黑土區(qū)坡式條田對(duì)水土流失、土壤水熱及呼吸的影響

張 瑜, 徐子棋, 楊獻(xiàn)坤, 崔 斌

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

水土流失是世界級(jí)的重要生態(tài)環(huán)境問題，它不僅影響自然環(huán)境，更影響人類的生存、發(fā)展[1]。東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食基地，也是中國(guó)一個(gè)主要的水土流失區(qū)[2]。東北黑土區(qū)坡耕地多處于坡度0.5°～5°的長(zhǎng)緩坡，且坡耕地占該區(qū)域耕地總面積的59.38%，2010年數(shù)據(jù)顯示，東北黑土區(qū)水土流失面積約為27.58萬(wàn)km2，坡耕地造成的水土流失面積高達(dá)當(dāng)?shù)厮亮魇Э偯娣e的80.3%，即坡耕地為該區(qū)域主要水土流失區(qū)域[3]。黑土具有表層質(zhì)地疏松、下層黏重、透水性較低、易被沖蝕的特點(diǎn)，加之該區(qū)域多年來(lái)重用輕養(yǎng)、不合理開發(fā)利用，導(dǎo)致水土流失程度不斷加劇[4]。因此，黑土區(qū)如何選擇合適的坡面水土保持措施，在減少?gòu)搅?、泥沙侵蝕的同時(shí)，做到改善土壤環(huán)境，已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

坡式條田是一種沿坡面等高線修筑地埂，在埂前修筑竹節(jié)狀蓄水溝，減少?gòu)搅鲄R集量與沖刷，埂上栽植固埂植物的水土保持坡面措施，具有占地小、土壤擾動(dòng)小的特點(diǎn)[5]。由于坡式條田在結(jié)構(gòu)和原理上與地埂植物帶相似，故本文將前人有關(guān)地埂植物帶的相關(guān)研究也納入分析。于艷秋等[6]簡(jiǎn)述了坡式條田的技術(shù)參數(shù)和特征。隋媛媛等[5]研究了黑土區(qū)坡耕地建造坡式條田減流減沙、減少養(yǎng)分流失、增強(qiáng)土壤抗崩解性和提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。李立新等[7]，呂志學(xué)等[8]，趙梅等[9]分析了東北低山丘陵區(qū)和黑土坡耕地地埂植物帶的保水保土效果、成本和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。陳英群等[10]研究了黑土區(qū)坡耕地復(fù)合地埂(雙埂+植物帶)對(duì)土壤含水狀況的影響。任麗華等[11]研究了遼東山區(qū)坡耕地埂植物籬蓄水保沙和防治農(nóng)業(yè)污染的效果。黃歡等[12]研究了三峽庫(kù)區(qū)地埂植物籬對(duì)土壤粒徑組成的影響。周萍等[13-15]研究了紫土區(qū)坡耕地植物根系固結(jié)地埂的土力學(xué)特征和地埂對(duì)不同坡位土壤粒徑分布的影響。殷慶元等[16]研究了金沙江干熱河谷坡地生物地埂對(duì)土壤水穩(wěn)性顆粒組成的影響。蔣光毅等[17]研究了石漠化區(qū)桑樹地埂對(duì)土壤容重、孔隙度、粒徑組成、持水性和入滲性的改善作用。周萍等[18]西南山區(qū)不同高度地埂攔蓄水沙作用、對(duì)土壤可蝕性和粒徑組成的影響和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對(duì)比。然而，有關(guān)黑土區(qū)修建坡式條田對(duì)徑流泥沙及土壤環(huán)境影響的研究卻鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)野外試驗(yàn)，分析坡式條田對(duì)水土流失、植被覆蓋狀況、土壤水熱條件和土壤呼吸的影響，以期為坡式條田在坡耕地應(yīng)用提供理論支持。

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，地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。東遼縣地處吉林省中南部，氣候類型為半濕潤(rùn)中溫帶大陸性氣候，四季差別鮮明。該區(qū)域年日照時(shí)數(shù)為2 504.2 h，年日照率為57%。年平均溫度5.2 ℃，年均降水量為658 mm，夏季雨熱同季。土壤類型主要為棕壤和暗棕壤。

1.2 措施布設(shè)

措施布設(shè)和觀測(cè)時(shí)間為2018年9月至2019年9月末。坡式條田坡面坡度為8°，坡形為直線型，為陰坡，坡長(zhǎng)為228 m。按照防洪標(biāo)準(zhǔn)10 a一遇3～6 h暴雨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸，田面寬25 m，長(zhǎng)70 m，就地取土修筑土埂，溝在上、埂在下，從埂上方開溝取土，并在溝中橫向間隔修筑擋土垱。地埂頂寬0.4 m，底寬1.2 m，平均高0.4 m，溝底寬1 m，埂、溝邊坡比1∶1。埂上栽植2 a生紫穗槐，株行距為0.5 m×0.5 m。選擇該坡措施旁同為8°的橫壟耕作玉米田作為對(duì)照，坡長(zhǎng)228 m，田長(zhǎng)10 m。按照公式(1)計(jì)算試驗(yàn)田面積：

試驗(yàn)田面積=坡長(zhǎng)×田長(zhǎng)

(1)

計(jì)算可得，措施田面積15 690 m2，無(wú)措施玉米田面積2 280 m2。措施田和無(wú)措施玉米田坡底各設(shè)置1個(gè)沉沙池，尺寸4 m×4 m×1 m，用于收集徑流泥沙。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

2019年全年觀測(cè)降雨、徑流、產(chǎn)沙狀況。采用DL16 WMO寒旱極地氣象站進(jìn)行降水指標(biāo)的測(cè)定。徑流結(jié)束后，測(cè)定沉沙池中水深，計(jì)算徑流量公式為：

徑流量=水深×沉沙池面積

(2)

將徑流攪勻，用收集桶收集，測(cè)定體積，靜置1 d后倒掉上清液并用烘箱105 ℃烘至恒重，稱量泥沙重。侵蝕量計(jì)算公式：

侵蝕量=徑流量×收集桶中泥沙重量/

收集桶中徑流體積

(3)

由于黑土區(qū)土壤侵蝕最嚴(yán)重的的坡位為坡中[19]，故在坡中測(cè)定土壤水熱和土壤呼吸，并選擇晴朗天氣進(jìn)行測(cè)定。使用TDR環(huán)境水分監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)3點(diǎn)取均值。利用LI-8 100測(cè)定5 cm深處土壤呼吸速率，水平條田和無(wú)措施玉米田坡中各放置3個(gè)PVC基座(內(nèi)徑18.5 cm，高10 cm)，為避免基座對(duì)土壤呼吸擾動(dòng)，放置第2年后開始測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)整理及繪圖、制表所用軟件為Excel，方差分析(ANNOVA單因素方差分析Duncan法)、相關(guān)分析和回歸分析所用軟件為SPSS 20.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡式條田對(duì)黑土坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的影響

2019年研究區(qū)共發(fā)生7次產(chǎn)流降雨，集中于6—9月，其中，6月、7月各1次，8月2次，9月3次(見表1)。坡式條田顯著減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙，各次降水坡式條田和無(wú)措施玉米田侵蝕量和徑流量均差異顯著(p<0.05)。

表1 研究區(qū)2019年所有侵蝕性降雨

按照單位面積產(chǎn)流產(chǎn)沙量計(jì)算，坡式條田次降雨減少侵蝕率范圍為65.0%～84.0%，減少?gòu)搅髀史秶鸀?3.9%～77.4%，年平均減沙減流率分別為78.3%和68.5%(見表2)。將侵蝕量按面積換算，無(wú)措施玉米田年侵蝕模數(shù)為401.75 t/(km2·a)，而坡式條田年侵蝕模數(shù)為87.53 t/(km2·a)，低于黑土區(qū)允許侵蝕速率200 t/(km2·a)。這說(shuō)明：黑土坡面設(shè)置坡式條田具有良好的減流減沙效果，且能將侵蝕速率控制在允許范圍內(nèi)。對(duì)無(wú)措施玉米田、坡式條田產(chǎn)流產(chǎn)沙與降水因子進(jìn)行回歸分析(結(jié)果見表3)，其顯著性均小于0.05，R2值均超過(guò)0.65，擬合效果較為良好。

表2 試驗(yàn)田產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況

2.2 坡式條田對(duì)黑土坡面植被和土壤環(huán)境的影響

2.2.1 坡式條田對(duì)黑土坡面植被和土壤水熱條件的影響 研究區(qū)不同時(shí)間坡式條田土壤質(zhì)量含水量均顯著高于無(wú)措施玉米田(p<0.05)。7月15日無(wú)措施田和坡式條田的土壤質(zhì)量含水量分別為9.9%和17.2%。5—9月研究區(qū)無(wú)措施玉米田和坡式條田植被覆蓋度均逐漸增加，且坡式條田栽植紫穗槐植被覆蓋度顯著高于無(wú)措施玉米田(p<0.01)。7月15日無(wú)措施田和坡式條田的植被覆蓋度分別為64.7%和100.0%(見表4)。試驗(yàn)田土壤溫度日變化均為“單峰”規(guī)律，溫度從5—9月先升高后降低。同時(shí)刻坡式條田溫度顯著低于無(wú)措施玉米田溫度(p<0.05)，且坡式條田土壤溫度較無(wú)措施玉米田更為平緩(即標(biāo)準(zhǔn)差更小)，例如，7月15日坡式條田、無(wú)措施玉米田土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.69，5.34(見圖1)。這說(shuō)明坡式條田可提高土壤含水量，穩(wěn)定并降低土壤溫度。

表3 試驗(yàn)田降雨與產(chǎn)流、產(chǎn)沙回歸方程

表4 2019年試驗(yàn)田土壤水分及植被覆蓋狀況

2.2.2 坡式條田對(duì)黑土坡面土壤呼吸的影響 研究區(qū)無(wú)措施玉米田和坡式條田土壤呼吸速率日變化均先升后降，在13：00—15：00達(dá)到最大值，呈現(xiàn)“單峰”規(guī)律。隨著季節(jié)變化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低。時(shí)間相同時(shí)，無(wú)措施玉米田的土壤呼吸速率顯著高于坡式條田(p<0.05)。例如，5月15日13：00無(wú)措施玉米田和坡式條田的土壤呼吸速率分別為2.08 μmol/m2·s和1.51 μmol/m2·s(見圖2)。這說(shuō)明：修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素?fù)p失。

圖1 試驗(yàn)田不同季節(jié)土壤溫度日變化

圖2 試驗(yàn)田不同季節(jié)土壤呼吸速率

由表5可知，研究區(qū)無(wú)措施玉米田和坡式條田不同季節(jié)土壤呼吸速率均與土壤溫度具有較大的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均不小于0.799，這說(shuō)明土壤溫度是影響土壤呼吸的重要因子。此外，結(jié)合前文坡式條田對(duì)黑土坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的影響分析可知，坡式條田的水土流失狀況顯著輕于無(wú)措施玉米田，這說(shuō)明坡式條田減少?gòu)搅鳑_刷土壤的擾動(dòng)，減少了土壤CO2排放量。

表5 試驗(yàn)田土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)分析

3 討 論

坡式條田是一種適用于長(zhǎng)緩坡的新興水土保持坡面措施[5]。本研究結(jié)果表明，黑土區(qū)8°玉米田修建水平條田能夠有效地蓄水?dāng)r沙(p<0.05)，年平均較少泥沙率和年平均較少?gòu)搅髀史謩e為78.3%和68.5%。坡式條田年侵蝕模數(shù)為87.53 t/(km2·a)，低于黑土區(qū)允許侵蝕速率200 t/(km2·a)。隋媛媛等[5]的研究結(jié)果表明。黑土區(qū)坡耕地修筑坡式條田+地埂栽植草本植物(黃花菜、紅小豆)能夠減少?gòu)搅?2.5%～69.2%，減少泥沙量70.9%～74.2%，提高作物產(chǎn)量8%～12%，減少養(yǎng)分流失約10%。

本研究坡式條田水土保持效益更好的原因有可能是紫穗槐作為灌木比草本植株更大，覆蓋度更高，防止降水擊濺和攔蓄徑流效果更好，且根系更加發(fā)達(dá)，盤繞、加固作用更好。眾多研究結(jié)果表明，地埂植物帶能夠有效減少坡面徑流量和侵蝕量。朱悅等[20]的研究結(jié)果表明，黑土區(qū)10°坡耕地地埂植物帶建成3 a后可減少地表水流失75.9%，減少表土流失88.8%，且隨著年數(shù)增加，土壤和植被的狀況改善，有更好的效果[20]。周萍等[18]的研究顯示，西南山區(qū)采用植物固結(jié)地埂能夠減少?gòu)搅?5.56%，減少侵蝕量79.26%，且比單獨(dú)種植等高植物籬攔蓄效果更好、植物產(chǎn)量更高。周萍等[14]對(duì)紫色土的研究結(jié)果表明，粒徑范圍0.002～0.02 mm的土粒極易隨徑流沖走，而有地埂坡耕地該范圍土粒含量較無(wú)地埂處高2.41%，即地埂具有一定攔截泥沙的作用。黃歡等[12]、任麗華等[21]和劉明義等[22]的研究結(jié)果表明，地埂植物帶通過(guò)枯枝落葉返還土壤、增加根系分泌物來(lái)優(yōu)化土壤通透性，且根系具有盤結(jié)、固土作用，增加土壤抗蝕性和抗崩解性。唐茜等[23]認(rèn)為，土埂和植物帶復(fù)合體的粘聚力和內(nèi)摩擦角明顯大于裸地，通過(guò)提高土壤的抗剪切強(qiáng)度來(lái)減少土壤流失。地埂植物帶通過(guò)機(jī)械攔擋作用和改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)作用來(lái)提高土壤抗蝕性[16]。周萍等[14]認(rèn)為，地埂通過(guò)逐年攔蓄泥沙，改變微地形，減小地面坡度，有效減少水、土、和養(yǎng)分流失。

本研究結(jié)果表明，黑土區(qū)坡式條田可提高土壤含水量，穩(wěn)定并降低土壤溫度，改善植物作物生長(zhǎng)環(huán)境，并提高植被覆蓋度。劉明義等[21]和任麗華等[22]認(rèn)為，地埂植物帶通過(guò)枯枝落葉返還土壤、增加根系分泌物和根系腐殖質(zhì)來(lái)降低土壤容重、提高土壤孔隙度，從而提高土壤保水保肥能力。周萍等[14]認(rèn)為，地埂能夠改善土壤粒徑組成，從而改善土壤入滲。肖列等[24]稱，坡面水土保持工程措施能夠攔蓄徑流，坡面植被能夠截獲、緩沖徑流、減少蒸發(fā)，達(dá)到增加入滲，蓄積降水的目的。王帥兵等[25]對(duì)紅壤區(qū)的研究表明，坡面水土保持措施能夠增加土壤含水量(干旱期尤為明顯)，延長(zhǎng)土壤濕潤(rùn)期時(shí)間，并能夠提高耕地降水利用率。馬濤等[26]的研究結(jié)果表明，采用坡面水保措施的樣地植物生長(zhǎng)更好，植被覆蓋度更大，更好地起到遮蓋太陽(yáng)輻射的作用，因此土壤溫度變化更加平緩。李招弟等[27]的研究表明，相同環(huán)境下，植被較好處比裸地具有更低的地溫。高希旺等[28]和葉功富等[29]的研究也都表明，坡耕地使用水土保持工程措施能夠降低土壤溫度，增加土壤水分含量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤呼吸速率與土壤溫度呈較高的相關(guān)性，土壤呼吸速率日變化隨土壤溫度變化呈“單峰”規(guī)律。修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率(p<0.05)，降低土壤碳素?fù)p失。例如，5月15日13：00無(wú)措施玉米田和坡式條田的土壤呼吸速率分別為2.08 μmol/(m2·s)和1.51 μmol/(m2·s)。這說(shuō)明坡式條田減少?gòu)搅鳑_刷土壤的擾動(dòng)，降低土壤溫度，從而減少了土壤CO2排放量，更有利于土壤碳素有效利用，并能減少溫室氣體。馬濤等[26]對(duì)黃土丘陵區(qū)的研究也認(rèn)為，土壤呼吸規(guī)律呈季節(jié)性變化，夏季速率最高，其次為春季和秋季，原因是夏季水熱條件較好，且植物處于迅速生長(zhǎng)期。土壤水分和土壤溫度是影響土壤呼吸速率的重要因子，坡地水土保持措施能夠提高土壤含水量，減少植物干旱脅迫，降低土壤溫度，從而減緩?fù)寥篮粑俾?，減少土壤C素流失。高希旺等[28]和葉功富等[29]的研究也表明，坡面水土保持措施能夠減輕侵蝕，減少土壤擾動(dòng)，因此土壤呼吸中非生物作用減弱，土壤CO2釋放受到抑制，而且水保措施能夠降低坡面土壤溫度，減弱微生物新陳代謝，因此導(dǎo)致土壤呼吸速率降低。

今后，還應(yīng)研究水平條田不同施用年限水土保持效果和防治養(yǎng)分流失效果；有關(guān)水平條田土壤溫度、土壤水分(閾值效應(yīng)下)共同影響土壤呼吸的模型建立也需進(jìn)一步研究[30]。

4 結(jié) 論

開展野外試驗(yàn)，在研究了坡式條田在黑土區(qū)坡耕地水土保持作用和土壤環(huán)境改善作用，結(jié)論如下：

(1) 黑土坡面設(shè)置坡式條田具有良好的減流減沙效果，年均減少輸沙率和減少地表徑流率分別為78.3%和68.5%，土壤侵蝕模數(shù)為87.53 t/(km2·a)，控制在允許范圍內(nèi)；

(2) 坡式條田土壤質(zhì)量含水率顯著高于無(wú)措施玉米田(p<0.05)，7月15日無(wú)措施田和坡式條田的土壤質(zhì)量含水量分別為9.9%和17.2%，5—9月研究區(qū)無(wú)措施玉米田和坡式條田植被覆蓋度均逐漸增加，且坡式條田栽植紫穗槐植被覆蓋度顯著高于無(wú)措施玉米田(p<0.01)，7月15日無(wú)措施田和坡式條田的植被覆蓋度分別為64.7%和100.0%坡式條田植被覆蓋度顯著高于無(wú)措施玉米田(p<0.01)；

(3) 試驗(yàn)田土壤溫度日變化均為“單峰”規(guī)律，溫度從5—9月先升高后降低，同時(shí)刻坡式條田溫度顯著低于無(wú)措施玉米田溫度(p<0.05)，且坡式條田穩(wěn)定并降低土壤溫度；

(4) 研究區(qū)無(wú)措施玉米田和坡式條田土壤呼吸速率日變化均先升后降，在13：00—15：00達(dá)到最大值，呈現(xiàn)“單峰”規(guī)律。隨著季節(jié)變化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低，研究區(qū)土壤呼吸與土壤溫度有顯著的相關(guān)性，且修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素?fù)p失。

綜上所述，坡式條田在黑土區(qū)坡耕地具有較好的水土保持作用和土壤環(huán)境改善作用，應(yīng)在坡耕地中逐漸推廣應(yīng)用。