蔣 榮，張興奇，張科利，楊 勇，楊光檄，顧再柯

（1．南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210093；2．北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875；3．貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州 貴陽(yáng)550002）

人類在認(rèn)識(shí)和研究水土流失的過程中，很早就發(fā)現(xiàn)了林草植被的減流減沙作用。早在19世紀(jì)末，德國(guó)土壤學(xué)家沃倫［1］就利用試驗(yàn)小區(qū)觀測(cè)到了植被和地面覆蓋物對(duì)防止降雨侵蝕和土壤結(jié)構(gòu)變差的影響。劉世榮等［2］研究表明，視林種類型及其郁閉度、降水量和降水強(qiáng)度不同，冠層可截降水總量的12%～35%。劉向東［3］，趙鴻雁［4］，汪有科［5］研究發(fā)現(xiàn)枯枝落葉層具有截留降水、減小地表徑流、減少地表蒸發(fā)、保護(hù)地表、改良土壤結(jié)構(gòu)等功能。李勇等［6］在黃土高原地區(qū)的研究表明，根系可以顯著提高土壤抗沖性，從而減少坡面侵蝕產(chǎn)沙。楊大三［7］在三峽地區(qū)對(duì)比分析了杉木和馬尾松成林的減流減沙效應(yīng)，侯喜祿［8］在黃土高原地區(qū)對(duì)刺槐林地、檸條成林地、沙打旺草地與荒山坡地進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明林草植被具有很強(qiáng)的保水固土作用。盡管目前關(guān)于不同林草植被減流減沙作用的研究很多，但在貴州喀斯特地區(qū)同類研究還比較少見。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于世界3大喀斯特集中分布區(qū)之一的東亞片區(qū)的核心，喀斯特面積占全省土地面積的73%，區(qū)內(nèi)溝谷深切、山高坡陡、地形破碎，坡耕地比重大，＜6°的耕地僅占全省耕地總面積的19．10%，坡度6°～25°的耕地占61．01%，＞25°的坡地占19．89%，長(zhǎng)期大規(guī)模的破壞性、掠奪性開墾，地表植被遭到嚴(yán)重破壞［9］。區(qū)內(nèi)降雨豐沛，且多暴雨，水土流失嚴(yán)重，大面積的陡坡耕地成了侵蝕泥沙的主要源地，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致了石漠化問題的出現(xiàn)。目前，全省石漠化面積已達(dá)6×104km2，約占全省國(guó)土面積1／3［10］，石漠化嚴(yán)重的地區(qū)，水土資源已經(jīng)到了難以維系人類生存的地步。雖然多年來(lái)該地區(qū)已經(jīng)采取了封山育林、退耕還林（草）、梯土、橫坡耕作等多種防治措施，但水土流失治理速度仍然緩慢，沒有達(dá)到預(yù)期的治理效果，水土流失嚴(yán)重、生態(tài)與環(huán)境惡化的趨勢(shì)尚未得到根本遏制［11］。而該地區(qū)水土流失及其防治研究起步相對(duì)較晚，多集中在水土流失特征、成因、侵蝕程度等方面的研究，且定性研究較多，對(duì)不同林草植被的減流減沙作用研究較少且結(jié)論不一。為此，本研究通過徑流小區(qū)觀測(cè)方法，分析不同林草類型及其不同配置方式下的減流減沙作用，為貴州喀斯特地區(qū)水土保持生物措施的合理配置提供技術(shù)支撐。

2 研究方法

目前，關(guān)于林草植被減流減沙作用研究的方法主要有徑流小區(qū)觀測(cè)法、人工模擬法、遙感GIS測(cè)量法、河流水沙監(jiān)測(cè)代用法等，它們各具優(yōu)越性。由于貴州喀斯特地區(qū)存在地表地下雙層空間結(jié)構(gòu)，因此不宜用河流水沙監(jiān)測(cè)代用法；遙感GIS測(cè)量法成本過高，不適宜連續(xù)監(jiān)測(cè)；人工模擬法雖省時(shí)、易于控制、便于記錄過程，但無(wú)法代替徑流小區(qū)真實(shí)反映、記錄自然條件下水土流失過程的優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究仍采用徑流小區(qū)觀測(cè)這一傳統(tǒng)方法。

2．1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)在黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域陽(yáng)坡中部，屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅?，流域面積11．89km2，水土流失面積7．41km2。氣候?qū)儆诒眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑。多年平均氣溫為14．8℃，降雨量859．3mm，其中4月中旬至10月上旬降雨量占全年降雨量的84%左右。共設(shè)18個(gè)徑流小區(qū)，均為黃壤，坡度在19．5°～25．1°，包括9種林草類型和2個(gè)對(duì)照小區(qū)，對(duì)照小區(qū)保持休閑裸露狀態(tài)，小區(qū)設(shè)置情況見表1。

表1 小區(qū)基本情況

2．2 野外觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

降雨過程由自記雨量計(jì)記錄。每次侵蝕性降雨結(jié)束后，根據(jù)各小區(qū)的分流池和集流池內(nèi)的刻度讀取產(chǎn)流量，用攪拌法進(jìn)行泥沙樣采集，用烘干法測(cè)定產(chǎn)沙量。選擇整理2008—2010年共54場(chǎng)侵蝕性降雨的實(shí)測(cè)產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，利用Excel2003和SPSS 17．0等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)處理分析。

減流作用是將其他林草措施小區(qū)產(chǎn)流量與對(duì)照小區(qū)進(jìn)行比較，計(jì)算公式［12］：

式中：fr——減流率（%）；Rb——某一種林草措施小區(qū)的產(chǎn)流量〔m3／（km2·a）〕；Ra——對(duì)照小區(qū)的產(chǎn)流量〔m3／（km2·a）〕。f為正值，表明該小區(qū)較對(duì)照產(chǎn)流量減少。fr為負(fù)值，則意味著該小區(qū)產(chǎn)流量比對(duì)照多。

與減流作用類似，減沙作用公式為：

式中：fs——減沙率（%）；Sb——某一種林草措施小區(qū)的產(chǎn)沙量〔t／（km2·a）〕；Sa——對(duì)照小區(qū)的產(chǎn)沙量〔t／（km2·a）〕。

3 結(jié)果與分析

3．1 不同林草植被的減流減沙作用

3．1．1 不同林草植被的減流作用 由于林草枝葉的蔓延、枯枝落葉的累積以及植物根系的固定等都要經(jīng)歷一定的生長(zhǎng)過程，植被的減流作用也是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程（圖1）。2008年，除梨樹具有13．1%的減流率外，其余各植被小區(qū)的產(chǎn)流量均高于對(duì)照小區(qū)，減流率介于－116．8%（墨西哥柏）～－2．73%（樹莓）；2009年，梨樹的減流率增長(zhǎng)為14．9%，楊梅、桃樹也逐漸發(fā)揮了減流作用，減流率分別為4．2%和16．0%，但楊樹的產(chǎn)流量卻較2008年增長(zhǎng)了31．7%，其余各植被的減流率在－74．4%（墨西哥柏）～－1．7%（樹莓）；2010年，除楊樹仍不具減流作用外，其減流率為－8．0%，其余各植被的減流率在7．0%（白三葉）～64．3%（楊梅），梨樹的減流率為62．2%。

圖1 不同林草植被的減流作用

貴州省喀斯特地區(qū)水熱條件較好，植被生長(zhǎng)迅速，僅3a時(shí)間研究區(qū)大部分林草植被類型均達(dá)到了一定的郁閉度，減流作用相對(duì)穩(wěn)定。2010年各林草植被中經(jīng)濟(jì)林的減流作用最明顯，4種經(jīng)濟(jì)林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的減流率介于52．5%～64．3%；其次分別為楊樹與墨西哥柏混交林（45．7%）、黑麥草（40．6%）和墨西哥柏（32．6%）；作用最差的是白三葉和楊樹，減流率分別為7．0%和－8．0%。經(jīng)濟(jì)林生長(zhǎng)速度快，樹冠冠幅較大，有利于對(duì)降雨截留。墨西哥柏葉呈鱗片狀，葉片上的雨滴不易形成滴流，且樹枝較粗糙利于截留雨水，楊樹葉面寬闊，樹干光滑，易于形成滴流，林冠截留能力差，而楊樹與墨西哥柏混交林屬于針闊混交林，針闊混交林自由透流系數(shù)?。?3］，林下枯枝落葉持水量大于針葉林和闊葉林［14］，因此3種水保林的減流作用表現(xiàn)為：楊樹與墨西哥柏混交林＞墨西哥柏＞楊樹。人工草地沒有林冠層，不存在樹冠截留降雨的作用，因此其減流作用相對(duì)較弱，但它們的地被層厚而密集，地表粗糙度大，可減緩徑流速度，增加滲透時(shí)間，從而減少產(chǎn)流量［15］。

3．1．2 不同林草植被的減沙作用 與減流作用類似，林草植被的減沙作用也經(jīng)歷了完全不具減沙作用—部分具有減沙作用—減沙作用明顯的變化過程（圖2）。與裸露對(duì)照相比，2008年各林草植被的減沙率在－6．1%（梨樹）～－570．8%（楊樹）；2009年，除楊樹和墨西哥柏仍不具減沙作用外，其余各植被的減沙率介于34．0%（白三葉）～62．7%（桃樹）；2010年，各林草植被都起到了顯著的減沙作用，減沙率介于64．9%（白三葉）～99．6%（楊梅）。一方面林草種植不久，植株還未充分生長(zhǎng)，上層枝葉覆蓋度低，下層根系稀少，達(dá)不到滯水固土的效果；另一方面種植破壞了小區(qū)土體本來(lái)的平衡狀態(tài)，水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞，土壤可蝕性增強(qiáng)。隨著植株的生長(zhǎng)，小區(qū)土體平衡狀態(tài)的恢復(fù)，再加上地表枯枝落葉的積累，因而各林草植被逐漸表現(xiàn)出了減沙作用。

圖2 不同林草植被的減沙作用

2010年各林草植被中減沙作用最明顯的同樣是經(jīng)濟(jì)林，4種經(jīng)濟(jì)林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的平均減沙率達(dá)99．3%；其次分別為黑麥草（99．1%）、楊樹與墨西哥柏混交林（99．0%）、墨西哥柏（98．8%）、楊樹（93．7%）；白三葉的減沙作用相對(duì)較弱，減沙率為64．9%。經(jīng)濟(jì)林樹冠冠幅大，不僅有利于降雨截留還可以緩沖雨滴動(dòng)能，減小降雨對(duì)地表的擊濺侵蝕［16］，再加上林隙間雜草和枯枝落葉對(duì)地表的保護(hù)，因此其產(chǎn)沙量極少。黑麥草須根發(fā)達(dá)，分蘗多，0—40cm土層的根重顯著大于白三葉［17］，根系對(duì)土壤有良好的穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)固結(jié)作用，固土、抗蝕效果較好［18］，因此雖沒有林冠層，黑麥草仍可以起到很強(qiáng)的減沙作用。徑流是攜帶泥沙的載體，3種水保林減沙作用的強(qiáng)弱與減流作用一致。

3．2 相同林種不同配置方式的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量比較

植被對(duì)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響是由冠層、地被層（枯枝落葉、雜草等）以及根層的綜合效能決定的［2－6］，不同配置方式（種植密度、混交方式等）勢(shì)必會(huì)引起這3方面的差異，從而導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙量不同。相鄰2個(gè)小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量比較結(jié)果見表2。

表2 相鄰2個(gè)小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量比較

對(duì)相同林種不同株間距的相鄰2個(gè)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，楊樹的種植密度不宜過大，一方面密度過大各植株之間爭(zhēng)奪有限的光照和熱量，不利于楊樹的生長(zhǎng)，林冠枝葉覆蓋度低，根系得不到充分的延伸；另一方面密度過大不利于地表雜草的生長(zhǎng)，地表覆蓋度低。墨西哥柏種植密度大的小區(qū)減流減沙作用較好，因?yàn)槟鞲绨氐闹θ~向四周延伸的幅度相對(duì)楊樹較小，因此只有保證一定的種植密度，才能保證其冠層的覆蓋度以及林下的枯枝落葉量。2008年經(jīng)濟(jì)林楊梅和桃樹種植密度小的小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量較種植密度大的小區(qū)明顯偏高，但2009，2010年種植密度小的小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量逐漸減少，且低于種植密度大的小區(qū)，說(shuō)明楊梅和桃樹種植密度小的小區(qū)雖然初始階段的減流減沙作用較弱，但隨著植株的生長(zhǎng)其減流減沙作用逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)槌跏茧A段種植密度低，則冠層枝葉稀疏、枯枝落葉層薄、土壤層根系少，因而減流減沙作用弱。但經(jīng)濟(jì)林楊梅和桃樹生長(zhǎng)速度快，樹冠冠幅大，經(jīng)過一段時(shí)間的生長(zhǎng)，種植密度小的小區(qū)植株發(fā)育狀況逐漸超過種植密度大的小區(qū)，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，楊梅和桃樹的種植密度不宜過大。

5，6號(hào)小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量差異表明了混交方式對(duì)植被減流減沙作用的影響。這2個(gè)小區(qū)均為楊樹與墨西哥柏混交林，株間距均為1．5m×2m，其中5號(hào)小區(qū)配置為中間1排楊樹，兩邊各1排墨西哥柏，6號(hào)為中間1排墨西哥柏，兩邊各1排楊樹，5號(hào)小區(qū)各年的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均明顯高于6號(hào)，年均產(chǎn)流產(chǎn)沙量分別比6號(hào)小區(qū)高80．7%，63．7%。這是由于1．5m×2m的株間距較適合墨西哥柏的生長(zhǎng)，而不利于楊樹枝葉的延伸，5號(hào)小區(qū)的混交方式抑制了楊樹的生長(zhǎng)，降低了其減流減沙作用的發(fā)揮，同時(shí)墨西哥柏的部分枝葉已經(jīng)伸展到小區(qū)的外圍，對(duì)小區(qū)內(nèi)部的水土保持貢獻(xiàn)率大大降低，6號(hào)小區(qū)的情況則剛好相反。

4 結(jié) 論

（1）植被的減流作用是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。貴州喀斯特地區(qū)水熱條件較好，植被生長(zhǎng)迅速，到觀測(cè)試驗(yàn)的第3a（2010年）大部分林草植被類型的減流作用已相對(duì)穩(wěn)定，各林草植被中經(jīng)濟(jì)林的減流作用最明顯，4種經(jīng)濟(jì)林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的減流率介于52．5%～64．3%；其次分別為楊樹與墨西哥柏混交林（45．7%），黑麥草（40．6%）和墨西哥柏（32．6%）；作用最差的是白三葉和楊樹，減流率分別為7．0%，－8．0%。

（2）在3a觀測(cè)試驗(yàn)期間（2008—2010年），植被的減沙作用經(jīng)歷了完全不具減沙效果—部分具有減沙效果—減沙效果明顯的變化過程。至2010年，各林草植被中減沙作用最明顯的同樣是經(jīng)濟(jì)林，4種經(jīng)濟(jì)林（楊梅、桃樹、梨樹和樹莓）的平均減沙率達(dá)99．3%；其次分別為黑麥草（99．1%）、楊樹與墨西哥柏 混 交 林 （99．0%），墨 西 哥 柏 （98．8%），楊 樹（93．7%）；白三葉的減沙作用相對(duì)較弱，減沙率為64．9%。

（3）林草植被配置方式（種植密度、混交方式）對(duì)植被的減流減沙作用有很大影響。楊樹的種植密度不宜過大，墨西哥柏種植密度大的減流減沙作用較好，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，經(jīng)濟(jì)林楊梅和桃樹的種植密度不宜過大。因此進(jìn)行水土保持林草措施配置時(shí)，不僅要考慮其類型，還應(yīng)進(jìn)一步考慮其配置方式，這樣才能獲得最佳的水土保持效益。受觀測(cè)年限和數(shù)據(jù)資料等因素的限制，本文初步分析了貴州喀斯特地區(qū)不同林草植被的減流減沙作用，今后需要進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)與深入研究，進(jìn)一步揭示貴州喀斯特地區(qū)林草措施配置與水土保持效果的關(guān)系。

［1］ 哈德遜．土壤保持［M ］．竇葆璋譯．北京：科學(xué)出版社，1971：202－211．

［2］ 劉世榮．中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律［M］．北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1996：17－19．

［3］ 劉向東．六盤山森林樹冠截留、枯枝落葉層和土壤水文性質(zhì)的研究［J］．林業(yè)科學(xué)，1989，25（3）：220－227．

［4］ 趙鴻雁．森林枯枝落葉層抑制土壤蒸發(fā)的研究［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，7（2）：14－20．

［5］ 汪有科．林地枯枝落物抗沖機(jī)理研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1993，7（1）：75－80．

［6］ 李勇．黃土高原植物根系提高土壤抗沖性能研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1990，4（1）：1－5．

［7］ 楊大三．鄂西三峽庫(kù)區(qū)防護(hù)林研究［M］．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1996：173－176．

［8］ 侯喜祿．陜西黃土區(qū)不同森林類型水土保持效益的研究［J］．西北林業(yè)學(xué)報(bào)，1994，9（2）：20－24．

［9］ 林昌虎，解德蘊(yùn)．貴州山區(qū)坡耕地綜合利用與整治［J］．水土保持研究，2004，11（3）：211－213．

［10］ 周娟．貴州省石漠化面積已達(dá)6萬(wàn)平方公里治理需1 600億元［EB／OL］．［2010－11－29］．http：／／www．cnr．cn／guizhou／xw／gzxw．

［11］ 彭琴，林昌虎，何騰兵．貴州喀斯特山區(qū)水土流失特征與水土保持研究進(jìn)展［J］．貴州科學(xué)，2006，24（3）：66－70．

［12］ 徐海燕，趙文武．黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地與草地不同配置方式的侵蝕產(chǎn)沙特征［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，7（3）：35－41．

［13］ 成晨，王玉杰，潘玉娟，等．重慶縉云山主要森林類型林冠截留降水的研究［J］．水土保持應(yīng)用技術(shù)，2006（4）：6－7．

［14］ 王金建，崔培學(xué)，劉霞，等．小流域水土保持生態(tài)修復(fù)區(qū)森林枯落物的持水性能［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2005，3（1）：48－52．

［15］ 肖培青，姚文藝，申震洲，等．草被覆蓋下坡面徑流入滲過程及水力學(xué)參數(shù)特征試驗(yàn)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（4）：50－53．

［16］ 周躍，李宏偉，徐強(qiáng)．云南松林的林冠對(duì)土壤侵蝕的影響［J］．山地學(xué)報(bào)，1999，17（4）：324－328．

［17］ 王先華，金慧．銅仁地區(qū)主要土壤上牧草引種試驗(yàn)研究［J］．種子，2006，25（12）：96－99．

［18］ 李勇．黃土高原植物根系提高土壤抗沖性能研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1990，4（3）：15－20．