坡，分布其中的土壤斑塊土壤較厚、植被較好，致使BJ徑3（1）小區(qū)自身的產流相對較少。當以BJ徑6（1）為BJ徑6（2）的對照小區(qū)計算減流率時，發(fā)現(xiàn)其負值很大，分析其原因是BJ徑6（1）雖然為荒地，但是其正處于當地植被分布良好的地段，BJ徑6（2）雖然有植物籬種植，但是植物籬以外區(qū)域遭到耕作破壞，再加上坡度和地形更易于降水的收集，致使BJ徑6（2）小區(qū)的產流相對較多。當以BJ徑8（1）為對照小區(qū)時，根據減流公式計算各小區(qū)的減流率fr見圖8，大部分小區(qū)產流遠遠大于BJ徑8（1），只有BJ徑1（2）、BJ徑7（1）、BJ徑7（2）3個小區(qū)的產流比之略少，原因主要是因為BJ徑8（1）為保持完整的林地，林地極大地增加了降水的截留，其次是BJ徑8（1）小區(qū)的土壤滲透速度和速率較大，降水在土壤中的入滲作用因為林地截留的作用和高滲透率得到增強，而其他小區(qū)則缺少了林木覆蓋，只是草地或者有少量植物籬覆蓋，致使BJ徑8（1）小區(qū)的產流較少。

3.3 植物籬模式下減沙效果分析

通過徑流小區(qū)的監(jiān)測數據分析（圖9），對照小區(qū)BJ徑5（2）年產沙136.53 t/km2，高于其他所有小區(qū)的年產沙量，最少的是林地的BJ徑8（1）小區(qū)，年產沙19.24 t/km2。其他植物籬種植小區(qū)與未種植小區(qū)介于二者之間，受到土壤類型、坡度、坡向、土地利用類型等因素的影響存在差異。以BJ徑5（2）小區(qū)為對照，根據減沙公式對其他小區(qū)進行計算，其結果如圖10所示，減沙率最高達到 85.91%，最低減沙率3956%。分析減沙率高低差異的原因，（1）BJ徑5（2）小區(qū)缺少植被覆蓋并且經常耕作，致使泥沙流失量與其他小區(qū)相比遠遠偏高；（2）部分小區(qū)有林地覆蓋[BJ徑8（1）]；（3）多數小區(qū)有植物籬種植[BJ徑5（1）、BJ徑2（2）、BJ徑2（1）、BJ徑6（2）等]；（4）滲透率的影響；（5）部分小區(qū)具有草地或是因荒地植被的恢復。

4 結論與討論

在喀斯特山地種植的植物籬，土壤的滲透性與植物籬的減流、減沙作用存在極強的聯(lián)系。首先是滲透性高的土壤，植物籬的減流減沙作用得到增強，滲透性較差的土壤，植物籬減流減沙的作用相對較低；其次是因喀斯特山地環(huán)境的特殊性，土壤滲透性與植物籬減流減沙之間的關系不完全呈正相關，在一些特殊喀斯特區(qū)域土壤的高滲透性沒有得到發(fā)揮，出現(xiàn)高土壤滲透性，高產流產沙的情況。原因是在喀斯特出現(xiàn)石漠化或者是巖石分布較多的區(qū)域，殘留的少量土壤往往滲透性極高，但是這樣有限的土壤不能截留大量水分，土壤容易達到水分飽和，對于大量降雨和長時間降雨不能實現(xiàn)減流的作用，相反徑流會因時間長而劇增，有限的土壤更加容易流失。

對于喀斯特山地不同的植物籬類型，植物籬減流的作用普遍較好，減流率基本集中在30%～60%，產流量分布于 12 216.90～34 182.05 m3/km2范圍內，最大相差能達3，與2001年黃欠如等研究的香根草籬使地表流量減少 60.1% 相似[21-22]。同時發(fā)現(xiàn)喀斯特山地區(qū)域的成熟林地的減流效果也相對較好，與減流效果最為顯著的植物籬類型相比，其減流率能高出10%。植物籬的減流效果沒有林地減流效果好，原因主要是植物籬種植的區(qū)域植被覆蓋面積不如林地區(qū)域大；植物籬種植區(qū)域人為耕作活動較頻繁，環(huán)境條件不夠穩(wěn)定，植被等因子容易受到破壞；林地區(qū)域環(huán)境條件相對穩(wěn)定，植被、土壤等因子不容易受到破壞?？λ固厣降貐^(qū)域林地的減流效果是在當地種植植物籬需要達到的目標，未來進一步研究需要考慮調整植物籬的設計，盡可能達到林地減流的效果。

不同類型植物籬，在喀斯特山地條件下的減沙效果表現(xiàn)都很好，基本減沙率集中在70%左右，與字淑慧等在云南貴州等地研究的結果[23-25]相似。林地的減沙率高達90%，植物籬類型的減少率相對林地較低，其他荒地等類型土地減流效果更次。減沙的作用與減流的作用存在很高的相關性，高減流的植物籬類型往往減沙效果也較好，林地無論是在減流還是減沙方面表現(xiàn)效果都最好。上述現(xiàn)象一方面體現(xiàn)植物籬在喀斯特山區(qū)用于治理水土流失的效果良好；另一方面證明一個穩(wěn)定的環(huán)境條件更加利于水土流失的治理，植物籬的效果還可以進一步提高。

在今后研究中，需要考慮2個主要的問題：（1）喀斯特環(huán)境下出現(xiàn)的高產流低產沙的問題，也是通常出現(xiàn)在理論上高水土流失的區(qū)域，實際水土流失量不足的現(xiàn)象，如何平衡植物籬的作用與實際水土流失量不足的問題需要更加深入的研究；（2）在植物籬種植中如何創(chuàng)建或者鞏固像林地一樣穩(wěn)定的環(huán)境條件，使植物籬的效果在喀斯特山地區(qū)域發(fā)揮更大的作用。

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