锦州人才市场搬哪去了:浅谈植物措施在水土保持中的作用机理

摘　要:从防治风蚀、水蚀和重力侵蚀三个方面,简要介绍了植物措施在水土保持中的作用从地上部分和地下部分的作用机理加以说明,旨在总结现有的研究进展,促进水土保持工作持续发展。

关键词:水土流失　植物措施　风蚀　水蚀　重力侵蚀　植被覆盖度　根系　枯枝落叶层

中图分类号: S157. 1　文献标识码: A　文章编号: 1008-0120(2008)03-0006-03

水土流失已成为世界生态环境不断恶化的大问题。据统计,全世界现有2×109km2的退化土地,水土流失面积约2. 64×107km2,占世界耕地面积的28.3%。我国是世界上水土流失最严重的国家之一,土壤侵蚀遍布全国,而且强度高,成因复杂,危害严重,尤其以西北的黄土高原区、南方的红壤区和东北的黑土区水土流失最为强烈。全国现有水土流失面积3. 56×106km2,占国土面积的37. 42%,虽然治理取得了显著成就,但待治理面积仍有2×106km2,初步治理一遍需要近半个世纪的时间。

根据产生水土流失的动力,分布最广泛的水土流失可分为水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀三种类型。水力侵蚀分布最广泛,在山区、丘陵区和一切有坡度的地面,暴雨时都会产生水力侵蚀,其特点是以地面的水为动力冲走土壤。重力侵蚀主要分布在山区、丘陵区的沟壑和陡坡上,在陡坡和沟壑的两岸沟壁,其中一部分下部被水流淘空,由于土壤及其成土母质自身的重力作用,不能继续保留在原来的位置,分散地或成片地塌落。风力侵蚀主要分布在我国西北、华北和东北的沙漠、沙地和丘陵盖沙地区,它的特点是由于风力扬起沙粒,离开原来的位置,随风飘浮到另外的地方降落。

造成水土流失的原因,除与干旱、降雨、坡度等有关外,一个很重要的原因是与当地植被覆盖度密切相关。凡水土流失加剧,沙漠扩大,湖海湮废,水源减少,局部地区气候恶化以及物种分布变迁与灭绝等,都与植被有着直接或间接的关系。植被的变化,往往都是一系列环境因素变化的先导。因此,研究植物措施的水土保持机理,具有重大意义。下面从植物措施防治风蚀、水蚀和重力侵蚀中的作用方面,综述其研究现状。

1　植物措施在防治风蚀中的作用

植被在风蚀中的作用主要是由于改变了植被附近风速的分布,在植被带背面形成了一个明显的弱风区。但是,随着林带的远离,风速又会回到原来的状态。植被改变气流结构和降低风速主要是因为植被本身具有透风性,其稀疏、通风和紧密结构可有效降低风速及风的能量,减少风对土壤的侵蚀,具有明显的水土保持效益。Van deVen和Fryrear通过风洞实验表明,与裸地相比,即使低密度的植被也能明显减少土壤流失。因此,采取植物措施来治理风蚀是水保工作的重要方面。

董治宝等曾以植物模型与黄沙土为实验材料,以风洞模拟实验为手段,研究了土壤风蚀率与植被覆盖度之间的定量关系,并进一步分析得出了二者的相关关系:

F=830.14×(8.20×10-5)C　R=0.999 8　式中:F———风蚀率, g·min;　C———植被覆盖度或植物密度,%。风蚀的气候因子随季节的变化也有所不同。赵彩霞等研究表明,风蚀气候因子的动态变化、植被覆盖地面的时空变化及风蚀强弱程度三者之间具有良好的相关性:　E =E0∫2t1Cwet(8.2×10-5)Ctdt　式中:E———土壤风蚀量, 103kg·km-2;　E0———无覆盖单位Ct下的风蚀量,　103kg·km-2;　Cwet———风蚀气候侵蚀因子(无量纲),采用1979年联合国粮农组织(Food and agriculture organization,FAO)的修正公式计算;　T———时间(月), t1、t2为上下限(1～12);　Ct———植被覆盖度,以小数表示。在式中,对于某一特定的地区,是一个常数。可根据该地区Ct与Cwet的变化,计算出一年内任意一个月或几个月的土壤风蚀量。

上式对防治风蚀的植被恢复工程来说特别重要,它提示我们必须对植被覆盖地面的状况与风蚀发生在时间上的匹配给予特别关注,也就是说加强风蚀季节的植被建设与管理,提高风蚀季节植被覆盖度,才是防治风蚀危害的根本措施。同时,要注意不同植物防治风蚀的性能是不同的。研究表明,在干旱、半干旱地区灌木的防风蚀作用最大,其次分别是多年生牧草、林木、作物、一年生牧草。当前的退耕还林工程中存在着重林轻灌、草的行为,从生态学角度来说,这种做法是要不得的,尤其是干旱半干旱地区。除退耕还草灌林外,还可以通过作物留茬,以残茬覆盖地面的形式增加抗风蚀的效应。当植被覆盖度低于20%时,风蚀率会大幅度突然增加;当小于27. 15%时,风蚀开始变得很明显。所以,加强风蚀地区的植被修复是最有力的防治风蚀方式。

2　植物措施在防治水蚀中的作用

植被防治水蚀的机理,首先是植被冠层及枯枝落叶层能够减少雨滴溅蚀以及拦截部分降水量,减少地表径流量,防止地表土壤被侵蚀。其次,植被能使土壤具有良好的结构,提高土壤孔隙度和水分渗透性,以此减少地表径流量及其流速。第三,枯枝落叶层可起到过滤泥沙和类似海绵吸水的作用,通过对地表径流的滞缓、过滤和分散作用,防止地表径流冲刷与面蚀、沟蚀的进一步发展。第四,植物的根系,在土壤中像网状般交织,固结土壤,防止坡面侵蚀的形成,加固斜坡和固定陡坡,增强了土壤的抗蚀性能,减少滑坡、泥石流和山洪的发生。

2. 1　植被覆盖度的水土保持作用

植被对水土保持的作用随时间和地点的不同而不同,其决定于植被类型、年龄、形态、植冠高度、根系深度和根系形状。一般不可能对任一斜坡上植被的所有效应作全面总结,但是植被显然在许多斜坡上确实对地上和地下水流的速度和路径起到调节作用。该作用的侵蚀控制意义是减少到达地面的有效降雨量,削弱水滴势能。当下落的雨滴遇到植被时,　其中的一部分在到达地面之前就被截留,减弱了降雨的侵蚀能力,从而起到水土保持的作用。

植被的覆盖度决定了其下面土壤免受雨滴直接撞击的程度。一般认为,植被覆盖度达到70%或以上时,它就能以这种方式使土壤得到较大程度的保护。通过对观测资料的分析,从定量角度探讨了植被控制土壤侵蚀的规律,运用指数回归分析,建立了不同类型区的侵蚀模数与植被覆盖度的关系方程:

M =ae-bF　式中:M———侵蚀模数, t/km2·a;　e———自然对数的底;　a、b———回归系数;　F———植被覆盖度,%。通过对黄土高原有森林覆盖的10条流域的森林覆盖率与土壤侵蚀模数之间的关系研究,建立了土壤侵蚀模数与林率之间的线形关系,认为当森林覆盖率高于95%时,土壤侵蚀量接近于零。

2. 2　植物根系的水土保持作用

植被根系对土壤水分的渗透率有较大的影响。首先,根在生长过程中将会在土壤中挤出通道,使地表水有可能顺着根与周围的土壤之间的接触面渗入土壤。当根衰老或死亡后,它们会收缩,留出一些空隙,水也可以通过这些空隙渗入土壤。其次,因为树干、树枝和枯枝落叶增加了地表粗糙度,从而对水流产生了阻碍作用,降低地表径流的速度,延缓径流的出现和汇集。朱显谟认为,根系对土壤渗透力的作用主要是根系能将土壤单粒粘结起来的同时也能将板结密实的土体分散,并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质,使土壤有良好团聚结构和孔隙状况。同时植物须根系(d<1 mm)与土壤渗透性存在回归方程关系,显示了须根对土壤饱和渗透系数的影响是首要的。须根通过在土壤中的交错穿插作用和不断死亡分解所产生的有机质积累,促使土壤中大粒级水稳团粒的增加,明显地改善了土壤的渗透性能。研究表明,植物根系对土壤的抗冲性具有一定的强化作用。朱显谟指出:生物措施是水土保持中最有效和最根本的方法。他认为土壤抗冲性的增强,主要取决于根系的缠绕、固结和串连土体作用,这种作用使土体有较高的水稳结构和抗蚀强度,从而不易被径流带走。

2. 3　植被枯枝落叶层的水土保持作用

地表枯枝落叶层在涵养水源,减弱雨滴溅蚀,延缓地表径流形成等方面具有重要的作用。研究表明,地表枯落物的最大持水量是自身重量的1. 7～3. 5倍,同时还可以有效地消减能量,增加土壤入渗,增强土壤的抗蚀能力及土壤的抗冲性。对于油松林和山杨林而言,当地表存在大于1cm的枯落物时,就可以减少土壤冲蚀量的90%和83%。枯枝落叶层的水土保持作用表现在降雨过程中,除林冠的覆盖及树干截留与森林对水文过程的改善外,地表积累与处于不同转化阶段的枯枝落叶对地表状况直接起到作用。腐烂的枯枝落叶可以增加土体有机质含量,并促使土壤生物和微生物种类及数量的增加,活力增强,这些都有利于促进土壤团粒结构的形成,进而使土壤渗透性能增大,地表径流量减少。

3　植物措施在防治重力侵蚀中的作用

重力侵蚀是一种以重力作用为主引起的土壤侵蚀形式,主要发生在坡面上。重力侵蚀的发生,是与其他外营力,特别是在水力侵蚀及下渗水分的共同作用下,以重力为其直接原因所导致的地表物质移动。在陡坡,其稳定性是由土体内的内摩擦力和凝聚力以及其上生长的自然植被的固持作用来维持的,当其受到一定的外营力作用时,如植被破坏或雨水击溅、地下水的渗透等,使内摩擦力和凝聚力减小,从而在重力作用下使土壤及其母质发生移动。植被是地表的保护者,凡植被生长较好的坡面,一些重力侵蚀作用将会大大减弱,因此植物措施在防治重力侵蚀方面具有明显的积极作用。植被固坡的作用主要源于植物体与斜坡间的机械作用,周跃等详细地讨论过这些作用,主要包括植物根系的土壤加强作用、斜向支撑作用等。

植物根系对土壤的加强作用是防治重力侵蚀最有效的途径,它能加强土壤的聚合力,通过土壤中根系的束缚作用增强根际土层的强度,提高土层对滑移的抵抗力。同时,根据机械力学机制不同,植物根系的土壤加强作用可以进一步分为侧根的斜向土壤加强作用和垂直根的垂向土壤加强作用。斜向加强作用是加强根际土层在平面内的抗张强度,并通过侧根牵引阻力的形式抵制土层滑动的机械效应;而垂向加强作用主要是垂直根的机械锚固作用,并防止整个上层土壤因受重力而产生的滑动。斜向支撑作用在防治重力侵蚀中也具有重要作用,是指生长在斜坡上的乔木,通过树干和粗大树根支撑顺破下滑的浅层土壤的作用,它使树桩上侧的土层下滑受到阻力并堆积,从而制止土层的下滑。

4　结语

综上所述,植物措施在防治风蚀、水蚀和重力侵蚀带来的水土流失方面能起到积极的作用,其作用机理主要在于植被地上部分能削减风速、减弱雨滴能量、延迟径流形成等,地下部分能增强土壤渗透率、减缓地表径流形成、增强土壤稳定性等。基于这些作用机理,有植被存在的地表保土保水良好。但是,植物在水土保持方面也存在一定的局限性,而且这种影响不容小视。因此,在今后的研究工作中应全面分析植物措施的各种作用机理,以便于在水土保持工作中处理好各种相关问题。

参考文献略