南方紅壤區(qū)香根草植物籬的減流減沙貢獻(xiàn)

1、南方紅壤區(qū)香根草植物籬的減流減沙貢獻(xiàn)我國坡耕地面積占總耕地面積的 20%，南方紅壤區(qū)坡耕地面積占旱地面積的 70% 以上。全國坡耕地面積占水土流失總面積的 6. 7%，產(chǎn)生的土壤流失量卻占到全國的 28. 3%。坡耕地嚴(yán)重的水土流失，成為發(fā)展高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效;農(nóng)業(yè)的瓶頸，制約了當(dāng)?shù)貜?qiáng)農(nóng)惠農(nóng)富農(nóng);目標(biāo)的實(shí)現(xiàn); 因此，探索、研究和實(shí)施有效的控制坡耕地水土流失技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)我國資源、環(huán)境和人口的協(xié)調(diào)發(fā)展意義重大。等高植物籬是在坡耕地沿等高線每隔一定距離，布設(shè)密植生長速度快、萌生力強(qiáng)的灌木或灌化喬木以及灌草結(jié)合的植物籬帶，帶間布置農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物。植物籬作為坡耕地一種有效的水土保持生物措施，在水土保持領(lǐng)域備

2、受關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在植物籬品種選擇、水土保持效果、生態(tài)功能評價(jià)等方面進(jìn)行了研究，揭示了植物籬在控制水土流失、改善土壤理化性質(zhì)、減小坡度、縮短坡長等生態(tài)效益以及經(jīng)濟(jì)效益提高等多方面的綜合效應(yīng)。學(xué)者們通過不同試驗(yàn)證明了植物籬的水土保持作用，并發(fā)現(xiàn)不同植物籬對坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程影響不同。許峰等通過模擬降雨試驗(yàn)，得出香根草( Vetiveria zizanioides L ) 植物籬能減少相當(dāng)于對照坡耕地的 82. 2% 的侵蝕量，并可進(jìn)一步控制土壤養(yǎng)分流失; 蔡強(qiáng)國等通過小區(qū)天然降雨觀測和人工模擬降雨試驗(yàn)，分析了植物籬控制水土流失的機(jī)制，認(rèn)為其主要通過根部阻擋水流速度，降低水流挾沙能力，減少

3、細(xì)溝形成，從而減少土壤侵蝕; R C Rosecrance 等也有類似結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)在種植植物籬 4 年后，土壤持水量得到了改善。香根草已在熱帶和亞熱帶地區(qū)被廣泛用來防治水土流失，夏漢平研究表明，在坡度為 15° 42°的坡耕地上，種植香根草籬后可減少土壤侵蝕 90%。以上研究增加了人們對坡耕地植物籬水土保持效益的認(rèn)識，但對植物籬條件下的水土流失機(jī)制研究仍不充分。傳統(tǒng)研究主要依靠小區(qū)監(jiān)測和試驗(yàn)，得到的結(jié)果是植物籬增滲減流、減弱雨滴打擊、攔截徑流等多種水土保持機(jī)制的綜合效應(yīng)，很難單獨(dú)模擬某一個(gè)過程并量化其過程關(guān)鍵參數(shù)，對于植物籬地上稈莖和地下根系在減流減沙方面的相對重要性認(rèn)識不夠，

4、例如，植物籬如何分別影響坡面產(chǎn)流過程和產(chǎn)沙過程，植物籬不同部位在這一過程中的作用和貢獻(xiàn)大小如何等。解決這些問題對于坡耕地植物籬的優(yōu)化配置非常重要，而現(xiàn)有的研究結(jié)果尚不能滿足要求，都是在整個(gè)坡面徑流小區(qū)上進(jìn)行的植物籬攔截作用的研究。基于此，筆者以南方紅壤區(qū)香根草植物籬為研究對象，通過開展人工模擬降雨微區(qū)試驗(yàn)，研究模擬降雨條件下植物籬的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程以及植物籬不同部位的減流減沙貢獻(xiàn)率。1 試驗(yàn)區(qū)概況野外人工模擬降雨試驗(yàn)研究區(qū)位于江西省余江縣劉墾三分場( E 116°53 ，N 28°14 ) ，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫 17. 8 ，年均降雨量約 1 795mm，50% 左右的年

5、降雨分布在 46 月。研究區(qū)為低丘緩坡地形，坡度在 3° 15°之間，海拔為 35 60m。成土母質(zhì)為紅砂巖，土壤類型為紅壤，富含鐵氧化物，黏土礦物以高嶺石為主。土壤中的有機(jī)質(zhì)、有效磷和鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低，尤其以有效磷的缺乏最為嚴(yán)重，因此，土地生產(chǎn)力低，人類高強(qiáng)度的開發(fā)和干擾導(dǎo)致該研究區(qū)的土壤侵蝕較為嚴(yán)重。香根草是一種多年生草本植物，須根系統(tǒng)縱深發(fā)達(dá)，可深達(dá)2 3 m，能較牢固地固持土壤，沒有匍匐莖或根狀莖，不會成為農(nóng)田雜草; 地上部分簇生成叢，在短時(shí)間內(nèi)就能形成致密的綠籬帶。研究區(qū)香根草植物籬已種植2 年，平均高 1. 2 m，籬帶寬 0. 5 m?；h帶沿等高線方向布設(shè)，所在

6、坡面坡度約5°。2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程2. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)人工模擬降雨試驗(yàn)于 2012 年 8 月進(jìn)行，選擇同一坡度的香根草、普通草地和裸地 3 種土地利用類型。普通草地為休閑地，即各條帶植物籬之間的農(nóng)地，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，農(nóng)地花生已收獲，已閑置一段時(shí)間，其上長有雜草，主要代表性雜草為狗牙根( Cynodondactylon ( Linn ) Pers) ，其莖匍匐生長，節(jié)間著地即可生根。盡量選擇裸露的地塊，如有少量雜草，用剪刀小心地剪去地上部分，不造成土壤擾動。為恢復(fù)地力，研究區(qū)大部分農(nóng)地收獲花生后到來年春天一直被閑置，由于缺乏管理，其上長有雜草，降雨時(shí)易造成一定的水土流失，即本研究所選取的普通

7、草地所在區(qū)，代表當(dāng)?shù)厥斋@花生后到來年春季坡耕地的普遍狀況。選擇普通草地和裸地進(jìn)行研究，可代表當(dāng)?shù)氐膶?shí)際耕作情況。裸地作為對照類型，另外 2 種類型每類選擇 3 塊蓋度不同的地( 表 1) 。為了進(jìn)一步探究香根草不同部位對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，在香根草小區(qū)降雨試驗(yàn)結(jié)束后，割去地上部分，得到香根草-割類型，再進(jìn)行降雨試驗(yàn)。順坡向設(shè)置 1 m ×1 m 的微區(qū)，0. 5 m 寬的草籬位于微區(qū)正中。微區(qū)邊界由 3 塊 25 cm 寬的鍍鋅鐵皮和集沙槽圍起，鐵皮有 10 cm 寬，插入土中防止側(cè)滲，形成的邊界高 15 cm，集沙槽高15 cm、寬1 m、長50 cm。在出口處挖取樣池，直徑 30

8、cm，為了防止排水不暢，在出口處下方挖引流溝以便排水( 圖 1) 。試驗(yàn)使用的便攜式人工模擬降雨機(jī)按照 ACovert 等提供的方案設(shè)計(jì)，主要包括汽油發(fā)電機(jī)、水泵、水管、壓力表、噴頭等，由 4 根 6 m 長的可松卸的鋼管支撐起來，壓力表和噴頭被固定在由 4根 50 cm 長的鋼管連接成的正方形框架上，降雨機(jī)中間掛一鉛垂，以便調(diào)節(jié)噴頭高度到 3 m，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖 1。采用美國 Spraying system 公司 的Fulljet 系列實(shí)心錐形噴頭，不同的噴頭可模擬不同強(qiáng)度的降雨。率定結(jié)果表明，當(dāng)噴頭高度達(dá)到 3 m、水壓力為 40 kPa 時(shí)，該型噴頭產(chǎn)生的雨滴降落速度和動能大小與自然降

9、雨接近，在噴頭正下方 1 m2范圍內(nèi)，降雨均勻系數(shù)大于 80%。整個(gè)裝置為組合式結(jié)構(gòu)，方便安裝、拆卸和運(yùn)輸。2. 2 試驗(yàn)過程張黎明等對鷹潭地區(qū) 19992003 年 5 年的降雨強(qiáng)度研究結(jié)果表明，該地平均月累計(jì) 30 min 降雨強(qiáng)度( I30) 為20 127. 4 mm/h。根據(jù)這一范圍，試驗(yàn)選擇 2 種不同型號的噴頭，實(shí)際每場降雨計(jì)算得到的降雨強(qiáng)度范圍為49. 79 90. 11 mm/h，2 種型號噴頭各自的平均降雨強(qiáng)度為 60. 10 和 82. 44 mm/h，對應(yīng)的噴頭型號分別為 Fulljet 1/2HH-30WSQ 和Fulljet 1 /2HH-50WSQ。每種降雨強(qiáng)度試

10、驗(yàn)重復(fù) 2次，進(jìn)行平均，共進(jìn)行 40 場降雨。試驗(yàn)開始前，在小區(qū)外側(cè)附近取土樣，測定土壤密度、機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)，同時(shí)觀測植被覆蓋度。為保證每場試驗(yàn)的一致性，同一地類的 2 種降雨強(qiáng)度降雨試驗(yàn)不換樣地。為消除土壤前期含水率差別較大對侵蝕的影響，在前一場試驗(yàn)結(jié)束后，樣地?cái)R置，讓水分充分下滲，在自然狀態(tài)下風(fēng)干或曬干，再在該樣地上進(jìn)行下一場試驗(yàn)。為使試驗(yàn)更具對比性，香根草-割類型是在香根草小區(qū)上人工降雨試驗(yàn)做完后割去稈莖而產(chǎn)生的。試驗(yàn)微區(qū)布設(shè)好以后，將降雨機(jī)架在微區(qū)正中間，調(diào)節(jié)腳架到設(shè)定高度。每場降雨之前需進(jìn)行降雨強(qiáng)度校訂，先用一塊防水布將實(shí)驗(yàn)微區(qū)蓋住，調(diào)節(jié)閥門直到壓力表達(dá)到 40 kP

11、a，這時(shí)迅速撤掉防水布，開始試驗(yàn)并計(jì)時(shí)。試驗(yàn)開始后，記錄產(chǎn)流時(shí)間，每隔1 min 取徑流泥沙樣，直到 500 mL 取樣瓶取滿為止，并記下取樣的起止時(shí)間，降雨過程持續(xù) 30 min。試驗(yàn)結(jié)束后用烘干法測定泥沙量并計(jì)算侵蝕量。試驗(yàn)過程中，在小區(qū) 4 個(gè)角各放一個(gè)雨量筒，統(tǒng)計(jì)每場降雨的實(shí)際降雨強(qiáng)度，將同一噴頭的 20 場降雨的降雨強(qiáng)度進(jìn)行平均，得到設(shè)定的大、小噴頭的實(shí)際降雨強(qiáng)度分別為 82. 44 和 60. 10 mm/h。3 結(jié)果與分析3. 1 侵蝕特征量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系3. 1. 1 初始產(chǎn)流時(shí)間 不同降雨強(qiáng)度下各地類的初始產(chǎn)流時(shí)間見表 2。對于香根草植物籬，由于地上部分空中截流、植物稈莖阻

12、礙地表徑流、地表枯落物截流、植物根系增加入滲，使其初始產(chǎn)流時(shí)間明顯滯后于其他幾類。從降雨強(qiáng)度上分析，2 種降雨強(qiáng)度下同一立地類型的產(chǎn)流時(shí)間差異不明顯。在同一降雨強(qiáng)度條件下，從香根草到裸地，其產(chǎn)流時(shí)間有逐漸縮短的趨勢，以大降雨強(qiáng)度的趨勢更為明顯。可知，在降雨強(qiáng)度較大的南方紅壤區(qū)，坡耕地上種植香根草植物籬意義更大，其減緩徑流的效果更顯著。3. 1. 2 產(chǎn)流量和侵蝕速率 從 40 場降雨的降雨強(qiáng)度和對應(yīng)的產(chǎn)流量、土壤侵蝕速率的關(guān)系散點(diǎn)圖( 圖 2 和圖 3) 可以看出: 隨著降雨強(qiáng)度的增大，香根草和香根草-割的產(chǎn)流量和侵蝕速率的增加速度較草地和裸地緩慢，而裸地和普通草地?cái)M合的與降雨強(qiáng)度的關(guān)系直線斜

13、率較陡，增加速率較快，裸地的產(chǎn)流量和侵蝕速率隨降雨強(qiáng)度的增加急劇增大。由此推斷，在南方紅壤區(qū)暴雨條件下，裸露土地水土流失相當(dāng)嚴(yán)重，迫切需要加強(qiáng)水土保持措施建設(shè)。圖 3中，香根草侵蝕速率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系直線近似與X 軸平行，其隨降雨強(qiáng)度的增加變化不大，很好地體現(xiàn)了香根草植物籬在大的降雨強(qiáng)度條件下控制水土流失的優(yōu)勢。3. 2 產(chǎn)流特征3. 2. 1 總產(chǎn)流量 單因素方差分析顯示，P =0. 046 0. 05，認(rèn)為不同立地類型之間產(chǎn)流量差異顯著，進(jìn)一步進(jìn)行 Duncan 多重對比分析，香根草、香根草-割、草地之間差異不顯著，而裸地與其他地類差異顯著( 表 3) 。將總降雨量與產(chǎn)流量的差除以總降雨量

14、即得各立地類型的入滲率，香根草與香根草-割的入滲率不同，表明香根草植物的稈莖在減流方面作用顯著; 同樣沒有稈莖作用的香根草-割和草地，由于香根草-割的根系比草地發(fā)達(dá)，其產(chǎn)流量減少，說明植物根系的減流作用明顯; 裸地與草地相比，由于沒有根系的作用，其產(chǎn)流增加。綜上，由于香根草地上部分龐大的生物量以及地下強(qiáng)大的根系，其產(chǎn)流量明顯減少。香根草的入滲率比香根草-割增加了 5%，比裸地增加了 21%，由此推論，香根草地上部分生物量增加了 5% 的入滲量，地下部分龐大的根系增加了 16%的入滲量。由于根系的作用，香根草地類的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于普通草地和裸地( 表 1) ，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，香根草的減流

15、效應(yīng)主要依靠其地下部分強(qiáng)大的根系增加入滲量。3. 2. 2 產(chǎn)流過程 將同一立地類型的各場降雨按降雨強(qiáng)度大小分別進(jìn)行平均，選擇某一場降雨的各次徑流取樣的起止時(shí)間為序列，其余場降雨的時(shí)段產(chǎn)流強(qiáng)度值按時(shí)間線性插值到該序列上，得到不同降雨強(qiáng)度的時(shí)段產(chǎn)流強(qiáng)度過程線( 圖4) ?？梢钥闯?，香根草的產(chǎn)流強(qiáng)度在各時(shí)段最低，裸地最高，香根草的產(chǎn)流過程線斜率比其他的小，說明香根草可有效地減緩徑流。各類型小區(qū)的產(chǎn)流強(qiáng)度總體趨勢都是先增加后趨于平穩(wěn)。由于各小區(qū)土壤在降雨前期初始含水量都比較低，降雨開始時(shí)都以入滲為主，這時(shí)的產(chǎn)流強(qiáng)度都比較低，隨著降雨過程的繼續(xù)，土壤含水量逐漸達(dá)到飽和，開始形成地面徑流，這時(shí)產(chǎn)流強(qiáng)度急

16、劇上升，到達(dá)一定的時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定。由于香根草小區(qū)地上部分龐大的生物量，對降雨雨滴具有巨大的消能作用，稈莖攔截部分降雨，使土壤保持疏松狀態(tài)，具有較高的徑流入滲率; 同時(shí)，香根草發(fā)達(dá)的地下根系，也給水流的入滲創(chuàng)造了良好的條件; 由于枯落物的存在使得地表粗糙度增加，減緩了坡面徑流流速，也加大了水流入滲的可能性。綜合這些條件，香根草植物籬的產(chǎn)流強(qiáng)度值最低。裸地的產(chǎn)流強(qiáng)度在各立地類型中始終最高，初始產(chǎn)流強(qiáng)度大，直線斜率陡，產(chǎn)流強(qiáng)度增加劇烈，由于其地表裸露，土壤干燥，土壤孔隙內(nèi)完全被空氣所充滿，土壤透水能力降低，不能充分吸收水分，大量雨水變?yōu)榈乇韽搅鳌．?dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，雨水才逐漸加大滲透能。平均降雨強(qiáng)

17、度 82. 44 mm/h 條件( 圖 4( a) ) 下，降雨過程前 15 min 內(nèi)，香根草的產(chǎn)流強(qiáng)度低于香根草-割，15 min 后二者的產(chǎn)流強(qiáng)度接近，可見，在大降雨強(qiáng)度條件下稈莖攔截降雨能力有限; 草地和香根草-割的產(chǎn)流量在降雨初期和末期接近，10 25 min之間草地形成一小高峰，進(jìn)一步說明對于減流，起決定作用的是地下根系，而不是地上部分的稈莖截流。降雨強(qiáng)度較小條件( 圖 4( b) ) 下，各小區(qū)產(chǎn)流強(qiáng)度曲線始終很平穩(wěn)，香根草和香根草-割的產(chǎn)流強(qiáng)度差各時(shí)段接近，草地在降雨中后期的產(chǎn)流強(qiáng)度不穩(wěn)定。3. 3 侵蝕特征3. 3. 1 侵蝕量 將各地類的所有場次降雨的土壤侵蝕量平均，進(jìn)行單

18、因素方差分析。結(jié)果( 表 4) 顯示，P = 0. 011 0. 05，認(rèn)為不同地類之間土壤侵蝕量差異顯著，進(jìn)一步做 Duncan 多重對比分析，香根草與其他 3 類之間有顯著差異，其余三者之間差異不明顯。各立地類型土壤的平均侵蝕量依次為香根草 香根草-割 草地 裸地，裸地的侵蝕量是香根草的5. 6 倍之多，由于香根草植物籬地上部分龐大的生物量，減弱了雨滴對土壤的打擊，地下部分強(qiáng)大的根系，固結(jié)土壤的效果甚好。對比香根草與香根草-割2 種類型，香根草的侵蝕量減少了 75% ，可見香根草植物籬的地上部分對降雨打擊力的削弱作用影響很大，從而減少了對土壤的破壞，侵蝕量減少。由此推斷，香根草的減沙效應(yīng)主

19、要依靠地上部分龐大的生物量對雨滴動能的削弱。3. 3. 2 土壤侵蝕過程 圖 5 為不同降雨強(qiáng)度的土壤侵蝕強(qiáng)度過程線?？梢钥闯觯愀菪^(qū)的侵蝕強(qiáng)度線始終保持低而平穩(wěn)的趨勢，草地和香根草-割的侵蝕強(qiáng)度線動態(tài)交錯(cuò)。降雨初期，各小區(qū)的侵蝕強(qiáng)度線較平穩(wěn)，這是由于降雨初期，徑流量小，搬運(yùn)泥沙的能力有限，再加上部分填洼過程，使得侵蝕強(qiáng)度不高。繼而，各小區(qū)在不同的時(shí)間形成一小高峰，之后又趨于平穩(wěn)，其原因主要是降雨初期雨滴擊濺在坡面上產(chǎn)生大量分散的土粒，這些土粒在坡面剛剛形成的薄層水流的搬運(yùn)下，形成了侵蝕高峰，隨著降雨的繼續(xù)，表層易侵蝕的土壤已經(jīng)被侵蝕，表層以下的土壤由于比較緊密，使土壤抗侵蝕能力相應(yīng)增強(qiáng)，

20、此外，薄層水流的存在，使雨滴擊濺的土粒減少，坡面土壤侵蝕量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。大降雨強(qiáng)度條件( 圖5( a) ) 下，降雨前9 min，香根草-割和草地的侵蝕強(qiáng)度接近，9 min 以后草地的侵蝕量快速增加，明顯高于香根草-割，由于香根草-割地上部分的留茬，在一定程度上也削弱了雨滴動能，減少了土壤侵蝕。小降雨強(qiáng)度條件( 圖 5( b) )下，香根草-割和草地的侵蝕強(qiáng)度動態(tài)交錯(cuò)，降雨 8min 前和 22 min 后，香根草-割、草地以及裸地的侵蝕強(qiáng)度趨勢一致且侵蝕量接近，沒有地上稈莖作用的立地類型侵蝕過程一致。比較圖 5( a) 和( b) 可知，大降雨強(qiáng)度條件下，各時(shí)段的侵蝕強(qiáng)度高于對應(yīng)時(shí)段的小降雨強(qiáng)度的侵蝕強(qiáng)度，香根草割與不割，其土壤侵蝕量相差很大，沒有刈割的香根草，地上部分龐大的生物量削弱了雨滴的動能，減少了土壤的流失量。說明香根草的地上部分稈莖作用對減沙效果影響顯著。大降雨強(qiáng)度下，香根草地侵蝕強(qiáng)度相比裸地的減少量比小降雨強(qiáng)度條件更明顯，說明大降雨強(qiáng)度條件下香根草植物籬的減沙效應(yīng)更顯著。4 結(jié)論與討論1) 與普通草地和裸地相比，香根草植物籬具有明顯的減流減沙效益，主要表現(xiàn)在延長坡面產(chǎn)流時(shí)間，降低產(chǎn)流產(chǎn)沙速率，消減坡面強(qiáng)烈的侵蝕產(chǎn)沙過程。相比裸地，香根草減流 21%，產(chǎn)沙量只有裸地的 18%。2) 香根草植物籬在大降雨強(qiáng)度條件下的減流減沙