红壤坡地香根草植物篱产流产沙过程模拟

袁久芹，梁音，曹龙熹

(中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室，南京土壤研究所，210008，南京)

我国坡耕地面积占总耕地面积的20%，南方红壤区坡耕地面积占旱地面积的70%以上。全国坡耕地面积占水土流失总面积的6.7%，产生的土壤流失量却占到全国的28.3%［1］。坡耕地严重的水土流失，成为发展“高产优质高效”农业的瓶颈，制约了当地“强农惠农富农”目标的实现;因此，探索、研究和实施有效的控制坡耕地水土流失技术，对实现我国资源、环境和人口的协调发展意义重大。

等高植物篱是在坡耕地沿等高线每隔一定距离，布设密植生长速度快、萌生力强的灌木或灌化乔木以及灌草结合的植物篱带，带间布置农作物和经济作物［2］。植物篱作为坡耕地一种有效的水土保持生物措施，在水土保持领域备受关注。近年来，国内外学者在植物篱品种选择［3］、水土保持效果［4-5］、生态功能评价［6-7］等方面进行了研究，揭示了植物篱在控制水土流失、改善土壤理化性质、减小坡度、缩短坡长等生态效益以及经济效益提高等多方面的综合效应［8］。学者们通过不同试验证明了植物篱的水土保持作用，并发现不同植物篱对坡面产流和产沙过程影响不同［9］。许峰等［10］通过模拟降雨试验，得出香根草(Vetiveria zizanioides L.)植物篱能减少相当于对照坡耕地的82.2%的侵蚀量，并可进一步控制土壤养分流失;蔡强国等［11］通过小区天然降雨观测和人工模拟降雨试验，分析了植物篱控制水土流失的机制，认为其主要通过根部阻挡水流速度，降低水流挟沙能力，减少细沟形成，从而减少土壤侵蚀;R.C.Rosecrance 等［12］也有类似结果，并发现在种植植物篱4 年后，土壤持水量得到了改善。香根草已在热带和亚热带地区被广泛用来防治水土流失，夏汉平［13］研究表明，在坡度为15°～42°的坡耕地上，种植香根草篱后可减少土壤侵蚀90%。

以上研究增加了人们对坡耕地植物篱水土保持效益的认识，但对植物篱条件下的水土流失机制研究仍不充分。传统研究主要依靠小区监测和试验，得到的结果是植物篱增渗减流、减弱雨滴打击、拦截径流等多种水土保持机制的综合效应，很难单独模拟某一个过程并量化其过程关键参数，对于植物篱地上秆茎和地下根系在减流减沙方面的相对重要性认识不够，例如，植物篱如何分别影响坡面产流过程和产沙过程，植物篱不同部位在这一过程中的作用和贡献大小如何等。解决这些问题对于坡耕地植物篱的优化配置非常重要，而现有的研究结果尚不能满足要求，都是在整个坡面径流小区上进行的植物篱拦截作用的研究。基于此，笔者以南方红壤区香根草植物篱为研究对象，通过开展人工模拟降雨微区试验，研究模拟降雨条件下植物篱的产流产沙过程以及植物篱不同部位的减流减沙贡献率。

1 试验区概况

野外人工模拟降雨试验研究区位于江西省余江县刘垦三分场(E 116°53＇，N 28°14＇)，属亚热带季风气候，年平均气温17.8 ℃，年均降雨量约1 795 mm，50%左右的年降雨分布在4—6 月。研究区为低丘缓坡地形，坡度在3°～15°之间，海拔为35 ～60 m。成土母质为红砂岩，土壤类型为红壤，富含铁氧化物，黏土矿物以高岭石为主。土壤中的有机质、有效磷和钾的质量分数都较低，尤其以有效磷的缺乏最为严重［14］，因此，土地生产力低，人类高强度的开发和干扰导致该研究区的土壤侵蚀较为严重。

香根草是一种多年生草本植物，须根系统纵深发达，可深达2 ～3 m，能较牢固地固持土壤，没有匍匐茎或根状茎，不会成为农田杂草;地上部分簇生成丛，在短时间内就能形成致密的绿篱带［15］。研究区香根草植物篱已种植2 年，平均高1.2 m，篱带宽0.5 m。篱带沿等高线方向布设，所在坡面坡度约5°。

2 试验设计与过程

2.1 试验设计

人工模拟降雨试验于2012 年8 月进行，选择同一坡度的香根草、普通草地和裸地3 种土地利用类型。普通草地为休闲地，即各条带植物篱之间的农地，进行试验时，农地花生已收获，已闲置一段时间，其上长有杂草，主要代表性杂草为狗牙根(Cynodon dactylon(Linn.)Pers)，其茎匍匐生长，节间着地即可生根。尽量选择裸露的地块，如有少量杂草，用剪刀小心地剪去地上部分，不造成土壤扰动。

为恢复地力，研究区大部分农地收获花生后到来年春天一直被闲置，由于缺乏管理，其上长有杂草，降雨时易造成一定的水土流失，即本研究所选取的普通草地所在区，代表当地收获花生后到来年春季坡耕地的普遍状况。选择普通草地和裸地进行研究，可代表当地的实际耕作情况。裸地作为对照类型，另外2 种类型每类选择3 块盖度不同的地(表1)。

为了进一步探究香根草不同部位对产流产沙的影响，在香根草小区降雨试验结束后，割去地上部分，得到香根草-割类型，再进行降雨试验。顺坡向设置1 m×1 m 的微区，0.5 m 宽的草篱位于微区正中。微区边界由3 块25 cm 宽的镀锌铁皮和集沙槽围起，铁皮有10 cm 宽，插入土中防止侧渗，形成的边界高15 cm，集沙槽高15 cm、宽1 m、长50 cm。在出口处挖取样池，直径30 cm，为了防止排水不畅，在出口处下方挖引流沟以便排水(图1)。

试验使用的便携式人工模拟降雨机按照A.Covert 等［16］提供的方案设计，主要包括汽油发电机、水泵、水管、压力表、喷头等，由4 根6 m 长的可松卸的钢管支撑起来，压力表和喷头被固定在由4根50 cm 长的钢管连接成的正方形框架上，降雨机中间挂一铅垂，以便调节喷头高度到3 m，具体结构参数见图1。采用美国Spraying system 公司的Fulljet 系列实心锥形喷头，不同的喷头可模拟不同强度的降雨。率定结果表明，当喷头高度达到3 m、水压力为40 kPa 时，该型喷头产生的雨滴降落速度和动能大小与自然降雨接近［17］，在喷头正下方1 m2范围内，降雨均匀系数大于80%。整个装置为组合式结构，方便安装、拆卸和运输。

表1 试验小区基本概况Tab.1 Properties of experimental plots

图1 便携式人工模拟降雨机结构简图Fig.1 Instruction diagram of portable rainfall simulator

2.2 试验过程

张黎明等［18］对鹰潭地区1999—2003 年5 年的降雨强度研究结果表明，该地平均月累计30 min 降雨强度(I30)为20 ～127.4 mm/h。根据这一范围，试验选择2 种不同型号的喷头，实际每场降雨计算得到的降雨强度范围为49.79 ～90.11 mm/h，2 种型号喷头各自的平均降雨强度为60.10 和82.44 mm/h，对应的喷头型号分别为Fulljet 1/2HH-30WSQ 和Fulljet 1/2HH-50WSQ。每种降雨强度试验重复2次，进行平均，共进行40 场降雨。试验开始前，在小区外侧附近取土样，测定土壤密度、机械组成和有机质质量分数等指标，同时观测植被覆盖度。为保证每场试验的一致性，同一地类的2 种降雨强度降雨试验不换样地。为消除土壤前期含水率差别较大对侵蚀的影响，在前一场试验结束后，样地搁置，让水分充分下渗，在自然状态下风干或晒干，再在该样地上进行下一场试验。为使试验更具对比性，香根草-割类型是在香根草小区上人工降雨试验做完后割去秆茎而产生的。

试验微区布设好以后，将降雨机架在微区正中间，调节脚架到设定高度。每场降雨之前需进行降雨强度校订，先用一块防水布将实验微区盖住，调节阀门直到压力表达到40 kPa，这时迅速撤掉防水布，开始试验并计时。试验开始后，记录产流时间，每隔1 min 取径流泥沙样，直到500 mL 取样瓶取满为止，并记下取样的起止时间，降雨过程持续30 min。试验结束后用烘干法测定泥沙量并计算侵蚀量。

试验过程中，在小区4 个角各放一个雨量筒，统计每场降雨的实际降雨强度，将同一喷头的20 场降雨的降雨强度进行平均，得到设定的大、小喷头的实际降雨强度分别为82.44 和60.10 mm/h。

3 结果与分析

3.1 侵蚀特征量与降雨强度的关系

3.1.1 初始产流时间 不同降雨强度下各地类的初始产流时间见表2。对于香根草植物篱，由于地上部分空中截流、植物秆茎阻碍地表径流、地表枯落物截流、植物根系增加入渗，使其初始产流时间明显滞后于其他几类。从降雨强度上分析，2 种降雨强度下同一立地类型的产流时间差异不明显。在同一降雨强度条件下，从香根草到裸地，其产流时间有逐渐缩短的趋势，以大降雨强度的趋势更为明显。可知，在降雨强度较大的南方红壤区，坡耕地上种植香根草植物篱意义更大，其减缓径流的效果更显著。

表2 不同降雨强度下各立地类型的初始产流时间Tab.2 Runoff-yielding time of different land types and rainfall intensity min

3.1.2 产流量和侵蚀速率 从40 场降雨的降雨强度和对应的产流量、土壤侵蚀速率的关系散点图(图2 和图3)可以看出:随着降雨强度的增大，香根草和香根草-割的产流量和侵蚀速率的增加速度较草地和裸地缓慢，而裸地和普通草地拟合的与降雨强度的关系直线斜率较陡，增加速率较快，裸地的产流量和侵蚀速率随降雨强度的增加急剧增大。由此推断，在南方红壤区暴雨条件下，裸露土地水土流失相当严重，迫切需要加强水土保持措施建设。图3中，香根草侵蚀速率与降雨强度的关系直线近似与X 轴平行，其随降雨强度的增加变化不大，很好地体现了香根草植物篱在大的降雨强度条件下控制水土流失的优势。

图2 不同立地类型产流量与降雨强度的关系Fig.2 Relationship between flow rate and rainfall intensity

3.2 产流特征

图3 不同立地类型土壤侵蚀速率与降雨强度的关系Fig.3 Relationship between erosion rate and rainfall intensity

3.2.1 总产流量 单因素方差分析显示，P=0.046 ＜0.05，认为不同立地类型之间产流量差异显著，进一步进行Duncan 多重对比分析，香根草、香根草-割、草地之间差异不显著，而裸地与其他地类差异显著(表3)。将总降雨量与产流量的差除以总降雨量即得各立地类型的入渗率，香根草与香根草-割的入渗率不同，表明香根草植物的秆茎在减流方面作用显著;同样没有秆茎作用的香根草-割和草地，由于香根草-割的根系比草地发达，其产流量减少，说明植物根系的减流作用明显;裸地与草地相比，由于没有根系的作用，其产流增加。综上，由于香根草地上部分庞大的生物量以及地下强大的根系，其产流量明显减少。香根草的入渗率比香根草-割增加了5%，比裸地增加了21%，由此推论，香根草地上部分生物量增加了5%的入渗量，地下部分庞大的根系增加了16%的入渗量。由于根系的作用，香根草地类的土壤有机质质量分数高于普通草地和裸地(表1)，土壤结构得到改善，香根草的减流效应主要依靠其地下部分强大的根系增加入渗量。

3.2.2 产流过程 将同一立地类型的各场降雨按降雨强度大小分别进行平均，选择某一场降雨的各次径流取样的起止时间为序列，其余场降雨的时段产流强度值按时间线性插值到该序列上，得到不同降雨强度的时段产流强度过程线(图4)。可以看出，香根草的产流强度在各时段最低，裸地最高，香根草的产流过程线斜率比其他的小，说明香根草可有效地减缓径流。各类型小区的产流强度总体趋势都是先增加后趋于平稳。由于各小区土壤在降雨前期初始含水量都比较低，降雨开始时都以入渗为主，这时的产流强度都比较低，随着降雨过程的继续，土壤含水量逐渐达到饱和，开始形成地面径流，这时产流强度急剧上升，到达一定的时间后逐渐趋于稳定。

图4 不同降雨强度条件下产流强度过程线Fig.4 Curves of flow rate at different rainfall intensities

由于香根草小区地上部分庞大的生物量，对降雨雨滴具有巨大的消能作用，秆茎拦截部分降雨，使土壤保持疏松状态，具有较高的径流入渗率;同时，香根草发达的地下根系，也给水流的入渗创造了良好的条件;由于枯落物的存在使得地表粗糙度增加，减缓了坡面径流流速，也加大了水流入渗的可能性［19］。综合这些条件，香根草植物篱的产流强度值最低。

裸地的产流强度在各立地类型中始终最高，初始产流强度大，直线斜率陡，产流强度增加剧烈，由于其地表裸露，土壤干燥，土壤孔隙内完全被空气所充满，土壤透水能力降低，不能充分吸收水分，大量雨水变为地表径流。当达到一定程度时，雨水才逐渐加大渗透能。

平均降雨强度82.44 mm/h 条件(图4(a))下，降雨过程前15 min 内，香根草的产流强度低于香根草-割，15 min 后二者的产流强度接近，可见，在大降雨强度条件下秆茎拦截降雨能力有限;草地和香根草-割的产流量在降雨初期和末期接近，10 ～25 min之间草地形成一小高峰，进一步说明对于减流，起决定作用的是地下根系，而不是地上部分的秆茎截流。降雨强度较小条件(图4(b))下，各小区产流强度曲线始终很平稳，香根草和香根草-割的产流强度差各时段接近，草地在降雨中后期的产流强度不稳定。

3.3 侵蚀特征

3.3.1 侵蚀量 将各地类的所有场次降雨的土壤侵蚀量平均，进行单因素方差分析。结果(表4)显示，P=0.011 ＜0.05，认为不同地类之间土壤侵蚀量差异显著，进一步做Duncan 多重对比分析，香根草与其他3 类之间有显著差异，其余三者之间差异不明显。

表4 不同立地类型的土壤侵蚀量Tab.4 Sediment yield of different plots

各立地类型土壤的平均侵蚀量依次为香根草＜香根草-割＜草地＜裸地，裸地的侵蚀量是香根草的5.6 倍之多，由于香根草植物篱地上部分庞大的生物量，减弱了雨滴对土壤的打击，地下部分强大的根系，固结土壤的效果甚好。对比香根草与香根草-割2 种类型，香根草的侵蚀量减少了75%，可见香根草植物篱的地上部分对降雨打击力的削弱作用影响很大，从而减少了对土壤的破坏，侵蚀量减少。由此推断，香根草的减沙效应主要依靠地上部分庞大的生物量对雨滴动能的削弱。

3.3.2 土壤侵蚀过程 图5 为不同降雨强度的土壤侵蚀强度过程线。可以看出，香根草小区的侵蚀强度线始终保持低而平稳的趋势，草地和香根草-割的侵蚀强度线动态交错。降雨初期，各小区的侵蚀强度线较平稳，这是由于降雨初期，径流量小，搬运泥沙的能力有限，再加上部分填洼过程，使得侵蚀强度不高。继而，各小区在不同的时间形成一小高峰，之后又趋于平稳，其原因主要是降雨初期雨滴击溅在坡面上产生大量分散的土粒，这些土粒在坡面刚刚形成的薄层水流的搬运下，形成了侵蚀高峰，随着降雨的继续，表层易侵蚀的土壤已经被侵蚀，表层以下的土壤由于比较紧密，使土壤抗侵蚀能力相应增强，此外，薄层水流的存在，使雨滴击溅的土粒减少，坡面土壤侵蚀量逐渐下降并趋于稳定。

大降雨强度条件(图5(a))下，降雨前9 min，香根草-割和草地的侵蚀强度接近，9 min 以后草地的侵蚀量快速增加，明显高于香根草-割，由于香根草-割地上部分的留茬，在一定程度上也削弱了雨滴动能，减少了土壤侵蚀。小降雨强度条件(图5(b))下，香根草-割和草地的侵蚀强度动态交错，降雨8 min 前和22 min 后，香根草-割、草地以及裸地的侵蚀强度趋势一致且侵蚀量接近，没有地上秆茎作用的立地类型侵蚀过程一致。

比较图5(a)和(b)可知，大降雨强度条件下，各时段的侵蚀强度高于对应时段的小降雨强度的侵蚀强度，香根草割与不割，其土壤侵蚀量相差很大，没有刈割的香根草，地上部分庞大的生物量削弱了雨滴的动能，减少了土壤的流失量。说明香根草的地上部分秆茎作用对减沙效果影响显著。大降雨强度下，香根草地侵蚀强度相比裸地的减少量比小降雨强度条件更明显，说明大降雨强度条件下香根草植物篱的减沙效应更显著。

图5 不同降雨强度下的土壤侵蚀强度过程线Fig.5 Curves of sediment rate at different rainfall intensities

4 结论与讨论

1)与普通草地和裸地相比，香根草植物篱具有明显的减流减沙效益，主要表现在延长坡面产流时间，降低产流产沙速率，消减坡面强烈的侵蚀产沙过程。相比裸地，香根草减流21%，产沙量只有裸地的18%。

2)香根草植物篱在大降雨强度条件下的减流减沙效应更显著。对于降雨强度大的南方红壤区来说，在坡耕地上种植香根草植物篱，意义更大。

3)香根草植物篱不同部位的减流和减沙作用各不相同。与裸地相比，地下部分庞大的根系增加了16%的入渗量，地上部分生物量增加了5%的入渗，减流效应主要依靠地下部分根系对土壤结构的改善;对比香根草与香根草-割2 种类型，香根草植物篱的地上部分可减少75%的侵蚀量。

坡耕地是坡面侵蚀的主要利用类型，在坡耕地上种植植物篱等生态治理措施控制侵蚀效益明显，特别是能够充分拦截长历时、高强度的降雨，强化降雨的就地入渗，有效地减少坡面的来水来沙;因此，坡耕地植物篱营造是解决红壤区水土流失、恢复良性生态环境的重要途径。作为农田植物篱水土保持机制系统研究的一部分，本研究主要探讨了植物篱条带对其所覆盖区域的减流减沙机制，而在坡耕地上布设植物篱不仅要明确篱下水土流失过程，更要研究坡面尺度上植物篱带对上方径流泥沙的拦截作用。在下一步研究中，将依托田间试验小区开展坡面径流模拟，从坡面水动力学过程角度探讨植物篱带对径流水力参数的影响。