韓瑞宏，趙 江，梁建華，王明祖，劉 萍，陳 平

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 園藝園林學(xué)院，廣州510225；2.順德區(qū)大良農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查站，廣東 佛山528300）

石質(zhì)邊坡是非常特殊而極端的一類生境，石質(zhì)邊坡大多坡度大，建植植被的土壤有限，植物可利用的基質(zhì)很少，在強(qiáng)降水情況下極易發(fā)生水土流失，危害生態(tài)安全?？葜β淙~層在石質(zhì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位，枯枝落葉直接覆蓋地表，可以防止雨滴打擊，增加降水入滲［1－2］。同時(shí)枯枝落葉能增加地表層的粗糙度，減緩及減少地表徑流，防止土壤沖刷［3］?？葜β淙~層是生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［4］，枯枝落葉的分解產(chǎn)物能改善土壤性狀，增加土壤有機(jī)質(zhì)［5］，對(duì)石質(zhì)邊坡土壤發(fā)育和改良具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)枯枝落葉層蓄積量［6］、水土保持效益［7］、枯落物的養(yǎng)分含量［8］、分解因子［9］、枯枝落葉層下土壤養(yǎng)分等［7］進(jìn)行了系列研究，但目前對(duì)人工復(fù)綠的石質(zhì)邊坡其枯枝落葉層水土保持功能的研究還未見(jiàn)報(bào)道。近年來(lái)，隨著房地產(chǎn)、水利、公路等施工項(xiàng)目的增加，廣東省產(chǎn)生了大量陡峭裸露的巖質(zhì)邊坡，增加了發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患，石質(zhì)邊坡的修復(fù)和綠化迫在眉睫。本研究探討石質(zhì)邊坡枯枝落葉的水土保持功能，以期為石質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究材料及方法

1.1 研究地概況

大睡牛崗為石質(zhì)邊坡，位于廣東省順德區(qū)大良街道舊寨村，年平均溫度為22.5℃，1月平均溫度為13.3℃，7月平均溫度為28.9℃，年均降雨量1 649.9 mm［10］。崩崗區(qū)位于大睡牛崗的北側(cè)邊坡，坡頂最高點(diǎn)地理位置為113°16′58″E，22°48′41″N。2009—2010年先后通過(guò)格構(gòu)梁工程和植物工程措施錨固坡面，復(fù)綠2a后植被覆蓋率達(dá)98%［11］。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2013年10月進(jìn)行。試驗(yàn)材料取自大睡牛崗石質(zhì)邊坡，按邊坡的格構(gòu)梁工程特點(diǎn)，根據(jù)該護(hù)坡工程修筑的四段階梯將邊坡劃分為：平臺(tái)（海拔4 m，坡度0°）、下坡（海拔16m，坡度30°）、中坡（海拔33m，坡度45°）及上坡（海拔47m，坡度45°），采樣點(diǎn)分布示意圖見(jiàn)圖1。每一坡位選取0.5m×0.5m的樣方15個(gè)，用直尺測(cè)定樣方內(nèi)枯枝落葉層厚度，收集樣方內(nèi)的枯枝落葉，裝入黑色塑料袋中并封口。在收集完枯枝落葉的樣地中取土樣（取樣方法見(jiàn)1.3.5）。回到實(shí)驗(yàn)室后將每坡位15個(gè)樣方的枯枝落葉混勻后，立即進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。各坡位的主要植被及枯枝落葉層厚度見(jiàn)表1。

圖1 大睡牛崗采樣點(diǎn)分布

表1 大睡牛崗主要植被

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 枯枝落葉吸水速率的測(cè)定 參照黃承標(biāo)等［5］的方法加以改進(jìn)，將烘干的枯枝落葉等重（74g）置于透水性良好的布袋中并封住袋口，將布袋浸泡于清水中。0～30min時(shí)段內(nèi)，每隔10min提起稱重；30～120min（2h），每隔30min提起稱重；2～6h，每隔60min（1h）提起稱重；6～12h，每隔2h提起稱重；12～24h，每隔6h提起稱重，每組3次重復(fù)。

1.3.2 枯枝落葉蓄積量與最大持水量的測(cè)定 稱量枯枝落葉濕樣（質(zhì)量為M），稱重后置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重（質(zhì)量為M0），根據(jù)M0計(jì)算單位面積枯枝落葉的蓄積量。計(jì)算枯枝落葉自然含水率M1，M1＝（M－M0）／M×100%。將烘干樣品置于布袋，放入清水中浸泡48h后提起，待無(wú)滴水時(shí)稱重（質(zhì)量為M2），計(jì)算枯枝落葉最大凈持水量M3，M3＝M2－M0，將最大凈持水量換算成體積（v），利用單位面積（s）計(jì)算出枯枝落葉截留的降水深度h，即h＝v／s。

1.3.3 徑流流出時(shí)間 參照趙鴻雁［7］等、王丹丹等［12］的方法加以改進(jìn)，采用室內(nèi)模擬沖刷法，用白鐵皮自制沖刷模擬裝置（圖2），給水槽長(zhǎng)10cm、寬10 cm、高10cm，給水槽前方設(shè)一流水擋板，擋板底部與給水槽底部有很好的密合性并可以自由取下。流水槽長(zhǎng)50cm、寬10cm、高10cm。在流水槽中分次裝入不同厚度吸水飽和的枯枝落葉（0cm，1cm，2cm，3cm），在30°坡度下，分別向給水槽中慢慢注入1mm，2mm，3mm 深徑流量（50ml，100ml，150ml水量），注入完畢后拿下流水擋板，使水流進(jìn)入流水槽（這樣可以保證進(jìn)入流水槽的水流初速度為0），在流水槽末端測(cè)定出水時(shí)間。

1.3.4 土壤侵蝕量測(cè)定 模擬沖刷裝置同上，流水槽內(nèi)裝入石質(zhì)邊坡表土，使土壤容重達(dá)到1.6g／cm3，土層厚度2cm，沖刷前在不淹沒(méi)土樣頂部的前提下，浸泡土樣12h。流水槽上覆蓋吸水飽和的枯落落葉，枯落物厚度為2cm。流水槽坡度為30°，以流水槽徑流深度1cm的水量（500ml）倒入給水槽，拿下流水擋板，使水流進(jìn)入流水槽，用杯口直徑123mm，容量為1 000ml的大燒杯在流水槽底部收集流出的泥水，室內(nèi)靜置沉淀，將泥沙烘干稱量，即流水槽的土壤侵蝕量。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D

1.3.5 石質(zhì)邊坡土壤理化性質(zhì)測(cè)定 在收集完枯枝落葉的樣地中采用環(huán)刀法在土層0—5cm，5—10 cm，10—15cm處取樣，重復(fù)3次。土壤容重＝環(huán)刀內(nèi)干土重／環(huán)刀體積；總孔隙度＝（1－容重／比重）×100%，比重取2.65［13］。土壤毛管持水量＝環(huán)刀內(nèi)水分重量／環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量×100%［14］。毛管孔隙度＝毛管持水量×容重，非毛管孔隙度＝總孔隙度—毛管孔隙度［15］。收集完枯枝落葉的樣地中取0—15cm土樣，并按等體積混合，風(fēng)干后按四分法取1kg左右樣品用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)，參照林波等［16］的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯枝落葉吸水量隨時(shí)間的變化

由圖3可知，枯枝落葉在浸水的0～10min吸水速率最快，吸水量占最大吸水量的52%～60%，10 min～4h吸水量達(dá)到最大吸水量的80%～88%。浸水18h后，枯枝落葉基本達(dá)到飽和吸水狀態(tài)，吸水量與24h無(wú)明顯變化。中坡枯枝落葉吸水量小于其他坡位，浸泡10min，中坡枯枝落葉吸水量為60.9g，其他坡位枯枝落葉吸水量均在70g以上，浸泡24h，中坡枯枝落葉吸水量為101.3g，而其他坡位枯枝落葉吸水量為135g左右。

圖3 枯枝落葉吸水量隨時(shí)間的變化

2.2 枯枝落葉蓄積量與最大持水量

根據(jù)樣方內(nèi)枯枝落葉干重?fù)Q算各坡位枯枝落葉單位蓄積量，由表2可知，下坡枯枝落葉蓄積最大為322.33g／m2，平臺(tái)次之，上坡枯枝落葉蓄積量最小為117.33g／m2。由表3可以看出，中坡枯枝落葉自然含水率最小，上坡枯枝落葉自然含水率最大。就枯枝落葉最大凈持水率而言，各坡位均高于60%，其中上坡最大為75.23%。大睡牛崗各坡位枯枝落葉的最大凈持水量均在350g／m2以上，其中下坡的最大凈持水量最大，為723.40g／m2，是自身干重的2.2倍，相當(dāng)于0.72mm的降水深度。

2.3 枯枝落葉滯緩徑流時(shí)間

由圖4可以看出，未覆蓋枯枝落葉，流水槽徑流流出時(shí)間非常短，小于1s。而在枯枝落葉覆蓋下，流水槽徑流流出時(shí)間延長(zhǎng)。以徑流深度1mm，枯枝落葉3cm為例，流水槽徑流流出時(shí)間能達(dá)到14s。總體上，隨枯枝落葉厚度的增加，徑流流出時(shí)間增大。以徑流深度1mm，下坡枯枝落葉覆蓋的流水槽為例，枯枝落葉厚度1cm，2cm，3cm，流水槽徑流流出時(shí)間分別為未覆蓋枯枝落葉流水槽的13倍、21.83倍、23.33倍。總體上，隨徑流深度的增加，徑流流出時(shí)間變短。以下坡枯枝落葉厚度1cm為例，當(dāng)徑流深度從1mm增至3mm時(shí)，徑流流出時(shí)間分別為7.8s，5.8s和5.2s。在相同徑流深度、相同枯枝落葉厚度下，不同坡位的枯枝落葉滯緩徑流時(shí)間亦不同?？傮w上，下坡及中坡枯枝落葉滯緩徑流的效果好于平臺(tái)及上坡。

表2 枯枝落葉蓄積量

圖4 不同徑流深度下枯枝落葉層厚度對(duì)徑流流出時(shí)間的影響

2.4 枯枝落葉減少土壤侵蝕量

枯枝落葉能極大地削弱雨滴對(duì)裸露地表的徑流沖刷。由圖5可知，徑流深度1cm，坡度為30°時(shí)，對(duì)照（未覆蓋枯枝落葉的流水槽，面積500cm2）土壤侵蝕量達(dá)到6.62g，而覆蓋2cm厚的枯枝落葉可大大減少流水槽的土壤侵蝕，提高抗沖性。與對(duì)照相比，平臺(tái)枯枝落葉可減少62.23%的土壤侵蝕量，下坡、中坡、上坡的枯枝落葉可減少87.80%以上的土壤侵蝕量。

圖5 枯枝落葉對(duì)土壤侵蝕量的影響

2.5 枯枝落葉對(duì)石質(zhì)邊坡土壤的改良作用

枯枝落葉使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)貯存起來(lái)，在微生物作用下，將營(yíng)養(yǎng)元素不斷地歸還給土壤［17］。大睡牛崗上的土壤為廢棄苗圃大田表土與泥炭土按10∶1混合的客土，種植植物前土壤的化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表4。種植植被3a后，由于枯枝落葉的分解，石質(zhì)邊坡土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀含量均有所提高。除中坡外，其他坡位有效磷含量均高于未種植被前。不同坡位間相比，上坡和下坡枯枝落葉對(duì)土壤的改良效果好于平臺(tái)和中坡，由表1可知，上坡和下坡豆科植被較多。

由表5可知，同一坡位，總體上隨著土層深度的增加，土壤容重增大。不同坡位土壤容重不同，平臺(tái)和中坡土壤容重高于下坡和上坡。有研究表明，土壤容重值為1.1～1.4g／cm3，土壤松緊程度比較適宜［18］。大睡牛崗下坡和上坡土壤容重較適宜，而平臺(tái)和中坡土壤容重相對(duì)較大。

土壤孔隙度是土壤養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的傳輸通道。有研究認(rèn)為，土壤中總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1／5～2／5時(shí)，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)［19］。本研究中，除下坡和上坡0—5cm土壤總孔隙度大于50%，平臺(tái)10—15cm土壤總孔隙度小于50%外，其他坡位和土層土壤總孔隙度均在50%左右。除下坡10—15cm非毛管孔隙較小外，其他坡位和土層非毛管孔隙均占總孔隙度的1／5～2／5（見(jiàn)表5）?？傮w上，隨著土層深度的增加總孔隙度呈下降趨勢(shì)，而不同坡位間則表現(xiàn)為下坡和上坡土壤總孔隙度和非毛管孔隙高于平臺(tái)和中坡。

表4 大睡牛崗?fù)寥阑瘜W(xué)性質(zhì)

表5 大睡牛崗?fù)寥牢锢硇再|(zhì)

3 結(jié)論與討論

大睡牛崗枯枝落葉對(duì)降水具有較強(qiáng)的吸收作用，枯枝落葉浸泡在水中的前10min吸水量已經(jīng)達(dá)到總吸水量的50%以上，這一結(jié)果與黃承標(biāo)等人對(duì)桉樹(shù)林地枯枝落葉層吸水特性的研究結(jié)果一致，說(shuō)明降雨時(shí)枯枝落葉層能快速吸收水分［5］。而枯枝落葉的吸水過(guò)程至18h左右才達(dá)到飽和狀態(tài)，說(shuō)明枯枝落葉層對(duì)降水有較長(zhǎng)時(shí)間的吸收能力，對(duì)于分散、阻滯地表徑流的形成，增加水分下滲意義重大。大睡牛崗枯枝落葉具有較大的持水能力，對(duì)于保持水土，防止表土蒸發(fā)以及水分下滲有著十分重要的作用。中坡枯枝落葉自然含水率小于其他坡，推測(cè)可能與中坡種植較多的陰香、鵝掌柴、水鬼蕉等植物有關(guān)，陰香的葉片革質(zhì)，鵝掌柴、水鬼蕉葉片較厚，枯落后分解較慢，阻礙吸水［20］。在4個(gè)坡位中，下坡枯枝落葉的蓄積量及最大凈持水量均較大，說(shuō)明枯枝落葉貯存水量的多少與枯枝落葉的蓄積量有關(guān)。

枯枝落葉層能有效滯緩地表徑流，其滯緩徑流時(shí)間與枯落物的厚度、坡度和徑流深度等因素有關(guān)。本研究中，隨枯枝落葉層厚度的增加，枯枝落葉滯緩徑流時(shí)間延長(zhǎng)。隨徑流深度的增加，枯枝落葉滯緩徑流時(shí)間減少。

枯枝落葉覆蓋能減少石質(zhì)邊坡坡面土壤侵蝕，枯枝落葉減少土壤侵蝕的能力可能與枯枝落葉的形狀有關(guān)。本研究中，平臺(tái)枯枝落葉減少坡面土壤侵蝕的效果較差。平臺(tái)上的灌木和草本植物較多，尤其是白茅、類蘆等禾本科草本植物較多，禾本科植物枯落物葉狹窄、細(xì)長(zhǎng)，與水的接觸面積小，導(dǎo)致其保水能力較差，土壤侵蝕量極顯著地大于其他坡。

枯枝落葉層和植物根系層直接參與對(duì)土壤的改良。深層的土壤改良主要與植物根系有關(guān)，而地表土壤的改良則主要與枯枝落葉層有關(guān)，枯枝落葉是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還的主要途徑［21－22］。本研究中，在枯枝落葉作用下，土壤表層（0—15cm）化學(xué)性質(zhì)改善，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀、有效磷含量提高，土壤肥力增強(qiáng)。本研究未測(cè)定種植植被初期石質(zhì)邊坡土壤的物理性質(zhì)，因此無(wú)法對(duì)比種植前后枯枝落葉層對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果，但不同坡位間土壤物理性狀差異很大。與平臺(tái)和中坡相比，下坡和上坡土壤容重小，總孔隙度大，非毛管孔隙大。下坡和上坡除土壤物理性質(zhì)好于平臺(tái)和中坡外，土壤的化學(xué)性質(zhì)亦好于平臺(tái)和中坡。由表1可知，下坡和上坡豆科植物較多，豆科植物枯枝落葉中蛋白質(zhì)含量高，纖維素含量少，分解速率快，能加快有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的積累［23］，因此，下坡和上坡土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)高于平臺(tái)和中坡，而土壤有機(jī)質(zhì)含量增加可提高土壤通氣性，改良土壤的物理性質(zhì)。

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