秸秆覆盖对黑土区侵蚀沟植被恢复和固土的作用

张 瑜， 刘 肃， 徐子棋， 崔 斌

(吉林省水土保持科学研究院, 吉林 长春 130033)

中国东北黑土区总面积1.03×106km2，该区域土壤肥沃，土质疏松，有利于耕作，且地力较高，是中国主要的粮食生产区域之一[1-3]。由于人类不合理的开发利用，该区域水土流失面积不断扩大，程度不断加剧[4]。沟蚀是东北黑土区主要的水土流失形式之一[5]。近年来，该区域侵蚀沟数量不断增加，程度不断发育[4]。第一次全国水利普查数据显示，东北黑土区侵蚀沟数量为2.96×105条，且该区域沟蚀发育迅速，2006—2012年增加了4.00×104余条[2]。沟蚀不仅降低土壤质量，严重侵占、切割了农耕地，影响农业生产，而且严重地影响了该区域生态结构、功能[1,4]。因此，由于水力侵蚀生态破坏的严峻性及其对农业可持续发展的影响，黑土区侵蚀沟的防治成为近年来研究的热点[1,3]。

秸秆覆盖是一种水土保持耕作核心技术，其可以减少水力侵蚀，增加入渗，改善土壤理化性状，并能够提高土壤有机质含量[6-8]。多位学者通过室外和室内试验相结合，研究了不同土壤类型坡耕地秸秆覆盖的水土保持效果[9-11]。前人通过室内试验和室外试验研究了不同土壤类型区(黑土区、黄土区、紫色土区和红壤区等)坡面秸秆覆盖对水土流失、养分流失、水力学特征等方面的影响[6,7,12-17]。徐锡蒙等[18-19]，覃超等[20]，温磊磊等[8]进行室内模拟试验研究了秸秆覆盖对黄土区沟蚀的影响。严坤等[21]对三峡库岸秸秆覆盖的水土保持作用进行了分析。朱高立等[22]在室内模拟降水条件下研究了秸秆覆盖对水蚀崩岗的治理效果。然而室外试验条件下秸秆覆盖对黑土区沟蚀及侵蚀沟植被恢复影响的研究却鲜有报道。

本研究通过野外试验，研究了秸秆覆盖对黑土区侵蚀沟岸土壤水、热、植被生长和水土流失的影响，以期为秸秆覆盖在侵蚀沟植被恢复、水土流失防治应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

项目区位于吉林省东辽县杏木国家级水土保持科技示范园区内，地理坐标为东经125°22′40″—125°26′10″，北纬42°58′05″—43°01′40″。该区域属中温带半湿润大陆性季风气候，年均气温5.2℃，有效积温2 700～2 800 ℃，最高气温38 ℃，最低气温-40 ℃，年均无霜期137 d，年均日照时数2 497.9 h。年最大降水量911.0 mm，年最小降雨量410.6 mm，年均降水量658.1 mm，土壤类型以暗棕壤为主。

1.2 试验布设

试验布置于园区内一条东西走向侵蚀沟的沟岸之上。于2017年4月初对侵蚀沟两侧各20 m沟岸进行整形后，形成坡度为15°，坡长4 m的直线型坡面。进行刨毛坡面表层土后，在整个坡面均匀撒播苜蓿(Medicagosativa)草籽，播种量18 kg/hm2。在阴坡(南坡)和阳坡(北坡)各10 m长度范围撒播草籽的坡面铺盖由干玉米秸秆横向编织成的草帘，施用量为3 000 kg/hm2，利用U型钢丝打入土内固定。其余阴坡和阳坡两侧各10 m坡面利用铁锹人工夯实，不做秸秆铺盖。在阳坡秸秆覆盖处和无秸秆覆盖处离坡底1.5 m处分别设置一个1 m×1 m的径流小区，四周用30 cm高的铁皮围起来，小区右下角铁皮开孔并挖坑放置一个水桶用来接收径流。

1.3 测定指标

土壤含水量、土壤温湿度的测定采用中国赛亚斯公司生产的SYS-TDR200型土壤水分温度速测仪(探针长度6 cm)。土壤温度和湿度分别在阳坡、阴坡秸秆覆盖处和无秸秆覆盖处的坡上、坡中和坡下测定，并取平均值。从2017年5月30日至9月30日，每月15日和30日的14:00进行测定。

苜蓿株高和主根长测定在分别在阳坡、阴坡秸秆覆盖处和无秸秆覆盖处各选择10株长势具有代表性的植株，用卷尺进行测定，精确到0.1 cm。苜蓿株高在2017年5月20日至9月27日每10 d测定一次。主根长于6月30日，7月30日，8月30日和9月30日测定一次。苜蓿的地上、地下部分鲜重于9月30日在阳坡、阴坡秸秆覆盖处和无秸秆覆盖处各挖区10株长势具有代表性的苜蓿用天平称重(10株占地投影面积约100 cm2)，精确到0.01 g。

产流降水量和降水时间用DL16 WMO寒旱极地气象站进行观测，从2017年4月初开始，观测到9月30日。平均雨强计算公式：

平均雨强=降水量/降水时间

(1)

径流结束后，对小区径流手收集桶内的径流体积进行称量，之后静置1d，倒掉上清液并用烘箱105℃烘至恒重，称量泥沙重。

1.4 数据处理及分析

利用Excel进行数据整理及图、表绘制，利用SPSS 17.0进行方差分析(ANNOVA单因素方差分析Duncan法)、相关分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖对侵蚀沟岸土壤水热状况影响

由图1a可知，本研究侵蚀沟在整个观测过程中阳坡的土壤含水量都低于阴坡，且同坡向秸秆覆盖处土壤含水量高于无秸秆覆盖处。阴坡秸秆覆盖提高土壤含水量1.8%～6.8%，阳坡秸秆覆盖提高土壤含水量1.1%～4.0%。由图1b可知，同处理时，阳坡14:00时土壤温度高于阴坡，同坡向时，秸秆覆盖处14:00土壤温度低于无秸秆覆盖处。阴坡秸秆覆盖降低14:00土温0.6～3.1 ℃，降低14:00土温0.9～3.6 ℃；这说明：秸秆覆盖能够保持、提高土壤含水量，且能降低14:00的土壤温度。因此，秸秆覆盖更有利于为侵蚀沟两岸植被供应水分，并利于降低14:00高温对植被的伤害，使土壤环境更有利于植物生长。

图1 秸秆覆盖对侵蚀沟土壤水热状况影响

2.2 秸秆覆盖对侵蚀沟岸苜蓿生长及生物量积累影响

苜蓿株高和主根长生长特征见图2。由图2可知，苜蓿在生长期内的生长速度总趋势为“慢—快—慢”，速生期是2017年6月19日至8月8日，速生期内阳坡覆盖、阳坡无覆盖、阴坡覆盖和阴坡无覆盖的株高生长量分别占生长季总生长量的55.33%，60.10%，57.23%，59.72%。6月9日开始，同坡向时，覆盖处理的苜蓿株高显著大于无覆盖处理(p<0.05)，同处理时，阳坡苜蓿株高显著大于阴坡苜蓿株高(p<0.05)。例如，8月8日时，阳坡覆盖苜蓿株高是阳坡无覆盖株高的119.25%，阴坡覆盖苜蓿株高是阴坡覆盖苜蓿株高的140.33%。整个生长过程同坡向时，覆盖处理的苜蓿主根长显著大于无覆盖处理(p<0.05)，同处理时，阳坡苜蓿株高显著大于阴坡苜蓿主根长(p<0.05)。例如，9月30日时，阳坡覆盖苜蓿主根长是阳坡无覆盖的115.99%，阳坡覆盖苜蓿主根长是阴坡覆盖的150.86%。同坡向时，覆盖处理的苜蓿地上、地下鲜重显著大于无覆盖处理(p<0.05)，同处理时，阳坡苜蓿株高显著大于阴坡苜蓿地上、地下部分鲜重(p<0.05)。同坡位时，覆盖处理苜蓿的根冠比略小于无覆盖处理苜蓿。这说明：阳坡比阴坡更有利于苜蓿生长和生物量积累，秸秆覆盖显著改善了侵蚀沟不同坡向苜蓿的生长及生物量积累状况，即覆盖秸秆有利于侵蚀沟岸植被恢复。

图2 秸秆覆盖对侵蚀沟不同坡向苜蓿生长的影响

2.3 秸秆覆盖对侵蚀沟岸水蚀影响

由表1可知，研究区2017年全年产流降水共8次，其中，6月份2次，7月份4次，9月份2次。秸秆覆盖显著减少了试验小区的径流量和侵蚀泥沙量。8次产流降水中，保水率范围为47.82%～71.94%，保沙率范围为64.93%～73.02%，全年平均保水率为57.34%，全年平均保沙率为67.60%。这说明研究区侵蚀沟15°小区覆盖秸秆可有效拦蓄径流、减少泥沙侵蚀量。

表1 试验小区降水、产流、产沙状况

对8次产流降水进行降水和产流、产沙相关分析，结果见表2。由表2可知，空白小区和覆盖小区的径流与降水量呈显著正相关(p<0.05)，与平均雨强极显著正相关(p<0.01)，空白小区和覆盖小区的侵蚀量与降水量和平均雨强呈显著正相关(p<0.05)，且径流量、侵蚀量与平均雨强的相关性大于与降水量的相关性。对试验小区进行降水与产流、产沙回归分析，结果见表3。由表3可知，各方程R2值均超过0.965，且显著性良好，故拟合效果较理想。

表2 试验小区降水与产流、产沙相关系数

表3 试验小区降水与产流、产沙回归方程

注：y1为空白小区径流量(cm3);y2为覆盖小区径流量(cm3);x1为空白小区侵蚀量(g)；x2为覆盖小区侵蚀量(g)。

3 讨论与结论

覆盖是一种传统的栽培措施，其能够调控土壤的水、肥、气、热、微生物，从而达到促进作物生长、增产的效果[23-24]。本研究结果表明，黑土区侵蚀沟阴坡、阳坡进行秸秆覆盖能够显著提高5—9月表层土壤水分含量、降低表层土壤14:00的温度，使土壤环境更有利于植被生长。14:00是一天中气温最高的时间。有研究证明，过高的地温会抑制植物生长[25]。因此，秸秆覆盖增加了研究区可供植物利用的土壤水分，降低了土壤高温对植物的伤害，改善了土壤水热环境。诸多学者的研究也有相似结论。谢慧慧等[26]在山西省六道沟小流域的苜蓿人工草地进行秸秆覆盖试验，结果表明，秸秆覆盖形成地表阻碍层，防止太阳过度照射。可降低地表0—6 cm土壤温度，且能够增加地表土壤水分含量。王丽丽等[25]和田寿乐等[23]的研究结果认为，覆盖通过减少地面蒸发来提高土壤含水量。冯浩等[27]的研究表明，覆盖能够使减少水分向深处下渗，并在水分上升到土壤表层时形成阻碍，从而提高土壤表层含水量,同时秸秆覆盖对0—15 cm的表土温度影响显著，夏季平均减低土温1 ℃。胥生荣等[28]研究认为秸秆覆盖能够提高年平均气温，减小昼夜温差，起到稳定温度的作用。此外，秸秆覆盖还能够改良土壤结构，增加土壤有机质含量，并减少土壤N和P元素流失量[14,28]。

本研究结果表明，秸秆覆盖显著改善了侵蚀沟岸不同坡向苜蓿的生长及生物量积累状况，即秸秆覆盖有利于侵蚀沟岸植被恢复。前人研究也表明，秸秆覆盖有利于苜蓿生长。刘玉华等[29]称，6—8月的高温、温差较大会造成苜蓿早衰，影响其生长和产量，4—6月的降水量对苜蓿的产量有很大影响，秸秆覆盖可稳定低温，并弥补3月光照不足和4—6月水分不足对苜蓿生长的制约。谢慧慧等[26]和宋兴阳等[30]的研究结果显示，地表覆盖可提高苜蓿水分利用率和苜蓿产量。

本研究结果表明，降雨量和平均降水强度是影响侵蚀沟岸径流量和侵蚀量的重要因子，且径流量、侵蚀量与平均雨强的相关性高于与降雨量的相关性。一年内不同雨强和次降雨量下，秸秆覆盖能够显著降低侵蚀沟岸径流量和侵蚀量。空白小区和覆盖小区的径流与降水量呈显著正相关(p<0.05)，与平均雨强极显著正相关(p<0.01)，空白小区和覆盖小区的侵蚀量与降水量和平均雨强呈显著正相关(p<0.05)，且径流量、侵蚀量与平均雨强的相关性大于与降水量的相关性。前学者也认为秸秆覆盖能有效防治水土流失。温磊磊等[8]，杨青森等[14]认为，黑土区侵蚀沟设置秸秆覆盖可分散、截获径流，增加入渗，并减少侵蚀量。众多学者认为，秸秆覆盖能够延迟产流、增加入渗，削弱雨滴击溅的动能，防治土壤结构的破坏及搬运，同时提高地表粗糙度、增加临时蓄水能力[7,10,31-32]。徐锡蒙等[18-19]的研究结果表明，秸秆覆盖能够削弱黄土去侵蚀沟沟壁崩塌作用，降低径流流速和挟沙能力，防治侵蚀沟尺寸扩大。黄新君等[9]和白永会等[12]的研究结果表明，秸秆覆盖增加地表粗糙度，提高了侵蚀临界径流剪切力，降低土壤可蚀性。

综上所述，秸秆覆盖能够有效减轻黑土区侵蚀沟水土流失，且能够改善侵蚀沟土壤环境，有助于侵蚀沟岸植被恢复，可在侵蚀沟治理中进行推广。下一步，还应对秸秆覆盖结合种植苜蓿整体防治沟蚀作用以及不同植物与秸秆覆盖组合的生态护坡作用差异进行研究。