植被覆盖对土壤水蚀的影响评价

2014-10-13尚润阳

海河水利 2014年2期

夏青，尚润阳

（水利部海河水利委员会，天津 300170）

水力侵蚀是目前世界上分布最广、危害最为普遍的一种土壤侵蚀类型。水力侵蚀是指在降雨雨滴击溅、地表径流冲刷和下渗水分作用下，土壤、土壤母质及其他地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程[1]。植被覆盖和管理是土壤水蚀的主要抑制因素之一。德国土壤学家沃伦（Wollny）在1877—1895年完成第一个侵蚀科学实验研究，用实验小区观测到了植被和地面覆盖物对防止降雨侵蚀和土壤结构恶化的影响[2]。1936年，植被覆盖被列为土壤侵蚀的一个影响因素[3]。在通用土壤流失方程中，把覆盖与田间管理因子作为控制土壤流失强度的一个重要影响因子。

1 植被对土壤水蚀的影响

降雨是水力侵蚀的动力来源，降雨对土壤的击溅以及随后形成的径流对土壤的搬运冲刷构成了土壤的水力侵蚀。植被对水循环中的降雨、下渗和径流3个环节都有调节和控制作用[1]，改变了降雨对土壤的作用这一水文过程。植被对水蚀的影响主要表现在以下几个环节：植被截留降雨；植被叶滴击溅；植被拦滤径流、泥沙；植被根系增强土壤抗蚀性；植被枯枝落叶层对土壤的保护作用[4]。

植被对水蚀的影响主要表现在：植被的垂直截留作用（包括林冠层截留、灌木草本层截留、枯枝落叶层截留）削弱降雨动能，减少或消除了雨滴对土壤的打击力[5]，从而减弱或防止了溅蚀；植被增加土壤的蓄水量和地表粗糙度，对径流流量和流速都有明显的降低作用，从而减少径流侵蚀力和对泥沙的搬运能力[6]，即减少面蚀和沟蚀。

1.1 植被对溅蚀的影响

植被的垂直截留作用削弱降雨动能，缓冲雨滴的落地速度，减少或消除了雨滴对土壤的打击力[7]，从而大大减少了雨滴对土壤的溅蚀作用。雨滴下落后受到植被枝叶拦截，在降雨量较小时可拦截全部降雨，当降雨量较大时可拦截部分降雨，这样落到地表的雨滴量就大大减少了；并且枝叶的阻挡起到缓冲雨滴动能的作用，故雨滴落到地面上的速度很小，因而导致其击溅力减小，又由于植被的枯枝落叶覆盖在地面上，故落下的水滴及没有被拦截的雨滴遭受第二次拦截，经过这二次作用，雨滴的动能将大大损失，击溅力会削减很多[8]。

植被对降雨的截留、对雨滴动能的削弱作用是毋庸置疑的，但植被的叶滴击溅作用也是不可忽视的。原因在于，在叶片上重新组合过的雨滴，质量通常大于天然雨滴，在降落到地表的过程中，它们可能被充分地加速到具有一定的能量，这种能量对滴溅侵蚀的影响是不应忽略的[9-11]。植被的高度是影响其叶滴击溅的最重要因素，低矮农作物和灌木由于植株较低，尽管汇集的雨滴一部分形成比原来大的水滴击落在土壤上，但这段距离较小，故落地速度很小，因而其击溅力小；而一般高大的乔木，当雨滴汇集形成大的水滴，由于有较高的自由落体高度，促使其落地速度较大，再加上大的质量，导致能量增加，对地表的击溅力大。因此，单独乔木林的覆盖效果往往是增大击溅侵蚀，除非地面枯枝落叶层较厚或有灌木或草生长，对二次击溅的动能可以起很大的削减作用[12]。克汉[13]在1992年的研究中指出，随着作物高度的增加，土壤流失量也增加，当作物高度为1 m时，土壤流失量和无作物覆盖情况下基本相同，从作物茎秆上掉下的雨滴所增加的额外动能已完全抵消了作物对土壤的保护作用。

1.2 植被对面蚀的影响

植被对面蚀的主要影响，一方面可以增加降雨的下渗和土壤的蓄水量，从而减少径流量；另一方面能增加地表的粗糙度，从而降低流速。从径流对土壤的侵蚀机理来看，径流的流量和流速决定径流侵蚀力的大小，因而植被可以降低径流侵蚀力。

植被覆盖效益还表现于植被形成糙率对水流的影响，一般草地的糙率系数为裸地的十几倍[14]。糙率增加大大减小径流速度，实际测量表明，当坡度为16°时，裸地的水流速度为草地的4～5倍，故草地的径流冲刷能力大大减弱，入渗能力有很大的加强[15]。

1.3 植被对沟蚀的影响

植被可以减缓沟蚀发展的作用，主要表现在：可以对坡面暴雨径流过程进行调平，减小洪峰流量，从而降低径流的冲刷能力；可以增加沟道床面的阻力，降低沟道水流流速，减小径流的拖曳力[16]。在种植有沙棘的沟道中，通过繁衍，在沟床上的沙棘可以逐渐衍生到沟坡上，与类型相同的无植被的沟道相比，在同一时期内，前者均无明显的沟岸扩张现象，而后者则有新的沟岸侵蚀坡面；在沟床上种植乔灌林后，可以起到滞流拦沙作用，形成“柔性坝”[17]，抬升床面，使侵蚀基准面相应抬高，从而可以减缓沟头的溯源前进速度。

即使在同一条流域，因植被条件不同，其沟道侵蚀程度也有明显的差别[16]。如，在伏尔加河流域的中上游，由于雨水充沛，森林茂盛，植被覆盖度高，其侵蚀强度很弱，沟道侵蚀现象很少；而在流域下游，由于属于干旱半干旱地区，植被由上中游的乔木林逐渐变为灌木丛和草类，且覆盖率相对较低，因此土壤侵蚀比较明显，沟道侵蚀现象很普遍，外切、冲沟均有发生[18]。

2 植被覆盖度与水力侵蚀

植被对地表的有效覆盖是影响降雨径流侵蚀过程的重要因素，很多学者对此都进行过深入研究[15]。植被覆盖度是当今研究植被与水土流失关系中用得最多的一个参数，它是指单位土地面积上植被垂直覆盖面积所占的百分比，常用百分数表示，取值范围是0～100%[4]。

植被覆盖度对土壤入渗量、地表径流量和土壤侵蚀量均有影响。张华嵩[8]的研究表明：①土壤入渗量随植被覆盖度增长而增加。植被覆盖度由0到10%每增长1%，土壤入渗量增加2%，随着植被覆盖度增长，土壤入渗量增加的比例愈大，当植被覆盖度增长到80%以上时土壤入渗量增加3倍以上。②地表径流量随植被覆盖度增长逐渐减少，植被覆盖度从0到10%每增长1%，地表径流系数平均减少1.04%～1.21%，随着植被覆盖度增长，减少地表径流系数的百分比愈大，当植被覆盖度增长到90%以上时地表径流基本可得到控制。③土壤侵蚀量随植被覆盖度增长逐渐减少。植被覆盖度从0到10%每增长1%，土壤侵蚀量平均减少1.19%～1.36%，植被覆盖度增长愈高，减少土壤侵蚀量的百分比愈大，当植被覆盖度增长到90%以上时土壤侵蚀就基本停止。

2.1 植被覆盖度对降雨入渗过程的影响

植被覆盖对降雨入渗过程的主要影响是对降雨雨滴的消能作用，可以有效地防止土壤表层形成结皮，使之呈疏松状态，保持有较高的水流入渗率；同时，发达的根系也给水流的入渗创造了良好的条件；坡面的糙率随植被覆盖度增加而增加，使坡面水流流速降低，也加大水流入渗的可能性。满开言等[19]的实验表明：当降雨强度为80、50 mm/h时裸露坡面的水流稳渗率分别约为225、350 mm/min，植被覆盖度为100%时土壤的稳渗率分别高达910、660 mm/min。无论雨强如何，稳渗率均随植被覆盖度的增加而增大。所以，水流的入渗量随植被覆盖度的增加而增加，而地表径流量则随之减少。张华嵩[8]根据京西矿区各煤矿径流小区观测资料，得到植被覆盖度与土壤入渗量、地表径流系数的关系。土壤入渗量随着植被覆盖度的增长而直线上升；覆盖度愈大，形成地表径流的速度愈慢，径流量愈小。具体情况，见表1。

2.2 植被覆盖度与侵蚀量的关系

对于植被覆盖度与侵蚀量之间的相关关系，很多学者都进行过深入研究，得出了两者之间的关系式，而更多的统计回归结果表明土壤侵蚀量与植被覆盖度之间为指数关系[20，21]。早在1965年，E.L.Noble在分析美国犹他州一些小流域侵蚀与植被度的关系后认为，表土侵蚀量与植被覆盖度之间呈指数关系；1976年，爱尔韦尔加斯托克提出了土壤流失量与作物被覆百分比间的指数关系为：

表1 植被覆盖度与土壤入渗量、径流系数的关系

式中：S为土壤流失量（t）；F为作物覆盖度；A、B为常数。

李寅生的研究表明，中国黄土地区的土壤侵蚀量与林草地覆盖率之间也具有指数函数关系：

式中：a、b为参数；We为土壤侵蚀量（t）；α为林草地覆盖率。

蔡强国等[22]对实验资料进行多种拟合关系比较，得到溅蚀量与覆盖度之间的最佳曲线为：

式中：Y为溅蚀量（mg/cm2）；V为覆盖度。其中，相关系数r=-0.994，样本数n=12，覆盖高度H=1 m。

1997年余新晓等人的研究认为，小流域森林植被覆盖度与土壤侵蚀量之间存在幂函数相关关系：

式中：Ms为土壤侵蚀量（t）；C为常数；F为植被覆盖度。

虽然关系式形式不同，但结果都认定植被盖度与侵蚀产沙量之间是负相关关系，即随着植被覆盖度的增加，小区的水土流失量减少[23]。

2.3 植被覆盖度对侵蚀模数的影响

植被覆盖度也影响着侵蚀模数。张胜利[24]在研究北洛河流域侵蚀模数与林地覆盖率的关系时发现，当林地覆盖率小于30%时侵蚀模数急剧增加，即林地覆盖率低于30%时控制侵蚀的作用是不大的。王秋生[25]通过对观测资料的分析，从定量角度探讨了植被控制土壤侵蚀的规律，运用指数回归分析，建立了不同类型区的侵蚀模数与植被覆盖度的关系方程：

式中：M为侵蚀模数[t/（km2·a）]；e为自然对数的底；a、b为回归系数；F为植被覆盖度。

汪有科等[26]通过对黄土高原有森林覆盖的10个流域的森林覆盖率与土壤侵蚀模数之间关系的研究，建立了土壤侵蚀模数与森林覆盖率之间的线性关系，认为当森林覆盖率高于95%时土壤侵蚀量接近于零。

2.4 有效覆盖度对侵蚀量的影响

对植被的水土保持作用而言，起关键作用的是植被的有效覆盖度[27]。有效覆盖度指在一定区域内，草地或者林地保持土壤并且使土壤侵蚀量降低到土壤最大允许侵蚀量以内所应该达到的植被覆盖度[28]。大量的研究证实，只有当林草对地面覆盖达到一定程度的时候，才能起到防止土壤侵蚀的作用，令人满意的水土保持措施是其土壤侵蚀量小于该地土壤流失的允许值[29]。张光辉等[28]通过模拟降雨实验，研究了人工草地的产沙产流过程，结果表明：土壤侵蚀量随着草地植被覆盖度的增大呈指数下降趋势，并分析认为70%的植被覆盖度可以作为实验条件下的有效植被覆盖度。

3 植被高度与水力侵蚀的关系

植被高度主要影响叶滴击溅侵蚀量，作物高度的增加有可能使雨滴聚合后降落地面，对土壤的击溅作用会抵消甚至超过作物截留对土壤的保护作用[23]。降雨经植被截留后部分将在枝叶上形成大水滴后落到地面，并对地表产生大雨滴的击溅作用，这些大雨滴的下落高度是影响降雨溅蚀的重要因素。蔡强国等[15]实验测量资料表明，覆盖度不变，覆盖高度越大，溅蚀分散作用越大，由表2得到表征溅蚀量与覆盖高度之间的一般表达式：

式中：Y为溅蚀量（mg/cm2）；H为覆盖高度（m）；a、b为回归系数。

表2 溅蚀量与覆盖高度之间的关系

4 小结

植被是影响水土流失的一个重要因素。植被地上部分对降雨的截留作用，枯枝落叶层对降低径流流速、增强土壤入渗和减少径流量的作用，植被根系对固结土壤、增强土壤结构稳定性和提高土壤的抗蚀性起重要作用。植被覆盖度能很好地反映植被对水土流失过程的影响。随着西部大开发的实施，植被在生态环境建设与恢复中的作用日益突出，进一步加强植被生态功能特别是水土保持功能的定量化研究，对于推动土壤侵蚀预报的发展和西部生态环境建设具有重要意义。

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