秸稈覆蓋對(duì)黑土區(qū)侵蝕溝植被恢復(fù)和固土的作用

張 瑜， 劉 肅， 徐子棋， 崔 斌

(吉林省水土保持科學(xué)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130033)

中國(guó)東北黑土區(qū)總面積1.03×106km2，該區(qū)域土壤肥沃，土質(zhì)疏松，有利于耕作，且地力較高，是中國(guó)主要的糧食生產(chǎn)區(qū)域之一[1-3]。由于人類不合理的開(kāi)發(fā)利用，該區(qū)域水土流失面積不斷擴(kuò)大，程度不斷加劇[4]。溝蝕是東北黑土區(qū)主要的水土流失形式之一[5]。近年來(lái)，該區(qū)域侵蝕溝數(shù)量不斷增加，程度不斷發(fā)育[4]。第一次全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)顯示，東北黑土區(qū)侵蝕溝數(shù)量為2.96×105條，且該區(qū)域溝蝕發(fā)育迅速，2006—2012年增加了4.00×104余條[2]。溝蝕不僅降低土壤質(zhì)量，嚴(yán)重侵占、切割了農(nóng)耕地，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且嚴(yán)重地影響了該區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能[1,4]。因此，由于水力侵蝕生態(tài)破壞的嚴(yán)峻性及其對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響，黑土區(qū)侵蝕溝的防治成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[1,3]。

秸稈覆蓋是一種水土保持耕作核心技術(shù)，其可以減少水力侵蝕，增加入滲，改善土壤理化性狀，并能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[6-8]。多位學(xué)者通過(guò)室外和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，研究了不同土壤類型坡耕地秸稈覆蓋的水土保持效果[9-11]。前人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)研究了不同土壤類型區(qū)(黑土區(qū)、黃土區(qū)、紫色土區(qū)和紅壤區(qū)等)坡面秸稈覆蓋對(duì)水土流失、養(yǎng)分流失、水力學(xué)特征等方面的影響[6,7,12-17]。徐錫蒙等[18-19]，覃超等[20]，溫磊磊等[8]進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了秸稈覆蓋對(duì)黃土區(qū)溝蝕的影響。嚴(yán)坤等[21]對(duì)三峽庫(kù)岸秸稈覆蓋的水土保持作用進(jìn)行了分析。朱高立等[22]在室內(nèi)模擬降水條件下研究了秸稈覆蓋對(duì)水蝕崩崗的治理效果。然而室外試驗(yàn)條件下秸稈覆蓋對(duì)黑土區(qū)溝蝕及侵蝕溝植被恢復(fù)影響的研究卻鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)野外試驗(yàn)，研究了秸稈覆蓋對(duì)黑土區(qū)侵蝕溝岸土壤水、熱、植被生長(zhǎng)和水土流失的影響，以期為秸稈覆蓋在侵蝕溝植被恢復(fù)、水土流失防治應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于吉林省東遼縣杏木國(guó)家級(jí)水土保持科技示范園區(qū)內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。該區(qū)域?qū)僦袦貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5.2℃，有效積溫2 700～2 800 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-40 ℃，年均無(wú)霜期137 d，年均日照時(shí)數(shù)2 497.9 h。年最大降水量911.0 mm，年最小降雨量410.6 mm，年均降水量658.1 mm，土壤類型以暗棕壤為主。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)布置于園區(qū)內(nèi)一條東西走向侵蝕溝的溝岸之上。于2017年4月初對(duì)侵蝕溝兩側(cè)各20 m溝岸進(jìn)行整形后，形成坡度為15°，坡長(zhǎng)4 m的直線型坡面。進(jìn)行刨毛坡面表層土后，在整個(gè)坡面均勻撒播苜蓿(Medicagosativa)草籽，播種量18 kg/hm2。在陰坡(南坡)和陽(yáng)坡(北坡)各10 m長(zhǎng)度范圍撒播草籽的坡面鋪蓋由干玉米秸稈橫向編織成的草簾，施用量為3 000 kg/hm2，利用U型鋼絲打入土內(nèi)固定。其余陰坡和陽(yáng)坡兩側(cè)各10 m坡面利用鐵鍬人工夯實(shí)，不做秸稈鋪蓋。在陽(yáng)坡秸稈覆蓋處和無(wú)秸稈覆蓋處離坡底1.5 m處分別設(shè)置一個(gè)1 m×1 m的徑流小區(qū)，四周用30 cm高的鐵皮圍起來(lái)，小區(qū)右下角鐵皮開(kāi)孔并挖坑放置一個(gè)水桶用來(lái)接收徑流。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

土壤含水量、土壤溫濕度的測(cè)定采用中國(guó)賽亞斯公司生產(chǎn)的SYS-TDR200型土壤水分溫度速測(cè)儀(探針長(zhǎng)度6 cm)。土壤溫度和濕度分別在陽(yáng)坡、陰坡秸稈覆蓋處和無(wú)秸稈覆蓋處的坡上、坡中和坡下測(cè)定，并取平均值。從2017年5月30日至9月30日，每月15日和30日的14:00進(jìn)行測(cè)定。

苜蓿株高和主根長(zhǎng)測(cè)定在分別在陽(yáng)坡、陰坡秸稈覆蓋處和無(wú)秸稈覆蓋處各選擇10株長(zhǎng)勢(shì)具有代表性的植株，用卷尺進(jìn)行測(cè)定，精確到0.1 cm。苜蓿株高在2017年5月20日至9月27日每10 d測(cè)定一次。主根長(zhǎng)于6月30日，7月30日，8月30日和9月30日測(cè)定一次。苜蓿的地上、地下部分鮮重于9月30日在陽(yáng)坡、陰坡秸稈覆蓋處和無(wú)秸稈覆蓋處各挖區(qū)10株長(zhǎng)勢(shì)具有代表性的苜蓿用天平稱重(10株占地投影面積約100 cm2)，精確到0.01 g。

產(chǎn)流降水量和降水時(shí)間用DL16 WMO寒旱極地氣象站進(jìn)行觀測(cè)，從2017年4月初開(kāi)始，觀測(cè)到9月30日。平均雨強(qiáng)計(jì)算公式：

平均雨強(qiáng)=降水量/降水時(shí)間

(1)

徑流結(jié)束后，對(duì)小區(qū)徑流手收集桶內(nèi)的徑流體積進(jìn)行稱量，之后靜置1d，倒掉上清液并用烘箱105℃烘至恒重，稱量泥沙重。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖、表繪制，利用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析(ANNOVA單因素方差分析Duncan法)、相關(guān)分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋對(duì)侵蝕溝岸土壤水熱狀況影響

由圖1a可知，本研究侵蝕溝在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中陽(yáng)坡的土壤含水量都低于陰坡，且同坡向秸稈覆蓋處土壤含水量高于無(wú)秸稈覆蓋處。陰坡秸稈覆蓋提高土壤含水量1.8%～6.8%，陽(yáng)坡秸稈覆蓋提高土壤含水量1.1%～4.0%。由圖1b可知，同處理時(shí)，陽(yáng)坡14:00時(shí)土壤溫度高于陰坡，同坡向時(shí)，秸稈覆蓋處14:00土壤溫度低于無(wú)秸稈覆蓋處。陰坡秸稈覆蓋降低14:00土溫0.6～3.1 ℃，降低14:00土溫0.9～3.6 ℃；這說(shuō)明：秸稈覆蓋能夠保持、提高土壤含水量，且能降低14:00的土壤溫度。因此，秸稈覆蓋更有利于為侵蝕溝兩岸植被供應(yīng)水分，并利于降低14:00高溫對(duì)植被的傷害，使土壤環(huán)境更有利于植物生長(zhǎng)。

圖1 秸稈覆蓋對(duì)侵蝕溝土壤水熱狀況影響

2.2 秸稈覆蓋對(duì)侵蝕溝岸苜蓿生長(zhǎng)及生物量積累影響

苜蓿株高和主根長(zhǎng)生長(zhǎng)特征見(jiàn)圖2。由圖2可知，苜蓿在生長(zhǎng)期內(nèi)的生長(zhǎng)速度總趨勢(shì)為“慢—快—慢”，速生期是2017年6月19日至8月8日，速生期內(nèi)陽(yáng)坡覆蓋、陽(yáng)坡無(wú)覆蓋、陰坡覆蓋和陰坡無(wú)覆蓋的株高生長(zhǎng)量分別占生長(zhǎng)季總生長(zhǎng)量的55.33%，60.10%，57.23%，59.72%。6月9日開(kāi)始，同坡向時(shí)，覆蓋處理的苜蓿株高顯著大于無(wú)覆蓋處理(p<0.05)，同處理時(shí)，陽(yáng)坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿株高(p<0.05)。例如，8月8日時(shí)，陽(yáng)坡覆蓋苜蓿株高是陽(yáng)坡無(wú)覆蓋株高的119.25%，陰坡覆蓋苜蓿株高是陰坡覆蓋苜蓿株高的140.33%。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程同坡向時(shí)，覆蓋處理的苜蓿主根長(zhǎng)顯著大于無(wú)覆蓋處理(p<0.05)，同處理時(shí)，陽(yáng)坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿主根長(zhǎng)(p<0.05)。例如，9月30日時(shí)，陽(yáng)坡覆蓋苜蓿主根長(zhǎng)是陽(yáng)坡無(wú)覆蓋的115.99%，陽(yáng)坡覆蓋苜蓿主根長(zhǎng)是陰坡覆蓋的150.86%。同坡向時(shí)，覆蓋處理的苜蓿地上、地下鮮重顯著大于無(wú)覆蓋處理(p<0.05)，同處理時(shí)，陽(yáng)坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿地上、地下部分鮮重(p<0.05)。同坡位時(shí)，覆蓋處理苜蓿的根冠比略小于無(wú)覆蓋處理苜蓿。這說(shuō)明：陽(yáng)坡比陰坡更有利于苜蓿生長(zhǎng)和生物量積累，秸稈覆蓋顯著改善了侵蝕溝不同坡向苜蓿的生長(zhǎng)及生物量積累狀況，即覆蓋秸稈有利于侵蝕溝岸植被恢復(fù)。

圖2 秸稈覆蓋對(duì)侵蝕溝不同坡向苜蓿生長(zhǎng)的影響

2.3 秸稈覆蓋對(duì)侵蝕溝岸水蝕影響

由表1可知，研究區(qū)2017年全年產(chǎn)流降水共8次，其中，6月份2次，7月份4次，9月份2次。秸稈覆蓋顯著減少了試驗(yàn)小區(qū)的徑流量和侵蝕泥沙量。8次產(chǎn)流降水中，保水率范圍為47.82%～71.94%，保沙率范圍為64.93%～73.02%，全年平均保水率為57.34%，全年平均保沙率為67.60%。這說(shuō)明研究區(qū)侵蝕溝15°小區(qū)覆蓋秸稈可有效攔蓄徑流、減少泥沙侵蝕量。

表1 試驗(yàn)小區(qū)降水、產(chǎn)流、產(chǎn)沙狀況

對(duì)8次產(chǎn)流降水進(jìn)行降水和產(chǎn)流、產(chǎn)沙相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，空白小區(qū)和覆蓋小區(qū)的徑流與降水量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與平均雨強(qiáng)極顯著正相關(guān)(p<0.01)，空白小區(qū)和覆蓋小區(qū)的侵蝕量與降水量和平均雨強(qiáng)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，且徑流量、侵蝕量與平均雨強(qiáng)的相關(guān)性大于與降水量的相關(guān)性。對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行降水與產(chǎn)流、產(chǎn)沙回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，各方程R2值均超過(guò)0.965，且顯著性良好，故擬合效果較理想。

表2 試驗(yàn)小區(qū)降水與產(chǎn)流、產(chǎn)沙相關(guān)系數(shù)

表3 試驗(yàn)小區(qū)降水與產(chǎn)流、產(chǎn)沙回歸方程

注：y1為空白小區(qū)徑流量(cm3);y2為覆蓋小區(qū)徑流量(cm3);x1為空白小區(qū)侵蝕量(g)；x2為覆蓋小區(qū)侵蝕量(g)。

3 討論與結(jié)論

覆蓋是一種傳統(tǒng)的栽培措施，其能夠調(diào)控土壤的水、肥、氣、熱、微生物，從而達(dá)到促進(jìn)作物生長(zhǎng)、增產(chǎn)的效果[23-24]。本研究結(jié)果表明，黑土區(qū)侵蝕溝陰坡、陽(yáng)坡進(jìn)行秸稈覆蓋能夠顯著提高5—9月表層土壤水分含量、降低表層土壤14:00的溫度，使土壤環(huán)境更有利于植被生長(zhǎng)。14:00是一天中氣溫最高的時(shí)間。有研究證明，過(guò)高的地溫會(huì)抑制植物生長(zhǎng)[25]。因此，秸稈覆蓋增加了研究區(qū)可供植物利用的土壤水分，降低了土壤高溫對(duì)植物的傷害，改善了土壤水熱環(huán)境。諸多學(xué)者的研究也有相似結(jié)論。謝慧慧等[26]在山西省六道溝小流域的苜蓿人工草地進(jìn)行秸稈覆蓋試驗(yàn)，結(jié)果表明，秸稈覆蓋形成地表阻礙層，防止太陽(yáng)過(guò)度照射?？山档偷乇?—6 cm土壤溫度，且能夠增加地表土壤水分含量。王麗麗等[25]和田壽樂(lè)等[23]的研究結(jié)果認(rèn)為，覆蓋通過(guò)減少地面蒸發(fā)來(lái)提高土壤含水量。馮浩等[27]的研究表明，覆蓋能夠使減少水分向深處下滲，并在水分上升到土壤表層時(shí)形成阻礙，從而提高土壤表層含水量,同時(shí)秸稈覆蓋對(duì)0—15 cm的表土溫度影響顯著，夏季平均減低土溫1 ℃。胥生榮等[28]研究認(rèn)為秸稈覆蓋能夠提高年平均氣溫，減小晝夜溫差，起到穩(wěn)定溫度的作用。此外，秸稈覆蓋還能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并減少土壤N和P元素流失量[14,28]。

本研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋顯著改善了侵蝕溝岸不同坡向苜蓿的生長(zhǎng)及生物量積累狀況，即秸稈覆蓋有利于侵蝕溝岸植被恢復(fù)。前人研究也表明，秸稈覆蓋有利于苜蓿生長(zhǎng)。劉玉華等[29]稱，6—8月的高溫、溫差較大會(huì)造成苜蓿早衰，影響其生長(zhǎng)和產(chǎn)量，4—6月的降水量對(duì)苜蓿的產(chǎn)量有很大影響，秸稈覆蓋可穩(wěn)定低溫，并彌補(bǔ)3月光照不足和4—6月水分不足對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的制約。謝慧慧等[26]和宋興陽(yáng)等[30]的研究結(jié)果顯示，地表覆蓋可提高苜蓿水分利用率和苜蓿產(chǎn)量。

本研究結(jié)果表明，降雨量和平均降水強(qiáng)度是影響侵蝕溝岸徑流量和侵蝕量的重要因子，且徑流量、侵蝕量與平均雨強(qiáng)的相關(guān)性高于與降雨量的相關(guān)性。一年內(nèi)不同雨強(qiáng)和次降雨量下，秸稈覆蓋能夠顯著降低侵蝕溝岸徑流量和侵蝕量?？瞻仔^(qū)和覆蓋小區(qū)的徑流與降水量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與平均雨強(qiáng)極顯著正相關(guān)(p<0.01)，空白小區(qū)和覆蓋小區(qū)的侵蝕量與降水量和平均雨強(qiáng)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，且徑流量、侵蝕量與平均雨強(qiáng)的相關(guān)性大于與降水量的相關(guān)性。前學(xué)者也認(rèn)為秸稈覆蓋能有效防治水土流失。溫磊磊等[8]，楊青森等[14]認(rèn)為，黑土區(qū)侵蝕溝設(shè)置秸稈覆蓋可分散、截獲徑流，增加入滲，并減少侵蝕量。眾多學(xué)者認(rèn)為，秸稈覆蓋能夠延遲產(chǎn)流、增加入滲，削弱雨滴擊濺的動(dòng)能，防治土壤結(jié)構(gòu)的破壞及搬運(yùn)，同時(shí)提高地表粗糙度、增加臨時(shí)蓄水能力[7,10,31-32]。徐錫蒙等[18-19]的研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋能夠削弱黃土去侵蝕溝溝壁崩塌作用，降低徑流流速和挾沙能力，防治侵蝕溝尺寸擴(kuò)大。黃新君等[9]和白永會(huì)等[12]的研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋增加地表粗糙度，提高了侵蝕臨界徑流剪切力，降低土壤可蝕性。

綜上所述，秸稈覆蓋能夠有效減輕黑土區(qū)侵蝕溝水土流失，且能夠改善侵蝕溝土壤環(huán)境，有助于侵蝕溝岸植被恢復(fù)，可在侵蝕溝治理中進(jìn)行推廣。下一步，還應(yīng)對(duì)秸稈覆蓋結(jié)合種植苜蓿整體防治溝蝕作用以及不同植物與秸稈覆蓋組合的生態(tài)護(hù)坡作用差異進(jìn)行研究。