汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導(dǎo)教師：盧曉旭 時 倩

（南京市第四中學(xué), 江蘇 南京 210029）

植被對水土流失防御作用的實驗驗證*

汪 洋 楊曉恬 吳硯吟 夏 蕓 高 盼 黃 莉 鄭 靜 葉根亞

指導(dǎo)教師：盧曉旭 時 倩

（南京市第四中學(xué), 江蘇 南京 210029）

植被對水土流失具有防御作用。為了驗證植被對水土流失防御作用的存在和其防御作用的大小，人工堆積了面積750cm2的有植被覆蓋和無植被覆蓋的兩堆土體，采用人工模擬降水的方法進行實驗，持續(xù)10分鐘左右降水，降水量為25．9mm。稱量相應(yīng)環(huán)節(jié)水土重量，對水土流失量和水土流失率、涵蓄水源率進行計量。發(fā)現(xiàn)無植被覆蓋的土體水土流失率為4%，植被全覆蓋的土體未有明顯的水土流失現(xiàn)象；依據(jù)兩種計算方法得出的土壤涵蓄水源率，前者為36．8%和23．6%，后者為51．3%和32．0%。實驗從定量的角度驗證了植被對水土流失防御作用的存在，同時提供了有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力有明顯提高的數(shù)據(jù)。

植被；水土流失；實驗

水土流失是世界性的環(huán)境問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅，控制水土流失成為迫切需要。植被對降水和徑流侵蝕能力具有很大的減弱或消除作用, 從而減輕土壤侵蝕程度，因此，增加植被覆蓋是控制水土流失的重要舉措。植被對水土流失的防御作用是通過改變植株底部的土壤性質(zhì)、改善其結(jié)構(gòu)、降低土壤可蝕性、增加入滲能力而表現(xiàn)出來的，它的作用程度與植物物種及其搭配有關(guān)，而且又會隨著尺度（斑塊、坡面、流域）的不同而不同，并呈現(xiàn)出控制作用變化的復(fù)雜性。[1]許多研究者從不同角度開展了植被對水土流失防御作用的定量研究，如Gyssels[2]在比利時黃土帶的研究表明，增加播種密度可以減少42-53%的土壤流失量，劉元保[3]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋小區(qū)相比裸露小區(qū)侵蝕量減少84-99%。因影響因素較多、機制復(fù)雜，很難得出一個公認(rèn)的水土流失率計量模型，但植被對水土流失具有防御作用這一規(guī)律的存在則是肯定的。在中學(xué)地理教育領(lǐng)域內(nèi)，驗證這一規(guī)律的教學(xué)實驗也非常豐富，這些成果提供了許多創(chuàng)新的設(shè)計，除植被外還涉及或組合了多個影響水土流失的因素。文獻還顯示，這些實驗在實踐中起到了很好的驗證規(guī)律、培養(yǎng)參與者科學(xué)思維和科學(xué)精神的作用。但成果中除了劉立新[4]、梁紅梅[5]的研究（要求同學(xué)觀察分別從有植被覆蓋和無植被覆蓋的土壤中流出的水的清渾程度）具有定量傾向外，其他基本未發(fā)現(xiàn)有定量呈現(xiàn)實驗結(jié)果或定量觀測傾向的研究，成果多為實驗設(shè)計[6-16]，部分含有定性觀測的要求[17-21]。定性的實驗雖然在一定程度上也能驗證規(guī)律，但缺少精致性，如果能以定量的數(shù)據(jù)說明問題，其實證過程對于規(guī)律的認(rèn)識更有價值，更能讓我們形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度和科學(xué)的求證精神。本研究提供了定量的研究過程和結(jié)果。

一、實驗設(shè)計與過程

1.實驗思路

影響水土流失的因素（變量）很多，主要包括土壤的疏松程度、地形的坡度、降水量和降水強度、植被的覆蓋狀況等，一些研究將多種因素組合在一起進行實驗，[22-23]不同因素的干擾，不光使實驗呈現(xiàn)出更高的復(fù)雜性，可能還使單因素影響的規(guī)律呈現(xiàn)不夠清晰。本研究把植被作為唯一變量，取值分別為有（全覆蓋）和無（祼地）；把其他變量作為控制變量，在兩個對比實驗中取值不變。研究思路如圖1，具體變量及取值如表1。

圖1 研究思路圖

表1 水土流失影響因素控制情況及其取值

2.實驗材料

（1）土壤3千克（分成兩堆，每堆面積約30cm×25cm=750cm2）

（2）飲料瓶1只（瓶蓋上鉆有小孔、底部鉆有透氣孔，保證水約10分鐘左右流完）

（3）含瓶重2千克的瓶裝水2瓶（用材料(2)重復(fù)灌水使用）

（4）簸箕2只（外形和材質(zhì)相同）

（5）大木板1塊（第一次實驗時用到）

（6）秒表1只

（7）電子秤1臺

（8）塑料桶2只

（9）鐵架（含鐵環(huán)1副）

（10）草皮（根部幾乎無土壤）若干

（11）小鐵鍬1只

（12）墊磚若干（保持簸箕或木板傾角用）

（13）塑料袋若干（稱量土壤和實驗后的泥水重量用）

（14）量角器1只

（15）膠帶1卷（粘透氣孔用）

（16）電吹風(fēng)1個

（17）吸氣球1只

（18）相機1架

3.實驗步驟

(1))準(zhǔn)備階段

①稱量土壤并平分成兩堆，分別將其平鋪在兩個相同的簸箕中，稍稍壓實。（第一次實驗時放在一塊較大的木板上，此實驗失敗）

②用飲料瓶盛滿水，稱量水的重量。

(2)無植被保護的土壤侵蝕實驗

③將簸箕底部與水平面保持一定的傾角。（因簸箕底部平滑，摩擦系數(shù)較小，故將角度設(shè)定為10°，實驗中開始的兩分鐘為0°，后調(diào)整為10°。第一次失敗的實驗放土壤的木板傾角為25°）

④將飲料瓶倒置，揭開底部小孔封口，讓水滴滴入土壤中，實驗過程中移動飲料瓶的底部，讓水滴均勻地滴淌在土壤面上。

⑤用塑料桶汲取從土壤中滲淌出來的泥和水。

⑥飲料瓶中水流結(jié)束三分鐘后稱量桶中泥水重，再稱量剩余土水重。

⑦桶中水經(jīng)沉淀后，傾倒并配合用吸氣球?qū)⒛嗨蛛x。用電吹風(fēng)將余泥吹干至實驗前的干濕程度，稱量“干土”的重量。

圖2 實驗中接受侵蝕的土壤堆體

(3)有植被保護的土壤侵蝕實驗

⑧重復(fù)上述步驟③，并將植被覆蓋在土壤上。

⑨重復(fù)上述步驟④-⑦。

(4))總結(jié)階段

⑩數(shù)據(jù)處理、計算和分析。

4.實驗過程

課題組先后進行了兩次實驗。

第一次實驗時間為2006年6月3日中午。為保持一定的侵蝕量，實驗將坡度設(shè)定為25°，降水強度為2分40秒“降”1200毫升“雨”。由于設(shè)計不足，最終的實驗數(shù)據(jù)不夠全面，不能滿足分析的需要，實驗基本失敗。但我們看到無植被覆蓋的土壤水土流失非常嚴(yán)重，泥水匯流成泥流，沖下來的濕土有0.33千克（涵蓄一定水分的土壤重量），估計被水沖走的土壤量占土壤總量（約0.8千克）的三到四成，而且還是我們在情急之中降低坡度和用鐵鍬阻攔的情況下測得的，否則土壤會整體滑坡。原因在于坡度和降水強度都過大。而有植被覆蓋的實驗則是清水入桶，幾乎無水土流失現(xiàn)象。對比雖然能反映相應(yīng)的規(guī)律，但條件設(shè)置不太符合自然狀態(tài)的一般情況，如降雨強度過大造成極端現(xiàn)象——滑坡，而且實驗中間有明顯人工干預(yù)，數(shù)據(jù)誤差也很大，于是我們重新進行了設(shè)計。

第二次實驗時間為6月5日中午。為了保證實驗符合一般情況，且對比實驗之間存在一定的差異度，數(shù)據(jù)量級適中且誤差可以容忍，我們將降水強度變小，為10分鐘“降”約2000毫升的“雨”（按接受降水的土堆面積計算降水量，大約為25.9毫米，按降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，[24]屬于大雨等級或大雨到暴雨等級）；將坡度調(diào)低，變?yōu)?0°。并事先制定了詳細(xì)的定量實驗計劃和記錄表，按步驟操作，最終取得了理想的測量效果。

二、實驗數(shù)據(jù)及計算處理

表2 第2次實驗測量及計算數(shù)據(jù)表

圖3 入桶水土對比

圖4 實驗場景

三、分析與討論

1.有植被保護的地表幾乎無水土流失，無植被保護的地表水土流失程度較重

無論從直觀上看，還是從實驗數(shù)據(jù)看，植被對土壤的保護作用都十分明顯。第一次實驗，高強度降水情況下，坡度約25°的裸地土壤侵蝕率約30～40%，并有滑坡和泥流（相當(dāng)于一些地區(qū)自然狀況下的泥石流）現(xiàn)象，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率幾乎為零；第二次實驗，大雨、大雨到暴雨強度，坡度約10°的裸地的土壤侵蝕率為4%，而覆蓋有草皮的土壤侵蝕率也幾乎為零。這些數(shù)據(jù)來自于這一特定的驗證實驗，雖然植被對不同地區(qū)不同其他因素控制下的土壤的保護作用會有差異，但植被對水土流失的防御作用的存在是客觀的。

2.有植被保護的土壤涵蓄水源能力強，無植被保護的土壤涵蓄水源能力弱

第二次實驗中，如果不考慮泥水總損耗率或誤差（實際并不大），有、無植被覆蓋的情況下，土壤涵蓄水源（干土吸水）率分別為51.3%和36.8%，按實際土壤含水率來計算涵蓄水源（干土吸水）率分別為32.0%和23.6%。土壤涵蓄水源能力存在明顯差異。此實驗以降水結(jié)束3分鐘后測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，反映了短時間內(nèi)的土壤涵蓄水源的能力，不過，隨著雨停后時間的加長，兩者的涵蓄水源率各自會有怎樣的時間變化，多長時間后涵蓄水平相等，還有待進一步研究。

3.其他因素對水土流失的影響在實驗中也間接呈現(xiàn)

降水強度大小與水土流失量有很大關(guān)系。第一次實驗降水強度大，降水總量僅為第2次實驗的60%（實驗中也將坡度由最初的25°調(diào)低到與10°，與第二次實驗相同），但水土流失情況仍比第二次實驗明顯。

坡度大小與水土流失量的大小有很大關(guān)系。第一次實驗開始坡度為25°時，水土流失量明顯很大。

坡度和降水強度過大會引起滑坡和泥石流。第一次實驗讓我們感受到了泥流發(fā)生的緊急情景，緊急降坡和鐵鍬阻攔才防止了“滑坡”和“泥石流”的發(fā)生。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

植被對水土流失具有防御作用得到了實驗的驗證，實驗同時發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋的區(qū)域土壤涵蓄水源能力更強。

2.建議

(1)學(xué)校和相關(guān)政府部門要加強植被的水土保護作用的宣傳，倡導(dǎo)并積極開展保護植被和植樹造林工作，尤其是加強生活區(qū)附近的荒山、裸地的綠化工作。

(2)我們應(yīng)對生活地區(qū)的水土和植被狀況有所了解，降水較多、坡度較大、地表疏松、植被覆蓋率低的地區(qū)還應(yīng)加強泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的防御工作。

(3)水土流失驗證性實驗還可以從坡度、土壤疏松程度、降水強度、降水量等影響因素方面開展。

(4)中學(xué)生在地理實驗過程中，可以從定量的視角驗證規(guī)律，在設(shè)計和動手過程中鍛煉自己，并體驗科學(xué)理性的學(xué)術(shù)價值。

[1] 徐憲立,馬克明,傅伯杰,等.植被與水土流失關(guān)系研究進展[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(09):3137-3143.

[2] Gyssels G, Poesen J. The importance of plant root characterist ics in controlling concentrated flow erosion rates[J]. Earth Surface Processes and Landforms,2003,(28):371-384.

[3] 劉元保,唐克麗,查軒,等.坡耕地不同地面覆蓋的水土流失試驗研究[J].水土保持學(xué)報,1990,4(01):25-29.

[4] 劉立新.水土流失對比實驗演示裝置的制作與使用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013,(06):27-28.

[5] 梁紅梅,王洪玉,孫婧,等.“植被變化影響自然地理環(huán)境”實驗設(shè)計[J].中學(xué)地理教學(xué)參考,2012,(09):44-45.

[6][22] 葉國仁,湯愛蘭.“紅壤坡面侵蝕與水土流失防治”的實驗與探索[J].地理教學(xué):2010,(06):24-25.

[7] 韋勇,梁玉萍.水土流失影響因素探究實踐活動教學(xué)設(shè)計[J].地理教學(xué):2010,(10):47-49+14.

[8] 湯國榮.追尋注重“過程”的高中地理教學(xué)[J].地理教學(xué):2012,(16):19-25.

[9] 湯國榮.關(guān)于活動式地理課堂的思考與實踐[J].中學(xué)地理教學(xué)參考:2012,(10):18-20.

[10] 欒勝星.低成本實驗在普高地理教學(xué)中的開發(fā)和利用[J].地理教育:2011,(09):6-7.

[11] 孫成華,孫智果,劉建武,趙泓泉.測試植被與水土流失的關(guān)系的實驗[J].生物學(xué)通報:2000,35(02):37.

[12] 李昂.水土流失實驗教學(xué)法探究[J].中小學(xué)實驗與裝備:2009,19(02):10-11.

[13] 袁麗娜.“水土流失”的實驗教學(xué)及其有效性分析[J].新課程(教育學(xué)術(shù)):2011,(07):93-94.

[14] 殷放鳴.“水土流失”模擬實驗創(chuàng)新[J].探秘(科學(xué)課):2012,(07):60.

[15] 吳根才.地理實驗教學(xué)開發(fā)設(shè)計[M].北京:原子能出版社,2009.

[16] 楊士軍.高中地理活動創(chuàng)新設(shè)計[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2008.

[17][23] 羅新宇.實驗使“水土流失”更加直觀[J].地理教學(xué):2006,(08):24-25.

[18] 張友良.新課程理念下中學(xué)地理模擬實驗功能的探索——以“黃土高原”為例[J].地理教學(xué):2011, (16):39+50.

[19] 沈?qū)W萍,尹中峰,許太州,等.水土流失影響因子合作探究實驗活動[J].地理教學(xué):2012,(20):57-58.

[20] 王葦.地理實驗專題復(fù)習(xí)[J].中學(xué)地理教學(xué)參考:2008,(Z1):54-55.

[21] 周軍.利用水土流失實驗突破教學(xué)重、難點[J].中學(xué)地理教學(xué)參考:2001,(11):32.

[24] 國家氣象局.降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)陸部分）[EB/OL].http://www.czxh.gov.cn/zwgk/zcfg/ sjzc/45308.shtml,2013-12-08.

[25] 林培英.地理教師網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程研修的意義和課程開發(fā)初探——以2007年高中地理新課程遠(yuǎn)程研修為例[J].課程.教材.教法,2008,(7):83-87+78.

（責(zé)任編校：周維國）

*本文指導(dǎo)教師盧曉旭同時為通訊作者。本文由通訊作者在南京市第四中學(xué)校本課程教材《學(xué)會解決問題》（2006年）中發(fā)表的論文初期版本的基礎(chǔ)上進一步修改而成。本成果的錄像曾作為2007年教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心“高中地理新課程遠(yuǎn)程研修課程的開發(fā)”項目（主持人：林培英）的課程學(xué)習(xí)資源。