土壤有机碳释放及植被覆盖对土壤侵蚀的影响研究

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：由于侵蚀，全球每年土壤中有机碳释放进入大气层的量估计为11.4亿t。实验结果说明，乔木的根系强壮，10%的根系增加土体抗剪强度0.3kg/cm2。研究表明，黄土高原上侵蚀率随树林覆盖率几乎是直线减少，当树林覆盖率大于0.6时，侵蚀率降到0 。建设用地的侵蚀率一般是农田侵蚀率的10～20倍，最高可达到100倍。一种方法是假定温度、降雨等气候因素是全球植被分布的决定因素，由此得出植被在全球范围内的大致分布。

土壤侵蚀是河流泥沙的主要来源。土壤侵蚀的长期作用导致了地貌演变，改变了土壤组成，甚至在一定程度上影响了气候。由于侵蚀，全球每年土壤中有机碳释放进入大气层的量估计为11.4亿t(Lal，1995)。这对于碳循环和全球气候变化、加快温室效应的作用是不可忽视的。侵蚀实际上分两个过程:一个是土壤颗粒分离过程，主要动力因素为雨滴击溅和流水冲击，其他因素包括冻融循环和干湿循环;另一个是泥沙颗粒输运过程，主要动力因素为水流。在这两个过程中，植被都起到重要的控制作用。发育良好植被的流域很少产沙，而生长滨河植被和水生植被的沟谷和小河截留泥沙。

植被不仅对降雨流水侵蚀起到控制作用，对于风力侵蚀也有控制作用。毛乌素沙漠上发育的植被根系和落叶是沙漠表层结皮现象的主要因素，这对于降低风力侵蚀极为有效。森林冠层对大气边界层湍流大涡起着破碎作用，消耗大量风能降低风速，显著减少风力侵蚀(刘树华等，1998)。对于降雨流水侵蚀，不同的植被的控制作用有很大差别。蔡光荣等人(1998)研究了植物根系对于水力侵蚀的控制作用，选择单一植物生长的坡面进行土体抗剪强度实验，同时选择同一地区裸露坡面以同样方法实验作对照。取土块连根带土置于剪力盆进行剪断实验，同时测量剪切面植物根系所占面积百分比。对照无根土体，可以算出根系增强土体抗剪强度的作用。实验结果说明，乔木的根系强壮，10%的根系增加土体抗剪强度0.3kg/cm2。大致说来，灌木和乔木对土体抗剪强度的增加量是草的3～5倍。

山区和丘陵地区的植被发育依赖于当地的气候、降雨、土壤结构、母岩、地形、土壤侵蚀和土地利用类型。地表植被是减少侵蚀的重要因素。如黄河中游砒砂岩地区利用沙棘形成柔性坝减沙，取得良好效果(毕慈芬，乔旺林，2000)。黄土高原王家沟由于天然林木植被大量截留泥沙，河床在120多年里抬高5m 多，变宽变浅，又发育出大量灌木和水草(李倬，1993)。根据某些小流域植树种草控制侵蚀减少产沙量的调查结果，40%的面积植树种草使得土壤侵蚀率减少62%，而54%的面积植树种草使得土壤侵蚀率减少80%(李敏，张丽，1997)。黄河中游遭受风力侵蚀和水力侵蚀 (Xu，2000)，植被覆盖是影响黄土地区土壤含水量的重要因素(傅伯杰等，2001)，因此，在这些地区植被的防风固沙、蓄水保土功能效果十分明显。研究表明，黄土高原上侵蚀率随树林覆盖率几乎是直线减少，当树林覆盖率大于0.6时，侵蚀率降到0 (Wang和Wang，1999)。

对于一个地区而言，在气候、土壤、主要地貌类型及其分布基本不变的条件下，植被与侵蚀经过长期的相互作用会达到一种动态平衡。地壳运动、火山爆发、旱灾、森林火灾和人类活动如砍伐森林、开矿、改变土地利用和植树造林都会打破这种平衡。这些自然的或人类活动引发的作用于植被的各种扰动会明显地影响和改变原有植被生态系统的发育过程，本研究中将其称为生态应力。通常生态应力包括侵蚀、干旱、风暴、森林火灾、病虫害、大气污染、放牧、森林砍伐、酸雨和采矿、道路建设和人工造林等。

在土壤侵蚀和植被发育这对矛盾中，人类活动起着越来越重要的干扰作用。当地表受到建设活动的扰动，土壤侵蚀量比施工前增加2～40000倍不等(Wang和Wang，1999)。建设用地的侵蚀率一般是农田侵蚀率的10～20倍，最高可达到100倍。人类活动也是影响植被发育的最直接、有时是最重要的生态应力。例如，中国在20世纪50年代末期砍伐森林大大减少了植被覆盖面积。工业化对空气的污染也影响植被的发育。Bussotti和Ferretti(1998)研究了欧洲大气污染对森林的影响，发现污染达到一定程度时使大多数森林受到伤害。

为了研究植被在各种生态应力作用下的演变，一些学者提出了一些简化模型。一种方法是假定温度、降雨等气候因素是全球植被分布的决定因素，由此得出植被在全球范围内的大致分布(Monserud et al.，1993)。第二种方法利用概率论研究植被分布，引入p(x，y，t)为某一地块为森林的概率，而q(x，y，t)=1-p是这一地块为草地的概率，假设概率分布与气候等因素有一定关系，由此得出森林植被的分布 (Svirechev，1999)。Maley和Brenac(1998)分析了非洲Barombi Mbo湖的沉积物中的花粉含量随着气候变化在过去28000年中的演变，指出气候是森林长期动态变化的主要因素。Thornes(1985)提出了一种考虑植被变化速率与侵蚀关系的动力学模型，给出了植被与侵蚀耦合的方程组，但模型中除了野生动物，没有考虑其他生态应力的作用。以上模型和理论没有定量描述生态应力，给出的植被和侵蚀的动力学变量多是概念上。

目前我国正开始开发西部，其中一个重要方面是改善植被生态环境，营造山川秀美的西部。为了回答植被退化的流域是否可能以及花多大努力才能恢复和达到山川秀美，王兆印等从1998年开始研究植被发育和土壤侵蚀以及人类活动的动力学关系，于2003年初步创建了植被—侵蚀动力学(王兆印，2003a)，建立了植被—侵蚀动力学模型，并应用于云南小江及其子流域植被发育及土壤侵蚀演变过程的模拟;此后，又将其推广到北京西山地区、黄土高原西部(甘肃定西安家沟)和东部 (山西离石王家沟)，以及广东东江流域等(王兆印等，2003b;Wang et al.，2004)。通过对比实测资料进行试算得到植被—侵蚀动力学参数后，可以把模型推广应用于没有实测资料，但是气候、地形和土壤相似的邻近流域，从而预测流域在一定水土保持措施下植被发育和土壤侵蚀变化过程。

王兆印等(2005)从植被—侵蚀动力学方程组中推演出植被—侵蚀状态图，用于探讨植被和侵蚀在没有或停止人类干扰作用后的演变趋势。利用植被—侵蚀状态图，可以分析得出流域是否可能以及如何才能尽快的控制侵蚀和发育植被，由此评价各种水土保持措施效果，提出优化治理方略，指导小流域展开综合治理工作。近年来，又发现植被—侵蚀动力学参数与气候、土壤、地形的关系，能够在缺少长期实测资料的条件下建立植被侵蚀状态图，并向全国推广植被—侵蚀动力学模型和植被—侵蚀状态图的应用范围。目前，已经初步完成了对全国主要水土流失地区建立植被—侵蚀状态图，分析预测了演变趋势，并提出改善植被的治理方略。

本章首先介绍植被及其影响因素，包括滨河植被与河床演变的关系，然后介绍植被侵蚀动力学理论及其应用，以及在全国主要水土流失地区建立植被—侵蚀状态图并分析演变趋势，并探讨改善植被控制侵蚀的有效方略。

土壤有机碳释放及植被覆盖对土壤侵蚀的影响研究

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