不同植物带地埂土壤抗侵蚀效果研究

刘明义，许晓鸿，刘艳军，隋媛媛，张 瑜，王永丰

(吉林省水土保持科学研究院，吉林长春 130033)

坡耕地是我国重要的耕地资源。长期以来，对坡耕地整治的研究得到了水保界的广泛重视［1－3］，朱显谟曾指出，植物是防治水土流失最有效和最根本的措施［4］。地埂植物带是指在坡耕地上沿等高线横向等距离培修的土埂上种植灌木或草本植物，以截短坡长、调蓄径流、防止坡耕地水土流失的治理措施［5］，是我国北方地区应用广泛的一种防治坡耕地水土流失的有效措施，也是东北地区复合农林业种植的一种形式。由于种种原因，目前国内外对地埂植物带研究得较少，相关的研究多集中在等高植物篱和农林复合经营等方面［6－10］。实践证明，针对东北低山丘陵漫岗区坡耕地坡面长、坡度小及土壤疏松的特点，地埂植物带能起到明显的防治水土流失的效果，对坡耕地土壤肥力的改善和粮食产量的提高具有重要作用。

地埂植物带将坡耕地治理中的工程措施与植物措施结合起来，可以起到保持水土的作用。地埂植物带自身的抗蚀性和稳定性对坡耕地水土流失防治效果具有重要的影响［11－12］。本研究通过对不同植物地埂植物带上植物生长状况的调查及土壤物理化学指标、土壤崩解速率的测定与分析，研究不同植物措施下地埂植物带的抗侵蚀效果，旨在加深人们对地埂植物带在坡耕地治理中作用的认识，更加有效地推进这一措施在东北低山丘陵区水土流失防治中的应用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省东辽县杏木小流域，地处长白山余脉的东辽河流域上游，属于典型的东北低山丘陵区，地理坐标为东经 125°22'40″—125°26'10″、北纬 42°58'05″—43°01'40″，属寒温带半湿润大陆性季风气候，年均气温5.2℃，最高气温38℃，最低气温－40℃，年有效积温2 700～2 800℃，≥10℃的积温2 900℃，年均无霜期137 d，年均日照时数2 497.9 h。据辽源市水文站50年的观测资料，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 试验方法

试验在杏木小流域坡耕地上进行，平均坡度为8°，坡耕地上种植的作物为玉米，选择立地条件基本相同的坡耕地下部3个地埂植物带作为研究对象，地埂顶宽60 cm，埂高52 cm，埂上种植的植物为黄花菜(Hemerocallis citrinaBaroni)和红小豆(Vigna angularis)，均为适合东北地区生长的作物，且红小豆具有较高的经济价值。种植方式为黄花菜单种、红小豆单种及黄花菜与红小豆混种，每条地埂上均种植3行植物，株行距均为20 cm，其中黄花菜为每穴2株，成活率均在95%以上。

根据地埂植物带立地条件的特殊性，本研究采用样线法进行植物调查，即在各种不同地埂植物带内选择长势良好、较为平直的地段设10 m样线，调查样线范围内地埂上所有植株的高度、冠幅、地上生物量，取其平均值，并测量地埂植物带上的植物盖度。植物根系特征的调查采用整株挖掘法，即在各地埂植物带的样线范围内，分别将长势相近的2株植物地上部分剪下，并将其根系完整挖出，测量分析根深及根的生物量。

分别沿所选3种植物带地埂取土壤剖面，每种地埂取3个剖面，按0—20、20—40和40—60 cm分3层取样测定土壤物理、化学指标，按0—5、20—25和40—45 cm分3层取样测定土壤崩解速率，并以各种地埂上无植物覆盖的裸埂为对照同样分3个相同层次进行取样，进行土壤物理、化学指标及崩解试验的测定与分析。

1.3 测定项目与方法

(1)植物生长情况调查。植物株高、冠幅、根深、根幅及地埂植物带盖度，采用样线法和钢卷尺测量［13］;植物鲜重采用天平直接称量;植物干重的测定，是将鲜样先在105℃温度下杀青，然后在65℃下烘干至恒重，再采用万分之一万天平进行测定。

(2)土壤物理、化学性质测定。土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤水分采用烘干法测定，土壤有机质采用硫酸重铬酸钾法测定［14］。

(3)土壤崩解速率测定。土壤崩解速率采用静水崩解法进行测试［15］，试验仪器为根据崩解试验原理自制的测试设备，每隔30 s观测一次读数，试验观测最长时间为30 min。土壤崩解速率计算公式为

式中：B为崩解速率，cm3/min;S为浮筒底面积，cm2;γ为土壤容重，g/cm3;l0、lt分别为崩解开始(已放土样)的浮筒刻度初始值和某时刻t的读数，cm;t为土样完全崩解的时间，min，未完全崩解计为30 min。

2 结果与分析

2.1 不同地埂植物带植物生长状况

表1是不同地埂植物带植物生长情况。由表1可知，黄花菜地埂植物平均株高48 cm，冠幅50 cm，根深28 cm，根幅35 cm，地下部分鲜重和干重分别为31.17 g和10.643 g，均高于红小豆地埂植物，但红小豆地埂植物的地上生物量和盖度要明显高于黄花菜地埂，红小豆鲜重和干重分别为225.07 g和36.765 g，地埂上植物盖度高达60%，为黄花菜地埂植物盖度的6倍。以上分析说明：①红小豆地埂植物带地上部分比黄花菜生长茂密，具有较好的植被盖度，而黄花菜根系为根端膨大的肉质根，比红小豆根系粗壮，能够贮存更多的水分供植物吸收利用。②在黄花菜与红小豆混种的地埂植物带上，黄花菜和红小豆的生长状况均好于单种植物的地埂植物带，两种植物地上和地下生物量明显提高，地埂植被盖度达到45% ～50%，几乎是黄花菜地埂植物盖度的5倍，且植物根深和根幅均比单种植物的地埂植物带大，说明红小豆和黄花菜混种能够明显地促进地埂植物地上和地下部分生长，提高植物生物量及盖度。之所以出现这种情况，一方面可能是红小豆作为豆科植物，根瘤固氮菌能够为两种植物提供N素作为养分;另一方面主要是由黄花菜特殊的生物外观决定的，其枝叶犹如天然的集水槽，使降水可沿其枝叶汇集于根部，为植物生长提供充足的水分。同时，植物冠层和枯枝落叶能够对雨水起到截留和阻滞作用，根系能够对土体起到盘绕和固结的作用，因此红小豆与黄花菜混种植物比单种植物能够发挥更好的护埂和固埂作用。

表1 不同地埂植物带植物生长情况

2.2 不同植物带地埂土壤物理、化学性状

土壤容重和孔隙度是反映土壤结构紧实度及保水保土性能的重要指标，土壤容重越小孔隙度越大，其通气透水性越好，保水抗蚀性能就越强。由表2可知，不同植物带地埂土壤容重均随土层深度的增加而逐渐增大，孔隙度随土层深度的增加而逐渐减小，其中：黄花菜地埂土壤容重最小，0—20、20—40和40—60 cm 土层分别为1.02 、1.07 和1.10 g/cm3，孔隙度最大，分别为61.51%、59.62%和58.49%;黄花菜与红小豆混种植物带地埂相应土层土壤含水量最高，自上而下分别为8.05%、9.90%和11.36%;无植物覆盖的裸埂各土层土壤容重最大，自上而下分别为1.05、1.15 和 1.19 g/cm3，孔隙度最小，分别为56.01%、53.96% 和 52.08%，含水量最低，分别为 6.54%、6.93%和8.91%。以上分析说明，与对照裸埂相比，3种地埂植物带均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤渗透能力和蓄水保肥能力，但不同地埂植物带对土壤通气透水性能改善的效果不同，黄花菜根系最为粗壮，土壤孔隙度最高，黄花菜和红小豆混种植物地埂土壤含水量最高，保水抗蚀性能最强。

表2 不同地埂类型土壤理化性质

土壤有机质是土壤结构形成及稳定的核心物质，主要来源于土壤微生物、土壤动物及其分泌物和植物残体及植物分泌物。土壤有机质与土壤结构性、通气性、渗透性、吸附性及缓冲性密切相关［16］，有机质含量的增加能够改变土壤胶体性状，增强土壤吸附能力及持水保水能力。由表2可知，在所研究的3个不同土层中，黄花菜、红小豆、黄花菜与红小豆混种3种不同地埂植物带的土壤有机质含量均高于裸埂，其中黄花菜与红小豆混种下的土壤有机质含量最高;在不同植物措施下，土壤有机质含量基本上随土层深度的增加而逐渐减少，其中黄花菜与红小豆混种植物带地埂20—40 cm土层土壤有机质含量最高，达7.88%，这主要是由于黄花菜与红小豆根系集中分布在该层(表1)，2种植物混种能够促进彼此根系的生长，增加有机质来源，从而提高土壤中有机质含量，增强土壤的保水抗蚀性能。以上研究结果表明，黄花菜与红小豆混种植物带能够更好改善土壤物理、化学性状，增强土壤抗蚀性能。

2.3 不同植物带地埂土壤崩解速率

土壤崩解速率指单位时间内崩解掉的原状土样的体积，它是用来衡量土壤的抗崩解性能，反映土壤的抗蚀抗分散特性，评价土壤抗蚀性的综合指标之一［17］。对不同植物带地埂0—5、20—25和40—45 cm土层土壤崩解速率测定的结果见表3。由表3知：土壤崩解速率随土层深度的增加而增大，原因主要是随着土层深度的增加土壤容重逐渐增大，孔隙度和有机质含量降低，土壤保水抗蚀性降低，并且随着土层深度的增加，土壤中植物根量在不断减少，土壤抵抗水体的分解和破坏能力降低，加快了土壤崩解;不同植物带地埂在所研究各土层中崩解速率表现为黄花菜与红小豆混种＜红小豆＜黄花菜＜裸埂，说明黄花菜与红小豆混种的植物带地埂土壤抗崩解性能最强，其土壤抗蚀性要优于红小豆和黄花菜单种植物条件下的土壤。分析其原因，可能是黄花菜与红小豆混种能够促进两种植物地上和地下生物量的增加，降低雨水对地埂土壤的直接击溅和冲刷，保护地埂免遭损毁，有利于改善土壤物理、化学性质，加强了植物根系对土壤的缠绕与固结，从而增强了土体抗侵蚀性能。这与本文中对植物带地埂植物生长状况及地埂土壤物理、化学性质的分析结果是一致的。

表3 不同植物带地埂土壤崩解速率

表4中方差分析结果表明：在总的变异均方中土层深度因素所带来的均方所占比重最大，其次为植物种类因素及两因素的交互作用，并且均表现出极显著差异，说明植物种类和土层深度2个因素能够显著影响土壤崩解速率，不同植物对植物带地埂抗蚀性能具有显著影响;黄花菜与红小豆混种与该两种植物单种相比，能够显著地提高土壤抗蚀性能，提高地埂稳定性，更加有利于地埂植物带发挥保持水土的作用，是适合东北低山丘陵区坡耕地水土流失防治的好措施。

表4 地埂土壤崩解速率差异的显著性分析结果

3 结论

(1)黄花菜植物带植物根系粗壮，红小豆植物带地上部分生长情况较好，在地埂上实行黄花菜与红小豆混种，能够促进植物地上和地下部分生长，提高地埂盖度，增强护埂固埂作用。

(2)不同植物带地埂土壤容重随土层深度的增加而增大，土壤孔隙度、含水量和有机质含量随土层深度的增加而降低，其中黄花菜与红小豆混种植物带有机质含量在20—40 cm土层最高，原因主要是2种植物根系集中分布在该层，根系及其分泌物能够增加土壤中有机物质来源。

(3)黄花菜、红小豆及黄花菜与红小豆混种植物带地埂土壤孔隙度、含水量及有机质含量均高于对照裸埂，土壤容重低于裸埂，3种地埂植物带均能改善地埂土壤的通透性，提高土壤渗透及蓄水能力;不同植物对地埂土壤性质改善的效果不同，黄花菜地埂土壤孔隙度最好，黄花菜与红小豆混种地埂土壤保水保肥、抗蚀性能最强。

(4)不同植物带地埂土壤崩解速率随土层深度的增加而增大，黄花菜与红小豆混种植物带地埂土壤抗崩解性能要优于单种的黄花菜、红小豆地埂及裸埂，土壤抗蚀性最强。方差分析结果表明，不同地埂植物带对土壤抗蚀性具有显著影响，黄花菜与红小豆混种植物带地埂土壤抗蚀性高于裸埂及2种植物单种的情况，其固埂作用显著，是适合东北低山丘陵区坡耕地水土流失综合防治的良好措施。

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