植被改善土壤侵蚀和水分流失效应分析.pdf

2023年7月收稿日期：20221222作者简介：王通（1989），男，工程师，主要从事水土保持设计工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.002植被改善土壤侵蚀和水分流失效应分析王通（六盘水市水利水电勘测设计研究院，贵州六盘水553000）摘要：植物种植是当前防治水土流失的重要措施，因其根茎具有较好的锚固作用，能够增强土壤的抗冲蚀力，长期以来被广泛运用于水土保持项目中。以贵州省内水土流失重点观察区域为例，采用当地根茎土壤进行了降雨侵蚀试验，研究了不同根茎指标对土壤流失的影响，最后分析了根系防止土壤侵蚀机理和防治措施，研究方法可为相关工程提供参考。关键词：植物根系；土壤侵蚀；降雨模拟中图分类号：S157.1；S157.4+3文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0008-03Vegetation Effects on Soil Erosion and Water Loss MitigationWANG Tong（Liupanshui Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Liupanshui 553000，China）Abstract：Vegetation planting is an important measure for preventing and controlling soil erosion due to the anchoringeffect of roots and stems，which enhances soil erosion resistance.In recent years，it has been widely applied in soil andwater conservation projects.Taking the key observation areas of soil erosion in Guizhou Province as an example，rainfallerosion experiments are conducted using local soil with roots and stems to study the influence of different root and stemindicators on soil erosion.Finally，the mechanism of root systems in preventing soil erosion and relevant control measuresare analyzed.The research methods can provide references for related engineering projects.Key words：plant root system；soil erosion；rainfall simulation1概述如何解决水土流失问题是我国面临的巨大挑战。从灾害角度来看，水土流失会增加地表径流，当暴雨发生时，由于地面坡度大，坡面截流能力较差，会加大滑坡、泥石流等自然灾害发生概率1-3。另一方面，水土流失同样会造成生态恶化。因为土被侵蚀、被搬运，肥沃的表土被搬运至他处，径流白白流失，导致土壤肥力下降、水资源缺乏，进而导致整个生态系统的变化。因此，采取适当的水土保持措施，对于减少灾害发生频率、改善生态环境具有重要作用4。贾国贤5对渭干河灌区内麻扎干渠节水改造工程水土流失问题进行分析，提出水土流失量预测措施；牛文鹏等6对工程建设过程中的水土流失情况进行分析预测，提出具体水土保持防治措施；张佳威7利用ArcGIS的ModelBuilder构建基于加权叠加算法的土壤侵蚀强度类型自动绘制模型，对土壤侵蚀状况进行现状分析和影响评估；李瑞等8采用RUSLE模型、Getis-OrdGi、地理探测器等方法，量化了石漠化强度评价因子与土壤侵蚀之间的关系；孙家新等9以沂水县为研究对象，基于全国水土流失动态监测成果，对其土壤侵蚀时空变化特征及变化原因进行分析；王玮娟10以汕头至湛江高速公路项目为例，探讨了水土流失现状及防治措施。植物种植是当前防治水土流失的重要措施，因其根茎具有较好的锚固作用，能够增强土壤的抗冲蚀力，长期以来来被广泛运用于水土保持项目中。本文以贵州省内水土流失重点观察区域为例，采用当地根茎土壤进行了降雨侵蚀试验，研究了不同根茎指标对土壤流失的影响，最后分析了根系防止土壤侵蚀机理和防治措施，研究方法可为相关工程提供参考。2研究区概况本次研究区域位于贵州省内，研究土样取自试验站的草地、休耕地和部分植被覆盖区。研究区域旱季较长，年平均降雨量为1 850 mm，平均气温为海河水利 82023.No.711109876543210AS/（Lg-1）图1土壤抗侵蚀指数与根密度关系0123456789RD/（gcm-3）试验值拟合曲线R2=0.901（P0.01）N=18图2土壤抗侵蚀指数与根长密度关系28.4。该地区具有典型的红土地貌和地形，海拔为 2085 m，土壤黏土含量分别为 56%、24%和20%，密度为 1.82 g/cm3。取样时使用锤子将刚盒（0.35 m长、0.09 m宽和0.08 m深）打入土壤中，为了保护刚盒，在顶部放置木板防止刚盒变形。取样后，将样品放置（包含根系）在一个容器中，器皿水位恒定在土壤表面以下3.5 cm，允许水在土壤毛细管中缓慢上升8 h，使得所有样品具有相似的土壤水分含量，最后采样后所有样品都在常温（2025）下储存。3研究方法本次土壤流失试验采用侵蚀模拟器进行，水槽长1.82 m、宽0.94 m，其底部有一个开口，与金属样品箱的尺寸（长35 cm、深9 cm、宽8 cm）保持一致，使带有根系的土壤表面与水槽表面处于同一水平。土壤侵蚀盘的坡度为15，带有单中心喷嘴以模拟自然降雨，降雨流速为910 L/min。为了收集多余的水和被侵蚀的土壤，本研究还在侵蚀盘的底部放置了测量桶。测量桶每3 min更换1次，以了解含沙量的变化。所有收集到的水和泥沙随后被带到实验室，对径流水量和泥沙浓度进行详细分析。每次试验持续1.5 min，在桶中收集径流和沉积物，试验结束后将桶中水进行静置，直到悬浮沉积物沉淀，然后用虹吸管吸出清水，将沉淀物转移到玻璃中，并在105 下干燥，放置8 h后称重。土壤抗侵蚀指数计算公式如下：AS=ftW（1）式中：AS为土壤抗侵蚀指数；f为流速（L/min）；t为冲刷时间（min）；W为烘干沉积物的重量（g）。土壤AS越高，土壤抗侵蚀性越强。为测得根系对土壤流失的影响，每次试验后，通过在低水压下喷水将根系从土壤中分离，然后测量每个样品的根密度。根密度RD是土壤样品的根质量和体积之比，其计算公式为：RD=MDV（2）式中：MD为干燥根系的质量（g）；V为样品箱的体积（cm3）。另一方面，根长密度RLD表示根的总长度除以根渗透土壤的体积，其计算公式为：RLD=LRV（3）式中：LR为根系长度（cm）；V为样品箱的体积（cm3）。根表面积密度RSAD表示土壤与根系表面接触的总面积，其计算公式为：RSAD=N(D RL2)（4）式中：N为根数；D为平均根直径（cm）；RL为平均根长（cm）。4试验结果分析本次试验结果使用LSD（最小显著性差异）程序在0.01显著性水平上进行多范围分析，确定土壤抗侵蚀性和植物根系之间的关系。分析时，通过非线性回归方法研究土壤抗侵蚀指标AS与根密度RD、根长密度RLD和根表面积密度RSAD之间的关系，回归结果用衰减系数来评价。AS与根系各指标之间的数学关系，如图13所示。由图13可知，AS分别随RD、RLD和RSAD增大而增大，不同植被的根直径差异很大，对土壤抗侵蚀性的影响也不同，不同根系直径参数下 AS 相差 7 L/g 左右。当 RD 为 1，AS 为3 L/g；当RD为8.5，AS为9.5 L/g左右。当RLD为 2.2，AS 为 3.1L/g；当 RLD 为 8.5，AS 为 9.5 L/g 左右。当RSAD为0.1，AS为3.5 L/g；当RSAD为1，AS为9.5 L/g左右。AS/（Lg-1）111098765432100123456789王通：植被改善土壤侵蚀和水分流失效应分析试验值拟合曲线RLD/（cmcm-3）R2=0.902（P0.01）N=18 92023年7月5根系抗侵蚀机理分析及防治措施由试验结果可知，植物根系能够较好地提高土壤抗侵蚀性，这是由于植物根系间的锚固作用，能够增强植物根系与土壤间的凝聚力，从而增强土壤的抗冲蚀力。同时，根系也通过分泌物质来改变土壤，将土壤粘在一起来提高土壤的抗侵蚀性。根尖上通常有十分细小的毛须，随着根的成熟，毛须会改变根部周围的土壤，使其更稳定、更容易附着，因此种植植物对土壤流失防治具有重大意义。对于将来土壤防治措施，建议种植以下植物和树木。首先是灌木，该品种是中小型多年生植物，与树木具有共同特征。灌木通常是耐寒植物，由于其强壮的根系和浓密的花朵，是保护周围土壤免受强风、阳光和倾盆大雨侵袭的较好选择。其次，种植当地草生植物也是控制土壤侵蚀的最佳选择之一，因为它的须根能够迅速深入土壤并生长蔓延，能很好地防治土壤侵蚀。总之，种植地被、灌木、草和树木等植物均是有助于防止土壤侵蚀的天然解决方案，该种方法不仅能够防止土壤颗粒流失，同时也能够防止土壤营养流失，因此值得推广应用。6结论水土流失会增加地表径流，造成生态恶化，导致土壤肥力下降、水资源缺乏，因此采取适当的水土保持措施具有重要作用。本文以贵州省内水土流失重点观察区域为例，采用当地根茎土壤进行了降雨侵蚀试验，研究了不同根茎指标对土壤流失的影响，最后分析了根系防止土壤侵蚀机理和防治措施。结果表明，土壤抗侵蚀指标分别随根密度、根长密度和根表面积密度增大而增大，不同植被的根直径差异很大，对土壤抗侵蚀性的影响也不同，不同根系直径参数下土壤抗侵蚀指标相差7 L/g左右。因此，植物根系能够较好地提高土壤抗侵蚀性，增强植物根系与土壤间的凝聚力，从而增强土壤的抗冲蚀力，值得推广应用。参考文献1 何茂林，张玉珊，高家勇，等.喀斯特区土壤侵蚀与石漠化协同演变及交互关系J/OL.水土保持学报：1-112022-11-19.2 卢谌.大陂河水环境整治工程水土流失预测及防治建议J.水利科学与寒区工程，2022，5（10）：67-70.3 李康华.粤北山区某灌区节水改造工程水土保持措施设计J.水利科学与寒区工程，2022，5（10）：71-74.4 刘小梅，李勇，黄智刚，等.广西集约化甘蔗种植小流域土壤侵蚀及养分流失时空特征J.中国水土保持科学（中英文），2022，20（5）：75-84.5 贾国贤.干渠节水改造工程水土流失预测及防治措施J.河南水利与南水北调，2022，51（9）：24-25.6 牛文鹏，高俊，郝名利，等.广佛环线西环段城轨线路工程建设中的水土流失预测及防治措施研究J.地下水，2022，44（5）：250-253.7 张佳威.基于ModelBuilder的济南至滨州高速铁路沿线土壤侵蚀建模及分析J.铁路节能环保与安全卫生，2022，12（4）：1-5，14.8 李瑞，袁江.区域尺度喀斯特区石漠化强度对土壤流失的影响J.农业工程学报，2022，38（15）：84-92.9 孙家新，袁利，袁学勤.沂水县水土流失动态变化及防治对策研究J.治淮，2022（7）：82-84.10 王玮娟.高速公路项目水土流失现状及防治措施探讨J.陕西水利，2022（6）：101-104.图3土壤抗侵蚀指数与根表面积密度关系111098765432100.00.20.40.60.81.01.2AS/（Lg-1）RSAD/（cm2cm-3）试验值拟合曲线R2=0.981（P0.01）N=18海河水利10