坡面径流播种作用的论证分析
2016-03-12
坡面径流播种作用的论证分析
王俊杰
(甘肃省林业科学研究院,甘肃 兰州 730020)
与坡面径流造成植物种子流失的认识不同,野外观察认为,除负面作用外,坡面径流还具有强大的播种功能,是植被自然更新演替机制中不可或缺的过程,采用理论分析和观察相结合的方法开展研究。在分析坡面径流、土及其相互作用的基础上,阐述了植物种子的水起动性能和停泊性能及其径流响应策略,植物定居的微圃要求,进而证明坡面径流具有创造微圃和播种作用。最后指出,坡面治水不在于阻断径流,而在于把径流调控在细沟流范围内,以抑制其害,发扬其利。
坡面径流;种子;微圃;播种
生命离不开水,陆生植物不能移动,尤其依赖水,其种子发芽定居更不能缺水。风、重力滚落、动物等自然力迁移的种子,其停泊点不一定有水,甚至不能蓄水,种子严重缺乏发芽机会。流水浮载种子,引起地表或浅层土壤中的种子二次迁移。流水停滞、入渗,其中的种子随之停泊,从而初具发芽条件。可见流水贯通了种子从母株到定居点的最后一寸距离,换言之,流水能够创造条件并传布种子进驻发芽地点,实现播种作用。坡面径流的播种作用尤其突出,是植被更新演替的基础。目前,在坡面径流研究领域,虽然人们认为坡面径流决定种子定居和幼苗分布[1-3],但有关研究主要着眼于其负面影响,即造成种子流失方面,包括坡面冲刷引起的种子流失特征及其影响因素等[1,4]。国内相关研究比较少,主要通过人工降雨模拟进行[4,5],而且模拟对象以裸露坡面为主,与自然坡面条件大相径庭。片面认识必然导致理解的偏差,基于种子流失观点的坡面径流研究成果,难以全面解释植被更新演替等生态过程,用于指导生态建设则难免偏误。为此,本文提出坡面径流播种概念,运用土壤水力侵蚀学和种子生态学等基本原理,结合定性观察资料,演绎分析其机制,以期引起学界重视。
1 基本概念
1.1 水动力学基本定律
最小耗能原理指出,在线性非平衡系统中发生的任何耗能过程,都将在相应约束条件下以最小耗能的方式进行[6]。
流水能够悬浮起动颗粒物质,伯努里定律圆满解释了其机制[7]:在流体中颗粒上方流速高,压强小,下方流速低,压强大,其压强差形成上举力而悬浮起动颗粒。“激水之疾,至于漂石”[8],流水能否起动悬浮颗粒物质决定于流速和颗粒大小,爱里定律确立了二者之间的数量关系[7]:颗粒粒径与水起动临界流速的平方成正比,颗粒质量与其水起动临界流速的六次方成正比。
1.2 坡面径流侵蚀
1.2.1 土壤
土壤是地球表面作为植物天然培养基的松散的矿物质[9],由地表岩石风化碎屑经生物化学及物理化学的成壤作用而成。岩石碎屑高度混杂,粒径从微米级直到厘米级。小粒碎屑在水的参与下具有黏性,可以互相胶结成团粒,也可以将碎屑胶结成体,但力学强度低,疏松易碎。土壤内部充满各种直径的孔隙,大的孔隙充满空气,毛管孔则悬持液态水。因此,土壤属于固、液、气多相体系[10-12]。
根据伯努里定律和爱里定律,粒径小于0.05 mm的土粒极易被水流悬移。根据这一水力学特性,土可以视为能够被平缓水流悬移的粉末状岩石碎屑[11]。土粒增加水流体积及其黏滞性。在水流中,具有黏性的土粒含量超过某一临界值,其边缘部分互相吸引伸延而出现絮凝作用,形成网格结构。随着土粒含量增加,其网格结构依次表现为链状、絮状、蜂窝状和聚合状结构,其相应水土混合体悬移大颗粒物质的能力依次加强[13],侵蚀能力依次加大。因此,土质裸露坡面径流多表现为浊流,泥沙俱下。
1.2.2 坡面径流
当降雨或融雪强度超过土壤入渗能力时,地表余水在重力作用下沿坡面流动形成径流。超渗径流沿着斜坡首先形成薄层水流,呈漫流状,流速缓慢,流向不稳定。根据最小耗能原理,坡面漫流水体倾向于保持流速最大化,流向坡降较大、糙率较小之处,并尽可能维持最大水深值,尽可能集中流动[14]。随着流水不断汇集补充,流量增大到一定值,再加上微地貌起伏,水流的成层性破坏而形成小沟状股流,流速加快。进而小沟状股流发育为细沟流,流速进一步增大。据测试,细沟中水流流速比细沟间薄层水流大2.06倍[15]。
1.2.3 坡面沟系的发育过程
小沟状股流可以侵蚀形成深宽都很小的纹状细沟,但会逐渐模糊不清[15]。根据最小耗能原理,径流的逐渐汇集,达到临界流量,其流路上就会逐渐出现一系列跌坑,跌坑进而演化为下切沟头。随着沟头的下切加深和溯源侵蚀,细沟开始发育[15],同时流路上形成断续细沟。同一流路上的断续细沟会连接成为连续细沟,相邻细沟还会因为沟壁坍塌而合并。细沟主要发育于相对疏松的地表扰动土壤层内,如耕作层、自然土质坡面的表土层、泻溜或崩塌新近堆积层、工程新近弃渣层等。细沟侵蚀既有切蚀也有侧蚀,以下切为主。当细沟沟床切穿地表扰动层进入抗冲能力较强的老土层时,例如犁底层、自然坡面心土层等,细沟就发展为半永久性浅沟[16],其沟尾成为切沟沟头,在崩塌、潜蚀等重力作用下形成永久性切沟及更大沟谷类型[17]。浅沟和切沟属于沟谷系统[18]。
在一定的降雨条件下,发生细沟的临界流量随坡度和雨强增加而减少;临界坡长与坡度呈二次曲线关系,开始随坡度增加而缩短,到一定坡度后又随坡度增加而加长[15]。细沟的发生与否,还会受坡面微地貌、土壤抗侵蚀性能和植被情况影响。植被覆盖率大,甚至可以完全消除细沟的发生。
在坡面沟系形成演化过程中,跌坑的形成是至关重要的一环[14]。坡面原有洼坑凹凸、动物穴洞蹄印、雨滴击打麻坑、土壤湿陷等均可发育为跌坑,即使坡面平整,根据最小耗能原理,股流流路上仍可形成一系列跌坑[14,19]。跌坑下方,流路床面逐渐过渡为结皮段。结皮表面光滑耐冲刷,入渗性能低,导致股流加速加深,使股流增能。到结皮段末端,股流能量增大到一定程度就会突破结皮引发跌坑。在跌坑处股流发生跌水,坑内水流发生横轴漩滚,冲掏产生颗粒较粗的沙粒或团粒,滞缓流速,消杀股流动能[14,16]。如此增能消能反复,流路床面因而结皮跌坑交错。
总之,坡面径流以前期坡面地貌为基础,通过水起动物质的搬运、再分配和迁出过程塑造坡面地貌。出坡径流流出坡面,其中的土粒、沙粒、枯枝落叶等悬移推移物质,以及可溶物质随之流失;坡内径流不流出坡面,造成悬移推移和可溶物质在坡内的再分配,对坡面生态系统意义重大。
1.3 种子生态学
1.3.1 种子自然引发
种子从吸水膨胀到发芽宏观上存在吸胀停滞期,遇水吸胀达到饱和状态会维持一段时间,其间种子内部进行着活跃的发芽有关生理生化准备,称为种子引发过程,如同引弓搭箭一样[20-21]。种子完成引发过程其种胚才能萌动生长而发芽。作为一种性状,同种植物的不同种子个体引发期存在变异,长短不一,导致发芽早晚有别。有些植物种子成熟过程中被赋予初生休眠[22],导致种子在适宜条件下不能发芽,必须先行解除初生休眠。初生休眠的解除同样需要种子内部进行一系列的生理生化过程,要在种子吸胀状态下完成,其实属于种子引发的特殊形式[23]。种子引发要求环境持续湿润,期间如果环境变得干燥,种子就会终止引发过程回干而被强迫休眠。种子引发的生态意义在于以此探测所处环境是否适宜并长期稳定[23],以免草率发芽而夭折。1.3.2 种子发芽成苗过程
种子发芽总是胚根先突破种皮,并且在出苗过程中以根系生长为主,以便根系尽快下扎深入湿润而稳定的土壤深层吸收水分供应全株生长之需。土壤液态水主要赋存在毛管孔中,毛管孔很细,孔径一般小于0.1 mm,植物根条较粗,一般无法伸入毛管孔内吸水。大多数被子植物因此演化出与毛管孔孔径相当的根毛以吸收毛管水。根毛寿命短,仅分布在根尖后方的根毛区,成熟根段只能通过表皮的渗透作用少量吸水。因此幼苗阶段根系生长除主根尽量下扎外,还需尽量分生侧根或不定根,以增加根尖数量,提高吸水功能。裸子植物和部分被子植物没有根毛,其幼苗阶段需要尽量分生细根以确保吸水功能。在根系生长阶段,由于根系不完善,吸收功能低下,幼苗不能经受烈日暴晒和空气干燥。因此,幼苗对环境的湿度变化非常敏感,需要湿润而稳定的环境,否则就会夭折死亡。
1.3.3 种子和幼苗的安全需求
种子和幼苗都需要隐藏以免被动物取食或病菌侵染。种子体量小,可以通过伪装色彩混于枯枝落叶或浮土等环境中实现隐藏。一些能够通过鸟兽消化道传播的种子被包裹在粪便“包衣”中,其隐藏性能更加优良;一些种子可以被乌鸦、松鼠、蚂蚁等作为食物贮藏而实现隐藏。茎干明显的植物,尤其木本植物的幼苗,其体内营养贮存贫乏,受伤受损后自愈重建能力低下,脆弱易死。与此相对应,许多草本植物,尤其禾本科草本植物,其幼苗期呈莲座状,动物取食一般不会伤及其茎和芽体,自愈重建能力较强。幼苗如果单独出现在裸露地表,其绿色在土色背景上非常显眼,很容易被草食动物取食。有人利用集流技术在半干旱黄土区播种营造沙冬青Ammopiptanthus mongolicus林,播种穴四周修建雨水集流场,出苗率很可观,但越冬期间超过半数的幼苗因其常绿特点被野兔取食而枯死。野外常见地形破碎的崖坎陡坡生长有各类灌木、乔木,平缓整齐坡面反而少见,其原因之一就在于崖坎陡峭危险,动物取食不易,幼苗得以幸存,平缓坡面的幼苗则往往被动物取食或践踏致死。
1.3.4 微圃概念
种子及幼苗阶段是植物生活史中对环境最敏感最脆弱的时期[24],幼苗存活及其早期生长是决定植物种群定居和分布关键时期[25]。对于陆生植物来说,能够同时满足其种子引发、幼苗定居和隐藏要求的微地貌称之为微圃,即微型苗圃,相当于该种植物的温床和幼儿园[26]。微圃具备适宜的水分、温度、空气、光照、土壤、化学、生物等条件,并保持稳定直至幼苗根系建成而定居。发芽迅速的种子其微圃要求比较粗放,发芽缓慢的种子其微圃要求比较精细,要求环境苛刻,每项影响因素都要求恰到好处,幼苗期也比较长。由此可见,微圃的有无决定植物自然分布。在一些原无林木生长的立地上,之所以能够人工造林成功,关键在于人为满足了造林树种的微圃需求。
石缝、浅孔、微凹穴槽等是形成精细微圃的潜在地貌。首先,这类凹陷微地貌底部与深层土壤相通,能够通过毛管作用得到深层土壤水分的补充,比较湿润。其二,这类微地貌遮阴蔽风,有效维持小环境温度变化平缓,维持较长时间的湿润,还可以防止幼苗过度蒸腾及日灼焦叶。其三,这类微地貌具有隐藏作用。在兰州市郊,一些建筑垃圾堆中枸杞Lycium chinense小片自然丛生,而邻近土质地表则不见一株枸杞。其原因在于,垃圾碎块堆积缝隙构成微圃,鸟粪携带枸杞种子落入在其中发芽成苗而定居。土质地表则干湿交替频繁而剧烈,雨过地皮湿,晴天干地皮,枸杞种子难得发芽机会,即使发芽,脆弱芽苗亦不免在干湿剧变中枯死。
1.3.5 他感作用
他感作用指植物或微生物的代谢分泌物对环境中其他植物或微生物的有利或不利的作用[27]。他感物质具有选择性抑制种子发芽和幼苗生长的作用,其作用具有浓度效应,高浓度时抑制,低浓度时促进[28]。有些植物母株会释放他感物质抑制株下其种子的发芽[29]。这种抑制作用的生态意义在于迫使其种子远离母株,寻找适宜环境定居以提高后代的生存质量。
1.3.6 种子的径流响应策略
根据伯努里定律和爱里定律,暴露在坡面地表的种子会被径流起动迁移;掩埋在土壤中的种子则会在细沟侵蚀过程中被移动。降雨模拟试验表明,在22°~55°的坡面上,山麓侵蚀面的种子流失率为土壤侵蚀速率的6倍[30]。在长期适应演化过程中,植物种子形成多种多样的水动力学性状,表现出不同的径流响应策略,对径流既有利用又有抵制。有些植物的种子易于被径流悬移或推移,水起动性能高,停泊性能低,迁移距离较远;另一些植物种子则相反,水起动性能低而停泊性能高。
种子水起动性能首先体现在比重上。比重指标准条件下某种物质与同体积水的质量之比。大部分植物的种子比重在0.8~1.4之间[31-32]。种子比重小于1无需赘言;种子比重大于1,根据爱里定律,其水起动性能较同体积的岩石碎屑呈指数性增强,即使比重达到1.4,由于比同体积的岩石碎屑(比重一般2.8左右)小一半,其水起动临界流速仅及后者的1/64,远比后者容易被水起动。稻谷的比重为1.04~1.18,因此,淘米时稍微搅动水底的米粒就会悬移起来。许多植物的传播体不是单纯的种子,其比重往往降低到1以下。酸枣Ziziphus jujuba var. spinosa果实浑圆,表皮光滑坚挺,干燥果肉呈海绵状紧包种子,风干果实比重小于1。一些种子通过动物消化道传播,粪便干燥后同样降低了比重。祁连圆柏Sabina przewalskii种子被包裹在羊粪球中[33],既能在坡面滚动,又利于被坡面径流起动悬移。
种子水起动性能还取决于其大小和形状。降雨模拟试验表明[34]:在一定降雨强度、降雨历时和坡度情况下,种子被径流迁移,质量低于10 mg的种子容易悬浮于径流表面;质量高于50 mg时主要取决于其形状,越接近球形越容易被迁移;质量10~50 mg的种子不易被径流迁移,主要取决于其大小。质量越小,种子体积越小,能够被坡面薄层水流起动悬移;质量大到一定程度,体积相应增大,能否被坡面薄层水流起动悬移不仅取决于种子高度,还取决于种子形状;质量更大的种子,其高度大于坡面薄层水流水深,不能被后者起动悬移,只能被股流或细沟流起动,或在雨滴冲击下起动。圆球形种子一旦受冲击起动,就在牛顿惯性定律支配下保持运动惯性。在不均匀动摩擦力作用下,种子滚动下落。滚动摩擦系数小于滑动摩擦系数,因而滚动下落的种子不易停泊,混入股流就会随流运动。另一方面,种子并非简单地落在坡面上,而是在径流之前的降雨过程中与地表土壤粘附在一起,甚至被雨滴击溅嵌入土壤表层。在质量小可以忽略形状影响的范围内,种子颗粒越大,与土壤的接触面积越大,粘附力越强,被水流起动所要求的临界流速越大。随着质量的增大,种子形状的影响越来越明显,形状越扁平,与地表土壤的接触面积越大,其粘附力将会增大到只能被股流所克服,甚至要求被细沟流或雨滴冲击起动;如果种子长度大于股流宽度,则易在弯曲流路中受阻而停泊。
种子的水起动性能还与其表面性状、附属物有关。表面光滑的种子与土壤的粘附力小,容易被水流起动,水起动性能强而停泊性能低。表面粗糙、凹凸不平或遍布纹状沟回,以及芒、刚毛、柔毛、种翅、钩刺、残余果肉等附属物,都会增加种子与土壤的接触面积而增强粘附力[35],其种子的水起动性能低而停泊性能高。某些蒿属植物的种子,其表面遇水会分泌黏性物质而增强粘附力[36],或者吸附土粒增加体积和质量,从而降低其水起动性能而提高其停泊性能。
植物种子水起动性能各异,被径流迁移和停泊的方式各异,表现出各不相同的径流响应策略,实现其寻找适宜微圃定居的目的。
2 坡面径流创造微圃
出坡径流能够雕刻形成跌坑、细沟等凹陷微地貌。一些木本植物常见于地形破碎的崖坎陡坡,在石质山地尤其如此,原因就在于,在崖坎陡坡上强烈径流能够冲蚀出各种凹陷微地貌,成为潜在的微圃,为要求精细微圃的木本植物创造出较平缓坡面更多的定居机会。也就是说,并非这些植物适宜崖坎陡坡,而是这些地方有其微圃存在。坡内径流能够将凹陷微地貌变成现实的微圃。首先,坡内径流汇聚在凹陷微地貌中,使之较坡面其余地方更加湿润。其次,径流中的土粒、可溶矿物质和半腐解有机物沉积在凹陷微地貌中,改变其土壤粒径组成和孔隙结构而改良土壤。土粒粒径小,比表面积大,吸附可溶性矿物质的能力强,是土壤中保持水肥的重要物质基础;半腐解有机物在湿润微地貌中进一步腐解为腐殖质,与土粒结合形成团聚体,同时半腐解有机物能够吸引土壤小动物活动而疏松土壤,凹陷微地貌中的土壤因此比较肥沃。其三,径流能够淋洗坡面植被释放的他感物质,或者随出坡径流移出坡外,或者在坡内重新分配。因此,径流降低了坡面平齐地形中他感物质浓度,有利于发芽迅速的植物定居。凹陷微地貌虽然会富集他感物质,但其抑制作用具有选择性,并不会抑制所有种子特别是外来种子的发芽。我国大部分地区属于秋雨型气候,并且在秋季后期降雨多为小雨,只能形成坡内径流,因此有更多机会将凹陷微地貌改造为微圃,为许多要求精细微圃的植物,特别是木本植物来年定居创造了机会。
3 坡面径流播种机制
播种指植物种子被适时分散播入适宜深度土层的过程。坡面径流具有不可替代的播种作用。
坡面径流播种具有高度选择性,更像一个筛选式播种机。受坡度、土壤密实度、地表糙率和覆盖情况等因素影响,坡面径流随地分异,薄层水流、小沟状股流、细沟流,乃至浅沟流,各行其道,层流紊流一应俱全,缓流急流应有尽有,从而高度选择性地调配土壤种子库,或者剥蚀削减深埋种子的土层,或者迁移地表或浅层的种子,其中一部分种子将停泊留在坡面,另一部分则不免流失,分别与不同植物种子的径流响应策略相适应,最终为一部分种子创造出发芽机会,等于将种子播种于微圃中。
在坡面径流停泊入渗过程中,其中的泥土沉降在种子的表面形成“包衣”。泥土“包衣”首先是良好伪装;其次是种子与土壤之间的良好粘着剂,有利于种子的掩埋;三是种子引发剂,泥土颗粒细,互相粘结形成的毛管孔孔径小,水势低,可以从土壤毛管孔网中吸收水分传导于种子,同时土粒比表面积大,能够吸附他感物质削弱其抑制作用,成为种子吸收土壤水的良好介质;土壤干燥时,泥土“包衣”又可以从种子倒吸水分,加速其脱水过程,如此干湿交替对种子具有一定的引发作用[23]。
在凹陷类微圃中,径流还具有更加精细的播种作用。由爱里定律可以推论,水流具有分选作用。降雨结束,进入凹陷微地貌的水流逐渐静止,大粒径砾沙首先沉淀,其次是种子,然后是泥土沉降形成泥土“包衣”,最后是枯枝落叶等漂浮质碎屑沉淀,覆盖在最上面,为种子保墒。
茶杯中的茶水被搅动旋转,茶叶回游到杯底的中央,而非预想的在螺线型离心力作用下被推动到杯底四周,这一现象被称为茶叶悖论。淘米时就可以见到这一现象。阿尔伯特·爱因斯坦在运用拜尔定律解释河岸侵蚀问题时,顺便解释了茶叶悖论[37]。液体在杯中旋转,表面呈外围高、中心低之形,液体因而外围压强大,中心压强小,其压力梯度便构成维持液体旋转所需的向心力。靠近底部的液体由于杯底的摩擦而减速,其压力梯度超过向心力而使液体向内的流动。向上一些的地方,液体则流向外侧。这个二次流沿底部流向中央,然后向上再向外,在边缘附近向下,从而把杯壁附近的茶叶逐渐带向杯底中央。茶叶比重较大不能随流上升,因而停留在底部中心。与茶叶悖论相似,坡面径流由于浑浊这一效应更加显著,径流进入凹陷微地貌因惯性继续流动沿周壁旋转,从而种子播种于凹地中央,种子发芽后幼苗因而不受圃壁影响顺利安居。
4 小结
坡面径流是创造微圃并播种的关键自然机制,对于许多植物的更新繁衍,尤其木本植物不可或缺。自然植被,尤其作为中生、湿生环境中的森林植被,由于林下枯枝落叶丰富,能够将多数径流控制在接近细沟流的水平,有效发挥了缓速径流的有利生态作用,又最大限度地抑制了高速径流的不利生态作用,从而保证了天然更新的正常进行,维持了群落的高度稳定状态。目前,通过水平阶、水平台等整地措施营造的人工林,大幅度阻断了径流,限制了径流的有利生态作用,从而损害了植被天然更新机制,并造成环境大幅度波动。这是人工林较天然植被稳定性差的根本原因。在这一意义上讲,营造生态公益林,坡面治水不在于阻断径流,而在于把径流调控在细沟流范围内,抑制其害,发扬其利。
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The Expound and Prove on the Seeding Effect of Hillslope Runoff-Erosion
WANG Jun-jie
(Gansu Academy of Forestry, Lanzhou 730020, China)
Through field observations that hillslope runoff-erosion in addition to the negative effect, but also has powerful sowing, which is indispensable to vegetation succession mechanism of natural rejuvenating processes, the article adopts the method of combining theoretical analysis and observation conducted research. Based on the analysis of hillslope runoff-erosion and soil and their interactions, expounds the water starting performance and anchorage performance of plant seeds, the runoff response strategy, the requirements of plants settle in micro nursery, these further proved that hillslope runoff-erosion hare two kinds of effect which are creating micro nursery and seeding. Finally, the author pointed out that the slope surface water control is not blocking the runoff, but regulating runoff in rill flow range, so we can inhibit the unfavorable consequences caused by runoff-erosion, and give full play to its advantageous.
runoff-erosion; seed; micro nursery; sowing
S157
A
10.3969/j.issn. 1006-0960.2016.03.001
1006-0960(2016)03-0001-07
2016-08-16
甘肃省科技厅“甘肃南部泥石流生态修复树种筛选(项目编号:1207TCYA046)”。
王俊杰(1963-),男,河北南皮人,研究员,从事林业科研。E-mail:544540562@qq.com