劉明義，許曉鴻，劉艷軍，隋媛媛，張 瑜，王永豐

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

坡耕地是我國(guó)重要的耕地資源。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)坡耕地整治的研究得到了水保界的廣泛重視［1－3］，朱顯謨?cè)赋?，植物是防治水土流失最有效和最根本的措施?］。地埂植物帶是指在坡耕地上沿等高線橫向等距離培修的土埂上種植灌木或草本植物，以截短坡長(zhǎng)、調(diào)蓄徑流、防止坡耕地水土流失的治理措施［5］，是我國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用廣泛的一種防治坡耕地水土流失的有效措施，也是東北地區(qū)復(fù)合農(nóng)林業(yè)種植的一種形式。由于種種原因，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地埂植物帶研究得較少，相關(guān)的研究多集中在等高植物籬和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)等方面［6－10］。實(shí)踐證明，針對(duì)東北低山丘陵漫崗區(qū)坡耕地坡面長(zhǎng)、坡度小及土壤疏松的特點(diǎn)，地埂植物帶能起到明顯的防治水土流失的效果，對(duì)坡耕地土壤肥力的改善和糧食產(chǎn)量的提高具有重要作用。

地埂植物帶將坡耕地治理中的工程措施與植物措施結(jié)合起來(lái)，可以起到保持水土的作用。地埂植物帶自身的抗蝕性和穩(wěn)定性對(duì)坡耕地水土流失防治效果具有重要的影響［11－12］。本研究通過(guò)對(duì)不同植物地埂植物帶上植物生長(zhǎng)狀況的調(diào)查及土壤物理化學(xué)指標(biāo)、土壤崩解速率的測(cè)定與分析，研究不同植物措施下地埂植物帶的抗侵蝕效果，旨在加深人們對(duì)地埂植物帶在坡耕地治理中作用的認(rèn)識(shí)，更加有效地推進(jìn)這一措施在東北低山丘陵區(qū)水土流失防治中的應(yīng)用。

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，地處長(zhǎng)白山余脈的東遼河流域上游，屬于典型的東北低山丘陵區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 125°22'40″—125°26'10″、北緯 42°58'05″—43°01'40″，屬寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5.2℃，最高氣溫38℃，最低氣溫－40℃，年有效積溫2 700～2 800℃，≥10℃的積溫2 900℃，年均無(wú)霜期137 d，年均日照時(shí)數(shù)2 497.9 h。據(jù)遼源市水文站50年的觀測(cè)資料，年最大降水量911.0 mm，年最小降水量410.6 mm，年均降水量658.1 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在杏木小流域坡耕地上進(jìn)行，平均坡度為8°，坡耕地上種植的作物為玉米，選擇立地條件基本相同的坡耕地下部3個(gè)地埂植物帶作為研究對(duì)象，地埂頂寬60 cm，埂高52 cm，埂上種植的植物為黃花菜(Hemerocallis citrinaBaroni)和紅小豆(Vigna angularis)，均為適合東北地區(qū)生長(zhǎng)的作物，且紅小豆具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。種植方式為黃花菜單種、紅小豆單種及黃花菜與紅小豆混種，每條地埂上均種植3行植物，株行距均為20 cm，其中黃花菜為每穴2株，成活率均在95%以上。

根據(jù)地埂植物帶立地條件的特殊性，本研究采用樣線法進(jìn)行植物調(diào)查，即在各種不同地埂植物帶內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、較為平直的地段設(shè)10 m樣線，調(diào)查樣線范圍內(nèi)地埂上所有植株的高度、冠幅、地上生物量，取其平均值，并測(cè)量地埂植物帶上的植物蓋度。植物根系特征的調(diào)查采用整株挖掘法，即在各地埂植物帶的樣線范圍內(nèi)，分別將長(zhǎng)勢(shì)相近的2株植物地上部分剪下，并將其根系完整挖出，測(cè)量分析根深及根的生物量。

分別沿所選3種植物帶地埂取土壤剖面，每種地埂取3個(gè)剖面，按0—20、20—40和40—60 cm分3層取樣測(cè)定土壤物理、化學(xué)指標(biāo)，按0—5、20—25和40—45 cm分3層取樣測(cè)定土壤崩解速率，并以各種地埂上無(wú)植物覆蓋的裸埂為對(duì)照同樣分3個(gè)相同層次進(jìn)行取樣，進(jìn)行土壤物理、化學(xué)指標(biāo)及崩解試驗(yàn)的測(cè)定與分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)植物生長(zhǎng)情況調(diào)查。植物株高、冠幅、根深、根幅及地埂植物帶蓋度，采用樣線法和鋼卷尺測(cè)量［13］;植物鮮重采用天平直接稱量;植物干重的測(cè)定，是將鮮樣先在105℃溫度下殺青，然后在65℃下烘干至恒重，再采用萬(wàn)分之一萬(wàn)天平進(jìn)行測(cè)定。

(2)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤水分采用烘干法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀法測(cè)定［14］。

(3)土壤崩解速率測(cè)定。土壤崩解速率采用靜水崩解法進(jìn)行測(cè)試［15］，試驗(yàn)儀器為根據(jù)崩解試驗(yàn)原理自制的測(cè)試設(shè)備，每隔30 s觀測(cè)一次讀數(shù)，試驗(yàn)觀測(cè)最長(zhǎng)時(shí)間為30 min。土壤崩解速率計(jì)算公式為

式中：B為崩解速率，cm3/min;S為浮筒底面積，cm2;γ為土壤容重，g/cm3;l0、lt分別為崩解開始(已放土樣)的浮筒刻度初始值和某時(shí)刻t的讀數(shù)，cm;t為土樣完全崩解的時(shí)間，min，未完全崩解計(jì)為30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地埂植物帶植物生長(zhǎng)狀況

表1是不同地埂植物帶植物生長(zhǎng)情況。由表1可知，黃花菜地埂植物平均株高48 cm，冠幅50 cm，根深28 cm，根幅35 cm，地下部分鮮重和干重分別為31.17 g和10.643 g，均高于紅小豆地埂植物，但紅小豆地埂植物的地上生物量和蓋度要明顯高于黃花菜地埂，紅小豆鮮重和干重分別為225.07 g和36.765 g，地埂上植物蓋度高達(dá)60%，為黃花菜地埂植物蓋度的6倍。以上分析說(shuō)明：①紅小豆地埂植物帶地上部分比黃花菜生長(zhǎng)茂密，具有較好的植被蓋度，而黃花菜根系為根端膨大的肉質(zhì)根，比紅小豆根系粗壯，能夠貯存更多的水分供植物吸收利用。②在黃花菜與紅小豆混種的地埂植物帶上，黃花菜和紅小豆的生長(zhǎng)狀況均好于單種植物的地埂植物帶，兩種植物地上和地下生物量明顯提高，地埂植被蓋度達(dá)到45% ～50%，幾乎是黃花菜地埂植物蓋度的5倍，且植物根深和根幅均比單種植物的地埂植物帶大，說(shuō)明紅小豆和黃花菜混種能夠明顯地促進(jìn)地埂植物地上和地下部分生長(zhǎng)，提高植物生物量及蓋度。之所以出現(xiàn)這種情況，一方面可能是紅小豆作為豆科植物，根瘤固氮菌能夠?yàn)閮煞N植物提供N素作為養(yǎng)分;另一方面主要是由黃花菜特殊的生物外觀決定的，其枝葉猶如天然的集水槽，使降水可沿其枝葉匯集于根部，為植物生長(zhǎng)提供充足的水分。同時(shí)，植物冠層和枯枝落葉能夠?qū)τ晁鸬浇亓艉妥铚饔?，根系能夠?qū)ν馏w起到盤繞和固結(jié)的作用，因此紅小豆與黃花菜混種植物比單種植物能夠發(fā)揮更好的護(hù)埂和固埂作用。

表1 不同地埂植物帶植物生長(zhǎng)情況

2.2 不同植物帶地埂土壤物理、化學(xué)性狀

土壤容重和孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)度及保水保土性能的重要指標(biāo)，土壤容重越小孔隙度越大，其通氣透水性越好，保水抗蝕性能就越強(qiáng)。由表2可知，不同植物帶地埂土壤容重均隨土層深度的增加而逐漸增大，孔隙度隨土層深度的增加而逐漸減小，其中：黃花菜地埂土壤容重最小，0—20、20—40和40—60 cm 土層分別為1.02 、1.07 和1.10 g/cm3，孔隙度最大，分別為61.51%、59.62%和58.49%;黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂相應(yīng)土層土壤含水量最高，自上而下分別為8.05%、9.90%和11.36%;無(wú)植物覆蓋的裸埂各土層土壤容重最大，自上而下分別為1.05、1.15 和 1.19 g/cm3，孔隙度最小，分別為56.01%、53.96% 和 52.08%，含水量最低，分別為 6.54%、6.93%和8.91%。以上分析說(shuō)明，與對(duì)照裸埂相比，3種地埂植物帶均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤滲透能力和蓄水保肥能力，但不同地埂植物帶對(duì)土壤通氣透水性能改善的效果不同，黃花菜根系最為粗壯，土壤孔隙度最高，黃花菜和紅小豆混種植物地埂土壤含水量最高，保水抗蝕性能最強(qiáng)。

表2 不同地埂類型土壤理化性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成及穩(wěn)定的核心物質(zhì)，主要來(lái)源于土壤微生物、土壤動(dòng)物及其分泌物和植物殘?bào)w及植物分泌物。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性、吸附性及緩沖性密切相關(guān)［16］，有機(jī)質(zhì)含量的增加能夠改變土壤膠體性狀，增強(qiáng)土壤吸附能力及持水保水能力。由表2可知，在所研究的3個(gè)不同土層中，黃花菜、紅小豆、黃花菜與紅小豆混種3種不同地埂植物帶的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于裸埂，其中黃花菜與紅小豆混種下的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高;在不同植物措施下，土壤有機(jī)質(zhì)含量基本上隨土層深度的增加而逐漸減少，其中黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂20—40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)7.88%，這主要是由于黃花菜與紅小豆根系集中分布在該層(表1)，2種植物混種能夠促進(jìn)彼此根系的生長(zhǎng)，增加有機(jī)質(zhì)來(lái)源，從而提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤的保水抗蝕性能。以上研究結(jié)果表明，黃花菜與紅小豆混種植物帶能夠更好改善土壤物理、化學(xué)性狀，增強(qiáng)土壤抗蝕性能。

2.3 不同植物帶地埂土壤崩解速率

土壤崩解速率指單位時(shí)間內(nèi)崩解掉的原狀土樣的體積，它是用來(lái)衡量土壤的抗崩解性能，反映土壤的抗蝕抗分散特性，評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的綜合指標(biāo)之一［17］。對(duì)不同植物帶地埂0—5、20—25和40—45 cm土層土壤崩解速率測(cè)定的結(jié)果見(jiàn)表3。由表3知：土壤崩解速率隨土層深度的增加而增大，原因主要是隨著土層深度的增加土壤容重逐漸增大，孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤保水抗蝕性降低，并且隨著土層深度的增加，土壤中植物根量在不斷減少，土壤抵抗水體的分解和破壞能力降低，加快了土壤崩解;不同植物帶地埂在所研究各土層中崩解速率表現(xiàn)為黃花菜與紅小豆混種＜紅小豆＜黃花菜＜裸埂，說(shuō)明黃花菜與紅小豆混種的植物帶地埂土壤抗崩解性能最強(qiáng)，其土壤抗蝕性要優(yōu)于紅小豆和黃花菜單種植物條件下的土壤。分析其原因，可能是黃花菜與紅小豆混種能夠促進(jìn)兩種植物地上和地下生物量的增加，降低雨水對(duì)地埂土壤的直接擊濺和沖刷，保護(hù)地埂免遭損毀，有利于改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，加強(qiáng)了植物根系對(duì)土壤的纏繞與固結(jié)，從而增強(qiáng)了土體抗侵蝕性能。這與本文中對(duì)植物帶地埂植物生長(zhǎng)狀況及地埂土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的分析結(jié)果是一致的。

表3 不同植物帶地埂土壤崩解速率

表4中方差分析結(jié)果表明：在總的變異均方中土層深度因素所帶來(lái)的均方所占比重最大，其次為植物種類因素及兩因素的交互作用，并且均表現(xiàn)出極顯著差異，說(shuō)明植物種類和土層深度2個(gè)因素能夠顯著影響土壤崩解速率，不同植物對(duì)植物帶地埂抗蝕性能具有顯著影響;黃花菜與紅小豆混種與該兩種植物單種相比，能夠顯著地提高土壤抗蝕性能，提高地埂穩(wěn)定性，更加有利于地埂植物帶發(fā)揮保持水土的作用，是適合東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失防治的好措施。

表4 地埂土壤崩解速率差異的顯著性分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)黃花菜植物帶植物根系粗壯，紅小豆植物帶地上部分生長(zhǎng)情況較好，在地埂上實(shí)行黃花菜與紅小豆混種，能夠促進(jìn)植物地上和地下部分生長(zhǎng)，提高地埂蓋度，增強(qiáng)護(hù)埂固埂作用。

(2)不同植物帶地埂土壤容重隨土層深度的增加而增大，土壤孔隙度、含水量和有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而降低，其中黃花菜與紅小豆混種植物帶有機(jī)質(zhì)含量在20—40 cm土層最高，原因主要是2種植物根系集中分布在該層，根系及其分泌物能夠增加土壤中有機(jī)物質(zhì)來(lái)源。

(3)黃花菜、紅小豆及黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤孔隙度、含水量及有機(jī)質(zhì)含量均高于對(duì)照裸埂，土壤容重低于裸埂，3種地埂植物帶均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤滲透及蓄水能力;不同植物對(duì)地埂土壤性質(zhì)改善的效果不同，黃花菜地埂土壤孔隙度最好，黃花菜與紅小豆混種地埂土壤保水保肥、抗蝕性能最強(qiáng)。

(4)不同植物帶地埂土壤崩解速率隨土層深度的增加而增大，黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤抗崩解性能要優(yōu)于單種的黃花菜、紅小豆地埂及裸埂，土壤抗蝕性最強(qiáng)。方差分析結(jié)果表明，不同地埂植物帶對(duì)土壤抗蝕性具有顯著影響，黃花菜與紅小豆混種植物帶地埂土壤抗蝕性高于裸埂及2種植物單種的情況，其固埂作用顯著，是適合東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失綜合防治的良好措施。

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