典型黑土區(qū)陡坡植草水土流失防治效果研究

楊慶楠, 徐金忠, 李志飛, 侯淑艷, 郝燕芳

(黑龍江省水利科學(xué)研究院 水土保持研究所, 黑龍江 哈爾濱 150080)

東北黑土區(qū)已成為我國(guó)最大的商品糧基地，年商品糧輸出量占全國(guó)總量的1/3[1]。黑土資源由于不合理的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，發(fā)生了嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致黑土層變薄，土壤退化，溝壑縱橫，其土壤侵蝕程度居世界四大黑土區(qū)之首[2]。黑土區(qū)侵蝕溝是由坡面上淺溝逐漸發(fā)育為切溝，在持續(xù)的集流匯水作用下，溝頭延伸，溝岸擴(kuò)張，不斷發(fā)生上溯侵蝕和下切侵蝕形成的。同時(shí)在凍融作用下，侵蝕溝溝岸常發(fā)生坍塌。東北黑土區(qū)侵蝕溝多形成于坡耕地中，損毀耕地的同時(shí)，還造成大片耕地被切割成零散地塊，妨礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)機(jī)械作業(yè)。侵蝕溝生態(tài)修復(fù)前需削坡，占用部分耕地，群眾積極性和接受度很低，給侵蝕溝治理項(xiàng)目的實(shí)施增加難度[3-8]。在陡坡上建植人工草地，恢復(fù)植被，穩(wěn)固溝道，是實(shí)現(xiàn)減少削坡占地的一項(xiàng)重要途徑，相關(guān)研究在東北黑土區(qū)鮮有報(bào)道。本文通過(guò)1∶1.5，1∶1.2坡比2個(gè)坡度，建植7種不同草本植被下邊坡的水土流失特征及其影響因素的研究，篩選出適于陡坡種植且具有較強(qiáng)的水土保持作用的草本植物，以期為侵蝕溝治理、水土保持植被措施配置等提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省水土保持科技示范園內(nèi)，地理位置位于黑龍江省賓縣賓州鎮(zhèn)城西4.5 km(E127°24′47″，N45°44′57″)，屬丘陵漫崗地貌，土壤類型為白漿土，0—20 cm土壤容重1.10 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量26.42 g/kg，全氮含量1.43 g/kg，pH值為6.07。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，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，年平均溫度3.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 732 h，≥10 ℃積溫2 400 ℃，年均風(fēng)速3.1 m/s，無(wú)霜期128 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

2018年5月，在兩個(gè)坡比邊坡1∶1.2(39.81°)和1∶1.5(33.69°)上分別設(shè)置2 m(長(zhǎng))×1 m(寬)8個(gè)微型徑流小區(qū)，記為A組和B組，播種無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)、早熟禾(PoaannuaL.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)3種草種，構(gòu)成7種植被配置模式，同時(shí)設(shè)置裸地小區(qū)為對(duì)照(表1)。播種前先澆水浸地，草種按照50 g/m2等重量比例混播方式進(jìn)行均勻撒播，覆土0.5 cm后輕壓噴水。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2018年6—9月，人工開(kāi)展徑流小區(qū)自然降雨水土流失監(jiān)測(cè)。降雨因子采用小流域綜合觀測(cè)站雨量器觀測(cè)，徑流量和泥沙量通過(guò)徑流桶收集后，人工處理測(cè)定。觀測(cè)數(shù)據(jù)均為自然降雨事件，共收集到48組，912個(gè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS和Origin等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

表1 試驗(yàn)徑流小區(qū)草本植被配置

注：A組為1∶1.2坡比邊坡，B組為1∶1.5坡比邊坡。

2 結(jié)果與分析

2.1 邊坡建植草本植物的保水保土作用

降雨產(chǎn)流次數(shù)是產(chǎn)流的一個(gè)基本特征，能直觀反映土壤流失的次數(shù)[9]。研究區(qū)6—9月降雨量依次為14.4，95.8，50.5和38.9 mm，觀測(cè)期共監(jiān)測(cè)到24次產(chǎn)流事件。由于是陡坡，各試驗(yàn)處理均同時(shí)產(chǎn)流，6—9月依次產(chǎn)流3，8，7和6次，分別占產(chǎn)流總次數(shù)的13%，33%，29%和25%。

2.1.1 減流作用 A組建植植被小區(qū)總徑流量除A3外均高于B組建植植被小區(qū)，平均徑流量A組較B組多10%。同一坡度不同植被配置間徑流量差別不明顯，但相較無(wú)植被裸地小區(qū)，植草小區(qū)可顯著降低地表徑流量，A1—A7草本配置分別減流24%，12%，28%，24%，30%，29%和32%，平均減流26%；B1—B7草本配置分別減流17%，24%，20%，26%，32%，30%和37%，平均減流27%(圖1)。坡度變大，產(chǎn)流速度加快、歷時(shí)變短，易造成降雨強(qiáng)度小于土壤下滲能力、土壤未達(dá)到飽和時(shí)下滲量減少，產(chǎn)流增多。與溫永福等試驗(yàn)研究坡度越大、產(chǎn)流量越大結(jié)果相同[10]。不同草本配置徑流小區(qū)中A7(B7)徑流量最低，其次是A5(B5)、A6(B6)和A4(B4)，即紫花苜蓿、無(wú)芒雀麥、早熟禾三種草種混播減流效果依次優(yōu)于兩種草種混播、單播。

圖1 兩種坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕邊坡不同草本配置下地表徑流總量

2.1.2 減沙作用 A組建植植被小區(qū)總輸沙量均高于對(duì)應(yīng)B組小區(qū)，分別增加22%，64%，95%，89%，33%，107%和85%，平均增加71%。同一坡度不同植被配置間泥沙量差值較小，B組裸地小區(qū)輸沙量遠(yuǎn)高于建植植被小區(qū)，B1—B7草本配置小區(qū)較裸地小區(qū)分別減沙28%，44%，59%，56%，58%，61%，59%，平均減沙52%；A組裸地小區(qū)輸沙量與建植植被小區(qū)輸沙量差值較小，A1—A7草本配置小區(qū)較裸地小區(qū)分別減沙13%，9%，22%，17%，44%，20%，25%，平均減沙21%(圖2)。邊坡坡度由33.69°(1∶1.5)增加到39.81°(1∶1.2)，植被減沙能力降低1/2以上。

1∶1.5坡比邊坡小區(qū)，B3—B7減沙效果接近，以紫花苜蓿單播及兩種和3種草種混播產(chǎn)沙量低，保土效果較好，優(yōu)于無(wú)芒雀麥、早熟禾單播。1∶1.2坡比邊坡，草種混播和紫花苜蓿單播產(chǎn)沙量低于無(wú)芒雀麥、早熟禾單播，其中無(wú)芒雀麥+紫花苜蓿(A5)減沙效果最好，產(chǎn)沙量明顯低于其他各處理。

圖2 兩種坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕邊坡不同草本配置下輸沙總量

2.2 降雨及植被對(duì)產(chǎn)流和輸沙的影響

2.2.1 降雨因子的影響 降雨是造成土壤侵蝕的原動(dòng)力[11]，降雨量、歷時(shí)和平均雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)、降雨動(dòng)能(E)、降雨侵蝕力(EI30)等降雨因子直接影響降雨徑流輸沙的形成[12-13]。表2—3為A組和B組徑流小區(qū)徑流和輸沙與降雨因子Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果。

表2 試驗(yàn)小區(qū)徑流量與降雨因子相關(guān)性分析(Pearson)

注：*表示在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； **表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。下同。

(1) 降雨因子對(duì)產(chǎn)流的影響。由表2可知，A1—A7和B1—B8的徑流量與雨量，I30，E，EI30均呈極顯著正相關(guān)，A8與雨量，EI30呈顯著、與I30，E呈極顯著正相關(guān)。A和B組處理與平均雨強(qiáng)呈正相關(guān)，與歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較差。同寇馨月[14]等研究烏陂河、朱溪河徑流深與I30顯著正相關(guān)，與歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)結(jié)果一致，但與劉欽[15]研究發(fā)現(xiàn)徑流與平均雨強(qiáng)呈線性相關(guān)，且R2達(dá)到0.9以上不一致。影響徑流量的降雨因子主要是雨量，I30，E，EI30，A1—A7和B1—B7的相關(guān)系數(shù)大于B8。A和B試驗(yàn)組徑流量與雨量，I30，E，EI30的平均相關(guān)系數(shù)分別高于裸地對(duì)照5%，1%，11%，20%，16%，19%，23%和34%，表明植被覆蓋比地表裸露與雨量，I30，E，EI30的相關(guān)程度加大。相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為：I30>E>EI30>雨量，即I30對(duì)1∶1.5，1∶1.2坡比邊坡徑流量影響最大。A組和B組相比，邊坡變陡時(shí)，徑流量與降雨因子相關(guān)性規(guī)律較為一致，但試驗(yàn)組和對(duì)照組徑流量與雨量，I30，E，EI30相關(guān)系數(shù)差值分別增大，說(shuō)明植被覆蓋在坡度變大時(shí)，對(duì)雨量，I30，E，EI30反應(yīng)更為明顯。

(2) 降雨因子對(duì)輸沙的影響。由表3可以看出，B組輸沙量與降雨因子相關(guān)性在不同草本植被配置下表現(xiàn)出明顯差異性。

總體上，B組輸沙量與降雨因子EI30相關(guān)性最高，多存在顯著相關(guān)，與E顯著相關(guān)較少，與I30和雨量相關(guān)系數(shù)最小，與降雨歷時(shí)和平均雨強(qiáng)相關(guān)性最差。與姜超等[16]研究發(fā)現(xiàn)降雨量與產(chǎn)沙量顯著相關(guān)有差異。B8的輸沙量與雨量，I30，E，EI30每個(gè)相關(guān)系數(shù)均大于B1—B7的，平均分別大50%，39%，46%，43%，平均相關(guān)系數(shù)由大到小表現(xiàn)為：EI30>E>I30>雨量，EI30對(duì)輸沙量影響最大。A組輸沙量，除A1與雨量、I30，E，EI30輸沙量呈顯著正相關(guān)外，其他均呈極顯著正相關(guān)。影響輸沙量的降雨因子主要是雨量，I30，E，EI30，且A8的相關(guān)系數(shù)均大于A1—A7的，分別大36%，18%，33%，32%，平均相關(guān)系數(shù)由大到小表現(xiàn)為：I30>E>EI30>雨量，即I30對(duì)泥沙量影響最大。A組與B組相比，邊坡變陡時(shí)，有植被覆蓋泥沙量與雨量，I30，E，EI30平均相關(guān)系數(shù)均增大，且無(wú)植被的裸地小區(qū)輸沙量與雨量、E，EI30相關(guān)系數(shù)也增大。不同坡度下降雨因子與泥沙量的相關(guān)性規(guī)律不一致，差異較大，二者關(guān)系變?yōu)閺?fù)雜。

表3 試驗(yàn)小區(qū)泥沙量與降雨因子相關(guān)性分析(Pearson)

2.2.2 植被特征的影響 植被冠層可有效截留降雨，降低其對(duì)土壤的擊濺侵蝕，根系可提高土壤的抗蝕性能，是影響徑流輸沙量的重要因子，各小區(qū)植被蓋度情況詳見(jiàn)表4。

(1) 植被對(duì)產(chǎn)流的影響。 徑流系數(shù)可以反映降雨量被植物截流、土壤入滲和蒸發(fā)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)大小，可綜合表達(dá)下墊面要素對(duì)徑流的影響。由圖3可知，1∶1.5，1∶1.2坡比邊坡徑流系數(shù)走勢(shì)大體一致，各月份平均徑流系數(shù)表現(xiàn)為：7月<9月<8月<6月。6—9月，草本不斷生長(zhǎng)，植被蓋度逐漸提高，但并未出現(xiàn)徑流系數(shù)降低的趨勢(shì)，如上所述，產(chǎn)流量主要受雨強(qiáng)I30等影響。A組試驗(yàn)小區(qū)平均徑流系數(shù)高于對(duì)應(yīng)B組小區(qū)，坡度變陡，光、水、熱條件、土壤緊實(shí)度、土壤孔隙、保水能力等都產(chǎn)生變化，導(dǎo)致草本生長(zhǎng)發(fā)育遭受脅迫[17]，植被蓋度和根系量降低，產(chǎn)流能力變強(qiáng)。6月降雨量最低，徑流系數(shù)卻普遍較高，且處理間徑流系數(shù)值差異大，主要是由于各試驗(yàn)徑流小區(qū)植被蓋度低且差異大所致。隨著植被生長(zhǎng)，7—9月徑流系數(shù)變小，各試驗(yàn)處理間差異也較小。是由于進(jìn)入雨季，隨雨量增多和氣溫升高，植被進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，蓋度顯著提高，草本莖葉截流降雨能力增強(qiáng)，減少到達(dá)地面的有效雨量。同時(shí)草本根系進(jìn)一步發(fā)育，吸收土壤中水分和養(yǎng)分，為草本地上生物量的生長(zhǎng)提供有力保障，改良土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤下滲、持水能力，植被保水功能逐漸增強(qiáng)。7月降雨量最大，徑流系數(shù)卻最小，除受植被蓋度提高影響，還與前期6月少雨干旱，土壤滲透性較高有關(guān)。這與辜世賢研究表明徑流量受植被覆蓋影響的同時(shí)，還要考慮前期土壤含水量對(duì)徑流量的影響相一致[9]。試驗(yàn)結(jié)果顯示不同草本配置下徑流系數(shù)差異較小，總體上草種混合配置小區(qū)徑流系數(shù)小于單播小區(qū)，A7和B7徑流系數(shù)最小，其次是A5和B5。紫花苜蓿出苗早，出苗率高，能夠在較短時(shí)間內(nèi)覆蓋地面，且植株較高，與禾本科無(wú)芒雀麥和早熟禾混播，植株高度和莖葉角度不同，形成層層交錯(cuò)的植被覆蓋情況，有利于截流降雨。這與潘聲旺等[18]研究認(rèn)為植被的水土保持性能與群落的物種多樣性密切相關(guān)：多樣性水平越高，水土保持性能越強(qiáng)相一致。此外三種草本植被自身特性也存在差異，紫花苜蓿種子萌發(fā)率和對(duì)不良生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)于無(wú)芒雀麥和早熟禾，在水熱條件不同步條件下即開(kāi)始相對(duì)較好的生長(zhǎng)，早期植被蓋度相對(duì)較高。無(wú)芒雀麥分蘗時(shí)間集中在夏秋季節(jié)，春季分蘗較少[19]，植被蓋度提升時(shí)間滯后于紫花苜蓿，詳見(jiàn)表4，且王琥等認(rèn)為陡坡無(wú)芒雀麥分蘗數(shù)降低[20]。早有研究表明早熟禾在土壤緊實(shí)、通氣透水性差的環(huán)境下分蘗少，植株個(gè)體較小而稀疏，植被蓋度大受影響[21]。

表4 試驗(yàn)徑流小區(qū)6-9月各處理平均植被蓋度

圖3 兩種坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕邊坡試驗(yàn)小區(qū)徑流系數(shù)

(2) 植被對(duì)輸沙的影響。6—9月根系發(fā)育程度和植被蓋度不斷提高，建植植被小區(qū)減沙效果顯著，與已有研究表明種草和裸露坡地相比泥沙量可有效降低結(jié)果一致[22]。由圖4可知，B組侵蝕模數(shù)逐漸降低，尤其7月降雨量是6月的6.7倍，侵蝕模數(shù)卻大幅度下降，但不同草本配置減沙效果差異并不大。是由于進(jìn)入水熱同期，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)優(yōu)先滿足根系向更深土層推進(jìn)的需要，使得根系在土壤中機(jī)械穿插形成根網(wǎng)，化學(xué)分泌和死亡腐解[21]，增強(qiáng)土體抗沖抗蝕性能，保土作用逐漸突顯。同時(shí)根系發(fā)育促進(jìn)草本地上莖葉生物量的提高，可加強(qiáng)機(jī)械阻擋降雨對(duì)坡面的擊濺侵蝕[23]。與蔡慶等[24]研究認(rèn)為植被快速生長(zhǎng)后，土壤侵蝕量有效減少結(jié)果一致。6，8，9月A組各處理土壤侵蝕模數(shù)逐漸降低并略高于B組，7月A組土壤侵蝕模數(shù)高于其他月份，且大幅度高于B組，分析其原因可能是由于陡坡紫花苜蓿主根長(zhǎng)度和生物量減小，側(cè)根Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)根直徑變小，錨固和加筋作用減弱，無(wú)芒雀麥和早熟禾須根數(shù)量和表面積降低，根系抗拉力和土體粘聚力降低，造成侵蝕模數(shù)偏高[25]。如上降雨因子與產(chǎn)沙量的分析，產(chǎn)沙量主要受雨強(qiáng)I30等影響，7月降雨量大，擊濺坡面的雨強(qiáng)和雨量增大，侵蝕模數(shù)隨之大幅增大。植被根系的充分發(fā)育直接促進(jìn)草本地上莖葉繁茂，至8月，9月絕大多數(shù)處理植被平均蓋度大于50%時(shí)，1∶1.2坡比邊坡植草減沙效果顯著增強(qiáng)，減沙效率甚至超過(guò)了1∶1.5坡比邊坡。說(shuō)明合理的植物措施配置可在1∶1.2坡比邊坡起到很好的減沙作用。1∶1.2，1∶1.5坡比邊坡分別A5和B6侵蝕模數(shù)最小，紫花苜蓿的直根系較長(zhǎng)，可達(dá)到較深的次表層土壤，錨固土壤能力優(yōu)于須根系一般處于土壤表層的無(wú)芒雀麥和早熟禾。豆科植物護(hù)坡效益好于禾本科植物，與劉玉花[26]、袁雪紅[27]等研究結(jié)果一致。但紫花苜蓿與禾本科草種混播，橫縱向形成的根系網(wǎng)范圍大，優(yōu)于另兩種草種混播或單播。

圖4 兩種坡比〔1∶1.2(A)和1∶1.5(B)〕邊坡試驗(yàn)小區(qū)侵蝕模數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 1∶1.5，1∶1.2坡比邊坡草本建植當(dāng)年分別較裸地平均減流27%和26%，分別較裸地平均減沙52%和21%，表明坡度由34°增加到40°，地表徑流雖未增加，但土壤侵蝕量明顯增加，影響產(chǎn)流產(chǎn)沙降雨因子主要有雨量、I30，E，EI30，坡度變陡，相關(guān)性增強(qiáng)。

(2) 建植草無(wú)芒雀麥和紫花苜蓿混播綜合減流減沙效果最好，紫花苜蓿、無(wú)芒雀麥、早熟禾三種草種混播減流效果優(yōu)于單播。

(3) 1∶1.2較1∶1.5坡比邊坡能減少20%的削坡占地面積，隨著植被蓋度的增加減沙效果逐漸增強(qiáng)，且在植被蓋度大于50%時(shí)減沙效果接近1∶1.5坡比邊坡。