李 杰，卞 威

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 概述

因地形、氣候以及自然因素的影響，在我國出現(xiàn)了不同程度的水土流失問題[1]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要的元素之一，與自然環(huán)境的循環(huán)再生能力、生態(tài)系統(tǒng)的抗災(zāi)韌性能力息息相關(guān)。通過對(duì)植被系統(tǒng)的研究，充分地集合利用區(qū)域中的自然資源，從植被的角度出發(fā)控制水土流失問題，可以改善區(qū)域周邊的生態(tài)環(huán)境達(dá)到恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)與自然和諧相處的關(guān)系[2]。

目前國內(nèi)外一些學(xué)者研究了植被對(duì)水土保持的效果進(jìn)行了分析。余雙武等[3]采用薈萃分析方法，研究了典型草原植被和荒漠草原的植被地上生物量和植被蓋度，對(duì)該區(qū)域的水土保持生態(tài)效益進(jìn)行綜合分析，為該區(qū)做好水土保持工作提供技術(shù)支撐；王利成等[4]基于土地利用分類成果和水文連通指數(shù)空間分布,探討了延河流域植被景觀和水文連通性的格局特征,并借助Geoda 軟件平臺(tái)基于空間自相關(guān)理論探究了植被格局與水土在空間上的相關(guān)性；廖凱濤等[5]依托GIS 和Fragstats 平臺(tái)與長時(shí)間系列水沙數(shù)據(jù),運(yùn)用植被覆蓋指數(shù)分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,分析流域植被系統(tǒng)和水沙變化特征及其相關(guān)性；王亞軍[6]基于遙感數(shù)據(jù),使用增強(qiáng)型植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等覆蓋度指標(biāo)以及單一因素方差分析法對(duì)一個(gè)年度不同季節(jié)的植被動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究；何苗苗等[7]選用雙環(huán)入滲法探究土壤入滲特性。以滇池流域典型植被覆蓋類型為研究對(duì)象，揭示土壤入滲特性及影響入滲的特征因子。

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區(qū)被分成兩個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)區(qū)域。香根草的種植在其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行，而另一個(gè)區(qū)域未種植，用作對(duì)照試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行90 d 后，在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域取出代表性土壤，進(jìn)行了物理化學(xué)成分分析、氮吸附-脫附織構(gòu)分析、土壤塑性指數(shù)分析以及土壤滲透性分析，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次研究項(xiàng)目河道堤頂高程均為4.20 m。現(xiàn)有岸頂高程高于4.20 m 處則進(jìn)行整平,讓地表雨水順利匯入河道,發(fā)揮河道的匯水功能,既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠;低于高程4.20 m 處進(jìn)行加高。工程范圍內(nèi)村宅級(jí)河道無藍(lán)線,按照現(xiàn)場(chǎng)情況及河道斷面設(shè)計(jì)需求來進(jìn)行平面布置,在支河口位置,采用圓弧段與支河順接。工程等級(jí)為Ⅲ等,永久性護(hù)岸為3級(jí)水工建筑物,圍堰等臨時(shí)建筑物為5 級(jí)水工建筑物。現(xiàn)狀村級(jí)河道之間溝通主要是靠管涵溝通,受涵管管徑的影響,村級(jí)河道之間水系溝通不暢,暴雨期間雨水排出不暢。為充分體現(xiàn)河道水生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使河道滿足生態(tài)系統(tǒng)的多樣性要求。因此考慮河道的下級(jí)邊坡不做硬質(zhì)護(hù)砌，而常水位至河堤頂部的結(jié)構(gòu)，在滿足岸坡穩(wěn)定的前提下盡量采用有利于生物生存的生態(tài)護(hù)坡型式，為水生植物的生長、水生動(dòng)物的繁育和棲息創(chuàng)造條件。

2 材料與研究方法

本次實(shí)驗(yàn)從種植香根草開始，種植區(qū)為緊鄰河流域的一個(gè)邊坡，被分成兩個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)區(qū)域。香根草的種植在其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行，而另一個(gè)區(qū)域未種植，用作對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)一共有75 株植物，分別以3 行25 株的排列方式種植，植物之間的間距為0.5 m。兩個(gè)邊坡的坡角約為40°，土壤為砂質(zhì)黏土，礫石含量較低，表1 為土壤參數(shù)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行90 d后，在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域取出代表性土壤樣本進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。

表1 土壤參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 物理化學(xué)成分分析

表2 給出了有香根草和無香根草土壤樣品的物理化學(xué)成分。由表可知，兩種土壤的pH 值在5～6范圍內(nèi)，土壤表現(xiàn)出酸性，但種植香根草會(huì)導(dǎo)致土壤pH 值發(fā)生微小變化，其值較低，為5.89，產(chǎn)生原因可能與降雨有關(guān)。這種變化可能會(huì)影響一些元素的溶解度，有利于有機(jī)質(zhì)的高度礦化。土壤略微酸化對(duì)土壤特性來說影響不大，因?yàn)橄愀莸纳L在3～10.5 的pH 范圍內(nèi)。兩種土壤可溶性鹽和石膏的含量均較低，但在種植香根草后，可以觀察到硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導(dǎo)率比普通土壤的電導(dǎo)率高2 dS/m，表明香根草對(duì)保持土壤鹽度的作用不大。此外，試驗(yàn)還分析出在植物播種的作用下，土壤的陽離子交換容量值從高值（152～192）變?yōu)榈椭担?1～16），因此香根草是土壤產(chǎn)生非常好的肥料。

表2 土壤樣品的物理化學(xué)成分分析

3.2 氮吸附-脫附織構(gòu)分析

表3 給出了由固氮吸附和平均孔徑得出的比表面積值。由表可知，未種植香根草的土壤比表面積（單位：m2/g）為15.50（BET 方程）和21.25（Langmuir方程），而香根草樣本的值稍低，分別為11.68（BET）和16.04（Langmuir）。在這些樣本中，使用Langmuil模型通過氮吸附確定的比表面積值高于使用BET模型確定的比表面值。此外，使用Dolinar 的簡化方法確定非膨脹細(xì)粒土的外比表面積值沒有變化。

表3 土壤比表面積值（m2/g）

3.3 土壤塑性指數(shù)

通過測(cè)定塑性和顆粒尺寸進(jìn)行織構(gòu)分析。試驗(yàn)結(jié)果得出在種植香根草后，土壤的塑性降低，塑性指數(shù)為7.9，土壤分類為砂石灰的砂石灰混合物，或具有中等塑性的砂石灰礫石，可使用BET 和Langmuir比表面積估計(jì)塑性指數(shù)。

3.4 土壤滲透性分析

為了比較植物對(duì)土壤水分入滲的影響，在裸土地塊和覆蓋植物的地塊上進(jìn)行了兩次入滲試驗(yàn)。使用雙環(huán)入滲儀進(jìn)行試驗(yàn)，以準(zhǔn)確測(cè)量垂直入滲。測(cè)量時(shí)將兩個(gè)圓柱體垂直插入土壤中5 cm，然后用水膜填充。滲透深度在內(nèi)圓柱體中測(cè)量，而外環(huán)限制滲透后的水橫向擴(kuò)散。時(shí)間用測(cè)速儀記錄，土壤上方的水深度用測(cè)量桿測(cè)量。測(cè)量開始時(shí)，記錄時(shí)間以及內(nèi)環(huán)中的水位（參考水位）。

當(dāng)滲透水位達(dá)到特定深度時(shí)，水被注入內(nèi)環(huán)，以將水重新填充至初始水位，因此在滲透試驗(yàn)期間，水頭幾乎保持不變。試驗(yàn)結(jié)果通過經(jīng)典的Kostiakov-lewis 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析，該模型被廣泛用于表征農(nóng)業(yè)土壤中的滲透。該模型取決于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K（cm.min-n），n 值低于1。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)f（cm.min-n）為固有滲透率。Kostiakov-Lewis 方程如下所示：

在該方程中，Ia是滲透水位，cm；t是滲透時(shí)間時(shí)間，min；通過使用最小二乘法進(jìn)行非線性回歸，來對(duì)等式（1）中的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（K、n和f）進(jìn)行擬合。

表4 給出了裸露土壤和香根草覆蓋的土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數(shù)，由表可知，最優(yōu)擬合系數(shù)接近1，表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與該模型非常吻合。未種植和種植香根草土壤的滲透測(cè)量結(jié)果如圖1 所示。由圖可知，由于研究區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)黏土結(jié)構(gòu)，研究區(qū)域透率較高，種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結(jié)果可能與土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物根系造成的壓實(shí)有關(guān)，同時(shí)植物冠層吸收水分也可導(dǎo)致的滲透速率的降低，對(duì)保護(hù)邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。

表4 土壤的KostiakovLewis 方程擬合系數(shù)

圖1 土壤入滲速率（Ir）和累積入滲（Ic）曲線

4 土壤侵蝕防止措施

以下是有效控制侵蝕的一些常見策略，其中許多是再生農(nóng)業(yè)理念的一部分。值得注意的是，合適的侵蝕控制處理方法應(yīng)當(dāng)是基于具體的侵蝕過程提出的。

（1）構(gòu)建土壤有機(jī)質(zhì)：土壤有機(jī)質(zhì)由植物和動(dòng)物物質(zhì)分解組成，是幫助土壤粘合在一起并保持土壤固定的粘合劑。研究表明，將有機(jī)質(zhì)從1%增加到3%可以減少20%～33%的侵蝕，可以提高土壤的持水能力。

（2）使用侵蝕控制墊：侵蝕控制墊這種地面覆蓋物通常由可生物降解的材料制成，用于保護(hù)土壤，并為裸露在地面上的植被生長提供支撐。這種侵蝕控制方法通常對(duì)太陽能發(fā)電場(chǎng)和建筑工地非常有效，因?yàn)檫@些地方大片土地荒蕪，容易受到風(fēng)和水的侵蝕。

（3）實(shí)行免耕/少耕：這兩種方法能夠減少土壤侵蝕和徑流，有利于提高作物生產(chǎn)力和水質(zhì)。免耕還可以幫助減少氮和其他重要土壤養(yǎng)分的損失。

5 結(jié)論

本文采用香根草種植作為防止土壤流失的措施，種植區(qū)被分成兩個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)區(qū)域。香根草的種植在其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行而另一個(gè)區(qū)域未種植，兩區(qū)域用作對(duì)照試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行90 d 后，在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域取出代表性土壤，進(jìn)行了物理化學(xué)成分分析、氮吸附-脫附織構(gòu)分析、土壤塑性指數(shù)分析以及土壤滲透性分析。研究結(jié)果表明：

（1）種植香根草后，土壤硫酸鹽含量高于裸土邊坡。同樣，香根草土壤的電導(dǎo)率比普通土壤的電導(dǎo)率高2 dS/m，表明香根草對(duì)保持土壤鹽度的作用不大。

（2）種植香根草土壤的滲透率明顯低于無植被邊坡的滲透率，這一結(jié)果可能與土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物根系造成的壓實(shí)有關(guān)，同時(shí)植物冠層吸收水分也可導(dǎo)致的滲透速率的降低，對(duì)保護(hù)邊坡和減少土壤侵蝕具有較好的效果。