三种禾草不同比例混播护坡植被茎叶水文生态效应研究

李 琴，王建光*，于 然，李 静，李 夺

1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.北京绿京华园林工程有限公司，北京昌平 102209)



三种禾草不同比例混播护坡植被茎叶水文生态效应研究

李 琴1，王建光1*，于 然1，李 静2，李 夺2

1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.北京绿京华园林工程有限公司，北京昌平 102209)

在半干旱地区内蒙古土默川平原哈素海环路边坡研究了无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)、冰草(Agropyron cristatum (L.)Gaertn.)和披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)不同比例混播建植护坡植被地上部分茎叶的水文生态效应。结果表明，披碱草、冰草和无芒雀麦2∶1∶1的配比组合优于其他配比组合，草层高度、地上生物量、茎叶截留量高于其他组合；其草层高度52.10cm，地上生物量干重20.37t/hm2，持水最大截留率为38.03%、最大截留量5.35mm。水土保持效益显著，是最优的护坡混播配比组合。

禾草；混播比例；护坡植被；水文生态效应

一个时期以来，伴随着各个地区公路、铁路等基础设施大规模建设，植被护坡被广泛应用。国外一般把植被护坡定义为,单独利用活的植物或者用活的植物与土木工程措施相结合,以及用活的植物与非生命植物材料相结合,进行边坡保护,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀破坏〔1〕。植被护坡分为植物地上茎叶和地下根系两个部分。Gray〔2〕将植被的功能性作用概括为茎叶水文效应和根系力学效应两方面。植物地上的茎叶是保持水土的第一道防线，茎叶将降水以薄层水膜或小水滴的形式吸附在茎叶表面，以改变和调节降水动能〔3，4〕。植物茎叶水文效应研究中,关于典型自然森林或人工乔、灌木林的冠层截留研究报道较多，护坡应用较多的草本植物水文研究相对较少。试验对无芒雀麦、冰草、披碱草不同混播比例护坡植被进行茎叶水文效应研究，旨在为北方干旱和半干旱水土流失地区进行生物工程护坡提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试草种无芒雀麦(BromusinermisLeyss.) 、冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn.)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)均为禾本科草本植物，由北京正道生态科技有限公司提供，其中无芒雀麦和冰草产地为加拿大，披碱草产地为我国青海，种子质量经测定均能满足试验要求。

1.2 试验地概况

试验地点在内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗哈素海旅游区内环湖公路20km处,北纬40°36′、东经110°58′、海拔高程988.2m,属于半干旱中温带大陆性季风气候。年均降水量介于310～380mm平均339.8mm主要集中在7、8两月,占年总降水量的55.3%。全年平均日照时数3115.5，年平均相对湿度为50%，年蒸发量为2265.7mm。由于筑路缘故，试验地土壤基本上为砾石和碎石块且伴杂有筑路残留垃圾，试验前进行了障碍物清理及种植土补换工作。边坡坡面朝向向北，坡度为20°。

1.3 试验方案

试验共分7个处理，其中包括4个不同比例混播及3个单播对照(见表1)。

表1 各个处理播量比例设计

注:Bi为无芒雀麦，Ac为冰草，Ed为披碱草；各草种代码右下角数字表示为该草种在本处理中的密度比。

Note:Bi is Bromus inermis,Ac is Agropyron cristatum,Ed is Elymus dahuricus;The lower right corner of each species code digital representation for the grass in the processing of the density ratio.

小区面积24m2(6m×4m),重复3次,计21个小区，采用随机区组排列。2013年7月13日播种,方式为人工撒播,播后用齿耙覆土(厚度约为1cm)并踩压,苗后仅进行了杂草拔除。

1.4 测试指标及方法

1.4.1 成坪速度与时间：播种出苗起至覆盖率达85%止所需天数(d)为成坪速度。在每个小区内坡上、坡中、坡下各随机设置3个1m2样方。

1.4.2 草层高度：自然状态下地面至植株顶部的平均高度。在每个小区内坡上、坡中、坡下各随机取3个样方，选10株样株进行尺量〔5〕。

1.4.3 密度:密度指单位面积上禾草的个体数或枝条数,用株/cm2或枝条/cm2来表示。采用小样方法〔6〕,在每个小区内坡上、坡中、坡下各随机设置3个20cm×20cm的样方,数取每个样方内草坪草的枝数。

1.4.4 地上生物量：测定草样的干物质量表示生物量。每小区坡上、坡中、坡下各随机选3个50cm×50cm样方,齐地面刈割样方内的茎叶体,称其鲜质量(t/hm2)，标号，装袋。将样品放入105℃的烘箱内杀青30min，再将烘箱温度降到65℃烘干至恒重。通过换算得出单位面积上茎叶干质量(t/hm2)。

1.4.5 茎叶截留效应：采用简易吸水法测定，取样方法同地上生物量,称量茎叶鲜质量后将其样品完全浸入清水中5min,轻轻取出待重力水滴尽后再称量。简易吸水法中,茎叶持水截留效应主要考虑两个指标,最大截留率和最大截留量。最大截留率是用茎叶上所吸附的水分重量与茎叶自身鲜重相除所得,最大截留量是以一单位面积上茎叶一吸附的水量折算出的水层厚度表示〔7,8〕。

计算公式： Rmax=(W2-W1)/W1×100%

Wmax=Rmax×M1/10

式中Rmax为最大截留率(%)，W1为茎叶样本吸水前重量(g)，W2为茎叶样本吸水后重量；Wmax为最大截留量(mm)，M1为单位面积上茎叶鲜质量(t/hm2)。

2 结果与分析

2.1 返青后成坪速度与时间

植被恢复初期,侵蚀控制效果与边坡植被的盖度和成坪速度密切相关〔9〕。在短时间内，草坪覆盖度大，裸露土壤小，便不易被冲刷，植被护坡效果好。

各个处理的禾草陆续于4月25日前后开始返青。每个处理禾草的覆盖度变化如图1所示。

图1 不同混播比例护坡植被的覆盖度变化

由图1可知，成坪速度最快的是Bi2Ac1Ed1处理，成坪时间37d，Bi1Ac1Ed2处理成坪速度最慢，成坪时间60d。各个处理成坪时间与速度的差异与草种的自身生物学特性有密切的联系。Bi2Ac1Ed1处理中无芒雀麦所占比例是其他两种草的1倍，通过无芒雀麦单播的情况可以看出，无芒雀麦返青略早，且前期生长迅速。单播披碱草在返青到拔节期间生长较缓慢，披碱草占比例大的Bi1Ac1Ed2处理的成坪时间较晚，前期速度较慢，后期成坪速度明显加快。

2.2 草层高度

在草坪成坪前，大部分雨水直接掉落在地面，草层的高度无法阻拦，当盖度接近成坪之后，草层高度通过改变雨滴动能状态，削弱溅蚀。

表2 不同混播比例护坡植被成坪后草层高度变化

注:表中小写字母为0.05水平下的差异显著性,大写字母为0.01水平下的差异显著性。

Note:The different small letters indicate significant (P<0.05),the different capital letters indicate extremely significant (P<0.01)

如表2显示，对7个处理进行方差分析，7个处理的比成坪初增加率有差异，Bi1Ac1Ed2处理的比成坪初的增加率最大，且到达最大草层高度时间早，Bi0Ac1Ed0处理的增加率最低，且时间晚。草层的高度差异主要源于草种的生物学特性。Bi1Ac1Ed2处理中披碱草植株高大，自然高度可达到70-160cm；冰草的植株比较矮小，自然高度在30-50cm，因此单播冰草的草层高度较低。

2.3 密度

不同草坪植物在相同的播种量和相同的生长条件下，其密度有很大的差异〔10〕。

表3 不同混播比例护坡植被成坪后草层密度

注:不同小写字母间差异显著(P<0.05水平),不同大写字母间差异极显著(P<0.01)。

Note:The different small letters indicate significant(P<0.05),the different capital letters indicate extremely significant (P<0.01)

2014年禾草返青后，随着禾草进一步成熟，密度逐渐增大，并趋于稳定，通过方差分析，如表3所示，各处理之间密度存在极显著差异；Bi1Ac1Ed2处理总密度最大，Bi0Ac1Ed0处理密度较低，草丛稀疏，有裸斑，从外观表现上就能发现与其他处理有差距。

2.4 地上生物量

6月下旬禾草进入营养生长高峰期，之后陆续抽穗扬花结实，转入生殖生长。7月初测定了各个处理植被的生物量，结果见表4。

注:不同小写字母间差异显著(P<0.05水平),不同大写字母间差异极显著(P<0.01)。

Note:The different small letters indicate significant (P<0.05),the different capital letters indicate extremely significant (P<0.01)

对地上生物量进行方差分析，处理间生物量有差异。Bi1Ac1Ed22处理的生物量高于其他处理，这是因为占比例偏大的披碱草叶片宽厚，茎叶组织含水高。

地上生物量与其成坪速度、与草层高度有着紧密的关系，且对茎叶截留也有影响。

2.5 茎叶持水截留效应

植物地上茎叶等器官承接着大部分降雨，这是植物具有固土护坡功能原因之一。通过方差分析，处理间茎叶截留有差异，如表5所示。

表5 不同混播比例护坡植被茎叶最大截留率和最大截留量

注:不同小写字母差异显著(P<0.05水平),不同大写字母间差异极显著(P<0.01)。

Note:The different small letters indicate significant (P<0.05),the different capital letters indicate extremely significant (P<0.01)

Bi1Ac1Ed2处理的最大截流率为38.03%，最大截留量为5.35mm，Bi0Ac1Ed0处理的最大截留率与最大截留量都是最低。茎叶截留效益与禾草的种类、盖度、密度、地上生物量有关系。

3 讨论与结论

植被盖度越大、密度越大，地表裸露土壤越少，就越不易被雨水或人工浇水冲刷。草层高度的作用主要是通过拦阻雨滴,改变水滴的动能状态，但只有植被接近成坪时，草层高度才可发挥优势。植被的盖度、密度、草层高度对生物量有着影响，而生物量越大，地上茎叶截留的潜能也就越大。

七个处理中，25%无芒雀麦+25%冰草+50%披碱草处理除盖度低于其他处理，其草层高度、密度、生物量、茎叶持水效应均高于其他处理。25%无芒雀麦+25%冰草+50%披碱草处理需要成坪时间60d，成坪后的植被快速生长，比成坪初的增加率是256.61%，成坪后的密度可达到1855.77株/m2，营养生长高峰期干重20.37t/hm2，在成坪速度、草层高度、密度、地上生物量的影响下，该处理的茎叶截留效益较好，最大截留率和最大截留量分别为38.03%和5.35mm。冰草的单播大部分的指标均是最低值，比成坪初的增加率是90.40%，成坪后的密度为1297.78株/m2，营养生长高峰期干重9.20t/hm2，最大截留率和最大截留量分别为25.42%和1.21mm。相比之下，25%无芒雀麦+25%冰草+50%披碱草比例组合较适宜试验地区环境。

赵金荣等运用简易吸水法研究黄土高原地区灌木树种林冠截留量表明,与常规雨量筒法相比,简易吸水法测定结果在数值上一般稍偏大(所以称其为最大截留量,是一种理论上的可能截留量),但由于此法是基于植物地上部的截留特征进行模拟,具有科学依据,因而其测定值与实际截留效应的变化趋势完全相同。简易吸水法可作为掌握地上部截留量的一种快速、有效、科学的方法〔11,12〕。

在国内，乔、灌木林冠层的截留性能有许多研究,但草本植物地上茎叶的截留效应不是很多。胡建忠等〔7〕运用简易吸水法研究祁连山退耕地植物群落的冠层截留性能,得出弃耕地杂草最大截留率约47%〔6〕；代会平等〔6〕运用同样的方法研究紫穗狼尾草和狗牙根的茎叶水文生态效应，得出紫穗狼尾草茎叶最大截留率为45.35%。试验证明，25%无芒雀麦+25%冰草+50%披碱草比例组合的最大截留率为38.03%，与前两位的研究结果相近。略有差异，原因在于植物的自身生理性质不同和生长环境不同等原因。

经过2年的试验表明，25%无芒雀麦+25%冰草+50%披碱草比例组合能快速覆盖边坡，发挥良好的护坡性能，并能达到绿化、美化的效果。

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Hydrological and Ecological Effects of Three Different Gramineous grass in Different Rates for Slope Protection

Li Qin1,WANG Jian-guang1*,Yu Ran1,Li Jing2,Li Duo2

(1.College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010019；2.Bei Jing Lv Jing Hua Gardens Limited Company,Beijing,Changping 102209)

This paper studied hydrological and ecological effects of above ground parts ofBromusinermisLeyss.,AgropyroncristatumL.Gaertn. andElymusdahuricusTurcz. planted in different rates , which were planted at Ha Suhai Tumochuan plain Inner Mongolia. Results showed thatBromusinermisLeyss.,AgropyroncristatumL.Gaertn. andElymusdahuricuswith a ratio of 2∶1∶1 composite was evidently better than others in height , above ground biomass and the holding content of stems and leaves. In details, its height was 52.10cm, its dry weight of above ground biomass was 20.37t/hm2, the maximum interception rate and amount was 38.03% and 5.35mm, meanwhile the capability of maintaining soil and water was much more effective than the others'. In conclusion, it belongs to the greater rate of grass.

Gramineous grass；Seeding rate；Solpe protection vegetation；Hydrological andecological effects

S543

A

2095—5952(2016)02—0051—07

2016-06-08

内蒙古自然科学基金(2013MS0401)；

国家自然科学基金(31460633)。

李 琴(1989-)，女，内蒙古包头市人，在读研究生，主要从事城乡绿化与植被恢复研究，E-mail:280281336@qq.com。

王建光E-mail:wangjg8580@163.com。