摘　要:從防治風蝕、水蝕和重力侵蝕三個方面,簡要介紹了植物措施在水土保持中的作用從地上部分和地下部分的作用機理加以說明,旨在總結現(xiàn)有的研究進展,促進水土保持工作持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞:水土流失　植物措施　風蝕　水蝕　重力侵蝕　植被覆蓋度　根系　枯枝落葉層

中圖分類號: S157. 1　文獻標識碼: A　文章編號: 1008-0120(2008)03-0006-03

水土流失已成為世界生態(tài)環(huán)境不斷惡化的大問題。據(jù)統(tǒng)計,全世界現(xiàn)有2×109km2的退化土地,水土流失面積約2. 64×107km2,占世界耕地面積的28.3%。我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一,土壤侵蝕遍布全國,而且強度高,成因復雜,危害嚴重,尤其以西北的黃土高原區(qū)、南方的紅壤區(qū)和東北的黑土區(qū)水土流失最為強烈。全國現(xiàn)有水土流失面積3. 56×106km2,占國土面積的37. 42%,雖然治理取得了顯著成就,但待治理面積仍有2×106km2,初步治理一遍需要近半個世紀的時間。

根據(jù)產(chǎn)生水土流失的動力,分布最廣泛的水土流失可分為水力侵蝕、重力侵蝕和風力侵蝕三種類型。水力侵蝕分布最廣泛,在山區(qū)、丘陵區(qū)和一切有坡度的地面,暴雨時都會產(chǎn)生水力侵蝕,其特點是以地面的水為動力沖走土壤。重力侵蝕主要分布在山區(qū)、丘陵區(qū)的溝壑和陡坡上,在陡坡和溝壑的兩岸溝壁,其中一部分下部被水流淘空,由于土壤及其成土母質(zhì)自身的重力作用,不能繼續(xù)保留在原來的位置,分散地或成片地塌落。風力侵蝕主要分布在我國西北、華北和東北的沙漠、沙地和丘陵蓋沙地區(qū),它的特點是由于風力揚起沙粒,離開原來的位置,隨風飄浮到另外的地方降落。

造成水土流失的原因,除與干旱、降雨、坡度等有關外,一個很重要的原因是與當?shù)刂脖桓采w度密切相關。凡水土流失加劇,沙漠擴大,湖海湮廢,水源減少,局部地區(qū)氣候惡化以及物種分布變遷與滅絕等,都與植被有著直接或間接的關系。植被的變化,往往都是一系列環(huán)境因素變化的先導。因此,研究植物措施的水土保持機理,具有重大意義。下面從植物措施防治風蝕、水蝕和重力侵蝕中的作用方面,綜述其研究現(xiàn)狀。

1　植物措施在防治風蝕中的作用

植被在風蝕中的作用主要是由于改變了植被附近風速的分布,在植被帶背面形成了一個明顯的弱風區(qū)。但是,隨著林帶的遠離,風速又會回到原來的狀態(tài)。植被改變氣流結構和降低風速主要是因為植被本身具有透風性,其稀疏、通風和緊密結構可有效降低風速及風的能量,減少風對土壤的侵蝕,具有明顯的水土保持效益。Van deVen和Fryrear通過風洞實驗表明,與裸地相比,即使低密度的植被也能明顯減少土壤流失。因此,采取植物措施來治理風蝕是水保工作的重要方面。

董治寶等曾以植物模型與黃沙土為實驗材料,以風洞模擬實驗為手段,研究了土壤風蝕率與植被覆蓋度之間的定量關系,并進一步分析得出了二者的相關關系:

F=830.14×(8.20×10-5)C　R=0.999 8　式中:F———風蝕率, g·min;　C———植被覆蓋度或植物密度,%。風蝕的氣候因子隨季節(jié)的變化也有所不同。趙彩霞等研究表明,風蝕氣候因子的動態(tài)變化、植被覆蓋地面的時空變化及風蝕強弱程度三者之間具有良好的相關性:　E =E0∫2t1Cwet(8.2×10-5)Ctdt　式中:E———土壤風蝕量, 103kg·km-2;　E0———無覆蓋單位Ct下的風蝕量,　103kg·km-2;　Cwet———風蝕氣候侵蝕因子(無量綱),采用1979年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and agriculture organization,FAO)的修正公式計算;　T———時間(月), t1、t2為上下限(1～12);　Ct———植被覆蓋度,以小數(shù)表示。在式中,對于某一特定的地區(qū),是一個常數(shù)。可根據(jù)該地區(qū)Ct與Cwet的變化,計算出一年內(nèi)任意一個月或幾個月的土壤風蝕量。

上式對防治風蝕的植被恢復工程來說特別重要,它提示我們必須對植被覆蓋地面的狀況與風蝕發(fā)生在時間上的匹配給予特別關注,也就是說加強風蝕季節(jié)的植被建設與管理,提高風蝕季節(jié)植被覆蓋度,才是防治風蝕危害的根本措施。同時,要注意不同植物防治風蝕的性能是不同的。研究表明,在干旱、半干旱地區(qū)灌木的防風蝕作用最大,其次分別是多年生牧草、林木、作物、一年生牧草。當前的退耕還林工程中存在著重林輕灌、草的行為,從生態(tài)學角度來說,這種做法是要不得的,尤其是干旱半干旱地區(qū)。除退耕還草灌林外,還可以通過作物留茬,以殘茬覆蓋地面的形式增加抗風蝕的效應。當植被覆蓋度低于20%時,風蝕率會大幅度突然增加;當小于27. 15%時,風蝕開始變得很明顯。所以,加強風蝕地區(qū)的植被修復是最有力的防治風蝕方式。

2　植物措施在防治水蝕中的作用

植被防治水蝕的機理,首先是植被冠層及枯枝落葉層能夠減少雨滴濺蝕以及攔截部分降水量,減少地表徑流量,防止地表土壤被侵蝕。其次,植被能使土壤具有良好的結構,提高土壤孔隙度和水分滲透性,以此減少地表徑流量及其流速。第三,枯枝落葉層可起到過濾泥沙和類似海綿吸水的作用,通過對地表徑流的滯緩、過濾和分散作用,防止地表徑流沖刷與面蝕、溝蝕的進一步發(fā)展。第四,植物的根系,在土壤中像網(wǎng)狀般交織,固結土壤,防止坡面侵蝕的形成,加固斜坡和固定陡坡,增強了土壤的抗蝕性能,減少滑坡、泥石流和山洪的發(fā)生。

2. 1　植被覆蓋度的水土保持作用

植被對水土保持的作用隨時間和地點的不同而不同,其決定于植被類型、年齡、形態(tài)、植冠高度、根系深度和根系形狀。一般不可能對任一斜坡上植被的所有效應作全面總結,但是植被顯然在許多斜坡上確實對地上和地下水流的速度和路徑起到調(diào)節(jié)作用。該作用的侵蝕控制意義是減少到達地面的有效降雨量,削弱水滴勢能。當下落的雨滴遇到植被時,　其中的一部分在到達地面之前就被截留,減弱了降雨的侵蝕能力,從而起到水土保持的作用。

植被的覆蓋度決定了其下面土壤免受雨滴直接撞擊的程度。一般認為,植被覆蓋度達到70%或以上時,它就能以這種方式使土壤得到較大程度的保護。通過對觀測資料的分析,從定量角度探討了植被控制土壤侵蝕的規(guī)律,運用指數(shù)回歸分析,建立了不同類型區(qū)的侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度的關系方程:

M =ae-bF　式中:M———侵蝕模數(shù), t/km2·a;　e———自然對數(shù)的底;　a、b———回歸系數(shù);　F———植被覆蓋度,%。通過對黃土高原有森林覆蓋的10條流域的森林覆蓋率與土壤侵蝕模數(shù)之間的關系研究,建立了土壤侵蝕模數(shù)與林率之間的線形關系,認為當森林覆蓋率高于95%時,土壤侵蝕量接近于零。

2. 2　植物根系的水土保持作用

植被根系對土壤水分的滲透率有較大的影響。首先,根在生長過程中將會在土壤中擠出通道,使地表水有可能順著根與周圍的土壤之間的接觸面滲入土壤。當根衰老或死亡后,它們會收縮,留出一些空隙,水也可以通過這些空隙滲入土壤。其次,因為樹干、樹枝和枯枝落葉增加了地表粗糙度,從而對水流產(chǎn)生了阻礙作用,降低地表徑流的速度,延緩徑流的出現(xiàn)和匯集。朱顯謨認為,根系對土壤滲透力的作用主要是根系能將土壤單粒粘結起來的同時也能將板結密實的土體分散,并通過根系自身的腐解和轉化合成腐殖質(zhì),使土壤有良好團聚結構和孔隙狀況。同時植物須根系(d<1 mm)與土壤滲透性存在回歸方程關系,顯示了須根對土壤飽和滲透系數(shù)的影響是首要的。須根通過在土壤中的交錯穿插作用和不斷死亡分解所產(chǎn)生的有機質(zhì)積累,促使土壤中大粒級水穩(wěn)團粒的增加,明顯地改善了土壤的滲透性能。研究表明,植物根系對土壤的抗沖性具有一定的強化作用。朱顯謨指出:生物措施是水土保持中最有效和最根本的方法。他認為土壤抗沖性的增強,主要取決于根系的纏繞、固結和串連土體作用,這種作用使土體有較高的水穩(wěn)結構和抗蝕強度,從而不易被徑流帶走。

2. 3　植被枯枝落葉層的水土保持作用

地表枯枝落葉層在涵養(yǎng)水源,減弱雨滴濺蝕,延緩地表徑流形成等方面具有重要的作用。研究表明,地表枯落物的最大持水量是自身重量的1. 7～3. 5倍,同時還可以有效地消減能量,增加土壤入滲,增強土壤的抗蝕能力及土壤的抗沖性。對于油松林和山楊林而言,當?shù)乇泶嬖诖笥?st1:chmetcnv w:st="on" TCSC="0" NumberType="1" Negative="False" HasSpace="False" SourceValue="1" UnitName="cm">1cm的枯落物時,就可以減少土壤沖蝕量的90%和83%?？葜β淙~層的水土保持作用表現(xiàn)在降雨過程中,除林冠的覆蓋及樹干截留與森林對水文過程的改善外,地表積累與處于不同轉化階段的枯枝落葉對地表狀況直接起到作用。腐爛的枯枝落葉可以增加土體有機質(zhì)含量,并促使土壤生物和微生物種類及數(shù)量的增加,活力增強,這些都有利于促進土壤團粒結構的形成,進而使土壤滲透性能增大,地表徑流量減少。

3　植物措施在防治重力侵蝕中的作用

重力侵蝕是一種以重力作用為主引起的土壤侵蝕形式,主要發(fā)生在坡面上。重力侵蝕的發(fā)生,是與其他外營力,特別是在水力侵蝕及下滲水分的共同作用下,以重力為其直接原因所導致的地表物質(zhì)移動。在陡坡,其穩(wěn)定性是由土體內(nèi)的內(nèi)摩擦力和凝聚力以及其上生長的自然植被的固持作用來維持的,當其受到一定的外營力作用時,如植被破壞或雨水擊濺、地下水的滲透等,使內(nèi)摩擦力和凝聚力減小,從而在重力作用下使土壤及其母質(zhì)發(fā)生移動。植被是地表的保護者,凡植被生長較好的坡面,一些重力侵蝕作用將會大大減弱,因此植物措施在防治重力侵蝕方面具有明顯的積極作用。植被固坡的作用主要源于植物體與斜坡間的機械作用,周躍等詳細地討論過這些作用,主要包括植物根系的土壤加強作用、斜向支撐作用等。

植物根系對土壤的加強作用是防治重力侵蝕最有效的途徑,它能加強土壤的聚合力,通過土壤中根系的束縛作用增強根際土層的強度,提高土層對滑移的抵抗力。同時,根據(jù)機械力學機制不同,植物根系的土壤加強作用可以進一步分為側根的斜向土壤加強作用和垂直根的垂向土壤加強作用。斜向加強作用是加強根際土層在平面內(nèi)的抗張強度,并通過側根牽引阻力的形式抵制土層滑動的機械效應;而垂向加強作用主要是垂直根的機械錨固作用,并防止整個上層土壤因受重力而產(chǎn)生的滑動。斜向支撐作用在防治重力侵蝕中也具有重要作用,是指生長在斜坡上的喬木,通過樹干和粗大樹根支撐順破下滑的淺層土壤的作用,它使樹樁上側的土層下滑受到阻力并堆積,從而制止土層的下滑。

4　結語

綜上所述,植物措施在防治風蝕、水蝕和重力侵蝕帶來的水土流失方面能起到積極的作用,其作用機理主要在于植被地上部分能削減風速、減弱雨滴能量、延遲徑流形成等,地下部分能增強土壤滲透率、減緩地表徑流形成、增強土壤穩(wěn)定性等?；谶@些作用機理,有植被存在的地表保土保水良好。但是,植物在水土保持方面也存在一定的局限性,而且這種影響不容小視。因此,在今后的研究工作中應全面分析植物措施的各種作用機理,以便于在水土保持工作中處理好各種相關問題。

參考文獻略