坡面徑流播種作用的論證分析

王俊杰

（甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

與坡面徑流造成植物種子流失的認(rèn)識(shí)不同，野外觀察認(rèn)為，除負(fù)面作用外，坡面徑流還具有強(qiáng)大的播種功能，是植被自然更新演替機(jī)制中不可或缺的過程，采用理論分析和觀察相結(jié)合的方法開展研究。在分析坡面徑流、土及其相互作用的基礎(chǔ)上，闡述了植物種子的水起動(dòng)性能和停泊性能及其徑流響應(yīng)策略，植物定居的微圃要求，進(jìn)而證明坡面徑流具有創(chuàng)造微圃和播種作用。最后指出，坡面治水不在于阻斷徑流，而在于把徑流調(diào)控在細(xì)溝流范圍內(nèi)，以抑制其害，發(fā)揚(yáng)其利。

坡面徑流；種子；微圃；播種

生命離不開水，陸生植物不能移動(dòng)，尤其依賴水，其種子發(fā)芽定居更不能缺水。風(fēng)、重力滾落、動(dòng)物等自然力遷移的種子，其停泊點(diǎn)不一定有水，甚至不能蓄水，種子嚴(yán)重缺乏發(fā)芽機(jī)會(huì)。流水浮載種子，引起地表或淺層土壤中的種子二次遷移。流水停滯、入滲，其中的種子隨之停泊，從而初具發(fā)芽條件?？梢娏魉炌朔N子從母株到定居點(diǎn)的最后一寸距離，換言之，流水能夠創(chuàng)造條件并傳布種子進(jìn)駐發(fā)芽地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)播種作用。坡面徑流的播種作用尤其突出，是植被更新演替的基礎(chǔ)。目前，在坡面徑流研究領(lǐng)域，雖然人們認(rèn)為坡面徑流決定種子定居和幼苗分布[1-3]，但有關(guān)研究主要著眼于其負(fù)面影響，即造成種子流失方面，包括坡面沖刷引起的種子流失特征及其影響因素等[1,4]。國內(nèi)相關(guān)研究比較少，主要通過人工降雨模擬進(jìn)行[4,5]，而且模擬對(duì)象以裸露坡面為主，與自然坡面條件大相徑庭。片面認(rèn)識(shí)必然導(dǎo)致理解的偏差，基于種子流失觀點(diǎn)的坡面徑流研究成果，難以全面解釋植被更新演替等生態(tài)過程，用于指導(dǎo)生態(tài)建設(shè)則難免偏誤。為此，本文提出坡面徑流播種概念，運(yùn)用土壤水力侵蝕學(xué)和種子生態(tài)學(xué)等基本原理，結(jié)合定性觀察資料，演繹分析其機(jī)制，以期引起學(xué)界重視。

1 基本概念

1.1 水動(dòng)力學(xué)基本定律

最小耗能原理指出，在線性非平衡系統(tǒng)中發(fā)生的任何耗能過程，都將在相應(yīng)約束條件下以最小耗能的方式進(jìn)行[6]。

流水能夠懸浮起動(dòng)顆粒物質(zhì)，伯努里定律圓滿解釋了其機(jī)制[7]：在流體中顆粒上方流速高，壓強(qiáng)小，下方流速低，壓強(qiáng)大，其壓強(qiáng)差形成上舉力而懸浮起動(dòng)顆粒。“激水之疾，至于漂石”[8]，流水能否起動(dòng)懸浮顆粒物質(zhì)決定于流速和顆粒大小，愛里定律確立了二者之間的數(shù)量關(guān)系[7]：顆粒粒徑與水起動(dòng)臨界流速的平方成正比，顆粒質(zhì)量與其水起動(dòng)臨界流速的六次方成正比。

1.2 坡面徑流侵蝕

1.2.1 土壤

土壤是地球表面作為植物天然培養(yǎng)基的松散的礦物質(zhì)[9]，由地表巖石風(fēng)化碎屑經(jīng)生物化學(xué)及物理化學(xué)的成壤作用而成。巖石碎屑高度混雜，粒徑從微米級(jí)直到厘米級(jí)。小粒碎屑在水的參與下具有黏性，可以互相膠結(jié)成團(tuán)粒，也可以將碎屑膠結(jié)成體，但力學(xué)強(qiáng)度低，疏松易碎。土壤內(nèi)部充滿各種直徑的孔隙，大的孔隙充滿空氣，毛管孔則懸持液態(tài)水。因此，土壤屬于固、液、氣多相體系[10-12]。

根據(jù)伯努里定律和愛里定律，粒徑小于0.05 mm的土粒極易被水流懸移。根據(jù)這一水力學(xué)特性，土可以視為能夠被平緩水流懸移的粉末狀巖石碎屑[11]。土粒增加水流體積及其黏滯性。在水流中，具有黏性的土粒含量超過某一臨界值，其邊緣部分互相吸引伸延而出現(xiàn)絮凝作用，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。隨著土粒含量增加，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)依次表現(xiàn)為鏈狀、絮狀、蜂窩狀和聚合狀結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)水土混合體懸移大顆粒物質(zhì)的能力依次加強(qiáng)[13]，侵蝕能力依次加大。因此，土質(zhì)裸露坡面徑流多表現(xiàn)為濁流，泥沙俱下。

1.2.2 坡面徑流

當(dāng)降雨或融雪強(qiáng)度超過土壤入滲能力時(shí)，地表余水在重力作用下沿坡面流動(dòng)形成徑流。超滲徑流沿著斜坡首先形成薄層水流，呈漫流狀，流速緩慢，流向不穩(wěn)定。根據(jù)最小耗能原理，坡面漫流水體傾向于保持流速最大化，流向坡降較大、糙率較小之處，并盡可能維持最大水深值，盡可能集中流動(dòng)[14]。隨著流水不斷匯集補(bǔ)充，流量增大到一定值，再加上微地貌起伏，水流的成層性破壞而形成小溝狀股流，流速加快。進(jìn)而小溝狀股流發(fā)育為細(xì)溝流，流速進(jìn)一步增大。據(jù)測(cè)試，細(xì)溝中水流流速比細(xì)溝間薄層水流大2.06倍[15]。

1.2.3 坡面溝系的發(fā)育過程

小溝狀股流可以侵蝕形成深寬都很小的紋狀細(xì)溝，但會(huì)逐漸模糊不清[15]。根據(jù)最小耗能原理，徑流的逐漸匯集，達(dá)到臨界流量，其流路上就會(huì)逐漸出現(xiàn)一系列跌坑，跌坑進(jìn)而演化為下切溝頭。隨著溝頭的下切加深和溯源侵蝕，細(xì)溝開始發(fā)育[15]，同時(shí)流路上形成斷續(xù)細(xì)溝。同一流路上的斷續(xù)細(xì)溝會(huì)連接成為連續(xù)細(xì)溝，相鄰細(xì)溝還會(huì)因?yàn)闇媳谔喜?。?xì)溝主要發(fā)育于相對(duì)疏松的地表擾動(dòng)土壤層內(nèi)，如耕作層、自然土質(zhì)坡面的表土層、瀉溜或崩塌新近堆積層、工程新近棄渣層等。細(xì)溝侵蝕既有切蝕也有側(cè)蝕，以下切為主。當(dāng)細(xì)溝溝床切穿地表擾動(dòng)層進(jìn)入抗沖能力較強(qiáng)的老土層時(shí)，例如犁底層、自然坡面心土層等，細(xì)溝就發(fā)展為半永久性淺溝[16]，其溝尾成為切溝溝頭，在崩塌、潛蝕等重力作用下形成永久性切溝及更大溝谷類型[17]。淺溝和切溝屬于溝谷系統(tǒng)[18]。

在一定的降雨條件下，發(fā)生細(xì)溝的臨界流量隨坡度和雨強(qiáng)增加而減少；臨界坡長(zhǎng)與坡度呈二次曲線關(guān)系，開始隨坡度增加而縮短，到一定坡度后又隨坡度增加而加長(zhǎng)[15]。細(xì)溝的發(fā)生與否，還會(huì)受坡面微地貌、土壤抗侵蝕性能和植被情況影響。植被覆蓋率大，甚至可以完全消除細(xì)溝的發(fā)生。

在坡面溝系形成演化過程中，跌坑的形成是至關(guān)重要的一環(huán)[14]。坡面原有洼坑凹凸、動(dòng)物穴洞蹄印、雨滴擊打麻坑、土壤濕陷等均可發(fā)育為跌坑，即使坡面平整，根據(jù)最小耗能原理，股流流路上仍可形成一系列跌坑[14,19]。跌坑下方，流路床面逐漸過渡為結(jié)皮段。結(jié)皮表面光滑耐沖刷，入滲性能低，導(dǎo)致股流加速加深，使股流增能。到結(jié)皮段末端，股流能量增大到一定程度就會(huì)突破結(jié)皮引發(fā)跌坑。在跌坑處股流發(fā)生跌水，坑內(nèi)水流發(fā)生橫軸漩滾，沖掏產(chǎn)生顆粒較粗的沙?；驁F(tuán)粒，滯緩流速，消殺股流動(dòng)能[14,16]。如此增能消能反復(fù)，流路床面因而結(jié)皮跌坑交錯(cuò)。

總之，坡面徑流以前期坡面地貌為基礎(chǔ)，通過水起動(dòng)物質(zhì)的搬運(yùn)、再分配和遷出過程塑造坡面地貌。出坡徑流流出坡面，其中的土粒、沙粒、枯枝落葉等懸移推移物質(zhì)，以及可溶物質(zhì)隨之流失；坡內(nèi)徑流不流出坡面，造成懸移推移和可溶物質(zhì)在坡內(nèi)的再分配，對(duì)坡面生態(tài)系統(tǒng)意義重大。

1.3 種子生態(tài)學(xué)

1.3.1 種子自然引發(fā)

種子從吸水膨脹到發(fā)芽宏觀上存在吸脹停滯期，遇水吸脹達(dá)到飽和狀態(tài)會(huì)維持一段時(shí)間，其間種子內(nèi)部進(jìn)行著活躍的發(fā)芽有關(guān)生理生化準(zhǔn)備，稱為種子引發(fā)過程，如同引弓搭箭一樣[20-21]。種子完成引發(fā)過程其種胚才能萌動(dòng)生長(zhǎng)而發(fā)芽。作為一種性狀，同種植物的不同種子個(gè)體引發(fā)期存在變異，長(zhǎng)短不一，導(dǎo)致發(fā)芽早晚有別。有些植物種子成熟過程中被賦予初生休眠[22]，導(dǎo)致種子在適宜條件下不能發(fā)芽，必須先行解除初生休眠。初生休眠的解除同樣需要種子內(nèi)部進(jìn)行一系列的生理生化過程，要在種子吸脹狀態(tài)下完成，其實(shí)屬于種子引發(fā)的特殊形式[23]。種子引發(fā)要求環(huán)境持續(xù)濕潤，期間如果環(huán)境變得干燥，種子就會(huì)終止引發(fā)過程回干而被強(qiáng)迫休眠。種子引發(fā)的生態(tài)意義在于以此探測(cè)所處環(huán)境是否適宜并長(zhǎng)期穩(wěn)定[23]，以免草率發(fā)芽而夭折。1.3.2 種子發(fā)芽成苗過程

種子發(fā)芽總是胚根先突破種皮，并且在出苗過程中以根系生長(zhǎng)為主，以便根系盡快下扎深入濕潤而穩(wěn)定的土壤深層吸收水分供應(yīng)全株生長(zhǎng)之需。土壤液態(tài)水主要賦存在毛管孔中，毛管孔很細(xì)，孔徑一般小于0.1 mm，植物根條較粗，一般無法伸入毛管孔內(nèi)吸水。大多數(shù)被子植物因此演化出與毛管孔孔徑相當(dāng)?shù)母晕彰芩８珘勖?，僅分布在根尖后方的根毛區(qū)，成熟根段只能通過表皮的滲透作用少量吸水。因此幼苗階段根系生長(zhǎng)除主根盡量下扎外，還需盡量分生側(cè)根或不定根，以增加根尖數(shù)量，提高吸水功能。裸子植物和部分被子植物沒有根毛，其幼苗階段需要盡量分生細(xì)根以確保吸水功能。在根系生長(zhǎng)階段，由于根系不完善，吸收功能低下，幼苗不能經(jīng)受烈日暴曬和空氣干燥。因此，幼苗對(duì)環(huán)境的濕度變化非常敏感，需要濕潤而穩(wěn)定的環(huán)境，否則就會(huì)夭折死亡。

1.3.3 種子和幼苗的安全需求

種子和幼苗都需要隱藏以免被動(dòng)物取食或病菌侵染。種子體量小，可以通過偽裝色彩混于枯枝落葉或浮土等環(huán)境中實(shí)現(xiàn)隱藏。一些能夠通過鳥獸消化道傳播的種子被包裹在糞便“包衣”中，其隱藏性能更加優(yōu)良；一些種子可以被烏鴉、松鼠、螞蟻等作為食物貯藏而實(shí)現(xiàn)隱藏。莖干明顯的植物，尤其木本植物的幼苗，其體內(nèi)營養(yǎng)貯存貧乏，受傷受損后自愈重建能力低下，脆弱易死。與此相對(duì)應(yīng)，許多草本植物，尤其禾本科草本植物，其幼苗期呈蓮座狀，動(dòng)物取食一般不會(huì)傷及其莖和芽體，自愈重建能力較強(qiáng)。幼苗如果單獨(dú)出現(xiàn)在裸露地表，其綠色在土色背景上非常顯眼，很容易被草食動(dòng)物取食。有人利用集流技術(shù)在半干旱黃土區(qū)播種營造沙冬青Ammopiptanthus mongolicus林，播種穴四周修建雨水集流場(chǎng)，出苗率很可觀，但越冬期間超過半數(shù)的幼苗因其常綠特點(diǎn)被野兔取食而枯死。野外常見地形破碎的崖坎陡坡生長(zhǎng)有各類灌木、喬木，平緩整齊坡面反而少見，其原因之一就在于崖坎陡峭危險(xiǎn)，動(dòng)物取食不易，幼苗得以幸存，平緩坡面的幼苗則往往被動(dòng)物取食或踐踏致死。

1.3.4 微圃概念

種子及幼苗階段是植物生活史中對(duì)環(huán)境最敏感最脆弱的時(shí)期[24]，幼苗存活及其早期生長(zhǎng)是決定植物種群定居和分布關(guān)鍵時(shí)期[25]。對(duì)于陸生植物來說，能夠同時(shí)滿足其種子引發(fā)、幼苗定居和隱藏要求的微地貌稱之為微圃，即微型苗圃，相當(dāng)于該種植物的溫床和幼兒園[26]。微圃具備適宜的水分、溫度、空氣、光照、土壤、化學(xué)、生物等條件，并保持穩(wěn)定直至幼苗根系建成而定居。發(fā)芽迅速的種子其微圃要求比較粗放，發(fā)芽緩慢的種子其微圃要求比較精細(xì)，要求環(huán)境苛刻，每項(xiàng)影響因素都要求恰到好處，幼苗期也比較長(zhǎng)。由此可見，微圃的有無決定植物自然分布。在一些原無林木生長(zhǎng)的立地上，之所以能夠人工造林成功，關(guān)鍵在于人為滿足了造林樹種的微圃需求。

石縫、淺孔、微凹穴槽等是形成精細(xì)微圃的潛在地貌。首先，這類凹陷微地貌底部與深層土壤相通，能夠通過毛管作用得到深層土壤水分的補(bǔ)充，比較濕潤。其二，這類微地貌遮陰蔽風(fēng)，有效維持小環(huán)境溫度變化平緩，維持較長(zhǎng)時(shí)間的濕潤，還可以防止幼苗過度蒸騰及日灼焦葉。其三，這類微地貌具有隱藏作用。在蘭州市郊，一些建筑垃圾堆中枸杞Lycium chinense小片自然叢生，而鄰近土質(zhì)地表則不見一株枸杞。其原因在于，垃圾碎塊堆積縫隙構(gòu)成微圃，鳥糞攜帶枸杞種子落入在其中發(fā)芽成苗而定居。土質(zhì)地表則干濕交替頻繁而劇烈，雨過地皮濕，晴天干地皮，枸杞種子難得發(fā)芽機(jī)會(huì)，即使發(fā)芽，脆弱芽苗亦不免在干濕劇變中枯死。

1.3.5 他感作用

他感作用指植物或微生物的代謝分泌物對(duì)環(huán)境中其他植物或微生物的有利或不利的作用[27]。他感物質(zhì)具有選擇性抑制種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的作用，其作用具有濃度效應(yīng)，高濃度時(shí)抑制，低濃度時(shí)促進(jìn)[28]。有些植物母株會(huì)釋放他感物質(zhì)抑制株下其種子的發(fā)芽[29]。這種抑制作用的生態(tài)意義在于迫使其種子遠(yuǎn)離母株，尋找適宜環(huán)境定居以提高后代的生存質(zhì)量。

1.3.6 種子的徑流響應(yīng)策略

根據(jù)伯努里定律和愛里定律，暴露在坡面地表的種子會(huì)被徑流起動(dòng)遷移；掩埋在土壤中的種子則會(huì)在細(xì)溝侵蝕過程中被移動(dòng)。降雨模擬試驗(yàn)表明，在22°～55°的坡面上，山麓侵蝕面的種子流失率為土壤侵蝕速率的6倍[30]。在長(zhǎng)期適應(yīng)演化過程中，植物種子形成多種多樣的水動(dòng)力學(xué)性狀，表現(xiàn)出不同的徑流響應(yīng)策略，對(duì)徑流既有利用又有抵制。有些植物的種子易于被徑流懸移或推移，水起動(dòng)性能高，停泊性能低，遷移距離較遠(yuǎn)；另一些植物種子則相反，水起動(dòng)性能低而停泊性能高。

種子水起動(dòng)性能首先體現(xiàn)在比重上。比重指標(biāo)準(zhǔn)條件下某種物質(zhì)與同體積水的質(zhì)量之比。大部分植物的種子比重在0.8～1.4之間[31-32]。種子比重小于1無需贅言；種子比重大于1，根據(jù)愛里定律，其水起動(dòng)性能較同體積的巖石碎屑呈指數(shù)性增強(qiáng)，即使比重達(dá)到1.4，由于比同體積的巖石碎屑（比重一般2.8左右）小一半，其水起動(dòng)臨界流速僅及后者的1/64，遠(yuǎn)比后者容易被水起動(dòng)。稻谷的比重為1.04～1.18，因此，淘米時(shí)稍微攪動(dòng)水底的米粒就會(huì)懸移起來。許多植物的傳播體不是單純的種子，其比重往往降低到1以下。酸棗Ziziphus jujuba var. spinosa果實(shí)渾圓，表皮光滑堅(jiān)挺，干燥果肉呈海綿狀緊包種子，風(fēng)干果實(shí)比重小于1。一些種子通過動(dòng)物消化道傳播，糞便干燥后同樣降低了比重。祁連圓柏Sabina przewalskii種子被包裹在羊糞球中[33]，既能在坡面滾動(dòng)，又利于被坡面徑流起動(dòng)懸移。

種子水起動(dòng)性能還取決于其大小和形狀。降雨模擬試驗(yàn)表明[34]：在一定降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和坡度情況下，種子被徑流遷移，質(zhì)量低于10 mg的種子容易懸浮于徑流表面；質(zhì)量高于50 mg時(shí)主要取決于其形狀，越接近球形越容易被遷移；質(zhì)量10～50 mg的種子不易被徑流遷移，主要取決于其大小。質(zhì)量越小，種子體積越小，能夠被坡面薄層水流起動(dòng)懸移；質(zhì)量大到一定程度，體積相應(yīng)增大，能否被坡面薄層水流起動(dòng)懸移不僅取決于種子高度，還取決于種子形狀；質(zhì)量更大的種子，其高度大于坡面薄層水流水深，不能被后者起動(dòng)懸移，只能被股流或細(xì)溝流起動(dòng)，或在雨滴沖擊下起動(dòng)。圓球形種子一旦受沖擊起動(dòng)，就在牛頓慣性定律支配下保持運(yùn)動(dòng)慣性。在不均勻動(dòng)摩擦力作用下，種子滾動(dòng)下落。滾動(dòng)摩擦系數(shù)小于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，因而滾動(dòng)下落的種子不易停泊，混入股流就會(huì)隨流運(yùn)動(dòng)。另一方面，種子并非簡(jiǎn)單地落在坡面上，而是在徑流之前的降雨過程中與地表土壤粘附在一起，甚至被雨滴擊濺嵌入土壤表層。在質(zhì)量小可以忽略形狀影響的范圍內(nèi)，種子顆粒越大，與土壤的接觸面積越大，粘附力越強(qiáng)，被水流起動(dòng)所要求的臨界流速越大。隨著質(zhì)量的增大，種子形狀的影響越來越明顯，形狀越扁平，與地表土壤的接觸面積越大，其粘附力將會(huì)增大到只能被股流所克服，甚至要求被細(xì)溝流或雨滴沖擊起動(dòng)；如果種子長(zhǎng)度大于股流寬度，則易在彎曲流路中受阻而停泊。

種子的水起動(dòng)性能還與其表面性狀、附屬物有關(guān)。表面光滑的種子與土壤的粘附力小，容易被水流起動(dòng)，水起動(dòng)性能強(qiáng)而停泊性能低。表面粗糙、凹凸不平或遍布紋狀溝回，以及芒、剛毛、柔毛、種翅、鉤刺、殘余果肉等附屬物，都會(huì)增加種子與土壤的接觸面積而增強(qiáng)粘附力[35]，其種子的水起動(dòng)性能低而停泊性能高。某些蒿屬植物的種子，其表面遇水會(huì)分泌黏性物質(zhì)而增強(qiáng)粘附力[36]，或者吸附土粒增加體積和質(zhì)量，從而降低其水起動(dòng)性能而提高其停泊性能。

植物種子水起動(dòng)性能各異，被徑流遷移和停泊的方式各異，表現(xiàn)出各不相同的徑流響應(yīng)策略，實(shí)現(xiàn)其尋找適宜微圃定居的目的。

2 坡面徑流創(chuàng)造微圃

出坡徑流能夠雕刻形成跌坑、細(xì)溝等凹陷微地貌。一些木本植物常見于地形破碎的崖坎陡坡，在石質(zhì)山地尤其如此，原因就在于，在崖坎陡坡上強(qiáng)烈徑流能夠沖蝕出各種凹陷微地貌，成為潛在的微圃，為要求精細(xì)微圃的木本植物創(chuàng)造出較平緩坡面更多的定居機(jī)會(huì)。也就是說，并非這些植物適宜崖坎陡坡，而是這些地方有其微圃存在。坡內(nèi)徑流能夠?qū)枷菸⒌孛沧兂涩F(xiàn)實(shí)的微圃。首先，坡內(nèi)徑流匯聚在凹陷微地貌中，使之較坡面其余地方更加濕潤。其次，徑流中的土粒、可溶礦物質(zhì)和半腐解有機(jī)物沉積在凹陷微地貌中，改變其土壤粒徑組成和孔隙結(jié)構(gòu)而改良土壤。土粒粒徑小，比表面積大，吸附可溶性礦物質(zhì)的能力強(qiáng)，是土壤中保持水肥的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；半腐解有機(jī)物在濕潤微地貌中進(jìn)一步腐解為腐殖質(zhì)，與土粒結(jié)合形成團(tuán)聚體，同時(shí)半腐解有機(jī)物能夠吸引土壤小動(dòng)物活動(dòng)而疏松土壤，凹陷微地貌中的土壤因此比較肥沃。其三，徑流能夠淋洗坡面植被釋放的他感物質(zhì)，或者隨出坡徑流移出坡外，或者在坡內(nèi)重新分配。因此，徑流降低了坡面平齊地形中他感物質(zhì)濃度，有利于發(fā)芽迅速的植物定居。凹陷微地貌雖然會(huì)富集他感物質(zhì)，但其抑制作用具有選擇性，并不會(huì)抑制所有種子特別是外來種子的發(fā)芽。我國大部分地區(qū)屬于秋雨型氣候，并且在秋季后期降雨多為小雨，只能形成坡內(nèi)徑流，因此有更多機(jī)會(huì)將凹陷微地貌改造為微圃，為許多要求精細(xì)微圃的植物，特別是木本植物來年定居創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

3 坡面徑流播種機(jī)制

播種指植物種子被適時(shí)分散播入適宜深度土層的過程。坡面徑流具有不可替代的播種作用。

坡面徑流播種具有高度選擇性，更像一個(gè)篩選式播種機(jī)。受坡度、土壤密實(shí)度、地表糙率和覆蓋情況等因素影響，坡面徑流隨地分異，薄層水流、小溝狀股流、細(xì)溝流，乃至淺溝流，各行其道，層流紊流一應(yīng)俱全，緩流急流應(yīng)有盡有，從而高度選擇性地調(diào)配土壤種子庫，或者剝蝕削減深埋種子的土層，或者遷移地表或淺層的種子，其中一部分種子將停泊留在坡面，另一部分則不免流失，分別與不同植物種子的徑流響應(yīng)策略相適應(yīng)，最終為一部分種子創(chuàng)造出發(fā)芽機(jī)會(huì)，等于將種子播種于微圃中。

在坡面徑流停泊入滲過程中，其中的泥土沉降在種子的表面形成“包衣”。泥土“包衣”首先是良好偽裝；其次是種子與土壤之間的良好粘著劑，有利于種子的掩埋；三是種子引發(fā)劑，泥土顆粒細(xì)，互相粘結(jié)形成的毛管孔孔徑小，水勢(shì)低，可以從土壤毛管孔網(wǎng)中吸收水分傳導(dǎo)于種子，同時(shí)土粒比表面積大，能夠吸附他感物質(zhì)削弱其抑制作用，成為種子吸收土壤水的良好介質(zhì)；土壤干燥時(shí)，泥土“包衣”又可以從種子倒吸水分，加速其脫水過程，如此干濕交替對(duì)種子具有一定的引發(fā)作用[23]。

在凹陷類微圃中，徑流還具有更加精細(xì)的播種作用。由愛里定律可以推論，水流具有分選作用。降雨結(jié)束，進(jìn)入凹陷微地貌的水流逐漸靜止，大粒徑礫沙首先沉淀，其次是種子，然后是泥土沉降形成泥土“包衣”，最后是枯枝落葉等漂浮質(zhì)碎屑沉淀，覆蓋在最上面，為種子保墑。

茶杯中的茶水被攪動(dòng)旋轉(zhuǎn)，茶葉回游到杯底的中央，而非預(yù)想的在螺線型離心力作用下被推動(dòng)到杯底四周，這一現(xiàn)象被稱為茶葉悖論。淘米時(shí)就可以見到這一現(xiàn)象。阿爾伯特·愛因斯坦在運(yùn)用拜爾定律解釋河岸侵蝕問題時(shí)，順便解釋了茶葉悖論[37]。液體在杯中旋轉(zhuǎn)，表面呈外圍高、中心低之形，液體因而外圍壓強(qiáng)大，中心壓強(qiáng)小，其壓力梯度便構(gòu)成維持液體旋轉(zhuǎn)所需的向心力?？拷撞康囊后w由于杯底的摩擦而減速，其壓力梯度超過向心力而使液體向內(nèi)的流動(dòng)。向上一些的地方，液體則流向外側(cè)。這個(gè)二次流沿底部流向中央，然后向上再向外，在邊緣附近向下，從而把杯壁附近的茶葉逐漸帶向杯底中央。茶葉比重較大不能隨流上升，因而停留在底部中心。與茶葉悖論相似，坡面徑流由于渾濁這一效應(yīng)更加顯著，徑流進(jìn)入凹陷微地貌因慣性繼續(xù)流動(dòng)沿周壁旋轉(zhuǎn)，從而種子播種于凹地中央，種子發(fā)芽后幼苗因而不受圃壁影響順利安居。

4 小結(jié)

坡面徑流是創(chuàng)造微圃并播種的關(guān)鍵自然機(jī)制，對(duì)于許多植物的更新繁衍，尤其木本植物不可或缺。自然植被，尤其作為中生、濕生環(huán)境中的森林植被，由于林下枯枝落葉豐富，能夠?qū)⒍鄶?shù)徑流控制在接近細(xì)溝流的水平，有效發(fā)揮了緩速徑流的有利生態(tài)作用，又最大限度地抑制了高速徑流的不利生態(tài)作用，從而保證了天然更新的正常進(jìn)行，維持了群落的高度穩(wěn)定狀態(tài)。目前，通過水平階、水平臺(tái)等整地措施營造的人工林，大幅度阻斷了徑流，限制了徑流的有利生態(tài)作用，從而損害了植被天然更新機(jī)制，并造成環(huán)境大幅度波動(dòng)。這是人工林較天然植被穩(wěn)定性差的根本原因。在這一意義上講，營造生態(tài)公益林，坡面治水不在于阻斷徑流，而在于把徑流調(diào)控在細(xì)溝流范圍內(nèi)，抑制其害，發(fā)揚(yáng)其利。

[1] 張小彥，焦菊英，王寧，賈燕鋒，韓魯艷. 種子形態(tài)特征對(duì)植被恢復(fù)演替的影響[J]. 種子，2009，28（7）：67-72.

[2] 韓魯艷，焦菊英，雷東. 種子流失與遷移的人工降雨模擬試驗(yàn)方法研究[J]. 水土保持通報(bào)，2010，30（2）：220-224，232.

[3] 焦菊英，王寧，杜華棟，王東麗. 土壤侵蝕對(duì)植被發(fā)育演替的干擾與植物的抗侵蝕特性研究進(jìn)展[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2012，21（5）：311-318.

[4] 雷東. 土壤侵蝕對(duì)種子遷移、流失和幼苗建植的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[5] 韓魯艷，賈燕鋒，王寧，焦菊英. 黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過程中的土壤抗蝕與細(xì)溝侵蝕演變[J]. 土壤，2009，41（3）： 483-489.

[6] 周筑寶. 最小耗能率原理及其在固體力學(xué)中的某些應(yīng)用[M]. 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)1993，15（4）：41-47.

[7] 張洪江.土壤侵蝕原理[M].北京：中國林業(yè)出版社，2000：52-53.

[8] 孫武. 孫子兵法[M]. 曹操，等，注釋. 王健，整理. 西安：三秦出版社，1998：84.

[9] K A 阿姆森. 森林土壤：性質(zhì)和作用[M]. 林伯群，周重光，譯.北京：科學(xué)出版社，1984：1.

[10] 王俊杰，初長(zhǎng)海，王三英，陳翠蓮，郭鵬飛. 淺說果園管理技術(shù)原理與原則[J]. 林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2013（2）：21-23.

[11] 王俊杰，張繼強(qiáng)，孟少童，趙亞萍，魯玉超，薛睿，馬和. 土質(zhì)裸坡水土關(guān)系分析與竹樊滯散徑流技術(shù)[J]. 甘肅林業(yè)科技，2014，39（4）：22-25.

[12] 王俊杰. 地震擾動(dòng)區(qū)生態(tài)修復(fù)的概念與四拗[J]. 甘肅林業(yè)科技，2014，39（4）：81-84.

[13] 吳積善. 泥石流及其綜合治理[M]. 北京：科學(xué)出版社，1993.

[14] 白清俊，馬樹升. 細(xì)溝侵蝕過程中水流跌坑的發(fā)生機(jī)理探討[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2001，15（6）：62-65.

[15] 鄭粉莉，唐克麗，周佩華. 坡耕地細(xì)溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展和防治途徑的探討[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1987，1（1）：36-48.

[16] 沙際德，白清俊. 粘性土坡面細(xì)溝流的水力特性試驗(yàn)研究[J]. 泥沙研究，2001（6）：39-44.

[17] 雷阿林，唐克麗. 黃土坡面細(xì)溝侵蝕的動(dòng)力條件[J]. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4（3）：39-43，72.

[18] 劉青泉，安翼. 土壤侵蝕的3個(gè)基本動(dòng)力學(xué)過程[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2007，25（14）：28-37.

[19] 劉青泉，李家春，陳力，向華. 坡面流及土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)（Ⅱ）——土壤侵蝕[J]. 力學(xué)進(jìn)展，2004，34（4）：493-506.

[20] 鄭光華. 種子處理新技術(shù)——“引發(fā)”的原理及其應(yīng)用[J].種子世界，1987（5）：4-5.

[21] KENT J, BRADFOR. 用改進(jìn)逆境萌發(fā)的滲透引發(fā)來熟練掌握種子水分關(guān)系[J]. 陳暖，譯. 種子，1987（6）：66-72.

[22] 鄒德曼. 種子生理講座——種子的休眠[J]. 種子，1985（2）：75-79.

[23] 王俊杰. 林木種子引發(fā)機(jī)制分析[J]. 甘肅林業(yè)科技，2014，39（1）：11-17.

[24] 彭閃江，黃忠良，彭少麟，歐陽學(xué)軍，徐國良. 植物天然更新過程中種子和幼苗死亡的影響因素[J]. 廣西植物，2004，24（2）：113-121，124.

[25] WOLFGANG S, MILBCRG P, LAMONT B B. Germination requirements and seedling responses to water availability and soil type in four eucalypt species [J]. Acta Ecologica, 2002, 23(1):23-30.

[26] 王俊杰，孟少童，張繼強(qiáng)，趙亞萍，薛睿，馬和. 微圃植樹法[J]. 甘肅林業(yè)科技，2014，39（3）：5-7.

[27] 閻飛，楊振明，韓麗梅. 植物化感作用（Allelopathy）及其作用物的研究方法[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（4）：692-696.

[28] 王俊杰，劉麗萍，郭鵬飛. 他感作用及其林學(xué)意義與思考[J]. 甘肅林業(yè)科技，2014，39（3）：11-17.

[29] 劉冬杰. 黃土高原主要人工林化感作用研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[30] CERDA A, GARCIA-FAYOS P. The influence of slope angle on sediment, water and seed losses on badland landscapes [J]. Geomorphology, 1997, 18(2): 77-90.

[31] 龔義勤. 蔬菜育種與種子生產(chǎn)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2000：186.

[32] 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備. 種子密度和比重的研究[EB/OL]. 新浪博客，（2011-09-14）[2016-08-10]. http://blog.sina.com.cn/s/ blog_6d37214b0100w0yr.html.

[33] 王尚雄，白曉麗，毛忠映，蘇萬青，李桂芬. 祁連圓柏不同催芽方法研究[J]. 甘肅林業(yè)科技，2015，40（1）：35-37.

[34] CERDA A, GARCIA-FAYOS P. The influence of seed size and shape on their removal by water erosion [J]. Catena, 2002, 48(4): 293-301.

[35] GARCIA-FAYOS P, CERDA A. Seed losses by surface wash in degraded Mediterranean environments [J]. Catena, 1997, 29(1): 73-83.

[36] 祝東立，賀學(xué)禮，石碩. 小五臺(tái)山15種蒿屬植物種子形態(tài)及萌發(fā)特性研究[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2007，27（11）：2328-2333.

[37] 互動(dòng)百科. 茶葉悖論[EB/OL].（2015-09-26）[2016-08-10]. http://www.baike.com/wiki/茶葉悖論.

The Expound and Prove on the Seeding Effect of Hillslope Runoff-Erosion

WANG Jun-jie
(Gansu Academy of Forestry, Lanzhou 730020, China)

Through field observations that hillslope runoff-erosion in addition to the negative effect, but also has powerful sowing, which is indispensable to vegetation succession mechanism of natural rejuvenating processes, the article adopts the method of combining theoretical analysis and observation conducted research. Based on the analysis of hillslope runoff-erosion and soil and their interactions, expounds the water starting performance and anchorage performance of plant seeds, the runoff response strategy, the requirements of plants settle in micro nursery, these further proved that hillslope runoff-erosion hare two kinds of effect which are creating micro nursery and seeding. Finally, the author pointed out that the slope surface water control is not blocking the runoff, but regulating runoff in rill flow range, so we can inhibit the unfavorable consequences caused by runoff-erosion, and give full play to its advantageous.

runoff-erosion; seed; micro nursery; sowing

S157

A

10.3969/j.issn. 1006-0960.2016.03.001

1006-0960（2016）03-0001-07

2016-08-16

甘肅省科技廳“甘肅南部泥石流生態(tài)修復(fù)樹種篩選（項(xiàng)目編號(hào)：1207TCYA046）”。

王俊杰（1963-），男，河北南皮人，研究員，從事林業(yè)科研。E-mail:544540562@qq.com