高动能降雨条件下植被对土壤侵蚀速率的影响

［关键词］ 土壤侵蚀速率；根系密度；高动能降雨；石门小流域

［摘要］ 利用降雨模拟器，通过对比试验分析高动能降雨条件下石门小流域植物对土壤侵蚀速率的影响，为科学治理水土流失问题提供依据。结果显示，土壤孔隙度与根系密度呈正相关关系（p＜0.05），土壤容重与根系密度呈负相关关系（p＜0.001），植被地上部分对土壤侵蚀速率有较大影响，而植物根系对土壤侵蚀速率影响较小。

［中图分类号］ S157.1［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）06－0064－03

具有高动能的雨滴促使土壤飞溅剥离，破坏土体结构，并在土壤表面形成了一个相对封闭的土层，导致坡面径流增强，引起坡面水土流失。许多研究表明，植被地上部分的水土保持功能主要包括冠层的截留和枯枝落叶层的涵水作用，而植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗蚀性、防治土壤侵蚀方面具有重要作用，土壤侵蚀速率与根系密度之间存在一定联系，但具体的关系尚未有明确定论［1-4］。本研究利用降雨模拟器，分析高动能降雨条件下，石门小流域不同植被条件下的土壤物理性质、径流比、土壤侵蚀速率及沉积物浓度等，探讨植物根系对土壤物理性质和土壤侵蚀速率的影响，旨在指导流域水土流失防治工作，促进区域水土保持高质量发展。

1试验方案

1.1研究区概况

石门小流域位于山东省临沂市沂水县院东头镇境内，属北方土石山区水力侵蚀区，土壤侵蚀严重，侵蚀形式以面蚀为主［5-6］，流域面积32.02 km2，2021年水土流失面积1 269.46 hm2。流域内水利设施不健全，多数梯田年久失修、生产力低下，农业用水困难，生产道路受暴雨径流冲刷，损毁严重。

1.2试验装置

1.2.1土壤箱植物培育

2019年7月于石门小流域某斜坡采集土壤样品，土壤样品由13%的黏土、70%的淤泥和17%的沙子组成。试验所用的土壤箱长37 cm×宽25 cm×高13 cm，放入土壤并压实，土壤堆高7 cm。在箱底钻孔110个、箱前部钻孔9个（每个直径1 cm），排出径流（图1）。在土壤箱内种植草本植物（三叶草和燕麦草），在先前压实的土壤上添加混合了种子的土壤，使总高度达到9 cm，然后再次压实土壤。土壤箱放置于实验室坡度为30°的坡面上，用喷雾器每天浇水，持续20～30 d。试验共设置30个土壤箱，分为3种类型进行对比分析：①植被AB，植物生长后不经过任何处理，具有地上部分和地下部分，土壤箱数量为10个；②植被地下部分A，去除植物地上部分只保留植物地下部分，土壤箱数量为16个；③裸土NO，去除所有植被只保留裸土，土壤箱数量为4个。

1.2.2高动能模拟降雨器

本研究使用的降雨模拟器见图2。储存在水箱中的水被泵送至喷嘴处释放，喷嘴设置在土壤箱上方4 m处，土壤箱放置在坡度为30°的斜坡上。水斜向上喷射，从大约5 m的高度落入土壤箱中。连续向水箱供应自来水，以保持恒定的水位。在阀门和喷嘴中间设置速度测量器用以监测和调整水量。每次模拟降雨时间为连续的1 h，每次试验时在土壤箱的4个角分别放置1个带有漏斗（直径为11.5 cm）的储水瓶，根据储水瓶的平均水量测定模拟降雨量，降雨量范围在125～180 mm。同时测定各土壤箱根系密度、土壤孔隙度、土壤容重等数据。

2结果与分析

2.1土壤孔隙度和土壤容重

土壤孔隙度、土壤容重与植物根系密度的关系分别见图3、图4。所有土壤箱的土壤孔隙度范围在42%～53%，土壤孔隙度与根系密度呈显著的正相关关系（p＜0.05）。所有土壤箱的土壤容重范围在1.09～1.32 g/cm3，土壤容重与根系密度呈显著的负相关关系（p＜0.001）。 苗德志：高动能降雨条件下植被对土壤侵蚀速率的影响植物根系的存在会引起土壤孔隙度的增加和土壤容重的减少。

2.2土壤侵蚀速率

土壤侵蚀是雨滴下落形成径流，径流输送泥沙的过程，土壤侵蚀速率的确定分为分离和输送两个过程。分别统计各类型土壤箱的土壤侵蚀速率（图5）和沉积物浓度（图6），可以更好地分析植物根系对土壤侵蚀的影响。结果显示：①3种类型土壤箱的土壤侵蚀速率从高到低表现为NO＞A＞AB，沉积物浓度从高到低表现为NO＞A＞AB。②NO中各土壤箱的土壤侵蚀速率和沉积物浓度变化差异较大，明显高于其他类型。③AB的土壤侵蚀速率和沉积物浓度明显小于NO，植被地上部分对土壤侵蚀速率的影响较为明显，植物根系对土壤侵蚀速率的影响较小。

3结论

利用降雨模拟器模拟高动能降雨条件，在石门小流域开展植物对土壤侵蚀速率影响的对比试验，通过设置3种类型（植被AB、植被地下部分A、裸土NO）共30个土壤箱，测定土壤箱的根系密度、土壤孔隙度、土壤容重、土壤侵蚀速率和沉积物浓度，进行植物根系密度与土壤孔隙度、土壤容重的相关性分析，对比3种类型土壤箱的土壤侵蚀速率和沉积物浓度，结论如下：①植物根系对土壤物理性质有较大影响，土壤孔隙度与根系密度呈显著的正相关关系（p＜0.05），土壤容重与根系密度呈显著的负相关关系（p＜0.001）；②土壤侵蚀速率从高到低表现为NO＞A＞AB；④AB的土壤侵蚀速率和沉积物浓度明显小于NO，植物根系对土壤侵蚀速率的影响不明显，这可能与模拟情形是高动能降雨条件有关。

［参考文献］

［1］ 李灿，曾和平.不同空间尺度下植被覆盖对土壤有机碳流失的影响研究进展［J］.云南大学学报（自然科学版），2019，41（1）：194-204.

［2］ 肖洋，欧阳志云，徐卫华，等.基于GIS重庆土壤侵蚀及土壤保持分析［J］.生态学报，2015，35（21）：7130-7138.

［3］ 熊燕梅，夏汉平，李志安，等.植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展［J］.应用生态学报，2007，18（4）：895-904.

［4］ 刘定辉，李勇.植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究［J］.水土保持学报，2003，17（3）：34-37，117.

［5］ 樊彦国，韩志聪，李倩倩，等.基于GIS和CSLE的土壤侵蚀定量评价：以山东省临沂地区为例［J］.江苏农业科学，2016，44（11）：439-442.

［6］ 王鴻成，陈磊.临沂市土壤侵蚀的经济损失分析［J］.资源开发与市场，2013，29（6）：633-636，673.

［作者简介］ 苗德志（1977—），男，山东沂水人，高级工程师，硕士，主要从事水土保持监督管理工作。

［收稿日期］ 2021-04-29

（责任编辑李佳星）