土壤侵蝕與植被系統(tǒng)相互作用規(guī)律研究

李 杰，卞 威

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 概述

因地形、氣候以及自然因素的影響，在我國出現(xiàn)了不同程度的水土流失問題[1]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要的元素之一，與自然環(huán)境的循環(huán)再生能力、生態(tài)系統(tǒng)的抗災韌性能力息息相關(guān)。通過對植被系統(tǒng)的研究，充分地集合利用區(qū)域中的自然資源，從植被的角度出發(fā)控制水土流失問題，可以改善區(qū)域周邊的生態(tài)環(huán)境達到恢復生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，進而構(gòu)建一個與自然和諧相處的關(guān)系[2]。

目前國內(nèi)外一些學者研究了植被對水土保持的效果進行了分析。余雙武等[3]采用薈萃分析方法，研究了典型草原植被和荒漠草原的植被地上生物量和植被蓋度，對該區(qū)域的水土保持生態(tài)效益進行綜合分析，為該區(qū)做好水土保持工作提供技術(shù)支撐；王利成等[4]基于土地利用分類成果和水文連通指數(shù)空間分布,探討了延河流域植被景觀和水文連通性的格局特征,并借助Geoda 軟件平臺基于空間自相關(guān)理論探究了植被格局與水土在空間上的相關(guān)性；廖凱濤等[5]依托GIS 和Fragstats 平臺與長時間系列水沙數(shù)據(jù),運用植被覆蓋指數(shù)分析和統(tǒng)計學方法,分析流域植被系統(tǒng)和水沙變化特征及其相關(guān)性；王亞軍[6]基于遙感數(shù)據(jù),使用增強型植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等覆蓋度指標以及單一因素方差分析法對一個年度不同季節(jié)的植被動態(tài)變化進行研究；何苗苗等[7]選用雙環(huán)入滲法探究土壤入滲特性。以滇池流域典型植被覆蓋類型為研究對象，揭示土壤入滲特性及影響入滲的特征因子。

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區(qū)被分成兩個相似的實驗區(qū)域。香根草的種植在其中一個區(qū)域進行，而另一個區(qū)域未種植，用作對照試驗。當試驗進行90 d 后，在兩個試驗區(qū)域取出代表性土壤，進行了物理化學成分分析、氮吸附-脫附織構(gòu)分析、土壤塑性指數(shù)分析以及土壤滲透性分析，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次研究項目河道堤頂高程均為4.20 m。現(xiàn)有岸頂高程高于4.20 m 處則進行整平,讓地表雨水順利匯入河道,發(fā)揮河道的匯水功能,既經(jīng)濟合理又安全可靠;低于高程4.20 m 處進行加高。工程范圍內(nèi)村宅級河道無藍線,按照現(xiàn)場情況及河道斷面設計需求來進行平面布置,在支河口位置,采用圓弧段與支河順接。工程等級為Ⅲ等,永久性護岸為3級水工建筑物,圍堰等臨時建筑物為5 級水工建筑物?，F(xiàn)狀村級河道之間溝通主要是靠管涵溝通,受涵管管徑的影響,村級河道之間水系溝通不暢,暴雨期間雨水排出不暢。為充分體現(xiàn)河道水生態(tài)系統(tǒng)的特點，使河道滿足生態(tài)系統(tǒng)的多樣性要求。因此考慮河道的下級邊坡不做硬質(zhì)護砌，而常水位至河堤頂部的結(jié)構(gòu)，在滿足岸坡穩(wěn)定的前提下盡量采用有利于生物生存的生態(tài)護坡型式，為水生植物的生長、水生動物的繁育和棲息創(chuàng)造條件。

2 材料與研究方法

本次實驗從種植香根草開始，種植區(qū)為緊鄰河流域的一個邊坡，被分成兩個相似的實驗區(qū)域。香根草的種植在其中一個區(qū)域進行，而另一個區(qū)域未種植，用作對照試驗。試驗一共有75 株植物，分別以3 行25 株的排列方式種植，植物之間的間距為0.5 m。兩個邊坡的坡角約為40°，土壤為砂質(zhì)黏土，礫石含量較低，表1 為土壤參數(shù)。當試驗進行90 d后，在兩個試驗區(qū)域取出代表性土壤樣本進行了更詳細的研究。

表1 土壤參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 物理化學成分分析

表2 給出了有香根草和無香根草土壤樣品的物理化學成分。由表可知，兩種土壤的pH 值在5～6范圍內(nèi)，土壤表現(xiàn)出酸性，但種植香根草會導致土壤pH 值發(fā)生微小變化，其值較低，為5.89，產(chǎn)生原因可能與降雨有關(guān)。這種變化可能會影響一些元素的溶解度，有利于有機質(zhì)的高度礦化。土壤略微酸化對土壤特性來說影響不大，因為香根草的生長在3～10.5 的pH 范圍內(nèi)。兩種土壤可溶性鹽和石膏的含量均較低，但在種植香根草后，可以觀察到硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導率比普通土壤的電導率高2 dS/m，表明香根草對保持土壤鹽度的作用不大。此外，試驗還分析出在植物播種的作用下，土壤的陽離子交換容量值從高值（152～192）變?yōu)榈椭担?1～16），因此香根草是土壤產(chǎn)生非常好的肥料。

表2 土壤樣品的物理化學成分分析

3.2 氮吸附-脫附織構(gòu)分析

表3 給出了由固氮吸附和平均孔徑得出的比表面積值。由表可知，未種植香根草的土壤比表面積（單位：m2/g）為15.50（BET 方程）和21.25（Langmuir方程），而香根草樣本的值稍低，分別為11.68（BET）和16.04（Langmuir）。在這些樣本中，使用Langmuil模型通過氮吸附確定的比表面積值高于使用BET模型確定的比表面值。此外，使用Dolinar 的簡化方法確定非膨脹細粒土的外比表面積值沒有變化。

表3 土壤比表面積值（m2/g）

3.3 土壤塑性指數(shù)

通過測定塑性和顆粒尺寸進行織構(gòu)分析。試驗結(jié)果得出在種植香根草后，土壤的塑性降低，塑性指數(shù)為7.9，土壤分類為砂石灰的砂石灰混合物，或具有中等塑性的砂石灰礫石，可使用BET 和Langmuir比表面積估計塑性指數(shù)。

3.4 土壤滲透性分析

為了比較植物對土壤水分入滲的影響，在裸土地塊和覆蓋植物的地塊上進行了兩次入滲試驗。使用雙環(huán)入滲儀進行試驗，以準確測量垂直入滲。測量時將兩個圓柱體垂直插入土壤中5 cm，然后用水膜填充。滲透深度在內(nèi)圓柱體中測量，而外環(huán)限制滲透后的水橫向擴散。時間用測速儀記錄，土壤上方的水深度用測量桿測量。測量開始時，記錄時間以及內(nèi)環(huán)中的水位（參考水位）。

當滲透水位達到特定深度時，水被注入內(nèi)環(huán)，以將水重新填充至初始水位，因此在滲透試驗期間，水頭幾乎保持不變。試驗結(jié)果通過經(jīng)典的Kostiakov-lewis 經(jīng)驗模型進行分析，該模型被廣泛用于表征農(nóng)業(yè)土壤中的滲透。該模型取決于經(jīng)驗參數(shù)K（cm.min-n），n 值低于1。經(jīng)驗參數(shù)f（cm.min-n）為固有滲透率。Kostiakov-Lewis 方程如下所示：

在該方程中，Ia是滲透水位，cm；t是滲透時間時間，min；通過使用最小二乘法進行非線性回歸，來對等式（1）中的三個經(jīng)驗參數(shù)（K、n和f）進行擬合。

表4 給出了裸露土壤和香根草覆蓋的土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數(shù)，由表可知，最優(yōu)擬合系數(shù)接近1，表明實驗數(shù)據(jù)與該模型非常吻合。未種植和種植香根草土壤的滲透測量結(jié)果如圖1 所示。由圖可知，由于研究區(qū)域為砂質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)，研究區(qū)域透率較高，種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結(jié)果可能與土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物根系造成的壓實有關(guān)，同時植物冠層吸收水分也可導致的滲透速率的降低，對保護邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。

表4 土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數(shù)

圖1 土壤入滲速率（Ir）和累積入滲（Ic）曲線

4 土壤侵蝕防止措施

以下是有效控制侵蝕的一些常見策略，其中許多是再生農(nóng)業(yè)理念的一部分。值得注意的是，合適的侵蝕控制處理方法應當是基于具體的侵蝕過程提出的。

（1）構(gòu)建土壤有機質(zhì)：土壤有機質(zhì)由植物和動物物質(zhì)分解組成，是幫助土壤粘合在一起并保持土壤固定的粘合劑。研究表明，將有機質(zhì)從1%增加到3%可以減少20%～33%的侵蝕，可以提高土壤的持水能力。

（2）使用侵蝕控制墊：侵蝕控制墊這種地面覆蓋物通常由可生物降解的材料制成，用于保護土壤，并為裸露在地面上的植被生長提供支撐。這種侵蝕控制方法通常對太陽能發(fā)電場和建筑工地非常有效，因為這些地方大片土地荒蕪，容易受到風和水的侵蝕。

（3）實行免耕/少耕：這兩種方法能夠減少土壤侵蝕和徑流，有利于提高作物生產(chǎn)力和水質(zhì)。免耕還可以幫助減少氮和其他重要土壤養(yǎng)分的損失。

5 結(jié)論

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區(qū)被分成兩個相似的實驗區(qū)域。香根草的種植在其中一個區(qū)域進行而另一個區(qū)域未種植，兩區(qū)域用作對照試驗。當試驗進行90 d 后，在兩個試驗區(qū)域取出代表性土壤，進行了物理化學成分分析、氮吸附-脫附織構(gòu)分析、土壤塑性指數(shù)分析以及土壤滲透性分析。研究結(jié)果表明：

（1）種植香根草后，土壤硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導率比普通土壤的電導率高2 dS/m，表明香根草對保持土壤鹽度的作用不大。

（2）種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結(jié)果可能與土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物根系造成的壓實有關(guān)，同時植物冠層吸收水分也可導致的滲透速率的降低，對保護邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。