土壤特性對(duì)渠道護(hù)坡植草生長狀況的影響

馬志林，張麗婭，楊秋貴，李虎星，陳 芳

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450002；4.河南科光工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河南 鄭州450003）

植草護(hù)坡是水利工程渠道邊坡生態(tài)防護(hù)的主要形式，也成為渠道及堤防美化和生態(tài)建設(shè)的一項(xiàng)重要措施［1］。特別是南水北調(diào)中線工程總干渠長度1 277 km2，基本都是露天明渠，多為土質(zhì)邊坡［2］，渠坡防護(hù)主要采用工程措施＋人工植草。具體辦法就是在土質(zhì)邊坡的岸坡和外坡面采用單體人字形預(yù)制構(gòu)件拼裝成六棱混凝土框格，然后在混凝土六棱體框格內(nèi)撒播草種，這是南水北調(diào)中線工程應(yīng)用最普遍的一種植草護(hù)坡型式［3］。植草草種以普通高羊茅Festucɑ ɑrundinɑceɑ 和普通狗牙根Cynodon dɑctylon 為主。由于干渠渠坡為挖方或填方邊坡，植草土壤為人工填土，短時(shí)間內(nèi)難以與原有邊坡形成有機(jī)的土壤生態(tài)系統(tǒng)［4］，肥力和蓄水保墑能力有限，給植草生長造成影響［5］，不同渠段渠坡植草生長狀況差異較大。有的渠段植草生長茂盛，蓋度達(dá)80℅以上，起到了良好的綠化護(hù)坡作用；有的渠段植草生長較差，蓋度較低，難以起到綠化護(hù)坡作用。解決南水北調(diào)中線工程河南段渠坡植草生長不良、植草護(hù)坡及景觀效果不佳的問題十份迫切。

前人關(guān)于植草護(hù)坡以及植草護(hù)坡與土壤特性的關(guān)系多有研究。對(duì)于植草護(hù)坡的研究，多集中在植草護(hù)坡機(jī)理［6-7］、植草根系特征對(duì)普通邊坡固土抗蝕［8-9］、土壤抗剪強(qiáng)度［10-12］、土壤侵蝕性［13］、土壤滲透性［14］等方面；植草護(hù)坡與土壤特性的關(guān)系研究主要是普通邊坡草本根系分布對(duì)土壤理化性質(zhì)［15-17］的影響。針對(duì)大型水利工程如南水北調(diào)中線渠坡植草與土壤特征的研究還鮮見報(bào)道。本文以河南省新鄭段為例，通過對(duì)渠坡植草生長狀況調(diào)查和土壤取樣檢測，分析不同植草生長狀況土壤特性，研究土壤理化性質(zhì)的變化及對(duì)植草生長的影響，為南水北調(diào)中線工程河南段植草護(hù)坡和渠道標(biāo)準(zhǔn)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南水北調(diào)中線工程河南新鄭段，屬溫帶大陸季風(fēng)型氣候區(qū)，夏秋兩季多東南風(fēng)，炎熱多雨；冬春兩季盛行西北風(fēng)，干燥少雨。多年平均風(fēng)速2.1～2.5 m／s，最大風(fēng)速20.3 m／s；全年平均氣溫14.4 ℃，極端最高氣溫42.5 ℃，極端最低氣溫氣溫－17.9 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 114.2 h；海拔132.06 m；多年平均降水量699.0 mm，年均蒸發(fā)量1 600 mm，無霜期210 d，區(qū)域土壤屬壤質(zhì)潮土，質(zhì)地沙壤，歷年最大凍土深度27 cm［18-19］。本文研究的植草渠坡主要是一級(jí)馬道以上的岸坡和填方外坡兩部分。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方選取 于2017年10月26—27日選取南水北調(diào)中線工程河南新鄭段段的唐家門橋北右岸、王老莊橋北100 m 右岸、毛莊北橋北100 m 右岸、唐家門橋南100 m 右岸4個(gè)不同生長狀況人工植草護(hù)坡典型渠段進(jìn)行植被和土壤調(diào)查取樣。并按植草生長狀況劃分為4個(gè)不同類型的樣方［20］：蓋度＞95%為長勢好的唐家門橋北右岸樣方SD，蓋度80%～85%為長勢較好的王老莊橋北右岸樣方ND，蓋度50%～60%為長勢一般的毛莊北橋右岸樣方LD，蓋度＜20%為長勢差的唐家門橋南右岸樣方MD。4個(gè)樣方渠坡均為填方邊坡，優(yōu)勢植物種均為人工種植的高羊茅，主要雜草有小飛蓬Conyzɑcɑnɑdensis、香附子Cyperus rotundus、泥胡菜Hemisteptɑlyrɑtɑ 等。SD 為人工管理的植草試驗(yàn)地，高羊茅為節(jié)水型低矮品種wɑter sɑver；ND，LD，MD 均為粗放管理的樣方，高羊茅均為普通品種。高羊茅為冷季型，秋季氣溫適宜，蒸發(fā)減少，土壤水分大，更有利于生長。

1.2.2 調(diào)查方法 對(duì)所選不同生長狀況的4個(gè)典型樣方進(jìn)行植被調(diào)查，準(zhǔn)確記錄各個(gè)樣方的地理位置、坡度、坡向、坡長、土壤類型等，詳細(xì)描述記錄樣方特征、生境狀況、植草長勢及雜草狀況，采用針刺法測定植草蓋度，并在樣方內(nèi)隨機(jī)選取10株草本用直尺量取株高、冠幅，取平均值。同時(shí)根據(jù)渠坡植草根系特征對(duì)4個(gè)樣方進(jìn)行土壤取樣，每個(gè)樣方隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)，采用多點(diǎn)混合取樣法［21-22］，取樣深度為10 cm 和20 cm，按上下2層取樣，共取樣24個(gè)。

1.2.3 分析方法 土壤取樣樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化性質(zhì)定量分析，測定p H 值、容重、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、水分、速效鉀、速效磷、陽離子交換量等［23］。其中p H 值采用電位測定法；容重采用環(huán)刀法取樣烘干稱重法；速效磷采用硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法；全氮采用重鉻酸鉀硝化蒸餾法；全磷采用鉬銻抗比色法；全鉀用火焰光度法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—稀釋熱法。數(shù)據(jù)在Excel 2003軟件中進(jìn)行整理，利用SPSS21.00軟件，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（least-significant difference，LSD）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，用Pearson相關(guān)系數(shù)判定因子的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長狀況渠坡植被特征

4個(gè)不同植草樣方外貌景觀變化特征比較明顯，不同生長狀況植草蓋度差別較大（如圖1），植草的高度、密度、冠幅、長勢等也有明顯變化。長勢最好、蓋度最大的SD 樣方植草高度低于ND 樣方，是因?yàn)樵囼?yàn)地采用了節(jié)水低矮型高羊茅品種，生長期最大觀測高度平均為32.4 cm，基本符合南水北調(diào)渠坡植草高度低于30 cm 的管理要求。ND，LD 和MD 樣方均為普通高羊茅品種，自然生長高度可達(dá)70 cm 以上，需要進(jìn)行不定期刈割修剪，使草層高度不超過40 cm，以保持渠坡植草的均勻整齊。ND 和LD 樣方除了生境等因素，由于刈割時(shí)間不同也影響了觀測高度。生長好、蓋度大的樣方，雜草很少，優(yōu)勢種突出。生長最差的MD 樣方高羊茅密度很低，僅5～6株／m2，均高15 cm，冠幅6～15 cm，生長期末平均蓋度仍只有12.4%，雜草較多，土壤表層有1～2 mm苔蘚覆蓋。

2.2 不同植草生長狀況渠坡土壤特征分析

2.2.1 不同植草生長狀況土壤水分和容重 南水北調(diào)中線渠坡上千公里，植草面積巨大，難以保證實(shí)時(shí)灌溉，因此土壤水分及植物生長主要受天然降水制約，同時(shí)還與地面覆蓋、蒸騰蒸發(fā)、坡度坡向等有關(guān)［24］。秋季土壤含水量相對(duì)比較適宜，利于植物生長。4個(gè)不同樣方0—10 cm 草種根系主要分布層土壤水分含量在15.43～19.17%之間，較深層的10—20 cm 土壤水分含量在15.78～17.32%之間；同一樣方中，垂直剖面上淺層和深層土壤水分含量差異不顯著。由圖2可以看出，不同植草蓋度樣方淺層土壤水分差異比較明顯，4個(gè)樣方中淺層土壤水分隨著群落植被蓋度降低而減少。與SD 樣方相比，植被較好的ND、LD 樣方水分含量差別不大，而與生長植被較差的MD 樣方差異性較顯著，說明SD，ND，LD 樣方植被蓋度大，蓄水保水能力較強(qiáng)，土壤蒸發(fā)較弱；MD 樣方植被差，蓋度小，土壤蒸發(fā)相對(duì)較強(qiáng)，蓄水保水能力弱。SD 樣方由于前期進(jìn)行了灌溉，所以淺層高于深層；其他3個(gè)樣方均表現(xiàn)為深層略高于淺層或持平。

圖1 4種不同生長狀況渠坡植被特征

圖2 不同植草蓋度渠坡土壤水分和容重變化

4個(gè)樣方0—10 cm 土壤容重在1.27～1.52 g／cm3之間，平均為1.37 g／cm3；10—20 cm 深層土壤容重在1.34～1.46 g／cm3之間，平均為1.38 g／cm3，淺層小于深層。平均容重均大于1.3 g／cm3，說明土壤結(jié)構(gòu)較差。植被蓋度不同，淺層土壤容重差異較明顯，深層土壤差異較小。

2.2.2 不同植草生長狀況土壤p H 值、有機(jī)質(zhì)和陽離子交換量 如圖3所知，渠坡0—10 cm 土壤層p H值在8.48～8.55之間，平均為8.51，10—20 cm 土壤層p H 值8.44～8.60之間，平均為8.53，不同蓋度樣方淺層和深層差別不大，均屬6級(jí)［25］，呈強(qiáng)堿性，不利于氮和磷的有效利用。

圖3 不同植草蓋度渠坡土壤p H 值和有機(jī)質(zhì)含量變化

渠坡種植土壤有機(jī)質(zhì)含普遍較低。草種根系主要分布層0—10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量在0.16%～0.45%之間，平均為0.34%，屬6級(jí)水平；10—20 cm土壤層有機(jī)質(zhì)含量在0.27%～0.41%之間，平均為0.31%，屬6 級(jí)水平，淺層和深層有機(jī)質(zhì)均屬極缺乏［25］?？傮w來說，淺層略高于深層（除LD 外）。不同植被蓋度樣方土壤淺層和深層有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異（p＜0.05）。

由圖4 可知，淺層土壤陽離子交換量（CEC）在13.03～22.02 cmol／kg 之間，平均為15.65 cmol／kg，在LD 樣方出現(xiàn)最大值；深層在11.79～13.65 cmol／kg之間，平均為13.01 cmol／kg。CEC 值主要在10～20 cmol／kg之間，在LD 樣方出現(xiàn)峰值，整體波動(dòng)不大，說明土壤保肥能力中等，淺層略好于深層，淺層土壤CEC值存在顯著性差異（p＜0.05）樣方。

圖4 不同植草蓋度渠坡土壤陽離子交換量CEC變化

2.2.3 不同植草生長狀況土壤氮磷鉀含量 由圖5可知，渠坡土壤全氮含量普遍較低，屬極缺乏［25］，全氮含量在不同蓋度樣方變化不明顯（僅在SD 樣方深層出現(xiàn)最大值，可能與施肥灌溉后下滲有關(guān)）。除SD樣方外，淺層全氮含量均略高于深層，和有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)基本一致［26］。淺層和深層土壤速效氮含量變化均有波動(dòng)，存在顯著性差異（p＜0.05）。

4個(gè)樣方淺層和深層土壤全磷含量均屬6 級(jí)水平，屬極缺乏［25］。全磷含量在不同群落蓋度變化中相對(duì)穩(wěn)定（如圖5）。速效磷含量淺層土壤平均值為4.09 mg／kg，屬于5級(jí)水平，深層土壤平均值為2.76 mg／kg，屬于6級(jí)水平；除了LD 樣方外，其他3個(gè)樣方速效磷含量基本穩(wěn)定。LD 樣方淺層速效磷含量明顯高于其他3 個(gè)樣方，主要原因除了全磷含量略高外，可能還與土壤較黏重有關(guān)［27］。

土壤全鉀含量淺層和深層均屬2級(jí)水平［25］，含量相對(duì)較高，不同植被蓋度樣方變化明顯，深層和淺層差異均達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。速效鉀含量淺層均高于深層，不同植被蓋度之間淺層和深層均達(dá)到顯著差異水平（p＜0.05）（如圖5）。ND 和MD 樣方全鉀含量較高，可能與地貌和填土土質(zhì)［28-30］有關(guān)；LD 和MD樣方速效鉀含量較高，可能與CEC值較高有關(guān)［31-32］。

2.3 土壤理化特征與植草蓋度間的Pearson綜合相關(guān)分析

Pearson相關(guān)分析表明，植草蓋度與容重之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），說明容重大，土壤太過板結(jié)，不利于植草生長（如表1）。有機(jī)質(zhì)與全氮、全磷、速效鉀之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），與陽離子交換量之間為負(fù)顯著相關(guān)（p＜0.05），其中與速效鉀的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76。即全氮、全磷和速效鉀的含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，全氮與其他養(yǎng)分之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系［33］。因此，渠坡植草護(hù)坡管理中，應(yīng)盡量少修剪，讓干枯莖葉自行腐爛于土壤，增加土壤有機(jī)質(zhì)，同時(shí)試種豆科草種護(hù)坡，提高土壤固氮能力，進(jìn)而改良土壤，逐步形成良性循環(huán)的草地護(hù)坡土壤生態(tài)系統(tǒng)。

表1 土壤理化特征與植草生長狀況（蓋度）間的Pearson相關(guān)關(guān)系

圖5 不同植草蓋度渠坡土壤氮磷鉀含量變化

3 討論

3.1 渠坡土壤理化性狀與植草生長的關(guān)系

南水北調(diào)中線渠坡主要為填方或挖方邊坡，渠坡種植層土壤均為人工填土，腐熟需要時(shí)間，而且為了保證水質(zhì)絕對(duì)安全，綠化種植中不宜施肥，也不可使用化學(xué)除草劑和農(nóng)藥，人工對(duì)土壤肥力干預(yù)有限；每年頻繁割草也造成了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移，所以渠坡種植土壤養(yǎng)分含量普遍過低［25］，土壤理化性能較差。

由圖3可知，不同植草生長狀況對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有較大影響，土壤全層有機(jī)質(zhì)含量總體上均隨蓋度增大而減小，可能跟生長旺盛的植被群落土壤環(huán)境相對(duì)較好，有機(jī)質(zhì)分解較快以及土壤養(yǎng)分消耗較大有關(guān)。蓋度小的MD 樣地有機(jī)質(zhì)含量較高，ND，LD 樣地有機(jī)質(zhì)含量較低，這與蔡曉布等［34］對(duì)藏北紫花針茅高寒草原的研究結(jié)果是一致的?？赡苁怯捎谏w度大的樣地植物生長旺盛，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)消耗較高的原因。

3.2 植草生長不良的原因

南水北調(diào)中線渠坡人工種植的冷季型高羊茅是十份耐干旱耐瘠薄的草種，在非極端干旱情況下均能正常生長。SD 樣地為人工管理的高羊茅試驗(yàn)樣地，生長最好，ND 和LD 樣地高羊茅密度較大，因此蓋度較高；MD 樣地高羊茅密度小，蓋度僅有12.4%，生長不良（如圖1）?？赡苁怯捎诓萜航ㄖ仓谐雒绮痪⒚芏忍?，或是因?yàn)椴缓侠硇藜?、頻繁刈割、留茬高度太低，加之渠坡滲水保墑能力差及長時(shí)間干旱造成的高羊茅退化［35］。

3.3 關(guān)于植草護(hù)坡管理理念

南水北調(diào)中線渠坡為大面積植草生態(tài)護(hù)坡，不必要也不可能像城市草坪那樣實(shí)時(shí)修剪的低矮平整，主要應(yīng)突出草被的自然景觀屬性和生態(tài)護(hù)坡功能，可以讓人工草和雜草自然生長演替，保持一定的高度和蓋度，通過一定的簡單修剪措施，達(dá)到整齊美觀的效果［1，36］；促進(jìn)形成具有植物多樣性的自然渠坡草地護(hù)坡系統(tǒng)，不僅能夠充分發(fā)揮保溫保墑和抗擊雨滴激濺侵蝕的固土護(hù)坡作用，增強(qiáng)抗旱能力，還可以大大降低管理成本和管理難度，實(shí)現(xiàn)粗管理、低成本、可持續(xù)的渠坡生態(tài)綠化防護(hù)目標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）渠坡土壤秋季水分普遍較好，4不同樣地土壤淺層和深層水分含量平均為16.56%和16.91%，適宜植草生長，但生長狀況、蓋度和外貌景觀差異較大。

（2）4種不同植草蓋度渠坡土壤淺層和深層p H值平均為8.51 和8.53，均呈強(qiáng)堿性；容重平均為1.372 g／cm3和1.377 g／cm3，土壤比較緊實(shí)；有機(jī)質(zhì)平均為0.336%和0.312%，全氮平均為0.023%和0.058%，全磷平均為0.033%和0.032%，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，均屬6級(jí)水平，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均為極缺乏；只有全鉀含量較高，達(dá)2級(jí)水平。蓋度不同、長勢差別較大的4個(gè)樣地土壤理化特征具有顯著性差異，但土壤質(zhì)量總體較差，不利于植草生長。土壤特性對(duì)渠坡植草生長好壞影響有限，草坪建植措施不當(dāng)，出苗不均，頻繁刈割，留茬太低，加之渠坡長時(shí)間極端干旱也導(dǎo)致了部分人工植草生長不良。

（3）相關(guān)分析表明，植草蓋度與土壤容重成反比，土壤過于板結(jié)不利于植草生長；有機(jī)質(zhì)與全氮、全磷和速效鉀之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。