模擬降雨條件下林木裸露根系分布方式對坡面土壤侵蝕的影響

楊秀超，方 乾，尹曉愛，方發(fā)永，趙龍山,2,3

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；3.貴州大學(xué)土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究中心，貴陽 550025)

土壤侵蝕是影響全球生態(tài)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一，由此引發(fā)的土地退化、生產(chǎn)力降低、河流泥沙淤積等問題突出。在喀斯特廣泛分布的西南地區(qū)，嚴重的土壤侵蝕導(dǎo)致該區(qū)的土地石漠化問題加重。為了防治該區(qū)嚴重的土壤侵蝕，植被恢復(fù)措施被普遍用于治理土壤侵蝕與生態(tài)重建上。

對植被措施防治水土流失作用進行的大量研究主要表現(xiàn)在植被地上部分削減降雨動能、根系增加降雨入滲和提高土壤抗蝕性方面。Weaver等的研究認識到根系在控制土壤侵蝕方面的重要性，根系作為土壤優(yōu)先流的積極影響因素，在提高降雨入滲的同時也能有效固持水土。在喀斯特坡地水土流失治理中，基于根系與土壤形成的結(jié)合體能提高土壤抗沖性，有效減緩坡面土壤侵蝕。劉定輝等的研究表明，植物地上部分可直接調(diào)節(jié)并吸收地表徑流，植物地下部分間接影響水土流失，在根系影響土壤物理性質(zhì)的作用下土壤的透水性發(fā)生改變。

植被根系分布情況影響土壤水力學(xué)性質(zhì)，其中包括根系密度、分枝特性和空間分布等。在生態(tài)恢復(fù)坡地上由于降雨侵蝕及人類活動作用下，根系空間分布發(fā)生改變，坡面淺土層被搬運、剝離，導(dǎo)致根系不斷裸露地表。孫麗萍等的研究表明，在不同侵蝕強度下，林木根系裸露地表差異大，呈現(xiàn)出淺埋、局部裸露及完全裸露的形態(tài)。此外，Malik等的研究指出，根系分布方式有垂直分布、斜向分布和水平分布，受土壤侵蝕的影響，林木根系在斜向及水平方向上裸露長度達0.4～1.4 m。可見，在植被根系生長過程中，受根系分布方式多樣化和土壤侵蝕作用的影響，根系裸露地表形成坡面空間差異性。但是，根系分布方式對坡地土壤侵蝕的影響并沒有被定量研究，其侵蝕特征仍不清楚。

因此，本文通過人工模擬降雨的方法，將坡面林木根系3類分布方式作為研究對象，即沿坡面順向生長局部裸露在地表的林木根系、坡面橫向生長局部裸露在地表的林木根系和垂直坡面生長的林木根系進行人工模擬降雨試驗，為認識喀斯特坡地水土流失過程與機理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

土壤類型為黃壤，呈酸性，黏性較石灰土強，取自貴州省花溪區(qū)(26°28′32″N，106°42′02″E)坡地0—20 cm的表土。試驗土樣取回，經(jīng)自然風(fēng)干，去除土壤中的礫石、動植物殘體等雜物，用5 mm孔徑篩子篩取。試驗土壤容重為1.2 g/cm，土壤含水率為10%，通過測定得出土壤機械組成為：黏粒31.05%，砂粒41.37%，粉粒27.58%，有機質(zhì)含量33.94 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計與裝置

模擬降雨試驗于2021年6—8月在貴州大學(xué)南校區(qū)水土保持降雨大廳內(nèi)完成。設(shè)置的降雨強度為75 mm/h，降雨歷時90 min?？λ固氐貐^(qū)坡地土壤淺薄，林木根系分布方式空間異質(zhì)性高，在巖石表面的淺薄土層區(qū)，表現(xiàn)出林木根系穿插在巖石裂隙、攀附錨固在巖石上；由于多年降雨的因素致使林木部分根系裸露地表的現(xiàn)象相對普遍。試驗設(shè)計3種坡面根系布置處理，分別為根系橫坡方向局部裸露(橫向)、根系順坡方向局部裸露(順向)和根系垂直坡面(垂直)。

降雨儀器使用下噴式降雨機，儀器組成有：降雨噴頭、供水管道、供水電泵和電腦控制器。通過電腦控制器調(diào)控降雨噴頭上的電磁閥控制開度來調(diào)節(jié)降雨強度的大小，該儀器降雨強度的變化為20～150 mm/h，降雨高度為4 m，降雨均勻度>80%，可實現(xiàn)有效降雨面積為4 m×4 m。

模擬降雨試驗所用土槽規(guī)格(長×寬×高)為1 m×0.5 m×0.3 m的鋼槽見圖1。本研究試驗坡度為25°。鋼槽下部設(shè)置3個集流口，上、中、下分別接取地表徑流、壤中流及地下徑流。鋼槽底部有5條0.46 m×0.005 m(長×寬)用于模擬喀斯特地區(qū)地表裂隙，發(fā)育等級為輕度發(fā)育(2.3%)，地下徑流從裂隙流出，通過下端集流口收集。在鋼槽旁邊左右兩側(cè)木凳上各放置5個帶刻度的塑料杯(1 000 mL)，用于校對降雨強度。

試驗土槽中林木根系通過挖掘法得到，確保根系完整性。林木根系3類分布方式的土壤體積為(長×寬×深)100 cm×50 cm×20 cm，根長密度為0.001 cm/cm；根系徑級為粗根(15～20 mm)，根體積密度為7.770 mm/cm，橫向、順向及垂直坡面上根系數(shù)量分別為8，4，20根。林木根系分布方式見圖1。處理模擬為：(1)針對根系橫坡方向局部裸露(橫向)的處理，在土壤裝填完畢后，將根于橫坡方向半埋入土表中，根系左右兩端接觸鋼槽內(nèi)壁為防止因降雨形成坡面流產(chǎn)生的動能迫使根系位置改變；(2)對于根系順坡方向局部裸露(順向)的處理，方法同上，根于順坡方向半埋入土表，根系上下兩端接觸鋼槽上下內(nèi)壁，橫向和順向坡面均為模擬喀斯特地區(qū)林木根系因多年土壤侵蝕而裸露地表的情況；(3)在根系垂直坡面(垂直)的處理上，方法與前兩者不同，20根粗根系分為5份，均勻豎直放置于5條裂隙上，每條裂隙4根根系，分層填裝土壤，部分樹干保留于土表上。本研究中林木根系3類分布方式坡面處理，土槽的土壤容重均為1.2 g/cm，土層深度為20 cm，土壤填裝過程為分層(5 cm)填土，各層填完后刮毛處理后繼續(xù)填土。

圖1 試驗土槽及林木根系不同分布方式坡面布設(shè)示意

1.3 模擬降雨試驗

土壤填裝、根系布設(shè)完成后，進行試驗前的預(yù)降雨，降雨歷時30 min，降雨強度為20 mm/h，預(yù)降雨結(jié)束后，靜置12 h，以減少土壤填裝及根系布置對研究結(jié)果的影響。

模擬降雨試驗開始前，先對降雨強度進行校對，在電腦控制器端將降雨強度設(shè)定為75 mm/h，保證誤差低于5%。觀察每個集流口，出現(xiàn)產(chǎn)流時記錄初始產(chǎn)流時間，同時收集徑流泥沙樣，間隔2 min更換樣品收集瓶(1 000 mL)，降雨歷時90 min。地表集流口無產(chǎn)流時不再接取，為觀察降雨停止后壤中流和地下徑流的產(chǎn)流變化，在降雨結(jié)束后繼續(xù)接取20 min。模擬降雨結(jié)束后，對樣品稱重并記錄。樣品靜置12 h后，倒去上清液，將底部泥沙用濾紙過濾，放于烘箱(100 ℃，8 h)烘干后稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

平均產(chǎn)流時間、平均產(chǎn)流率、徑流總量及產(chǎn)沙量等數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2019處理，產(chǎn)流時間對比、徑流率及產(chǎn)沙量變化情況通過Origin 2021軟件制圖，采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)單因數(shù)方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林木根系分布方式對坡面初始產(chǎn)流時間的影響

初始產(chǎn)流時間是喀斯特坡地土壤侵蝕過程的響應(yīng)指標，受林木根系分布空間異質(zhì)性和土壤初始含水量影響。在降雨起始階段，降雨主要轉(zhuǎn)化為土壤入滲，坡面無徑流產(chǎn)生。當(dāng)坡面土壤含水量達到飽和時，坡面產(chǎn)流開始。從圖2可以看出，在模擬降雨條件下，受坡面林木根系不同分布方式的影響，坡面不同徑流類型產(chǎn)流時間存在顯著差異(<0.05)。

注：不同小寫字母表示同種徑流類型根系不同分布方式初始產(chǎn)流時間差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示同種根系分布方式不同徑流類型初始產(chǎn)流時間差異顯著(p<0.05)。

順坡根系局部裸露時減少坡面匯流時間，然而橫坡根系局部裸露時增加坡面匯流時間。順向地表徑流初始產(chǎn)流時間相對較短,為2.3 min，垂直和橫向坡面相對滯后10%～12%。坡面入滲的降水沿著土壤中不透水層界面流動形成壤中流，壤中流優(yōu)先產(chǎn)流的垂直坡面為13.4 min，順向和橫向產(chǎn)流相對延后，是垂直坡面的1.3～1.7倍。當(dāng)土壤入滲性能降低，含水量達到飽和，部分土壤水分繼續(xù)向下運移通過裂隙流出形成地下徑流。根系3類分布方式坡面地下徑流產(chǎn)流時間達到35～70 min，優(yōu)先產(chǎn)流的為垂直坡面35 min，相對滯后的橫向為69 min。

2.2 林木根系分布方式對地表徑流速率的影響

林木根系不同分布方式坡面徑流量和產(chǎn)沙量隨降雨歷時呈現(xiàn)差異變化，因此本研究試驗將降雨前期、中期、后期和降雨停止結(jié)束后，劃分階段為：第1階段(0～30 min)、第2階段(30～60 min)、第3階段(60～90 min)和降雨停止階段(90～110 min)進行數(shù)據(jù)描述性分析。

坡面水土流失的重要因素為降雨產(chǎn)生的坡面徑流，探究坡面林木根系不同分布方式的徑流變化規(guī)律，為了解坡面侵蝕過程提供指導(dǎo)方向。由圖3可知，在第1，2階段，橫向和垂直坡面的地表徑流產(chǎn)流速率相對穩(wěn)定，無顯著差異(>0.05)，順向坡面地表徑流產(chǎn)流速率是垂直和橫向坡面的2.71～2.97倍。在降雨第3階段，橫向地表徑流產(chǎn)流速率開始增長，增幅僅為11.7%；垂直坡面增幅為80.1%，相對橫向坡面稍高，但遠低于順向坡面。通過分析整場降雨發(fā)現(xiàn)，順向坡面地表徑流產(chǎn)流速率隨降雨歷時而增加，從初始地表徑流產(chǎn)流速率遞增到峰值，增幅達到3.83倍。順向坡面地表徑流平均產(chǎn)流速率分別是垂直和橫向坡面地表徑流平均產(chǎn)流速率的2.95，3.37倍。

圖3 林木根系不同分布方式坡面地表徑流產(chǎn)流速率

2.3 林木根系分布方式對壤中流速率的影響

林木根系不同分布方式坡面壤中流產(chǎn)流速率變化過程見圖4。在降雨第1階段，橫向坡面壤中流速率高于順向和垂直坡面，是順向和垂直坡面的1.76～15.24倍；降雨第2階段時，垂直坡面的壤中流速率開始增長，但橫向和順向壤中流速率是垂直坡面的4.07～5.98倍；在降雨前3個階段，垂直坡面的壤中流速率顯著增加(<0.05)，增幅達72.32倍，橫向和順向坡面增幅分別為3.88，4.14倍。降雨過程中，3個類型坡面壤中流速率呈上升后趨于穩(wěn)定，橫向、順向和垂直坡面壤中流峰值速率趨同，無顯著差異(>0.05)。降雨停止后，因缺乏降雨補充導(dǎo)致壤中流速率逐漸下降，垂直坡面下降較為明顯。根系3類分布方式壤中流平均產(chǎn)流速率大小表現(xiàn)為順向略高于橫向，無顯著差異(>0.05)，但兩者都顯著高于垂直坡面(<0.05)。

圖4 林木根系不同分布方式坡面壤中流產(chǎn)流速率

2.4 林木根系分布方式對地下徑流速率的影響

從圖5可以看出，降雨第1階段，根系3類分布方式坡面產(chǎn)流類型為地表徑流和壤中流，地下徑流未形成。通過降雨第2階段可以發(fā)現(xiàn)，土壤優(yōu)先流表現(xiàn)在垂直方向的林木根系上較為明顯，為降雨入滲提供一定的下滲通道。垂直坡面的地下徑流產(chǎn)流速率顯著高于順向和橫向坡面(<0.05)，第2階段橫向坡面地下徑流未形成。降雨第3階段，垂直坡面地下徑流產(chǎn)流速率達到峰值，橫向和順向產(chǎn)流速率峰值為垂直坡面的92.07%，75.50%。降雨停止后，坡面無外來供水，根系3類分布方式地下徑流產(chǎn)流速率急劇下降后趨于緩和，順向地下徑流產(chǎn)流速率下降高達80倍，橫向次之，為50倍，垂直不超過4倍，表現(xiàn)出顯著差異(<0.05)。

圖5 林木根系不同分布方式坡面地下徑流產(chǎn)流速率

2.5 林木根系分布方式對坡面徑流分配的影響

人工試驗?zāi)M降雨條件下，林木根系3類分布方式坡面徑流分配存在顯著差異(<0.05)。從圖6可以看出，根系3類分布方式地表徑流的分配比例較小，僅為6.62%～19.46%，其中順向地表徑流為19.46%，顯著高于橫向和垂直坡面(<0.05)。順向和橫向壤中流分配比例為59.20%，66.78%，垂直坡面低于前兩者為42.33%。垂直坡面生長的林木根系促進地下徑流的發(fā)生，分配比例為50.06%，顯著高于根系橫坡方向局部裸露和根系順坡方向局部裸露的地下徑流分配比例(<0.05)。根系3類分布方式坡面徑流分配主要貢獻在壤中流和地下徑流上，橫向和順向坡面分配比例均高于80%，而垂直坡面分配比例超過90%。

圖6 林木根系不同分布方式坡面徑流分配比例

2.6 林木根系分布方式對坡面產(chǎn)沙的影響

坡地產(chǎn)沙曲線是描述林木根系分布方式坡面地表侵蝕過程的重要參數(shù)特征，作為坡面地表徑流對坡地土壤流失的重要體現(xiàn)。通過圖7a分析地表產(chǎn)沙量變化特征，降雨第1，2階段，順向坡面地表徑流挾沙能力大于橫向和垂直坡面，順向地表產(chǎn)沙量為其他2類分布方式的1.62～2.18倍。降雨第3階段，順向坡面地表徑流產(chǎn)流速率增加，導(dǎo)致徑流搬運泥沙的能力提高，順向地表產(chǎn)沙量顯著高于其他2類分布方式(<0.05)，分別是垂直和橫向坡面的2.39，5.41倍。通過分析整個降雨階段認識到坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程受林木根系分布方式的影響，坡面林木根系3類分布方式地表產(chǎn)沙量表現(xiàn)為順向>垂直>橫向。根據(jù)圖7b說明，坡面林木根系不同分布方式的地表產(chǎn)沙總量存在差異(<0.05)，順向增加坡面水土流失；橫向?qū)τ谄旅鎻搅骱湍嗌尘哂邢鳒p效益；垂直方向增加降雨入滲，削弱徑流挾沙能力。順向、垂直和橫向3個坡面的地表產(chǎn)沙量分別為12.54，5.44，4.83 g。

注：(b)圖中不同字母表示不同根系分布方式間差異顯著(p<0.05)。

3 討 論

研究表明，土壤中存在根系能改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高土壤穩(wěn)定性，為此本研究開展了坡面林木根系3類分布方式對坡面土壤侵蝕的影響研究。結(jié)果表明，隨著降雨歷時的增加，坡面地表徑流量和產(chǎn)沙量呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢；坡面壤中流和地下徑流呈增加趨勢；降雨停止后坡面產(chǎn)流速率急劇減少，其中坡面地表停止產(chǎn)流產(chǎn)沙，但壤中流和地下徑流保持產(chǎn)流呈減少趨勢。并且順向坡面的地表產(chǎn)流時間相對橫向和垂直坡面略有提前，垂直坡面的壤中流和地下徑流產(chǎn)流時間相對低于橫向和順向坡面?？傮w上表現(xiàn)為順向坡面地表產(chǎn)流顯著高于橫向和垂直坡面(<0.05)，后兩者產(chǎn)流分配主要表現(xiàn)在壤中流和地下徑流上。在喀斯特地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)過程中，植被根系分布方式對坡面產(chǎn)流形成一定的影響。

根系裸露地表增加了地表糙度，一定程度上起到減緩坡面水土流失的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，受降雨前期土壤含水量、土壤孔隙度和坡面根系分布方式影響，降雨優(yōu)先入滲到土壤中去，使得坡面地表徑流產(chǎn)流分配比例較低，與相關(guān)的研究結(jié)果相一致。根系不同分布方式坡面徑流類型之間的產(chǎn)流時間差異顯著(<0.05)，地表徑流產(chǎn)流時間不超過5 min，壤中流和地下徑流產(chǎn)流時間分別是地表徑流的3～5，7～12倍。

降雨過程中，坡面土壤受雨滴機械打擊和消散作用，細小土壤微粒在土壤表面的沉積使得土壤表面形成地表結(jié)皮，從而促進地表徑流的形成。根系順坡方向局部裸露對坡面降雨匯流及導(dǎo)流作用加速坡面地表徑流的發(fā)生，使得地表產(chǎn)流分配比例為19.46%，顯著高于橫向和垂直坡面(<0.05)；邵一敏等的研究指出，根系垂直坡面增加土壤坡面的孔裂隙。本研究結(jié)果顯示，坡面徑流分配表現(xiàn)出壤中流和地下徑流分配比例分別為42.33%，50.06%，顯著高于地表徑流分配比例。根系橫坡方向局部裸露形成微型洼地，對坡面降水起到蓄積和土壤入滲作用，使得徑流發(fā)生相對滯后，在坡面徑流分配比例上表現(xiàn)出地表徑流僅為6.62%，壤中流分配比例最高達到66.78%。

坡面局部裸露和地下垂直生長的根系在調(diào)控坡面水土流失方面發(fā)揮著不同作用，各自的相對貢獻也呈現(xiàn)差異。在坡面降雨侵蝕作用下，根系橫坡方向局部裸露能夠抑制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙，地表產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙總量低于垂直和順向坡面，地表產(chǎn)沙總量僅為4.83 g。垂直根系與土壤間的孔裂隙形成水路通道有助于土壤水的向下運移，抑制坡面徑流泥沙的發(fā)育，地表產(chǎn)沙總量略高于橫向，差異不顯著(>0.05)。而根系順坡方向局部裸露和前兩者相反，加速地表徑流的形成，增強徑流挾沙能力，順向坡面的地表產(chǎn)沙總量是橫向和垂直坡面的2倍以上。

西南喀斯特坡地的土壤侵蝕規(guī)律受坡度、降雨及植被等影響，還與坡地根系分布方式密切聯(lián)系。坡面侵蝕的主要因素為降雨造成的水土流失，而坡地根系分布方式對降雨侵蝕的響應(yīng)可以作為坡面水土流失治理的科學(xué)依據(jù)。本試驗為探究降雨條件下喀斯特地區(qū)坡地根系方式對坡面土壤侵蝕的影響時，僅設(shè)計部分坡面林木根系分布方式對降雨侵蝕的響應(yīng)，未能考慮到根系系統(tǒng)的復(fù)雜性和空間異質(zhì)性對坡面降雨形成的土壤侵蝕規(guī)律研究。為此，在今后的科學(xué)研究中，需要增設(shè)不同的降雨梯度以及根系分布方式，為達到更加系統(tǒng)、綜合分析降雨條件下喀斯特地區(qū)坡地根系分布方式對坡面土壤侵蝕的影響。

4 結(jié) 論

(1)降雨前期受坡地根系分布方式和土壤含水量的影響，壤中流和地下徑流產(chǎn)流時間表現(xiàn)為垂直>橫向>順向。順向地表徑流發(fā)生時間較短，橫向和垂直坡面地表徑流略微滯后。

(2)坡地根系分布方式對降雨侵蝕的響應(yīng)特征表現(xiàn)出差異性，橫向和垂直坡面地表徑流產(chǎn)流速率顯著低于順向(<0.05)，順向地表產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙總量顯著高于橫向和垂直坡面(<0.05)。

(3)橫向、順向及垂直坡面的地表徑流分配比例顯著較低(<0.05)，順向坡面地表徑流顯著高于兩者為19.4%。橫向和順向坡面壤中流和地下徑流分配比例總和均高于80%，而垂直坡面分配比例總和超過90%。

由此可見，在全球氣候變化的背景下，各地極端降雨高度頻發(fā)，喀斯特坡地土壤侵蝕可能因此增加。對此，在喀斯特地區(qū)根系分布方式坡面土壤侵蝕規(guī)律的研究需要引起重視，從而為喀斯特地區(qū)水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。