喀斯特地區(qū)不同莖形態(tài)植物的水土保持和養(yǎng)分截留效果研究

田小松，陳 龍，周瑞榮，鄭杰炳

（1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶400042；2.貴州省土壤肥料研究所，貴陽(yáng)550006；3.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心，重慶400042）

水土流失是一個(gè)世界性環(huán)境問題。近年來(lái)，有關(guān)利用生物措施和工程措施治理水土流失的研究較多，并取得了一定的成效。研究表明，植被是一種常用且有效的生物防治水土流失措施，植被對(duì)水土流失具有很好的防治效果，可固土改土，減少地表徑流和土壤侵蝕量［1］，但是不同植被的水土保持作用不同［2－5］。

喀斯特地區(qū)具有生態(tài)環(huán)境變異敏感度高、異質(zhì)性強(qiáng)、承受災(zāi)害的閾值低、環(huán)境承載力小的特點(diǎn)，使生態(tài)脆弱的喀斯特地區(qū)水土流失和養(yǎng)分流失更為突出。水土流失是喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)量退化的重要表現(xiàn)形式之一［6］?？λ固氐貐^(qū)的特點(diǎn)決定了該地區(qū)水土流失治理的難度和復(fù)雜性［7］。貴州巖溶地貌發(fā)育非常典型?？λ固氐孛裁娣e10.91×104km2，占全省國(guó)土總面積的61.9%。貴州省的耕地以坡耕地為主，研究表明，農(nóng)耕坡地已成為水土流失的主要來(lái)源［8－9］。土壤養(yǎng)分流失是水體污染的重要來(lái)源［10］。

已有研究集中水土保持現(xiàn)狀研究、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施［11－14］、生 物 措 施［15－17］和 工 程 措 施 等［18］的 保 水 固土作用等方面。研究表明，喀斯特地區(qū)預(yù)防和治理水土流失的有效措施為生物措施。但喀斯特地區(qū)水土流失防治的生物措施對(duì)象為草本植物和木本植物［15，17，19］，而不同莖形態(tài)的植物（直立莖、攀緣莖和匍匐莖植物）的水土保持效果研究尚未有專門的報(bào)道。再者，有關(guān)喀斯特地區(qū)水土保持的文獻(xiàn)資料僅停留在保水固土的能力上，而缺少植物的保水固土能力與養(yǎng)分截留能力的綜合研究?；谝陨蟽牲c(diǎn)，研究不同莖形態(tài)生物措施對(duì)于喀斯特地區(qū)的坡地水土流失和養(yǎng)分流失的影響，旨在科學(xué)選擇有效的保水保土措施，為喀斯特地區(qū)的水土保持工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于貴州省貴陽(yáng)市小河區(qū)的貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（26°11′N，106°07′E）內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)地處黔中黃壤丘陵區(qū)，平均海拔1 071m，年平均氣溫15.3℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 354h左右，相對(duì)濕度75.5%，全年無(wú)霜期270d左右，年降雨量1 100～1 200mm。試驗(yàn)土壤為黃壤，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖殘積物。試驗(yàn)區(qū)土壤選用的是喀斯特地貌的主要土壤類型——黃壤，表土層的基本性質(zhì)為：全氮0.743g／kg，全磷0.621 g／kg，全鉀11.340g／kg，堿解氮54.8mg／kg，有效磷13.2mg／kg，速效鉀89.2mg／kg，pH 值5.92。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)坡度為30°，小區(qū)面積為2m×1.5m。徑流小區(qū)用漿砌磚砌成并用混凝土抹面，小區(qū)側(cè)墻高0.4m，高出地面0.1m以防止發(fā)生側(cè)漏。在各小區(qū)的最低處設(shè)置集流池，集流池的內(nèi)部尺寸為1.5m×0.1m×0.4m，集流池的底部設(shè)置出水口，各出水口設(shè)置集流桶，用來(lái)收集次降雨產(chǎn)生的徑流和泥沙。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)處理分別為D1（薜荔）、D2（馬藺）、D3（常青藤）和D4（對(duì)照）。按照莖的形態(tài)將其分類為匍匐莖植物（D1），直立莖植物（D2），攀緣莖植物（D3）。每個(gè)處理設(shè)計(jì)3重復(fù)，共12個(gè)徑流小區(qū)。12個(gè)徑流小區(qū)設(shè)置在塑料大棚內(nèi)。植物的種植時(shí)間為2011年9月，培養(yǎng)時(shí)間為2011年9月至2012年3月。在此期間，徑流小區(qū)由塑料大棚封閉，并進(jìn)行植物的生長(zhǎng)繁殖，待雨季到來(lái)時(shí)將大棚拆除，其目的是為獲不同莖形態(tài)植物的真實(shí)水土保持效果。根據(jù)降雨歷史資料、天氣預(yù)報(bào)情況和植物的生長(zhǎng)周期，選擇4—5月為采樣期。

1.3 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)分析

植被覆蓋度：選擇照相法，用照相機(jī)垂直徑流小區(qū)拍攝相片，將照片導(dǎo)入AutoCAD2008軟件進(jìn)行估算植被覆蓋度；降雨量：數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)在試驗(yàn)小區(qū)附近的氣象觀測(cè)站；地表徑流深度：每次降雨產(chǎn)流后，測(cè)定集流桶內(nèi)的集流深度乘以集流池底面積，除以試驗(yàn)小區(qū)面積；土壤侵蝕量：將集流桶中的徑流充分?jǐn)噭蚝?，立即取水?50ml，重復(fù)3次，將3個(gè)樣混合，靜置至澄清，將清水緩慢倒出，剩余泥沙樣烘干至恒重稱重，計(jì)算土壤侵蝕量。養(yǎng)分徑流樣品收集：將集流桶中的徑流充分?jǐn)噭蚝?，用聚乙烯瓶取水? 000ml，立即送回實(shí)驗(yàn)室分析總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、溶解性總磷和鉀。

總氮（TN）用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計(jì)法測(cè)定；銨態(tài)氮（NH＋4－N）用納氏試劑分光光度法測(cè)定；硝態(tài)氮（NO－3－N）用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定；總磷（TP）、溶解態(tài)總磷（DP）先要用過硫酸鉀消解，后用鉬酸鹽比色法。鉀（K）用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。

參考USLE方程中植被控制與管理因子C值的定義［20］，制定了保水效應(yīng)、保土效應(yīng)和截留養(yǎng)分效應(yīng)。其中，保水效應(yīng)值＝1－有植被小區(qū)的地表徑流深度（單次降雨）／對(duì)照小區(qū)的地表徑流深度（單次降雨）；保土效應(yīng)值＝1－有植被小區(qū)的土壤侵蝕量／對(duì)照小區(qū)的土壤侵蝕量；截留養(yǎng)分效應(yīng)值＝1－植被小區(qū)地表徑流的中N、P、K的流失量／對(duì)照小區(qū)的地表徑流的中N、P、K的流失量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件和Excel 2010進(jìn)行分析，采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行圖件繪制。

2 結(jié)果與分析

表1 典型降雨時(shí)的植被總覆蓋度

2.1 不同植被總覆蓋度

2012年4月2 8日—2012年5月18日徑流小區(qū)的4場(chǎng)典型降雨事件的降雨量及對(duì)應(yīng)時(shí)間的植被生物學(xué)特征，具體詳見表1。從表1中可以看出，3種不同的植被種植模式的總覆蓋度略微增加，但是植被總覆蓋度總量變化不大。在4月28日—5月18日期間，D1的覆蓋度在52%～53.9%之間，D2的覆蓋度在62.3%～63.1%之間，D3的覆蓋度為58.2%～61.1%。通過對(duì)比，三種處理的覆蓋度為D2＞D3＞D1。

2.2 不同植被的水土保持效應(yīng)分析

一般情況下，徑流深度能夠反映植被保水能力的絕對(duì)量。但是因喀斯特地區(qū)的降雨量、地形坡度和土壤條件的特殊性以及負(fù)保水效應(yīng)的存在，用徑流深度來(lái)表征保水能力存在一定的不確定性。而以保水效應(yīng)表征植被的保水能力能夠有效的減小保水的負(fù)效應(yīng)和環(huán)境條件的影響，保水效應(yīng)值越大表示保水能力越強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：3種植被呈現(xiàn)出不同的保水效應(yīng)（表2）。其中以D2的保水能力最好，保水效應(yīng)值為0.39，其次是D3和D1。三種植物都具有一定的保水能力，但是保水能力具有一定的差異性。與保水效應(yīng)相似，采用保土效應(yīng)能減小環(huán)境條件和消除保土負(fù)效應(yīng)對(duì)保土分析的影響［21－23］，保土效應(yīng)值越大表示保土能力越強(qiáng)。從表2可以看出，D2和D3的保土能力無(wú)顯著性差別，其保土效應(yīng)值為0.5，兩者的保土能力均好于D1。

表2 不同莖形態(tài)植物的保水效應(yīng)和保土效應(yīng)

2.3 不同植被的養(yǎng)分截留效果分析

植被對(duì)養(yǎng)分的截留效果體現(xiàn)在植被根系和殘枝枯葉對(duì)土壤表層養(yǎng)分的截留上。在降雨徑流的驅(qū)動(dòng)下，養(yǎng)分隨地表徑流遷移，同時(shí)也使養(yǎng)分隨侵蝕泥沙而遷移。水的遷移過程制約和決定著土壤養(yǎng)分的遷移過程，坡面降雨—入滲—徑流過程就是土壤養(yǎng)分遷移的過程。為了解不同植被對(duì)養(yǎng)分的截留效果，對(duì)徑流中的N、P、K進(jìn)行分析。養(yǎng)分截留效應(yīng)值＝1－植被小區(qū)地表徑流的中N、P、K的流失量／對(duì)照小區(qū)的地表徑流的中N、P、K的流失量，養(yǎng)分截留效應(yīng)值越大，截留效果越好。

圖1 不同莖形態(tài)植物處理養(yǎng)分截留效應(yīng)

從圖1A和1B可以看出，不同處理對(duì)TP和DP都存在一定的截留效果。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)TP的截留效應(yīng)平均值均超過了0.5，大小順序?yàn)橘橘肭o植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物，匍匐莖植物和攀緣莖植物對(duì)TP的截留效應(yīng)差異不顯著，平均值均為0.64，而直立莖植物的TP截留效應(yīng)值相比較大。從圖1B可以看出，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)土壤表層的DP的截留效應(yīng)值分為0.64，0.64，0.75。從圖1C、1D和1E可以看出，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的不同處理對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的TN、NH＋4－N和NO－3－N都有很好的截留作用，D1、D2和D3的對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的TN的截留效應(yīng)的均值分別為0.54，0.68，0.61，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的NH＋4－N的截留效應(yīng)均值分別為0.64，0.53，0.45，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的NO－3－N的截留效應(yīng)的均值分別為0.86，0.78，0.83；對(duì)比可知，三種不同莖形態(tài)植物處理對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的NO－3－N截留作用明顯好于對(duì)TN和NH＋4－N的截留作用。從圖1F可以看出，不同莖形態(tài)植物對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)的K都有一定的截留作用，截留效應(yīng)值在0.4～0.6之間。總體來(lái)看，三種莖形態(tài)植物對(duì)TP和TN的截留效果排序?yàn)橘橘肭o植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物；匍匐莖植物、攀緣莖植物和直立莖植物對(duì)溶解態(tài)的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果較好。

2.4 不同莖形態(tài)植物水土保持效應(yīng)與養(yǎng)分截留效應(yīng)相關(guān)性分析

為了解保水固土能力與養(yǎng)分截留作用之間的關(guān)系，證實(shí)養(yǎng)分的輸出是以水作為動(dòng)力，土壤作為載體，對(duì)保水固土效應(yīng)與養(yǎng)分截留效應(yīng)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果詳見表3。從表3可以看出，保水效應(yīng)和保土效應(yīng)都與養(yǎng)分截留效應(yīng)存在極顯著相關(guān)性（P＜0.01）；不同莖形態(tài)植物對(duì)TP、DP、TN、NO－3－N、NH＋4－N和K的截留效應(yīng)均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.698＊＊。

3 討論與結(jié)論

植被覆蓋度是衡量水土流失的一項(xiàng)重要指標(biāo)。植被覆蓋度與徑流量和土壤侵蝕量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即植被覆蓋度越大，徑流量和土壤侵蝕量越?。?，24］。從植被的水土保持效應(yīng)來(lái)看，直立莖植物的水土保持效果較好。直立莖植物選擇的是草本植物，其根系發(fā)達(dá)，有效增加了土壤的孔隙度，防止土壤板結(jié)，有利于降雨下滲［25］；此外，直立莖植物的覆蓋度最大，覆蓋度越大，減弱降雨的沖刷能力就越強(qiáng)，徑流量越小。植被的枝葉量越大，對(duì)降雨的攔蓄能力就越強(qiáng)［26］。一般情況下，發(fā)達(dá)的根系和高覆蓋度能很好地減少降雨徑流對(duì)地表的沖刷能力［27］，并能夠提高土壤的滲透性能［28］。本試驗(yàn)3種植物的水土保持效應(yīng)在0.5～0.6之間，其對(duì)應(yīng)的覆蓋度在52%～63%之間。有關(guān)人工草地蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的研究表明，當(dāng)植被蓋度在20%～40%時(shí)，減沙效益為54%～79%；植被蓋度為60%～80%時(shí)，減沙率為77%～95%［29］。張光輝等［30］研究表明：土壤侵蝕量隨著草地植被的覆蓋度的增大呈指數(shù)下降趨勢(shì)，認(rèn)為70%的植被覆蓋度可以作為實(shí)驗(yàn)條件下的有效植被覆蓋度。有研究表明［31］，匍匐莖植物（薜荔）在70%的覆蓋度對(duì)應(yīng)的保水、固土能力分別為0.65和0.58，攀緣莖植物（常青藤）在58%的覆蓋度對(duì)應(yīng)的保水、固土能力分別為0.66和0.64，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

匍匐莖植物和攀緣莖植物生長(zhǎng)緩慢，植被覆蓋度小，根系不發(fā)達(dá)，致使降雨對(duì)表層土的沖刷能力較大，土壤侵蝕能力強(qiáng)，為養(yǎng)分的遷移提供的充足的動(dòng)力；而直立莖植物的根系和覆蓋度較大，消減了降雨的沖刷能力，從而減弱了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸出的動(dòng)力。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)土壤表層的TP、TN的截留效應(yīng)隨持續(xù)雨季的影響呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其原因可能是隨著降雨的持續(xù)，表層養(yǎng)分已伴隨持續(xù)降雨逐漸流失，致使表層土中的養(yǎng)分含量降低，從而減少了表層土磷素遷移的可能性。有研究表明，土壤養(yǎng)分流失隨時(shí)間推移，泥沙中平均養(yǎng)分含量逐漸降低［32］。不同莖形態(tài)植物措施處理的徑流小區(qū)對(duì)溶解態(tài)的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果較好，其原因可能是DP、NO－3－N和NH＋4－N更容易被植被吸收和利用，致使徑流小區(qū)表層土中可供遷移的溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)成分含量減少。有研究表明，徑流中顆粒態(tài)養(yǎng)分含量隨降雨侵蝕力增大而增大，而溶解態(tài)養(yǎng)分含量與降雨侵蝕力無(wú)明顯相關(guān)［33］，雨強(qiáng)較大時(shí)，土壤養(yǎng)分流失以泥沙攜帶為主，雨強(qiáng)較小時(shí)，以徑流攜帶為主［34］。保水固土能夠有效地控制養(yǎng)分流失，控制水土流失是控制養(yǎng)分流失的有效途徑。有研究表明：侵蝕泥沙是養(yǎng)分流失的主要載體，氮磷流失的60%以上是通過泥沙帶走的［35］，養(yǎng)分流失量以徑流泥沙為載體［36］。

匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的水土保持效應(yīng)明顯，保水效應(yīng)分別為：0.31，0.39，0.30；固土效應(yīng)分別為0.45，0.50，0.50。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的養(yǎng)分截留效果明顯，但對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)成分截留效果差異較大。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)TP和TN的截留效果排序?yàn)橘橘肭o植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對(duì)溶解態(tài)的養(yǎng)分截留效果明顯，其中DP的截留效果分別為0.64，0.64，0.75；NO－3－N的截留效果分別為0.86，0.78，0.83；NH＋4－N的截留效果分別為0.64，0.53，0.45；K 的截留效果分別為0.54，0.56，0.58。保水效應(yīng)和保土效應(yīng)與不同養(yǎng)分截留效應(yīng)存在著顯著性相關(guān)（P＜0.01），保水固土是控制養(yǎng)分流失的有效途徑。

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