張曉艷,周正朝
(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院,陜西 西安 710062)
黃土高原地區(qū)草地植被調控土壤水蝕機理的研究進展
張曉艷,周正朝
(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院,陜西 西安 710062)
作為我國水土流失最為嚴重的地區(qū)之一,黃土高原地區(qū)獨特的地理環(huán)境條件和有限的水資源要求該區(qū)的林草植被建設以草地植被為主,草地植被在控制土壤水蝕方面已取得了重大進展。本研究根據草地植被地上和地下部分與土壤侵蝕的關系,分析得出,草地植被地上部分能夠削弱雨滴擊濺動力,減小坡面徑流沖刷能力;根系可改善土壤結構,提高土壤入滲能力,增強土壤抗侵蝕性能。從草地植被地上部分對土壤水蝕動力的影響,以及根系增強土壤抗侵蝕性能兩個主要方面歸納總結了當前的研究進展,并針對研究中存在的一些亟待解決的問題進行了探討,以期為更好地利用植被防治土壤侵蝕提供參考。
土壤水蝕;黃土高原;土壤水蝕動力;土壤抗侵蝕能力;草地植被
黃土高原地區(qū)是我國乃至世界上水土流失最為嚴重的地區(qū)之一。嚴重的水土流失與該區(qū)不合理的土地利用和植被破壞密切相關[1]。植被在土壤侵蝕防治中具有極為重要的作用,已被大量研究和實踐所證實,并得到廣泛應用[2-8]。20世紀90 年代末國家實施的退耕還林還草工程,是充分利用植被治理水土流失的重大舉措。
但對黃土高原而言,其水資源極其匱乏,有限的水資源并不能承載大量的林木,根據氣候、地形、地貌與土壤條件,草地植被的恢復和重建應成為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的主要部分[2,9]。因此,在水土流失極為嚴重的黃土高原地區(qū),更應關注草地植被的水土保持效應,這對發(fā)展可持續(xù)的水土保持植被具有極為重要的意義[10-11]。
土壤水蝕是降雨徑流營力與土壤抗侵蝕力之間相互作用的過程。Ghidey和Alberts[12]認為土壤濺蝕量與降雨動能呈正相關關系,但是截至目前,關于草地植被冠層與枯落物削弱降雨擊濺動力以及影響侵蝕的機制尚不明晰。坡面流為土壤水蝕的另一主要動力,其水動力參數,如流速、徑流能量、剪切力與侵蝕關系一直是研究的熱點[13],但從流量、雷諾數、弗氏數水力學參數出發(fā),系統(tǒng)分析草地植被通過莖稈和枯落物引起坡面流分離和能量損失而導致坡面流阻力增大的研究較少。此外,草地植物根系與土壤侵蝕的關系得到了人們的廣泛關注[14],但是由于不同類型草被根系構成、分布特征及力學特征等存在差異,目前已建立的根系參數與土壤抗蝕性、抗沖性之間的關系尚難以統(tǒng)一[4,15-16],迫切需要揭示根系對土壤抗侵蝕能力的作用機制?;诖?,本文總結當前黃土高原地區(qū)草地植被調控土壤水蝕機理的研究進展,分析草地植被在調控土壤水蝕機理方面存在的問題,提出草地植被調控土壤水蝕機理的研究展望,以期在理論上為全面理解和研究草地植被與土壤水蝕的關系提供參考,同時在實踐中為黃土高原地區(qū)草地植被的恢復和建設提供科學依據。
雨滴擊濺和坡面流沖刷是土壤水蝕的原動力,草地地上部分控制土壤侵蝕主要體現(xiàn)于莖葉、枯落物對降雨動能以及莖稈、枯落物對坡面流沖刷的影響兩個方面。
1.1 草被地上部分削弱降雨擊濺作用的研究
雨滴對地表的打擊力是土壤濺蝕的直接作用力[17]。當雨滴降落到地表時,其動能直接傳遞給表土,使土壤顆粒發(fā)生飛濺,與喬灌類植物相比,草被高度相對較低,緊附地表,可以更有效地減小雨滴動能、減少雨滴濺蝕量和土壤濺蝕程度。研究發(fā)現(xiàn),土壤濺蝕量是降雨動能與土壤可蝕性的函數,且與雨滴動能呈正相關關系[12];作用于土壤表面的降雨動能隨冠層蓋度的增大而減小[18];草被的冠層能減小降雨動能,莖葉和枯落物層能夠削弱雨滴濺蝕,具有良好的消能以及促進落淤的作用[19-21],從而防止和減少擊濺侵蝕的發(fā)生與發(fā)展。
草被地上部分對降雨擊濺作用的影響主要通過冠層和莖葉攔蓄降雨、改變雨滴分布,以及減緩雨滴速度來實現(xiàn)。但是,由于草被莖稈較低,用濾紙法、色斑法和面粉球法等常規(guī)方法直接測定冠層以下部分的雨滴相對困難,大多通過測定雨滴大小分布及其速度來計算,或利用動能與雨強的經驗關系獲得[22]。所以,有關草被地上部分與降雨動能關系的研究相對較少。此外,關于草地植被枯落物與土壤侵蝕關系的研究也不多,但秸稈以及林地枯落物減少侵蝕已被研究所證實[2,23]。Pan等[24]研究認為草地枯落物對坡面泥沙輸移的影響并不顯著,這可能說明草地植被枯落物的作用更多的在于防止侵蝕,而不是攔蓄泥沙。因此,目前關于草被冠層、枯落物削減降雨擊濺動力以及影響侵蝕的機制有待進一步加強。
1.2 草被地上部分對徑流沖刷影響的研究
坡面徑流是造成坡面土壤被分散、剝蝕和沖刷的關鍵因素[25]。而草被地上部分具有攔蓄徑流和減少侵蝕的效益,研究發(fā)現(xiàn)(表1),草被的莖葉部分主要在于截留降雨,枯落物層主要在于減少徑流和侵蝕的發(fā)生[19,26-27]。一般認為,草被地上部分可以減小坡面流的動能和勢能,使坡面流的曼寧糙率和達西阻力系數變??;隨坡面水流量的增大,草被覆蓋坡面的流態(tài)由層流―緩流轉變?yōu)檫^渡流―緩流;在有草被覆蓋的斷面,坡面流的雷諾數、弗氏數變化很小[28-30]。徐震[31]研究得出,在小雨強下,草冠能平均減小徑流流速40.9%、弗氏數40.7%,增加坡面流水深1.46倍、糙率4.8倍、阻力34.1倍;在大雨強下,草冠能平均減小坡面流流速5.9%、弗氏數4.8%,增加徑流水深0.50倍、糙率2.1倍、阻力20.4倍。肖培青等[32]研究發(fā)現(xiàn),坡面流阻力系數f可表示為:
f=104.1P-1.12V-0.22H0.000 5R1.275C1.44,相關系數為0.92。
式中,P為降雨強度,V為水流速度,H為徑流水深,R為地表粗糙度,C為覆蓋度。這也說明,草被地上部分的覆蓋是阻延坡面流的主導因子和影響坡面流阻力的重要因素。
草地植被增大坡面流阻力已經成為共識,但目前的研究很少從流量、雷諾數和弗氏數等水力參數出發(fā),系統(tǒng)地分析植被通過莖葉和枯落物引起坡面流分離、能量損失,進而導致形態(tài)阻力增大,以及通過草地植被冠層削減降雨打擊作用而改變雨滴阻力的定量關系。也有研究表明,在坡度>8°的草被生長坡面,土壤水蝕超過裸露坡面,這可能是因為草被莖葉引發(fā)了向下坡的紊動渦流,增強了坡面徑流的侵蝕能力[33]。鑒于草地植被地上部分減蝕作用的復雜性和目前試驗量測條件的限制,今后還需要結合更多的試驗觀測,進一步從理論上揭示草地植被地上部分的阻流機制及坡面徑流侵蝕能力對草被地上部分的響應機理。
研究認為,植物根系強化土壤抗侵蝕性能的間接機理主要包括兩個方面:一是增加土壤中水穩(wěn)性團粒和有機質含量,改善土體構型,穩(wěn)定土壤結構,從而增強土壤顆??顾鞣稚⒌哪芰Γ欢歉档拇嬖诳商岣咄寥赖臐B透能力,增加土壤入滲速率,延長匯流時間,減少坡面徑流,減弱徑流沖刷力。而根系對土壤侵蝕的直接作用主要表現(xiàn)為增強土壤抗侵蝕能力。
2.1 草被根系穩(wěn)定土壤結構、增強土壤入滲能力的間接機理研究
草地植被的根系主要分布在0-30 cm深的土層內,其中直徑小于1 mm的側根(須根)多分布在0-20 cm土層內。草地植被根系淺而集中,并且須根量大、根系較細,對其周圍的土體能夠產生“包裹纏繞”作用,使土體處于三維受力狀態(tài),進而增強土體的抗剪強度,達到穩(wěn)定土壤結構的效果[34-36]。根系在生長直至死亡腐解的過程中,可以通過穿插作用把黃土的大小顆粒和雨土(細粒團)等串聯(lián)在一起,以維持、鞏固黃土的疏松和通透狀態(tài),提高土體的通滲性,把上下土層連成一體,從而能夠保持并鞏固黃土的“點棱接觸側斜支架式多孔結構”特征[37]。
草地植被根系在提高土壤入滲能力方面具有極其顯著的作用[38]?;罡退栏紩雇寥喇a生較多的空隙,一旦地表產流,徑流就可以順著這些空隙、通道和根土接觸面進入土壤。根系有助于持續(xù)保持土壤的這種孔隙系統(tǒng),加強土壤的透水性,增強土壤滲透能力[39]。而根系強化土壤滲透能力的剖面特征是(圖1):0-30 cm土層內的根系能夠顯著提高土壤的滲透性能[19,38]。坡面水流的入滲率是衡量土壤入滲能力的一個重要指標,不同類型的草被,其根系增強土壤入滲能力存在著很大差異性。甘卓亭等[40]研究得出,由于黑麥草(Loliumperenne)根系較紅豆草(Onobrychisviciaefolia)根系密集,能較好地強化土壤入滲的能力,所以其平均入滲率高于紅豆草根系徑流小區(qū)。但是,目前在草被根系穩(wěn)定土壤結構和增加入滲方面,研究的還不夠深入,重復性的研究較多,而對不同退耕年限及不同立地條件下草被根系的研究較少。
2.2 草被根系增強土壤抗侵蝕性能的直接作用研究
從侵蝕動力學機制來講,根系主要影響土壤抗侵蝕能力。國際上多采用可蝕性指標來表征土壤抵抗雨滴打擊和徑流沖刷等侵蝕作用的性能,所以,植物根系與土壤可蝕性的關系一直受到廣泛關注[14]。而在研究土壤抗侵蝕能力時,經常從土壤抗沖性和抗蝕性兩方面進行研究[41]。土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的性能[42]。土壤抗蝕性是指土壤對侵蝕營力分解和搬運作用的抵抗能力[43]。一般的研究方法是土壤理化參數分析以及徑流小區(qū)試驗法,通過分析植物根系對相關土壤理化和力學參數(如有機質、水穩(wěn)性團粒含量、滲透性和剪切力等)的影響,以及土壤流失量與土壤參數的關系,進而分析根系對土壤抗侵蝕性能的影響,建立土壤可蝕性與植被根系參數(長度、密度和生物量等)的定量關系[4,12,16,44]。
土壤抗沖性是影響土壤水蝕過程的最基本因素。所以,在侵蝕嚴重的黃土高原地區(qū),針對草地植物根系與土壤抗沖性關系已展開了較為廣泛的研究。不同學者通過原狀土沖刷試驗,測定根系和土壤的相關參數,提出了增強土壤抗沖性的敏感根系參數,如根系長度、≤1 mm徑級的須根密度、根系生物量和單位土體根系表面積等,并建立了二者的關系式[15,45-48]。而針對土壤抗蝕性方面,研究認為,草地植被根系可以顯著降低土壤分離速率,減小坡面流輸沙量,從而增強土壤抗蝕性,減少土壤侵蝕。植物死根能夠影響徑流含沙量和土壤流失量,隨著死根長度和生物量的增加,細溝間土壤可蝕性的參數降低,二者之間存在指數關系;死根與土壤團聚體、分散率和徑流剪切力等都有顯著關系[12,33,49]。
此外,劉國彬等[50]研究了黃土高原不同類型牧草根系生物力學特性與土壤侵蝕關系,結果表明,牧草毛根的抗拉能力表現(xiàn)為禾本科>豆科>菊科,并且不同類型草被根系增強土壤抗侵蝕性能存在差異。研究認為,植物根系主要通過直接固結纏繞土體,以及間接改善土壤構型兩方面來共同增強土壤抗侵蝕性能,而準確區(qū)分根系的直接和間接作用貢獻對于根系與土壤抗侵蝕性能關系模型研究具有重要意義[7,15,37]。
目前,眾多的研究分別揭示了草地植被地上部分影響侵蝕動力和地下根系增強土壤抗侵蝕能力的機理,為進一步深入研究草地植被調控土壤水蝕機理奠定了重要基礎。但是,由于草被莖葉和枯落物研究方法、手段的局限性以及草被生長微地形的復雜性,現(xiàn)有的研究成果涉及不同物種草被、不同結構草被和不同年齡草被及不同立地條件下草被的綜合性研究以及實施生態(tài)修復和封禁治理后的草地植被還極為少見,并且很多結果是通過室內模擬[51]試驗得到的,至于自然草被及其空間分布對坡面降雨侵蝕過程的影響是否與室內研究結論一致,還不得而知。同時,不同類型草被根系構成、分布特征和力學特征等存在差異,并且根系還受根際環(huán)境以及生長階段等綜合影響,目前已建立的根系參數與土壤抗沖性、可蝕性之間的關系尚難以統(tǒng)一,草地植被根系在時間及空間上的動態(tài)變化對土壤抗侵蝕性能的影響等亟待進一步認識。并且,目前的研究成果往往是相互割裂的,并未綜合分析草被地上、地下部分控制侵蝕的聯(lián)合作用及機制[8,17]。因此,要充分認識和揭示草地植被控制土壤水蝕的機理、更好地與當前黃土高原水土保持生態(tài)建設契合還需從以下幾個方面開展研究:1)在時間尺度上,需要對草地植被地上部分及根系進行長期系統(tǒng)的定位觀察和研究,將莖葉、根系的生長及枯落物累積、土壤種子庫等各部分的變化與土壤抗侵蝕能力動態(tài)進行耦合。2)在空間尺度上,大量研究主要針對單坡面,對黃土高原溝壑縱橫[52]及坡面-溝坡在土壤侵蝕過程中密不可分的實際考慮不足。因此,這方面還需要系統(tǒng)研究草被類型、空間配置及草被蓋度、根系控制坡溝系統(tǒng)土壤水蝕的機理及有效性。3)在研究內容上,①在草被地上部分抑制侵蝕動力方面,需要定量探討草被冠層蓋度、葉面積指數[53]以及枯落物覆蓋度與厚度等與降雨動能和雨滴打擊力之間的關系;并加強對草被冠層等地上部分削減降雨擊濺動力及影響侵蝕機制的研究,尤其需要對不同草被類型和不同空間配置進行比對研究。②在根系強化土壤抗侵蝕性能方面,需要綜合考慮草地植被的根系形態(tài)學參數并進行比較研究,對各形態(tài)學參數進行綜合分析,進而認識強化土壤抗侵蝕性能的關鍵根系形態(tài)學參數;同時,還需區(qū)分根系增強土壤抗侵蝕性能的直接作用(纏繞固結土體)和間接作用(改善土壤構型[54]和性能等)貢獻,從而較全面地理解草被根系增強土壤抗侵蝕性能的機制。③在草被地上和地下部分控制侵蝕的聯(lián)合作用及機制方面[55],需要分析草被冠層、莖稈分布、枯落物和根系等控制侵蝕的相對重要性,并分析雨強、坡度、坡長及草被生長階段和不同類型草被等因素對其的影響,綜合分析上述草地不同部分調控侵蝕的動力學機制,系統(tǒng)探討草地植被控制土壤水蝕的機理。
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(責任編輯 王芳)
2015年第1期《草業(yè)科學》審稿專家
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李彥忠 劉桂霞 劉 權 上官周平 孫 龍 王成章 王 朋 王赟文 王兆龍
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于應文 張吉宇 張曉波 趙寶玉 趙成章
承蒙以上專家對《草業(yè)科學》期刊稿件的審閱,特此表示衷心的感謝!
DOI:10.11829j.issn.1001-0629.2014-0034
陳天龍,王彥榮,王宇,張吉宇,劉志鵬.蒺藜苜蓿EMS誘變突變體庫的構建及突變體表型的分析[J].草業(yè)科學,2015,32(1):71-77.
CHEN Tian-long,WANG Yan-rong,WANG Yu,ZHANG Ji-yu,LIU Zhi-peng.Construction of mutant populations by EMS and phenotypic analysis ofMedicagotruncatula[J].Pratacultural Science,2015,32(1):71-77.
* 收稿日期:2014-01-20 接受日期:2014-05-20
基金項目:國家自然科學基金項目(31072072、31272492);蘭州大學中央高?;A研究基金項目(lzyjbky-2012-94)
第一作者:陳天龍(1988-),男,甘肅張掖人,在讀碩士生,研究方向為草類作物栽培學。E-mail:chentl11@lzu.edu.cn
通信作者:劉志鵬(1979-),男,陜西武功人,副教授,博士,研究方向為牧草育種與分子生物學。E-mail:lzp@lzu.edu.cn
Research progress on mechanism of grassland vegetation regulating soil erosion in Loess Plateau
ZHANG Xiao-yan, ZHOU Zheng-chao
(College of Tourism Environment Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)
As one of the most serious soil erosion areas in China, grassland vegetation is priority for vegetation construction in the Loess Plateau area by its unique geographical conditions and limited water. Grassland vegetation has already contributed a lot to control soil water erosion. Based on the relationships between different parts of grassland vegetation and soil erosion, the present paper drew a conclusion that grassland aboveground parts can weaken rainfall energy and runoff erosion power, and grass roots were able to enhance soil penetrability and soil anti-erodibility by improving soil properties and winding soil mass. In order to provide references for vegetation preventing and controlling soil erosion in Loess Plateau, two aspects of current research progress were summarized including the grassland aboveground part controlling soil erosion power and grass roots enhancing soil anti-erodibility and the exiting problem were discussed.
soil erosion; Loess Plateau; soil water erosion power; soil anti-erodibility; grassland vegetation
ZHOU Zheng-chao E-mail:zhouzhengchao@126.com
2014-06-13 接受日期:2014-09-29
陜西省青年科技新星項目——黃土高原草被控制坡溝系統(tǒng)徑流侵蝕動力機制及有效性研究(2014KJXX-52);霍英東教育基金會高等院校青年教師基金——黃土高原小流域土壤侵蝕動態(tài)對氣候變化的非線性響應(131025);陜西師范大學中央高校項目——植被坡面水流水力學特性及對侵蝕輸沙的影響(GK201103003)
張曉艷(1988-),女,安徽阜陽人,在讀碩士生,主要從事植被生態(tài)與土壤侵蝕關系研究。E-mail:zxy20121119@163.com
周正朝(1980-),男,四川瀘州人,副教授,博士,主要從事土壤侵蝕方面的研究。E-mail:zhouzhengchao@126.com
10.11829j.issn.1001-0629.2014-0285
S812.2
A
1001-0629(2015)01-0064-07
張曉艷,周正朝.黃土高原地區(qū)草地植被調控土壤水蝕機理的研究進展[J].草業(yè)科學,2015,32(1):64-70.
ZHANG Xiao-yan, ZHOU Zheng-chao.Research progress on mechanism of grassland vegetation regulating soil erosion in Loess Plateau[J].Pratacultural Science,2015,32(1):64-70.