香根草植物籬對(duì)三峽庫(kù)區(qū)坡地紫色土侵蝕的影響

郭 萍，夏振堯,2，高 峰，胡 歡，張千恒，楊悅舒,2，肖 海,2

香根草植物籬對(duì)三峽庫(kù)區(qū)坡地紫色土侵蝕的影響

郭 萍1，夏振堯1,2，高 峰1，胡 歡1，張千恒1，楊悅舒1,2，肖 海1,2※

（1. 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），宜昌 443002；2. 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，宜昌 443002）

紫色土坡地是三峽庫(kù)區(qū)水土流失的主要來源，嚴(yán)重影響著三峽工程的運(yùn)行安全。植物籬是三峽庫(kù)區(qū)坡地的重要水土保持措施之一，具有明顯的減流減沙效益，然而植物籬地上及地下部分對(duì)坡面侵蝕的影響尚不明確。為此，該研究通過設(shè)置2個(gè)坡度（15°和25°）、2個(gè)降雨強(qiáng)度（60和120 mm/h）和3個(gè)坡面條件（裸坡對(duì)照、植物籬和僅有植物籬根系），開展人工降雨試驗(yàn)，分析各試驗(yàn)條件下初始產(chǎn)流時(shí)間、徑流量和侵蝕量的變化特征。結(jié)果表明：植物籬、地下部分和地上部分的平均減沙效益分別為75.59%、29.45%、46.13%，是對(duì)應(yīng)的平均減流效益的4.79、4.60、4.92倍；地上部分和地下部分延緩初始產(chǎn)流時(shí)間、減流和減沙平均貢獻(xiàn)率分別為48.28%和51.72%、62.25%和37.75%、60.44%和39.56%，表明植物籬對(duì)減沙作用更明顯，且地上部分對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響大于其地下部分。以上結(jié)果加深了香根草植物籬對(duì)坡地侵蝕過程影響的理解，可為三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡地水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。

土壤；侵蝕；植物籬；三峽庫(kù)區(qū)；地上部分；地下部分；減流減沙效益

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重[1-3]，水土流失面積占庫(kù)區(qū)土地面積的66.80%[4]。同時(shí)，根據(jù)2018年全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果，三峽庫(kù)區(qū)所涉及湖北、重慶2?。ㄊ校┑乃亮魇娣e就占33.34%。作為三峽庫(kù)區(qū)坡地主要土壤類型的紫色土水穩(wěn)定性差、抗侵蝕性弱[5-6]，加上三峽庫(kù)區(qū)山高坡陡、降雨集中且強(qiáng)度大[7]以及不合理的土地利用方式，侵蝕模數(shù)高達(dá)3 464～9 452 t/(km2·a)[8]，是庫(kù)區(qū)水土流失和面源污染的主要來源[9]，嚴(yán)重影響三峽工程的運(yùn)行安全[4]。植物籬是三峽庫(kù)區(qū)坡地的重要水土保持措施之一，可以有效地控制水土流失、防止土地退化、保護(hù)生物多樣性[2]，是治理紫色土坡地水土流失的一種良好生態(tài)措施，對(duì)庫(kù)區(qū)紫色土坡地水土保持具有重要意義。

植物籬已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[10-13]，在三峽庫(kù)區(qū)坡地上的研究主要集中于植物籬的攔流減沙[14-15]、改善土壤物理性狀[16]、改變微地形[17]等方面。大量研究表明，植物籬具有明顯的減流減沙效益，且減沙效益大于減流效益[10-11]。在三峽庫(kù)區(qū)坡地，馬桑、黃荊、新銀合歡等植物籬能使坡面徑流量和土壤侵蝕量分別下降13.4%～70.8%和18.4%～70.0%[18]；香根草植物籬紫色土坡地徑流量和侵蝕量分別是對(duì)照小區(qū)的61.50%和37.71%[19]。在黃土高原堆積體坡面，沖刷試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)植物籬具有10%～45%的減沙效益[20-21]。在川中丘陵紫色土區(qū)域，植物籬能夠減少?gòu)搅骱湍嗌沉魇Х謩e為28.9%和11.3%[22]。在東北黑土區(qū)，不同坡段植物籬能夠減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙率分別為5.40%～10.16%和51.90%～75.72%[10]；田間試驗(yàn)研究表明植物籬可減流49.2～50.6%以及減沙42.1%～44.6%[23]。在南方紅壤坡地，植物籬在天然降雨條件下能夠減少平均徑流量和平均土壤侵蝕量分別為65.87%和91.29%[11]；通過2012—2018年的原位觀測(cè)，植物籬每年可減少?gòu)搅?5%～36%和侵蝕泥沙32%～87%[24]?？傮w來說，不同區(qū)域不同試驗(yàn)條件不同物種植物籬的減流減沙效益存在差異，但其水土保持效益卻顯著。同時(shí)，國(guó)外相關(guān)研究也證明了植物籬能夠有效地減少坡面徑流和侵蝕產(chǎn)生[12-13,25-26]。

盡管如此，上述研究均是針對(duì)完整植物籬進(jìn)行的研究，且也只是在試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的基礎(chǔ)上從不同角度定性地解釋了植物籬減流減沙的原因。而植物是通過地上和地下兩部分共同作用對(duì)坡面侵蝕過程造成影響[27-28]。目前關(guān)于植物地上部分和地下部分對(duì)減流減沙的影響及貢獻(xiàn)開展了大量研究，為揭示植物減蝕機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù)[29-30]。但針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)同區(qū)域從植物籬地上和地下部分角度分析植物籬對(duì)坡面侵蝕過程的影響及其地上地下部分對(duì)侵蝕影響的貢獻(xiàn)研究較為少見。因此，本文以三峽庫(kù)區(qū)坡地紫色土為研究對(duì)象，采用人工模擬降雨試驗(yàn)，設(shè)置2個(gè)坡度（15°和25°）、2個(gè)降雨強(qiáng)度（60和120 mm/h）和3個(gè)坡面條件（裸坡對(duì)照、植物籬和僅有植物籬根系），對(duì)比分析植物籬對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響以及植物籬地上部分和地下部分的減流減沙效益及貢獻(xiàn)率，以期加深植物籬對(duì)三峽庫(kù)區(qū)坡地紫色土侵蝕過程影響的理解。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤采自湖北省秭歸縣水田壩鄉(xiāng)（110°38′～110°44′E，30°21′～30°10′N），是侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖發(fā)育的A-C型石灰性紫色土。采樣前清除地表植被殘落物及固體雜塊，并將土壤運(yùn)至三峽大學(xué)經(jīng)風(fēng)干處理過5 mm篩以分離出根系石子等雜物備用。經(jīng)測(cè)定，野外土壤容重為1.30 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為6.75 g/kg，pH值為6.87，顆粒組成為黏粒（<0.002 mm）占16.50%、粉粒（0.002～0.05 mm）占38.44%和砂粒（>0.05～2.00 mm）占45.06%，土壤質(zhì)地為壤土（美國(guó)制）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置

李秋艷等[31]對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)在坡度為15°～25°的坡地適宜采用植物籬措施，三峽庫(kù)區(qū)湖北段1 h最大降雨量在55～110 mm之間[7]。因此，本研究采用的是底板現(xiàn)澆鋼筋混凝土（坡下設(shè)有排水口）和四壁磚塊與水泥砂漿砌修建坡地實(shí)體模型（圖1a），形成15°和25°兩個(gè)坡度坡面實(shí)體模型有效尺寸為4.4 m長(zhǎng)、1.0 m寬、0.5 m深。設(shè)計(jì)60和120 mm/h兩個(gè)降雨強(qiáng)度開展人工模擬降雨試驗(yàn)。人工降雨設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的BX-1型組合側(cè)噴式降雨器，降雨高度最大可達(dá)7 m，有效降雨面積為5 m×7 m，降雨均勻度大于80%[32]。

植物選用三峽庫(kù)區(qū)常用植物籬物種香根草，每帶植物籬2行，行距為20 cm[19]。為節(jié)約成本和提高工作效率，減少植物籬植物生長(zhǎng)時(shí)間的影響，采用植物籬生長(zhǎng)槽養(yǎng)護(hù)形成植物籬帶（圖1b）。植物籬生長(zhǎng)槽尺寸為1.0 m長(zhǎng)、0.4 m寬和0.5 m高，其各面擋板均可以拆卸，同時(shí)形成15°和25°兩個(gè)坡度，以便后續(xù)吊裝至實(shí)體模型與坡面形成一致坡度。在生長(zhǎng)槽底部裝填10 cm厚粗砂以確保植物籬在生長(zhǎng)過程中能夠自由排水，然后將紫色土壤自下而上按設(shè)計(jì)容重1.30 g/cm3分層裝填于生長(zhǎng)槽中，并在2019年4月將香根草植物苗（兩行，行距和株距分別為20和10 cm）移載至生長(zhǎng)槽內(nèi)并開始養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)前植物籬已經(jīng)養(yǎng)護(hù)1年以上，形成了密閉的植物籬。正式試驗(yàn)前，將植物籬生長(zhǎng)槽整體吊裝至坡地實(shí)體模型對(duì)應(yīng)位置并固定，拆卸前后擋板以避免擋板影響坡面侵蝕過程。隨后分層（5 cm一層，共8層）裝填坡地實(shí)體模型，裝填前測(cè)定所裝填土壤含水率，計(jì)算各層所需裝填土壤量，并形成與野外一致的容重（1.30 g/cm3），形成植物籬坡面條件（P）。裝填過程中在各層打毛并壓實(shí)處理，以避免出現(xiàn)不同土層分層現(xiàn)象和保證裝填土壤容重均勻。為避免所填土體與邊壁四周（含與植物籬接觸部分）出現(xiàn)不連續(xù)裂縫，在裝填前對(duì)邊壁四周進(jìn)行灑水濕潤(rùn)處理并在裝填過程中適當(dāng)壓實(shí)處理。對(duì)于僅有植物籬根系坡面條件（R），準(zhǔn)備過程與P條件一致，待裝填完成后用剪刀沿地表將植物籬地上部分全部剪掉。對(duì)于裸坡對(duì)照條件（CK），則使用紫色土按設(shè)計(jì)容重分層裝填整個(gè)坡面。

1.2.2 降雨試驗(yàn)

待各坡面條件下坡地實(shí)體模型裝填完成后，將模擬降雨器噴嘴直徑換成最小值（5 mm），調(diào)整兩個(gè)降雨器間距以及工作水壓使雨強(qiáng)達(dá)到30 mm/h左右形成霧狀雨對(duì)所鋪設(shè)的土壤進(jìn)行濕潤(rùn)處理。濕潤(rùn)過程中確保坡面土壤不被沖刷破壞，且至坡面表層土壤即將開始產(chǎn)生徑流時(shí)停止模擬降雨，并使用塑料薄膜覆蓋整個(gè)坡面靜置24 h左右。正式降雨前在坡面覆蓋塑料膜情況下將降雨強(qiáng)度率定至設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度后，掀開塑料膜并開始計(jì)時(shí)，待坡面開始連續(xù)產(chǎn)流后記錄初始產(chǎn)流時(shí)間并再次開始計(jì)時(shí)，至產(chǎn)流60 min后結(jié)束降雨。降雨過程中每隔3 min換一次接樣塑料桶，收集全部徑流泥沙樣。降雨結(jié)束后，對(duì)每個(gè)過程樣的泥沙樣進(jìn)行稱量并記錄，然后將泥沙樣充分?jǐn)嚢?，使用燒杯在泥沙上中?個(gè)部位分別取樣混合形成一個(gè)完整試樣，靜置24 h后倒掉上清液，采用烘干法得到泥沙含量，以計(jì)算不同降雨場(chǎng)次坡地的侵蝕量和徑流量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定[33]；pH值采用pH酸度計(jì)法測(cè)定[34]；土壤顆粒采用TopSizer激光粒度分析儀（SCF-108，珠海歐美克儀器公司，中國(guó)）掃描法測(cè)定。

徑流率（，L/min）[35]和侵蝕率（，kg/min）計(jì)算公式（1）、（2）：

式中R為接樣時(shí)間內(nèi)收集的徑流量，L；S為接樣時(shí)間內(nèi)收集的徑流中所含泥沙量，kg；為接樣時(shí)間，min。

對(duì)比分析P和R兩種坡面條件與CK坡面條件的初始產(chǎn)流時(shí)間、徑流量和侵蝕量等模擬降雨試驗(yàn)過程中獲取的指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果，分別獲得完整植物籬和植物籬地下部分對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響結(jié)果，植物籬地上部分對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響結(jié)果通過完整植物籬對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響結(jié)果減去植物籬地下部分對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響結(jié)果獲得。因此，植物籬延緩初始產(chǎn)流時(shí)間百比分（1，%）、減流效益（2，%）、減沙效益（3，%），相應(yīng)植物籬地下部分延緩初始產(chǎn)流時(shí)間百比分（R1，%）、減流效益（R2，%）、減沙效益（R3，%）以及植物籬地上部分延緩初始產(chǎn)流時(shí)間百比分（R1，%）、減流效益（R2，%）、減沙效益（R3，%）分別按公式（3）、（4）、（5）計(jì)算。