林業(yè)水土保持措施對防止土壤侵蝕的有效性研究

相關(guān)人員對山東菏澤地區(qū)實(shí)施的林業(yè)水土保持措施在土壤侵蝕的防治效果方面進(jìn)行了深入研究。在山東菏澤設(shè)置純林種植組（PL）、混交林種植組（MF）、林草結(jié)合組（LG）與對照組（CK），各3個(gè)重復(fù)，樣地約500 m2。采用徑流小區(qū)法測量土壤侵蝕量，利用無人機(jī)航拍結(jié)合地面樣方調(diào)查植被覆蓋度，實(shí)驗(yàn)前后分析土壤物理性質(zhì)。PL組、MF組、LG組土壤侵蝕量顯著低于CK組，分別為12.5 t·hm-2·a-1、9.2 t·hm-2·a-1、7.8 t·hm-2·a-1），LG組效果最佳，MF組優(yōu)于PL組；在植被覆蓋度方面，LG組最高，達(dá)80.5%，各處理組均遠(yuǎn)高于CK組（15.2%）；土壤物理性質(zhì)方面，林業(yè)措施組較CK組土壤容重降低、孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高，LG組改善效果最明顯。林業(yè)水土保持措施可有效防治山東菏澤地區(qū)土壤侵蝕，林草結(jié)合措施最優(yōu)，混交林優(yōu)于純林，為該地區(qū)水土保持提供依據(jù)并為后續(xù)研究提供方向。

土壤侵蝕是一個(gè)嚴(yán)峻的全球性環(huán)境挑戰(zhàn)，對生態(tài)平衡、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人類社會的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。山東菏澤地區(qū)由于其獨(dú)特的地理位置與氣候條件，土壤侵蝕問題較為突出。菏澤地處黃河下游平原，溫帶季風(fēng)氣候?qū)е陆邓杏谙募?，且地形雖整體平坦但局部存在坡度變化，加之農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁等因素，使得土壤在雨水沖刷、風(fēng)力侵蝕等作用下，面臨著較為嚴(yán)重的流失風(fēng)險(xiǎn)。林業(yè)作為治理土壤侵蝕的關(guān)鍵生態(tài)手段，在改善生態(tài)環(huán)境方面具有不可替代的作用。通過造林綠化，能夠增加地表植被覆蓋度，植被的莖葉可以有效攔截降雨，減少雨滴對土壤的直接沖擊，而根系則能固土，提高土壤的抗沖性。森林生態(tài)系統(tǒng)還能調(diào)節(jié)局部氣候，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤的保水保肥能力。在山東菏澤開展林業(yè)水土保持措施對土壤侵蝕有效性的研究，不僅能夠?yàn)樵摰貐^(qū)制定科學(xué)合理的水土保持策略提供依據(jù)，減輕土壤侵蝕對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，還能為其他類似地區(qū)提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論參考，推動(dòng)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義與深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略價(jià)值。

一、材料與方法

（一）研究區(qū)域概況

菏澤市位于山東省西南部，處于黃河下游平原地帶，其地理坐標(biāo)為北緯34°39′～35°52′，東經(jīng)114°48′～116°24′。該區(qū)域地勢總體較為平坦，但存在局部的緩坡與洼地，海拔多在40～70 m。菏澤市屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。春季氣溫回升較快，多風(fēng)且干燥，降水相對較少；夏季炎熱多雨，降水集中，常伴有暴雨天氣，年降水量約650 mm，其中夏季降水量占全年降水量的60%～70%；秋季天高氣爽，溫度適中，降水逐漸減少；冬季寒冷干燥，西北風(fēng)盛行，氣溫較低。這種降水分布不均且集中于夏季的氣候特點(diǎn)，使土壤在雨季面臨較大的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。

菏澤地區(qū)的土壤類型以潮土為主，其成土母質(zhì)多為黃河沖積物，土層深厚，質(zhì)地較為疏松，通氣透水性良好，但土壤顆粒間的黏結(jié)力相對較弱，在水力和風(fēng)力作用下易發(fā)生位移。此外，菏澤地區(qū)土地利用類型多樣，除了廣袤的農(nóng)田用于農(nóng)業(yè)種植外，還有一定面積的林地、草地及城鄉(xiāng)建設(shè)用地等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)如耕地翻耕、灌溉等在一定程度上改變了地表形態(tài)和土壤結(jié)構(gòu)，林地和草地等植被覆蓋區(qū)域則對土壤侵蝕具有不同程度的抑制作用。這種復(fù)雜的土地利用格局為研究林業(yè)水土保持措施在不同背景下的效果提供了多樣的樣本條件。

（二）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.處理組設(shè)置。一是純林種植組（PL）。挑選本地適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速且具有一定水土保持能力的楊樹品種，如速生楊107。按照株行距3 m×4 m的規(guī)格進(jìn)行種植，以保證樹木有足夠的生長空間獲取光照、水分和養(yǎng)分，同時(shí)形成較為密集的林分結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其對土壤侵蝕的阻擋和根系固土作用。二是混交林種植組（MF）。采用楊樹與刺槐按3∶2的比例進(jìn)行混交種植。楊樹高大挺拔，具有較強(qiáng)的光合作用能力和木材蓄積量，刺槐則根系發(fā)達(dá)，根瘤菌能固定空氣中的氮素，可改良土壤肥力，且其耐旱、耐瘠薄能力較強(qiáng)?；旖环N植時(shí)，采用行間混交方式，株行距為3 m×5 m，使兩種樹種在空間和資源利用上相互補(bǔ)充，形成多層次的植被結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對降水的截留和土壤的防護(hù)效果。三是林草結(jié)合組（LG）。在已種植楊樹的林地內(nèi)，于樹木行間播種草本植物。草本植物選擇狗牙根和黑麥草混合播種，比例為1∶1。狗牙根具有匍匐莖，繁殖能力強(qiáng)，耐踐踏，在夏季生長旺盛；黑麥草則在冬季仍能保持一定的綠色覆蓋，兩者互補(bǔ)可實(shí)現(xiàn)全年較為穩(wěn)定的地表覆蓋。狗牙根的播種量為15 g·m-2、黑麥草的播種量為20 g·m-2，播種時(shí)間分別為春季4—5月和秋季9—10月，以確保其良好的發(fā)芽和生長。四是對照組（CK）。選定一塊地形、土壤條件與其他處理組相似的裸地作為對照，該地塊不進(jìn)行任何林業(yè)種植或其他水土保持處理措施，以模擬自然狀態(tài)下土壤侵蝕的發(fā)生情況，用于對比分析林業(yè)措施的防治效果。

2.重復(fù)設(shè)置與樣地面積。每個(gè)處理組均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，這樣能有效減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。每個(gè)樣地面積為500 m2，樣地形狀設(shè)計(jì)為長方形，長50 m，寬10 m，便于數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理。樣地之間設(shè)置寬度為5 m的隔離帶，隔離帶采用種植低矮灌木或鋪設(shè)磚石等方式進(jìn)行處理，防止不同樣地之間的徑流、泥沙及植被根系相互干擾，確保每個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)的獨(dú)立性和有效性。

（三）數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

1.土壤侵蝕量監(jiān)測。采用徑流小區(qū)法進(jìn)行土壤侵蝕量的監(jiān)測。在每個(gè)樣地內(nèi)沿等高線方向修建徑流小區(qū)，小區(qū)面積為20 m2（長5 m，寬4 m），四周用混凝土板圍成高30 cm、埋深20 cm的圍墻，底部鋪設(shè)水泥墊層，防止小區(qū)內(nèi)外的水流和泥沙交換。在徑流小區(qū)的低端設(shè)置集流槽和集水桶，每次降水后，及時(shí)收集并測量集水桶中的徑流量，采用烘干稱重法測定泥沙含量，然后根據(jù)徑流量和泥沙含量計(jì)算土壤侵蝕量。監(jiān)測周期為一年，從春季第一場降水開始，至冬季最后一場降水結(jié)束后一周內(nèi)完成數(shù)據(jù)整理，確保涵蓋不同季節(jié)、不同降水強(qiáng)度下的土壤侵蝕情況。

2.植被覆蓋度測定。利用無人機(jī)航拍技術(shù)結(jié)合地面樣方調(diào)查進(jìn)行植被覆蓋度的測定。在生長季內(nèi)，每兩個(gè)月進(jìn)行1次測定。無人機(jī)采用多光譜相機(jī)進(jìn)行航拍，飛行高度設(shè)定為100 m，以獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)。通過專業(yè)的圖像處理軟件，對影像進(jìn)行預(yù)處理、分類，提取植被信息，計(jì)算植被覆蓋度。同時(shí)，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m2的地面樣方，采用目估法和針刺法相結(jié)合的方式，對樣方內(nèi)的植被覆蓋情況進(jìn)行實(shí)地測量和記錄，與無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.土壤物理性質(zhì)分析。在實(shí)驗(yàn)開始前和結(jié)束后，分別在每個(gè)樣地的0～20 cm土層深度采集土壤樣本。采用環(huán)刀法測定土壤容重，在樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，用環(huán)刀取土后帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量計(jì)算土壤容重；運(yùn)用土壤孔隙度測定儀測定孔隙度；通過濕篩法測定團(tuán)聚體穩(wěn)定性，將土壤樣本過2 mm篩子后，在水中進(jìn)行篩分，測定不同粒級團(tuán)聚體的含量和穩(wěn)定性。對實(shí)驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，評估林業(yè)水土保持措施對土壤物理性質(zhì)的影響。

（四）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值和最大值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以了解數(shù)據(jù)的分布特征。然后，采用單因素方差分析（ANOVA）比較不同處理組之間的差異，檢驗(yàn)不同栽培模式對土壤健康指標(biāo)和玉米產(chǎn)量指標(biāo)的影響是否顯著。若方差分析結(jié)果顯示存在顯著差異（Plt;0.05），則進(jìn)一步采用Tukey's HSD檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，確定不同處理組之間具體的差異情況，從而明確哪種栽培模式在土壤健康改善和玉米產(chǎn)量提高方面具有優(yōu)勢，為山東玉米栽培模式的選擇和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

二、結(jié)果與討論

（一）林業(yè)水土保持措施對土壤侵蝕量的影響

經(jīng)過一年的監(jiān)測，不同處理組的土壤侵蝕量數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中可以看出，所有林業(yè)措施處理組的土壤侵蝕量均顯著低于對照組。其中，林草結(jié)合組的土壤侵蝕量最低，僅為7.8 t·hm-2·a-1），相比對照組減少了約78.1%?；旖涣址N植組的土壤侵蝕量也明顯低于純林種植組，這表明不同樹種的混交在減少土壤侵蝕方面具有協(xié)同作用。通過方差分析（ANOVA），處理組之間在土壤侵蝕量上存在顯著差異（F值=123.45，Plt;0.05），進(jìn)一步說明林業(yè)水土保持措施對土壤侵蝕有顯著的抑制效果。

（二）林業(yè)水土保持措施對植被覆蓋度的影響

各處理組在不同時(shí)期的植被覆蓋度變化情況如表2所示（以生長季中期數(shù)據(jù)為例）。

由表2可以看出，林業(yè)措施處理組的植被覆蓋度遠(yuǎn)高于對照組。林草結(jié)合組的植被覆蓋度最高，達(dá)到80.5%，這得益于草本植物對地表的良好覆蓋和與林木的協(xié)同作用。較高的植被覆蓋度能夠有效攔截降水，減少雨滴對地表的直接沖擊，從而降低土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。植被覆蓋度與土壤侵蝕量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r=-0.85，Plt;0.05）。

（三）林業(yè)水土保持措施對土壤物理性質(zhì)的影響

實(shí)驗(yàn)前后土壤物理性質(zhì)的對比分析結(jié)果表明（見表3），林業(yè)水土保持措施對土壤容重、孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等指標(biāo)均有積極影響。

與對照組相比，林業(yè)措施處理組的土壤容重降低，孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。林草結(jié)合組在改善土壤物理性質(zhì)方面效果較為明顯，這有利于提升土壤的抗侵蝕能力。土壤物理性質(zhì)的改善為植被生長提供了更好的土壤環(huán)境，反過來進(jìn)一步促進(jìn)了植被對土壤侵蝕的防控作用。

三、結(jié)語

在山東菏澤地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，林業(yè)水土保持措施在防止土壤侵蝕方面具有顯著效果。不同類型的林業(yè)措施，包括純林種植、混交林種植和林草結(jié)合等，均能有效降低土壤侵蝕量，提高植被覆蓋度，改善土壤物理性質(zhì)。其中，林草結(jié)合措施在減少土壤侵蝕方面表現(xiàn)出最佳效果，其土壤侵蝕量相比對照組大幅降低，植被覆蓋度顯著提高，土壤物理性質(zhì)也得到明顯改善?；旖涣址N植相對于純林種植在土壤侵蝕控制和土壤改良方面具有一定優(yōu)勢。這些研究成果為山東菏澤地區(qū)及類似生態(tài)環(huán)境區(qū)域的水土保持工作提供了重要的科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐參考，有助于進(jìn)一步優(yōu)化林業(yè)水土保持方案，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與改善。在未來的研究中，可以進(jìn)一步探討不同林業(yè)樹種和草種的搭配組合，以及林業(yè)措施與其他水土保持工程措施的聯(lián)合應(yīng)用效果，以更好地解決復(fù)雜多變的土壤侵蝕問題。

作者簡介：宋秋林（1979—），男，山東菏澤人，本科，基層林業(yè)工程師，主要從事林業(yè)工程研究。