不同植物帶地埂土壤抗侵蝕效果研究

劉明義，許曉鴻，劉艷軍，隋媛媛，張 瑜，王永豐

(吉林省水土保持科學研究院，吉林長春 130033)

坡耕地是我國重要的耕地資源。長期以來，對坡耕地整治的研究得到了水保界的廣泛重視［1－3］，朱顯謨曾指出，植物是防治水土流失最有效和最根本的措施［4］。地埂植物帶是指在坡耕地上沿等高線橫向等距離培修的土埂上種植灌木或草本植物，以截短坡長、調(diào)蓄徑流、防止坡耕地水土流失的治理措施［5］，是我國北方地區(qū)應用廣泛的一種防治坡耕地水土流失的有效措施，也是東北地區(qū)復合農(nóng)林業(yè)種植的一種形式。由于種種原因，目前國內(nèi)外對地埂植物帶研究得較少，相關的研究多集中在等高植物籬和農(nóng)林復合經(jīng)營等方面［6－10］。實踐證明，針對東北低山丘陵漫崗區(qū)坡耕地坡面長、坡度小及土壤疏松的特點，地埂植物帶能起到明顯的防治水土流失的效果，對坡耕地土壤肥力的改善和糧食產(chǎn)量的提高具有重要作用。

地埂植物帶將坡耕地治理中的工程措施與植物措施結合起來，可以起到保持水土的作用。地埂植物帶自身的抗蝕性和穩(wěn)定性對坡耕地水土流失防治效果具有重要的影響［11－12］。本研究通過對不同植物地埂植物帶上植物生長狀況的調(diào)查及土壤物理化學指標、土壤崩解速率的測定與分析，研究不同植物措施下地埂植物帶的抗侵蝕效果，旨在加深人們對地埂植物帶在坡耕地治理中作用的認識，更加有效地推進這一措施在東北低山丘陵區(qū)水土流失防治中的應用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省東遼縣杏木小流域，地處長白山余脈的東遼河流域上游，屬于典型的東北低山丘陵區(qū)，地理坐標為東經(jīng) 125°22'40″—125°26'10″、北緯 42°58'05″—43°01'40″，屬寒溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫5.2℃，最高氣溫38℃，最低氣溫－40℃，年有效積溫2 700～2 800℃，≥10℃的積溫2 900℃，年均無霜期137 d，年均日照時數(shù)2 497.9 h。據(jù)遼源市水文站50年的觀測資料，年最大降水量911.0 mm，年最小降水量410.6 mm，年均降水量658.1 mm。

1.2 試驗方法

試驗在杏木小流域坡耕地上進行，平均坡度為8°，坡耕地上種植的作物為玉米，選擇立地條件基本相同的坡耕地下部3個地埂植物帶作為研究對象，地埂頂寬60 cm，埂高52 cm，埂上種植的植物為黃花菜(Hemerocallis citrinaBaroni)和紅小豆(Vigna angularis)，均為適合東北地區(qū)生長的作物，且紅小豆具有較高的經(jīng)濟價值。種植方式為黃花菜單種、紅小豆單種及黃花菜與紅小豆混種，每條地埂上均種植3行植物，株行距均為20 cm，其中黃花菜為每穴2株，成活率均在95%以上。

根據(jù)地埂植物帶立地條件的特殊性，本研究采用樣線法進行植物調(diào)查，即在各種不同地埂植物帶內(nèi)選擇長勢良好、較為平直的地段設10 m樣線，調(diào)查樣線范圍內(nèi)地埂上所有植株的高度、冠幅、地上生物量，取其平均值，并測量地埂植物帶上的植物蓋度。植物根系特征的調(diào)查采用整株挖掘法，即在各地埂植物帶的樣線范圍內(nèi)，分別將長勢相近的2株植物地上部分剪下，并將其根系完整挖出，測量分析根深及根的生物量。

分別沿所選3種植物帶地埂取土壤剖面，每種地埂取3個剖面，按0—20、20—40和40—60 cm分3層取樣測定土壤物理、化學指標，按0—5、20—25和40—45 cm分3層取樣測定土壤崩解速率，并以各種地埂上無植物覆蓋的裸埂為對照同樣分3個相同層次進行取樣，進行土壤物理、化學指標及崩解試驗的測定與分析。

1.3 測定項目與方法

(1)植物生長情況調(diào)查。植物株高、冠幅、根深、根幅及地埂植物帶蓋度，采用樣線法和鋼卷尺測量［13］;植物鮮重采用天平直接稱量;植物干重的測定，是將鮮樣先在105℃溫度下殺青，然后在65℃下烘干至恒重，再采用萬分之一萬天平進行測定。

(2)土壤物理、化學性質(zhì)測定。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤水分采用烘干法測定，土壤有機質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀法測定［14］。

(3)土壤崩解速率測定。土壤崩解速率采用靜水崩解法進行測試［15］，試驗儀器為根據(jù)崩解試驗原理自制的測試設備，每隔30 s觀測一次讀數(shù)，試驗觀測最長時間為30 min。土壤崩解速率計算公式為

式中：B為崩解速率，cm3/min;S為浮筒底面積，cm2;γ為土壤容重，g/cm3;l0、lt分別為崩解開始(已放土樣)的浮筒刻度初始值和某時刻t的讀數(shù)，cm;t為土樣完全崩解的時間，min，未完全崩解計為30 min。

2 結果與分析

2.1 不同地埂植物帶植物生長狀況

表1是不同地埂植物帶植物生長情況。由表1可知，黃花菜地埂植物平均株高48 cm，冠幅50 cm，根深28 cm，根幅35 cm，地下部分鮮重和干重分別為31.17 g和10.643 g，均高于紅小豆地埂植物，但紅小豆地埂植物的地上生物量和蓋度要明顯高于黃花菜地埂，紅小豆鮮重和干重分別為225.07 g和36.765 g，地埂上植物蓋度高達60%，為黃花菜地埂植物蓋度的6倍。以上分析說明：①紅小豆地埂植物帶地上部分比黃花菜生長茂密，具有較好的植被蓋度，而黃花菜根系為根端膨大的肉質(zhì)根，比紅小豆根系粗壯，能夠貯存更多的水分供植物吸收利用。②在黃花菜與紅小豆混種的地埂植物帶上，黃花菜和紅小豆的生長狀況均好于單種植物的地埂植物帶，兩種植物地上和地下生物量明顯提高，地埂植被蓋度達到45% ～50%，幾乎是黃花菜地埂植物蓋度的5倍，且植物根深和根幅均比單種植物的地埂植物帶大，說明紅小豆和黃花菜混種能夠明顯地促進地埂植物地上和地下部分生長，提高植物生物量及蓋度。之所以出現(xiàn)這種情況，一方面可能是紅小豆作為豆科植物，根瘤固氮菌能夠為兩種植物提供N素作為養(yǎng)分;另一方面主要是由黃花菜特殊的生物外觀決定的，其枝葉猶如天然的集水槽，使降水可沿其枝葉匯集于根部，為植物生長提供充足的水分。同時，植物冠層和枯枝落葉能夠?qū)τ晁鸬浇亓艉妥铚饔茫的軌驅(qū)ν馏w起到盤繞和固結的作用，因此紅小豆與黃花菜混種植物比單種植物能夠發(fā)揮更好的護埂和固埂作用。

表1 不同地埂植物帶植物生長情況

2.2 不同植物帶地埂土壤物理、化學性狀

土壤容重和孔隙度是反映土壤結構緊實度及保水保土性能的重要指標，土壤容重越小孔隙度越大，其通氣透水性越好，保水抗蝕性能就越強。由表2可知，不同植物帶地埂土壤容重均隨土層深度的增加而逐漸增大，孔隙度隨土層深度的增加而逐漸減小，其中：黃花菜地埂土壤容重最小，0—20、20—40和40—60 cm 土層分別為1.02 、1.07 和1.10 g/cm3，孔隙度最大，分別為61.51%、59.62%和58.49%;黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂相應土層土壤含水量最高，自上而下分別為8.05%、9.90%和11.36%;無植物覆蓋的裸埂各土層土壤容重最大，自上而下分別為1.05、1.15 和 1.19 g/cm3，孔隙度最小，分別為56.01%、53.96% 和 52.08%，含水量最低，分別為 6.54%、6.93%和8.91%。以上分析說明，與對照裸埂相比，3種地埂植物帶均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤滲透能力和蓄水保肥能力，但不同地埂植物帶對土壤通氣透水性能改善的效果不同，黃花菜根系最為粗壯，土壤孔隙度最高，黃花菜和紅小豆混種植物地埂土壤含水量最高，保水抗蝕性能最強。

表2 不同地埂類型土壤理化性質(zhì)

土壤有機質(zhì)是土壤結構形成及穩(wěn)定的核心物質(zhì)，主要來源于土壤微生物、土壤動物及其分泌物和植物殘體及植物分泌物。土壤有機質(zhì)與土壤結構性、通氣性、滲透性、吸附性及緩沖性密切相關［16］，有機質(zhì)含量的增加能夠改變土壤膠體性狀，增強土壤吸附能力及持水保水能力。由表2可知，在所研究的3個不同土層中，黃花菜、紅小豆、黃花菜與紅小豆混種3種不同地埂植物帶的土壤有機質(zhì)含量均高于裸埂，其中黃花菜與紅小豆混種下的土壤有機質(zhì)含量最高;在不同植物措施下，土壤有機質(zhì)含量基本上隨土層深度的增加而逐漸減少，其中黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂20—40 cm土層土壤有機質(zhì)含量最高，達7.88%，這主要是由于黃花菜與紅小豆根系集中分布在該層(表1)，2種植物混種能夠促進彼此根系的生長，增加有機質(zhì)來源，從而提高土壤中有機質(zhì)含量，增強土壤的保水抗蝕性能。以上研究結果表明，黃花菜與紅小豆混種植物帶能夠更好改善土壤物理、化學性狀，增強土壤抗蝕性能。

2.3 不同植物帶地埂土壤崩解速率

土壤崩解速率指單位時間內(nèi)崩解掉的原狀土樣的體積，它是用來衡量土壤的抗崩解性能，反映土壤的抗蝕抗分散特性，評價土壤抗蝕性的綜合指標之一［17］。對不同植物帶地埂0—5、20—25和40—45 cm土層土壤崩解速率測定的結果見表3。由表3知：土壤崩解速率隨土層深度的增加而增大，原因主要是隨著土層深度的增加土壤容重逐漸增大，孔隙度和有機質(zhì)含量降低，土壤保水抗蝕性降低，并且隨著土層深度的增加，土壤中植物根量在不斷減少，土壤抵抗水體的分解和破壞能力降低，加快了土壤崩解;不同植物帶地埂在所研究各土層中崩解速率表現(xiàn)為黃花菜與紅小豆混種＜紅小豆＜黃花菜＜裸埂，說明黃花菜與紅小豆混種的植物帶地埂土壤抗崩解性能最強，其土壤抗蝕性要優(yōu)于紅小豆和黃花菜單種植物條件下的土壤。分析其原因，可能是黃花菜與紅小豆混種能夠促進兩種植物地上和地下生物量的增加，降低雨水對地埂土壤的直接擊濺和沖刷，保護地埂免遭損毀，有利于改善土壤物理、化學性質(zhì)，加強了植物根系對土壤的纏繞與固結，從而增強了土體抗侵蝕性能。這與本文中對植物帶地埂植物生長狀況及地埂土壤物理、化學性質(zhì)的分析結果是一致的。

表3 不同植物帶地埂土壤崩解速率

表4中方差分析結果表明：在總的變異均方中土層深度因素所帶來的均方所占比重最大，其次為植物種類因素及兩因素的交互作用，并且均表現(xiàn)出極顯著差異，說明植物種類和土層深度2個因素能夠顯著影響土壤崩解速率，不同植物對植物帶地埂抗蝕性能具有顯著影響;黃花菜與紅小豆混種與該兩種植物單種相比，能夠顯著地提高土壤抗蝕性能，提高地埂穩(wěn)定性，更加有利于地埂植物帶發(fā)揮保持水土的作用，是適合東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失防治的好措施。

表4 地埂土壤崩解速率差異的顯著性分析結果

3 結論

(1)黃花菜植物帶植物根系粗壯，紅小豆植物帶地上部分生長情況較好，在地埂上實行黃花菜與紅小豆混種，能夠促進植物地上和地下部分生長，提高地埂蓋度，增強護埂固埂作用。

(2)不同植物帶地埂土壤容重隨土層深度的增加而增大，土壤孔隙度、含水量和有機質(zhì)含量隨土層深度的增加而降低，其中黃花菜與紅小豆混種植物帶有機質(zhì)含量在20—40 cm土層最高，原因主要是2種植物根系集中分布在該層，根系及其分泌物能夠增加土壤中有機物質(zhì)來源。

(3)黃花菜、紅小豆及黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤孔隙度、含水量及有機質(zhì)含量均高于對照裸埂，土壤容重低于裸埂，3種地埂植物帶均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤滲透及蓄水能力;不同植物對地埂土壤性質(zhì)改善的效果不同，黃花菜地埂土壤孔隙度最好，黃花菜與紅小豆混種地埂土壤保水保肥、抗蝕性能最強。

(4)不同植物帶地埂土壤崩解速率隨土層深度的增加而增大，黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤抗崩解性能要優(yōu)于單種的黃花菜、紅小豆地埂及裸埂，土壤抗蝕性最強。方差分析結果表明，不同地埂植物帶對土壤抗蝕性具有顯著影響，黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤抗蝕性高于裸埂及2種植物單種的情況，其固埂作用顯著，是適合東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失綜合防治的良好措施。

［1］字淑慧，段青松，吳伯志.混播草帶防治坡耕地水土流失效應的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(5)：61 －65.

［2］朱青，王兆騫，尹迪信.貴州坡耕地水土保持措施效益研究［J］.自然資源學報，2008，23(2)：219 －229.

［3］薛建斌.國家坡耕地水土流失綜合治理試點工程靜寧縣項目區(qū)建設的有效嘗試［J］.中國水土保持，2011(4)：53－54.

［4］朱顯謨.黃土高原地區(qū)植被因素對于水土流失的影響［J］.土壤學報，1960，8(2)：110 －120.

［5］張典，高雄哲.東北黑土區(qū)坡耕地綜合治理措施探討［J］.吉林水利，2010(8)：58 －60.

［6］孫輝，唐亞，陳克明，等.固氮植物籬防治坡耕地土壤侵蝕效果研究［J］.水土保持通報，1999，19(6)：1 －5.

［7］唐亞，謝嘉穗，陳克明，等.等高固氮植物籬技術在坡耕地可持續(xù)耕作中的應用［J］.水土保持研究，2001，8(1)：104－109.

［8］孫輝，唐亞，趙其國，等.干旱河谷區(qū)坡耕地等高植物籬種植系統(tǒng)土壤水分動態(tài)研究［J］.水土保持學報，2002，16(1)：84 －87.

［9］田茂潔.等高植物籬模式下土壤物理性質(zhì)變化與水土保持效果研究進展［J］.土壤通報，2006，37(2)：383 －386.

［10］卜崇峰，蔡強國，袁再建.三峽庫區(qū)等高植物籬的控蝕效益及其機制［J］.中國水土保持科學，2006，4(4)：14 －18.

［11］王忠林，李會科.花椒地埂林土壤抗蝕性研究［J］.西北林學院學報，1998，13(2)：30 －33.

［12］王喜龍，蔡強國，王忠科，等.冀西北黃土丘陵溝壑區(qū)梯田地埂植物籬的固埂作用與效益分析［J］.自然資源學報，2000，15(1)：74 －79.

［13］張宇清，齊實，孫立達，等.兩種立地條件梯田埂坎紅柳根系特征研究［J］.北京林業(yè)大學學報，2002，24(2)：44－47.

［14］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986：33－89.

［15］李智廣.水土流失測驗與調(diào)查［M］.北京：中國水利水電出版社，2005：77 －85.

［16］李靖.土壤中有機質(zhì)的作用［J］.平原大學學報，1999，16(4)：54 －55.

［17］高華端，孫泉忠，袁勇.喀斯特地區(qū)不同土地利用類型土壤侵蝕特征研究［J］.水土保持通報，2010，30(2)：92－96.