典型黑土区陡坡植草水土流失防治效果研究

2019-06-14杨庆楠徐金忠李志飞侯淑艳郝燕芳

水土保持通报 2019年6期

杨庆楠, 徐金忠, 李志飞, 侯淑艳, 郝燕芳

(黑龙江省水利科学研究院水土保持研究所, 黑龙江哈尔滨 150080)

东北黑土区已成为我国最大的商品粮基地，年商品粮输出量占全国总量的1/3[1]。黑土资源由于不合理的过度开发利用，发生了严重的水土流失，导致黑土层变薄，土壤退化，沟壑纵横，其土壤侵蚀程度居世界四大黑土区之首[2]。黑土区侵蚀沟是由坡面上浅沟逐渐发育为切沟，在持续的集流汇水作用下，沟头延伸，沟岸扩张，不断发生上溯侵蚀和下切侵蚀形成的。同时在冻融作用下，侵蚀沟沟岸常发生坍塌。东北黑土区侵蚀沟多形成于坡耕地中，损毁耕地的同时，还造成大片耕地被切割成零散地块，妨碍农业生产时机械作业。侵蚀沟生态修复前需削坡，占用部分耕地，群众积极性和接受度很低，给侵蚀沟治理项目的实施增加难度[3-8]。在陡坡上建植人工草地，恢复植被，稳固沟道，是实现减少削坡占地的一项重要途径，相关研究在东北黑土区鲜有报道。本文通过1∶1.5，1∶1.2坡比2个坡度，建植7种不同草本植被下边坡的水土流失特征及其影响因素的研究，筛选出适于陡坡种植且具有较强的水土保持作用的草本植物，以期为侵蚀沟治理、水土保持植被措施配置等提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点为黑龙江省水土保持科技示范园内，地理位置位于黑龙江省宾县宾州镇城西4.5 km(E127°24′47″，N45°44′57″)，属丘陵漫岗地貌，土壤类型为白浆土，0—20 cm土壤容重1.10 g/cm3，有机质含量26.42 g/kg，全氮含量1.43 g/kg，pH值为6.07。属中温带大陆性季风气候区，多年平均降雨量590 mm，主要集中在7—9月份，其降雨量占全年降水量的70%以上，年平均温度3.5 ℃，年均日照时数为2 732 h，≥10 ℃积温2 400 ℃，年均风速3.1 m/s，无霜期128 d。

1.2 试验设置

2018年5月，在两个坡比边坡1∶1.2(39.81°)和1∶1.5(33.69°)上分别设置2 m(长)×1 m(宽)8个微型径流小区，记为A组和B组，播种无芒雀麦(Bromusinermis)、早熟禾(PoaannuaL.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)3种草种，构成7种植被配置模式，同时设置裸地小区为对照(表1)。播种前先浇水浸地，草种按照50 g/m2等重量比例混播方式进行均匀撒播，覆土0.5 cm后轻压喷水。

1.3 数据采集与处理

2018年6—9月，人工开展径流小区自然降雨水土流失监测。降雨因子采用小流域综合观测站雨量器观测，径流量和泥沙量通过径流桶收集后，人工处理测定。观测数据均为自然降雨事件，共收集到48组，912个数据，运用SPSS和Origin等软件进行数据处理分析。

表1 试验径流小区草本植被配置

注：A组为1∶1.2坡比边坡，B组为1∶1.5坡比边坡。

2 结果与分析

2.1 边坡建植草本植物的保水保土作用

降雨产流次数是产流的一个基本特征，能直观反映土壤流失的次数[9]。研究区6—9月降雨量依次为14.4，95.8，50.5和38.9 mm，观测期共监测到24次产流事件。由于是陡坡，各试验处理均同时产流，6—9月依次产流3，8，7和6次，分别占产流总次数的13%，33%，29%和25%。

2.1.1 减流作用 A组建植植被小区总径流量除A3外均高于B组建植植被小区，平均径流量A组较B组多10%。同一坡度不同植被配置间径流量差别不明显，但相较无植被裸地小区，植草小区可显著降低地表径流量，A1—A7草本配置分别减流24%，12%，28%，24%，30%，29%和32%，平均减流26%；B1—B7草本配置分别减流17%，24%，20%，26%，32%，30%和37%，平均减流27%(图1)。坡度变大，产流速度加快、历时变短，易造成降雨强度小于土壤下渗能力、土壤未达到饱和时下渗量减少，产流增多。与温永福等试验研究坡度越大、产流量越大结果相同[10]。不同草本配置径流小区中A7(B7)径流量最低，其次是A5(B5)、A6(B6)和A4(B4)，即紫花苜蓿、无芒雀麦、早熟禾三种草种混播减流效果依次优于两种草种混播、单播。

图1 两种坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕边坡不同草本配置下地表径流总量

2.1.2 减沙作用 A组建植植被小区总输沙量均高于对应B组小区，分别增加22%，64%，95%，89%，33%，107%和85%，平均增加71%。同一坡度不同植被配置间泥沙量差值较小，B组裸地小区输沙量远高于建植植被小区，B1—B7草本配置小区较裸地小区分别减沙28%，44%，59%，56%，58%，61%，59%，平均减沙52%；A组裸地小区输沙量与建植植被小区输沙量差值较小，A1—A7草本配置小区较裸地小区分别减沙13%，9%，22%，17%，44%，20%，25%，平均减沙21%(图2)。边坡坡度由33.69°(1∶1.5)增加到39.81°(1∶1.2)，植被减沙能力降低1/2以上。

1∶1.5坡比边坡小区，B3—B7减沙效果接近，以紫花苜蓿单播及两种和3种草种混播产沙量低，保土效果较好，优于无芒雀麦、早熟禾单播。1∶1.2坡比边坡，草种混播和紫花苜蓿单播产沙量低于无芒雀麦、早熟禾单播，其中无芒雀麦+紫花苜蓿(A5)减沙效果最好，产沙量明显低于其他各处理。

图2 两种坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕边坡不同草本配置下输沙总量

2.2 降雨及植被对产流和输沙的影响

2.2.1 降雨因子的影响降雨是造成土壤侵蚀的原动力[11]，降雨量、历时和平均雨强、最大30 min雨强(I30)、降雨动能(E)、降雨侵蚀力(EI30)等降雨因子直接影响降雨径流输沙的形成[12-13]。表2—3为A组和B组径流小区径流和输沙与降雨因子Pearson 相关性分析结果。

表2 试验小区径流量与降雨因子相关性分析(Pearson)

注：*表示在0.05 水平(双侧)上显著相关； **表示在0.01 水平(双侧)上显著相关。下同。

(1) 降雨因子对产流的影响。由表2可知，A1—A7和B1—B8的径流量与雨量，I30，E，EI30均呈极显著正相关，A8与雨量，EI30呈显著、与I30，E呈极显著正相关。A和B组处理与平均雨强呈正相关，与历时呈负相关，相关性较差。同寇馨月[14]等研究乌陂河、朱溪河径流深与I30显著正相关，与历时呈负相关结果一致，但与刘钦[15]研究发现径流与平均雨强呈线性相关，且R2达到0.9以上不一致。影响径流量的降雨因子主要是雨量，I30，E，EI30，A1—A7和B1—B7的相关系数大于B8。A和B试验组径流量与雨量，I30，E，EI30的平均相关系数分别高于裸地对照5%，1%，11%，20%，16%，19%，23%和34%，表明植被覆盖比地表裸露与雨量，I30，E，EI30的相关程度加大。相关系数表现为：I30>E>EI30>雨量，即I30对1∶1.5，1∶1.2坡比边坡径流量影响最大。A组和B组相比，边坡变陡时，径流量与降雨因子相关性规律较为一致，但试验组和对照组径流量与雨量，I30，E，EI30相关系数差值分别增大，说明植被覆盖在坡度变大时，对雨量，I30，E，EI30反应更为明显。

(2) 降雨因子对输沙的影响。由表3可以看出，B组输沙量与降雨因子相关性在不同草本植被配置下表现出明显差异性。

总体上，B组输沙量与降雨因子EI30相关性最高，多存在显著相关，与E显著相关较少，与I30和雨量相关系数最小，与降雨历时和平均雨强相关性最差。与姜超等[16]研究发现降雨量与产沙量显著相关有差异。B8的输沙量与雨量，I30，E，EI30每个相关系数均大于B1—B7的，平均分别大50%，39%，46%，43%，平均相关系数由大到小表现为：EI30>E>I30>雨量，EI30对输沙量影响最大。A组输沙量，除A1与雨量、I30，E，EI30输沙量呈显著正相关外，其他均呈极显著正相关。影响输沙量的降雨因子主要是雨量，I30，E，EI30，且A8的相关系数均大于A1—A7的，分别大36%，18%，33%，32%，平均相关系数由大到小表现为：I30>E>EI30>雨量，即I30对泥沙量影响最大。A组与B组相比，边坡变陡时，有植被覆盖泥沙量与雨量，I30，E，EI30平均相关系数均增大，且无植被的裸地小区输沙量与雨量、E，EI30相关系数也增大。不同坡度下降雨因子与泥沙量的相关性规律不一致，差异较大，二者关系变为复杂。

表3 试验小区泥沙量与降雨因子相关性分析(Pearson)

2.2.2 植被特征的影响植被冠层可有效截留降雨，降低其对土壤的击溅侵蚀，根系可提高土壤的抗蚀性能，是影响径流输沙量的重要因子，各小区植被盖度情况详见表4。

(1) 植被对产流的影响。径流系数可以反映降雨量被植物截流、土壤入渗和蒸发对径流量的贡献大小，可综合表达下垫面要素对径流的影响。由图3可知，1∶1.5，1∶1.2坡比边坡径流系数走势大体一致，各月份平均径流系数表现为：7月<9月<8月<6月。6—9月，草本不断生长，植被盖度逐渐提高，但并未出现径流系数降低的趋势，如上所述，产流量主要受雨强I30等影响。A组试验小区平均径流系数高于对应B组小区，坡度变陡，光、水、热条件、土壤紧实度、土壤孔隙、保水能力等都产生变化，导致草本生长发育遭受胁迫[17]，植被盖度和根系量降低，产流能力变强。6月降雨量最低，径流系数却普遍较高，且处理间径流系数值差异大，主要是由于各试验径流小区植被盖度低且差异大所致。随着植被生长，7—9月径流系数变小，各试验处理间差异也较小。是由于进入雨季，随雨量增多和气温升高，植被进入快速生长期，盖度显著提高，草本茎叶截流降雨能力增强，减少到达地面的有效雨量。同时草本根系进一步发育，吸收土壤中水分和养分，为草本地上生物量的生长提供有力保障，改良土壤理化性质，增强土壤下渗、持水能力，植被保水功能逐渐增强。7月降雨量最大，径流系数却最小，除受植被盖度提高影响，还与前期6月少雨干旱，土壤渗透性较高有关。这与辜世贤研究表明径流量受植被覆盖影响的同时，还要考虑前期土壤含水量对径流量的影响相一致[9]。试验结果显示不同草本配置下径流系数差异较小，总体上草种混合配置小区径流系数小于单播小区，A7和B7径流系数最小，其次是A5和B5。紫花苜蓿出苗早，出苗率高，能够在较短时间内覆盖地面，且植株较高，与禾本科无芒雀麦和早熟禾混播，植株高度和茎叶角度不同，形成层层交错的植被覆盖情况，有利于截流降雨。这与潘声旺等[18]研究认为植被的水土保持性能与群落的物种多样性密切相关：多样性水平越高，水土保持性能越强相一致。此外三种草本植被自身特性也存在差异，紫花苜蓿种子萌发率和对不良生长环境的适应能力强于无芒雀麦和早熟禾，在水热条件不同步条件下即开始相对较好的生长，早期植被盖度相对较高。无芒雀麦分蘖时间集中在夏秋季节，春季分蘖较少[19]，植被盖度提升时间滞后于紫花苜蓿，详见表4，且王琥等认为陡坡无芒雀麦分蘖数降低[20]。早有研究表明早熟禾在土壤紧实、通气透水性差的环境下分蘖少，植株个体较小而稀疏，植被盖度大受影响[21]。

表4 试验径流小区6-9月各处理平均植被盖度

图3 两种坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕边坡试验小区径流系数

(2) 植被对输沙的影响。6—9月根系发育程度和植被盖度不断提高，建植植被小区减沙效果显著，与已有研究表明种草和裸露坡地相比泥沙量可有效降低结果一致[22]。由图4可知，B组侵蚀模数逐渐降低，尤其7月降雨量是6月的6.7倍，侵蚀模数却大幅度下降，但不同草本配置减沙效果差异并不大。是由于进入水热同期，营养物质优先满足根系向更深土层推进的需要，使得根系在土壤中机械穿插形成根网，化学分泌和死亡腐解[21]，增强土体抗冲抗蚀性能，保土作用逐渐突显。同时根系发育促进草本地上茎叶生物量的提高，可加强机械阻挡降雨对坡面的击溅侵蚀[23]。与蔡庆等[24]研究认为植被快速生长后，土壤侵蚀量有效减少结果一致。6，8，9月A组各处理土壤侵蚀模数逐渐降低并略高于B组，7月A组土壤侵蚀模数高于其他月份，且大幅度高于B组，分析其原因可能是由于陡坡紫花苜蓿主根长度和生物量减小，侧根Ⅰ级和Ⅱ级根直径变小，锚固和加筋作用减弱，无芒雀麦和早熟禾须根数量和表面积降低，根系抗拉力和土体粘聚力降低，造成侵蚀模数偏高[25]。如上降雨因子与产沙量的分析，产沙量主要受雨强I30等影响，7月降雨量大，击溅坡面的雨强和雨量增大，侵蚀模数随之大幅增大。植被根系的充分发育直接促进草本地上茎叶繁茂，至8月，9月绝大多数处理植被平均盖度大于50%时，1∶1.2坡比边坡植草减沙效果显著增强，减沙效率甚至超过了1∶1.5坡比边坡。说明合理的植物措施配置可在1∶1.2坡比边坡起到很好的减沙作用。1∶1.2，1∶1.5坡比边坡分别A5和B6侵蚀模数最小，紫花苜蓿的直根系较长，可达到较深的次表层土壤，锚固土壤能力优于须根系一般处于土壤表层的无芒雀麦和早熟禾。豆科植物护坡效益好于禾本科植物，与刘玉花[26]、袁雪红[27]等研究结果一致。但紫花苜蓿与禾本科草种混播，横纵向形成的根系网范围大，优于另两种草种混播或单播。