土壤侵蚀是造成环境退化的一个主要因素。长期以来因不合理的利用自然资源, 日积月累的结果使得植被生存的环境受到极大的破坏, 导致植被衰退, 引发了严重的水土流失; 水土流失的不断加剧, 破坏了土地的生产力, 土壤肥力降低, 土壤蓄水能力减弱, 植被生存的环境进一步恶化, 如此以往使生态环境陷入恶性循环状态。黄土高原严重的水土流失与该区植被覆被率低有密切的关系。据“七五”统计, 主要水土流失区现有森林面积约2.5 ×10⁶ hm², 其中人工林占40%左右, 有林地森林覆盖率仅为9.3%, 而且能发挥水土保持功能的森林覆被率仅为7.0%, 这些覆被率高的地区, 地处六盘山、乔山、黄龙山等地, 该区域人口密度较低, 人为活动轻微, 水土流失小; 在黄土高原水土流失严重的地区, 森林覆被率更低, 仅5.9%, 即使发挥水土保持功能, 在宏观范围内仍然难以体现出保持水土的效益(中共陕西省委研究室等, 1999; 吴钦孝等, 1998)。

森林植被有强大的水土保持功能, 体现在下列几个方面:植被冠层及地被物的截留作用, 使大气降水的损失量较大, 减小了产生径流的净雨量; 地被物层对汇流的延长作用, 使得地表径流速率减小, 增加了径流下渗的时间, 使地表径流量减小, 地下径流和地表径流的比例变大, 径流的侵蚀能量减小, 从本质上削弱了径流冲刷挟沙的能力; 植物根系改良土壤结构, 提高土壤的抗冲和抗蚀性(李勇等, 1990), 增加土壤的下渗能力, 诸如此类的作用, 极大的促进了植被保持水土的功能, 发挥了植被涵养水源, 改善生态环境的作用。

1 森林植被冠层的截留作用 1.1 冠层截留量的年际变化规律

对黄土高原人工油松林截留降雪的测定表明, 截留的降雪率占降雪总量的60%~80%之间, 而对降雨的截留平均占11.0%左右, 当然对小降水级别, 如1 mm左右时, 人工油松林可以将其尽截留, 截留率占100%。一般情况下, 降水量越小, 截留率越大; 降水量越大, 截留率越小, 反映了冠层截留是有极限值(王彦辉等, 1998)。植被冠层枝叶吸咐凝聚的降水达到饱和时, 冠层截留量达到极限值, 对持续降水的影响较小, 植被冠层的截留量达到极限值时, 对净雨不再发生影响, 而对大气降水仍然有再分配现象, 这种作用一直延续。

植被冠层的截留量的多少, 直接影响着大气降水所产生净雨量的多少, 截留量越大, 损失的大气降水越多, 产生的净雨越小, 形成的径流量小, 对缓解水土流失起到一定的作用。

1.2 植被冠层截留的动态变化规律

水土流失是次降水在区域范围内所引起的, 黄土高原更是如此。往往一次暴雨所引发的水土流失相当于全年土壤侵蚀的绝对量甚至多年土壤侵蚀的总和。为此, 次降水过程对水土流失的影响最大, 研究植被保持水土的机理, 必然要考虑植被冠层对次降雨截留的动态过程, 才能准确的阐明植被冠层对水土保持所起的作用。

通过多年对黄土高原人工油松林林冠截留动态模型的研究, 我们得出, 人工油松林的林冠截留的动态过程并不是无限制的增加, 且截留的最大值出现的过程并不完全在降水终止时, 常常出现在降水的中间。林冠截留量的变化在降雨开始是线性增加的过程, 到一定时间后, 林冠截留出现最大值, 尔后一直在此值左右波动变化, 受风和气象因素的影响也较大(见表 1)(Gash J H C, 1979; 崔云鹏等, 1998; 王礼先等, 1989)。根据人工油松林截留的动态过程, 构造了人工油松林林冠截留的动态模型为:

I_c:林冠截留量的累积量; a、b、c :常数; p :大气降水的累计量; t :降水历时用表 1的数据对动态模型拟合, 所得的结果较好(见表 2), 在0.001水平上呈极显著水平。表明上述林冠截留模型符合人工油松林林冠截留的特性, 从而可用该模型对人工油松林林冠截留的机理作一概括和总结。模型中后一项反映了林冠截留达到一定程度后, 并不是随降水历时的增加而增加, 而是呈现正弦函数的波动, 从而也解释了林冠截留的过程; 整个模型是有极大值的, 只要参数确定, 便可以解出该值的出现时间。

2 植被地被物层保持水土的作用 2.1 枯枝落叶防治土壤击溅侵蚀的功能

地表一旦被枯枝落叶覆盖后, 大气降水的雨滴不能直接掉落到裸土表面, 从而避免了雨滴直接击溅土壤侵蚀的作用。据埃利森研究表明, 土壤击溅侵蚀量的经验公式为:

w :半小时雨滴击溅的土壤量(g); v :雨滴速度(m·s^-1); D :雨滴直径(mm); I :降雨强度(cm·m^-1); k :与土壤有关的常数。

利用埃利森溅蚀板, 在宜川对30龄人工油松林枯枝落叶防止土壤溅蚀进行了研究, 结果表明当油松林枯枝落叶厚度各为1.0 cm和1.5 cm时, 土壤溅蚀量分别减少79.6%和94.0%;当枯枝落叶厚2.0 cm时, 土壤溅蚀量为0, 说明枯枝落叶防止土壤溅蚀的作用明显。

2.2 植被枯枝落叶对径流能量的影响

水土流失是由于坡面上径流位能和降雨动能的存在而导致的结果。降雨动能被枯枝落叶层所缓冲消耗了, 剩余的能量便是径流的位能。R E Hartam从磨擦阻力概念出发, 提出在稳定条件下, 水流流过1 m长、1 m宽的坡地时, 单位时间内克服磨擦阻力所做的功等于重量与径流速度的乘积即:

w₁ :每m³含沙水流的重量; δ_x :距分水岭x处的径流深(mm); v :x处的流速(m·s^-1); θ:坡度。

由于单位时间所做的功等于作用力F与速度的乘积, 因此, 消耗在单位面积上与坡度平行的力为:

从该式可以看出:控制侵蚀力大小的因子主要是径流深、坡度或流速。

据M A雅里加诺夫的研究, 坡面径流的挟沙能力可以用下式计算:

p :径流的含沙浓度; h :径流深; v :径流速度; g :重力加速度; w :泥沙的水力粘度; A :系数。

在薄层径流的条件下, 雨滴对水流的紊动影响较大, A是随降水特征值而变化的系数, 尽管如此, 当径流速度减小1倍时, 径流的挟沙能力减小1/32, 说明枯枝落叶减小径流速度后, 径流的挟沙能力大幅度的减小, 也从挟沙的角度阐明了森林流域洪水径流中泥沙含量低的原因。

利用流水槽测定了枯枝落叶对径流速度的影响, 结果表明在20°坡面上, 与没有枯枝落叶比较, 1 mm径流深时, 1 cm厚油松枯枝落叶可使径流速度减小到1/8。由此可见, 径流中的含沙浓度减小的更大。

3 植被根系层的水土保持功能

土壤因植物根系的存在变得疏松多孔, 不仅与地表层枯枝落叶分解过程中微生物的强烈活动有关, 而且主要是根系层微生物、酶以及腐烂更新的植物根系, 特别是大量毛根的更新快, 导致死亡的毛根所占的土壤空间在一定时间后, 形成孔状的形态, 增大了土壤下渗的能力, 减小了地表径流量。表 3是在宜川森林水文站所做的土壤入渗试验。

从山杨林地和荒山的入渗能力看, 山杨林入渗速率较荒坡大, 导致土壤下渗的径流量大, 同一时间内, 减小的地表径流量亦大, 坡面径流深度减小。由曼宁公式可知: , 径流的速度变小, 径流在坡面上流动的时间延长, 径流的下渗量增大, 使得地表径流量急剧下降, 影响了径流冲刷能量和挟沙能量, 大大地减小了水土流失的量。

据李勇(1990)对该地油松林根系提高土壤抗冲性的研究得出, 在坡度一定时, 林地土壤抗冲性沿剖面深而减弱。森林植物根系增强土壤的抗冲能力与根量、≤1 mm的须根系有关, 并且在不同的雨强下, 油松林根系增强土壤的抗冲性均为幂函数关系。

4 森林植被保持水土的整体效应

植被保持水土是植被的不同层次对大气降水所产生的土壤侵蚀效应同时作用的结果, 并不是间断的作用, 这种连续作用的特征既具有时间效应, 也具有系统效应或整体效应(朱显谟, 1960)。表现在影响径流量减小的同时, 土壤侵蚀的能量和土壤侵蚀量同步减小, 且减小的效应并不是线性的关系, 而是非线性锐减, 从而导致土壤侵蚀量急剧下降。

4.1 森林植被保持水土的时间效应

植被不同层次削弱的净雨过程, 使产流的时间延长, 产流时间的延长有助于地表径流量转化为地下径流量, 地表径流量的减小同样对汇流时间起到了延长作用, 表现出植被对洪水削弱并增加枯水径流的功能, 无疑枯水径流的增加直接影响了生态环境的改善和流域下游的长治久安, 对生态环境的可持续发展起到积极的作用。

4.2 森林植被保持水土能量效应

坡面径流速度为: 。植被减小的地表径流量和增加的地下径流量与径流速度直接有关, 当q减小时, 即使n值相同, 则速度的减小量为; 因径流能量与v²呈正比; 径流的挟沙能力与v⁶呈正比, 若时, 则, 径流的速度减小了37%, 即由原来的速度变为0.63倍数; 径流的能量降到原来的19.85%;挟沙能力降到原来的6.25%。由此可见, 当坡面径流深度减小1倍时(即径流量减小1/2), 径流的能量及其挟沙能力急据下降, 从土壤侵蚀的能量考虑, 所引起的侵蚀量减小; 此外由于植物根系和地被物层对土壤本身抵抗水土流失能力的提高是增大的, 因此, 这种侵蚀正效应的急剧下降和抗侵蚀负效应的明显增大, 导致土壤侵蚀力的作用效果甚微, 发挥了植被巨大的水土保持功能。

4.3 森林植被保持水土的原因

植被保持水土显示出巨大的功能, 其主要原因是植被系统不同层次在同时、连续的对产生水土流失的源在消耗着, 这种源就是径流量的大小, 它直接决定了径流的冲刷力和挟沙力, 该源的减小使产生水土流失的所有能量均在锐减; 对源的消耗体现在植被不同层次对其的吸收、截留和阻滞等方面, 实现消耗源功能的发挥是植被系统整体同时、连续作用的结果, 所有各层次叠加的结果使植被整体的效应比任一层次单独发挥的作用之和都大。据此要营造水土保持林必须应该考虑到植被层次的完整性和空间结构的合理性, 在充分体现植被不同层次的完整性后, 营造水土保持林才能收到植被保持水土的效益, 仅此而已, 才能充分发挥植被保持水土的功能。