香根草植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀的影响

郭 萍，夏振尧,2，高 峰，胡 欢，张千恒，杨悦舒,2，肖 海,2

香根草植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀的影响

郭 萍1，夏振尧1,2，高 峰1，胡 欢1，张千恒1，杨悦舒1,2，肖 海1,2※

（1. 三峡库区地质灾害教育部重点实验室（三峡大学），宜昌 443002；2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，宜昌 443002）

紫色土坡地是三峡库区水土流失的主要来源，严重影响着三峡工程的运行安全。植物篱是三峡库区坡地的重要水土保持措施之一，具有明显的减流减沙效益，然而植物篱地上及地下部分对坡面侵蚀的影响尚不明确。为此，该研究通过设置2个坡度（15°和25°）、2个降雨强度（60和120 mm/h）和3个坡面条件（裸坡对照、植物篱和仅有植物篱根系），开展人工降雨试验，分析各试验条件下初始产流时间、径流量和侵蚀量的变化特征。结果表明：植物篱、地下部分和地上部分的平均减沙效益分别为75.59%、29.45%、46.13%，是对应的平均减流效益的4.79、4.60、4.92倍；地上部分和地下部分延缓初始产流时间、减流和减沙平均贡献率分别为48.28%和51.72%、62.25%和37.75%、60.44%和39.56%，表明植物篱对减沙作用更明显，且地上部分对产流产沙的影响大于其地下部分。以上结果加深了香根草植物篱对坡地侵蚀过程影响的理解，可为三峡库区紫色土坡地水土流失防治提供科学依据。

土壤；侵蚀；植物篱；三峡库区；地上部分；地下部分；减流减沙效益

0 引 言

三峡库区生态环境脆弱，水土流失严重[1-3]，水土流失面积占库区土地面积的66.80%[4]。同时，根据2018年全国水土流失动态监测成果，三峡库区所涉及湖北、重庆2省（市）的水土流失面积就占33.34%。作为三峡库区坡地主要土壤类型的紫色土水稳定性差、抗侵蚀性弱[5-6]，加上三峡库区山高坡陡、降雨集中且强度大[7]以及不合理的土地利用方式，侵蚀模数高达3 464～9 452 t/(km2·a)[8]，是库区水土流失和面源污染的主要来源[9]，严重影响三峡工程的运行安全[4]。植物篱是三峡库区坡地的重要水土保持措施之一，可以有效地控制水土流失、防止土地退化、保护生物多样性[2]，是治理紫色土坡地水土流失的一种良好生态措施，对库区紫色土坡地水土保持具有重要意义。

植物篱已受到国内外学术界的广泛关注[10-13]，在三峡库区坡地上的研究主要集中于植物篱的拦流减沙[14-15]、改善土壤物理性状[16]、改变微地形[17]等方面。大量研究表明，植物篱具有明显的减流减沙效益，且减沙效益大于减流效益[10-11]。在三峡库区坡地，马桑、黄荆、新银合欢等植物篱能使坡面径流量和土壤侵蚀量分别下降13.4%～70.8%和18.4%～70.0%[18]；香根草植物篱紫色土坡地径流量和侵蚀量分别是对照小区的61.50%和37.71%[19]。在黄土高原堆积体坡面，冲刷试验研究发现植物篱具有10%～45%的减沙效益[20-21]。在川中丘陵紫色土区域，植物篱能够减少径流和泥沙流失分别为28.9%和11.3%[22]。在东北黑土区，不同坡段植物篱能够减少坡面产流产沙率分别为5.40%～10.16%和51.90%～75.72%[10]；田间试验研究表明植物篱可减流49.2～50.6%以及减沙42.1%～44.6%[23]。在南方红壤坡地，植物篱在天然降雨条件下能够减少平均径流量和平均土壤侵蚀量分别为65.87%和91.29%[11]；通过2012—2018年的原位观测，植物篱每年可减少径流35%～36%和侵蚀泥沙32%～87%[24]。总体来说，不同区域不同试验条件不同物种植物篱的减流减沙效益存在差异，但其水土保持效益却显著。同时，国外相关研究也证明了植物篱能够有效地减少坡面径流和侵蚀产生[12-13,25-26]。

尽管如此，上述研究均是针对完整植物篱进行的研究，且也只是在试验现象和结果的基础上从不同角度定性地解释了植物篱减流减沙的原因。而植物是通过地上和地下两部分共同作用对坡面侵蚀过程造成影响[27-28]。目前关于植物地上部分和地下部分对减流减沙的影响及贡献开展了大量研究，为揭示植物减蚀机理提供了科学依据[29-30]。但针对三峡库区同区域从植物篱地上和地下部分角度分析植物篱对坡面侵蚀过程的影响及其地上地下部分对侵蚀影响的贡献研究较为少见。因此，本文以三峡库区坡地紫色土为研究对象，采用人工模拟降雨试验，设置2个坡度（15°和25°）、2个降雨强度（60和120 mm/h）和3个坡面条件（裸坡对照、植物篱和仅有植物篱根系），对比分析植物篱对坡面产流产沙过程的影响以及植物篱地上部分和地下部分的减流减沙效益及贡献率，以期加深植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀过程影响的理解。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤采自湖北省秭归县水田坝乡（110°38′～110°44′E，30°21′～30°10′N），是侏罗系上统蓬莱镇组紫色砂泥岩发育的A-C型石灰性紫色土。采样前清除地表植被残落物及固体杂块，并将土壤运至三峡大学经风干处理过5 mm筛以分离出根系石子等杂物备用。经测定，野外土壤容重为1.30 g/cm3，有机质含量为6.75 g/kg，pH值为6.87，颗粒组成为黏粒（<0.002 mm）占16.50%、粉粒（0.002～0.05 mm）占38.44%和砂粒（>0.05～2.00 mm）占45.06%，土壤质地为壤土（美国制）。

1.2 试验设计

1.2.1 试验设置

李秋艳等[31]对比分析发现在坡度为15°～25°的坡地适宜采用植物篱措施，三峡库区湖北段1 h最大降雨量在55～110 mm之间[7]。因此，本研究采用的是底板现浇钢筋混凝土（坡下设有排水口）和四壁砖块与水泥砂浆砌修建坡地实体模型（图1a），形成15°和25°两个坡度坡面实体模型有效尺寸为4.4 m长、1.0 m宽、0.5 m深。设计60和120 mm/h两个降雨强度开展人工模拟降雨试验。人工降雨设备采用中国科学院水利部水土保持研究所研制的BX-1型组合侧喷式降雨器，降雨高度最大可达7 m，有效降雨面积为5 m×7 m，降雨均匀度大于80%[32]。

植物选用三峡库区常用植物篱物种香根草，每带植物篱2行，行距为20 cm[19]。为节约成本和提高工作效率，减少植物篱植物生长时间的影响，采用植物篱生长槽养护形成植物篱带（图1b）。植物篱生长槽尺寸为1.0 m长、0.4 m宽和0.5 m高，其各面挡板均可以拆卸，同时形成15°和25°两个坡度，以便后续吊装至实体模型与坡面形成一致坡度。在生长槽底部装填10 cm厚粗砂以确保植物篱在生长过程中能够自由排水，然后将紫色土壤自下而上按设计容重1.30 g/cm3分层装填于生长槽中，并在2019年4月将香根草植物苗（两行，行距和株距分别为20和10 cm）移载至生长槽内并开始养护。试验前植物篱已经养护1年以上，形成了密闭的植物篱。正式试验前，将植物篱生长槽整体吊装至坡地实体模型对应位置并固定，拆卸前后挡板以避免挡板影响坡面侵蚀过程。随后分层（5 cm一层，共8层）装填坡地实体模型，装填前测定所装填土壤含水率，计算各层所需装填土壤量，并形成与野外一致的容重（1.30 g/cm3），形成植物篱坡面条件（P）。装填过程中在各层打毛并压实处理，以避免出现不同土层分层现象和保证装填土壤容重均匀。为避免所填土体与边壁四周（含与植物篱接触部分）出现不连续裂缝，在装填前对边壁四周进行洒水湿润处理并在装填过程中适当压实处理。对于仅有植物篱根系坡面条件（R），准备过程与P条件一致，待装填完成后用剪刀沿地表将植物篱地上部分全部剪掉。对于裸坡对照条件（CK），则使用紫色土按设计容重分层装填整个坡面。

1.2.2 降雨试验

待各坡面条件下坡地实体模型装填完成后，将模拟降雨器喷嘴直径换成最小值（5 mm），调整两个降雨器间距以及工作水压使雨强达到30 mm/h左右形成雾状雨对所铺设的土壤进行湿润处理。湿润过程中确保坡面土壤不被冲刷破坏，且至坡面表层土壤即将开始产生径流时停止模拟降雨，并使用塑料薄膜覆盖整个坡面静置24 h左右。正式降雨前在坡面覆盖塑料膜情况下将降雨强度率定至设计降雨强度后，掀开塑料膜并开始计时，待坡面开始连续产流后记录初始产流时间并再次开始计时，至产流60 min后结束降雨。降雨过程中每隔3 min换一次接样塑料桶，收集全部径流泥沙样。降雨结束后，对每个过程样的泥沙样进行称量并记录，然后将泥沙样充分搅拌，使用烧杯在泥沙上中下3个部位分别取样混合形成一个完整试样，静置24 h后倒掉上清液，采用烘干法得到泥沙含量，以计算不同降雨场次坡地的侵蚀量和径流量。

1.3 指标测定与数据分析

土壤容重采用环刀法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[33]；pH值采用pH酸度计法测定[34]；土壤颗粒采用TopSizer激光粒度分析仪（SCF-108，珠海欧美克仪器公司，中国）扫描法测定。

径流率（，L/min）[35]和侵蚀率（，kg/min）计算公式（1）、（2）：

式中R为接样时间内收集的径流量，L；S为接样时间内收集的径流中所含泥沙量，kg；为接样时间，min。

对比分析P和R两种坡面条件与CK坡面条件的初始产流时间、径流量和侵蚀量等模拟降雨试验过程中获取的指标数据结果，分别获得完整植物篱和植物篱地下部分对测定指标的影响结果，植物篱地上部分对测定指标的影响结果通过完整植物篱对测定指标的影响结果减去植物篱地下部分对测定指标的影响结果获得。因此，植物篱延缓初始产流时间百比分（1，%）、减流效益（2，%）、减沙效益（3，%），相应植物篱地下部分延缓初始产流时间百比分（R1，%）、减流效益（R2，%）、减沙效益（R3，%）以及植物篱地上部分延缓初始产流时间百比分（R1，%）、减流效益（R2，%）、减沙效益（R3，%）分别按公式（3）、（4）、（5）计算。