1、岷江上游干旱河谷区不同植被条件下土壤抗冲性变化特征研究1.立题依据环境问题是当今国际社会普遍关注的热点问题，而水土流失是世界上的头号环境问题，是中国生态安全的最大隐患（张振国等,2007），也是长江流域主要的生态环境问题和四大水问题之一（王一峰等,2007）。土壤侵蚀持续发生的结果不仅使土壤质量不断下降，而且还会引起水体环境恶化等一系列生态问题，制约了区域社会经济的可持续发展。因此对土壤侵蚀产生机理及其过程的研究对于有效的调控土壤侵蚀具有重要意义。岷江上游山地森林-干旱河谷交错带作为典型的生态脆弱区，它既是长江上游生态屏障的重要组成部分,更是成都平原的重要生态屏障和水源生命线, 其生态环境状况
2、直接影响整个长江流域和长江三峡的生态环境与社会经济发展。长期以来, 由于受自然地理条件的制约,尤其是近几年来人口不断增长和不合理开发等影响, 使得流域内的生态环境逐步恶化, 导致区域或资源品质下降,环境退化所引发的自然灾害严重威胁当地城镇、工矿、电站及公路等基础设施的安全,加剧了区域贫困和封闭程度,退化的生态环境与区域经济发展、区域脱贫的矛盾十分尖锐。可见，山地森林-干旱河谷交错带的治理极为重要而迫切。因此，开展这一区域土壤抗冲性特征及影响因素，对防治区域水土流失、协调区域土地利用及进一步完善土壤侵蚀预测预报模型均有着重要的理论价值和现实意义。2.国内外研究现状土壤侵蚀已成为全球最大的非点源污
3、染之一,造成了一系列的环境与社会经济问题（李清河等，2000） 。20 世纪 40 年代,W.D.Ellison(1947)对土壤侵蚀的定义为侵蚀营力对土壤物质的分散和搬运过程。50 年代末,朱显谟院士针对黄土高原土壤侵蚀规律的研究和分析,提出了“土壤抗冲性”的概念，即土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能（朱显谟，1958） 。随后采用静水崩解法研究了抗冲性的大小（朱显谟，1960） 。此后,土壤抗冲性成为黄土区土壤侵蚀机理研究中的焦点领域之一,研究论著及成果日益增多,并被我国土壤侵蚀和水土保持界所认可和接受,但在其机理的认识和应用方面还有诸多问题,有待进一步研究和探讨（王峰等，2010）
4、 。2.1 土壤抗冲性评价指标有关土壤抗冲性的研究，国外学者在20世纪40年代进行了一些有益的探索。Gussak（1946）用特别设计的冲刷槽试验，以冲走一定重量的土壤所需的流量和流速表示抗冲性。Alderman(1956)用喷嘴喷出的水滴入淹没在水中的土壤试块上形成陷口的大小来衡量等。目前，土壤抗冲性的研究方法可归结为：静水崩解法、原状土冲刷槽法、野外实地放水冲刷法、径流小区资料分析法及室内人工模拟降雨和放水冲刷试验相结合的方法（朱显谟,1960；周佩华等,1997；赵洋毅等,2007）由于研究的相关因素和相关方法不同，土壤抗冲性的评价指标也存在着较大差异。土壤抗冲性的评价方法大致有两类，一
5、类是用侵蚀的结果来评价，这类指标以土壤冲刷量、冲刷水量、冲刷部分时间或全部时间作为参数，如：采用冲走1g土所需的水量和时间来评价土壤抗冲性的强弱（陈晏等,2007）；另一类是从侵蚀力学角度入手，用力学指标来评价，这类指标以冲刷力及能量为主要参数，如：采用土壤颗粒被分散的临界应力来评价土壤抗冲性的强弱（雷俊山等,2004）。2.2 土壤抗冲性影响因素土壤抗冲性主要受土壤理化性质、植被、坡度、土地利用等因素的影响，这一研究，已取得了一定的研究成果。坡度决定了坡面地表径流的水力坡降，是影响地表径流流速和水流冲刷力的关键因素。可见，坡度也是影响土壤抗冲性的重要因素。张光辉等（2002）研究了不同流量与
6、坡度下土壤分离速率与冲刷时间的关系，结果表明,土壤分离速率随冲刷时间呈幂函数减小(Dr=AtB),系数 A 随着流量和坡度的增大而增大。并以土壤下切 2cm 为条件，建立了最佳冲刷时间与量和坡度间的关系，根据这一关系可以推求不同流量和坡度下的最佳冲刷时间。丁文峰等（2004）利用多坡段放水冲刷试验结合稀土元素(REE)示踪对坡面侵蚀进行研究发现，坡面下端坡段的相对侵蚀量总是随冲刷历时的延长而减小，上端坡段的相对侵蚀量则呈现出波动上升。赵晓光等（2002）认为，降雨径流的冲刷量与雨滴的溅蚀量存在一个等值的临界坡度，当大于这个值时，径流的冲刷量将大于雨滴的击溅量。周佩华等研究了土壤冲刷量在不同坡度
7、的变化，提出了幂函数关系，认为冲刷历时对冲刷量的影响随地形的变化而不同(周佩华等，1997；赵晓光等，2002)；郑世清等建立了冲刷量与径流深之间的幂函数关系，认为土壤抗冲能力随着冲刷时间的变化也表现出一定的规律性(郑世清等，1994；杨文元，1997） ；土壤受水流冲刷的过程中，减小幅度逐渐缩小，具有一个相对稳定的值称为基值（张建军等，1998） 。 植物根系对土壤抗冲性的影响，主要是通过对土壤缠绕固结、网络作用，阻止土粒分散，从而提高土壤抗冲性。蒋定生等（1979）研究了天然林地、草地和耕地的土壤抗冲能力,得出了抗冲能力天然林地草地耕地的结论；李勇（1990）研究了草类根系对抗冲能力的作用
8、，认为草本植物根系提高土壤抗冲刷的直接作用归结于根系盘绕、固结土体，从而增强土壤的抗冲刷能力；侯喜禄等（1995）做了刺槐、柠条、沙棘林和荒地的抗冲比较，得出了土壤表层抗冲性柠条刺槐沙棘荒地的结论；曾信波（1995）研究了禾本科草类和苔藓层的土壤抗冲能力，发现它们对土壤抗冲性都有明显的增强作用；张建军等（1998）研究表明，油松+刺槐混交林抗冲能力最佳，土质马路和新开垦地最差；王忠林等(2000）研究了渭北旱塬花椒地埂土壤抗冲状况，发现花椒地埂林土壤具有显著的固埂保土效益,土壤抗蚀性高于无林埂土壤。胡维银等（2000）作了谷子地、马铃薯地、黄豆地和糜子地的土壤抗冲性试验，得出了0-50cm土壤
9、抗冲性的平均值比较结果为：糜子地黄豆地马铃薯地谷子地。王平等（2000）通过研究发现胡枝子水流调节林带对提高表层土壤抗冲性具有显著作用。王库（2001）对芨芨草草地土壤抗冲性、渗透性、土壤抗剪强度等指标的研究发现，芨芨草能明显提高土壤的抗冲性、渗透性及土壤的抗剪强度,并能增加地表的覆盖度。骆仁祥等（2009）研究了菲白竹、毛竹、黄皮钢竹林地根量与土壤抗冲性的关系，结果表明：散、混生竹类林地土壤的抗冲性能力优于刺槐林地及农地,根系对土壤抗冲性的影响菲白竹毛竹黄皮刚竹。还有学者认为，植物在提高土壤抗冲性方面的作用与乔灌植被有显著不同，草本植物的高覆盖度对消减径流具有重要作用，其丰富的表层细根缠绕土
10、壤，增强了土体抗冲能力。土壤理化性质对抗冲性的影响主要体现在土壤有机质含量，水稳性团聚体含量，土壤容重等方面。冉茂勇等（2009）研究了黄土丘陵水蚀区生物结皮的土壤理化性质及其对土壤抗冲能力的影响，结果表明，土壤抗冲性与结皮有机质含量、粘结力、水稳性团聚体含量呈负相关,与容重呈正相关，有机质含量对结皮土壤抗冲性影响最大,其次为粘结力、水稳性团聚体含量及土壤容重,其中有机质含量对土壤抗冲性的影响达到极显著水平,粘结力对土壤抗冲性的影响达显著水平；文卓立等(2008）通过实验得到了通过土壤抗剪强度预测临界切应力的模型，在野外可快速、较准确的判断土壤抗冲性的强弱；沈晶玉等（2004）通过对对祁连山南
11、麓植物根系改善土壤抗冲性的研究发现，丰富的根系能够增加土壤有机质、水稳性团聚体含量,降低土壤容重,增加非毛管孔隙度,进而增强土壤疏松性和透水性,增强土壤下渗能力,增强土壤抗冲性。3 研究目标及内容3.1 研究目标以山地森林-干旱河谷交错带土壤为研究对象，开展不同植被条件下土壤抗冲性的研究，弄清土壤的抗冲性的变化特征，寻求其影响因素，以期为改善山地森林-干旱河谷交错带生态环境和区域土壤侵蚀预测模型的构建提供理论指导。3.2 研究内容（1）山地森林-干旱河谷交错带不同植被条件下土壤抗冲性变化特征（2）山地森林-干旱河谷交错带不同植被条件下土壤抗冲性影响因素4 研究方案4.1 研究区概况试验区设在四
12、川省西部理县干旱河谷的典型地带杂谷脑河支流的甘堡乡熊耳村熊耳山(31316313210N，10312251031336E)，是岷江上游典型的山地森林-干旱河谷交错带阳坡区域。该地区属于典型的高山峡谷区，地质结构属龙门山断裂带中段，平均海拔 2700m。是川西平原与青藏高原的过渡地带，气候具有明显干湿季、日温差大，属于山地季风气候，由于受西风急流南支、东南季风和西南季风的共同影响，加上复杂的地形、地貌和海拔高差，导致水热重组，垂直气候带明显具有典型的干旱河谷气候。据杂谷脑河干旱河谷 9 个乡镇和理县县城的气象资料表明，该地区最高极温37左右，最低极温-19左右，年平均气温 12左右。0积温 32
13、93.3 4030.1，无霜期 190d，年平均日照时数 1835h，平均风速 1.8m/秒，年平均降雨量 584mm，年平均蒸发量 1399mm，年干燥度 1.62.5。当地冬季内陆气候盛行，干燥多风，降水稀少，雨季常受西藏高压和太平洋高压影响，间歇性干旱频繁，尤以伏旱持续时间最长，连晴高温一般 20 余天，多者达 46 天。岷江上游干旱河谷区植被以旱生灌丛为主，为适应干燥环境，植物呈现了一系列特殊的形态和生理生化特性。呈现丛生、根深、叶小、具刺、被毛、低矮或匍匐的性状，植物体部分或全部卷曲、肉质化、分泌挥发油等荒漠化半荒漠化特征,主要建群种有白刺花(Sophorad avidiana)、虎
14、榛子( Ostryopsis davidiana)、铁杆蒿( Artemisiagmelinii)、川甘亚菊( Ajaniapotani nii)、光果莸( Caryopteristangutica)等。沿河谷逆流而上，植被类型分布出现：乔木林-高灌木-矮灌木-半灌木-丘状矮小半灌木-半灌木-矮灌木-高灌木-乔木林。从两侧谷坡垂直往上，植被带谱也很清晰。由于受海拔高度的影响，理县干旱河谷区由低到高形成明显而完整的垂直植被带谱。土壤以旱生灌木草丛植被下发育的山地燥褐土为主，pH 值 7.48.4。由于当地的山地燥褐土土体中常夹着大量岩石硝屑和游离碳酸钙，粗粉粒比重 51.22%57.90%，土壤
15、结构不良，结构紧实致密，故通气透水和蓄水肥性较差，使植物很难定居，进而加速生态环境的更加恶化。4.2 土壤抗冲性试验4.2.1 样地布设在野外调查的基础上，根据海拔梯度变化，在每一变化坡度梯度下，结合当地的实地调查情况布设 5 个样方。在每个样方内布设 3 个微型小区（0.3m2.0m）进行野外实地放水冲刷试验，同时测定土壤含水量和容重。4.2.2 土壤抗冲性测定在小区上方按不同流量放水，在小区下方设集流槽和分水箱，从小区流出的径流与泥沙，经过分水箱流入横断面恒定的集流桶，根据集流桶中的水位变化过程，即可推算出小区径流过程。设计 20、30、40三种坡度，进行抗冲性试验。按研究区暴雨雨强在标准
16、径流小区内产生的最大径流量计算单宽流量作为冲刷流量，设计流量为 2L/min，冲刷时间为21min，分别在第 1min、3min、6min、9min、12min、15min、18min、21min 采集径流与泥沙样。先量测径流量（体积法） ，然后采用比重法测定泥沙含量。 试验测定指标主要有径流流速、冲刷水流量（L） 、含沙量（g/L） 、冲失干土重WLDS（g） ；土壤抗冲能力用冲失 1g 土所需时间，即抗冲指数来表示，ANS=T/WLDS，其中ANS 为单位流量土壤抗冲指数（min/g） ，T 为冲刷历时（min） ，WLDS 为冲失干土重（g） 。4.3 技术路线5 预期结果确定研究区域土
17、壤抗冲性实验野外调查含沙量土壤抗冲性变化特征及影响因素不同植被条件对土壤抗冲性的影响植被特征地形地貌土地利用方式坡度坡向植被类型气候特征土壤抗冲性指数径流流速冲刷干土重土壤理化性质（1）探明山地森林-干旱河谷区土壤抗冲性变化特征；（2）弄清山地森林-干旱河谷区土壤抗冲性影响因素。6 时间安排2011.042011.05 查阅相关文献2011.052011.07 采样、室内分析2011.072011.12 整理数据撰写论文参考文献：1张振国,范变娥,白文娟,等.黄土丘陵沟壑区退耕地植物群落土壤抗蚀性研究J.中国水土保持科学,2007,5(1):7-13.2王一峰,张平仓,朱兵兵,等.长江中上游地
18、区土壤抗冲性特征研究J.长江科学院院报，2007,24(1):12-14.3李清河,李昌哲,齐实,等.黄土区小流域土壤侵蚀模型系统解析J.水土保持通报，2000，20(1):29-31.4朱显谟,甘肃中部土壤侵蚀调查报告J.土壤专报,1958,(32):53-109.5朱显谟.黄土地区植被因素对水土流失的影响J.土壤学报,1960,8(2):110-121.6王峰,石辉,周立江,等.土壤抗冲性研究进展J.山地农业生物报,2010,29(6):528-537.7Gussak V B.A device for the rapid determination of erodibility of so
19、ils and some results of its applicationJ.Abstract in soils and Fertilizers,1946,(10).8Alderman J K.The erodibility of Granular MaterialJ.Journal of Agricultural Engineering Research,1956,136-142.9周佩华,郑世清,吴普特,等.黄土高原土壤抗冲性的试验研究J.水土保持研究,1997, 4(5):47-58.10赵洋毅,周运超,段旭.黔中喀斯特地区不同岩性土壤的抗蚀抗冲性研究J.安徽农业科学,2007,35
20、(29):9311-9313,9317.11陈晏,史东梅,文卓立,等.紫色土丘陵区不同土地利用类型土壤抗冲性特征研究J.水土保持学报,2007,21(2):24-27,35.12雷俊山,杨勤科.坡面薄层水流侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价J.泥沙研究,2004,12(6):22-26.13张光辉.冲刷时间对土壤分离速率定量影响的实验模拟J.水土保持学报,2002,16(2):1-7.14丁文峰,李占斌,丁登山,等.坡面细沟侵蚀产沙时空分布规律试验研究J.水科学进展, 2004,15(1):19-23.15赵晓光,石辉.缓坡坡面径流在土粒分散阶段的作用J.山地学报,2002,20(4):427-43
21、1.16周佩华.黄土侵蚀机理探讨J.水土保持研究,1997,4(5):41-46.17郑世清,周佩华,周保林.黄土高原沟壑区土壤抗冲性研究以黄委会西峰水土保持站为例J.水土保持通报,1994,14(1):12-16.18杨文元,张奇,张建华,等.紫色丘陵区土壤抗冲性研究J.土壤侵蚀与水土保持学报,1997,3(2):22-28.19张建军,朱金兆,查同刚,等.晋西黄土区水土保持林地抗冲性研究J.北京林业大学学报,1998,20(6):20-24.20蒋定生.黄土区不同利用类型土壤抗冲刷能力的研究J.土壤通报,1979,10(4):20-23.21李勇,吴钦孝,朱显谟,等.黄土高原植物根系提高土
22、壤抗冲性能的研究()J.水土保持学报,1990,4(1):1-5.22侯喜禄,白岗栓,曹清玉.刺槐、柠条、沙棘林土壤入渗及抗冲性对比试验J.水土保持学报,1995,9(3):90-95.23曾信波.苔藓层的蓄水保土功能研究J.水土保持学报,1995,9(4):118-121.24曾信波.贵州紫色土上植物根系提高土壤抗冲性能的研究J.贵州农学院学报,1995,14(2):20-24.25王忠林,李会科,贺秀贤,等.渭北旱塬花椒地埂林土壤抗蚀抗冲性研究J.水土保持研究,2000,7(1):33-37.26胡维银,刘国彬,许明祥.黄土丘陵沟壑区小流域坡耕地土壤抗冲性试验研究J.水土保持通报,2000
23、,20(3):26-28.27王平,温玉柱,张晓梅.胡枝子水流调节林带保持水土效益研究J.黑龙江水利科技,2000(1):6-7.28王库.芨芨草水土保持功能的初步研究J.水土保持研究,2001,8(2):157-159.31骆仁祥,张春霞,王福升,等.毛竹等 3 个竹种的根系分布特征及其与林地土壤抗冲性比较研究J.竹子研究汇刊,2009,28(4):23-26.32冉茂勇,赵允格,陈彦芹.黄土丘陵水蚀区生物结皮土壤抗冲性试验研究J.西北林学院学报,2009,24(3):37-40.33文卓立,周飞.缙云山典型植物群落次生演替中土壤抗冲性研究J.水土保持研究,2008,15(2):13-17.34沈晶玉,周心澄,张伟华,等.祁连山南麓植物根系改善土壤抗冲性研究J.中国水土保持科学,2004,2(4):87-91.
