水土保持措施对黑土流失区土壤理化性质的影响1)

田野宏 屈远强 满秀玲 刘 斌 张维江 于 舒

(东北林业大学，哈尔滨，150040)(黑龙江省牡丹江市穆棱县水务局) (东北林业大学)

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，该区坡度较小，坡面长，土壤肥力相对较高，因此，多被开垦成耕地，使原生植被遭到破坏，土壤保水、保肥能力下降，黑土层被剥蚀，水土流失加剧，严重阻碍了粮食生产［1－2］。目前，对东北黑土区水土流失防治措施的研究比较多，主要集中在秸秆覆盖［3］、生物措施［4］、坡耕地工程措施［5］、沟道治理措施［6］、综合措施［7］等，已取得了很大的成效，积累了很多成功的经验。但其对改土保水效益的分析不是很全面，尤其针对某一地区在采取综合措施之后，不同治理措施之间在不同治理年限时的效益分析还需进行具体研究。笔者以牡丹江地区穆棱市为例，选择已经采取水土保持措施的坡耕地，研究不同措施对土壤理化性质所产生的影响，以探讨不同水土保持措施实施的合理性及效果，为该地区水土流失综合治理的开展提供参考。

1 研究地概况

2010年8月，在黑龙江省牡丹江地区穆棱市八面通镇进行外业调查。穆棱市八面通镇位于黑龙江省东南部，地理坐标:东经 129°45＇19″～130°58＇07″，北纬 43°49＇55″～45°07＇16″，地势南高北低，东西两侧高，中部低。主要地形为山地缓坡，坡面长500～2 000 m，坡度3°～10°居多。山脉属长白山系老爷岭山脉，呈西南—东北走向。海拔高度为500～700 m，属于中纬度北温带大陆性季风气候。冬季漫长寒冷干燥，夏季较湿热多雨，春秋季风交替时气温变化急剧，秋天常见早霜。年平均气温6.1℃，极端最低气温44.1℃，最高气温35.7℃。年平均降水量530 mm，降雨集中在6—8月，无霜期在126 d左右，日照2613 h。

2 试验方法

试验选择水土流失较为严重并采取了水土保持措施的地段进行研究，分别选择栽植植物篱、修筑谷坊、退耕还林和退耕还草多年的坡耕地，同时选择环境条件相似的农田作为对照，在每一研究类型中选择典型地段设置采样点3个，挖掘土壤剖面，分层取样。除谷坊外，其他4种样地的选择尽量选在立地条件基本相似的地段，以保证试验的可比性，样地特征见表1。

在5种类型试验样地中选择典型地段，挖掘土壤剖面分层取样，取样深度为0～10、10～20、20 ～30、30～40、40～50 cm(每个土层的下限属于该土层，如20 cm属于10～20 cm土层)，分层取环刀和铝盒，进行土壤水分物理性质测定，同时用布袋取样，带回试验室风干后研磨，过筛，干燥储存，用于土壤化学性质的测定。

土壤化学性质主要测定的指标为有机质、水解N、全P、有效P、全K、速效K、pH值。土壤有机质采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法，土壤水解N采用碱解—扩散法，全P采用硫酸—高氯酸酸溶—钼锑抗比色法，有效P采用盐酸—硫酸浸提法，全K及速效K采用原子吸收火焰光度计测定仪测定，pH值采用pH计测定。所获数据的统计分析由SPSS18.0软件完成，数据计算和统计由Excel软件完成。

表1 不同样地类型基本特征

2 结果与分析

2.1 土壤水分物理性质

由土壤水分物理性质分析(表2)可知，各类样地土壤pH值均在6～7之间，基本为中性土壤。随土层的加深，pH值的变化不是很明显。各样地类型土壤密度整体上呈现随土层深度加深而增加的趋势。植物篱样地土壤密度较小，0～40 cm土层土壤密度均小于1 g/cm3。退耕还林样地虽然表层土壤密度为(0.98±0.27)g/cm3，但随着土层加深，土壤密度增加幅度较大，从0～10 cm至40～50 cm土层，土壤密度增幅最高达36.67%。退耕还草样地土壤密度最高，在1.17～1.40g/cm3之间。谷坊土壤密度随土层深度加深的增幅不大，整体处在1～1.4g/cm3范围内。农田土壤pH值随土层加深而升高(pH值为5.37～6.21)，非孔隙度表层与下层差异显著。0～50 cm层土壤的平均密度大小排序为:退耕还草＞退耕还林＞谷坊＞农田＞植物篱。

植物篱0～50 cm土层的总孔隙度在60%附近波动，层次间变化较小，平均总孔隙度为60.93%。但其非毛管孔隙度除表层外，表现为随土层加深而减小的趋势，减小幅度达47.65%，变化明显;退耕还林土壤总孔隙度及非毛管孔隙度均呈随土层深度加深而减少的趋势，层次间变化明显，各层平均总孔隙度为43.33%，表层与下层土壤孔隙度差异显著，0～10 cm土层非毛管孔隙度为(13.06±1.45)%，10～40 cm土层非毛管孔隙度平均值为6.36%。退耕还草样地的土壤孔隙度则是表层略高于下层土壤，除表层土壤外，10～40 cm土壤的非毛管孔隙度平均为1.66%，总孔隙度平均为45.19%。谷坊0～50 cm土层的总孔隙度、非毛管孔隙度均表现为随土层加深而递减的趋势，土壤表层与下层的非毛管孔隙度变化很大，减小幅度达54.71%，平均总孔隙度为51.78%，各层次间变化较小。农田土壤孔隙度变化规律与退耕还草地类似，但表层远高于下层土壤，10～40 cm土壤非毛管孔隙度平均值为5.21%，总孔隙度平均值为47.37%。0～50 cm土层的非毛管孔隙大小排序为:植物篱＞退耕还林＞农田＞谷坊＞退耕还草，总孔隙度排序为:植物篱＞谷坊＞农田＞退耕还草＞退耕还林。

表2 各样地土壤水分物理性质

退耕还林及农田土壤表层最大持水量较高，前者是由凋落物的积累造成的，后者是由人工经营措施造成的。除植物篱随土层加深最大持水量波动外，其它样地最大持水量基本呈随土层加深而减少的趋势。毛管持水量与最小持水量变化规律同最大持水量。最大持水量平均值排序为:植物篱＞农田＞谷坊＞退耕还草＞退耕还林。毛管持水量平均值排序:植物篱＞谷坊＞农田＞退耕还草＞退耕还林。最小持水量平均值排序为:植物篱＞谷坊＞退耕还草＞农田＞退耕还林。

2.2 土壤化学性质

2.2.1 有机质

从土壤化学性质分析(表3)可知，4种水土保持措施及农田土壤有机质质量分数整体上呈随土层加深而下降的趋势，各样地0～50 cm土层的平均有机质质量分数排序为:植物篱＞谷坊＞退耕还林＞退耕还草＞农田。植物篱样地0～10 cm 有机质质量分数为(160.14 ±15.09)g/kg，40 ～50 cm 土层与其它样地同层次相比质量分数最高，达(50.31±11.37)g/kg，下降幅度最大为36.55%，0～50 cm土层有机质质量分数平均为115.66 g/kg，各土层内变异系数在 5.34% ～22.61%之间，说明植物篱土壤有机质分布变异性较小。退耕还林0～10 cm 土层有机质的质量分数为(166.52 ±15.85)g/kg，40～50 cm土层降为(21.91±5.48)g/kg，有机质垂直变化差异极显著(F=94.166，P=0)，0～50 cm土层有机质质量分数平均为87.13 g/kg。退耕还草样地，0～10 cm土层有机质质量分数与其它样地同层相比最低，为(140.12±17.94)g/kg，40～50 cm土层有机质质量分数为(25.14±5.25)g/kg。各土层内变异系数为8.93% ～20.89%。谷坊上方淤积土壤的有机质质量分数随土层加深呈现波动式变化，0～50 cm土层平均有机质质量分数为89.84 g/kg，各土层内变异系数在2.71% ～55.01%之间，说明各土层有机质质量分数差异很大，这与谷坊上方土壤的淤积过程有关。农田表层土壤有机质质量分数最低，仅为(108.71 ±6.59)g/kg，下层逐渐降低，0 ～50 cm 土层有机质质量分数平均为66.24 g/kg。

表3 各样地土壤部分化学性质

植物凋落物的归还与分解直接影响到土壤有机质的含量，凋落物被微生物分解后会为土壤提供丰富的养分。另外，枯落物主要集中在表层土壤，因此，表层土壤有机质含量要明显高于下层。同一地区不同土地利用类型土壤有机质含量差异很大，这与土壤温度高低、植物群落组成、土壤动物和微生物种类及数量等很多因子有关。植物篱种植的紫穗槐虽然每年平茬用作饲料或编织，但由于紫穗槐本身是豆科植物，具有固氮作用，可以改良土壤、增加土壤肥力，即使每年平茬后，仍残留有一定量的枯枝落叶归还土壤，所以土壤有机质质量分数较高。退耕还林后每年有一定量的枯枝落叶归还于土壤，因此，0～20 cm土层有机质质量分数也很高。退耕还草样地主要植被类型是草本植物，由于每年的牲畜取食和践踏，有机质质量分数低于退耕还林。农田由于人为活动频繁，每年作物被收割后很少有残留物能归还土壤，因此，有机质质量分数较低，只能靠施肥来补充其养分。

2.2.2 土壤全N和水解N质量分数特征

4种水土保持措施及农田土壤全N质量分数均呈随土层加深而下降的趋势，各样地0～50 cm土层全N平均质量分数排序为:植物篱＞农田＞退耕还草＞谷坊＞退耕还林。植物篱全N质量分数较高，0～10 cm土层质量分数为(2.01±0.17)g/kg，40 ～50 cm 土层降为(0.51 ±0.13)g/kg，0 ～50 cm 土层全N质量分数平均为1.38 g/kg，各土层内变异系数在5.67% ～24.76%之间，说明植物篱样地各土层全N质量分数变异较小。退耕还草样地全N质量分数居中，0～50 cm土层全N质量分数平均为1.23 g/kg。退耕还草样地土壤全N垂直变化差异极显著(F=132.356，P=0)。退耕还林样地0～10 cm土层全N质量分数为(1.64±0.14)g/kg，40～50 cm 土层全N质量分数降为最低((0.24±0.11)g/kg)，0～50 cm土层全N质量分数平均为0.91 g/kg。退耕还林土壤全N垂直变化差异极显著(F=68.890，P=0)。谷坊上游淤积土壤全N的质量分数较低，0～50 cm土层全N的质量分数平均为0.97 g/kg，降幅较大(17.78% ～46.90%)。农田土壤全N质量分数较高，下层土壤全N质量分数迅速下降，20～50 cm土层降幅可达58.33%，但40 ～50 cm 土层((0.59 ±0.10)g/kg)与其它样地同层相比仍处于较高水平。

除谷坊样地土壤水解N呈波动式变化外，其他3种水保措施及农田样地土壤水解N质量分数均呈随土层加深而下降的趋势，且各样地40～50 cm土层水解N质量分数都在22 mg/kg附近。各样地0～50 cm土层平均水解N质量分数排序为:农田＞植物篱＞退耕还草＞退耕还林＞谷坊。植物篱样地土壤水解N质量分数较高，0～10 cm土层质量分数最高，为(204.80 ±18.58)mg/kg，40 ～50 cm 土层降为(23.47 ±9.87)mg/kg，0～50 cm土层水解 N质量分数平均为107.74 mg/kg，各土层内变异系数在0.97% ～42.05%之间，说明植物篱样地各土层水解N质量分数变异较大。退耕还草样地0～50 cm土层水解N质量分数平均为92.67 mg/kg，10～30 cm土壤水解N质量分数降幅很大(61.36%)，40～50 cm土层降为(21.43±2.48)mg/kg。退耕还林样地土壤水解N质量分数较低，0～50 cm土壤水解N质量分数降幅在38.85%附近，各土层内变异系数在5.29% ～16.97%之间。谷坊样地土壤水解N质量分数呈波动性变化，0～50 cm土层水解N质量分数平均为50.30 mg/kg，各土层内变异系数在5.01% ～22.71%之间。农田平均水解N质量分数最高，为107.84 mg/kg，0～10 cm 土层水解 N 质量分数为(195.24±31.29)mg/kg，30～50 cm土层下降幅度达54.57%。

2.2.3 土壤全P和有效P质量分数特征

4种水土保持措施及农田土壤全P质量分数总体上呈随土层加深而下降的趋势。各样地，0～50 cm土层平均全P质量分数排序为:植物篱＞退耕还草＞农田＞退耕还林＞谷坊。植物篱样地，0～10 cm土层全P质量分数为(1.47±0.12)g/kg，40～50 cm 土层降为(1.15 ±0.10)g/kg，0 ～50 cm 土层全P质量分数平均为1.26 g/kg。植物篱土壤全P垂直变化差异显著(F=3.671，P=0.043)。退耕还草样地0 ～50 cm 土层土壤全P质量分数其次，平均为0.80 g/kg，除20～40 cm土层质量分数基本不变外，其它土层下降幅度均在12%左右。退耕还林样地土壤全P质量分数较低，0～20 cm土层降幅较小(14.88%)，10 ～30 cm土层仅下降了0.013 g/kg，30 ～50 cm 土层降幅24.47%左右。谷坊样地土壤全P质量分数，0～10 cm土层最低，为(0.55 ±0.09)g/kg，40 ～50 cm 土层质量分数为(0.24±0.05)g/kg，0 ～50 cm 土层全 P 质量分数平均为 0.39 g/kg，各土层内变异系数在15.37% ～28.91%之间。农田土壤全P质量分数变化趋势平缓，各层土壤全P质量分数降幅均较小，0～50 cm土层全P质量分数平均为0.62 g/kg。

4种水土保持措施及农田土壤有效P质量分数呈随土层加深而下降的趋势。各样地0～50 cm土层平均有效P质量分数排序为:植物篱＞农田＞谷坊＞退耕还林＞退耕还草。植物篱样地土壤有效P质量分数较高，且与其它样地同层土壤相比也较高，0～10 cm 土层(164.18 ±12.04)mg/kg，40 ～50 cm 土层(36.22±6.88)mg/kg，0～50 cm 土层有效 P 质量分数平均为93.11 mg/kg。植物篱土壤有效P垂直变化差异极显著(F=72.884，P=0)。退耕还林地0～50 cm土层有效P质量分数平均为72.49 mg/kg，0～20 cm土层降幅较小，20～50 cm土层降幅为36.55%左右。退耕还草样地土壤有效P质量分数0 ～10 cm 土层最低，为(116.19 ±8.50)mg/kg，40 ～50 cm 土层质量分数为(18.05 ±9.69)mg/kg，0 ～50 cm 土层有效P质量分数平均为60.21 mg/kg，各土层内变异系数在7.31%～53.69%之间。谷坊样地土壤有效P质量分数从表层到下层急剧下降，降幅最高达68.91%，0～50 cm土层有效P质量分数平均为74.72 mg/kg。农田样地有效P质量分数居中，0～50 cm土壤有效P质量分数随着土层加深而下降幅度增大，降幅 21.07% ～51.42%。

2.2.4 土壤全K和速效K质量分数特征

4种水土保持措施及农田土壤全K质量分数整体上呈随土层加深而下降的趋势，各样地平均全K质量分数排序为:谷坊＞退耕还林＞植物篱＞农田＞退耕还草。退耕还林样地0～10 cm 土层 K 质量分数为(2.54 ±0.29)g/kg，20 ～40 cm土层质量分数明显下降，降幅为25.92%，0～50 cm土层全K质量分数平均为2.05 g/kg。植物篱土壤全K质量分数居中，0～50 cm土壤全K质量分数下降曲线连续平缓，降幅在5.35%左右。退耕还草样地0～10 cm土壤全K质量分数最低，为((1.48 ±0.38)g/kg)，40 ～50 cm 土层质量分数为(1.00 ±0.15)g/kg，0～50 cm土层全K质量分数平均为1.27 g/kg;各土层内变异系数在9.74% ～26.01%之间。谷坊土壤全K质量分数较高，且各层土壤全K质量分数相比于其它样地同层土壤都较高，0～10 cm 土层质量分数最高，为(2.55±0.47)g/kg，40～50 cm 土层降为(2.21±0.34)g/kg，0～50 cm 土层全K 质量分数平均为2.40 g/kg，谷坊全K质量分数垂直变化差异不显著(F=0.823，P=0.539)。农田全 K 质量分数较低，20～40 cm土层质量分数几乎保持不变，随后继续下降，0～50 cm土层全K质量分数平均为1.45 g/kg。

4种水土保持措施及农田土壤速效K质量分数呈现随土层加深而下降的趋势，各样地平均速效K质量分数排序为:农田＞植物篱＞谷坊＞退耕还林＞退耕还草。植物篱样地土壤速效K质量分数较高，0～10 cm土层(230.72±10.37)mg/kg，40～50 cm 土层降为(43.40 ±7.32)mg/kg，0 ～50 cm 土层速效K质量分数平均为113.05 mg/kg。植物篱速效K垂直差异极显著(F=252.307，P=0)。退耕还林样地速效K质量分数适中，0～50 cm土层速效K质量分数平均为95.74 mg/kg，各层土壤速效K质量分数下降幅度39%左右。退耕还草样地0～10 cm土壤速效K质量分数较低((172.65±19.25)mg/kg)，40～50 cm土层质量分数为(27.40±8.10)mg/kg，0 ～50 cm 土层速效K质量分数平均为84.88 g/kg。谷坊样地土壤速效K质量分数较低，0～50 cm土层速效K质量分数平均为102.84 mg/kg。农田样地速效K质量分数较高，0～50 cm土层速效K质量分数平均为127.33mg/kg，0～50cm土层降幅为17.50% ～57.53%。

3 讨论

紫穗槐是丛生豆科小灌木，叶繁茂，根系大，萌生力强，是水土保持优良树种。从牡丹江市宁安、林口等县山区多年实践经验看，凡栽植紫穗槐的农田地埂都没有被径流冲坏过，这种植物有很好的固埂保土作用［8］。有学者指出，植物篱措施产生的效益有一定的滞后性，营造初期比梯田措施效益要低，而且篱笆植物与农作物之间存在争光、争水、争肥的现象，也严重地影响了植物篱治理措施的经济效益［9］。但通过上述试验分析可以看出，具有5a历史的植物篱与其它水保措施相比物理性质及化学性质较好，N、P、K质量分数都很突出。因此，植物篱营造初期是否存在胁地效应还有待研究，但其后期的水保效果很显著。因此本文与前人得出的研究结果基本一致，在缓坡地区(坡度＜8°)甚至稍陡一些的坡耕地上，虽然植物篱占据一定的耕地面积，但并不影响农作物产量。植物篱下的耕层土壤，其酸碱度和质地得到了改善，土壤养分含量有所提高，土壤侵蚀速率远低于土壤的成土速率［10］。

谷坊上游淤积的土地上的植物长势良好，各种杂草、灌木丛生，还有少量乔木，退耕还林及还草地也在逐渐恢复相应的植被群落。由于谷坊土壤形成存在特殊性及差异性，因此各土层之间养分含量发生突变属于正常现象。由Thomas M L等［11］人的研究表明:乔木、灌木、草本植被类型与农田相比，径流和侵蚀泥沙养分流失量大大减少;这是由于一方面农田侵蚀泥沙量大于林草地，另一方面是由于坡耕地施用化肥。可见退耕还林和退耕还草的必要性。有学者指出:退耕前，土壤可蚀性对土壤侵蚀敏感性贡献较大，降雨侵蚀力作用一般;但退耕后，特别是在高敏感区及极敏感区，降雨侵蚀力作用则大大增强［12］。实施退耕还林过程中，树种的选择和合理配置对当地脆弱生态系统的恢复效果及恢复时间有较大影响［13－14］。水土保持措施的实施，不仅使径流泥沙分布发生变化，且对原有较为恶劣的局地小气候条件也有所改善，同时，由于植被覆盖度提高，降雨强度减弱，减少了水土流失，使水土资源得到充分利用，改善了土壤理化性质，增强了土壤肥力，提高了土地生产力［15］。需要注意的是，水土保持措施也应因地而异，如果水土保持措施实施不当，不仅不能起到预期的效果，还会加剧土壤侵蚀。

由于受到施肥干扰，对农田测得的养分含量不能准确地说明其自然状态，也不能明确其具体的施肥量，因此不作详细分析。从上述分析可以看出，农田的各养分元素含量虽然不是最低的，但其波动较大，主要是受施肥的影响。农耕地中间隔一定年限轮换紫穗槐植物篱的位置，可以起到类似休耕养地的作用，可以缓解施肥导致的土壤理化性质变差、土壤板结、持水能力的下降，恢复土壤养分，提高土壤养分含量，为发展可持续农业提供了可能。在条件允许的立地条件下，相比于其它水土保持措施，植物篱具有投入较低、有产出、管理相对容易等较多优点，可以作为一种水土保持模式被借鉴利用，以产生更大的生态效益。

4 结论

植物篱与其它水保措施相比，较大程度地改善了土壤理化性质。可使土壤密度减小，平均土壤密度比农田减小18.98%;持水能力升高，平均最大持水量、毛管持水量、最小持水量分别比农田增大11.93%、9.37%、15.31%。平均非毛管孔隙度比农田增加64.44%;有机质质量分数、有效P质量分数分别比农田增大74.61%、13.18%，水解N质量分数与农田相比，变化不大。植物篱具有投资较少、见效快、经营管理方便、能够改善田间小气候，并具有一定的经济效益和生态效益等诸多优点。

谷坊措施能够有效地治理侵蚀沟，拦截大量上游侵蚀下来的表层土壤，由于侵蚀沟不断被淤积使得沟底不断上升，最终成为生产用地，0～50 cm土层土壤平均最大持水量与农田相近，毛管持水量、最小持水量分别比农田增加16.90%、12.14%，平均非毛管孔隙度略比农田小。经过近20 a的淤积和拦截，侵蚀沟的发展得到了有效控制，谷坊下游侵蚀沟底与沟坡植被茂密，灌草丛生，已有少量乔木侵入。

退耕还林和退耕还草样地与农田相比，土壤理化性质改善不是很明显，这与农田每年的翻耕、中耕、施肥等人为活动影响有关。退耕还林后土壤有机质、有效P、速效K的质量分数均高于退耕还草样地，而土壤全N、水解N比退耕还草样地低。对于平均非毛管孔隙度，退耕还林＞农田＞退耕还草。由此可见，退耕还林对于土壤改良作用应该是大于退耕还草的，对于不适宜耕种的地段应采取退耕还林或退耕还草措施，以有效地保持水土，防止水土流失加剧，逐步改善生态环境。由于以上4种措施都存在一定程度的生态效益滞后性，因此，4种措施对土壤的理化性质改良作用的判断只是现阶段情况的评价。

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