土壤特性对渠道护坡植草生长状况的影响

马志林，张丽娅，杨秋贵，李虎星，陈 芳

（1.河南省水利科学研究院，河南 郑州450003；2.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州450003；3.华北水利水电大学，河南 郑州450002；4.河南科光工程建设监理有限公司，河南 郑州450003）

植草护坡是水利工程渠道边坡生态防护的主要形式，也成为渠道及堤防美化和生态建设的一项重要措施［1］。特别是南水北调中线工程总干渠长度1 277 km2，基本都是露天明渠，多为土质边坡［2］，渠坡防护主要采用工程措施＋人工植草。具体办法就是在土质边坡的岸坡和外坡面采用单体人字形预制构件拼装成六棱混凝土框格，然后在混凝土六棱体框格内撒播草种，这是南水北调中线工程应用最普遍的一种植草护坡型式［3］。植草草种以普通高羊茅Festucɑ ɑrundinɑceɑ 和普通狗牙根Cynodon dɑctylon 为主。由于干渠渠坡为挖方或填方边坡，植草土壤为人工填土，短时间内难以与原有边坡形成有机的土壤生态系统［4］，肥力和蓄水保墒能力有限，给植草生长造成影响［5］，不同渠段渠坡植草生长状况差异较大。有的渠段植草生长茂盛，盖度达80℅以上，起到了良好的绿化护坡作用；有的渠段植草生长较差，盖度较低，难以起到绿化护坡作用。解决南水北调中线工程河南段渠坡植草生长不良、植草护坡及景观效果不佳的问题十份迫切。

前人关于植草护坡以及植草护坡与土壤特性的关系多有研究。对于植草护坡的研究，多集中在植草护坡机理［6-7］、植草根系特征对普通边坡固土抗蚀［8-9］、土壤抗剪强度［10-12］、土壤侵蚀性［13］、土壤渗透性［14］等方面；植草护坡与土壤特性的关系研究主要是普通边坡草本根系分布对土壤理化性质［15-17］的影响。针对大型水利工程如南水北调中线渠坡植草与土壤特征的研究还鲜见报道。本文以河南省新郑段为例，通过对渠坡植草生长状况调查和土壤取样检测，分析不同植草生长状况土壤特性，研究土壤理化性质的变化及对植草生长的影响，为南水北调中线工程河南段植草护坡和渠道标准化管理提供科学依据。

1 概况与方法

1.1 研究区概况

研究区位于南水北调中线工程河南新郑段，属温带大陆季风型气候区，夏秋两季多东南风，炎热多雨；冬春两季盛行西北风，干燥少雨。多年平均风速2.1～2.5 m／s，最大风速20.3 m／s；全年平均气温14.4 ℃，极端最高气温42.5 ℃，极端最低气温气温－17.9 ℃，年均日照时数2 114.2 h；海拔132.06 m；多年平均降水量699.0 mm，年均蒸发量1 600 mm，无霜期210 d，区域土壤属壤质潮土，质地沙壤，历年最大冻土深度27 cm［18-19］。本文研究的植草渠坡主要是一级马道以上的岸坡和填方外坡两部分。

1.2 研究方法

1.2.1 样方选取 于2017年10月26—27日选取南水北调中线工程河南新郑段段的唐家门桥北右岸、王老庄桥北100 m 右岸、毛庄北桥北100 m 右岸、唐家门桥南100 m 右岸4个不同生长状况人工植草护坡典型渠段进行植被和土壤调查取样。并按植草生长状况划分为4个不同类型的样方［20］：盖度＞95%为长势好的唐家门桥北右岸样方SD，盖度80%～85%为长势较好的王老庄桥北右岸样方ND，盖度50%～60%为长势一般的毛庄北桥右岸样方LD，盖度＜20%为长势差的唐家门桥南右岸样方MD。4个样方渠坡均为填方边坡，优势植物种均为人工种植的高羊茅，主要杂草有小飞蓬Conyzɑcɑnɑdensis、香附子Cyperus rotundus、泥胡菜Hemisteptɑlyrɑtɑ 等。SD 为人工管理的植草试验地，高羊茅为节水型低矮品种wɑter sɑver；ND，LD，MD 均为粗放管理的样方，高羊茅均为普通品种。高羊茅为冷季型，秋季气温适宜，蒸发减少，土壤水分大，更有利于生长。

1.2.2 调查方法 对所选不同生长状况的4个典型样方进行植被调查，准确记录各个样方的地理位置、坡度、坡向、坡长、土壤类型等，详细描述记录样方特征、生境状况、植草长势及杂草状况，采用针刺法测定植草盖度，并在样方内随机选取10株草本用直尺量取株高、冠幅，取平均值。同时根据渠坡植草根系特征对4个样方进行土壤取样，每个样方随机取3个样点，采用多点混合取样法［21-22］，取样深度为10 cm 和20 cm，按上下2层取样，共取样24个。

1.2.3 分析方法 土壤取样样品带回实验室进行理化性质定量分析，测定p H 值、容重、全氮、全磷、全钾、有机质、水分、速效钾、速效磷、阳离子交换量等［23］。其中p H 值采用电位测定法；容重采用环刀法取样烘干称重法；速效磷采用硫酸钼锑抗比色法；速效钾采用火焰光度法；全氮采用重铬酸钾硝化蒸馏法；全磷采用钼锑抗比色法；全钾用火焰光度法；有机质采用重铬酸钾氧化—稀释热法。数据在Excel 2003软件中进行整理，利用SPSS21.00软件，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差法（least-significant difference，LSD）对数据进行检验，用Pearson相关系数判定因子的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同生长状况渠坡植被特征

4个不同植草样方外貌景观变化特征比较明显，不同生长状况植草盖度差别较大（如图1），植草的高度、密度、冠幅、长势等也有明显变化。长势最好、盖度最大的SD 样方植草高度低于ND 样方，是因为试验地采用了节水低矮型高羊茅品种，生长期最大观测高度平均为32.4 cm，基本符合南水北调渠坡植草高度低于30 cm 的管理要求。ND，LD 和MD 样方均为普通高羊茅品种，自然生长高度可达70 cm 以上，需要进行不定期刈割修剪，使草层高度不超过40 cm，以保持渠坡植草的均匀整齐。ND 和LD 样方除了生境等因素，由于刈割时间不同也影响了观测高度。生长好、盖度大的样方，杂草很少，优势种突出。生长最差的MD 样方高羊茅密度很低，仅5～6株／m2，均高15 cm，冠幅6～15 cm，生长期末平均盖度仍只有12.4%，杂草较多，土壤表层有1～2 mm苔藓覆盖。

2.2 不同植草生长状况渠坡土壤特征分析

2.2.1 不同植草生长状况土壤水分和容重 南水北调中线渠坡上千公里，植草面积巨大，难以保证实时灌溉，因此土壤水分及植物生长主要受天然降水制约，同时还与地面覆盖、蒸腾蒸发、坡度坡向等有关［24］。秋季土壤含水量相对比较适宜，利于植物生长。4个不同样方0—10 cm 草种根系主要分布层土壤水分含量在15.43～19.17%之间，较深层的10—20 cm 土壤水分含量在15.78～17.32%之间；同一样方中，垂直剖面上浅层和深层土壤水分含量差异不显著。由图2可以看出，不同植草盖度样方浅层土壤水分差异比较明显，4个样方中浅层土壤水分随着群落植被盖度降低而减少。与SD 样方相比，植被较好的ND、LD 样方水分含量差别不大，而与生长植被较差的MD 样方差异性较显著，说明SD，ND，LD 样方植被盖度大，蓄水保水能力较强，土壤蒸发较弱；MD 样方植被差，盖度小，土壤蒸发相对较强，蓄水保水能力弱。SD 样方由于前期进行了灌溉，所以浅层高于深层；其他3个样方均表现为深层略高于浅层或持平。

图1 4种不同生长状况渠坡植被特征

图2 不同植草盖度渠坡土壤水分和容重变化

4个样方0—10 cm 土壤容重在1.27～1.52 g／cm3之间，平均为1.37 g／cm3；10—20 cm 深层土壤容重在1.34～1.46 g／cm3之间，平均为1.38 g／cm3，浅层小于深层。平均容重均大于1.3 g／cm3，说明土壤结构较差。植被盖度不同，浅层土壤容重差异较明显，深层土壤差异较小。

2.2.2 不同植草生长状况土壤p H 值、有机质和阳离子交换量 如图3所知，渠坡0—10 cm 土壤层p H值在8.48～8.55之间，平均为8.51，10—20 cm 土壤层p H 值8.44～8.60之间，平均为8.53，不同盖度样方浅层和深层差别不大，均属6级［25］，呈强碱性，不利于氮和磷的有效利用。

图3 不同植草盖度渠坡土壤p H 值和有机质含量变化

渠坡种植土壤有机质含普遍较低。草种根系主要分布层0—10 cm 土壤有机质含量在0.16%～0.45%之间，平均为0.34%，属6级水平；10—20 cm土壤层有机质含量在0.27%～0.41%之间，平均为0.31%，属6 级水平，浅层和深层有机质均属极缺乏［25］。总体来说，浅层略高于深层（除LD 外）。不同植被盖度样方土壤浅层和深层有机质含量均存在显著差异（p＜0.05）。

由图4 可知，浅层土壤阳离子交换量（CEC）在13.03～22.02 cmol／kg 之间，平均为15.65 cmol／kg，在LD 样方出现最大值；深层在11.79～13.65 cmol／kg之间，平均为13.01 cmol／kg。CEC 值主要在10～20 cmol／kg之间，在LD 样方出现峰值，整体波动不大，说明土壤保肥能力中等，浅层略好于深层，浅层土壤CEC值存在显著性差异（p＜0.05）样方。

图4 不同植草盖度渠坡土壤阳离子交换量CEC变化

2.2.3 不同植草生长状况土壤氮磷钾含量 由图5可知，渠坡土壤全氮含量普遍较低，属极缺乏［25］，全氮含量在不同盖度样方变化不明显（仅在SD 样方深层出现最大值，可能与施肥灌溉后下渗有关）。除SD样方外，浅层全氮含量均略高于深层，和有机质含量表现基本一致［26］。浅层和深层土壤速效氮含量变化均有波动，存在显著性差异（p＜0.05）。

4个样方浅层和深层土壤全磷含量均属6 级水平，属极缺乏［25］。全磷含量在不同群落盖度变化中相对稳定（如图5）。速效磷含量浅层土壤平均值为4.09 mg／kg，属于5级水平，深层土壤平均值为2.76 mg／kg，属于6级水平；除了LD 样方外，其他3个样方速效磷含量基本稳定。LD 样方浅层速效磷含量明显高于其他3 个样方，主要原因除了全磷含量略高外，可能还与土壤较黏重有关［27］。

土壤全钾含量浅层和深层均属2级水平［25］，含量相对较高，不同植被盖度样方变化明显，深层和浅层差异均达到显著水平（p＜0.05）。速效钾含量浅层均高于深层，不同植被盖度之间浅层和深层均达到显著差异水平（p＜0.05）（如图5）。ND 和MD 样方全钾含量较高，可能与地貌和填土土质［28-30］有关；LD 和MD样方速效钾含量较高，可能与CEC值较高有关［31-32］。

2.3 土壤理化特征与植草盖度间的Pearson综合相关分析

Pearson相关分析表明，植草盖度与容重之间存在显著的负相关关系（p＜0.05），说明容重大，土壤太过板结，不利于植草生长（如表1）。有机质与全氮、全磷、速效钾之间存在极显著的相关关系（p＜0.01），与阳离子交换量之间为负显著相关（p＜0.05），其中与速效钾的相关性最大，相关系数达到0.76。即全氮、全磷和速效钾的含量随有机质含量的增加而增加，全氮与其他养分之间均存在显著或极显著的相关关系［33］。因此，渠坡植草护坡管理中，应尽量少修剪，让干枯茎叶自行腐烂于土壤，增加土壤有机质，同时试种豆科草种护坡，提高土壤固氮能力，进而改良土壤，逐步形成良性循环的草地护坡土壤生态系统。

表1 土壤理化特征与植草生长状况（盖度）间的Pearson相关关系

图5 不同植草盖度渠坡土壤氮磷钾含量变化

3 讨论

3.1 渠坡土壤理化性状与植草生长的关系

南水北调中线渠坡主要为填方或挖方边坡，渠坡种植层土壤均为人工填土，腐熟需要时间，而且为了保证水质绝对安全，绿化种植中不宜施肥，也不可使用化学除草剂和农药，人工对土壤肥力干预有限；每年频繁割草也造成了土壤养分的转移，所以渠坡种植土壤养分含量普遍过低［25］，土壤理化性能较差。

由图3可知，不同植草生长状况对土壤有机质含量有较大影响，土壤全层有机质含量总体上均随盖度增大而减小，可能跟生长旺盛的植被群落土壤环境相对较好，有机质分解较快以及土壤养分消耗较大有关。盖度小的MD 样地有机质含量较高，ND，LD 样地有机质含量较低，这与蔡晓布等［34］对藏北紫花针茅高寒草原的研究结果是一致的。可能是由于盖度大的样地植物生长旺盛，对土壤有机质消耗较高的原因。

3.2 植草生长不良的原因

南水北调中线渠坡人工种植的冷季型高羊茅是十份耐干旱耐瘠薄的草种，在非极端干旱情况下均能正常生长。SD 样地为人工管理的高羊茅试验样地，生长最好，ND 和LD 样地高羊茅密度较大，因此盖度较高；MD 样地高羊茅密度小，盖度仅有12.4%，生长不良（如图1）。可能是由于草坪建植中出苗不均、密度太小，或是因为不合理修剪、频繁刈割、留茬高度太低，加之渠坡渗水保墒能力差及长时间干旱造成的高羊茅退化［35］。

3.3 关于植草护坡管理理念

南水北调中线渠坡为大面积植草生态护坡，不必要也不可能像城市草坪那样实时修剪的低矮平整，主要应突出草被的自然景观属性和生态护坡功能，可以让人工草和杂草自然生长演替，保持一定的高度和盖度，通过一定的简单修剪措施，达到整齐美观的效果［1，36］；促进形成具有植物多样性的自然渠坡草地护坡系统，不仅能够充分发挥保温保墒和抗击雨滴激溅侵蚀的固土护坡作用，增强抗旱能力，还可以大大降低管理成本和管理难度，实现粗管理、低成本、可持续的渠坡生态绿化防护目标。

4 结论

（1）渠坡土壤秋季水分普遍较好，4不同样地土壤浅层和深层水分含量平均为16.56%和16.91%，适宜植草生长，但生长状况、盖度和外貌景观差异较大。

（2）4种不同植草盖度渠坡土壤浅层和深层p H值平均为8.51 和8.53，均呈强碱性；容重平均为1.372 g／cm3和1.377 g／cm3，土壤比较紧实；有机质平均为0.336%和0.312%，全氮平均为0.023%和0.058%，全磷平均为0.033%和0.032%，根据全国第二次土壤普查养分含量分级标准，均属6级水平，有机质、全氮、全磷均为极缺乏；只有全钾含量较高，达2级水平。盖度不同、长势差别较大的4个样地土壤理化特征具有显著性差异，但土壤质量总体较差，不利于植草生长。土壤特性对渠坡植草生长好坏影响有限，草坪建植措施不当，出苗不均，频繁刈割，留茬太低，加之渠坡长时间极端干旱也导致了部分人工植草生长不良。

（3）相关分析表明，植草盖度与土壤容重成反比，土壤过于板结不利于植草生长；有机质与全氮、全磷和速效钾之间存在极显著的相关关系（p＜0.01）。