紅壤坡地香根草植物籬產(chǎn)流產(chǎn)沙過程模擬

袁久芹，梁音，曹龍熹

(中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室，南京土壤研究所，210008，南京)

我國坡耕地面積占總耕地面積的20%，南方紅壤區(qū)坡耕地面積占旱地面積的70%以上。全國坡耕地面積占水土流失總面積的6.7%，產(chǎn)生的土壤流失量卻占到全國的28.3%［1］。坡耕地嚴重的水土流失，成為發(fā)展“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效”農(nóng)業(yè)的瓶頸，制約了當?shù)亍皬娹r(nóng)惠農(nóng)富農(nóng)”目標的實現(xiàn);因此，探索、研究和實施有效的控制坡耕地水土流失技術(shù)，對實現(xiàn)我國資源、環(huán)境和人口的協(xié)調(diào)發(fā)展意義重大。

等高植物籬是在坡耕地沿等高線每隔一定距離，布設(shè)密植生長速度快、萌生力強的灌木或灌化喬木以及灌草結(jié)合的植物籬帶，帶間布置農(nóng)作物和經(jīng)濟作物［2］。植物籬作為坡耕地一種有效的水土保持生物措施，在水土保持領(lǐng)域備受關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在植物籬品種選擇［3］、水土保持效果［4-5］、生態(tài)功能評價［6-7］等方面進行了研究，揭示了植物籬在控制水土流失、改善土壤理化性質(zhì)、減小坡度、縮短坡長等生態(tài)效益以及經(jīng)濟效益提高等多方面的綜合效應(yīng)［8］。學(xué)者們通過不同試驗證明了植物籬的水土保持作用，并發(fā)現(xiàn)不同植物籬對坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程影響不同［9］。許峰等［10］通過模擬降雨試驗，得出香根草(Vetiveria zizanioides L.)植物籬能減少相當于對照坡耕地的82.2%的侵蝕量，并可進一步控制土壤養(yǎng)分流失;蔡強國等［11］通過小區(qū)天然降雨觀測和人工模擬降雨試驗，分析了植物籬控制水土流失的機制，認為其主要通過根部阻擋水流速度，降低水流挾沙能力，減少細溝形成，從而減少土壤侵蝕;R.C.Rosecrance 等［12］也有類似結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)在種植植物籬4 年后，土壤持水量得到了改善。香根草已在熱帶和亞熱帶地區(qū)被廣泛用來防治水土流失，夏漢平［13］研究表明，在坡度為15°～42°的坡耕地上，種植香根草籬后可減少土壤侵蝕90%。

以上研究增加了人們對坡耕地植物籬水土保持效益的認識，但對植物籬條件下的水土流失機制研究仍不充分。傳統(tǒng)研究主要依靠小區(qū)監(jiān)測和試驗，得到的結(jié)果是植物籬增滲減流、減弱雨滴打擊、攔截徑流等多種水土保持機制的綜合效應(yīng)，很難單獨模擬某一個過程并量化其過程關(guān)鍵參數(shù)，對于植物籬地上稈莖和地下根系在減流減沙方面的相對重要性認識不夠，例如，植物籬如何分別影響坡面產(chǎn)流過程和產(chǎn)沙過程，植物籬不同部位在這一過程中的作用和貢獻大小如何等。解決這些問題對于坡耕地植物籬的優(yōu)化配置非常重要，而現(xiàn)有的研究結(jié)果尚不能滿足要求，都是在整個坡面徑流小區(qū)上進行的植物籬攔截作用的研究?；诖?，筆者以南方紅壤區(qū)香根草植物籬為研究對象，通過開展人工模擬降雨微區(qū)試驗，研究模擬降雨條件下植物籬的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程以及植物籬不同部位的減流減沙貢獻率。

1 試驗區(qū)概況

野外人工模擬降雨試驗研究區(qū)位于江西省余江縣劉墾三分場(E 116°53＇，N 28°14＇)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.8 ℃，年均降雨量約1 795 mm，50%左右的年降雨分布在4—6 月。研究區(qū)為低丘緩坡地形，坡度在3°～15°之間，海拔為35 ～60 m。成土母質(zhì)為紅砂巖，土壤類型為紅壤，富含鐵氧化物，黏土礦物以高嶺石為主。土壤中的有機質(zhì)、有效磷和鉀的質(zhì)量分數(shù)都較低，尤其以有效磷的缺乏最為嚴重［14］，因此，土地生產(chǎn)力低，人類高強度的開發(fā)和干擾導(dǎo)致該研究區(qū)的土壤侵蝕較為嚴重。

香根草是一種多年生草本植物，須根系統(tǒng)縱深發(fā)達，可深達2 ～3 m，能較牢固地固持土壤，沒有匍匐莖或根狀莖，不會成為農(nóng)田雜草;地上部分簇生成叢，在短時間內(nèi)就能形成致密的綠籬帶［15］。研究區(qū)香根草植物籬已種植2 年，平均高1.2 m，籬帶寬0.5 m。籬帶沿等高線方向布設(shè)，所在坡面坡度約5°。

2 試驗設(shè)計與過程

2.1 試驗設(shè)計

人工模擬降雨試驗于2012 年8 月進行，選擇同一坡度的香根草、普通草地和裸地3 種土地利用類型。普通草地為休閑地，即各條帶植物籬之間的農(nóng)地，進行試驗時，農(nóng)地花生已收獲，已閑置一段時間，其上長有雜草，主要代表性雜草為狗牙根(Cynodon dactylon(Linn.)Pers)，其莖匍匐生長，節(jié)間著地即可生根。盡量選擇裸露的地塊，如有少量雜草，用剪刀小心地剪去地上部分，不造成土壤擾動。

為恢復(fù)地力，研究區(qū)大部分農(nóng)地收獲花生后到來年春天一直被閑置，由于缺乏管理，其上長有雜草，降雨時易造成一定的水土流失，即本研究所選取的普通草地所在區(qū)，代表當?shù)厥斋@花生后到來年春季坡耕地的普遍狀況。選擇普通草地和裸地進行研究，可代表當?shù)氐膶嶋H耕作情況。裸地作為對照類型，另外2 種類型每類選擇3 塊蓋度不同的地(表1)。

為了進一步探究香根草不同部位對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，在香根草小區(qū)降雨試驗結(jié)束后，割去地上部分，得到香根草-割類型，再進行降雨試驗。順坡向設(shè)置1 m×1 m 的微區(qū)，0.5 m 寬的草籬位于微區(qū)正中。微區(qū)邊界由3 塊25 cm 寬的鍍鋅鐵皮和集沙槽圍起，鐵皮有10 cm 寬，插入土中防止側(cè)滲，形成的邊界高15 cm，集沙槽高15 cm、寬1 m、長50 cm。在出口處挖取樣池，直徑30 cm，為了防止排水不暢，在出口處下方挖引流溝以便排水(圖1)。

試驗使用的便攜式人工模擬降雨機按照A.Covert 等［16］提供的方案設(shè)計，主要包括汽油發(fā)電機、水泵、水管、壓力表、噴頭等，由4 根6 m 長的可松卸的鋼管支撐起來，壓力表和噴頭被固定在由4根50 cm 長的鋼管連接成的正方形框架上，降雨機中間掛一鉛垂，以便調(diào)節(jié)噴頭高度到3 m，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1。采用美國Spraying system 公司的Fulljet 系列實心錐形噴頭，不同的噴頭可模擬不同強度的降雨。率定結(jié)果表明，當噴頭高度達到3 m、水壓力為40 kPa 時，該型噴頭產(chǎn)生的雨滴降落速度和動能大小與自然降雨接近［17］，在噴頭正下方1 m2范圍內(nèi)，降雨均勻系數(shù)大于80%。整個裝置為組合式結(jié)構(gòu)，方便安裝、拆卸和運輸。

表1 試驗小區(qū)基本概況Tab.1 Properties of experimental plots

圖1 便攜式人工模擬降雨機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Instruction diagram of portable rainfall simulator

2.2 試驗過程

張黎明等［18］對鷹潭地區(qū)1999—2003 年5 年的降雨強度研究結(jié)果表明，該地平均月累計30 min 降雨強度(I30)為20 ～127.4 mm/h。根據(jù)這一范圍，試驗選擇2 種不同型號的噴頭，實際每場降雨計算得到的降雨強度范圍為49.79 ～90.11 mm/h，2 種型號噴頭各自的平均降雨強度為60.10 和82.44 mm/h，對應(yīng)的噴頭型號分別為Fulljet 1/2HH-30WSQ 和Fulljet 1/2HH-50WSQ。每種降雨強度試驗重復(fù)2次，進行平均，共進行40 場降雨。試驗開始前，在小區(qū)外側(cè)附近取土樣，測定土壤密度、機械組成和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)等指標，同時觀測植被覆蓋度。為保證每場試驗的一致性，同一地類的2 種降雨強度降雨試驗不換樣地。為消除土壤前期含水率差別較大對侵蝕的影響，在前一場試驗結(jié)束后，樣地擱置，讓水分充分下滲，在自然狀態(tài)下風(fēng)干或曬干，再在該樣地上進行下一場試驗。為使試驗更具對比性，香根草-割類型是在香根草小區(qū)上人工降雨試驗做完后割去稈莖而產(chǎn)生的。

試驗微區(qū)布設(shè)好以后，將降雨機架在微區(qū)正中間，調(diào)節(jié)腳架到設(shè)定高度。每場降雨之前需進行降雨強度校訂，先用一塊防水布將實驗微區(qū)蓋住，調(diào)節(jié)閥門直到壓力表達到40 kPa，這時迅速撤掉防水布，開始試驗并計時。試驗開始后，記錄產(chǎn)流時間，每隔1 min 取徑流泥沙樣，直到500 mL 取樣瓶取滿為止，并記下取樣的起止時間，降雨過程持續(xù)30 min。試驗結(jié)束后用烘干法測定泥沙量并計算侵蝕量。

試驗過程中，在小區(qū)4 個角各放一個雨量筒，統(tǒng)計每場降雨的實際降雨強度，將同一噴頭的20 場降雨的降雨強度進行平均，得到設(shè)定的大、小噴頭的實際降雨強度分別為82.44 和60.10 mm/h。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕特征量與降雨強度的關(guān)系

3.1.1 初始產(chǎn)流時間 不同降雨強度下各地類的初始產(chǎn)流時間見表2。對于香根草植物籬，由于地上部分空中截流、植物稈莖阻礙地表徑流、地表枯落物截流、植物根系增加入滲，使其初始產(chǎn)流時間明顯滯后于其他幾類。從降雨強度上分析，2 種降雨強度下同一立地類型的產(chǎn)流時間差異不明顯。在同一降雨強度條件下，從香根草到裸地，其產(chǎn)流時間有逐漸縮短的趨勢，以大降雨強度的趨勢更為明顯?？芍诮涤陱姸容^大的南方紅壤區(qū)，坡耕地上種植香根草植物籬意義更大，其減緩徑流的效果更顯著。

表2 不同降雨強度下各立地類型的初始產(chǎn)流時間Tab.2 Runoff-yielding time of different land types and rainfall intensity min

3.1.2 產(chǎn)流量和侵蝕速率 從40 場降雨的降雨強度和對應(yīng)的產(chǎn)流量、土壤侵蝕速率的關(guān)系散點圖(圖2 和圖3)可以看出:隨著降雨強度的增大，香根草和香根草-割的產(chǎn)流量和侵蝕速率的增加速度較草地和裸地緩慢，而裸地和普通草地擬合的與降雨強度的關(guān)系直線斜率較陡，增加速率較快，裸地的產(chǎn)流量和侵蝕速率隨降雨強度的增加急劇增大。由此推斷，在南方紅壤區(qū)暴雨條件下，裸露土地水土流失相當嚴重，迫切需要加強水土保持措施建設(shè)。圖3中，香根草侵蝕速率與降雨強度的關(guān)系直線近似與X 軸平行，其隨降雨強度的增加變化不大，很好地體現(xiàn)了香根草植物籬在大的降雨強度條件下控制水土流失的優(yōu)勢。

圖2 不同立地類型產(chǎn)流量與降雨強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between flow rate and rainfall intensity

3.2 產(chǎn)流特征

圖3 不同立地類型土壤侵蝕速率與降雨強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between erosion rate and rainfall intensity

3.2.1 總產(chǎn)流量 單因素方差分析顯示，P=0.046 ＜0.05，認為不同立地類型之間產(chǎn)流量差異顯著，進一步進行Duncan 多重對比分析，香根草、香根草-割、草地之間差異不顯著，而裸地與其他地類差異顯著(表3)。將總降雨量與產(chǎn)流量的差除以總降雨量即得各立地類型的入滲率，香根草與香根草-割的入滲率不同，表明香根草植物的稈莖在減流方面作用顯著;同樣沒有稈莖作用的香根草-割和草地，由于香根草-割的根系比草地發(fā)達，其產(chǎn)流量減少，說明植物根系的減流作用明顯;裸地與草地相比，由于沒有根系的作用，其產(chǎn)流增加。綜上，由于香根草地上部分龐大的生物量以及地下強大的根系，其產(chǎn)流量明顯減少。香根草的入滲率比香根草-割增加了5%，比裸地增加了21%，由此推論，香根草地上部分生物量增加了5%的入滲量，地下部分龐大的根系增加了16%的入滲量。由于根系的作用，香根草地類的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于普通草地和裸地(表1)，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，香根草的減流效應(yīng)主要依靠其地下部分強大的根系增加入滲量。

3.2.2 產(chǎn)流過程 將同一立地類型的各場降雨按降雨強度大小分別進行平均，選擇某一場降雨的各次徑流取樣的起止時間為序列，其余場降雨的時段產(chǎn)流強度值按時間線性插值到該序列上，得到不同降雨強度的時段產(chǎn)流強度過程線(圖4)?？梢钥闯觯愀莸漠a(chǎn)流強度在各時段最低，裸地最高，香根草的產(chǎn)流過程線斜率比其他的小，說明香根草可有效地減緩徑流。各類型小區(qū)的產(chǎn)流強度總體趨勢都是先增加后趨于平穩(wěn)。由于各小區(qū)土壤在降雨前期初始含水量都比較低，降雨開始時都以入滲為主，這時的產(chǎn)流強度都比較低，隨著降雨過程的繼續(xù)，土壤含水量逐漸達到飽和，開始形成地面徑流，這時產(chǎn)流強度急劇上升，到達一定的時間后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 不同降雨強度條件下產(chǎn)流強度過程線Fig.4 Curves of flow rate at different rainfall intensities

由于香根草小區(qū)地上部分龐大的生物量，對降雨雨滴具有巨大的消能作用，稈莖攔截部分降雨，使土壤保持疏松狀態(tài)，具有較高的徑流入滲率;同時，香根草發(fā)達的地下根系，也給水流的入滲創(chuàng)造了良好的條件;由于枯落物的存在使得地表粗糙度增加，減緩了坡面徑流流速，也加大了水流入滲的可能性［19］。綜合這些條件，香根草植物籬的產(chǎn)流強度值最低。

裸地的產(chǎn)流強度在各立地類型中始終最高，初始產(chǎn)流強度大，直線斜率陡，產(chǎn)流強度增加劇烈，由于其地表裸露，土壤干燥，土壤孔隙內(nèi)完全被空氣所充滿，土壤透水能力降低，不能充分吸收水分，大量雨水變?yōu)榈乇韽搅?。當達到一定程度時，雨水才逐漸加大滲透能。

平均降雨強度82.44 mm/h 條件(圖4(a))下，降雨過程前15 min 內(nèi)，香根草的產(chǎn)流強度低于香根草-割，15 min 后二者的產(chǎn)流強度接近，可見，在大降雨強度條件下稈莖攔截降雨能力有限;草地和香根草-割的產(chǎn)流量在降雨初期和末期接近，10 ～25 min之間草地形成一小高峰，進一步說明對于減流，起決定作用的是地下根系，而不是地上部分的稈莖截流。降雨強度較小條件(圖4(b))下，各小區(qū)產(chǎn)流強度曲線始終很平穩(wěn)，香根草和香根草-割的產(chǎn)流強度差各時段接近，草地在降雨中后期的產(chǎn)流強度不穩(wěn)定。

3.3 侵蝕特征

3.3.1 侵蝕量 將各地類的所有場次降雨的土壤侵蝕量平均，進行單因素方差分析。結(jié)果(表4)顯示，P=0.011 ＜0.05，認為不同地類之間土壤侵蝕量差異顯著，進一步做Duncan 多重對比分析，香根草與其他3 類之間有顯著差異，其余三者之間差異不明顯。

表4 不同立地類型的土壤侵蝕量Tab.4 Sediment yield of different plots

各立地類型土壤的平均侵蝕量依次為香根草＜香根草-割＜草地＜裸地，裸地的侵蝕量是香根草的5.6 倍之多，由于香根草植物籬地上部分龐大的生物量，減弱了雨滴對土壤的打擊，地下部分強大的根系，固結(jié)土壤的效果甚好。對比香根草與香根草-割2 種類型，香根草的侵蝕量減少了75%，可見香根草植物籬的地上部分對降雨打擊力的削弱作用影響很大，從而減少了對土壤的破壞，侵蝕量減少。由此推斷，香根草的減沙效應(yīng)主要依靠地上部分龐大的生物量對雨滴動能的削弱。

3.3.2 土壤侵蝕過程 圖5 為不同降雨強度的土壤侵蝕強度過程線?？梢钥闯?，香根草小區(qū)的侵蝕強度線始終保持低而平穩(wěn)的趨勢，草地和香根草-割的侵蝕強度線動態(tài)交錯。降雨初期，各小區(qū)的侵蝕強度線較平穩(wěn)，這是由于降雨初期，徑流量小，搬運泥沙的能力有限，再加上部分填洼過程，使得侵蝕強度不高。繼而，各小區(qū)在不同的時間形成一小高峰，之后又趨于平穩(wěn)，其原因主要是降雨初期雨滴擊濺在坡面上產(chǎn)生大量分散的土粒，這些土粒在坡面剛剛形成的薄層水流的搬運下，形成了侵蝕高峰，隨著降雨的繼續(xù)，表層易侵蝕的土壤已經(jīng)被侵蝕，表層以下的土壤由于比較緊密，使土壤抗侵蝕能力相應(yīng)增強，此外，薄層水流的存在，使雨滴擊濺的土粒減少，坡面土壤侵蝕量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。

大降雨強度條件(圖5(a))下，降雨前9 min，香根草-割和草地的侵蝕強度接近，9 min 以后草地的侵蝕量快速增加，明顯高于香根草-割，由于香根草-割地上部分的留茬，在一定程度上也削弱了雨滴動能，減少了土壤侵蝕。小降雨強度條件(圖5(b))下，香根草-割和草地的侵蝕強度動態(tài)交錯，降雨8 min 前和22 min 后，香根草-割、草地以及裸地的侵蝕強度趨勢一致且侵蝕量接近，沒有地上稈莖作用的立地類型侵蝕過程一致。

比較圖5(a)和(b)可知，大降雨強度條件下，各時段的侵蝕強度高于對應(yīng)時段的小降雨強度的侵蝕強度，香根草割與不割，其土壤侵蝕量相差很大，沒有刈割的香根草，地上部分龐大的生物量削弱了雨滴的動能，減少了土壤的流失量。說明香根草的地上部分稈莖作用對減沙效果影響顯著。大降雨強度下，香根草地侵蝕強度相比裸地的減少量比小降雨強度條件更明顯，說明大降雨強度條件下香根草植物籬的減沙效應(yīng)更顯著。

圖5 不同降雨強度下的土壤侵蝕強度過程線Fig.5 Curves of sediment rate at different rainfall intensities

4 結(jié)論與討論

1)與普通草地和裸地相比，香根草植物籬具有明顯的減流減沙效益，主要表現(xiàn)在延長坡面產(chǎn)流時間，降低產(chǎn)流產(chǎn)沙速率，消減坡面強烈的侵蝕產(chǎn)沙過程。相比裸地，香根草減流21%，產(chǎn)沙量只有裸地的18%。

2)香根草植物籬在大降雨強度條件下的減流減沙效應(yīng)更顯著。對于降雨強度大的南方紅壤區(qū)來說，在坡耕地上種植香根草植物籬，意義更大。

3)香根草植物籬不同部位的減流和減沙作用各不相同。與裸地相比，地下部分龐大的根系增加了16%的入滲量，地上部分生物量增加了5%的入滲，減流效應(yīng)主要依靠地下部分根系對土壤結(jié)構(gòu)的改善;對比香根草與香根草-割2 種類型，香根草植物籬的地上部分可減少75%的侵蝕量。

坡耕地是坡面侵蝕的主要利用類型，在坡耕地上種植植物籬等生態(tài)治理措施控制侵蝕效益明顯，特別是能夠充分攔截長歷時、高強度的降雨，強化降雨的就地入滲，有效地減少坡面的來水來沙;因此，坡耕地植物籬營造是解決紅壤區(qū)水土流失、恢復(fù)良性生態(tài)環(huán)境的重要途徑。作為農(nóng)田植物籬水土保持機制系統(tǒng)研究的一部分，本研究主要探討了植物籬條帶對其所覆蓋區(qū)域的減流減沙機制，而在坡耕地上布設(shè)植物籬不僅要明確籬下水土流失過程，更要研究坡面尺度上植物籬帶對上方徑流泥沙的攔截作用。在下一步研究中，將依托田間試驗小區(qū)開展坡面徑流模擬，從坡面水動力學(xué)過程角度探討植物籬帶對徑流水力參數(shù)的影響。