草被地上部分水土保持作用研究进展

张晓艳，周正朝，党珍珍

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

草被地上部分水土保持作用研究进展

张晓艳，周正朝，党珍珍

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

土壤侵蚀；草地植被；冠层；枯落物

草地植被的地上部分具有覆盖、保护地表，截留降雨和削弱雨滴侵蚀能力的作用，在保水护土方面发挥着重要作用。为探讨草被地上部分的水土保持效应，在系统分析国内外有关草被地上部分控制侵蚀营力研究的基础上，归纳并总结了草被冠层及枯落物对降雨动能和坡面流侵蚀能力的影响、草被盖度与土壤侵蚀的关系、草被地上部分对土壤理化性状的影响等方面的最新研究进展，并提出了一些今后有待深入研究的问题。

在实践上为水土流失地区草地植被的建设和生态恢复提供科学依据。

1 草被地上部分对降雨击溅作用的影响

降雨对地表的打击力是土壤溅蚀的直接作用力[14]。当雨滴降落到地表时，其动能直接传递给地表，使土壤颗粒发生飞溅，而与乔灌类植物相比，草被高度相对较低，紧附地表，可以更有效地减小雨滴动能、减少雨滴溅蚀量和土壤溅蚀程度。Ghidey和Alberts[9]认为土壤溅蚀量是降雨动能与土壤可蚀性的函数，且与雨滴动能呈正相关关系。李鹏[15]研究发现，草被的冠层能够截留降雨、削减降雨动能，防止和减少击溅侵蚀的发生发展。刘晓路等[16]研究得出，草被的茎叶、腐殖质层(包括落叶层、根茎交界面)能够削弱雨滴溅蚀；同时发现，在水流有一定流速的情况下，土工网垫形成的植物复合保护层具有良好的消能和促进落淤的作用。

在草被地上部分影响降雨击溅侵蚀机理方面，韩永伟等[17]根据不同下垫面条件下的相对雨滴能量预测公式EC=1-[(Et-Eh)/Et]FC做了相关研究。公式中，EC代表植被覆盖下的雨滴相对能量，Et为单位面积上以末速度降落的雨滴动能，Eh为单位面积上从高为h的覆盖层上降落的雨滴动能，FC为植被盖度。从式中可以看出，植被高度和盖度对降雨能量具有较大影响。由于草被的平均高度和平均盖度分别是农作物的88.27%、1.52倍，经分析得出，草地植被覆盖下的雨滴相对能量EC较小，因此同等条件下坡草地的土壤受雨滴侵蚀作用小于坡耕地，坡草地的土壤溅蚀量也小于坡耕地。同时，草地植被的盖度、留茬高度和粗糙度平均值都比同时期农田土壤表层的相应平均值大得多，使得<0.1 mm沙粒的起动和运移比在农田中更困难。分析认为，草地植被的地上部分可以有效降低雨滴能量和土壤溅蚀量。但是，由于草地植被茎秆较低，采用滤纸法、面粉球法和色斑法等常规方法直接测定冠层以下部分的雨滴相对困难，所以有关草被地上部分与降雨击溅侵蚀关系的研究相对较少。

2 草被地上部分削弱坡面流侵蚀能力的研究

2.1 草被地上部分对坡面流侵蚀动力参数的影响

坡面流是造成坡面土壤被分散、剥蚀和冲刷的关键因素[18]，坡面流的水动力参数，如流速、径流能量、剪切力等与侵蚀的关系一直是研究的热点[19]。草被地上部分可以减小坡面径流的动能和势能，使坡面流的曼宁糙率和Darcy阻力系数变小；草被地上部分对坡面流流态也有显著影响，随放水流量的增大，草被覆盖坡面的流态由层流-缓流转变为过渡流-缓流，在有草被覆盖的断面，径流雷诺数和弗劳德数变化很小[20-22]。在草被冠层对坡面径流水动力学特性的影响方面，徐震[23]也研究得出：在小雨强下，草冠平均能减小径流流速40.9%、弗劳德数40.7%，增加坡面流水深1.46倍、糙率4.8倍、阻力34.1倍；在大雨强下，草冠平均能减小坡面流流速5.9%、弗劳德数4.8%，增加径流水深0.5倍、糙率2.1倍、阻力20.4倍。

肖培青等[24]研究发现，草地植被下的坡面流阻力系数f可表示为f=104.1P-1.12V-0.22H0.000 5R1.275C1.44，相关系数为0.92。式中，P为降雨强度，V为水流速度，H为径流水深，R为地表粗糙度，C为覆盖度。比较各变量系数可以得出，覆盖度对阻力系数的贡献率最大，这也说明，草被覆盖度是阻延径流的主导因子、影响坡面阻力的重要因素。鉴于草被地上部分减蚀作用的复杂性和目前试验量测条件的限制，今后还需要结合更多的试验观测，进而从理论上揭示草地植被地上部分的阻流机制及坡面流侵蚀能力对草被地上部分的响应机理。

2.2 草被地上部分减少坡面流泥沙效应的研究

草被地上部分具有拦蓄坡面径流和减少泥沙的效应[25]。草被地上部分拦蓄泥沙的机理为草被的地上部分能削减雨滴的动能，当雨滴从冠层落到土壤表面时，距离很短，其动能很小，几乎不会对土壤颗粒起到打击分散的作用，而坡面产沙量在很大程度上受径流冲刷的影响，所以与裸地相比，有草被冠层、枯落物等地上部分覆盖的径流小区，坡面径流泥沙含量相对较小。白红英等[26]发现草被地上部分的吸水量占降雨量的15.5%。郑粉莉等[25]研究得出，草被的茎叶部分主要在于截留降雨，而枯落物层主要在于减少径流和侵蚀的发生。甘卓亭等[27]发现，在剪去牧草地上部分以后，坡面容易产生较大的侵蚀产沙量。

不同类型的草被，其地上部分的减流减沙效应不同。甘卓亭等[27]定量研究了草被冠层在调控坡面土壤侵蚀过程中的减流减沙贡献，结果表明冠层具有较大的拦蓄降水、增加入渗和减少坡面流的贡献率，与红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)相比，黑麦草(LoliumperenneL.)冠层的减流贡献率更大，除最后试验阶段外，其贡献率都大于60%。分析认为，这主要是由于黑麦草的盖度和厚度都较大，能够拦蓄更多的降雨量，延长降雨的入渗时间，使更多的雨水渗入到土壤中。杨洁等[28]研究了果园清耕、狗牙根带状覆盖及狗牙根全园覆盖3种措施下的水土保持效应，结果表明，有狗牙根覆盖的柑橘林小区水土流失量明显小于果园清耕小区，草被带状覆盖小区的减流减沙效果最好，减流率为98.21%，减沙率为99.84%。因此，条带植草覆盖具有明显的减流减沙效应，该结论对我国南方红壤丘陵区的果业生产具有指导作用，有利于丘陵果园区水土流失的防治。

3 草被盖度与土壤侵蚀的关系

从广义上来说，草被对地表的覆盖包括地表层的活植被和死植被，以及草被的枯落物、动物粪便、岩石和其他材料等。在降雨量较少的干旱区，地表覆盖还包括苔藓、地衣等低等生物土壤结皮[29]。草被覆盖与土壤侵蚀的关系多通过研究草被盖度而得出，后来又提出了有效盖度、临界盖度、潜势盖度的概念。潜势盖度可反映植物群落保持水土的程度，临界盖度是指植被群落的水土保持作用达到最大或极限时的群落盖度[30]，而有效盖度是植被能有效防止侵蚀并使其土壤流失量控制在一定程度的临界盖度[31]。

草被有效盖度与土壤侵蚀之间有着密切的关系。张光辉和梁一民[32]研究发现，随着草被盖度的增大，土壤侵蚀量呈指数下降趋势，并将草被有效盖度定为70%。焦菊英等[3]认为草地有效盖度是降雨因子、地形因子、土壤因子和植被类型的函数，建立了草被有效盖度(v)与次降雨量、次最大30 min雨强的乘积(P·i30)和坡度(s)之间的关系，即v=-103.20+34.62×lg(P·i30)+78.97lg(s)，相关系数r=0.780；并指出草被有效盖度随降雨、坡度的增大而增大，当坡度分别为20°、25°、30°、35°时，草地的有效盖度对应为63.4%、71.1%、77.3%、82.6%，当草地的盖度达到或超过有效盖度时，草地就能够有效地防止水土流失。王升等[33]研究了不同盖度下紫花苜蓿(MedicagosativaL.)地的产流产沙与养分流失规律，发现随着植被盖度的增加，坡面流速、径流深、水力半径、雷诺数和弗劳德数都减小，而平均糙率增加；并且得出紫花苜蓿的盖度为43.2%时，草被对黄土坡地的减蚀和保持养分的作用已经很显著，再增加盖度则会加大投资，效果也不显著。

4 草被地上部分对土壤理化性状影响的研究进展

草被地上部分可以通过生物栅栏作用削弱雨滴击溅侵蚀、减小降雨对土壤的破坏程度，保护土壤自然结构；枯落物层的大孔隙有利于水分下渗，提高土壤渗透性。在草被冠层等地上部分保持土壤水分和养分方面，龙忠富等[34]研究发现，百喜草(PaspalumnotatumFlugge)的覆盖可以减少土壤表层水分的蒸发；王升等[33]研究得出，随着草被盖度的增加，坡面径流中的溴离子流失量减小，土壤养分浓度得到了很好的保持；杨洁等[28]研究认为，在大部分土层深度，狗牙根带状覆盖的小区土壤水分含量最高，均大于清耕果园区，而全园覆盖区由于植物蒸腾耗水量大，土壤水分含量反而低于带状覆盖区，因此通过条带植草来增加草被地上部分覆盖的措施对土壤的保水效果最好。

草被枯落物层等地上部分能够改善土壤肥力、保护土壤结构，具有重要的水土保持作用。张明忠等[35]分析了金沙江干热河谷地区草被凋落物的分解率和持水性能，结果表明：凋落物能截留降水，使水分缓慢入渗，提高土壤中的水分含量，增强土壤肥力；在6种草被中，新诺顿豆(Neonotoniawightii)凋落物的分解率及持水性能都最高，该结论对于促进草地土壤发育或改良有着重要意义。秦瑞杰[36]研究得出，草被生长所产生的大量凋落物在土壤中不断地积累和矿化，把大部分的无机营养元素归还到土壤中，腐烂后的枯枝落叶形成腐殖质层，可以有效增加土壤中有机质含量，提高土壤肥力，促进土壤团粒的生成，从而改善土壤结构，提高土壤的透水性、通气性和抗侵蚀性。高丽倩等[37]通过研究发现，草被覆盖坡面的地表结皮能够改善土壤的理化性质，增强土壤的黏结力和抗侵蚀能力。

5 结语与展望

过去众多的研究揭示了草地植被地上部分在减小降雨击溅和坡面流侵蚀能力方面的作用，以及提高土壤抗侵蚀能力的机理，为进一步深入研究草被的水土保持功效奠定了重要基础。但是，由于草被茎叶和枯落物研究方法、手段的局限性和草被生长微地形的复杂性，现有的研究成果较少涉及不同物种、不同结构、不同年龄及不同立地条件下的草被，并且很多试验结果是通过室内模拟得到的，所以草被茎秆、枯落物及其空间分布对野外坡沟系统的影响是否也存在类似于室内研究结果的结论还不得而知。因此，要充分认识和揭示草被地上部分控制土壤侵蚀的机理、更好地与当前水土保持生态建设契合，还需从以下几个方面开展研究：①在时间尺度上，需要对草地植被地上部分进行长期系统的定位观察和研究，将茎叶的生长及枯落物等各部分的变化与土壤侵蚀能力进行动态耦合。②在研究区域上，需要对黄土高原的典型区域、长江流域山地和丘陵等侵蚀严重及生态脆弱区的草被地上部分控制侵蚀营力的效果进行研究。③在研究内容上，需要定量探讨草被冠层盖度、叶面积指数、枯落物覆盖度与厚度等与降雨动能、打击力之间的关系，然后对草被冠层和枯落物等地上部分削减降雨击溅动力及影响侵蚀的机制和有效性，尤其是不同类型草被之间和不同空间配置方式下的对比进行研究，以利于建立草地土壤溅蚀模型；此外，还需要系统分析草被通过茎叶、枯落物等引起坡面流分离和能量损失而导致形态阻力增大，以及通过草被冠层削减降雨打击作用而改变降雨阻力的定量关系，从而全面理解草被地上部分控制侵蚀动力的作用。

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(责任编辑 徐素霞)

S157.1

C

1000-0941(2015)01-0047-04

国家自然科学基金青年基金项目(40901131)；霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项目(131025)

张晓艳(1988—)，女，安徽阜阳市人，硕士研究生，研究方向为水土资源评价与规划；通信作者周正朝(1980—)，男，四川泸州市人，副教授，博士，主要从事植被与土壤侵蚀关系研究。

2014-01-28

目前，水土流失是全球性的生态环境问题之一，对人类生存和社会可持续发展造成了严重威胁。研究表明，人类对植被的破坏与不合理的土地利用方式是导致土壤侵蚀加重的重要原因[1]。林草植被是地球上宝贵的自然资源，也是地球上的重要生态屏障，在土壤侵蚀防治中发挥着极为重要的作用[2-5]。近年来，自然干扰(如干旱、风蚀、水蚀、沙尘暴、鼠虫害等)和长期的过度放牧、开荒垦田及人为破坏使得草地植被退化严重。伴随着草地退化，草地生态环境问题随之而来，在侵蚀方面总体上表现为黄土高原的大部分地区、云贵高原、青藏高原和长江黄河源区水土流失严重[6]。草地生态的好坏，不仅决定着草原区的自然环境状况，还关系着其他地区的生态安全，而且通过对干旱区植被的降雨截留效应分析发现，草本植被的截留量(38.4%±32.3%)大于乔木(23.6%±14.9%)和灌木(24.8%±12.9%)，草地防止水土流失的能力高于灌丛和森林[7-8]。所以，草地生态系统对我国的水土流失治理具有十分重要的意义。

草被地上部分能够有效地拦截和吸附雨滴、沙粒，削弱雨滴击溅动能，增大坡面糙率和延阻径流。目前，在草被冠层、茎秆、枯落物等地上部分与土壤侵蚀关系方面已取得了大量研究成果[9-13]，可以概括为4个方面：冠层及枯落物对降雨动能的影响、茎秆及枯落物对坡面水土流失的影响、草被盖度与侵蚀的关系及草被地上部分对土壤的影响。本文系统总结了草被地上部分的水土保持作用，以期在理论上为全面理解和研究草被冠层及枯落物与土壤侵蚀的关系提供参考，同时