水庫消落帶百喜草單混種植適應性研究

李建生，鄭悅華，楊憲杰，鄭國權，陳知送，李啟聰，靳阿亮

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

水庫消落帶是指水庫由于季節(jié)性水位消漲和周期性蓄水在最高水位線與最低水位線之間形成的消漲區(qū)域[1]。消落帶處于水陸生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，長期為水分梯度所控制，具有陸地和水域的雙重屬性，周期性水位漲落且人為控制性較強是其顯著特點[2]。多數(shù)植物無法適應這種水陸交替生境，使得消落帶區(qū)域地表裸露，容易發(fā)生水土流失和塌岸，泥沙淤積侵占庫容。消落帶形成還帶來了其他生態(tài)環(huán)境問題，如影響水庫旅游景觀、形成庫岸水陸交叉區(qū)環(huán)境污染帶等。因此，庫區(qū)消落帶植被群落的恢復重建研究受到了科研工作者的關注。

目前，國內(nèi)對消落帶的研究集中于三峽庫區(qū)，且多為室內(nèi)種植或消落帶引種試驗[3- 7]，諶蕓等還開展了抗沖性能研究[8]，試驗草種均含有百喜草，但三峽庫區(qū)紫色土及其氣候條件下研究結果對其它地區(qū)應用的指導可能存在差異。楊潔、喻榮崗、王昭艷、林桂志、王超等分別在江西、福建紅壤侵蝕區(qū)開展了百喜草生長指標、土壤理化性質(zhì)分析研究，表明百喜草對控制南方紅壤坡地及果園水土流失及氮磷等養(yǎng)分的流失更為有效，水土保持及土壤改良效果良好[9- 12]，但未見有相關在紅壤區(qū)水庫消落帶上研究的文獻報道。徐澤榮等綜述表明迄今少有與百喜草共生的草種成功事例報道[13]。本研究擬通過野外建立試驗水庫，模擬周期性水位變化下百喜草單混種植的生長狀況，試驗紅壤區(qū)水庫消落帶生境下百喜草的適應性及其響應。

1 材料和方法

1.1 研究地點

試驗基地位于廣州市增城市中興鎮(zhèn)聯(lián)豐村第一經(jīng)濟社(N23°14′46″，E113°36′34″)，該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫24℃，總日照2000h，年降雨量1900mm，無霜期達365d。

1.2 場地建設

模擬水庫位于聯(lián)豐村內(nèi)山溝處，租用農(nóng)地約667m2，山溝內(nèi)流水常年不斷，方便排灌，溝內(nèi)東側已有農(nóng)耕路經(jīng)過，交通便利。利用挖掘機開挖土方并將開挖方碾壓形成壩體，形成小水庫，邊坡比約1∶1；開挖時，在上游東南角預埋1根φ10cm的PVC管閘作引水入口，下游東北角預埋2根φ10cm的PVC管閘作排水出口，并配套安裝電動排灌設備一套備用。模擬水庫壩體高3m，設計最大水深2.5m，固定水深1m；消落帶高度1.5m，總面積約564m2。模擬水庫情況如圖1所示。

圖1 模擬水庫圖

1.3 供試植物

百喜草(Paspalum natatu)，別稱巴哈雀稗，有粗壯多節(jié)的匍匐莖，根系發(fā)達，葉片扁平，枝條高15～80cm。原產(chǎn)于美洲，適宜于北緯30°～南緯30°、海拔高度小于2000m的廣大熱帶、亞熱帶地區(qū)。賀康寧、李建生、史玉虎等總結與研究，認為百喜草是耐旱、耐鹽、耐高溫、耐水淹、耐蔭、耐貧瘠而不耐寒、抗逆性強的多年生草本植物，適于溫暖濕潤氣候，淺根發(fā)達、速生易管理，耐修剪耐踐踏，萌生能力強，固土保水顯著，改土增肥效果好，主要分布臺灣、廣東、江西等華南及西南、中部地區(qū)[7- 12,14- 15]。本次試驗研究以百喜草及其混種香根草(Vetiveria zizanioides)作供試植物，模擬水庫消落帶水位變化對其適生性能的影響研究。

1.4 試驗設計

1.4.1 種植設計

在模擬水庫的坡面種植不同的草種樣方，每種草種或混種組合種植面積不少于50m2。種植施工作業(yè)標準參照普通綠化護坡工程，種植前對坡面進行松土、平整，按一定行距開挖種植槽，種植槽規(guī)格15cm×15cm(深×寬)。施加基礎復合肥用量為10g/m2。種植采用沿等高線“品”字形配置種植，株行距為20cm×20cm；3～10株為一叢，種苗保留地上部分5cm，地下部分為5cm。栽后覆土壓實，及時澆水。種植施工完成后，按普通邊坡(水不淹沒)綠化工程標準養(yǎng)護60d，定期澆水使植物生長發(fā)育正常。

1.4.2 水位變化設計

模擬周調(diào)節(jié)水庫消落帶水位的消漲規(guī)律，每隔7d蓄/排水一次，蓄水時蓄到設計最大水位2.5m，維持7d；排水時將水位降至固定水深1.0m，維持7d；持續(xù)6個月(2014年9月～2015年3月)。

1.4.3 數(shù)據(jù)采集

(1)種植養(yǎng)護60d后、試驗水淹前，記錄各植物品種的基本形態(tài)，包括植被覆蓋度、存活率、植株高度、分蘗數(shù)、葉片平均長度及寬度等。隨機挑選5株長勢良好，能代表該品種生長狀況的植株進行測定，記錄其平均數(shù)。各項指標見表1。

表1 試驗前百喜草的各指標值

(2)試驗前后，用“五點法”分別采集各坡面的土壤混合樣各1kg，標記保存，供送檢測機構化驗土壤pH值、有機質(zhì)、N、P、K等指標。指標見表2。

(3)試驗期間，每7d觀測一次，記錄各坡面岸坡(不淹)和消落帶的植被覆蓋度、存活率、植株高度、分蘗數(shù)、葉片平均長度及寬度等。各區(qū)挑選5株長勢良好，能代表該品種生長狀況的植株進行測定，記錄其平均數(shù)。

(4)覆蓋率=植物莖葉地面投影面積÷樣方面積×100%；隨機選定3個1 m2的樣方，分別計算其覆蓋率，求出平均值。成活率=成活株數(shù)÷試驗開始時植物總株數(shù)×100%。

養(yǎng)護60d后，試驗水淹前的百喜草株高、葉寬、成活率等。

2 結果與分析

2.1 百喜草單種對水位變化的適應性

2.1.1 對成活率的影響

由圖2可知，試驗期間岸坡上種植的百喜草成活率前期保持在100%，僅在第20周下降至95%，消落帶上則提前在第18周開始由100%下降至20周穩(wěn)定在90%左右[16]。說明百喜草能較好地適應短時間的水淹環(huán)境，冬季可能是受氣溫下降的原因，成活率略有提前下降，但仍在85%以上。這與楊潔等2009年在德安、寧都紅壤區(qū)坡地研究分別為90%、98%是基本一致的，尤其德安更加靠近本次試驗區(qū)。

表2 試驗前土壤指標值

2.1.2 對覆蓋率的影響

由圖3可知，試驗期間岸坡和消落帶上種植的百喜草覆蓋率均呈現(xiàn)先下降穩(wěn)定后又上升的趨勢，但消落帶上比岸坡下降的影響表現(xiàn)要提前6周且下降稍大。說明經(jīng)過一段適應期后，百喜草生長穩(wěn)定，覆蓋率保持在一定的水平；隨著冬季的到來，百喜草的生長速度變緩，覆蓋率逐漸降低，但仍然保持在30%～40%左右，并且能在春季重新發(fā)芽生長。而楊潔等2009年在德安、寧都紅壤區(qū)坡地研究均達到100%存在較大差異，說明消落帶生境下百喜草雖然可以成活，但生長受抑使覆蓋率下降較多。

2.1.3 對株高的影響

如圖4所示，隨實驗時間的延長，岸坡與消落帶的百喜草株高均呈現(xiàn)下降并至第14周開始穩(wěn)定在30cm左右，兩者間無顯著性差異。

2.1.4 對葉長和葉寬的影響

如圖5、6所示，隨實驗時間的延長，岸坡與消落帶的百喜草葉長均呈現(xiàn)下降并至第18周開始穩(wěn)定在20～30cm[16]，葉寬則呈現(xiàn)稍微減小后13～24周穩(wěn)定0.6～0.64cm，之后再增大趨勢，并且消落帶上較岸坡指標值高0.05～0.1cm。說明百喜草葉長在岸坡與消落帶無顯著性差異變化，葉寬則顯示消落帶上表現(xiàn)出適應性較岸坡稍顯著。

2.1.5 對分蘗數(shù)的影響

如圖7所示，隨著試驗延長，百喜草在岸坡與消落帶的分蘗數(shù)基本在6～10之間，而且兩者間無顯著性差異。說明消落帶對百喜草分蘗無顯著影響。

圖2 消落帶水位變化對百喜草成活率的影響

圖3 消落帶水位變化對百喜草覆蓋率的影響

圖4 消落帶水位變化對百喜草株高的影響

圖5 消落帶水位變化對百喜草葉長的影響

圖6 消落帶水位變化對百喜草葉寬的影響

圖7 消落帶水位變化對百喜草分蘗數(shù)的影響

2.2 消落帶上百喜草混種香根草對水位變化的適應性

2.2.1 對成活率的影響

由圖8可知，試驗期間消落帶上單種及混種香根草的百喜草成活率均在第15周后呈現(xiàn)下降，單種下降至90%左右后基本趨于穩(wěn)定，混種的下降較明顯至55%～60%，之后呈現(xiàn)逐步回升的趨勢，第26周達到70%。說明消落帶上百喜草單種的成活率受水位變化的影響不顯著，水位變化對混種的成活率有短期抑制影響但表現(xiàn)出了較好的適應性。也可能是冬季水溫較低影響了混種成活率先期的較明顯下降。

2.2.2 對覆蓋率的影響

由圖9可知，試驗期間消落帶上單種及混種香根草的百喜草覆蓋率呈現(xiàn)平緩下降后再上升的趨勢，第20～23周覆蓋率降到最低分別為30%和15%，之后隨著氣溫回升而有所升高，但總體來看，消落帶上混種的百喜草覆蓋率比單種的覆蓋率均要高10%～15%左右。

2.2.3 對株高的影響

如圖10所示，消落帶上百喜草單種的株高與混種香根草的百喜草株高的變化趨勢表現(xiàn)一致，單種和混種的百喜草株高差別不大。

2.2.4 對葉長和葉寬的影響

如圖11、12所示，消落帶上混種香根草的百喜草葉長與單種的均表現(xiàn)為逐漸降低并趨于穩(wěn)定趨勢，指標值基本接近。葉寬則呈現(xiàn)平緩過渡并第15周后上升的趨勢，第19周后混種的百喜草葉寬比單種的約寬0.06～0.13cm。說明消落帶上與香根草混種對百喜草的葉寬生長有利。

2.2.5 對分蘗數(shù)的影響

如圖13所示，隨著試驗延長，消落帶上單種、混種的百喜草分蘗數(shù)均呈現(xiàn)平穩(wěn)至第20周后上升趨勢，但混種百喜草的分蘗數(shù)平均比單種的要少1～3株。說明消落帶上與香根草混種對百喜草有一定抑制影響。

圖8 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)成活率的影響

圖9 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)覆蓋率的影響

圖10 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)株高的影響

圖11 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)葉長的影響

圖12 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)葉寬的影響

圖13 消落帶水位變化對百喜草(混植香根草)分蘗數(shù)的影響

2.3 百喜草對消落帶土壤養(yǎng)分變化的影響

分別對種植百喜草前、后各試驗處理的土壤肥力進行檢測，結果見表3。

從表3可以看出，pH值表現(xiàn)為單種百喜草區(qū)>百喜草(混植香根草)區(qū)>對照區(qū)，對照區(qū)呈強酸性，兩個處理區(qū)均呈微酸性，分別比對照區(qū)顯著提高1.3、1.1個單位，表明種植百喜草有利于緩和土壤酸度，與林桂志的試驗結果一致。

土壤中有機質(zhì)表現(xiàn)為單種百喜草區(qū)>對照區(qū)>百喜草(混植香根草)區(qū)，其中單種區(qū)比對照區(qū)提高了1.06倍，與林桂志、李新虎等分別在廈門集美、江西德安的試驗結果一致，說明百喜草對提高消落帶土壤有機質(zhì)含量同樣起關鍵作用；但百喜草(混植香根草)區(qū)降低為對照區(qū)的0.76倍，可能是混植方式引起的。

土壤中氮含量整體偏低，全氮含量表現(xiàn)為百喜草(混植香根草)區(qū)>對照區(qū)>單種百喜草區(qū)，速效氮含量表現(xiàn)為百喜草(混植香根草)區(qū)>單種百喜草區(qū)>對照區(qū)，處理區(qū)分別比對照提高2.25倍和1.20倍，說明百喜草生長對氮肥消耗較大，活化速效態(tài)氮作用顯著。與有機質(zhì)變化情況相對比，單種百喜草促進了有機質(zhì)分解和活化速效態(tài)氮，混植后有機質(zhì)分解可能趕不上植物生長所需養(yǎng)分，出現(xiàn)了一定下降，這也恰好說明土壤有機質(zhì)是一種穩(wěn)定而長效的氮源物質(zhì)。

表3 不同處理土壤化學養(yǎng)分特征表

土壤中磷含量整體偏低，全磷含量較穩(wěn)定，表現(xiàn)為單種百喜草區(qū)>對照區(qū)>百喜草(混植香根草)區(qū)之間的略高差異，但并不顯著，說明百喜草各處理對土壤全磷含量影響不大，主要與土壤母質(zhì)有關。土壤速效磷和有機質(zhì)的變化基本一致，其中單種區(qū)比對照區(qū)提高了1.12倍，百喜草(混植香根草)區(qū)比對照區(qū)、單種區(qū)分別降低為0.83倍和0.74倍，表明百喜草有利于提高土壤速效磷含量，但混植香根草后會使土壤速效磷含量與土壤有機質(zhì)降低變化相一致，可能是香根草生物量大、生長快消耗養(yǎng)分引起的。

土壤中全鉀、速效鉀含量較高，全鉀含量表現(xiàn)與有機質(zhì)變化基本一致，速效鉀含量為百喜草(混植香根草)區(qū)>單種百喜草區(qū)>對照區(qū)，處理區(qū)分別比對照提高3.85倍和3.58倍，說明百喜草生長對土壤全鉀影響不大，主要與土壤母質(zhì)有關，但活化速效態(tài)鉀作用顯著。

3 結論

(1)消落帶上單種百喜草的各項形態(tài)指標與岸坡上的無顯著差異，消落帶混種與單種的百喜草各項形態(tài)指標中僅有分蘗數(shù)差異較明顯。試驗結果表明百喜草對周調(diào)節(jié)水庫消落帶的水淹環(huán)境有較好的適應能力，可作為紅壤區(qū)周調(diào)節(jié)水庫消落帶植被恢復備選草種。

(2)混種香根草后百喜草比單種的指標呈現(xiàn)更加穩(wěn)定甚至葉寬、分蘗數(shù)有一定升高的趨勢，混種香根草對提升百喜草各項指標具有積極的影響，是對百喜草共生草種研究的突破，可推薦作為紅壤區(qū)周調(diào)節(jié)水庫消落帶植被恢復的植物組合。后續(xù)仍需進一步對其機理開展深入研究等。

(3)冬季低溫與水淹的疊加效應，對消落帶單種百喜草生長會產(chǎn)生短期較大的抑制影響。因此消落帶單種百喜草要避開冬季種植，最好穩(wěn)定生長期以后才越冬。后續(xù)還可進一步研究水淹低溫條件下百喜草馴化及耦合響應。

(4)消落帶種植百喜草可改善土壤酸堿度，提高或穩(wěn)定有機質(zhì)、P、N、K含量，尤其是速效K、速效N、有效P含量的提高，說明百喜草對土壤速效養(yǎng)分具有一定的活化性能。