湘西岷抗冲地区三种植被覆盖水土保持效益研究

2013-05-24 02:38:00袁志忠陈国玉尹黎明张旭平饶碧娟
中国水土保持 2013年3期
关键词:香根覆盖度径流

袁志忠,陈国玉,尹黎明,姚 亮,张旭平,饶碧娟

(1.吉首大学生物资源与环境科学学院,湖南 吉首 416000;2.湖南省水土保持监测总站,湖南 长沙 410007;3.湖南省水利厅,湖南 长沙 410007;4.湘西州水土保持生态环境监测分站,湖南 吉首 416000)

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一,目前全国生态环境恶化的趋势尚未得到根本遏制,水土流失已成为我国的头号环境问题[1]。我国南方地区年降水量大、开发建设项目多,山丘区有1/3以上的土地存在着不同程度的水土流失,水土流失造成水土资源和水资源生态库的严重破坏,导致水旱灾害和其他自然灾害频繁发生[2-3]。科学试验和生产实践证明,植物措施具有良好的蓄水保土效果和投资低、见效久等优点,因此植被建设是水土保持生态建设的重点。

湘西土家族苗族自治州是一个以山地为主的“老、少、边、山、穷”地区,是长江中游地区沅水流域水土流失最严重的地区之一,也是湖南省水土流失相对严重的地区之一。境内多中、低山,主要的土壤类型为山地红壤和紫砂土,土层母质有石灰岩、紫砂岩和板石岩等[4],因其多数所处的部位较高、坡度大,故水土流失严重。近年来,由于人口剧增、需求增长和自然因素的综合影响,湘西州水土流失面积呈增加趋势,最新的水土流失调查结果显示,湘西州水土流失面积为4358.82km2,其中轻度流失面积1382.79km2、中度2138.17km2、强烈以上837.86km2,分别占土地总面积的 8.9% 、13.8% 、5.4%[5]。

香根草是一种高大的簇生成丛的禾本科多年生草本植物,具有庞大而发达的根系,抗逆性强,耐旱、耐热、耐寒、耐贫瘠、耐涝、耐酸、耐碱,在温度为-15.9~55℃、年降水量为300mm的干旱地区和年降水量6000mm的潮湿地区均可生长[6-7],且伴随植株生长其根系向地下纵深发展,是一种优良的水土保持植物。为探索湘西州植物措施蓄水保土的效果,我们在湘西州吉首市开展了植物措施的水土保持效益研究。

试验地选择在湘西州吉首市岷抗冲径流小区,试验小区共设置4种处理,即香根草种植地、蔬菜种植地、自然恢复地和裸露地,通过观测4种小区的土壤容重、土壤含水率、土壤养分含量以及坡面径流量、泥沙流失量等,探讨3种不同植被覆盖径流小区的水土保持效益。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区岷抗冲径流小区位于吉首市八月湖旅游景区附近,靠近103乡道,与吉首市城区的直线距离约为7km,属中亚热带季风湿润气候,四季分明,气候温和,光照充足,无霜期长,光热水基本同步,立体气候特征明显,年降水量1300~1500mm,降水集中在春夏两季,多年平均水面蒸发量738 mm[8],土壤类型为黄红壤,属易蚀性土壤。

1.2 试验设计

试验地径流小区由湘西州水土保持生态环境监测分站和吉首大学生物资源与环境科学学院联合建立。小区布设中,沿等高线在坡度为19°的坡地上共设置D1(裸露地)、D2(种植蔬菜地)、D3(自然恢复地)、D4(种植香根草地)4种处理,共4个径流小区,每个小区的水平面积均为20m×5m。在各小区之间修建水泥砖隔墙,隔墙高出地面15 cm,隔墙高度与四周围墙一致,隔墙的顶面成V形槽,径流小区之间隔墙共用。径流小区下方设置集流池,集流池尺寸为1.2 m×1m×1m(长×宽×深),池顶无盖,用于观测每次降雨产生的径流量和泥沙流失量。于2011年10月15日在径流小区人工种植香根草幼苗,幼苗平均高度在30cm左右,行距15 cm,株距8~10cm,种植一个星期后香根草完全处于自然生长状态,试验区光照充足,通风条件良好;2011年12月4日人工种植蔬菜,行距15 cm,种植前翻地20cm深并整平,蔬菜播种后经常拔草,蔬菜生长完全处于自然状态;裸露地使其地表覆盖度保持在5%以下。

1.3 测定方法和数据处理

(1)植被覆盖度。采用目测法每周测定一次。

(2)降雨量。用SJ1虹吸式自记雨量计测定降雨量(mm)。

(3)地表径流量和土壤侵蚀量。于每次降雨结束后测定集流池内的径流深度,根据水深计算出地表径流量;将集流池中的浑水充分搅拌后取水样150mL,重复取样3次,将3个水样混合后静置至澄清,然后把清水缓慢倒出,剩余的泥沙样烘干至恒重后称重,之后计算土壤侵蚀量[9]。将在径流小区所取的土壤样品过0.28 mm筛后,测定土壤TOC(总有机碳)、TN(全氮)、TP(全磷)含量,其中 TOC采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法,TN采用浓硫酸消煮-半微量凯氏法,TP采用 HClO4-H2SO4消煮钼锑抗比色法[10]。

(4)土壤容重。在每个径流小区中轴线1/3靠上部位选1个取样点,去除地表覆盖物后,在0—20cm的剖面用手持土钻环刀取样器分层取出100cm3土样,将所取土样放入铝盒带回实验室测定其自然容重,然后在105℃的烘箱内烘12 h后称重并计算其容重。

2 结果与分析

2.1 不同植被覆盖度下的水土流失变化

2012年4—7月对径流小区植物生物学特性进行测定的结果显示,在植物生长起来后,植物的高度、覆盖度逐渐增加,有效的地表覆盖可以减少雨滴击溅,防止坡地水土流失。图1列出了2012年4—7月3种不同植物覆盖下4个径流小区的植被覆盖度变化情况。从图1和观测资料可知,对于不同的植物覆盖来说,植被的覆盖度都在显著增加,其中:蔬菜地小区在7月份的植被覆盖度最小,仅为79.3%;自然恢复地小区次之;香根草地小区植被覆盖度最大。植被覆盖度是影响水土流失的重要指标之一,随着植被覆盖度的增加,水土流失呈减小趋势[11]。

2.2 不同植被类型对土壤容重和土壤含水率的影响

图1 不同植被径流小区覆盖度的变化

土壤容重是表征土壤物理性状及其渗透能力的重要指标之一。植被种植8个月后,于2012年7月29日测定径流小区的土壤容重,结果(表1)显示,在0—20cm表土层内,香根草地小区、蔬菜地小区、自然恢复地小区的土壤容重均比裸露地小区有所降低,其中香根草地小区的土壤容重为1.14 g/cm3,比对照裸露地小区的土壤容重降低了18%。对各径流小区土壤含水率测定的结果表明,香根草地小区、自然恢复地小区、蔬菜地小区、裸露地小区的土壤含水率依次呈递减趋势。土壤容重和土壤含水率的测定结果都表明香根草在岷抗冲地区的土壤中能够明显地改良土壤性质,具有较好的水土保持效果。

表1 不同植被径流小区土壤容重和土壤含水率

2.3 不同植被类型对土壤养分流失的影响

土壤养分的流失与植被覆盖度、植物类型有着密切的关系。研究结果表明(表2),植物种植8个月后,有植被群落覆盖小区的TP、TN、TOC、有机质的含量要明显高于对照裸露地小区,表明植被覆盖区的土壤养分流失量要比裸露地小区少,其中香根草小区(D4)的TP、TN、TOC、有机质的流失量明显低于 D1、D2、D3。黄满湘等[12]在对官厅水库农田地表径流污染物的流失研究中发现土壤养分P的流失与土壤侵蚀强度有关,植被物覆盖可以显著地减少径流中P的流失,这与本研究结果是一致的。

表2 不同植被径流小区土壤养分含量

2.4 不同植被类型的水土保持效果对比

从观测的8次降雨产流情况看,每次产流对照裸露地小区(D1)的平均地表径流量和土壤侵蚀量都要大于有植被覆盖的小区。以D4为例,4月15日、4月28日和6月12日3次降雨的降雨量分别为23.5、25.0和23.4 mm,降雨强度分别为2.3、2.6和 2.1mm/h,3次降雨的降雨量和降雨强度差别不大,但每次降雨的地表径流量和土壤侵蚀量均呈明显的递减趋势(表3),由此可知植被覆盖有效地防止了水土流失,随着植被覆盖度的提高,平均地表径流量和土壤侵蚀量呈减小的趋势。对8次降雨产流总和的分析结果表明,香根草地小区(D4)地表总径流量7429 m3/km2,远小于对照裸露地小区的16597 m3/km2,也小于蔬菜地小区(D2)和自然恢复地小区(D3)的地表总径流量;而土壤侵蚀模数131.27 t/(km2·a)同样也明显小于D1、D2、D3〔366.15、268.19、151.43 t/(km2·a)〕,说明与香根草地小区相比,蔬菜地小区、自然恢复地小区的土壤更容易被雨水侵蚀。香根草地小区(D4)的蓄水、保土效率分别为55.24%、64.15%,而蔬菜地小区(D2)只有36.96%、26.75%,自然恢复地小区也只有42.67%、58.64%。由此可见,种植香根草可以改善土壤物理性状,提高土壤抗蚀性,能有效防治水土流失。

表3 不同径流小区的平均地表径流量和土壤侵蚀量变化

3 讨论

(1)在湘西岷抗冲径流小区分别布设香根草地小区、蔬菜地小区、自然恢复地小区和裸露地小区,据2012年4—7月对小区进行的观测可知,植被覆盖率逐渐上升,其中香根草地小区的覆盖率达89.9%,自然恢复地小区和蔬菜地小区的覆盖率接近,在80%左右。2012年7月,测定了0—20cm不同植被径流小区的土壤容重、土壤含水率和土壤养分含量,研究结果显示:香根草地小区、自然恢复地小区和蔬菜地小区的土壤容重都低于对照裸露地小区,而含水率都高于裸露地小区,相比之下香根草地小区的土壤容重明显低于其他3个小区,含水率明显高于其他3个小区,其土壤容重比对照裸露地小区降低了18.0%,土壤含水率高出了4百分点;2012年7月,香根草地小区、自然恢复地小区和蔬菜地小区土壤的TP、TN、TOC、有机质的含量都明显高于对照裸露地小区,其中香根草地小区土壤的TP、TN、TOC、有机质的含量分别为0.24、1.16、19.25、31.61 g/kg,养分含量比其他3种小区都明显高,比裸露地小区的TP、TN、TOC、有机质含量分别高出了41.18%、24.73%、22.77%、13.09%;蓄水、保土率的计算结果表明,香根草地小区、蔬菜地小区都有一定的蓄水保土效果,但香根草地小区的蓄水率、保土率分别达55.24%、64.15%,比蔬菜地小区(36.96%、26.75%)和自然恢复地小区(42.67%、58.64%)都要高。

(2)上述分析表明,香根草地小区的土壤理化性质得到了明显改良,种植香根草能够有效地抑制水土流失,但并非种植任何一种植物都能够实现这一目标。如在该区域种植蔬菜,其土壤容重比自然恢复地小区要高,土壤含水率比自然恢复地小区要低,对土壤TP、TN、TOC、有机质的保护效果不及自然恢复地小区,其蓄水率、保土率也比自然恢复地小区低。因此,从保持水土效果看,在该区种植具有一定经济收益的蔬菜并不是最佳的选择,选择种植香根草才是最适合的。香根草特点明显,种植成本也不高,是该区水土保持植物的首选。

4 结语

(1)在湘西岷抗冲径流小区内种植不同的植物,其保持水土的效果不一定高于植被自我恢复措施,如蔬菜地小区的蓄水率、保土率仅为36.96%、26.75%,比自然恢复地小区的42.67%、58.64%要低。

(2)在该区种植香根草可以明显地改善土壤理化性质,其蓄水率、保土率分别达55.24%、64.15%,这为今后研究类似情况或同一区域水土流失治理效益分析提供了一定的理论依据。

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