全 文 ：第 31 卷 第 2 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.2
2015 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2015 133
狗牙根和牛鞭草的消浪减蚀作用
钟荣华 1, 2，贺秀斌 1，鲍玉海 1※，杨克君 3，高进长 1, 2，吕发友 1, 2
（1. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，成都 610041；
2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

摘 要：剧烈的土壤侵蚀和库岸坍塌是三峡水库消落带的主要生态环境问题之一，而植被恢复是治理消落带的关键措施
之一，植物的消浪固土能力是消落带适宜植物配置的重要依据。为了探讨三峡水库消落带典型草本植物狗牙根（Cynodon
dactylon (L.) Pers.）和牛鞭草（Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.）的消浪减蚀效应，进行了植物消浪和波浪
冲刷的水槽概化模拟试验。结果表明，2 种植物的消浪效应有较大差异，在周期较长（1.2～1.5 s）时狗牙根平均消浪系
数为 0.54，明显高于牛鞭草（0.37）；而在周期较短时（0.8～1.0 s）则 2 种草本消浪性能相当，消浪系数均介于 0.15～0.30
之间。在同样的试验条件下，狗牙根、牛鞭草平均侵蚀模数分别为 17.63、57.28 g/(m2·min)。2 种草本的减蚀效应均在 89%
以上，最高可达 98.59%。植物的减蚀效应是其地上部分和地下根系的综合作用结果，其中牛鞭草根系的固土贡献率在
91%以上，而地上部分仅为 7.4%～8.6%；狗牙根根系固土贡献率（71.2%～76.2%）显著低于牛鞭草，但其地上茎干部分
贡献率（23.8%～28.8%）要显著高于牛鞭草（P＜0.05）。可见 2 种植物都有较好的消浪减蚀效应，总体上狗牙根的消浪
能力和综合减蚀效果均要略强于牛鞭草。波浪大小和周期、植被盖度、植物地上部分和根系形态对消浪减蚀效应有重要
影响。该研究结果可以为三峡水库消落带的植被恢复和水土保持工程提供一定的参考依据，并可适当的推广到其他水库
或湖泊消落带。
关键词：波浪；侵蚀；水库；消浪减蚀；狗牙根；牛鞭草；消落带；三峡水库
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.02.019
中图分类号：S157.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2015)-02-0133-08
钟荣华，贺秀斌，鲍玉海，等. 狗牙根和牛鞭草的消浪减蚀作用[J].农业工程学报，2015，31(2)：133－140.
Zhong Ronghua, He Xiubin, Bao Yuhai, et al. Role of Cynodon dactylon L. and Hemarthria altissima in wave attenuation and
erosion control[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2):
133－140. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
波浪冲刷引起的消落带侵蚀、坍塌是三峡水库面临
的主要环境挑战之一[1-5]。为了控制三峡水库消落带的土
壤侵蚀，稳定库岸，相关学者和管理者提出在消落带进
行植被重建以期维护三峡水库运行安全。狗牙根是三峡
水库消落带自然恢复的优势草本植物，而牛鞭草则是已
经在三峡水库消落带移植成功并恢复较好的一种草本植
物[6-7]。
植物消浪防浪是是保护岸坡带的主要方式之一。众
多研究证明合理的植被布局可以消减波浪能量，减少波
浪对岸坡带的冲刷破坏。如 Fonseca 等[7]对 4 种海藻消浪
能力的试验表明，当海藻带铺设长度等于水深时，可以
消减 40%的波浪能量。Fu Zongpu 等[8]的试验研究显示种
植宽度约 40 m 的互花米草就相当于建造 2.0 m 高潜坝的

收稿日期：2014-12-03 修订日期：2015-01-06
基金项目：中国科学院西部行动计划资助项目（KZCX2XB309-02）；国家科
技支撑计划资助项目（2011BAD31B03）；国家自然科学青年基金资助项目
（41201272）；中国科学院西部之光人才培养计划一般项目资助
作者简介：钟荣华，男，江西瑞金人，博士生，主要从事消落带土壤侵蚀与
水土保持研究。成都 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，610041。
Email：zhrhua1987@163.com
※通信作者：鲍玉海，男，山东成武人，助理研究员，博士，主要从事消落
带土壤侵蚀与水土保持研究。成都 中国科学院成都山地灾害与环境研究
所，610041。Email：byh@imde.ac.cn
消浪效果。王旭等[9]对海桑-无瓣海桑红树林生态系统进
行的实地监测表明 30 m 宽的海桑-无瓣海桑红树林带平
均消波系数为 0.12，最大消浪系数可以达到 0.47；风暴
潮期间平均消浪系数为 0.18，最大消浪系数为 0.33。
Hashim和Catherine[10]也认为海岸盐沼地红树林可以有效
地消减波浪，80 m 宽的红树林就可以消减 80%的波浪。
当然，植物的消浪性能与其本身特征，如植被密度、植
物高度等有很大关系，同时还受浪高和水深的影响[11-13]。
除了消减波浪能量，抑制波浪对岸坡带土体的直接
作用力外，植物还通过其地上部分改变水流速度和方向
削弱波浪入射、回流及降雨地表径流对岸坡的冲刷，同
时，通过地下根系对岸坡土壤物理力学性质的改良，增
强土壤抗剪强度，进而减缓河岸带的侵蚀速率，起到稳
定河岸的作用[14-16]。Beeson 和 Doyle[17]对有植被和无植被
河岸带的侵蚀状况调查显示无植被河岸带的侵蚀量几乎
5 倍于有植被区河岸带。Wynn[18]认为植被本身地上部分
和根系可以有效地降低河岸带土壤侵蚀风险，同时植物
还可以改变土壤的水分、物理结构等来减少土壤的可蚀
性，稳定河岸带。植物发达的根系系统可以有效地增强
土壤抗剪强度，减少深切型河道河岸带的侵蚀速率[19]。
基于河岸带树林可以通过根系对土壤的加固作用显著地
降低河岸带大规模侵蚀的可能性，澳大利亚利用河岸带
树林维护河岸带稳定取得了较好的效果[20]。海岸带侵蚀
农业工程学报 2015 年 134
也是纵多学者关注的焦点之一。Francalanci 等[21]的室内
水槽试验揭示波浪-潮汐双重影响下盐沼地的岸坡后退过
程包括颗粒侵蚀、悬着、滑动等一系列过程，植被可以
有效地延缓岸坡侵蚀，显著地提高岸坡稳定性。当然海
岸带中，植物主要是起到减小流速、削弱海浪的作用，
降低海浪对海岸带的扰动，进而保护海岸[7, 22]。
关于植物控制岸坡侵蚀的研究，当前主要还是集中
在海岸带植被带防浪固岸、河岸带植被稳定岸坡等领域。
对于水库（湖泊）这一特殊的库岸带区域，植物的消浪、
固土作用并没有开展充分的研究，其机理和效应尚不十
分明确。并且对植物和波流的相互作用研究主要采取室
内人工植物模拟[23-24]和现场观测[9,7,25]2 类。前者采取的是
理想化的模型，不能完全代表真实植物和波流间的关系，
而后者尽管有较大的可靠性，但费时费力。
为此，本研究选取三峡库区腹地紫色土区域忠县石
宝镇消落带 2 种典型草地：狗牙根（Cynodon dactylon (L.)
Pers.）和牛鞭草（Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E.
Hubb.），并以裸地（bare land）为参照，通过水槽模拟试
验分析 2 种原生植物的消浪减蚀作用，以期为三峡水库
消落带的植被重建和水土保持提供一定的技术依据。2 种
草地和裸地相邻，其土壤理化环境类似，可视为同质性。
1 材料与方法
1.1 材料
本研究选取三峡水库消落带广泛分布的自然生长草
本植物狗牙根和人工恢复植物牛鞭草进行试验。
狗牙根（Cynodon dactylon (L.) Pers.），禾本科多年生
低矮草本，具根茎，秆细而坚韧，下部匍匐地面蔓延生
长，节上常生不定根，直立部分高 10～30 cm。多生长于
村庄附近、道旁河岸、荒地山坡，其根茎蔓延力很强，
广铺地面[26]，具有很强的耐淹、抗旱能力，为良好的水
土保持植物[27-28]。
牛鞭草（Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E.
Hubb.），禾本科多年生草本，有长而横走的根茎，秆直
立部分可高达 1 m，茎干粗壮，直径约 3 mm，根系发达。
牛鞭草广泛分布于中国东北、华北、华中、华南、西南
各地，多生于田地、水沟、河滩等湿润处，常用作牧草[26]。
同样具有较强的耐淹能力[29]。
2 种草本均具有克隆习性，能较快扩张占领生境，在
长江中上游地区牛鞭草常与狗牙根等相伴而生[30]。
1.2 试验设计
本试验在中国科学院三峡库区水土保持与环境研究
站进行（30°2453N、108°1025E）。水槽和造波机均参
照《波浪模型试验规程》[31]自行设计。其中试验水槽长
8 m、宽 0.8 m、高 0.8 m。槽首设有由变频调速电机（功
率：1.5 kW，调速范围：40～200 r/min）、传动装置和造
波板组成的简易造波机，可产生不同波高和周期的试验
所需波浪。水槽尾部设置 1∶2 消浪坡（见图 1）。进行消
浪试验时，在水槽中部放置 1 m 宽的植被带，在植被带
前后 50 cm 处各安置成都宇帆科技公司生产的
YWH201-D50 电容式波高仪（测量范围为 0～50 cm，精
度为 0.5% FS，图中分别用 WG-1 和 WG-2 表示）1 个。
冲刷试验中，尾部设置放土样的放样台。放样台固定于
高 45 cm 的支架上，支架置于消能坡后。放样台斜面与
消能坡斜面平行重合。在造波机和放样台前 1 m 处放置
一电容式波高仪，具体布置见图 1b。试验所需狗牙根、
牛鞭草和裸地土样均用尺寸大小为 30 cm×30 cm×15 cm
的铁框采集，放入水槽放样台中，与来波正交。

a. 消浪试验
a. Wave attenuation experiment

b. 冲刷试验
b. Wave washout experiment
注：WG 为波高仪。
Note: WG is wave-height meter.
图 1 试验水槽设计
Fig.1 Sketch design of flume experiment



第 2 期 钟荣华等：狗牙根和牛鞭草的消浪减蚀作用 135


消浪试验时，试验水深 H 固定为 30 cm；冲刷试验时，
水深 H 固定为 60 cm，波浪周期固定为 1.2 s。根据现场
观测，长江干流波高大都介于 0～10 cm 间，其中 4～8 cm
波高出现频率最高，因此本试验采用 2 种波高 h（分别为
8 和 4 cm）进行试验，文中为便于表达，将 2 种波高的
波浪分别定义为中浪和小浪。现场样方调查表明，狗牙
根覆被高度为 30～50 cm，而牛鞭草高度为 0.8～1.2 m，
盖度两者均在 80%以上。为便于比较，本试验植物高度
均为 40 cm，植物盖度 C 分别为设置为 80%和 40%，试
验处理见表 1。当研究某一因素的影响时，其他因素均为
固定值。消浪试验时，各处理重复 5 次，冲刷试验时，
各处理重复 3 次。试验波高数据采用上述波高仪及成都
宇帆科技公司开发的 SDA1000 多功能数据采集及处理系
统进行采集，采样时间 60 s，采集频率为 20 Hz。

表 1 试验设计
Table 1 Design of flume experiment
试验类型
Test types
植物类型
Species
波高
Wave height h/cm
周期
Period T /s
水深
Water depth H /cm
植物盖度
Coverage C/%
狗牙根
Cynodon dactylon (L.) Pers. 8、4 1.5、1.2、1.0、0.8 30 80、40 消浪试验
Wave attenuation 牛鞭草
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. 8、4 1.5、1.2、1.0、0.8 30 80、40
狗牙
Cynodon dactylon (L.) Pers. 8、4 1.2 60 80、40
牛鞭草
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. 8、4 1.2 60 80、40
冲刷试验
Wave washout
裸地 Bare land 8、4 1.2 60 ―

1.3 试验流程
消浪试验的流程如下：
1）将 1 m 长 75 cm 宽植物带固定于水槽中部，向水
槽注水至 30 cm 深。
2）在植物带的前后 50 cm 处各安置 1 电容式波高仪
（图 1 中用 WG-1 和 WG-2 表示）以记录波高的变化。
3）电机开启，调节波浪周期和大小，打开波浪采集
系统，待波高稳定后，波高仪开始记录数据。记录 1 min，
结束记录，关闭电源，准备下 1 次试验。
4）重复步骤 3）过程，待所有试验组次完成后，关
闭电机，取出水槽中植物，结束试验。
冲刷试验的流程如下：
1）试验前，将供试验土样浸润至饱和后，静置 1 h
后称质量。然后将 2 个采集自同一地点，盖度，长势基
本相同的植物-土体复合样并排置于水槽左端放样台。
2）打开波浪采集系统，波高仪 WG-1 和 WG-2 开始
采集工作。
3）开启电机，冲刷开始，计时，每冲刷 10 min，拿
出，静置，待盛土框无明水滴漏出后称其质量（为确保
同步性，本试验都采取静置 1 h 后称其质量），记录冲刷
后土样质量变化。
4）重复步骤 3）过程，共 9 次后试验结束。每个土
样总共冲刷 90 min。注意，在土样取出静置时，关闭波
浪采集系统，待下 1 次冲刷开始前再次开启。
1.4 消浪系数、减蚀效应和根系固土贡献率计算
不同的植被配备具有不同的消浪能力。为了便于比
较，本研究参考相关文献，采用消浪系数来反映植物的
消浪性能大小[9,11]。消浪系数通过入射波高减去波浪经过
植被带后的透射波高再除以入射波高获取：

h h
h
ψ −= 入射 透射
入射
（1）
式中：Ψ 为消浪系数，无量纲；h入射为入射波高，cm；
h 透射为透射波高，cm。h 入射和 h 透射分别采用图 1 中的波高
仪 WG-2 和 WG-1 测得。
为了表征不同试验条件下，波浪侵蚀强度的大小，
参照土壤侵蚀研究中的办法，本文采用波浪侵蚀模数，
即单位面积单位时间冲刷的土壤质量（g/(m2·min)）用于
比较不同草本类型的减蚀效果。试验过程中采取土样冲
刷前后质量相减法获取冲刷量，即在试验前将待测土样
放入水槽中侵润至完全饱和平衡后，取出静置至没有滴
水漏出、质量平衡后称取土样质量，然后再放入水槽开
始冲刷试验；冲刷完成后再次将土样从水槽中取出，静
置至没有滴水漏出、质量平衡后称取土样质量，如此，
每组试验重复这样的操作。经过预试验验证，本次试验
采取静置 1 h 后，土样质量达到平衡。然后通过下式计算
侵蚀模数：
1 2=
M ME
A T
−
× （2）
式中：E 为侵蚀模数，g/(m2·min)；M1为冲刷前土样质量，
g；M2 为冲刷后土样质量，g；A 为土样面积，本试验中
为采样框面积，m2；T 为冲刷时间，min。然后再通过下
式计算 2 种植物的减蚀效应：
E E
W
E
−= 裸地 草地
裸地
（3）
式中：E 裸 地、E 草 地分别为裸地和草地的侵蚀模数，
g/(m2·min)。
植物的减蚀作用是其地上部分和地下根系的综合效
应。在草地受到波浪冲刷时，正是植物对入射波浪能量
的消减和分散，降低波浪爬高，削弱波浪侵蚀力。因此
植物的消浪，在一定程度上削弱了波浪对土壤的冲刷侵
蚀。而地下根系则一方面通过在土体中交错、穿插，网
络串联固持土壤，另一方面根系可以改善土壤的物理性
质，如渗透性、含水率等来提高土壤自身的水力学性质，
从而提高土壤抗冲性、抗蚀性，最终增强土体的抗侵蚀
农业工程学报 2015 年 136
能力[32-35]。为了区分植物根系和植物地上部分对土壤抗
波浪侵蚀的贡献，将植物地上部分剪去，仅留根系，再
通过水槽试验获取仅留根系土样的侵蚀模数。通过下式
得到根系和植物地上部分的固土贡献率：
100%(%)
S S
r
S
= − ×裸地 根系
裸地
（4）
式中：S 裸地为裸地侵蚀模数，g/(m2·min)；S 根系为含根系土
壤侵蚀模数，g/(m2·min)。再通过 1− r 得到植物地上部分
贡献率。
数据统计分析时采用 Kruskal–Wallis 非参数检验对
不同试验条件下 2 种植物的减蚀效应及其地上部分、地
下根系的固土贡献率进行了显著性检验。
2 结果与分析
2.1 两种草本植物的消浪作用
通过水槽试验对比分析了狗牙根和牛鞭草植被带在
不同试验条件（表 1）下的波高变化，并用式（1）计算
2 种草本植物的消浪系数。试验结果显示植被盖度、波浪
周期和波高对 2 种植物的消浪效应有重要影响（图 2）。
其中 2 种试验植物在 80%盖度下的消浪能力都要明显强
于 40%盖度。在 80%和 40% 2 种盖度下，狗牙根的平均
消浪系数分别为 0.43、0.30，牛鞭草的平均消浪系数分别
为 0.35、0.24。随着波浪周期缩短，消浪系数逐渐下降。
2 种植物应对不同周期的波浪，其消浪效应有明显差异，
在周期较长（1.2～1.5 s）时，狗牙根的消浪效果更好，
消浪系数最小为 0.37，最大可达 0.72，平均为 0.54，而
牛鞭草的消浪系数最小为 0.26，最大为 0.50，平均为 0.37；
在周期较短（0.8～1.0 s）时，则 2 种草本的消浪性能相
当，消浪系数介于 0.15～0.30 之间。同时，应对不同的
波高，2 种草本的消浪效果也有差异。波高为 4 cm 时，
狗牙根和牛鞭草的平均消浪系数分别为 0.39、0.32，而波
高为 8 cm 时则分别为 0.34、0.15。其中牛鞭草在 2 种波
高下的消浪系数有显著差异（P＜0.01），波高为 8 cm 时，
狗牙根的消浪系数要显著高于牛鞭草（P＜0.01）。可见，
2 种草本对小浪的消减效果均要强于中浪，总体上狗牙根
的消浪性能要好于牛鞭草。

a. 狗牙根
a. Cynodon dactylon (L.) Pers.
b. 牛鞭草
b. Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.

注：C、h 分别为盖度和波高，下同。
Note: C, h represents coverage and wave height, similarly hereinafter.

图 2 不同盖度和波高下 2 种草本植物的消浪系数变化
Fig.2 Changes of wave attenuation coefficient under different vegetation coverage and wave height

2 种草本植物的消浪性能差异主要是由于其形态特
征差异所致。牛鞭草地上部分直立生长，茎干较粗且分
布较疏，波浪较小时，部分波流会通过茎干间的空隙穿
过，从而削弱其消浪能力，但其根系发达，波浪较大时
不容易被波浪拖拽，仍然可以较好的阻挡波浪的通过，
从而消减波浪能量；而狗牙根地上茎干是匍匐生长的，
其在地面覆盖层较厚，当入射波较小，周期较长时，狗
牙根地上部分可以有效消减波浪能量；但因其柔韧性较
好，当波浪较大，周期较短时，在波浪的冲击下，其容
易跟随波浪一起摆动，所以消浪性能大为削弱。
2.2 两种草本植物的减蚀效应
用式（2）分别计算了狗牙根草地、牛鞭草地和裸地
在不同冲刷历时后的侵蚀模数。结果显示不同植被覆被
草地应对波浪冲刷的侵蚀差异明显（图 3）。40%盖度的
草地侵蚀模数要显著高于 80%盖度植物（P＜0.05）。其中
狗牙根在 80%和 40%盖度下的平均侵蚀模数为 10.57、
24.70 g/(m2·min)；而牛鞭草则分别为 42.63、 71.93
g/(m2·min)。整个试验过程中，狗牙根草地最侵蚀模数大
为 84.81 g/(m2·min)，最小仅为 3.15 g/(m2·min)，平均 17.63
g/(m2·min)；牛鞭草地最大侵蚀模数为 224.82 g/(m2·min)，
最小为 9.01 g/(m2·min)，平均 57.28 g/(m2·min)。狗牙根地、
牛鞭草地和裸地在 8 cm 波高下最大侵蚀模数分别为
84.81、224.82 和 1746.7 g/(m2·min)，平均侵蚀模数分别为
21.73、91.88 和 942.00 g/(m2·min)；在 4 cm 波高下的最大
侵蚀模数分别为 60.00、51.11 和 1487.78 g/(m2·min)，平
均侵蚀模数分别为 13.54、22.67、和 656.8 g/(m2·min)。总
体上，在同样的试验条件下，侵蚀模数为裸地＞牛鞭草
地＞狗牙根草地，并且后 2 种草地的侵蚀强度要远低于
裸地（P＜0.01），说明植物的存在确实可以起到较好的固
土作用。同时，应对不同强度的波浪冲刷，土壤的侵蚀
响应不一，中浪对不同试验样方冲刷侵蚀的强度要大于
小浪，这主要是由于中浪的波浪能量要显著大于小浪所
第 2 期 钟荣华等：狗牙根和牛鞭草的消浪减蚀作用 137

致。值得注意的是，各试验样方均在波浪冲刷前期，土
壤侵蚀剧烈，但持续时间长短有所差异，其中狗牙根地
持续时间为 0～25 min，牛鞭草地为 0～65 min，裸地为
0～70 min，而后却趋于缓和并逐渐稳定。
用式（3）计算了 2 种草本植物减蚀效应（表 2）。结
果表明 2 种草本减蚀效应均在 89%以上，最高达 98.5%。
除盖度 80%、波高 8 cm 的牛鞭草地试验组显著低于狗牙
根样地外（P＜0.05），不同试验条件下的消浪效应均在
93%以上，同一试验条件下 2 中草本植物的消浪效应没有
显著差异（P＞0.05），总体上，狗牙根的减蚀效应稍好于
牛鞭草。此外，图 3 显示，狗牙根草地的土壤侵蚀模数
要比牛鞭草地低得多，说明狗牙根草地更能抵受住波浪
的往复冲刷侵蚀。其原因可能是狗牙根是匍匐茎生长，
地上部分覆盖在地表，相当于给土壤加上一层较厚的保
护层，加之狗牙根地上部分柔韧性较好，在波浪冲刷时
可以自由变形，有效削弱波浪能量，抵挡波浪的冲蚀；
而牛鞭草是直立生长，尽管其地上部分同样发达，然而
茎干间空隙较大，利于波浪水流通过，且在波浪的冲击
下，地上茎干部分也会作来回摆动，植物摆动的拖拽力
破坏表层土壤，加剧侵蚀。

a. 狗牙根
a. Cynodon dactylon (L.) Pers.
b. 牛鞭草
b. Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.
c. 裸地
c. Bare land

图 3 3 种覆被类型下土壤侵蚀模数随冲刷时间的变化
Fig.3 Changes of erosion modulus following eroding time for three cover types

表 2 两种草本植物的减蚀效应
Table 2 Erosion reducing efficiency of two herbs studied %
植被 Plants C=40%, h=4 cm C=80%, h=4 cm C=40%, h=8 cm C=80%, h=8 cm
狗牙根 Cynodon dactylon (L.) Pers. 97.07 ± 4.03aA 98.81 ± 2.96aA 96.80 ± 5.08 aA 98.59 ± 4.02 aA
牛鞭草
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. 97.72 ± 2.42 aA 96.05 ± 3.39 aA 93.37 ± 6.76 aA 89.06 ± 2.40bB
注：表中值为均值 ± 标准差；不同小写字母表示同一试验条件下 2 种植物的减蚀效应在 P＜0.05 水平上差异显著，不同大写字母表示不同试验条件下同一植
物类型的减蚀效应在 P＜0.01 水平上差异显著。
Note: Values in table are mean ± standard deviation; different lowercase letters within a column denote significant differences (P<0.05) for two grasses under same test
conditions, whilst different capital letters within a row indicate significant differences (P<0.01) for same grass under varying test conditions.

2.3 植物根系与地上部分对波浪冲蚀的固土贡献率
通过式（4）计算了 2 种草本植物地下根系和地上部
分的相对固土贡献率。结果如表 3 所示，去除地上茎叶
部分后，2 种草地的侵蚀模数仍然要显著低于裸地。说明
根系的存在可以显著的固持土壤，其中牛鞭草根系的固
土贡献率高达 91%以上，而地上部分仅为 7.4%～8.6%；
狗牙根根系固土贡献率显著低于牛鞭草（P＜0.01），而
其地上部分贡献率（23.8%～28.8%）要显著高于牛鞭草
（P＜0.01）。此外，表 3 还显示 2 种植物在 8 cm 波高下
的根系固土贡献小于 4 cm 波高，而地上部分贡献则要高
于 4 cm 波高，但均没有显著性差异（P＞0.05）。2 种草
本地上部分和根系的固土贡献差异原由与上述侵蚀变化
原因相似，也主要是由于 2 种植物的地上部分形态和地
下根系的发达程度和分布形态有关。狗牙根发达的地上
部分可以较好地保护土壤。牛鞭草良好的减蚀性能与其
根系发达，固土效应强有关。

表 3 植物根系与其地上部分的相对固土贡献
Table 3 Relative contributions of plants roots and aboveground part to soil reinforcement
侵蚀模数
Erosion modulus/(g·m-2·min-1）
根系贡献率
Roots contribution rate/%
地上部分贡献率
Aboveground contribution rate/%样地类型
Land types
h=4 cm h=8 cm h=4 cm h=8 cm h=4 cm h=8 cm
牛鞭草
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. 45.30±2.50aA 77.53±3.37aB 92.6±4.10aA 91.4±3.54aA 7.4±4.10aA 8.6±3.54aA
狗牙根 Cynodon dactylon (L.) Pers. 146.30±1.75bA 257.90±3.36bB 76.2±2.63bA 71.2±2.09aA 23.8±2.63bA 28.8±2.09bA
裸地 Bare land 614.69±5.87cA 896.43±12.99cB ― ― ― ―
注：表中值为均值 ± 标准差；不同小写字母表示同一波高下不同样地的侵蚀模数或固土贡献率在 P＜0.01 水平上差异显著，不同大写字母表示 2 种波高下同
一植物类型的侵蚀模数或固土贡献率在 P＜0.01 水平上差异显著。
Nate: Values in table are mean ± standard deviation; Different lowercase letters within a column denote significant differences (P<0.01) for different land types tested
used the same wave height, whilst different capital letters within a row indicate significant differences (P<0.01) for same grass under two wave heights.
农业工程学报 2015 年 138

根据现场的观测，狗牙根在经历水淹后地上部分仍
然存活，而牛鞭草在经历水淹后地上部分全部枯萎；2 种
草本的根系部分则在水淹后都能够存活。结合其消浪减
蚀效应，可将狗牙根推荐到三峡水库消落带的植被恢复
和水土保持工程中。
3 结论与讨论
通过水槽试验分析了狗牙根和牛鞭草 2 种草本植物
的消浪减蚀效应，结果表明：
1）整个试验中，狗牙根和牛鞭草的平均消浪系数分
别为 0.37、0.30。2 种试验植物在 80%盖度下的消浪能力
要明显强于 40%盖度（P＜0.05）。同时，应对不同的波
浪周期和波高，2 种植物的消浪能力也有所差异。随着波
浪周期的缩短，消浪系数逐渐下降。在周期较长（1.2～
1.5 s）时，狗牙根和牛鞭草的平均消浪系数分别为 0.54、
0.37；在周期较短（0.8～1.0 s）时，则 2 种草本的消浪性
能相当，消浪系数介于 0.15～0.30 之间。波高为 4 cm 时，
狗牙根的消浪系数（0.39）略好于牛鞭草（0.32）；而波
高为 8 cm 时，狗牙根的消浪系数（0.34）要明显高于牛
鞭草（0.15）。
2）40%盖度下的草地侵蚀模数要明显高于 80%盖度
草地，同时裸地的侵蚀模数又要显著高于 2 种草地（P＜
0.01）。在 4 和 8 cm 波高波浪冲刷下，侵蚀模数均表现
为狗牙根样＜牛鞭草样，且 2 种草地的侵蚀模数显著低
于裸地（P＜0.01），同时 3 种样地在 4 cm 波高下侵蚀模
数又要显著低于 8 cm 波高下（P＜0.05）。2 种草本都有
较好的减蚀效应，平均减蚀效应均在 89%以上，最高可
达 98.59%。狗牙根的平均减蚀效应（97.8%）略好于牛鞭
草（94.1%）。
3）2 种植物的减蚀效应是其地上部分和地下根系的
综合作用结果，其中牛鞭草根系的固土贡献率高达 91%
以上，而地上部分仅为 7.4%～8.6%；狗牙根根系固土贡
献率（71.2%～76.2%）显著低于牛鞭草，但其地上茎干
部分贡献率（23.8%～28.8%）要显著高于牛鞭草（P＜
0.05）。
总体上，2 种草本都有较好的消浪减蚀效应，而狗牙
根的消浪能力和减蚀效应均要略强于牛鞭草。本试验研
究结果可以为三峡水库消落带的植被恢复和水土保持工
作提供参考依据。值得注意的是，由于试验条件受限，
本研究在消浪试验时只考虑了波浪条件和植被盖度影
响，并没有设计水深、植物高度、宽度等诸多因素的影
响。而冲刷试验时也仅在 30°坡度上进行，且只模拟了规
则波对土壤的冲刷侵蚀。因此本试验研究结果仅代表特
定条件下 2 种草本植物的消浪减蚀效果，并不能完全反
映现实消落带中植物的消浪减蚀过程。此外，本研究对
冲刷量的表征采取的是直接称重法，尽管结果较为准确，
但费时费力。对于河流、水库和湖泊消落带植物的复杂
消浪减蚀过程还需日后进一步完善试验条件，设计更为
具体、充分考虑不同因子影响的试验，以期更准确的反
演波浪冲刷下草本植物的消浪减蚀过程。
[参 考 文 献]
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English abstract)

农业工程学报 2015 年 140


Role of Cynodon dactylon L. and Hemarthria altissima in wave attenuation
and erosion control

Zhong Ronghua1,2, He Xiubin1, Bao Yuhai1※, Yang Kejun3, Gao Jinzhang1,2, Lü Fayou1,2
(1. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment,
Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Hydraulic and Mountain River Eng., Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Abstract: Soil erosion and bank degradation is a major post-dam concern regarding the riparian zone of Three Gorges
Reservoir (TGR). The development and succession of vegetation are the main countermeasures, especially to enhance
bank stability and mitigate soil erosion. Thus, the role of for Cynodon dactylon (L.) Pers. and Hemarthria altissima (Poir.)
Stapf et C. E. Hubb. in wave attenuation and erosion control was measured via the flume experiments. The results
showed that the two grass species play an important role in wave attenuation and erosion control. The effects of wave
attenuation and erosion control capabilities for the two species were different. The mean wave dissipation coefficient
(MWDC) for Cynodon dactylon (L.) Pers. and Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. were 0.37 and 0.30,
respectively, with the wave period of 1.2 s to 1.5 s. Nevertheless, the values of MWDC for Hemarthria altissima (Poir.)
Stapf et C. E. Hubb. was similar to Cynodon dactylon (L.) Pers. (ranged from 0.15 to 0.30) when the wave period was
between 0.8 s to 1.2 s. The MWDC values of 0.43 and 0.30 were responded for Cynodon dactylon (L.) Pers. under 80%
and 40% area coverage, respectively. In contrast, the MWDC values for Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.
were 0.35 and 0.24, respectively, under two different coverage. The MWDC values for Cynodon dactylon (L.) Pers. with
a wave height of 8 and 4 cm were 0.34 and 0.39, respectively; whilst, the ones for Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C.
E. Hubb. were 0.15 and 0.32, respectively. The MWDC values showed generally increasing trend with increasing wave
period. Species studied also significantly reduced wave induced soil erosion. The results of washout tests indicated the
soil erosion modulus decreased with increasing eroded time. The largest erosion modulus was measured for bare land
(799.40 g/(m2·min)), followed by Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. (57.28 g/(m2·min)), Cynodon
dactylon (L.) Pers. (17.63 g/(m2·min)). When the wave height was 8 cm, the mean erosion modulus was 84.81, 224.82
and 1 746.67 g/(m2·min) for Cynodon dactylon (L.) Pers. samples, Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.
samples and bare land, respectively; whereas, the mean erosion modulus for wave height equal to 4 cm was 13.54, 22.67
and 656.8 g/(m2·min), respectively. The percentage erosion control effectiveness of the two species studied ranges from
89.0% to 98.6%. Erosion control effect for Cynodon dactylon (L.) Pers. was found a bit higher as compared to that for
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. under the same test conditions, but not significantly different. Erosion
reducing is a combined consequence of above-ground and root system. The relative contribution rates of roots for
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. to prevent soil from erosion was as high as 91%, while its shoots only
contributed the proportion of 7.4% to 8.6%; Roots of Cynodon dactylon (L.) Pers. afforded a smaller soil conservation
contribution rate than Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb., whilst its aboveground contribution rate, ranged
from 23.8% to 28.8%, was significantly higher than Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb. In summary, the
capability of wave attenuation and erosion control for Cynodon dactylon (L.) Pers. was better as compared to the
Hemarthria altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb, which recommending Cynodon dactylon (L.) Pers. as a better selection
for soil conservation in the riparian zone of TGR. The efficiency of wave dissipation and erosion reducing capacity for
the investigated species were influenced by the vegetation coverage, the morphological features of aboveground and
underground root system, the wave size and period. Combined with the knowledge of vegetation dynamics, ecological
site properties, and species resistance to erosion, the observations made in this experiment would be useful for species
selection in the context of ongoing and future revegetation activities in the riparian zone of TGR and similar riparian
areas in the Yangtze River Basin.
Key words: wave; erosion; reservoirs; wave attenuation and erosion control; Cynodon dactylon (L.) Pers.; Hemarthria
altissima (Poir.) Stapf et C. E. Hubb.; riparian zone; Three Gorges Reservoir