白三叶不同部位减沙效应及其对径流水动力学参数的影响

张思毅，梁志权，谢真越，卓慕宁，郭太龙，

廖义善1，韦高玲1，李定强1，2

1. 广东省生态环境技术研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2. 广东省科学院，广东 广州 510070

白三叶不同部位减沙效应及其对径流水动力学参数的影响

张思毅1，梁志权1，谢真越1，卓慕宁1，郭太龙1，

廖义善1，韦高玲1，李定强1，2

1. 广东省生态环境技术研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2. 广东省科学院，广东 广州 510070

植被是控制土壤侵蚀的关键因子，研究植被不同部位的减沙效益及机理对于水土保持、植物保护和恢复具有指导意义。以白三叶（Trifolium repens L.）和红壤为实验对象，采用人工模拟降雨的方式，在坡度15°和雨强60、120、180 mm·h-1条件下，测定完整植株坡面、根系坡面和裸坡的产流产沙过程和流速，研究草本植物完整植株、冠层、根系在红壤坡面的减沙效应及其对坡面径流水动力学参数的影响。研究结果表明，盖度为85%的白三叶平均减沙效益为97.3%，根系、冠层的平均减沙效益分别为66.3%、31.0%，根系的减沙效益显著高于冠层。植被能够降低径流含沙量，尤其是降雨初期的径流含沙量。植被能够降低38.6%的坡面径流流速，其中冠层的平均减速效益为31.2%，根系的平均减速效益为7.3%，冠层的减速效益远大于根系。植被对坡面径流雷诺数影响较小，能够降低径流的弗劳德数，缓解径流流态，但坡面径流都为层流-缓流形态。植被能够显著增加坡面径流的达西-韦斯巴赫阻力系数，冠层的平均增阻效益为402.4%，根系的增阻效益为33.0%。随着雨强的增大，植被的增阻效益降低。白三叶具有良好的调控坡面侵蚀的能力，其中冠层主要通过对坡面径流的流速和阻力的影响来减少坡面侵蚀，而根系的减沙效益要大于其减速和增阻效益。植被调控坡面侵蚀的机理十分复杂，其中根系的减蚀机理需要进一步深入研究。

坡面侵蚀；水力学参数；红壤；根系；冠层；白三叶

ZHANG Siyi， LIANG Zhiquan， XIE Zhenyue， ZHUO Muning， GUO Tailong， LIAO Yishan， WEI Gaoling， LI Dingqing. Effects of different parts of Trifolium repens L. on sediment reduction and runoff hydrodynamic parameters ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1306-1314.

土壤侵蚀是世界上所有陆地生态系统都面临的一个严重的环境问题。土壤侵蚀会导致农田、草原、森林等生态系统受到多重严重破坏，导致土壤持水能力下降，地表径流增加，土壤有机质减少，有益土壤生物减少，土壤水分和养分流失，地表水系受污染；进而导致土地荒漠化，生物物种多样性降低，生态系统生产力下降，甚至引起全球气候变化。植被是防止地面水土流失最积极的因素，冠层和根系分别作为植被的地上和地下部分，两者调控坡面土壤侵蚀的作用有所差别。已有的研究表明，根系的减蚀作用往往大于冠层（甘卓亭等，2010；赵春红等，2013；Wang et al.，2014）。如不同生长期的黑麦草（Lolium perenne L.）和红豆草（Onobrychis viciaefolia Scop.）根系的减沙效益可达72.0%～96.0%和16.0%～93.0%；不同雨强坡度下，沙打旺（Astragalus adsurgens）根系的平均减沙效益达50.5%，远高于冠层的21.5%（表1）。冠层对坡面侵蚀的影响主要通过影响降雨过程、径流过程来产生（Bochet et al.，1998；Rey，2003；Puigdefábregas，2005；Durán Zuazo et al.，2006；Durán Zuazo et al.，2008）。根系则主要通过改善土壤理化性质、缠绕固结等方式增强土壤的侵蚀能力和抗剪切强度，减少坡体表面土壤侵蚀，提高边坡稳定性（Li et al.，2015；Vannoppen et al.，2015）。在土壤侵蚀预报中，植物根系对土壤侵蚀力的影响越来越受到关注（Gyssels et al.，2005）。RUSLE（revised universal soil loss equation）模型把根系密度因子包含在植被管理因子的子因子土壤生物量和土壤表面粗糙度中（Renard et al.，1997），而WEPP（water erosion prediction project）模型则把活根、死根生物量与土壤抗蚀性相关联（Flanagan et al.，1995）。因此，定量研究植物不同部位的减沙效应及机理对于水土流失防治和土壤侵蚀预报都具有重要意义。

植被影响坡面径流水动力学参数是植被调控坡面侵蚀的重要机理（杨帆等，2013）。草本植物可以通过增加水流阻力，减少水流切应力，提高坡面产沙临界条件来控制土壤侵蚀（秦富仓等，2005；李勉等，2007；肖培青等，2011；姚文艺等，2011）。植被盖度越大，流速越小，弗劳德数越小，阻力系数越大（张思毅等，2016）。草本植物根系和冠层对坡面径流水动力学参数的影响有所差异，赵春红等（2013）的研究认为根系的减速作用大于冠层，而增阻作用小于冠层。目前有关植被调控坡面侵蚀的研究多集中在不同植被类型和不同植被覆盖度方面，较少涉及植被结构对坡面侵蚀的调控作用（如：De Baets et al.，2006；Zhou et al.，2007）。植被冠层和根系对坡面产流产沙的作用是不同的，评价植被的水土保持效益不能只看植被盖度，根系对土壤侵蚀的影响也应该得到重视。特别是在南方红壤区，存在“远看青山在，近看水土流”的问题，由于水热条件较好，植被盖度可以达到较高水平，但是由于植被结构不同，许多茂密植被下依然存在水土流失问题（梁音等，2008）。研究红壤区植被结构对坡面侵蚀的调控及其对坡面水力学参数的影响，对定量评价植被水土保持效益和水土保持植物物种选择具有指导意义。

白三叶草（Trifolium repens L.）是豆科三叶草属重要的多年生牧草，茎匍匐生长，主根短，侧根发达，侵占性强，具有很好的固土防蚀、水土保持功能；有根瘤，可大量固定空气中的氮素；生长周期长，生物产量高，适应性强，分布广，具有一定的抗寒、耐荫和耐脊薄能力。可用作饲料、绿肥、蜜源和药材等，是水土保持、草坪绿化植物。本研究尝试探讨白三叶不同部位的减沙效应及其对坡面径流水力学参数的影响。

表1　部分关于草本植被减沙效益的人工模拟降雨实验研究Table 1　Some former researches on the reduction of sediment by herbage vegetation under artificial simulated rainfall experiment

1　材料与方法

1.1实验条件与实验设计

模拟降雨实验在广东省生态环境技术研究所华南红壤侵蚀动力工程实验室降雨大厅进行。降雨大厅有效降雨高度13.4 m。降雨系统采用5种不同规格的下喷式喷头，每种喷头的雨滴大小不同，并可通过施加不同的水压产生不同的雨强，通过叠加不同规格的喷头并施加适当的水压来模拟自然降雨。降雨均匀度85%以上。坡面系统为可自由调节坡度的土槽，土槽规格为2.0 m×0.5 m×0.5 m（长×宽×高）；土槽尾部设置V形收集口，用来收集形成的径流和泥沙；其他3边额外加高5 cm，以防止泥沙溅出土槽之外，造成泥沙量的损失；底部打孔，使土壤水可以渗透出土槽外。华南红壤区内山地丘陵较多，坡耕地面积较大，有90%的坡耕地和部分经济林、果园具有不同程度的水土流失，常见的坡度范围为0～25°，故设计实验坡度为15°。降雨强度分别为60、120、180 mm·h-1，降雨历时为产流后1 h。根据相关研究，珠江三角洲地处低纬，属热带、亚热带季风气候区，季风气候特征极其显著，季风作用下短历时、大雨量的暴雨或特大暴雨发生频数之多、强度之大，皆居全国前列。重现期2 a的短时强降水设计值已达50 mm·h-1以上，半数地区最大1 h强降水100 a重现期的强度大于100 mm，最大可以达到181 mm（陈子燊等，2015），而沿海地区的1 h可能最大暴雨可以达到247.3 mm（刘丽诗，2007）。因此本研究所采用的雨强范围在珠江三角洲具有典型代表意义。

实验土壤为赤红壤，取自广州市郊区。＜0.002、0.002～0.05和＞0.05 mm的粒径含量百分比分别为8.9%、35.4%和55.7%；有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为1.89、0.079、0.25和24.60 g·kg-1（Zhao et al.，2015）。根据实地测定，采样地的土壤容重为1.30 g·cm-3，试验土槽装土容重与原状土容重相同。

实验植物为白三叶。2015年8月中旬种植，共种植2个试验土槽，用于重复试验。种植后3个月，于2015年11月中旬开始模拟降雨试验。植被的地上生物量干重平均为177.7 g·m-2，表层10 cm地下生物量干重为317.5 g·m-3，植被盖度约为85%，叶面积指数为2.4 m2·m-2。

实验利用2个种植了白三叶的土槽依次进行完整植株降雨实验和根系降雨实验，另外用2个没有种植植物的裸坡进行对照降雨实验，实验设计如表2。首先进行完整植株降雨实验，坡面的植被是包括冠层和根系的完整植株，测定冠层和根系共同作用下坡面的侵蚀特征，依次进行降雨强度为60、120、180 mm·h-1的降雨实验，每次实验2个重复同时进行。完整植株降雨实验完成后，将2个土槽放置在露天自然条件下生长一段时间，让植株和土壤坡面进行自然恢复。由于完整植株的保护，每次降雨实验造成的坡面侵蚀较少（见后文结果与分析），加上试验后的恢复，坡面状况变化较小。然后齐地面完全剪去2个土槽上白三叶冠层，进行仅根系坡面降雨试验，测定仅根系作用下坡面的侵蚀特征。降雨雨强和次序与完整植株降雨实验相同。最后用2个没有种植植物、其他处理与2个种植白三叶相同的裸坡进行对照降雨实验。在降雨实验中测定坡面产流量、产沙量，并测定坡面径流流速，具体过程：降雨过程中，记录产流时间，产流开始后每10分钟接1组径流。降雨结束后，称量径流泥沙总量，澄清后分离出泥沙，105 ℃烘干至恒重，称量泥沙质量。烘干的泥沙质量即为产沙量，径流泥沙总量减去产沙量即为产流量。降雨过程中同时采用染色剂法测定坡面流流速，将坡面分为10段，分别测定每段坡面的流速，重复6次，求其平均值，并根据后文计算的雷诺数得到坡面流为层流，乘以修正系数0.67（Li et al.，1996）作为水流断面平均流速。

表2　实验设计Table 2　The design of experiments

1.2参数计算

坡面流极薄，直接测定的水流深误差较大，并不能代表真实状况，因此采用反推的方法求得坡面薄层水流水深。因此在假定坡面薄层水流均匀分布的条件下，采用以下公式计算坡面薄层水流水深：

式中，h为薄层水流水深（m）；Q为t时间内径流量（m3）；t为径流取样间隔时间（s）；v为断面平均流速（m·s-1）；B为过水断面宽度（m）。

雷诺数（Re）在流体力学中是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲量，通过Re可以判定水流流态。根据明渠均匀流的水力学理论，当Re＞500时，坡面流流态为紊流；当Re＜500时，坡面流流态为层流；当Re=500时，流态为过度流。采用以下公式计算Re：

式中，u为水运动黏性系数（m2·s-1），u=0.01775/（1+0.0337T+0.000221T2），其中T为水温（℃）。

弗劳德数（Fr）是流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数，它表示惯性力和重力量级的比。当Fr＞1时，惯性力对水流起主导作用，水流为急流；Fr＜1时，重力起主导作用，水流为缓流；Fr=1时，重力、惯性力作用相等，水流为临界流。采用以下公式计算Fr：

式中，g为重力加速度（m·s-2）。

达西-韦斯巴赫阻力系数（f）是坡面流水动力学基本参数之一，适用于描述层流的阻力特征。采用以下公式计算f：

式中，J为水流能坡，用坡度的正弦值代替。

1.3数据分析

1.3.1减沙率

试验过程中，白三叶处于生长旺盛阶段，枯落物较少，不考虑枯落物的影响，草本植物对坡面土壤侵蚀的调控作用仅为冠层与根系之和，冠层对坡面流水动力学参数为完整植株的作用减去根系的作用。

完整植株、根系和冠层减沙率的计算公式分别为：

式中，CSp、CSr和CSc分别为完整植株、根系和冠层的减沙率；Sb、Sp和Sr分别为裸坡、完整植株坡面和根系坡面的产沙模数（g·m-2·h-1）。

1.3.2减速效益

完整植株、根系和冠层减速效益的计算公式分别为：

式中，CVp、CVr和CVc分别为完整植株、根系和冠层的减速效益；vb、vp和vr分别为裸坡、完整植株坡面和根系坡面水流流速（m·s-1）。

1.3.3增阻效益

完整植株、根系和冠层增阻效益的计算公式分别为：

式中，CFp、CFr和CFc分别为完整植株、根系和冠层的增阻效益；fb、fp和fr分别为裸坡、完整植株坡面和根系坡面的达西-韦斯巴赫阻力系数。

1.3.4统计分析

采用SPSS 16.0软件对数据进行独立样本t检验和单因素方差分析（one-way ANOVA），采用最小显著差数法（LSD）进行差异显著性检验（P=0.05）。采用Origin 8.5软件作图。

表3　不同坡面的产沙模数Table 3　The Sediment transport rate of slopes with different coverage g·m-2·h-1

表4　植被不同部位的减沙率Table 4　The reduction rate of sediment by different part of vegetation %

2　结果与分析

2.1植被的减沙效益

在3种雨强下，不同处理的产沙模数具有显著性差异（表3）。完整植株覆盖的坡面产沙模数最小，180 mm·h-1雨强下产沙模数也只有14.1 g·m-2·h-1。裸坡产沙模数最大，180 mm·h-1雨强下可达5521.4 g·m-2·h-1。完整植株的减沙率均值为97.3%，其中根系的减沙率均值为66.3%，冠层的减沙率均值为31.0%（表4）。由此可见，根系的减沙贡献大于冠层的减沙贡献。不同雨强下，坡面的产沙模数随雨强增大而增大，除了完整植株坡面在60 mm·h-1雨强下产沙模数略大于120 mm·h-1雨强的产沙模数，这是由于前者为第一批实验，坡面有少量浮土，浮土较易被径流冲刷而流走。完整植株的减沙率随雨强增大而增大，但是根系和冠层的减沙率则有不同的变化。根系的减沙率在120 mm·h-1雨强下的减沙率最小，而在180 mm·h-1雨强下的减沙率最高，冠层则在60 mm·h-1雨强下的减沙率最小，而120 mm·h-1雨强下的减沙率最大。

坡面径流含沙量由降雨期间产沙量和径流量决定，而坡面侵蚀产沙量和径流量受降雨特性和下垫面共同影响。随着雨强的增大，坡面径流含沙量总体呈增加趋势（图1）。据统计分析结果，相同雨强情况下，完整植株坡面径流含沙量显著小于根系坡面和裸坡的径流含沙量，根系坡面径流含沙量显著小于裸坡的径流含沙量。完整植株坡面径流含沙量平均只有裸坡径流含沙量的5.3%，而且雨强越大，完整植株坡面径流含沙量与裸坡径流含沙量的比值越小；根系坡面径流含沙量平均为裸坡的34.2%。在雨强为60 mm·h-1情况下，完整植株坡面和根系坡面径流含沙量在前10 min较高，这是由于这是第一批实验，坡面有一些浮土，10 min之后到降雨结束径流含沙量较为平稳。裸坡的坡面径流含沙量则随降雨历时的增加呈逐渐降低趋势。在雨强为120、180 mm·h-1情况下，完整植株坡面径流含沙量很低，并且随着降雨历时的增加略有下降，说明在降雨在把松散的土壤表层侵蚀后，完整植株能够很好的保护土壤不被侵蚀；根系坡面径流含沙量逐渐上升，表明在降雨早期，根系的减沙作用较明显，随着降雨历时的增加，根系的减沙作用有所减弱，可能与降雨能直接打击土壤，促进根系和土壤的分离有关。

植被恢复和建设是防治我国水土流失的一个重要手段，大量研究表明草本植被具有良好减沙效益（表1）。在本研究中，盖度为85%的白三叶完整植株能够极好的控制坡面侵蚀，减沙效益达93.2%以上，即使在180 mm·h-1大雨强情况下，也能控制坡面产沙模数在14.1 g·m-2·h-1范围以内。相比前人的研究（表1），白三叶的减沙效率较高，与甘卓亭等（2010）的研究结果接近。草本植被的减沙效益可以区分为冠层和根系两部分。在本研究中，根系的减沙效益在58.8%～72.3%之间，冠层的减沙效益在25.5%～40.1%之间。根系的减沙效益大于冠层的减沙效益，这与甘卓亭等（2010）、赵春红等（2013）的研究结果类似。这是由于根系通过穿插和缠绕等物理方式以及分泌粘液、有机酸和糖分等化学生物方式促进了土壤团聚体的形成，提高了土壤抗侵蚀能力，尤其是当坡面表层根系细根较多时，土壤抗侵蚀能力能得到极大的增强（Martens，2002；Gyssels et al.，2005）。因此，在坡面只有根系的情况下，坡面侵蚀产沙量也能得到较好的控制，表现出较高的减沙效益。但是白三叶冠层的减沙效益要比黑麦草等（甘卓亭等，2010）的减沙效益高，可能与白三叶盖度较大且是贴近地面生长有关。白三叶贴近地面生长，盖度达到85%，冠层截留降雨较大，承接了降雨的大部分动能，冠层高度较低，使得降雨从冠层以穿透雨再降落到坡面时的动能极大减少（余新晓，1988；Crockford et al.，2000），而且部分冠层匍匐在地面，可以对坡面径流产生较大直接影响，而黑麦草等只有植株基部才会对径流产生直接影响。

图1　不同雨强下完整植株、根系和裸坡的坡面径流含沙量Fig. 1　Sediment concentration changes of slopes with entire plant， root and bare slope under rainfall intensity of （a） 60， （b） 120 and （c） 180 mm·h-1

2.2植被对水动力学参数的影响

2.2.1植被对径流流速和水深的影响

坡面径流的流速直接关系到坡面水蚀的土壤分离、泥沙输移和沉积过程，是计算其他水动力学参数的基础。随着降雨强度的增加，坡面流速都显著增加（表5）。在相同雨强情况下，仅有根系的坡面流速与裸坡的坡面流速没有显著区别，而完整植株的坡面流速显著低于根系坡面和裸坡坡面流速。完整植株的减速效益达24.3%～56.0%（表6）。随着降雨强度的增加，完整植株、根系、冠层的减速效益都下降。根系的减速效益较冠层的减速效益弱，介于5.6%～8.8%之间（表6），占完整植株减速效益的16%～23%；而冠层的减速效益可以达到18.7%～47.2%（表6），占完整植株减速效益的77%～84%。由此可知，冠层是植被减速效益的主要作用部分。

随着雨强的增大，植被的减速效益有所降低。在雨强为60 mm·h-1情况下，完整植株的减速效益达到56.0%，而在雨强为180 mm·h-1情况下，完整植株的减速效益为24.3%；冠层和根系的减速效益也是小雨强情况下要比大雨强情况下明显（表6）。根系的减速效益在180 mm·h-1情况下的减速效益只有5.6%。说明在大雨强情况下，植被的减速效益受限。

植被不同部位对水深也有很大影响。试验过程中，坡面径流水深很薄，难以直接测量，主要通过径流量和流速计算。由于3种坡面产流量类似，所以水深主要由流速决定，流速小则水深大。因此，植被对水深的影响与对流速的影响相反。完整植株坡面径流的水深显著大于根系坡面和裸坡的水深，而根系坡面与裸坡的水深则没有显著差异（表7）。

表5　不同坡面平均流速Table 5　The flow velocity of slopes with different coverage m·s-1

表6　植被不同部位的减速效应Table 6　The flow velocity reduction by different part of vegetation %

表7　完整植株坡面、根系坡面和裸坡的坡面径流水动力学参数Table 7　Hydrodynamic parameters of overland flow of slopes with entire plant， root， and bare slope

表8　不同坡面达西-韦斯巴赫阻力系数Table 8　The Darcy-Weisbach friction coefficient of slopes with different coverage

2.2.2植被对坡面径流形态的影响

所有不同盖度的坡面在不同雨强下的Re介于19.4～122.9之间，均值如表7，都明显小于500，表明坡面流为层流；而Fr介于0.17～0.75之间，均值如表1，都明显小于1，说明所有的坡面流都为缓流。因此，所有的坡面流都为层流-缓流形态。不同地表覆盖坡面径流之间的雷诺数没有显著差别，表明不同地表覆盖坡面径流流型比较一致；而完整植株坡面、根系坡面和裸坡坡面径流的弗劳德数之间存在显著性差异，三者的弗劳德数逐渐增加，说明根系和冠层都能够缓解坡面径流的流态。

2.2.3植被对坡面流阻力特征的影响

坡面径流在流动过程中不可避免地会受到下垫面阻力的作用，坡面径流阻力系数反映了下垫面对流动水体的阻力大小，是从宏观层面反映流体整体特性的一个重要参数。完整植株坡面的达西-韦斯巴赫阻力系数显著大于根系坡面和裸坡的阻力系数，根系坡面的阻力系数大于裸坡，但是差异不显著（表8）。不同雨强情况下，根系的增阻效益为23.0%～45.1%，即根系坡面的阻力系数比裸坡增加23.0%～45.1%；而完整植株的增阻效益为152.7%～759.3%，即完整植株坡面的阻力系数比裸坡增加152.7%～759.3%；冠层的增阻效益约为130.0%～717.8%（表9）。60 mm·h-1雨强下完整植株坡面径流的阻力系数是180 mm·h-1雨强下的5倍以上，而根系坡面和裸坡的阻力系数则是其2倍左右；雨强从60 mm·h-1增加到180 mm·h-1，根系的增阻效益降低18.5%，冠层的增阻效益则降低588.0%。雨强越大，坡面径流的阻力系数越小，植被的增阻效益越弱。

植被改变坡面粗糙度、坡面产汇流过程及其水动力学特性是植被减少土壤侵蚀的重要机理之一（Dunjó et al.，2004；Yu et al.，2006），草本植被能够对坡面流流速、流型、流态、水深和坡面阻力等方面产生影响。本研究表明，白三叶根系和冠层能够减小坡面流流速、缓解坡面流流态和增加坡面阻力系数，这与秦富仓等（2005）、赵春红等（2013）的研究结果基本一致。在本研究中，白三叶冠层能显著减小坡面流流速，不同雨强下平均减速效益为38.6%；根系虽能减小坡面流流速，但是与裸坡坡面流流速差异不显著，不同雨强下减速效益仅为7.3%。显然，冠层的减速作用大于根系，这与沙打旺根系的减速作用大于冠层（赵春红等，2013）有所不同。其原因可能是白三叶匍匐地面生长，冠层跟地面接触较多，且植被盖度也高达85%有关，而赵春红等（2013）研究的沙打旺盖度仅为40%。由此可见，冠层的形态及其盖度会影响其降低坡面流流速的作用，与地面接触越多，盖度越大，冠层对坡面流速的影响越大；根系由于处于地表以下，对坡面流速影响较小。

显著增加地表阻力也是植被减少坡面土壤侵蚀的重要机理之一。本研究结果表明，完整植株坡面的阻力系数比裸坡高出152.7%～759.3%，根系坡面的阻力系数比裸坡高出23.0%～45.1%。由此看出，植被的增阻效益主要由冠层贡献，占130.0%～717.8%，这与赵春红等（2013）的研究结果类似。冠层的增阻作用远大于根系，其原因可能是草本冠层直接覆盖在地表，能直接改变坡面形态，大大增加坡面的形态阻力，甚至是坡阻力，而根系主要分布在地表以下，其对坡面阻力的影响主要通过增加土壤团聚体颗粒来提高坡面颗粒阻力，但是这种作用比较有限（赵春红等，2013）。

综上所述，根系的减沙效益高于冠层，而冠层的减速增阻效益高于根系。根系与冠层之间的减沙、减速和增阻效益之间贡献的不一致，说明植被除了通过影响坡面径流水动力学特征来减少坡面侵蚀，还通过增强土壤的抗侵蚀能力来减少坡面侵蚀，而植被增强土壤抗侵蚀能力主要通过根系来完成（Nilaweera et al.，1999；Gyssels et al.，2005；Reubens et al.，2007）。根系在提高团聚体稳定性，增强入渗能力，减小容重，改善质地，增加有机质等改良土壤内在性质方面具有重要作用（Moir et al.，2000；Gyssels et al.，2005）。根系对于土壤团聚体的积极影响包括：根系分泌物附着于细土粒表面使它们转化为稳定的大团聚体；根系吸收水分使根际土壤干化，从而使土壤颗粒平行于根系聚集在一起；为土壤提供可分解的有机物，增加土壤有机质含量；支持根际大量的微生物和土壤动物；释放多价阳离子并增加土壤水的离子浓度（Amézketa，1999）。根系通过穿透土壤层，增加土壤大孔隙和连续性孔隙，以及促进形成直径2～5 mm水稳性团聚体，进而增加土壤入渗能力（ Li et al.，1992；甘卓亭等，2010）。在黄土高原，枯枝落叶层、生物结皮层和根系能够减少98.9%的土壤冲蚀，其中根系起主要作用，占53.7%（Wang et al.，2014），这与本研究白三叶的减沙效益占完整植株减沙效益58.8%以上的结果类似。

表9　植被不同部位的增阻效益Table 9　The contribution on friction coefficient increase by different part of vegetation　%

3　结论

植被是控制土壤侵蚀的关键，采用人工模拟降雨的方式，研究了白三叶植被不同部位在红壤坡面的减沙效应及其对坡面径流水动力学参数的影响。研究结果表明：

（1）盖度为85%的白三叶减沙效益达93.2%以上，根系、冠层的减沙效益分别为66.3%、31.0%，冠层和根系减沙效益差异明显。植被能够降低径流的泥沙含量。

（2）植被对坡面径流水动力学参数具有重要影响。白三叶能够有效降低坡面径流的流速，缓解坡面径流流态，并增加坡面径流的阻力系数，且冠层的减速和增阻作用比根系明显。白三叶冠层平均减速效益为38.6%，而根系平均减速效益为7.3%。

（3）根系的减沙效益大于其减速和增阻效益，这与根系除了影响坡面径流水动力学特征外，还能影响土壤性质、增强土壤抗侵蚀能力等有关。根系的减沙效益显著，然而由于根-土-水之间的关系复杂，根系的减沙机理相对复杂，有待进一步深入研究。

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Effects of Different Parts of Trifolium repens L. on Sediment Reduction and Runoff Hydrodynamic Parameters

ZHANG Siyi1， LIANG Zhiquan1， XIE Zhenyue1， ZHUO Muning1， GUO Tailong1，LIAO Yishan1， WEI Gaoling1， LI Dingqing1，2
1. Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control//Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Sciences，Guangzhou 510650， China； 2. Guangzhou Branch of Chinese Academy of Sciences， Guangdong Academy of Sciences， Guangzhou 510070， China

Vegetation is a key factor controlling soil erosion， and it is of guiding significance for vegetation protection and restoration in soil and water conservation to study the effect and mechanism of sediment reduction by different parts of vegetation. Trifolium repens L. and red soil were chosen as experimental vegetation and soil in this study. The study was conducted under the artificial simulated rainfall， with a slope of 15° and three rainfall intensities （60， 120 and 180 mm·h-1）. The runoff and sediment process and flow velocity on slopes with entire plant， root and bare slopes were measured during the rainfall. The effect of the entire plant，canopy and root on the sediment and runoff hydrodynamic parameters was analyzed. The results show that the Trifolium repens L. with the coverage about 85% could reduce 97.3% sediment load， with 66.3%， 31.0% from the root and canopy， respectively； and the contribution of the root is significantly higher than that of the canopy. The vegetation can reduce runoff sediment concentration，especially in the initial stage of the rainfall. The vegetation could effectively reduce the flow rate by 38.6%， with 31.2%， 7.3% from the root and canopy， respectively； and the contribution of the canopy is significantly higher than that of the root. The vegetation had no significant influence on the Reynolds number， but did decrease significantly the Froude number， but the runoff was all laminar-tranquil flow. Vegetation can significantly increase the Darcy-Weisbach friction coefficient. The mean contributions on friction coefficient increase by canopy and root were 402.4% and 33.0% for canopy and root， respectively. The efficiency of increasing friction coefficient by vegetation decreased when the rainfall intensity increased. In conclusion， the Trifolium repens L. had a great effect on controlling the slope erosion. The canopy reduced slope erosion mainly through its effect on the runoff velocity and slope resistance. The efficiency of root was higher in sediment reduction than in runoff velocity reduction and resistance increase. The mechanism of vegetation controlling slope erosion is very complex， and the mechanism of sediment reduced by the root system needs to be further studied.

slope erosion； hydrodynamic parameters； red soil； root； canopy； Trifolium repens L.

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.008

S157； S173

A

1674-5906（2016）08-1306-09

国家自然科学基金项目（41501295）；广东省科学院项目（qnjj201506；Sytz201501）；广东省科技计划项目（2013B091500077；2015B070701017）；水利部公益性行业专项经费项目（201501047）；广东省院创新平台建设专项

张思毅（1985年生），男，助理研究员，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持、生态水文和土壤水文研究。E-mail: syzhang@soil.gd.cn

2016-06-27

引用格式：张思毅， 梁志权， 谢真越， 卓慕宁， 郭太龙， 廖义善， 韦高玲， 李定强. 白三叶不同部位减沙效应及其对径流水动力学参数的影响［J］. 生态环境学报， 2016， 25（8）: 1306-1314.