全 文 :土壤2植物下垫面对微生态环境的影响 3
李全胜 3 3 吴建军 叶旭君 王兆骞 (浙江农业大学农业生态研究所 , 杭州 310029)
【摘要】 综述了土壤2植物下垫面对辐射平衡、热量条件、土壤侵蚀、土壤肥力、光能利用率等微生态环境的影
响.结果表明 ,有植被下垫面的反射率、有效辐射、土壤热通量的日变幅和感热通量均小于荒坡裸地 ;坡地植草
和减少翻耕次数有利于水土保持 ;下垫面栽种牧草可提高土壤肥力和光能利用率. 这对合理开发和利用土地资
源具有一定的参考价值.
关键词 下垫面 微生态环境
Effect of soil2plant underlying surface on microecological environment. Li Quansheng , Wu Jianjun , Ye Xujun and
Wang Zhaoqian ( Zhejiang A gricultural U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (2) :241~
244.
This paper summarized the effect of soil2plant underlying surface on such microecological environment as radiation bal2
ance , heat condition , soil erosion , soil fertility , utilization rate of solar radiation , etc. . The solar reflection rate , ef2
fective radiation , daily change of soil heat flux , and turbulence heat flux in the underlying surface covered by vegeta2
tion were smaller than those in the uncovered land. On slope land , planting grass and reducing the times of ploughing
would be beneficial to soil and water conservation , while growing forage grass on underlying surface would increase soil
fertility and utilization rate of solar radiation.
Key words Underlying surface , Microecological environment .
3 浙江省自然科学基金 (391152)和 FAO 资助项目.
3 3 通讯联系人.
1997 - 03 - 25 收稿 ,1997 - 09 - 10 接受.
1 引 言
广义的下垫面 (Underlying surface) 是指与大气进
行辐射、能量、动量、水汽、尘埃和其它物理量进行交换
的表面 ,如植被、水面、裸地、岩石等等. 下垫面是大气
中大部分热量和全部水汽、尘埃的源地. 小尺度的下垫
面差异形成各种小气候 ,大范围的下垫面差异 ,如海陆
分布、地形条件和极冰等 ,则是导致大尺度气候变化的
主要原因之一. 由此可见 ,下垫面不仅是人类生存和活
动的基本场所 ,而且是人类赖以生存和发展的根本保
证 ,是人类从事农业生产的物质基础 ;是土壤2植物2大
气连续系统中的一个重要组成部分 ,对整个生态环境
条件起着举足轻重的作用 ;是采用合理农业技术与生
态对策的作用面和着眼点 ,不仅与能量循环、水分循
环、养分循环和物质循环相偶联 ,而且也受人类活动 ,
尤其是农业生产活动的巨大影响. 本文在研究的基础
上 ,着重就土壤2植物下垫面对微生态环境的影响进行
探讨和分析.
2 下垫面对辐射平衡和热量条件的影响
2 . 1 下垫面对辐射平衡的影响
下垫面的辐射平衡 ( Radiation balance) 可用下式
表示[16 ] :
R = ( S + D) (1 - α) + F = Q (1 - α) + F
式中 , Q 是太阳总辐射 ( S 为直接辐射 , D 为散射辐
射) ,α为下垫面反射率 , F 是下垫面有效辐射. 可见 ,
对同一气候区域不同下垫面而言 ,其辐射平衡的差异
主要取决于下垫面性状[22 ,26 ] . 首先表现在对反射率的
影响 ,有研究表明[23 ] ,不同下垫面的反射率变化相当
大 ,为 2 %~85 % ,其基本规律是 :就土壤而言 ,土壤颜
色越淡 ,土壤越干越细 ,反射率就越大 ;就植被而言 ,因
植物种类、郁闭程度、表面状态、植物发育期而异 ,其变
化范围较大 ,绿草的反射率大于干草 ,阔叶林大于针叶
林 ,湿润的草面大于干燥的草面等. 例如草地为 0. 24 ,
苜蓿 (开花后) 0. 23~0. 32 ,水稻田 0. 12 ,棉花 0. 20~
0. 22 ,针叶林 0. 16 ,阔叶林 0. 20 , 对不同植被结构的
辐射平衡进行了实地观测 , 结果也表明有植被下垫面
的反射率总是小于荒坡裸地[11 ] . 其次下垫面通过对有
效辐射的影响而使辐射平衡发生变化 ,有效辐射是一
种长波辐射 ,隔绝地面与大气的长波辐射交换 ,是人工
影响有效辐射的主要途径 ,其本质是改变下垫面的性
状 ,如塑料薄膜、稻草等覆盖和植被状况的改变. 结果
表明 ,下垫面有植被的有效辐射总是小于荒坡裸地 ,即
植被可以减少有效辐射[3 ] .
应 用 生 态 学 报 1999 年 4 月 第 10 卷 第 2 期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 1999 ,10 (2)∶241~244
2 . 2 下垫面对土壤热通量和土壤温度的影响
土壤热通量是影响土壤温度变化的主要因素 ,下
垫面性状及其土层理化性质对土壤热通量的影响最
大.一般而言 ,白天 ,辐射平衡 R 为正值 ,土壤温度随
深度增加而减少 ,土壤热通量的方向由地表指向土层 ,
即热量从地表向下层传输 ;夜间 ,辐射平衡为负 ,则土
壤热通量方向指向地表 ,热量由土层向地面传输. 但
是 ,由于土壤2植物下垫面性状的不同 ,土壤热通量的
传输数值也存在很大差异. 目前 ,土壤热通量的研究大
多是针对某个特定区域或下垫面进行观测和分析 ,通
过相应仪器、设备和计算公式来确定. 在试验的基础
上 ,分析了春季自然裸露区桃园和牧草套种区桃园土
壤热通量的变化情况 ,结果表明 ,自然裸露区桃园土壤
热通量的日变幅和全天净热通量明显大于牧草套种
区[6 ] .其他学者也有类似的研究报导[11 ,28 ] ,认为无植
被下垫面的土壤热通量大于有植被的下垫面 ,在浓密
作物和植被覆盖下的温暖地区 ,土壤热通量比起能量
平衡的其它分量来说是很小的 ,然而 ,在植被或作物稀
少的地区 ,如丘陵旱地区 ,土壤热通量对能量平衡有明
显的贡献 ,并且在地表无植被的情况下 ,有时每小时土
壤热通量可近于净辐射的一半.
另外 ,由于下垫面性状的不同 ,改变了地表的辐射
平衡 ,从而使土壤温度及其振幅发生变化. 在同一区
域 ,夏季自然裸露地土壤温度要高于植物覆盖地 ,而冬
季则要低于植物覆盖地 ;但就土壤温度日振幅和时间
变率而言 ,自然裸露区域均要大于植物覆盖区域[6 ,7 ] .
2 . 3 下垫面对湍流和潜热通量的影响
在土壤2植物2大气系统中 , 感热和潜热通量的垂
直输送 ,不仅是下垫面能量平衡的重要组成部分 ,而且
对农林作物的生长发育、大气边界层状况都有至关重
要的影响. 一般而言 ,沙漠地区和土壤裸露的下垫面接
受的辐射平衡较同区域的湿润地区和植被覆盖的下垫
面为多 ,温度梯度较大 ;而水汽压梯度则是湿润地区和
植被覆盖区域大于沙漠地区和土壤裸露的区域 ,即具
有相反的分布趋势 , 进而影响感热和潜热通量. 张宝
玺[11 ]运用建立在梯度扩散理论基础上的有关计算公
式 ,分析了不同下垫面上的湍流和潜热通量 ,结果表
明 ,荒坡湍流热通量最大 ,日总量为 564. 4J·cm - 2 ,森
林植被最小 ,日总量为 182. 8J·cm - 2 ,纯松林和榛子林
居中 ,而潜热通量则反之 ,最强的是森林植被 ,而裸地
的蒸发耗热量总是小于有植被的下垫面 ;高素华[15 ]对
复合农田防护林中的热量平衡研究表明 ,林网内湍流
热通量明显小于林外 ,大林网可减少 23 % ,小林网减
弱 32 % ,而潜热通量则与对照区小麦田差异不显著 ,
从平均状况来看 ,大小林网内蒸发耗热都略有减少. 可
以看出 ,在其它条件相同的情况下 ,自然裸露区域的感
热通量要大于植被覆盖区域 ;而潜热通量则反之 ,即植
被覆盖区域大于自然裸露区域. 另外 ,植被高度还直接
影响零平面位移和粗糙度 ,粗糙度和零平面位移均随
植被高度的增加而增加 ,开阔的水面为 0. 02cm ,短草
地为 1~2cm ,禾本科作物为 3~7cm ,平坦裸地 0. 3~
1. 0cm[16 ] .
3 下垫面对土壤侵蚀和保持的影响
3 . 1 下垫面对雨滴能量和土壤溅蚀的影响
有植被的下垫面对降雨具有阻留作用 ,其对土壤
侵蚀的影响有二 :一是被阻留的水分不再进入土壤而
直接从茎叶部蒸发掉 ,因此 ,这部分水不会造成径流 ,
不是侵蚀因素 ;二是植被冠层减轻了雨滴对土壤碰撞
的影响 ,从而使雨水袭击而造成的对土壤结构的破坏
力降低. 换言之 ,降低了雨滴对土壤击溅的能量. 欧洲
土壤流失方程中就考虑了下垫面植物拦截对降雨能量
的影响[13 ] ,将降雨能量分为 2 种 ,一是不受植被干扰
而直接降落在土壤表面的降雨能量 E1 ,另一是受植被
拦截后落到土壤的降雨能量 E2 ,并用下式表示 :
E1 = 8 . 95 + (8 . 44 ×log I)
E2 = 15 . 8 ×H0. 5 - 5 . 87
式中 , I 为雨强 ( mm·h - 1 ) , H 为植物有效高度 ( m) .
Gregory 建立了不同下垫面条件下的相对雨滴能量的
预测公式[25 ] ,认为对高茬覆盖下的相对能量可用下式
表示 :
Ec = 1 - ( Et - EhEt ) Fc
式中 , Ec 为覆盖下的相对能量 , Et 为单位面积上以末
速度降落的雨滴动能 , Eh 为单位面积上从高为 h 的覆
盖层上降落的雨滴的动能 , Fc 为植被覆盖的百分数.
由此可见 ,下垫面的植株高度和覆盖度均对降雨能量
有很大的影响 ,植被覆盖度越大 ,其降雨能量就越小 ,
对土壤的侵蚀力就越弱. 通过幼龄桔园套种试验结果
表明[9 ] ,幼龄桔园套种黑麦草区域的土壤侵蚀量仅为
自然裸露区的 14. 7 % , 减少了 85. 3 %.
Wustamidim[30 ]对 17 种土壤团聚体进行了分析 ,
并运用表述土壤主要性质的 23 种指标建立了降雨能
量与团聚体破坏之间的关系. 结果表明 ,有植被下垫面
将会大大减小能引起土壤侵蚀的降雨能量. 另外 ,由于
植被根系的存在 ,可以使土粒之间存在一股凝聚力. 至
于土壤溅蚀量不仅和降雨能量有关 ,而且还与植被覆
盖度和土壤坡度直接有关[10 ,18 ] ,并随下垫面植被覆盖
242 应 用 生 态 学 报 10 卷
度的增大呈负指数规律下降.
3 . 2 下势面对土壤入渗和水分径流的影响
土壤入渗不仅和土壤本身的理化性状和降雨强度
有关 ,下垫面性状也是一个重要因素. 对同一土壤类型
的不同下垫面而言 ,地表击实层形成后的渗透系数是
有差异的. 有研究表明[14 ] ,在其它条件相同的情况下 ,
击实层形成后 ,草地的渗透系数下降了 16. 5 % ,而露
地下降了 95. 16 %. 可见 ,露地土壤入渗率减少明显 ,
换言之 ,促进了地表径流和土壤侵蚀. 其它学者对坡耕
地不同地面覆盖条件下的土壤入渗研究结果也表明 ,
无论是沙打旺还是荒草地或麦草 ,与翻松裸露地相比 ,
都有明显增加入渗的作用[4 ] .
由于下垫面植被的蒸腾、阻留作用和土壤入渗的
增加 ,使得同雨量和同坡度条件下的径流量比裸地大
为减少. 另外 ,由于下垫面的不同 ,对径流速度的影响
也不同 ,任何植被对径流水流动都是一个阻碍 , 特别
是分布均匀、郁闭旺长的植被不仅能使坡面水流动变
缓 ,而且能阻止水分快速集中 ,减弱了水流对土壤的冲
击力 , Abraham 和 Sadeghian 等广泛使用 Darcyweis2
back 阻力系数 f 描述了降雨引起的坡面径流变化 ,并
用坡面糙度和粘滞系数来表示下垫面性状. 对不同覆
盖条件下的径流量研究表明 ,在同样坡度条件下 ,下垫
面有植被区域比裸露区的径流量明显减少 ,随坡度增
加而趋明显 ,并建立相关模型. 对人工沙打旺草地的径
流起始时间与降雨强度、草地覆盖度以及土壤前期含
水量间的关系进行了探讨 ,发现当有植被覆盖时 ,径流
起始时间不仅与降雨强度有关 ,而且还与草地覆盖度
有密切关系 ,随着植被覆盖度的提高 ,起始径流时间明
显推迟. 有学者对裸露和长草壤质砂土径流和侵蚀速
度进行了比较 ,认为在耕地系统中结合永久性草带有
利于减少径流 ,有利于土壤和水分的保持.
3 . 3 下垫面对土壤可蚀性的影响
土壤可蚀性是指土壤是否易受侵蚀破坏的性能 ,
也就是土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性 ,在其它
影响土壤侵蚀的因子相同的条件下 ,可蚀性因子反映
了土壤不同的侵蚀率. 美国通用土壤流失方程中的可
蚀性因子是一个与标准小区相比的单位侵蚀指数的侵
蚀率. 为此 ,有许多学者针对不同下垫面的情况进行了
实验研究和修正[21 ,24 ,29 ] . 我国学者对此也进行了研
究 ,结果表明 ,团聚体总量、1~10mm 团聚体量 ,团聚
状况及团聚度 ,都是灌木林和草地优于乔木林地 ,草地
也好于农地 ,并且这些土壤性质都与可蚀性呈负相关 ,
而团聚体的分散度与土壤可蚀性呈正相关[2 ,3 ] . 我们
在实地试验的基础上 ,根据生产实际情况 ,用单位降雨
强度下单位面积的土壤侵蚀量表示土壤侵蚀量的大
小 ,结果表明[9 ] ,土壤翻耕后 ,单位降雨侵蚀量与过程
降雨总量和日最大降雨量不是线性关系 ,土壤侵蚀量
随降雨过程次序的变化呈指数规律下降 ,说明翻耕初
期的土壤最易侵蚀 ,应特别注意保护 ,因此 ,在生产实
践中 ,如果允许的话 ,应尽量减少坡地的翻耕次数 ,特
别要避免在多雨和大雨季节翻耕 ,以减少水土流失.
3 . 4 下垫面对土壤侵蚀的影响
从上述的试验结果和研究报道可以看出 ,下垫面
对降雨能量、团聚体破坏、径流量、径流速度、土壤入渗
和可蚀性均有影响 ,但最终表现为对土壤侵蚀的作用.
这已有许多国内外学者从不同角度、不同方面对不同
类型的坡面进行了大量的试验研究 ,并建立了相应的
预测模型. 结果均一致表明下垫面性状和土壤侵蚀关
系密切. 有植被下垫面比裸露地区土壤侵蚀少 ,覆盖度
大的区域比覆盖度小的区域土壤侵蚀少. 但其模型大
多针对某一坡面 ,甚至是某次降雨过程而导出的 ,缺乏
一定的通用性. 当然 ,除下垫面植被以外 ,下垫面的坡
度、坡长、坡向等都对土壤侵蚀有直接的影响[8 ,17 ,27 ] .
4 下垫面栽种牧草对改土培肥和光能利用率的影响
4 . 1 下垫面栽种牧草对改土培肥的影响
据实地试验表明 ,成龄桔园较长时间 (本试验为 7
年)套种紫云英对改土培肥有良好效果 ,套种桔园的土
壤有机质、全 N、速效 P、CEC 含量及 p H 值分别比不
套种桔园提高 12. 99 %、21. 67 %、207. 35 %、6. 57 %和
2. 07 %. 另据报道[12 ] ,红壤坡地柑桔园栽种香根草并
覆盖树盘能改善土壤物理性状 ,与对照区块相比 ,土壤
p H 值上升 0. 65 ,土壤有机质、全 N、水解 N、速效 P 和
K含量均有所增加 ,栽香根草的柑桔园土壤容重下降
0. 09t·m23 ,孔隙率增加 3. 8 % ,使其土壤通气透水性能
增加 ,有利于蓄水保肥. 在浙西红壤丘陵水土流失劣地
和油茶林间 ,进行轮间作豆科禾本科牧草 ,结果也表
明 ,种植牧草后 ,土壤农化性状得到明显改善 ,不但 N、
P 含量和有机质成倍增长 ,其有效 P、K 也明显增加 ,
p H 值增加 0. 1~0. 4 个单位. 方玲等[1 ]认为提高沿海
赤红壤旱地土壤有机质的途径之一便是广辟有机肥
源 ,种植绿肥 ,果园间套种禾本科与豆科绿肥. 谢瑾
岚[19 ]通过长期定位试验也表明丘陵土壤桔园绿肥覆
盖有利于增加有机质 ,5 年土壤有机质增加0. 24 %~
0. 54 % ,并提高了养分贮量和土壤肥力水平 ,促进了土
壤团聚体的形成 ,改善了土壤结构 ,并认为丘陵红壤桔
园宜种植印度豇豆、豆科、禾本科等. 但必须注意 ,相互
竞争太强烈的植物不宜种在一起 ,并注意病虫防治和
3422 期 李全胜等 :土壤2植物下垫面对微生态环境的影响
适时管理[20 ] .
4 . 2 下垫面栽种牧草对光能利用率的影响
下垫面栽种牧草一方面可改善土壤理化性状 ,促
进农林作物的生长发育和产量形成 ,另一方面可减少
光能的直接损失 ,尤其是在新垦坡地经济果园中 ,由于
裸地比例较大 ,光能损失较多 ;据我们的实地观测 ,幼
龄桔园套种黑麦草或黑麦草和紫云英混播 ,第一年收
割鲜草 63t·hm - 2左右 ,第二年为 72t·hm - 2左右 ;紫云
英第一年收割鲜草 11. 3t·hm - 2左右 ,第二年为 31. 5t·
hm - 2左右 ;因此 ,套种黑麦草桔园每公顷可多固定
173. 2 ×109~216. 5 ×109J 太阳能 ,使套种期间的光能
利用率提高 0. 82 %~1. 02 % ,套种紫云英桔园每公顷
可多固定 26. 9 ×109~75. 1 ×109J 太阳能 ,使套种期
间的光能利用率提高 0. 13 %~0. 35 %. 有学者[5 ]对低
丘红壤地区桔草乳牛生态系统的综合研究表明 ,在未
种植牧草的桔园中 ,光能利用率为 0. 30 % ,而套种牧
草后 ,光能利用率可提高到 0. 59 % ,光能利用率增加
96. 7 %. 陈凯[12 ]等调查结果表明 ,红壤坡地桔园中 ,种
植香根草的树势明显比未种香根草者强 ,促进了柑桔
树生长发育.
5 结 语
从上述分析比较可以看出 ,不同下垫面对温湿状
况、土壤侵蚀、土壤肥力、光能利用率、养分利用率等微
生态环境和作物生长发育都有很大的影响. 因此 ,一方
面可通过改变下垫面性状 ,达到改善生态环境 ,趋利避
害 ,营造一个适宜于农业生物生长发育的条件 ,使人类
能持续地获取初级生产力 ,另一方面 ,不适当地改变下
垫面性状或利用不当 ,则会破坏和恶化生态环境 ,导致
水土流失、地力下降、自然资源的利用效益不理想、农
业生产不能持续稳定的发展. 由此可见 ,对下垫面性状
及其对生态环境影响相互关系的研究 ,不仅具有重要
的理论价值而且更具有实际指导意义.
参考文献
1 方 玲、高志强. 1993. 提高沿海赤红壤旱地土地有机质的几种途
径. 福建农学院学报 , 22 (2) :208~210.
2 史学正、邓西海. 1993. 土壤可蚀性研究现状及展望. 中国水土保
持 , (3) :25~29.
3 田积莹. 1964. 子午岭连家地区土壤物理性质与土壤抗蚀指标的初
步研究. 土壤学报 ,12 (3) :286~296.
4 刘元保、唐克丽等. 1990. 坡耕地不同地面覆盖的水土流失试验研
究. 水土保持学报 ,4 (1) :25~28.
5 吕 军、陈健民等. 1991. 低丘红壤桔草乳牛生态系统的综合效益
分析. 土壤通报 , 22 (7) :6~8.
6 李全胜等. 1996. 桃园套种黑麦草对土壤热状况的影响及其模拟研
究. 应用生态学报 ,7 (增刊) :39~44.
7 李全胜等. 1996. 不同下垫面对土壤热状况和出笋期的影响. 浙江
农业大学学报 ,22 (3) :232~235.
8 李全胜、王兆骞. 1995. 坡面承雨强度和土壤侵蚀临界坡度的理论
探讨. 水土保持学报 , 9 (3) :50~53.
9 吴建军、李全胜等. 1997. 幼龄桔园套种对土壤流失的影响及其模
拟研究. 应用生态学报 ,8 (2) :143~146.
10 吴普特. 1991. 地表坡度对雨滴溅蚀的影响. 水土保持通报 ,11 (3) :
8~13.
11 张宝玺、金广涛等. 1989. 辽西地区不同植被结构辐射平衡与小气
候研究. 中国林业气象文集. 北京 :气象出版社.
12 陈 凯. 1992. 台湾坡地果园水土保持技术. 台湾农业情况 , (3) :28
~30.
13 陈一兵. 1993. 欧洲土壤流失方程式简介. 中国水土保持 , (2) :30~
31.
14 周国逸. 1990. 林地土壤的降雨入渗规律. 水土保持学报 ,4 (6) :79
~84.
15 高素华等. 1989. 复合农田防护林热量平衡的研究. 中国林业气象
文集. 北京 :气象出版社.
16 翁笃鸣、陈万隆等. 1981. 小气候和农田小气候. 北京 :农业出版社.
17 曹文洪. 1993. 土壤侵蚀坡度界限研究. 水土保持通报 ,13 (4) :1~
5.
18 蒋忠信. 1991. 关于对雨滴溅蚀数学模型的改进意见. 水土保持通
报 ,11 (6) :58~59.
19 谢瑾岚. 1990. 丘陵红壤桔园绿肥覆盖改土效应研究. 湖南农业科
学 , (5) :38~40.
20 M. E. 希斯等 (周文惠等译) . 1992. 牧草草地农业科学. 北京 :农业
出版社.
21 Bruce - Okine , E. et al . 1975. Soil erodibility as determined by rain2
drop techniques. Soil Science , 119 :149~157.
22 Dolman ,A. J . 1993. A multiple - source land surface energy balance
model for use in general circulation moedls. A gri . For. Meteor . ,65
(1) :21~46.
23 Federer , C. A. 1971. Solar radiation absorption by leafless hardwood
forests. A gri . Meteor. , 9 :3~20.
24 Forster , G. R. 1991. Advances in wind and water erosion prediction.
J . Soil W ater Conserv . ,46 :27~29.
25 Gregory ,J . M. 1984. Prediction of soil erosion by water and wind vari2
ous fractions of cover. Transaction of A SA E ,27 (5) :1346~1350.
26 Kuusk ,A. 1992. Absorption profiles of shortwave radiation in a vege2
tation canopy. A gri . For. Meteor. , 62 (1) :191~204.
27 Lindstrom ,M. L . 1990. Soil movement by tillage as affected by slope.
Soil and Tillage Research ,17 (3 - 4) :255~264.
28 Oliver ,S. A. et al . 1987. Soil heat flux and temperature variation with
vegetation , soil type and climate. A gri . For. Meteor. , 39 : 257~
269.
29 Renard , K. G. et al . 1991. Revised Universal soil loss equation. J .
Soil W ater Conserv . , 46 :30~33.
30 Wustamidim ,D. L . A. 1985. Aggregate breakdown in relation to rain2
drop energy. Soil Science ,139 (3) :239~242.
作者简介 李全胜 ,男 ,36 岁 ,生态学博士 ,副研 ,主要从事农业
生态学和农业气象学研究 ,已发表学术论文 35 篇. E2mail :Li2
quansh @public1. hz. zj. cn
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