喀斯特山地不同类型植物篱的减流减沙作用

罗鼎+熊康宁+王恒松+王露伟

摘要：喀斯特山地环境特殊，水土流失现象普遍存在，运用植物篱治理喀斯特水土流失是一种新的尝试。2012—2014年间在喀斯特分布典型的山地区域研究植物篱减流减沙作用，通过对区域内产流、产沙监测及土壤渗透性测定，计算土壤的渗透速度、渗透系数及减流率、减沙率，分析植物篱模式对减流、减沙作用的影响。结果表明，在植物篱模式下减流率普遍在30%～60%，最高可达65%；减沙率一般在70%，最高可达86%；同时减流减沙作用与土壤的渗透性相关联。结果为喀斯特山区植物篱的进一步研究提供了切实可行的技术依据。

关键词：植物篱；减流率；减沙率；渗透性

中图分类号： S157

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0430-06

在中国960万 km2的土地上，喀斯特分布面积超过124万 km2，约占全国总面积的13%，主要集中分布在中国西南的贵州、广西、云南、四川、重庆、湖南、湖北，以及北方的山西、河北和山东等省，其中以贵州为中心连接桂北、滇东、湘西及川东南等地连成一片的地区所占的面积最大，超过55万 km2，是世界上最大最集中连片的喀斯特区。贵州喀斯特面积占南方喀斯特典型区域总面积的73.8%[1]，喀斯特分布面积占贵州省面积的85%，其中，出露的碳酸盐岩面积达15万 km2，占贵州省土地总面积的73.6%，是全国唯一没有平原支撑的山区省[2-3]。因此，贵州喀斯特具有突出的代表性。贵州喀斯特山地不但分布广泛，水土流失也极为严重，治理难度大，在治理工作中已经进行了多种探索和实践。植物篱技术作为控制耕地水土流失、控制土壤侵蚀的生态手段受到各国学者的广泛关注[4-6]，20世纪90年代以来，植物篱作为一种新型的复合农林业技术措施得到了国内理论研究者的重视[7]，该技术在我国得到广泛应用[8-10]，我国学者在植物篱技术控制水土流失的效应和机制方面取得了大量研究成果[11-12]，在水土保持中植物篱的作用也得到了广泛的认可。贵州特殊的地理环境，给水土保持带来巨大困难的同时，也提供了一个多样化的实践平台。植物篱能减少土壤侵蚀、增加水分截留、改变微地貌、增加土壤微生物丰富度、保持或者增加土壤肥力等，以植物篱减少土壤泥沙流失、水分截留为切入点，研究喀斯特山区植物篱的减流减沙作用，同时考虑植物篱的不同类型，以找出喀斯特山区植物篱与减流减沙间的重要数量关系，为贵州喀斯特山区水土保持、生态改善提供理论依据。

1 研究区域

毕节撒拉溪示范区，代表温凉春干夏湿喀斯特高原山地轻—中度石漠化区，位于乌江上游段六冲河流域，毕节市西部的撒拉溪镇和野角乡境内，示范区总面积8 627.19 hm2，喀斯特面积占总面积的73.94%，属喀斯特高原山地生态环境。地貌类型多样，地形破碎，耕地多分布于坡面上、台地和山间谷地，常形成环山梯土和沟谷坝地。旱土耕层浅薄、肥力较低。示范区内地带性植被主要为针阔叶混交林，长期以来由于人类活动，旱地植被占有较大优势，主要有玉米、荞麦、马铃薯等。自然植被分布较少，其中木本植物有马尾松、漆树、杉、白杨、桦木、刺梨、火棘、马桑、珍珠荚迷、多种悬钩子；草本植物有蒿类、狗尾草、野菊、千里光、风轮菜、鬼针草、下田菊、香薷、小蓬草、三叶草、马唐等。示范区多年平均降雨量在 984.40 mm，年平均气温约为12 ℃。

毕节地区主要分布着黄壤、黄棕壤、棕壤、紫色土、石灰土、草甸土、沼泽土、潮土、水稻土等。示范区内土壤主要为喀斯特黄壤，部分地区为山地喀斯特黄棕壤、石灰土和黄泥土。当地分布大面积的碳酸盐岩，岩性对当地土壤的发育具有重要影响，在土壤形成中起重要作用。纯石灰岩在风化过程中，以溶蚀作用产生强烈的碳酸反应，钙元素流失快，所形成发育的土壤，根据地带的差异，在山间谷地由残积物发育成石灰土和大土泥土，多形成铁铝质黄壤和黄泥土，或铁铝质山地黄棕壤；不纯石灰岩，在溶蚀和侵蚀作用下形成母质多是残积和坡积物，发育的土壤主要有铁铝质黄棕壤，黄壤和黄泥土，石沙土和石灰土。白云岩在风化作用中，碳酸盐反应弱，母质中石灰含量较高，质地疏松，透水性好，主要发育铁铝质黄壤和黄泥土，铁铝质山地黄棕壤和灰泡土等[13]。

2 研究方法

2.1 植物篱类型

在示范区根据当地气候土壤条件，结合当地农户种植习惯，选择生长习性适宜的常用外来品种和当地品种。外来品种主要有紫羊茅、高羊茅、黑麦草、早熟禾、扁穗雀麦、紫穗槐、红三叶等；当地品种主要有刺梨、白三叶、火棘等。每小区设置1～2带植物篱，每带设置1～3行，每带的宽度限制在 20～50 cm。带间距的确定采用常见的简化设计理论公式[14-15]：

2.2 指标选取

指标测定中，主要选取与研究密切相关的降水量、产流量、泥沙量3个指标，与反映土壤渗透性的渗透率指标。降水量、产流量、泥沙量的测定，降雨量通过小型气象站记录，产流量通过小区面积、集流池水量和时间计算得出，泥沙量通过取样、烘干、称重结合产流量计算得出。在每次取样之前记录集流池内的水量深度，用搅拌法进行泥沙样采集。

2.3 样点选择及数据分析方法

2.3.1 样点的选择 在示范区根据喀斯特地形、土壤条件、坡度、坡向、土地利用类型等因素选择了8个点，建立了15个径流小区，分别代表了洼地、谷地、坡地、黄壤、黄棕壤、石灰土、阴坡、阳坡、耕地、草地、林地等内容。

2.3.2 土壤渗透率的测定 采用野外渗透筒测定法与土壤渗透率环刀法[17]相结合的测定方式。渗透筒测定土壤渗透率，需要经过2步，第1步是渗透速度的计算，第2步是计算测定时使用水温度的渗透系数，并转换为水温10 ℃时的渗透系数[18]。渗透速度（V）的计算公式：

3 结果与分析

3.1 植物篱模式下土壤渗透率差异性及相关性分析

根据渗透速度公式计算每个小区每次重复的渗透速度（Vi）（图1），其中BJ径2（2）的第1重复及BJ径7（1）的第2重复偏高，其他各重复平均值为40.79 mm/min，最低值为 043 mm/min，单次测定之间差异较大。根据平均渗透速度公式计算每个小区的平均渗透速度（V）（表2），15个小区的渗透速度在0.08～3.74 mm/min之间，较高的是林地，为2.92 mm/min，最高的是黄泥土耕地，为 3.74 mm/min。其次是BJ径2（1） 和BJ径2（2）2个小区，分别是1.67、1.33 mm/min。除数值变小外与单次重复中出现高值的结果一致，其他数值单次重复与平均结果也呈正相关。

在野外测定渗透系数时水温在20～22 ℃，为计算方便，取平均值21 ℃作为测定时水的温度。根据渗透系数KT公式计算水温21 ℃时的K21值（图2），依据K21的值使用渗透系数K10公式，把K21的值转换成K10的值（图3），结果发现不同小区的K21值与K10存在明显的正相关性，高值与低值的出现成一一对应关系（图4）。此结果与胡顺军等测定结果[20]范围相吻合。根据研究渗透速度或者渗透系数高的地方土壤下渗效果较好，对于降水时产流作用和产沙作用具有抑制作用。

3.2 植物篱模式下减流效果分析

通过2013年9月至2014年8月监测的产流数据分析不同小区的产流量见图5。选取BJ径5（2）为主对照小区，BJ径3（1）为次对照小区，BJ径6（1）为BJ径6（2）的对照小区，BJ径8（1）为目标最优对照小区。当以BJ径5（2）为对照小区时，根据减流公式计算各小区的减流（fr）见图6，最高减流率达到了64.78%，与同地点、同坡度、同坡向相邻的2个小区BJ径5（1）、BJ径5（3）相比分别减少45.48%、 32.29%。当以BJ径3（1）为对照小区时，根据减流公式计算各小区的减流率fr见图7，最大减流率63.52%，但出现了负值，原因是此对照小区虽然为未种植植物篱的石漠化小区，但没有位于迎风坡，分布其中的土壤斑块土壤较厚、植被较好，致使BJ径3（1）小区自身的产流相对较少。当以BJ径6（1）为BJ径6（2）的对照小区计算减流率时，发现其负值很大，分析其原因是BJ径6（1）虽然为荒地，但是其正处于当地植被分布良好的地段，BJ径6（2）虽然有植物篱种植，但是植物篱以外区域遭到耕作破坏，再加上坡度和地形更易于降水的收集，致使BJ径6（2）小区的产流相对较多。当以BJ径8（1）为对照小区时，根据减流公式计算各小区的减流率fr见图8，大部分小区产流远远大于BJ径8（1），只有BJ径1（2）、BJ径7（1）、BJ径7（2）3个小区的产流比之略少，原因主要是因为BJ径8（1）为保持完整的林地，林地极大地增加了降水的截留，其次是BJ径8（1）小区的土壤渗透速度和速率较大，降水在土壤中的入渗作用因为林地截留的作用和高渗透率得到增强，而其他小区则缺少了林木覆盖，只是草地或者有少量植物篱覆盖，致使BJ径8（1）小区的产流较少。

3.3 植物篱模式下减沙效果分析

通过径流小区的监测数据分析（图9），对照小区BJ径5（2）年产沙136.53 t/km2，高于其他所有小区的年产沙量，最少的是林地的BJ径8（1）小区，年产沙19.24 t/km2。其他植物篱种植小区与未种植小区介于二者之间，受到土壤类型、坡度、坡向、土地利用类型等因素的影响存在差异。以BJ径5（2）小区为对照，根据减沙公式对其他小区进行计算，其结果如图10所示，减沙率最高达到 85.91%，最低减沙率3956%。分析减沙率高低差异的原因，（1）BJ径5（2）小区缺少植被覆盖并且经常耕作，致使泥沙流失量与其他小区相比远远偏高；（2）部分小区有林地覆盖[BJ径8（1）]；（3）多数小区有植物篱种植[BJ径5（1）、BJ径2（2）、BJ径2（1）、BJ径6（2）等]；（4）渗透率的影响；（5）部分小区具有草地或是因荒地植被的恢复。

4 结论与讨论

在喀斯特山地种植的植物篱，土壤的渗透性与植物篱的减流、减沙作用存在极强的联系。首先是渗透性高的土壤，植物篱的减流减沙作用得到增强，渗透性较差的土壤，植物篱减流减沙的作用相对较低；其次是因喀斯特山地环境的特殊性，土壤渗透性与植物篱减流减沙之间的关系不完全呈正相关，在一些特殊喀斯特区域土壤的高渗透性没有得到发挥，出现高土壤渗透性，高产流产沙的情况。原因是在喀斯特出现石漠化或者是岩石分布较多的区域，残留的少量土壤往往渗透性极高，但是这样有限的土壤不能截留大量水分，土壤容易达到水分饱和，对于大量降雨和长时间降雨不能实现减流的作用，相反径流会因时间长而剧增，有限的土壤更加容易流失。

对于喀斯特山地不同的植物篱类型，植物篱减流的作用普遍较好，减流率基本集中在30%～60%，产流量分布于 12 216.90～34 182.05 m3/km2范围内，最大相差能达3，与2001年黄欠如等研究的香根草篱使地表流量减少 60.1% 相似[21-22]。同时发现喀斯特山地区域的成熟林地的减流效果也相对较好，与减流效果最为显著的植物篱类型相比，其减流率能高出10%。植物篱的减流效果没有林地减流效果好，原因主要是植物篱种植的区域植被覆盖面积不如林地区域大；植物篱种植区域人为耕作活动较频繁，环境条件不够稳定，植被等因子容易受到破坏；林地区域环境条件相对稳定，植被、土壤等因子不容易受到破坏。喀斯特山地区域林地的减流效果是在当地种植植物篱需要达到的目标，未来进一步研究需要考虑调整植物篱的设计，尽可能达到林地减流的效果。

不同类型植物篱，在喀斯特山地条件下的减沙效果表现都很好，基本减沙率集中在70%左右，与字淑慧等在云南贵州等地研究的结果[23-25]相似。林地的减沙率高达90%，植物篱类型的减少率相对林地较低，其他荒地等类型土地减流效果更次。减沙的作用与减流的作用存在很高的相关性，高减流的植物篱类型往往减沙效果也较好，林地无论是在减流还是减沙方面表现效果都最好。上述现象一方面体现植物篱在喀斯特山区用于治理水土流失的效果良好；另一方面证明一个稳定的环境条件更加利于水土流失的治理，植物篱的效果还可以进一步提高。

在今后研究中，需要考虑2个主要的问题：（1）喀斯特环境下出现的高产流低产沙的问题，也是通常出现在理论上高水土流失的区域，实际水土流失量不足的现象，如何平衡植物篱的作用与实际水土流失量不足的问题需要更加深入的研究；（2）在植物篱种植中如何创建或者巩固像林地一样稳定的环境条件，使植物篱的效果在喀斯特山地区域发挥更大的作用。

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