土壤侵蚀与植被系统相互作用规律研究

李 杰，卞 威

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001）

0 概述

因地形、气候以及自然因素的影响，在我国出现了不同程度的水土流失问题[1]。植被作为生态系统中最重要的元素之一，与自然环境的循环再生能力、生态系统的抗灾韧性能力息息相关。通过对植被系统的研究，充分地集合利用区域中的自然资源，从植被的角度出发控制水土流失问题，可以改善区域周边的生态环境达到恢复生态系统稳定性的目的，进而构建一个与自然和谐相处的关系[2]。

目前国内外一些学者研究了植被对水土保持的效果进行了分析。余双武等[3]采用荟萃分析方法，研究了典型草原植被和荒漠草原的植被地上生物量和植被盖度，对该区域的水土保持生态效益进行综合分析，为该区做好水土保持工作提供技术支撑；王利成等[4]基于土地利用分类成果和水文连通指数空间分布,探讨了延河流域植被景观和水文连通性的格局特征,并借助Geoda 软件平台基于空间自相关理论探究了植被格局与水土在空间上的相关性；廖凯涛等[5]依托GIS 和Fragstats 平台与长时间系列水沙数据,运用植被覆盖指数分析和统计学方法,分析流域植被系统和水沙变化特征及其相关性；王亚军[6]基于遥感数据,使用增强型植被指数、归一化植被指数等覆盖度指标以及单一因素方差分析法对一个年度不同季节的植被动态变化进行研究；何苗苗等[7]选用双环入渗法探究土壤入渗特性。以滇池流域典型植被覆盖类型为研究对象，揭示土壤入渗特性及影响入渗的特征因子。

本文采用香根草种植作为防止土壤流失的措施，种植区被分成两个相似的实验区域。香根草的种植在其中一个区域进行，而另一个区域未种植，用作对照试验。当试验进行90 d 后，在两个试验区域取出代表性土壤，进行了物理化学成分分析、氮吸附-脱附织构分析、土壤塑性指数分析以及土壤渗透性分析，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本次研究项目河道堤顶高程均为4.20 m。现有岸顶高程高于4.20 m 处则进行整平,让地表雨水顺利汇入河道,发挥河道的汇水功能,既经济合理又安全可靠;低于高程4.20 m 处进行加高。工程范围内村宅级河道无蓝线,按照现场情况及河道断面设计需求来进行平面布置,在支河口位置,采用圆弧段与支河顺接。工程等级为Ⅲ等,永久性护岸为3级水工建筑物,围堰等临时建筑物为5 级水工建筑物。现状村级河道之间沟通主要是靠管涵沟通,受涵管管径的影响,村级河道之间水系沟通不畅,暴雨期间雨水排出不畅。为充分体现河道水生态系统的特点，使河道满足生态系统的多样性要求。因此考虑河道的下级边坡不做硬质护砌，而常水位至河堤顶部的结构，在满足岸坡稳定的前提下尽量采用有利于生物生存的生态护坡型式，为水生植物的生长、水生动物的繁育和栖息创造条件。

2 材料与研究方法

本次实验从种植香根草开始，种植区为紧邻河流域的一个边坡，被分成两个相似的实验区域。香根草的种植在其中一个区域进行，而另一个区域未种植，用作对照试验。试验一共有75 株植物，分别以3 行25 株的排列方式种植，植物之间的间距为0.5 m。两个边坡的坡角约为40°，土壤为砂质黏土，砾石含量较低，表1 为土壤参数。当试验进行90 d后，在两个试验区域取出代表性土壤样本进行了更详细的研究。

表1 土壤参数

3 试验结果分析

3.1 物理化学成分分析

表2 给出了有香根草和无香根草土壤样品的物理化学成分。由表可知，两种土壤的pH 值在5～6范围内，土壤表现出酸性，但种植香根草会导致土壤pH 值发生微小变化，其值较低，为5.89，产生原因可能与降雨有关。这种变化可能会影响一些元素的溶解度，有利于有机质的高度矿化。土壤略微酸化对土壤特性来说影响不大，因为香根草的生长在3～10.5 的pH 范围内。两种土壤可溶性盐和石膏的含量均较低，但在种植香根草后，可以观察到硫酸盐含量高于裸土边坡。同样，香根草土壤的电导率比普通土壤的电导率高2 dS/m，表明香根草对保持土壤盐度的作用不大。此外，试验还分析出在植物播种的作用下，土壤的阳离子交换容量值从高值（152～192）变为低值（11～16），因此香根草是土壤产生非常好的肥料。

表2 土壤样品的物理化学成分分析

3.2 氮吸附-脱附织构分析

表3 给出了由固氮吸附和平均孔径得出的比表面积值。由表可知，未种植香根草的土壤比表面积（单位：m2/g）为15.50（BET 方程）和21.25（Langmuir方程），而香根草样本的值稍低，分别为11.68（BET）和16.04（Langmuir）。在这些样本中，使用Langmuil模型通过氮吸附确定的比表面积值高于使用BET模型确定的比表面值。此外，使用Dolinar 的简化方法确定非膨胀细粒土的外比表面积值没有变化。

表3 土壤比表面积值（m2/g）

3.3 土壤塑性指数

通过测定塑性和颗粒尺寸进行织构分析。试验结果得出在种植香根草后，土壤的塑性降低，塑性指数为7.9，土壤分类为砂石灰的砂石灰混合物，或具有中等塑性的砂石灰砾石，可使用BET 和Langmuir比表面积估计塑性指数。

3.4 土壤渗透性分析

为了比较植物对土壤水分入渗的影响，在裸土地块和覆盖植物的地块上进行了两次入渗试验。使用双环入渗仪进行试验，以准确测量垂直入渗。测量时将两个圆柱体垂直插入土壤中5 cm，然后用水膜填充。渗透深度在内圆柱体中测量，而外环限制渗透后的水横向扩散。时间用测速仪记录，土壤上方的水深度用测量杆测量。测量开始时，记录时间以及内环中的水位（参考水位）。

当渗透水位达到特定深度时，水被注入内环，以将水重新填充至初始水位，因此在渗透试验期间，水头几乎保持不变。试验结果通过经典的Kostiakov-lewis 经验模型进行分析，该模型被广泛用于表征农业土壤中的渗透。该模型取决于经验参数K（cm.min-n），n 值低于1。经验参数f（cm.min-n）为固有渗透率。Kostiakov-Lewis 方程如下所示：

在该方程中，Ia是渗透水位，cm；t是渗透时间时间，min；通过使用最小二乘法进行非线性回归，来对等式（1）中的三个经验参数（K、n和f）进行拟合。

表4 给出了裸露土壤和香根草覆盖的土壤的KostiakovLewis 方程拟合系数，由表可知，最优拟合系数接近1，表明实验数据与该模型非常吻合。未种植和种植香根草土壤的渗透测量结果如图1 所示。由图可知，由于研究区域为砂质黏土结构，研究区域透率较高，种植香根草土壤的渗透率明显低于无植被边坡的渗透率，这一结果可能与土壤结构的改善和植物根系造成的压实有关，同时植物冠层吸收水分也可导致的渗透速率的降低，对保护边坡和减少土壤侵蚀具有较好的效果。

表4 土壤的KostiakovLewis 方程拟合系数

图1 土壤入渗速率（Ir）和累积入渗（Ic）曲线

4 土壤侵蚀防止措施

以下是有效控制侵蚀的一些常见策略，其中许多是再生农业理念的一部分。值得注意的是，合适的侵蚀控制处理方法应当是基于具体的侵蚀过程提出的。

（1）构建土壤有机质：土壤有机质由植物和动物物质分解组成，是帮助土壤粘合在一起并保持土壤固定的粘合剂。研究表明，将有机质从1%增加到3%可以减少20%～33%的侵蚀，可以提高土壤的持水能力。

（2）使用侵蚀控制垫：侵蚀控制垫这种地面覆盖物通常由可生物降解的材料制成，用于保护土壤，并为裸露在地面上的植被生长提供支撑。这种侵蚀控制方法通常对太阳能发电场和建筑工地非常有效，因为这些地方大片土地荒芜，容易受到风和水的侵蚀。

（3）实行免耕/少耕：这两种方法能够减少土壤侵蚀和径流，有利于提高作物生产力和水质。免耕还可以帮助减少氮和其他重要土壤养分的损失。

5 结论

本文采用香根草种植作为防止土壤流失的措施，种植区被分成两个相似的实验区域。香根草的种植在其中一个区域进行而另一个区域未种植，两区域用作对照试验。当试验进行90 d 后，在两个试验区域取出代表性土壤，进行了物理化学成分分析、氮吸附-脱附织构分析、土壤塑性指数分析以及土壤渗透性分析。研究结果表明：

（1）种植香根草后，土壤硫酸盐含量高于裸土边坡。同样，香根草土壤的电导率比普通土壤的电导率高2 dS/m，表明香根草对保持土壤盐度的作用不大。

（2）种植香根草土壤的渗透率明显低于无植被边坡的渗透率，这一结果可能与土壤结构的改善和植物根系造成的压实有关，同时植物冠层吸收水分也可导致的渗透速率的降低，对保护边坡和减少土壤侵蚀具有较好的效果。