东北黑土区侵蚀沟治理柳桩栽植技术研究

2022-04-11高晓荻仝如强陈靖天穆春生

中国水土保持 2022年1期

李超，高晓荻，仝如强，陈靖天，穆春生

(1.东北师范大学草地科学研究所植被生态科学教育部重点实验室，吉林长春 130024；2.吉林省气象台，吉林长春 130062)

我国东北部黑土资源总面积达103万km2，以有机质含量高、土质疏松、最适宜耕作闻名于世，是我国十分重要的商品粮基地，在保障粮食安全方面发挥着重要的战略作用[1]。然而，东北黑土区受到严重的土壤侵蚀危害，导致土壤养分流失，黑土层变薄，土壤的保水、保肥能力下降，土壤物理、化学性质恶化[2]。土壤侵蚀造成了黑土的严重退化，对土壤功能和生态系统可持续性有着严重的影响[3]。东北黑土区存在包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀等多种土壤侵蚀类型，其中水力侵蚀面积最为广泛[4]。水力侵蚀类型中，沟蚀是主要的侵蚀类型，这种侵蚀极具破坏性，导致了大量的土壤流失和退化[5]。为此，2017年国家启动了东北黑土区侵蚀沟治理专项工程。东北黑土区实施的侵蚀沟治理模式总体可以分为工程措施为主植物措施为辅、植物措施为主工程措施为辅、植物措施和复垦模式4种类型[6]。植物措施具有能提高植被覆盖率、改善生态环境、原料丰富、成本较低、经济效益显著等优势。现有研究表明，植物的根系可提高土壤抗剪强度，从而起到稳定侵蚀沟的重要作用；植物地上部分能有效截留雨水，减轻雨滴对土壤的击溅侵蚀[7]，减小地表径流。

在植物措施中，柳桩被广泛应用于侵蚀沟护坡和柳谷坊的设计中[8-12]。其中，旱柳(Salixmatsudana)具有耐寒、耐盐碱、耐短期缺水等特性，是东北黑土区侵蚀沟护坡和柳谷坊工程的首选植物。目前，虽然有苗木的扦插深度能影响其生根和成活的少数研究报道[13]，但有关东北黑土区侵蚀沟柳桩适宜的栽植季节和栽植方法的研究还未见报道，导致在实际工程建设中，存在柳桩栽植时间随意、成活率低等问题。为此，我们进行了柳桩不同栽植季节和栽植方式的对比试验，以筛选出适宜的栽植模式，为其在侵蚀沟治理中的实际应用提供科学依据和技术支撑。

1 试验对象与方法

1.1 试验地概况

试验选择在吉林省通化市柳河县集清村坡耕地的侵蚀沟中进行。该地位于吉林省东部片区，长白山向松辽平原过渡地带，地理位置为42°11′N、125°39′E，海拔为443 m，属温带大陆性季风气候区，年均降水量为740 mm，年均气温5.5 ℃，年均日照时数2 480 h，年有效积温2 200 ℃，无霜期126～140 d。试验期间的温度与降水情况见表1。

表1 试验期间的温度与降水情况

本试验侵蚀沟沟壑面积1 820 m2，沟长369 m，平均沟宽4.90 m，纵比降12.03%。沟壑土壤含速效氮14.25 mg/kg、有效磷2.106 mg/kg、速效钾112.1 mg/kg、全氮2.203 g/kg、全磷0.558 g/kg，0.5 m深度土壤含水量17%，0.8 m深度土壤含水量22%。

1.2 试验对象

供试树种为旱柳，来源于吉林省柳河县立祥苗圃。供试柳桩的采伐时间分别为2018年10月上旬和2019年4月上旬，每个柳桩长1.6 m，顶端直径8 cm。

1.3 试验设计与处理方法

试验采用三因素随机区组设计：A因素为栽植季节，设两个水平，2018年10月中旬为秋季栽植(A1)，2019年4月中旬为春季栽植(A2)；B因素为栽植深度，设两个水平，栽植深度0.5 m为B1，栽植深度0.8 m为B2；C因素为底端处理，设两个水平，底端不削尖为C1，底端削尖为C2。试验共2×2×2=8种处理，每种处理栽植60根柳桩，重复3次，共计栽植480根柳桩。

1.4 样品的采集与测定

首先在柳桩栽植前对初始的可溶性蛋白和可溶性糖含量进行测定，然后在柳桩栽植成活后的2019年9月，调查统计各处理柳桩的成活率(存活数量/栽植总数量)，并对8种处理的柳桩进行随机取样，每种处理选取10株，在调查枝条数量、枝条长度、根系数量的同时，对柳桩树干取样，于实验室内测定其可溶性蛋白和可溶性糖含量。可溶性蛋白含量的测定方法为考马斯亮蓝比色法[14]，可溶性糖含量的测定方法为蒽酮比色法[15]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理，在SPSS 26.0中用三因素随机区组试验设计的方法对不同处理柳桩的成活率、枝条数量、枝条长度、根系数量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量进行方差分析，F检验显著时用Duncan法进行多重比较，用Pearson相关性检验对柳桩可溶性蛋白含量、可溶性糖含量与其成活率、枝条数量、枝条长度和根系数量进行相关性分析。表格数据为平均值±SE。应用模糊隶属函数对8种处理进行分析，以评价其适宜栽植的模式。隶属函数值计算公式为

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi为某一指标值；Xmin和Xmax分别表示在该指标下所有参试处理的最小值与最大值。

2 结果分析

方差分析结果(表2)表明，不同栽植季节间柳桩的成活率、枝条数量、枝条长度、根系数量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量呈极显著差异，不同栽植深度间柳桩的成活率、枝条数量、枝条长度、根系数量呈显著或极显著差异，不同底端处理间柳桩的成活率、枝条数量和根系数量呈极显著差异，栽植季节×栽植深度间成活率呈极显著差异，栽植季节×底端处理间成活率和根系数量呈显著或极显著差异。

表2 柳桩栽植季节、栽植深度和底端削尖处理下各指标的方差分析

2.1 不同栽植模式对柳桩成活率的影响

在8种处理中，成活率最高的是A2B2C2，为57.33%。其中，春季栽植的柳桩成活率显著高于秋季；在春季栽植的柳桩中，当栽植深度相同时，底端削尖处理的成活率显著高于不削尖处理(P<0.05)，当底端处理相同时，栽植深度0.8 m的柳桩成活率显著高于栽植深度0.5 m的柳桩；在秋季栽植的柳桩中，当底端处理相同时，栽植深度0.8 m能显著增加柳桩的成活率，而当栽植深度相同时，是否削尖对柳桩成活率的影响不显著(见表3)。

表3 不同处理下柳桩成活率

2.2 不同栽植模式对柳桩枝条数量的影响

对各处理下柳桩枝条数量变化的调查结果表明，春季栽植柳桩的枝条数显著大于秋季栽植(P<0.05)。在春季栽植的处理中，A2B2C1的枝条数量显著高于A2B1C1，较对照增长了43%，A2B2C2的枝条数量也显著高于A2B1C2，说明在春季栽植的柳桩中，栽植深度0.8 m较0.5 m能显著提高柳桩抽枝数量。对比A2B1C1与A2B1C2表明，在春季栽植且栽植深度都为0.5 m时，底端削尖能显著提高柳桩枝条数量；而对比A2B2C2与A2B2C1表明，在春季栽植且栽植深度都为0.8 m时，底端是否削尖差异不显著。在秋季栽植的柳桩中，栽植深度和底端是否削尖对枝条数量的影响均不显著(见表4)。

表4 不同处理下柳桩枝条数量的变化

2.3 不同栽植模式对柳桩枝条长度的影响

由表5可知，春季栽植的柳桩枝条长度显著高于秋季，其中A2B2C1的枝条长度达到峰值，为26.30 cm。对比A1B1C1与A1B1C2、A1B2C1与A1B2C2、A2B1C1与A2B1C2、A2B2C1与A2B2C2表明，柳桩在同一季节栽植且深度相同时，是否削尖对枝条长度无显著影响。

表5 不同处理下柳桩枝条长度

2.4 不同栽植模式对柳桩根系数量的影响

对各处理柳桩根系数量的调查结果(表6)表明：在栽植季节、栽植深度相同的情况下，底端削尖的柳桩根系数量显著大于底端不削尖的(P<0.05)，其中A2B1C2比A2B1C1增长了89%；在栽植季节、底端处理相同的情况下，栽植深度0.5 m与0.8 m的柳桩根系数量差异不显著；在栽植季节不同，其余处理均相同的情况下，春季栽植的柳桩根系数量显著高于秋季。

表6 不同处理下柳桩根系数量

2.5 柳桩可溶性蛋白、可溶性糖含量与生长指标和成活率的相关性分析

由表7可知，柳桩的枝条数量、枝条长度、根系数量、成活率与其栽植前的可溶性蛋白和可溶性糖含量无相关关系，与栽植后柳桩的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量均存在极显著的相关关系(P<0.01)，表明柳桩的成活和生长情况与其栽植前的可溶性糖和可溶性蛋白含量无关。

表7 柳桩可溶性蛋白、可溶性糖含量与生长指标和成活率的相关分析

2.6 柳桩栽植处理适宜性评价

利用隶属函数法对不同处理柳桩的6个指标进行分析，结果(表8)表明，不同处理的适宜性次序为A2B2C2>A2B1C2>A2B2C1>A2B1C1>A1B2C2>A1B2C1>A1B1C2>A1B1C1，即最适宜的柳桩栽植处理为春季栽植、栽植深度0.8 m且底端削尖。

表8 柳桩各处理指标隶属函数值

3 讨论与结论

3.1 讨论

温度是影响植物生长发育的重要因子，低温会使植物的可溶性糖和可溶性蛋白含量升高以提高其细胞渗透势，保护其细胞膜结构免受冻害，增温后两指标不断下降[16]。本研究中，冬季低温是导致秋季栽植的柳桩枝条长度、数量低于春季栽植的重要因素，所以柳桩最适宜的栽植季节为春季。如有条件，可对其顶端断面采取保护措施，如油漆封顶等，能保温且降低其断面的水分蒸发，提高其冬季成活率。

底部削尖的目的是便于柳桩栽植入土。本研究中，底端削尖柳桩的根系数量显著高于不削尖的，其原因可能是柳桩底端削尖后增加了与土壤的接触面积，更有利于其生根，同时其发达的根系也能减少地表径流冲刷造成的土壤流失，有利于水土保持。

柳桩栽植深度的不同影响着柳桩根部的土壤温度和含水量，冬季耕地为裸地，其上层土壤保温保水能力差[17]，导致土壤含水量和温度上层低于下层，所以本研究中秋季栽植深度为0.8 m的柳桩成活率高于0.5 m的。而相同栽植季节、相同的底端处理下，栽植深度0.5 m与0.8 m柳桩的根系数量差异不显著，说明柳桩的根系数量与其栽植深度无关。