植被盖度指植物群落总体或个体的地上部分垂直投影面积与样方面积之比的百分数。为了更好地表述草地植被盖度对侵蚀的影响, 研究者们引入了草地有效盖度和临界盖度的概念, 有效盖度即草地土壤流失量达到允许流失量时的盖度, 临界盖度指草地植被水土保持作用达到最大或极限时的盖度^[5]。对于黄土高原地区, 多数学者将60%~70%的盖度作为草地植被的有效盖度^[6~8]; 焦菊英等^[9]通过小区资料分析得出, 林草措施在十年一遇的暴雨条件下, 坡度为20° , 25° , 30° 和35° 的小区, 草地植被有效盖度分别达到63.4%, 71.1%, 77.3%和82.6%时才能有效发挥水土保持作用; 孙佳美等^[10]试验得出黑麦草的减水效果存在临界盖度, 其值在60%左右。

关于草地植被盖度与侵蚀之间的关系, 研究者们得出了许多结论(表1)。对比这些公式可以看出, 虽然侵蚀与盖度间的函数关系形式多样, 包括指数、对数和幂函数, 但它们之间都是负相关关系, 即土壤侵蚀量随盖度增大均减少, 说明草地植被具有很好的水土保持作用。导致多种结论出现可能是由于对盖度不能进行精确控制, 草地种植方式、草地类型以及分析数据时采用的方法不同等造成的。Zhou等^[16]总结前人研究成果, 基于气候变化、生态压力和人类活动等因素开发了一个关于草地植被盖度与土壤侵蚀关系的模型, 能够很精确地模拟黄土高原草地植被盖度与侵蚀间的动态关系。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 草地植被盖度与侵蚀之间的关系式 Table 1 The relationship between grass coverage and erosion 研究者 关系式 罗伟祥等[11] W=-11.180+1099.801× , W为冲刷量(kg) 江忠善等[12] C=e-0.0418(V-5) V> 5%, C为草地土壤流失系数 石生新等[13] Q=8.622e-3.42V, Q为累计产沙量(kg) 董荣万等[14] M=22.2707-4.4438lnV, M为平均侵蚀量(t/km2) 郑良勇[15] W=28157.53× Q2.38× V-2.82, W为径流输沙率(g/min), Q为径流流量(L/min) 注:V为草地覆盖度(%); 将草地小区侵蚀模数与对照裸露农地小区侵蚀模数的比值定义为草地土壤流失系数C, 并将 植被覆盖度小于或等于5%时的草地土壤流失系数取为1

表1 草地植被盖度与侵蚀之间的关系式 Table 1 The relationship between grass coverage and erosion

草地植被对侵蚀的影响实质上是通过改变水力学参数, 使坡面产流产沙条件发生变化, 从而影响土壤侵蚀过程。总结前人研究成果发现, 随着草地植被盖度增加, 水流流速、径流深、雷诺数和弗劳德数均减小, 阻力系数则增大^{[17, 18]}; 而随着坡度增大, 水流流速和弗劳德数均有增大趋势, 径流深和阻力系数则有减小趋势^[19]。

草地植被不同部位对水力学参数影响不同, 赵春红等^[20]研究认为根系减速作用大于冠层, 而增阻作用小于冠层。徐震^[21]研究发现, 在小雨强(30, 60 mm/h)时草地冠层对减小坡面流流速、减小弗劳德数、增加水深的贡献均高于根系, 而在大雨强(90 mm/h)时却相反, 根系较高。

多数研究认为草地植被可以通过增加水流阻力, 减小切应力, 降低流速, 提高坡面产沙临界条件来控制土壤侵蚀:郭雨华等^[22]野外放水冲刷试验得出草地能显著减小坡面流流速, 减缓流态, 但对水深并无太大影响, 能增大阻力系数; 杨春霞等^[23]试验得出草地可降低坡面流流速、径流水深、水流的紊动性以及输沙能力, 且随着盖度增加这种削弱作用越明显; 张思毅等^[24]研究表明草地对坡面径流雷诺数影响较小, 能够降低坡面流流速, 减小弗劳德数, 增大阻力系数, 从而减少坡面土壤侵蚀。

总结前人结论, 草地“ 增阻减速” 机理如下:增阻作用是通过草地植被地上和地下部分共同实现的, 草冠增加了坡面形态阻力和波阻力, 根系调控坡面阻力主要通过团聚土壤颗粒, 增加坡面泥沙颗粒阻力来实现。减速是由于在草地植被坡面上, 一方面, 草地植被在消减径流能量和分散径流的同时, 还增加了地表糙率, 对延缓坡面流流速起到了重要作用; 另一方面, 草地植被抑制了侵蚀的发展, 其形成的细沟不能充分发育, 径流水力能坡始终变化很小, 加上放水流量又比较稳定, 因此, 草地植被覆盖断面的坡面流流速变化很小^[25]。

草地植被在生长发育过程中, 通过其茎叶、根系和根系分泌物等多种因素来影响草地— 土壤之间的关系, 从而减少侵蚀的发生。Rutigliano等^[26]研究发现豆科植物能较好地提高土壤有机质、全氮、全磷和速效氮含量; 贾倩民等^[27]对6种不同人工牧草野外试验后得出同样结论。董智等^[28]认为不同草地植被改善土壤理化性质、改良土壤程度不同; 且在其衰败之前, 培肥土壤能力随种植时间的延长而越发显著^[29]。

草地植被对土壤抗冲性及抗蚀性的增减效应实质上是草地植被对土壤可蚀性的影响。我国学者朱显谟^[30]指出草地可以提高土壤的抗冲性和抗蚀性; 此后, 李勇等^[31]建立了关于根系提高土壤抗冲性的数学模型, 不仅有助于阐明草地根系提高土壤抗冲性的主导因素, 而且能准确进行草地对有关变量的定量评价。国外学者Ghidey等^[32]研究死根对土壤可蚀性的影响认为, 死根对径流没有太大作用, 但明显影响土壤流失量和径流含沙量; 李鹏^[33]总结前人研究得出, 在黄土高原地区, 草地减少水土流失的本质, 是由于削减了径流侵蚀动力, 提高了土壤抗冲性能, 增强了土壤强度, 从而大大提高了土壤抗冲和抗蚀性。

研究草地植被减水减沙效应对科学评价其防止土壤侵蚀的作用有重要意义, 一方面, 草地植被能明显延迟产流和汇流过程, 这不仅增加了径流在草地坡面入渗时间, 还明显提高了草地坡面径流入渗量; 另一方面, 草地坡面较大的糙率使水流流速明显降低, 导致径流搬运泥沙和剪切土壤能力下降, 从而使侵蚀产沙量减少。

4.1 草地植被不同部位减水减沙效应

草地植被具有减水减沙效应, 是由于其地上部分紧靠地表, 通过截留降雨、消减降雨动能、减少降雨侵蚀力、增加地表糙度、降低径流对地表冲刷能力等方面来实现; 而地下部分主要体现在根系改善土壤结构、增加土壤抗冲性能和入渗能力等方面。

减沙效益:甘卓亭等^[34]研究发现根系对减少坡面侵蚀产沙有很大的贡献率。张思毅等^[24]也得出根系减沙贡献大于冠层。郑粉莉等^[35]在草地覆盖度90%, 地面枯落物厚2 cm的试验条件下得出, 草地根系对拦蓄泥沙的贡献高于地上部分; 且天然草地与草地开垦(模拟开垦裸露地)处理相比, 拦蓄泥沙效益为100%, 结果如表2所示。

减水效益:郑粉莉等^[35]研究得出草地根系对拦蓄径流的贡献高于地上部分; 且天然草地与草地开垦处理相比, 拦蓄径流效益为96.4%。

研究人员都得出了根系减沙贡献大于草冠的结论, 其原因可能是草地植被根系通过对土壤颗粒的穿插和缠绕作用, 促进了土壤团聚体的形成和抗冲刷能力的增强, 特别是随着根系生物量的增加, 土壤抗侵蚀能力也大大增强, 因此, 在去除地表冠层后, 坡面侵蚀产沙量并不比有冠层覆盖时增加太多, 从而表现出较大的根系减沙贡献率^[36]。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 草地植被不同部位拦蓄径流、泥沙效益 Table 2 Runoff and sediment reducing benefits of different parts of grass 草地不同 部位 减少径流 /(m3/km2) 减水效益 /% 减少侵蚀量 /(t/km2) 减沙效益 /% 茎枝 2 600 8.96 — — 枯落物层 4 270 14.71 693.3 44.6 土壤体 21 120 72.75 861.2 55.4 三部分之和 27 990 96.40 - 100

表2 草地植被不同部位拦蓄径流、泥沙效益 Table 2 Runoff and sediment reducing benefits of different parts of grass

国内外学者对草地坡面土壤侵蚀过程的研究相对较少, 一般是通过不同草地坡面的野外径流小区试验, 研究不同草地类型、盖度、坡度和降雨强度(放水流量)等条件下的径流泥沙变化过程, 或通过室内外人工降雨试验进一步阐明其减水减沙过程。

国内外学者关于黄土高原草地植被与土壤侵蚀的关系做了大量研究, 取得了丰硕的成果, 但仍有一些问题尚未解决, 归纳如下:

(1) 在草地植被减蚀作用机理微观研究方面, 对于草地植被对坡面径流阻力特性的影响, 草本植被蓄水减蚀最大能力与力学作用机理, 以及宏观方面坡面草地植被恢复后, 对沟道侵蚀过程的影响程度等都急待开展^[52]。

(2) 草地植被的死根对土壤有机质含量、剪切力、水稳性团聚体等物理性质的影响程度以及与土壤抗蚀性、抗冲性的关系研究缺乏。

(3) 草地植被水保效益计量化研究匮乏。

基于以上问题, 要充分认识草地植被与土壤侵蚀的关系, 了解草地坡面土壤侵蚀过程的机理, 还需从以下几点做起:

(1) 今后应充分考虑黄土高原野生草本植物资源在抗寒、抗旱、抗病虫、适应性等方面的特点, 进一步加强草种筛选和利用。加强草种抗逆机理的研究, 建立包括形态指标、生理生化指标等的综合评价体系和特殊性状的快速测定方法, 提高草种筛选效率。

(2) 加大对草地植被坡面径流阻力特性的研究, 从其蓄水减蚀力学作用出发, 解释其机理。

(3) 注重探讨多草种组合、草灌乔结合的种植模式, 建立不同种植模式下的侵蚀模型, 深入研究其侵蚀机理, 提高水土保持效益。

(4) 草地植被死根对土壤理化性质的改善, 与土壤抗蚀性、抗冲性的关系, 以及对坡面流水力学参数的影响, 都可作为今后死根与侵蚀关系研究的重点。

(5) 草地植被枯落物研究方法和技术的探索与改进, 对不同草地植被、结构、年龄及立地条件下的草地植被枯落物的变化与侵蚀动态耦合, 探讨其对侵蚀的贡献模型。

(6) 定量探讨草地植被盖度、枯落物覆盖度和厚度、根系数量和根系分布比例等与径流量及泥沙量的关系、对土壤抗剪切强度影响, 建立起不同部位的侵蚀模型。

(7) 草地坡面形态演变过程各不相同, 导致草地坡面侵蚀规律变化多端, 加强对坡面侵蚀形态差异的分析和定量化描述; 应用GIS和三维激光扫描技术等开展坡面侵蚀形态发展过程研究, 进一步揭示坡面侵蚀规律。

总结前人成果发现, 在不同坡度下, 对不同雨强和草地植被而言, 其有效盖度是不一样的; 因此, 有效盖度应该是降雨、地形、土壤和植被等因子的函数。前人对草地植被盖度的测量多采用目估法、网格法和照相法等地表实测法, 近年来发展的遥感图像解译法, 在大范围的草地植被盖度监测中发挥首要作用, 是基于草地植被指数并利用高光谱遥感法估算草地植被盖度的现代方法, 可以更加精确地得出所测草地植被盖度值^[53]。

草地对坡面流水力学参数影响的结论不尽相同, 一方面可能是由于试验时的外界条件(草地植被类型、盖度、雨强、坡度、土壤类型等)不同, 控制因子有所差异, 参数测定方法、手段以及计算方法等不同造成的; 另一方面, 目前还没有完善的坡面侵蚀输沙理论, 所以只能借助于河流动力学及其理论来研究草地坡面侵蚀产沙和输沙, 从而产生误差。

在黄土高原地区, 草地植被减少水土流失主要在于削减了径流侵蚀动力, 提高了土壤抗冲性能。因此进一步深入分析草地植被盖度与土壤抗冲性之间关系, 建立二者间关系模型, 有助于草地植被覆盖下土壤侵蚀定量化的发展。

草地植被对侵蚀的影响最终体现在减水减沙效益上, 而减水减沙效益影响因素较多, 现有的研究只是将各因素单独的进行试验分析, 得出对侵蚀的影响; 今后可将各因素的贡献量化, 运用系统思维建立综合所有因素的数学模型。

草地坡面侵蚀过程的研究主要集中在对不同盖度、坡度、放水流量(雨强)等条件下的物理过程分析, 从坡面水力学特性分析草地植被固土作用的机理并不多; 而对其研究能阐明草地植被对坡面径流和泥沙调控的作用机理。