喀斯特地区不同茎形态植物的水土保持和养分截留效果研究

田小松，陈 龙，周瑞荣，郑杰炳

（1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室 重庆地质矿产研究院，重庆400042；2.贵州省土壤肥料研究所，贵阳550006；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆400042）

水土流失是一个世界性环境问题。近年来，有关利用生物措施和工程措施治理水土流失的研究较多，并取得了一定的成效。研究表明，植被是一种常用且有效的生物防治水土流失措施，植被对水土流失具有很好的防治效果，可固土改土，减少地表径流和土壤侵蚀量［1］，但是不同植被的水土保持作用不同［2－5］。

喀斯特地区具有生态环境变异敏感度高、异质性强、承受灾害的阈值低、环境承载力小的特点，使生态脆弱的喀斯特地区水土流失和养分流失更为突出。水土流失是喀斯特地区农业生态环境和土壤质量退化的重要表现形式之一［6］。喀斯特地区的特点决定了该地区水土流失治理的难度和复杂性［7］。贵州岩溶地貌发育非常典型。喀斯特地貌面积10.91×104km2，占全省国土总面积的61.9%。贵州省的耕地以坡耕地为主，研究表明，农耕坡地已成为水土流失的主要来源［8－9］。土壤养分流失是水体污染的重要来源［10］。

已有研究集中水土保持现状研究、农业技术措施［11－14］、生 物 措 施［15－17］和 工 程 措 施 等［18］的 保 水 固土作用等方面。研究表明，喀斯特地区预防和治理水土流失的有效措施为生物措施。但喀斯特地区水土流失防治的生物措施对象为草本植物和木本植物［15，17，19］，而不同茎形态的植物（直立茎、攀缘茎和匍匐茎植物）的水土保持效果研究尚未有专门的报道。再者，有关喀斯特地区水土保持的文献资料仅停留在保水固土的能力上，而缺少植物的保水固土能力与养分截留能力的综合研究。基于以上两点，研究不同茎形态生物措施对于喀斯特地区的坡地水土流失和养分流失的影响，旨在科学选择有效的保水保土措施，为喀斯特地区的水土保持工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于贵州省贵阳市小河区的贵州省农业科学院（26°11′N，106°07′E）内。试验区地处黔中黄壤丘陵区，平均海拔1 071m，年平均气温15.3℃，年平均日照时数1 354h左右，相对湿度75.5%，全年无霜期270d左右，年降雨量1 100～1 200mm。试验土壤为黄壤，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩残积物。试验区土壤选用的是喀斯特地貌的主要土壤类型——黄壤，表土层的基本性质为：全氮0.743g／kg，全磷0.621 g／kg，全钾11.340g／kg，碱解氮54.8mg／kg，有效磷13.2mg／kg，速效钾89.2mg／kg，pH 值5.92。

1.2 试验设计

试验小区坡度为30°，小区面积为2m×1.5m。径流小区用浆砌砖砌成并用混凝土抹面，小区侧墙高0.4m，高出地面0.1m以防止发生侧漏。在各小区的最低处设置集流池，集流池的内部尺寸为1.5m×0.1m×0.4m，集流池的底部设置出水口，各出水口设置集流桶，用来收集次降雨产生的径流和泥沙。试验设计4个处理分别为D1（薜荔）、D2（马蔺）、D3（常青藤）和D4（对照）。按照茎的形态将其分类为匍匐茎植物（D1），直立茎植物（D2），攀缘茎植物（D3）。每个处理设计3重复，共12个径流小区。12个径流小区设置在塑料大棚内。植物的种植时间为2011年9月，培养时间为2011年9月至2012年3月。在此期间，径流小区由塑料大棚封闭，并进行植物的生长繁殖，待雨季到来时将大棚拆除，其目的是为获不同茎形态植物的真实水土保持效果。根据降雨历史资料、天气预报情况和植物的生长周期，选择4—5月为采样期。

1.3 测定方法与数据分析

植被覆盖度：选择照相法，用照相机垂直径流小区拍摄相片，将照片导入AutoCAD2008软件进行估算植被覆盖度；降雨量：数据来自设在试验小区附近的气象观测站；地表径流深度：每次降雨产流后，测定集流桶内的集流深度乘以集流池底面积，除以试验小区面积；土壤侵蚀量：将集流桶中的径流充分搅匀后，立即取水样150ml，重复3次，将3个样混合，静置至澄清，将清水缓慢倒出，剩余泥沙样烘干至恒重称重，计算土壤侵蚀量。养分径流样品收集：将集流桶中的径流充分搅匀后，用聚乙烯瓶取水样1 000ml，立即送回实验室分析总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、溶解性总磷和钾。

总氮（TN）用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定；铵态氮（NH＋4－N）用纳氏试剂分光光度法测定；硝态氮（NO－3－N）用紫外分光光度计法测定；总磷（TP）、溶解态总磷（DP）先要用过硫酸钾消解，后用钼酸盐比色法。钾（K）用火焰原子吸收分光光度法测定。

参考USLE方程中植被控制与管理因子C值的定义［20］，制定了保水效应、保土效应和截留养分效应。其中，保水效应值＝1－有植被小区的地表径流深度（单次降雨）／对照小区的地表径流深度（单次降雨）；保土效应值＝1－有植被小区的土壤侵蚀量／对照小区的土壤侵蚀量；截留养分效应值＝1－植被小区地表径流的中N、P、K的流失量／对照小区的地表径流的中N、P、K的流失量。

试验数据采用SPSS 18.0软件和Excel 2010进行分析，采用SPSS 18.0软件进行图件绘制。

2 结果与分析

表1 典型降雨时的植被总覆盖度

2.1 不同植被总覆盖度

2012年4月2 8日—2012年5月18日径流小区的4场典型降雨事件的降雨量及对应时间的植被生物学特征，具体详见表1。从表1中可以看出，3种不同的植被种植模式的总覆盖度略微增加，但是植被总覆盖度总量变化不大。在4月28日—5月18日期间，D1的覆盖度在52%～53.9%之间，D2的覆盖度在62.3%～63.1%之间，D3的覆盖度为58.2%～61.1%。通过对比，三种处理的覆盖度为D2＞D3＞D1。

2.2 不同植被的水土保持效应分析

一般情况下，径流深度能够反映植被保水能力的绝对量。但是因喀斯特地区的降雨量、地形坡度和土壤条件的特殊性以及负保水效应的存在，用径流深度来表征保水能力存在一定的不确定性。而以保水效应表征植被的保水能力能够有效的减小保水的负效应和环境条件的影响，保水效应值越大表示保水能力越强。统计结果表明：3种植被呈现出不同的保水效应（表2）。其中以D2的保水能力最好，保水效应值为0.39，其次是D3和D1。三种植物都具有一定的保水能力，但是保水能力具有一定的差异性。与保水效应相似，采用保土效应能减小环境条件和消除保土负效应对保土分析的影响［21－23］，保土效应值越大表示保土能力越强。从表2可以看出，D2和D3的保土能力无显著性差别，其保土效应值为0.5，两者的保土能力均好于D1。

表2 不同茎形态植物的保水效应和保土效应

2.3 不同植被的养分截留效果分析

植被对养分的截留效果体现在植被根系和残枝枯叶对土壤表层养分的截留上。在降雨径流的驱动下，养分随地表径流迁移，同时也使养分随侵蚀泥沙而迁移。水的迁移过程制约和决定着土壤养分的迁移过程，坡面降雨—入渗—径流过程就是土壤养分迁移的过程。为了解不同植被对养分的截留效果，对径流中的N、P、K进行分析。养分截留效应值＝1－植被小区地表径流的中N、P、K的流失量／对照小区的地表径流的中N、P、K的流失量，养分截留效应值越大，截留效果越好。

图1 不同茎形态植物处理养分截留效应

从图1A和1B可以看出，不同处理对TP和DP都存在一定的截留效果。匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对TP的截留效应平均值均超过了0.5，大小顺序为匍匐茎植物＜ 攀缘茎植物＜直立茎植物，匍匐茎植物和攀缘茎植物对TP的截留效应差异不显著，平均值均为0.64，而直立茎植物的TP截留效应值相比较大。从图1B可以看出，匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对土壤表层的DP的截留效应值分为0.64，0.64，0.75。从图1C、1D和1E可以看出，匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物的不同处理对径流小区内的TN、NH＋4－N和NO－3－N都有很好的截留作用，D1、D2和D3的对径流小区内的TN的截留效应的均值分别为0.54，0.68，0.61，匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对径流小区内的NH＋4－N的截留效应均值分别为0.64，0.53，0.45，匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对径流小区内的NO－3－N的截留效应的均值分别为0.86，0.78，0.83；对比可知，三种不同茎形态植物处理对径流小区内的NO－3－N截留作用明显好于对TN和NH＋4－N的截留作用。从图1F可以看出，不同茎形态植物对径流小区内的K都有一定的截留作用，截留效应值在0.4～0.6之间。总体来看，三种茎形态植物对TP和TN的截留效果排序为匍匐茎植物＜ 攀缘茎植物＜直立茎植物；匍匐茎植物、攀缘茎植物和直立茎植物对溶解态的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果较好。

2.4 不同茎形态植物水土保持效应与养分截留效应相关性分析

为了解保水固土能力与养分截留作用之间的关系，证实养分的输出是以水作为动力，土壤作为载体，对保水固土效应与养分截留效应之间的相关性进行分析，结果详见表3。从表3可以看出，保水效应和保土效应都与养分截留效应存在极显著相关性（P＜0.01）；不同茎形态植物对TP、DP、TN、NO－3－N、NH＋4－N和K的截留效应均为正相关，相关系数＞0.698＊＊。

3 讨论与结论

植被覆盖度是衡量水土流失的一项重要指标。植被覆盖度与径流量和土壤侵蚀量呈负相关关系，即植被覆盖度越大，径流量和土壤侵蚀量越小［4，24］。从植被的水土保持效应来看，直立茎植物的水土保持效果较好。直立茎植物选择的是草本植物，其根系发达，有效增加了土壤的孔隙度，防止土壤板结，有利于降雨下渗［25］；此外，直立茎植物的覆盖度最大，覆盖度越大，减弱降雨的冲刷能力就越强，径流量越小。植被的枝叶量越大，对降雨的拦蓄能力就越强［26］。一般情况下，发达的根系和高覆盖度能很好地减少降雨径流对地表的冲刷能力［27］，并能够提高土壤的渗透性能［28］。本试验3种植物的水土保持效应在0.5～0.6之间，其对应的覆盖度在52%～63%之间。有关人工草地盖度对产流产沙影响的研究表明，当植被盖度在20%～40%时，减沙效益为54%～79%；植被盖度为60%～80%时，减沙率为77%～95%［29］。张光辉等［30］研究表明：土壤侵蚀量随着草地植被的覆盖度的增大呈指数下降趋势，认为70%的植被覆盖度可以作为实验条件下的有效植被覆盖度。有研究表明［31］，匍匐茎植物（薜荔）在70%的覆盖度对应的保水、固土能力分别为0.65和0.58，攀缘茎植物（常青藤）在58%的覆盖度对应的保水、固土能力分别为0.66和0.64，与本试验结果一致。

匍匐茎植物和攀缘茎植物生长缓慢，植被覆盖度小，根系不发达，致使降雨对表层土的冲刷能力较大，土壤侵蚀能力强，为养分的迁移提供的充足的动力；而直立茎植物的根系和覆盖度较大，消减了降雨的冲刷能力，从而减弱了营养物质输出的动力。匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对土壤表层的TP、TN的截留效应随持续雨季的影响呈现增加的趋势。其原因可能是随着降雨的持续，表层养分已伴随持续降雨逐渐流失，致使表层土中的养分含量降低，从而减少了表层土磷素迁移的可能性。有研究表明，土壤养分流失随时间推移，泥沙中平均养分含量逐渐降低［32］。不同茎形态植物措施处理的径流小区对溶解态的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果较好，其原因可能是DP、NO－3－N和NH＋4－N更容易被植被吸收和利用，致使径流小区表层土中可供迁移的溶解态营养成分含量减少。有研究表明，径流中颗粒态养分含量随降雨侵蚀力增大而增大，而溶解态养分含量与降雨侵蚀力无明显相关［33］，雨强较大时，土壤养分流失以泥沙携带为主，雨强较小时，以径流携带为主［34］。保水固土能够有效地控制养分流失，控制水土流失是控制养分流失的有效途径。有研究表明：侵蚀泥沙是养分流失的主要载体，氮磷流失的60%以上是通过泥沙带走的［35］，养分流失量以径流泥沙为载体［36］。

匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物的水土保持效应明显，保水效应分别为：0.31，0.39，0.30；固土效应分别为0.45，0.50，0.50。匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物的养分截留效果明显，但对不同营养成分截留效果差异较大。匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对TP和TN的截留效果排序为匍匐茎植物＜ 攀缘茎植物＜直立茎植物。匍匐茎植物、直立茎植物和攀缘茎植物对溶解态的养分截留效果明显，其中DP的截留效果分别为0.64，0.64，0.75；NO－3－N的截留效果分别为0.86，0.78，0.83；NH＋4－N的截留效果分别为0.64，0.53，0.45；K 的截留效果分别为0.54，0.56，0.58。保水效应和保土效应与不同养分截留效应存在着显著性相关（P＜0.01），保水固土是控制养分流失的有效途径。

［1］ 李鹏，李占斌，张兴昌.草灌植被拦蓄径流和泥沙有效性研究［J］.水土保持学报，2002，16（1）：32-34.

［2］ 孙铁军，刘素军，武菊英，等.6种禾草坡地水土保持效果的比较研究［J］.水土保持学报，2008，22（3）：158-162.

［3］ 米艳华，潘艳华，沙凌杰，等.云南红壤坡耕地的水土流失及其综合治理［J］.水土保持学报，2006，20（2）：17-21.

［4］ 刘斌，罗全华，常文哲，等.不同林草植被覆盖度的水土保持效益及适宜植被覆盖度［J］.中国水土保持科学，2008，6（6）：68-73.

［5］ 王川.人工牧草种植对坡地水土流失的影响［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2009：1-39.

［6］ 杨明德.论喀斯特环境的脆弱性［J］.云南地理环境研究，1990，2（1）：21-29.

［7］ 熊康宁，黎平，周忠发.喀斯特石漠化的遥感GIS型研究：以贵州省为例［M］.北京：地质出版社，2002.

［8］ 林昌虎，朱安国.贵州喀斯特山区土壤侵蚀与防治［J］.水土保持研究，1999，6（2）：109-113.

［9］ 林昌虎，解德蕴，涂成龙，等.贵州山区坡耕地综合利用与整治［J］.水土保持研究，2004，11（3）：211-213.

［10］ Kuylenstierna J L，Bjorklund G，Najlis P.Sustainable water future with global implications：everyone′s re-sponsibility ［J］.Natural Resources Forum，1997，21（3）：181-190.

［11］ 蒋太明，陈旭晖.耕种方式对黄壤旱耕地绿肥生长发育和土壤水分的影响［J］.贵州农业科学，1993，5（3）：33-36.

［12］ 张兴奇，詹可志.论农村能源建设在贵州喀斯特山区水土保持中的作用［J］.中国水土保持，2008（11）：19-21.

［13］ 陈旭晖，周长华，周丕东，等.生物梯化的水土保持措施效应研究［J］.水土保持研究，1998，5（2）：163-167.

［14］ 王济，王世杰，陈曦，等.旱坡地水土保持耕作技术应用的研究［J］.西南农业大学学报：自然科学版，2003，25（6）：530-534.

［15］ 罗海波，钱晓刚，刘方，等.喀斯特山区退耕还林（草）保持水土生态效益研究［J］.水土保持学报，2003，17（4）：31-34.

［16］ 刘超，刘济明，蒙朝阳，等.竹类在水土保持中的作用—以小蓬竹为例［J］.现代农业科技，2009（14）：276-278.

［17］ 周素萍，张兴奇，张科利，等.贵州喀斯特地区不同生物措施的水土保持效果［J］.贵州农业科学，2011，39（4）：127-130.

［18］ 罗林，胡甲均，姚建陆.喀斯特石漠化坡耕地梯田建设的水土保持与粮食增产效益分析［J］.泥沙研究，2007（6）：8-13.

［19］ 夏锦慧，陈旭晖，王文华.施肥对香根草篱长势及护土效果的影响［J］.贵州农业科学，2002，30（5）：31-32.

［20］ 彭绍云，顾祝军，修平.南方红壤试验小区乔灌草多年水土保持效应比较［J］.水土保持研究，2013，20（1）：25-29.

［21］ 苏均和.Duncan多重比较及数据补缺法及其应用［J］.上海统计，2003（3）：23-24.

［22］ 顾祝军.水蚀区“林下流”发生机理与植被恢复度的遥感监测研究［D］.南京：中国科学院南京土壤研究所，2008.

［23］ Kinnell P I A.Event soil loss，runoff and the universal soil loss equation family of models：a review ［J］.Journal of Hydrology，2010，385（1）：384-397.

［24］ Xu X L，Ma K M，Fu B J，et al.Influence of three plant species with different morphologies on water runoff and soil loss in a dry-warm river valley，SW China［J］.Forest Ecology and Management，2008，256（4）：656-663.

［25］ 字淑慧，吴伯志，段青松，等.非洲狗尾草防治坡耕地水土流失效应的研究［J］.水土保持研究，2006，13（5）：183-185.

［26］ 杨吉华，武善举，王彭，等.葛藤保持水土效益的研究［J］.山东林业科技，1990（4）：37-40.

［27］ 范淑英，吴才君.野葛对红壤坡地水土保持和改良土壤效应的研究［J］.水土保持学报，2004，18（1）：141-143.

［28］ 谢颂华，郑海金，杨洁，等.南方丘陵区水土保持植物措施减流效应研究［J］.水土保持学报，2010，24（3）：35-38.

［29］ 曾伯庆，马文中，李俊义，等.人工草地植被度对产流产沙影响的研究［C］∥晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集.北京：水利电力出版社，1990.

［30］ 张光辉，梁一民.模拟降雨条件下人工草地产流产沙过程研究［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1996，10（3）：56-59.

［31］ 张朝阳，许桂芳，周凤霞，等.10种藤本植物边坡水土保持效应研究［J］.中国水土保持，2008（10）：39-41.

［32］ 陈磊，李占斌，李鹏，等.黄土高原人为加速侵蚀下水土与养分流失耦合研究［J］.水土保持学报，2011，25（3）：7-11.

［33］ 徐泰平，朱波，汪涛，等.不同降雨侵蚀力条件下紫色土坡耕地的养分流失［J］.水土保持研究，2006，13（6）：139-144.

［34］ 马琨，王兆骞，陈欣，等.不同雨强条件下红壤坡地养分流失特征研究［J］.水土保持学报，2002，16（3）：16-19.

［35］ 唐春霞，姚军，何丙辉.紫色土坡耕地磷素径流流失特征分析［J］.西南师范大学学报：自然科学版，2010，35（6）：1028-1033.

［36］ 刘佳，范昊明，周丽丽，等.春季解冻期降雨对黑土坡面侵蚀影响研究［J］.水土保持学报，2009，13（4）：64-67.