植被改善土壤侵蚀和水分流失效应分析

王 通

（六盘水市水利水电勘测设计研究院，贵州 六盘水 553000）

1 概述

如何解决水土流失问题是我国面临的巨大挑战。从灾害角度来看，水土流失会增加地表径流，当暴雨发生时，由于地面坡度大，坡面截流能力较差，会加大滑坡、泥石流等自然灾害发生概率[1-3]。另一方面，水土流失同样会造成生态恶化。因为土被侵蚀、被搬运，肥沃的表土被搬运至他处，径流白白流失，导致土壤肥力下降、水资源缺乏，进而导致整个生态系统的变化。因此，采取适当的水土保持措施，对于减少灾害发生频率、改善生态环境具有重要作用[4]。

贾国贤[5]对渭干河灌区内麻扎干渠节水改造工程水土流失问题进行分析，提出水土流失量预测措施；牛文鹏等[6]对工程建设过程中的水土流失情况进行分析预测，提出具体水土保持防治措施；张佳威[7]利用ArcGIS 的ModelBuilder 构建基于加权叠加算法的土壤侵蚀强度类型自动绘制模型，对土壤侵蚀状况进行现状分析和影响评估；李瑞等[8]采用RUSLE 模型、Getis-OrdGi、地理探测器等方法，量化了石漠化强度评价因子与土壤侵蚀之间的关系；孙家新等[9]以沂水县为研究对象，基于全国水土流失动态监测成果，对其土壤侵蚀时空变化特征及变化原因进行分析；王玮娟[10]以汕头至湛江高速公路项目为例，探讨了水土流失现状及防治措施。

植物种植是当前防治水土流失的重要措施，因其根茎具有较好的锚固作用，能够增强土壤的抗冲蚀力，长期以来来被广泛运用于水土保持项目中。本文以贵州省内水土流失重点观察区域为例，采用当地根茎土壤进行了降雨侵蚀试验，研究了不同根茎指标对土壤流失的影响，最后分析了根系防止土壤侵蚀机理和防治措施，研究方法可为相关工程提供参考。

2 研究区概况

本次研究区域位于贵州省内，研究土样取自试验站的草地、休耕地和部分植被覆盖区。研究区域旱季较长，年平均降雨量为1850 mm，平均气温为28.4℃。该地区具有典型的红土地貌和地形，海拔为20～85 m，土壤黏土含量分别为56%、24% 和20%，密度为1.82 g/cm3。取样时使用锤子将刚盒（0.35 m 长、0.09 m 宽和0.08 m 深）打入土壤中，为了保护刚盒，在顶部放置木板防止刚盒变形。取样后，将样品放置（包含根系）在一个容器中，器皿水位恒定在土壤表面以下3.5 cm，允许水在土壤毛细管中缓慢上升8 h，使得所有样品具有相似的土壤水分含量，最后采样后所有样品都在常温（20～25 ℃）下储存。

3 研究方法

本次土壤流失试验采用侵蚀模拟器进行，水槽长1.82 m、宽0.94 m，其底部有一个开口，与金属样品箱的尺寸（长35 cm、深9 cm、宽8 cm）保持一致，使带有根系的土壤表面与水槽表面处于同一水平。土壤侵蚀盘的坡度为15°，带有单中心喷嘴以模拟自然降雨，降雨流速为9～10 L/min。为了收集多余的水和被侵蚀的土壤，本研究还在侵蚀盘的底部放置了测量桶。测量桶每3 min 更换1次，以了解含沙量的变化。所有收集到的水和泥沙随后被带到实验室，对径流水量和泥沙浓度进行详细分析。每次试验持续1.5 min，在桶中收集径流和沉积物，试验结束后将桶中水进行静置，直到悬浮沉积物沉淀，然后用虹吸管吸出清水，将沉淀物转移到玻璃中，并在105 ℃下干燥，放置8 h 后称重。土壤抗侵蚀指数计算公式如下：

式中：AS为土壤抗侵蚀指数；f为流速（L/min）；t为冲刷时间（min）；W为烘干沉积物的重量（g）。

土壤AS越高，土壤抗侵蚀性越强。为测得根系对土壤流失的影响，每次试验后，通过在低水压下喷水将根系从土壤中分离，然后测量每个样品的根密度。根密度RD是土壤样品的根质量和体积之比，其计算公式为：

式中：MD为干燥根系的质量（g）；V为样品箱的体积（cm3）。

另一方面，根长密度RLD表示根的总长度除以根渗透土壤的体积，其计算公式为：

式中：LR为根系长度（cm）；V为样品箱的体积（cm3）。

根表面积密度RSAD表示土壤与根系表面接触的总面积，其计算公式为：

式中：N为根数；D为平均根直径（cm）；RL为平均根长（cm）。

4 试验结果分析

本次试验结果使用LSD（最小显著性差异）程序在0.01 显著性水平上进行多范围分析，确定土壤抗侵蚀性和植物根系之间的关系。分析时，通过非线性回归方法研究土壤抗侵蚀指标AS与根密度RD、根长密度RLD和根表面积密度RSAD之间的关系，回归结果用衰减系数来评价。AS与根系各指标之间的数学关系，如图1—3 所示。由图1—3 可知，AS分别随RD、RLD和RSAD增大而增大，不同植被的根直径差异很大，对土壤抗侵蚀性的影响也不同，不同根系直径参数下AS相差7 L/g 左右。当RD为1，AS为3 L/g；当RD为8.5，AS为9.5 L/g 左右。当RLD为2.2，AS为3.1L/g；当RLD为8.5，AS为9.5 L/g 左右。当RSAD为0.1，AS为3.5 L/g；当RSAD为1，AS为9.5 L/g左右。

图1 土壤抗侵蚀指数与根密度关系

图2 土壤抗侵蚀指数与根长密度关系

图3 土壤抗侵蚀指数与根表面积密度关系

5 根系抗侵蚀机理分析及防治措施

由试验结果可知，植物根系能够较好地提高土壤抗侵蚀性，这是由于植物根系间的锚固作用，能够增强植物根系与土壤间的凝聚力，从而增强土壤的抗冲蚀力。同时，根系也通过分泌物质来改变土壤，将土壤粘在一起来提高土壤的抗侵蚀性。根尖上通常有十分细小的毛须，随着根的成熟，毛须会改变根部周围的土壤，使其更稳定、更容易附着，因此种植植物对土壤流失防治具有重大意义。

对于将来土壤防治措施，建议种植以下植物和树木。首先是灌木，该品种是中小型多年生植物，与树木具有共同特征。灌木通常是耐寒植物，由于其强壮的根系和浓密的花朵，是保护周围土壤免受强风、阳光和倾盆大雨侵袭的较好选择。其次，种植当地草生植物也是控制土壤侵蚀的最佳选择之一，因为它的须根能够迅速深入土壤并生长蔓延，能很好地防治土壤侵蚀。

总之，种植地被、灌木、草和树木等植物均是有助于防止土壤侵蚀的天然解决方案，该种方法不仅能够防止土壤颗粒流失，同时也能够防止土壤营养流失，因此值得推广应用。

6 结论

水土流失会增加地表径流，造成生态恶化，导致土壤肥力下降、水资源缺乏，因此采取适当的水土保持措施具有重要作用。本文以贵州省内水土流失重点观察区域为例，采用当地根茎土壤进行了降雨侵蚀试验，研究了不同根茎指标对土壤流失的影响，最后分析了根系防止土壤侵蚀机理和防治措施。结果表明，土壤抗侵蚀指标分别随根密度、根长密度和根表面积密度增大而增大，不同植被的根直径差异很大，对土壤抗侵蚀性的影响也不同，不同根系直径参数下土壤抗侵蚀指标相差7 L/g左右。因此，植物根系能够较好地提高土壤抗侵蚀性，增强植物根系与土壤间的凝聚力，从而增强土壤的抗冲蚀力，值得推广应用。