石质边坡枯枝落叶层的水土保持功能研究

韩瑞宏，赵 江，梁建华，王明祖，刘 萍，陈 平

（1.仲恺农业工程学院 园艺园林学院，广州510225；2.顺德区大良农产品质量监督检查站，广东 佛山528300）

石质边坡是非常特殊而极端的一类生境，石质边坡大多坡度大，建植植被的土壤有限，植物可利用的基质很少，在强降水情况下极易发生水土流失，危害生态安全。枯枝落叶层在石质边坡生态系统中占有重要的地位，枯枝落叶直接覆盖地表，可以防止雨滴打击，增加降水入渗［1－2］。同时枯枝落叶能增加地表层的粗糙度，减缓及减少地表径流，防止土壤冲刷［3］。枯枝落叶层是生态系统营养物质循环的一个重要环节［4］，枯枝落叶的分解产物能改善土壤性状，增加土壤有机质［5］，对石质边坡土壤发育和改良具有重要意义。目前，国内外学者对枯枝落叶层蓄积量［6］、水土保持效益［7］、枯落物的养分含量［8］、分解因子［9］、枯枝落叶层下土壤养分等［7］进行了系列研究，但目前对人工复绿的石质边坡其枯枝落叶层水土保持功能的研究还未见报道。近年来，随着房地产、水利、公路等施工项目的增加，广东省产生了大量陡峭裸露的岩质边坡，增加了发生次生地质灾害的安全隐患，石质边坡的修复和绿化迫在眉睫。本研究探讨石质边坡枯枝落叶的水土保持功能，以期为石质边坡生态恢复提供科学参考依据。

1 研究材料及方法

1.1 研究地概况

大睡牛岗为石质边坡，位于广东省顺德区大良街道旧寨村，年平均温度为22.5℃，1月平均温度为13.3℃，7月平均温度为28.9℃，年均降雨量1 649.9 mm［10］。崩岗区位于大睡牛岗的北侧边坡，坡顶最高点地理位置为113°16′58″E，22°48′41″N。2009—2010年先后通过格构梁工程和植物工程措施锚固坡面，复绿2a后植被覆盖率达98%［11］。

1.2 试验材料

试验于2013年10月进行。试验材料取自大睡牛岗石质边坡，按边坡的格构梁工程特点，根据该护坡工程修筑的四段阶梯将边坡划分为：平台（海拔4 m，坡度0°）、下坡（海拔16m，坡度30°）、中坡（海拔33m，坡度45°）及上坡（海拔47m，坡度45°），采样点分布示意图见图1。每一坡位选取0.5m×0.5m的样方15个，用直尺测定样方内枯枝落叶层厚度，收集样方内的枯枝落叶，装入黑色塑料袋中并封口。在收集完枯枝落叶的样地中取土样（取样方法见1.3.5）。回到实验室后将每坡位15个样方的枯枝落叶混匀后，立即进行相关指标测定。各坡位的主要植被及枯枝落叶层厚度见表1。

图1 大睡牛岗采样点分布

表1 大睡牛岗主要植被

1.3 试验方法

1.3.1 枯枝落叶吸水速率的测定 参照黄承标等［5］的方法加以改进，将烘干的枯枝落叶等重（74g）置于透水性良好的布袋中并封住袋口，将布袋浸泡于清水中。0～30min时段内，每隔10min提起称重；30～120min（2h），每隔30min提起称重；2～6h，每隔60min（1h）提起称重；6～12h，每隔2h提起称重；12～24h，每隔6h提起称重，每组3次重复。

1.3.2 枯枝落叶蓄积量与最大持水量的测定 称量枯枝落叶湿样（质量为M），称重后置于80℃烘箱内烘干至恒重（质量为M0），根据M0计算单位面积枯枝落叶的蓄积量。计算枯枝落叶自然含水率M1，M1＝（M－M0）／M×100%。将烘干样品置于布袋，放入清水中浸泡48h后提起，待无滴水时称重（质量为M2），计算枯枝落叶最大净持水量M3，M3＝M2－M0，将最大净持水量换算成体积（v），利用单位面积（s）计算出枯枝落叶截留的降水深度h，即h＝v／s。

1.3.3 径流流出时间 参照赵鸿雁［7］等、王丹丹等［12］的方法加以改进，采用室内模拟冲刷法，用白铁皮自制冲刷模拟装置（图2），给水槽长10cm、宽10 cm、高10cm，给水槽前方设一流水挡板，挡板底部与给水槽底部有很好的密合性并可以自由取下。流水槽长50cm、宽10cm、高10cm。在流水槽中分次装入不同厚度吸水饱和的枯枝落叶（0cm，1cm，2cm，3cm），在30°坡度下，分别向给水槽中慢慢注入1mm，2mm，3mm 深径流量（50ml，100ml，150ml水量），注入完毕后拿下流水挡板，使水流进入流水槽（这样可以保证进入流水槽的水流初速度为0），在流水槽末端测定出水时间。

1.3.4 土壤侵蚀量测定 模拟冲刷装置同上，流水槽内装入石质边坡表土，使土壤容重达到1.6g／cm3，土层厚度2cm，冲刷前在不淹没土样顶部的前提下，浸泡土样12h。流水槽上覆盖吸水饱和的枯落落叶，枯落物厚度为2cm。流水槽坡度为30°，以流水槽径流深度1cm的水量（500ml）倒入给水槽，拿下流水挡板，使水流进入流水槽，用杯口直径123mm，容量为1 000ml的大烧杯在流水槽底部收集流出的泥水，室内静置沉淀，将泥沙烘干称量，即流水槽的土壤侵蚀量。

图2 试验模式图

1.3.5 石质边坡土壤理化性质测定 在收集完枯枝落叶的样地中采用环刀法在土层0—5cm，5—10 cm，10—15cm处取样，重复3次。土壤容重＝环刀内干土重／环刀体积；总孔隙度＝（1－容重／比重）×100%，比重取2.65［13］。土壤毛管持水量＝环刀内水分重量／环刀内干土质量×100%［14］。毛管孔隙度＝毛管持水量×容重，非毛管孔隙度＝总孔隙度—毛管孔隙度［15］。收集完枯枝落叶的样地中取0—15cm土样，并按等体积混合，风干后按四分法取1kg左右样品用于测定土壤化学性质，参照林波等［16］的方法测定。

2 结果与分析

2.1 枯枝落叶吸水量随时间的变化

由图3可知，枯枝落叶在浸水的0～10min吸水速率最快，吸水量占最大吸水量的52%～60%，10 min～4h吸水量达到最大吸水量的80%～88%。浸水18h后，枯枝落叶基本达到饱和吸水状态，吸水量与24h无明显变化。中坡枯枝落叶吸水量小于其他坡位，浸泡10min，中坡枯枝落叶吸水量为60.9g，其他坡位枯枝落叶吸水量均在70g以上，浸泡24h，中坡枯枝落叶吸水量为101.3g，而其他坡位枯枝落叶吸水量为135g左右。

图3 枯枝落叶吸水量随时间的变化

2.2 枯枝落叶蓄积量与最大持水量

根据样方内枯枝落叶干重换算各坡位枯枝落叶单位蓄积量，由表2可知，下坡枯枝落叶蓄积最大为322.33g／m2，平台次之，上坡枯枝落叶蓄积量最小为117.33g／m2。由表3可以看出，中坡枯枝落叶自然含水率最小，上坡枯枝落叶自然含水率最大。就枯枝落叶最大净持水率而言，各坡位均高于60%，其中上坡最大为75.23%。大睡牛岗各坡位枯枝落叶的最大净持水量均在350g／m2以上，其中下坡的最大净持水量最大，为723.40g／m2，是自身干重的2.2倍，相当于0.72mm的降水深度。

2.3 枯枝落叶滞缓径流时间

由图4可以看出，未覆盖枯枝落叶，流水槽径流流出时间非常短，小于1s。而在枯枝落叶覆盖下，流水槽径流流出时间延长。以径流深度1mm，枯枝落叶3cm为例，流水槽径流流出时间能达到14s。总体上，随枯枝落叶厚度的增加，径流流出时间增大。以径流深度1mm，下坡枯枝落叶覆盖的流水槽为例，枯枝落叶厚度1cm，2cm，3cm，流水槽径流流出时间分别为未覆盖枯枝落叶流水槽的13倍、21.83倍、23.33倍。总体上，随径流深度的增加，径流流出时间变短。以下坡枯枝落叶厚度1cm为例，当径流深度从1mm增至3mm时，径流流出时间分别为7.8s，5.8s和5.2s。在相同径流深度、相同枯枝落叶厚度下，不同坡位的枯枝落叶滞缓径流时间亦不同。总体上，下坡及中坡枯枝落叶滞缓径流的效果好于平台及上坡。

表2 枯枝落叶蓄积量

图4 不同径流深度下枯枝落叶层厚度对径流流出时间的影响

2.4 枯枝落叶减少土壤侵蚀量

枯枝落叶能极大地削弱雨滴对裸露地表的径流冲刷。由图5可知，径流深度1cm，坡度为30°时，对照（未覆盖枯枝落叶的流水槽，面积500cm2）土壤侵蚀量达到6.62g，而覆盖2cm厚的枯枝落叶可大大减少流水槽的土壤侵蚀，提高抗冲性。与对照相比，平台枯枝落叶可减少62.23%的土壤侵蚀量，下坡、中坡、上坡的枯枝落叶可减少87.80%以上的土壤侵蚀量。

图5 枯枝落叶对土壤侵蚀量的影响

2.5 枯枝落叶对石质边坡土壤的改良作用

枯枝落叶使营养物质贮存起来，在微生物作用下，将营养元素不断地归还给土壤［17］。大睡牛岗上的土壤为废弃苗圃大田表土与泥炭土按10∶1混合的客土，种植植物前土壤的化学性质见表4。种植植被3a后，由于枯枝落叶的分解，石质边坡土壤的pH、有机质、碱解氮、有效钾含量均有所提高。除中坡外，其他坡位有效磷含量均高于未种植被前。不同坡位间相比，上坡和下坡枯枝落叶对土壤的改良效果好于平台和中坡，由表1可知，上坡和下坡豆科植被较多。

由表5可知，同一坡位，总体上随着土层深度的增加，土壤容重增大。不同坡位土壤容重不同，平台和中坡土壤容重高于下坡和上坡。有研究表明，土壤容重值为1.1～1.4g／cm3，土壤松紧程度比较适宜［18］。大睡牛岗下坡和上坡土壤容重较适宜，而平台和中坡土壤容重相对较大。

土壤孔隙度是土壤养分、水分、空气和微生物等的传输通道。有研究认为，土壤中总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1／5～2／5时，土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调［19］。本研究中，除下坡和上坡0—5cm土壤总孔隙度大于50%，平台10—15cm土壤总孔隙度小于50%外，其他坡位和土层土壤总孔隙度均在50%左右。除下坡10—15cm非毛管孔隙较小外，其他坡位和土层非毛管孔隙均占总孔隙度的1／5～2／5（见表5）。总体上，随着土层深度的增加总孔隙度呈下降趋势，而不同坡位间则表现为下坡和上坡土壤总孔隙度和非毛管孔隙高于平台和中坡。

表4 大睡牛岗土壤化学性质

表5 大睡牛岗土壤物理性质

3 结论与讨论

大睡牛岗枯枝落叶对降水具有较强的吸收作用，枯枝落叶浸泡在水中的前10min吸水量已经达到总吸水量的50%以上，这一结果与黄承标等人对桉树林地枯枝落叶层吸水特性的研究结果一致，说明降雨时枯枝落叶层能快速吸收水分［5］。而枯枝落叶的吸水过程至18h左右才达到饱和状态，说明枯枝落叶层对降水有较长时间的吸收能力，对于分散、阻滞地表径流的形成，增加水分下渗意义重大。大睡牛岗枯枝落叶具有较大的持水能力，对于保持水土，防止表土蒸发以及水分下渗有着十分重要的作用。中坡枯枝落叶自然含水率小于其他坡，推测可能与中坡种植较多的阴香、鹅掌柴、水鬼蕉等植物有关，阴香的叶片革质，鹅掌柴、水鬼蕉叶片较厚，枯落后分解较慢，阻碍吸水［20］。在4个坡位中，下坡枯枝落叶的蓄积量及最大净持水量均较大，说明枯枝落叶贮存水量的多少与枯枝落叶的蓄积量有关。

枯枝落叶层能有效滞缓地表径流，其滞缓径流时间与枯落物的厚度、坡度和径流深度等因素有关。本研究中，随枯枝落叶层厚度的增加，枯枝落叶滞缓径流时间延长。随径流深度的增加，枯枝落叶滞缓径流时间减少。

枯枝落叶覆盖能减少石质边坡坡面土壤侵蚀，枯枝落叶减少土壤侵蚀的能力可能与枯枝落叶的形状有关。本研究中，平台枯枝落叶减少坡面土壤侵蚀的效果较差。平台上的灌木和草本植物较多，尤其是白茅、类芦等禾本科草本植物较多，禾本科植物枯落物叶狭窄、细长，与水的接触面积小，导致其保水能力较差，土壤侵蚀量极显著地大于其他坡。

枯枝落叶层和植物根系层直接参与对土壤的改良。深层的土壤改良主要与植物根系有关，而地表土壤的改良则主要与枯枝落叶层有关，枯枝落叶是森林生态系统养分归还的主要途径［21－22］。本研究中，在枯枝落叶作用下，土壤表层（0—15cm）化学性质改善，有机质、碱解氮、有效钾、有效磷含量提高，土壤肥力增强。本研究未测定种植植被初期石质边坡土壤的物理性质，因此无法对比种植前后枯枝落叶层对土壤物理性质的改良效果，但不同坡位间土壤物理性状差异很大。与平台和中坡相比，下坡和上坡土壤容重小，总孔隙度大，非毛管孔隙大。下坡和上坡除土壤物理性质好于平台和中坡外，土壤的化学性质亦好于平台和中坡。由表1可知，下坡和上坡豆科植物较多，豆科植物枯枝落叶中蛋白质含量高，纤维素含量少，分解速率快，能加快有机质等营养物质在土壤中的积累［23］，因此，下坡和上坡土壤的有机质、碱解氮等营养物质高于平台和中坡，而土壤有机质含量增加可提高土壤通气性，改良土壤的物理性质。

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