喀斯特地區不同莖形態植物的水土保持和養分截留效果研究

田小松，陳 龍，周瑞榮，鄭杰炳

（1.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室 重慶地質礦產研究院，重慶400042；2.貴州省土壤肥料研究所，貴陽550006；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶400042）

水土流失是一個世界性環境問題。近年來，有關利用生物措施和工程措施治理水土流失的研究較多，并取得了一定的成效。研究表明，植被是一種常用且有效的生物防治水土流失措施，植被對水土流失具有很好的防治效果，可固土改土，減少地表徑流和土壤侵蝕量［1］，但是不同植被的水土保持作用不同［2－5］。

喀斯特地區具有生態環境變異敏感度高、異質性強、承受災害的閾值低、環境承載力小的特點，使生態脆弱的喀斯特地區水土流失和養分流失更為突出。水土流失是喀斯特地區農業生態環境和土壤質量退化的重要表現形式之一［6］。喀斯特地區的特點決定了該地區水土流失治理的難度和復雜性［7］。貴州巖溶地貌發育非常典型。喀斯特地貌面積10.91×104km2，占全省國土總面積的61.9%。貴州省的耕地以坡耕地為主，研究表明，農耕坡地已成為水土流失的主要來源［8－9］。土壤養分流失是水體污染的重要來源［10］。

已有研究集中水土保持現狀研究、農業技術措施［11－14］、生 物 措 施［15－17］和 工 程 措 施 等［18］的 保 水 固土作用等方面。研究表明，喀斯特地區預防和治理水土流失的有效措施為生物措施。但喀斯特地區水土流失防治的生物措施對象為草本植物和木本植物［15，17，19］，而不同莖形態的植物（直立莖、攀緣莖和匍匐莖植物）的水土保持效果研究尚未有專門的報道。再者，有關喀斯特地區水土保持的文獻資料僅停留在保水固土的能力上，而缺少植物的保水固土能力與養分截留能力的綜合研究。基于以上兩點，研究不同莖形態生物措施對于喀斯特地區的坡地水土流失和養分流失的影響，旨在科學選擇有效的保水保土措施，為喀斯特地區的水土保持工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于貴州省貴陽市小河區的貴州省農業科學院（26°11′N，106°07′E）內。試驗區地處黔中黃壤丘陵區，平均海拔1 071m，年平均氣溫15.3℃，年平均日照時數1 354h左右，相對濕度75.5%，全年無霜期270d左右，年降雨量1 100～1 200mm。試驗土壤為黃壤，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖殘積物。試驗區土壤選用的是喀斯特地貌的主要土壤類型——黃壤，表土層的基本性質為：全氮0.743g／kg，全磷0.621 g／kg，全鉀11.340g／kg，堿解氮54.8mg／kg，有效磷13.2mg／kg，速效鉀89.2mg／kg，pH 值5.92。

1.2 試驗設計

試驗小區坡度為30°，小區面積為2m×1.5m。徑流小區用漿砌磚砌成并用混凝土抹面，小區側墻高0.4m，高出地面0.1m以防止發生側漏。在各小區的最低處設置集流池，集流池的內部尺寸為1.5m×0.1m×0.4m，集流池的底部設置出水口，各出水口設置集流桶，用來收集次降雨產生的徑流和泥沙。試驗設計4個處理分別為D1（薜荔）、D2（馬藺）、D3（常青藤）和D4（對照）。按照莖的形態將其分類為匍匐莖植物（D1），直立莖植物（D2），攀緣莖植物（D3）。每個處理設計3重復，共12個徑流小區。12個徑流小區設置在塑料大棚內。植物的種植時間為2011年9月，培養時間為2011年9月至2012年3月。在此期間，徑流小區由塑料大棚封閉，并進行植物的生長繁殖，待雨季到來時將大棚拆除，其目的是為獲不同莖形態植物的真實水土保持效果。根據降雨歷史資料、天氣預報情況和植物的生長周期，選擇4—5月為采樣期。

1.3 測定方法與數據分析

植被覆蓋度：選擇照相法，用照相機垂直徑流小區拍攝相片，將照片導入AutoCAD2008軟件進行估算植被覆蓋度；降雨量：數據來自設在試驗小區附近的氣象觀測站；地表徑流深度：每次降雨產流后，測定集流桶內的集流深度乘以集流池底面積，除以試驗小區面積；土壤侵蝕量：將集流桶中的徑流充分攪勻后，立即取水樣150ml，重復3次，將3個樣混合，靜置至澄清，將清水緩慢倒出，剩余泥沙樣烘干至恒重稱重，計算土壤侵蝕量。養分徑流樣品收集：將集流桶中的徑流充分攪勻后，用聚乙烯瓶取水樣1 000ml，立即送回實驗室分析總氮、銨態氮、硝態氮、總磷、溶解性總磷和鉀。

總氮（TN）用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法測定；銨態氮（NH＋4－N）用納氏試劑分光光度法測定；硝態氮（NO－3－N）用紫外分光光度計法測定；總磷（TP）、溶解態總磷（DP）先要用過硫酸鉀消解，后用鉬酸鹽比色法。鉀（K）用火焰原子吸收分光光度法測定。

參考USLE方程中植被控制與管理因子C值的定義［20］，制定了保水效應、保土效應和截留養分效應。其中，保水效應值＝1－有植被小區的地表徑流深度（單次降雨）／對照小區的地表徑流深度（單次降雨）；保土效應值＝1－有植被小區的土壤侵蝕量／對照小區的土壤侵蝕量；截留養分效應值＝1－植被小區地表徑流的中N、P、K的流失量／對照小區的地表徑流的中N、P、K的流失量。

試驗數據采用SPSS 18.0軟件和Excel 2010進行分析，采用SPSS 18.0軟件進行圖件繪制。

2 結果與分析

表1 典型降雨時的植被總覆蓋度

2.1 不同植被總覆蓋度

2012年4月2 8日—2012年5月18日徑流小區的4場典型降雨事件的降雨量及對應時間的植被生物學特征，具體詳見表1。從表1中可以看出，3種不同的植被種植模式的總覆蓋度略微增加，但是植被總覆蓋度總量變化不大。在4月28日—5月18日期間，D1的覆蓋度在52%～53.9%之間，D2的覆蓋度在62.3%～63.1%之間，D3的覆蓋度為58.2%～61.1%。通過對比，三種處理的覆蓋度為D2＞D3＞D1。

2.2 不同植被的水土保持效應分析

一般情況下，徑流深度能夠反映植被保水能力的絕對量。但是因喀斯特地區的降雨量、地形坡度和土壤條件的特殊性以及負保水效應的存在，用徑流深度來表征保水能力存在一定的不確定性。而以保水效應表征植被的保水能力能夠有效的減小保水的負效應和環境條件的影響，保水效應值越大表示保水能力越強。統計結果表明：3種植被呈現出不同的保水效應（表2）。其中以D2的保水能力最好，保水效應值為0.39，其次是D3和D1。三種植物都具有一定的保水能力，但是保水能力具有一定的差異性。與保水效應相似，采用保土效應能減小環境條件和消除保土負效應對保土分析的影響［21－23］，保土效應值越大表示保土能力越強。從表2可以看出，D2和D3的保土能力無顯著性差別，其保土效應值為0.5，兩者的保土能力均好于D1。

表2 不同莖形態植物的保水效應和保土效應

2.3 不同植被的養分截留效果分析

植被對養分的截留效果體現在植被根系和殘枝枯葉對土壤表層養分的截留上。在降雨徑流的驅動下，養分隨地表徑流遷移，同時也使養分隨侵蝕泥沙而遷移。水的遷移過程制約和決定著土壤養分的遷移過程，坡面降雨—入滲—徑流過程就是土壤養分遷移的過程。為了解不同植被對養分的截留效果，對徑流中的N、P、K進行分析。養分截留效應值＝1－植被小區地表徑流的中N、P、K的流失量／對照小區的地表徑流的中N、P、K的流失量，養分截留效應值越大，截留效果越好。

圖1 不同莖形態植物處理養分截留效應

從圖1A和1B可以看出，不同處理對TP和DP都存在一定的截留效果。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對TP的截留效應平均值均超過了0.5，大小順序為匍匐莖植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物，匍匐莖植物和攀緣莖植物對TP的截留效應差異不顯著，平均值均為0.64，而直立莖植物的TP截留效應值相比較大。從圖1B可以看出，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對土壤表層的DP的截留效應值分為0.64，0.64，0.75。從圖1C、1D和1E可以看出，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的不同處理對徑流小區內的TN、NH＋4－N和NO－3－N都有很好的截留作用，D1、D2和D3的對徑流小區內的TN的截留效應的均值分別為0.54，0.68，0.61，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對徑流小區內的NH＋4－N的截留效應均值分別為0.64，0.53，0.45，匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對徑流小區內的NO－3－N的截留效應的均值分別為0.86，0.78，0.83；對比可知，三種不同莖形態植物處理對徑流小區內的NO－3－N截留作用明顯好于對TN和NH＋4－N的截留作用。從圖1F可以看出，不同莖形態植物對徑流小區內的K都有一定的截留作用，截留效應值在0.4～0.6之間。總體來看，三種莖形態植物對TP和TN的截留效果排序為匍匐莖植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物；匍匐莖植物、攀緣莖植物和直立莖植物對溶解態的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果較好。

2.4 不同莖形態植物水土保持效應與養分截留效應相關性分析

為了解保水固土能力與養分截留作用之間的關系，證實養分的輸出是以水作為動力，土壤作為載體，對保水固土效應與養分截留效應之間的相關性進行分析，結果詳見表3。從表3可以看出，保水效應和保土效應都與養分截留效應存在極顯著相關性（P＜0.01）；不同莖形態植物對TP、DP、TN、NO－3－N、NH＋4－N和K的截留效應均為正相關，相關系數＞0.698＊＊。

3 討論與結論

植被覆蓋度是衡量水土流失的一項重要指標。植被覆蓋度與徑流量和土壤侵蝕量呈負相關關系，即植被覆蓋度越大，徑流量和土壤侵蝕量越小［4，24］。從植被的水土保持效應來看，直立莖植物的水土保持效果較好。直立莖植物選擇的是草本植物，其根系發達，有效增加了土壤的孔隙度，防止土壤板結，有利于降雨下滲［25］；此外，直立莖植物的覆蓋度最大，覆蓋度越大，減弱降雨的沖刷能力就越強，徑流量越小。植被的枝葉量越大，對降雨的攔蓄能力就越強［26］。一般情況下，發達的根系和高覆蓋度能很好地減少降雨徑流對地表的沖刷能力［27］，并能夠提高土壤的滲透性能［28］。本試驗3種植物的水土保持效應在0.5～0.6之間，其對應的覆蓋度在52%～63%之間。有關人工草地蓋度對產流產沙影響的研究表明，當植被蓋度在20%～40%時，減沙效益為54%～79%；植被蓋度為60%～80%時，減沙率為77%～95%［29］。張光輝等［30］研究表明：土壤侵蝕量隨著草地植被的覆蓋度的增大呈指數下降趨勢，認為70%的植被覆蓋度可以作為實驗條件下的有效植被覆蓋度。有研究表明［31］，匍匐莖植物（薜荔）在70%的覆蓋度對應的保水、固土能力分別為0.65和0.58，攀緣莖植物（常青藤）在58%的覆蓋度對應的保水、固土能力分別為0.66和0.64，與本試驗結果一致。

匍匐莖植物和攀緣莖植物生長緩慢，植被覆蓋度小，根系不發達，致使降雨對表層土的沖刷能力較大，土壤侵蝕能力強，為養分的遷移提供的充足的動力；而直立莖植物的根系和覆蓋度較大，消減了降雨的沖刷能力，從而減弱了營養物質輸出的動力。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對土壤表層的TP、TN的截留效應隨持續雨季的影響呈現增加的趨勢。其原因可能是隨著降雨的持續，表層養分已伴隨持續降雨逐漸流失，致使表層土中的養分含量降低，從而減少了表層土磷素遷移的可能性。有研究表明，土壤養分流失隨時間推移，泥沙中平均養分含量逐漸降低［32］。不同莖形態植物措施處理的徑流小區對溶解態的DP、NO－3－N和NH＋4－N的截留效果較好，其原因可能是DP、NO－3－N和NH＋4－N更容易被植被吸收和利用，致使徑流小區表層土中可供遷移的溶解態營養成分含量減少。有研究表明，徑流中顆粒態養分含量隨降雨侵蝕力增大而增大，而溶解態養分含量與降雨侵蝕力無明顯相關［33］，雨強較大時，土壤養分流失以泥沙攜帶為主，雨強較小時，以徑流攜帶為主［34］。保水固土能夠有效地控制養分流失，控制水土流失是控制養分流失的有效途徑。有研究表明：侵蝕泥沙是養分流失的主要載體，氮磷流失的60%以上是通過泥沙帶走的［35］，養分流失量以徑流泥沙為載體［36］。

匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的水土保持效應明顯，保水效應分別為：0.31，0.39，0.30；固土效應分別為0.45，0.50，0.50。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物的養分截留效果明顯，但對不同營養成分截留效果差異較大。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對TP和TN的截留效果排序為匍匐莖植物＜ 攀緣莖植物＜直立莖植物。匍匐莖植物、直立莖植物和攀緣莖植物對溶解態的養分截留效果明顯，其中DP的截留效果分別為0.64，0.64，0.75；NO－3－N的截留效果分別為0.86，0.78，0.83；NH＋4－N的截留效果分別為0.64，0.53，0.45；K 的截留效果分別為0.54，0.56，0.58。保水效應和保土效應與不同養分截留效應存在著顯著性相關（P＜0.01），保水固土是控制養分流失的有效途徑。

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