南水北調中線渠坡不同季節不同蓋度草地土壤氮素和有機質變化

張麗婭　馬志林

摘要：為了解南水北調中線工程渠坡土壤狀況、主要養分變化與植被生長的關系，以河南新鄭段渠道邊坡為例，分析不同植被蓋度3種典型樣地不同季節、不同層次土壤總氮（TN）、速效氮和有機質含量的變化規律及其相關關系，以期為南水北調中線工程渠道邊坡植被生長適應性研究及綠化修復提供科學依據。結果表明：（1）南水北調中線河南段渠坡土壤養分含量總體較低，但呈改良趨勢。不同季節、不同樣地淺層和深層土壤TN、速效氮和有機質含量有的存在顯著性差異（P<0.05）。隨著植被生長時間的延長，不同樣地淺層和深層土壤TN、速效氮和有機質含量10月均高于6月，呈增加趨勢。（2）不同季節、不同樣地土壤淺層和深層TN含量隨植被蓋度變化在6月表現不明顯，在10月均隨植被蓋度增大呈減小趨勢;速效氮含量在淺層均隨蓋度減小而降低，在深層則相反;有機質含量在淺層和深層均隨植被蓋度降低而增大，且淺層含量均高于深層。（3）相關性分析表明，蓋度>90%的長勢好的王老莊橋北右岸樣地的有機質含量與速效氮、TN含量呈顯著性相關關系。TN和速效氮含量在10月末植被生長減退階段均具有較高的相關性，6月不明顯;TN和有機質含量在10月末植被生長減退階段具有相關性，但不明顯。有機質和速效氮含量在6月均具有較高的相關性，10月不明顯。

關鍵詞：植草護坡;土壤養分;相關關系;南水北調中線工程

中圖分類號： S158.3;S181? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0219-04

南水北調中線工程為長距離輸水明渠，除局部為巖石地層外，大多數區段為土質邊坡[1]。輸水總干渠南北地理跨度大，沿線地質、氣候、地貌類型復雜[2]。河南省段自淅川縣陶岔渠首開始到終點河北省漳河，全長731 km，占整個工程的57%，基本都是露天明渠，是南水北調中線工程渠道最長、計劃用水量最大的省份。干渠渠道邊坡多為挖方和填方邊坡，渠坡防護主要采用六棱框格內植草護坡，主要包括岸坡和外坡兩大部分，工程與植物防護措施主要是采用單體人字形預制構件拼裝成六棱混凝土框格，在岸坡和外坡對應段混凝土六角框格安裝完成后，進行表土回填或調用土方回填，填土厚度10～20 cm，然后人工播撒草種，植草護坡，植草品種主要為普通高羊茅[3]。由于渠坡種植層均為填土，且填筑土壤來源不一，土壤質量和肥力參差不齊，邊坡坡度一般在30°左右，有的坡長達幾十米，土壤容重較大，蓄水保墑能力差，給植被生長造成影響，不同渠段渠坡植被生長狀況差異較大。有的渠段植被生長比較茂盛，密度較大，植株較大，蓋度在80%左右，綠化護坡效果較好;有的渠段優勢草種不突出，植被生長較差，密度小，蓋度低，植株弱小，雜草叢生，綠化護坡效果差。通過選擇南水北調中線工程典型渠坡，開展植被和土壤狀況調查和取樣分析，研究不同生長狀況、不同生長季節渠坡土壤氮素及有機質變化規律，了解不同季節、不同群落蓋度土壤氮素和有機質之間的變化關系，對掌握南水北調中線工程渠坡土壤狀況、主要養分變化與植被生長的關系，更好地開展渠坡綠化防護具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于南水北調中線工程河南新鄭段，屬溫帶大陸季風型氣候區，夏秋2季多東南風，炎熱多雨，冬春2季盛行西北風，干燥少雨，多年平均風速2.1～2.5 m/s，最大風速20.3 m/s;全年平均氣溫14.4 ℃，極端最高氣溫42. 5 ℃，極端最低氣溫-17.9 ℃，年均日照時數2 114.2 h;年均降水量699.8 mm，年均蒸發量1 600 mm，無霜期210 d，區域土壤屬壤質潮土，質地沙壤，歷年最大凍土深度27 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 選取南水北調中線工程河南省新鄭市王老莊橋北100 m右岸、毛莊北橋北100 m右岸、唐家門橋南100 m右岸3個不同生長狀況典型草地護坡渠段進行植被和土壤調查取樣。3種類型渠坡均為填方邊坡。將樣地按植被生長狀況和蓋度不同劃分為3個類型：蓋度>90%為長勢好的王老莊橋北右岸樣地（ND），蓋度60%～50%為長勢一般的毛莊北橋北右岸樣地（LD），蓋度20%～10%為長勢差的唐家門橋南右岸樣地（MD）。3個典型渠坡樣地優勢草種均為2014年春季人工播種的普通高羊茅，粗放管理，主要雜草有小飛蓬、莎草、泥胡菜等。

1.2.2 調查方法 于2017年6月下旬和10月下旬對所選不同生長狀況的3個典型樣地進行植被調查，準確記錄各個樣地的地理位置、坡度、坡向、坡長等，詳細描述樣地特征及生境狀況;詳細記錄邊坡植被類型、蓋度、生長狀態及雜草狀況。同時根據渠坡植被及草本植物根系特征對3種樣地進行土壤取樣，采用“S”形多點取樣法，擬取樣深度為草種根系主要分布層0～10 cm（淺層）和10～20 cm（深層），每個樣點取3次，取樣24個。

1.2.3 分析方法 研究區內的植被蓋度采用蓋度框法和針刺法測定，為了更好地說明植被蓋度變化，對植被蓋度進行等級劃分，基于張云霞等對草原的覆蓋度提取[4]，結合樣地的實際情況，將植被蓋度分為3個等級。將取樣樣品帶回實驗室進行理化性質定量分析，測定土壤總氮（TN）、速效氮、有機質含量。其中，TN含量采用重鉻酸鉀硝化蒸餾法，速效氮含量采用堿解蒸餾法，有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法。

1.3 數據處理

數據在Excel 2003軟件中進行整理，利用SPSS 21.00軟件，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（least-significant difference，簡稱LSD）對數據進行檢驗，用Pearson相關系數、線性回歸判定數據的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同季節、不同蓋度土壤TN含量變化

研究區不同季節、不同蓋度和不同深度土壤TN含量普遍很低，土壤分析方法按全國土壤普查辦公室中國土壤方法[5]進行分析化驗均屬六級水平。由圖1可知，不同季節、不同植被蓋度樣地之間，淺層和深層土壤的TN含量有的存在顯著性差異（P<0.05）。10月不同蓋度樣地淺層與深層土壤TN含量均高于6月。隨著植被生長時間的延長，淺層和深層土壤TN含量均呈增加趨勢，6—10月ND、LD、MD 3個樣地淺層土壤TN含量增加量分別為100.0%、142.8%和175%，深層土壤增加量分別為40%、228.6%、250%。其中，MD樣地土壤TN含量的增加量最大，LD樣地次之;淺層和深層土壤TN含量的增加量也都是隨著蓋度的減小而增大。

同一季節，6月LD、MD這2個樣地淺層和深層的土壤TN含量均無明顯變化;而在10月ND、LD、MD 3個樣地的土壤TN含量均表現為深層高于淺層，分別高出31.25%、3529%、27.27%，說明植被生長及地表枯落物對淺層TN的消耗較大。不同季節、不同蓋度土壤淺層和深層變化也不一致，6月（除了ND樣地）淺層和深層土壤TN含量隨植被蓋度變化不明顯;10月，淺層和深層均隨植被蓋度增大呈減小趨勢，可能是由于植被越稀疏，對土壤氮素的吸收、消耗越少。

2.2 不同季節、不同蓋度土壤速效氮含量變化

土壤樣品采用按全國土壤普查辦公室中國土壤方法[5]進行分析化驗，研究區不同季節、蓋度、深度土壤的速效氮含量均屬四級水平;其狀況和TN一樣，都很缺乏。如圖2所示，不同季節、不同植被蓋度樣地之間，淺層和深層土壤的速效氮含量有的存在差異性顯著。10月3個樣地淺層和深層土壤速效氮含量均高于6月;且土壤速效氮含量均隨植被生長時間的延長而呈增加趨勢。與6月相比，10月ND、LD、MD 3個樣地淺層土壤速效氮含量增加量分別為4.30%、4034%、8.93%，深層土壤增加量分別為41.72%、11.13%、6.08%，淺層LD樣地增加量最大，ND樣地增加量最小;深層ND樣地增加量最大，MD樣地增加量最小。

同一季節中，LD、MD 6、10月淺層的土壤速效氮含量比較穩定，差異不顯著;ND、LD 6、10月深層差異不顯著，其他時段均存在顯著差異;6、10月淺層分別是深層的2.2、1.58倍;6月ND淺層土壤速效氮含量高于深層，LD和MD 2個樣地均為淺層低于深層;10月表現為ND、LD 2個樣地土壤速效氮含量淺層均高于深層，而MD樣地相反。不同季節、不同蓋度土壤速效氮含量淺層和深層變化趨勢基本一致，6月和10月淺層速效氮含量均隨著植被蓋度減小逐漸降低，深層則隨植被蓋度的降低而增加。這和TN含量變化規律具有相似性，植被越稀疏，對土壤氮素的吸收消耗越少。

2.3 不同季節、不同蓋度土壤有機質含量變化

研究區不同季節、不同蓋度和不同深度土壤有機質十分缺乏，均屬六級水平（按全國第2次土壤普查養分六級制分級標準[5]）。由圖3可知，不同季節、不同植被蓋度樣地之間，淺層和深層土壤的有機質含量有的存在差異性顯著。10月不同蓋度樣地淺層與深層土壤有機質含量均高于6月。淺層和深層土壤有機質含量也是隨著植被生長時間的延長而增加。與6月相比，10月ND、LD、MD 3個樣地淺層有機質含量增加量分別為28.93%、8.1%、5.43%，深層增加量分別為0.37%、3715%、 29.15%。淺層中ND樣地增加量最大， MD最小，深層中LD樣地增加量最大，ND最小。

同一季節，6月LD、MD樣地淺層和深層土壤有機質含量均差異不顯著，10月ND、MD的淺層和ND、LD的深層有機質含量無顯著性差異，6、10月有機質含量均表現為淺層高于深層，6月有機質含量淺層分別高出深層20%、86.69%和3260%，10月有機質含量淺層分別高出深層54.13%、4715%和8.25%。不同季節土壤淺層有機質含量均高于深層，主要是地表枯落物造成有機質含量增加。同一季節，深層和淺層都表現為植被群落蓋度較大的土壤有機質含量低于蓋度較低的土壤（6月LD樣地深層例外），這與蔡曉布等對藏北紫花針茅高寒草原的研究結果[6]是一致的。可能是由于蓋度大的樣地植物生長旺盛，對土壤有機質消耗較多。

2.4 土壤TN含量與速效氮含量的相關系分析

以土壤TN含量為因變量，速效氮含量為自變量，得到不同蓋度、不同季節的土壤TN含量、速效氮含量之間的回歸分析結果（表1）。由表1可知，南水北調中線渠坡3個樣地在10月末植被生長減退階段土壤TN和速效氮含量均具極顯著正相關關系（P<0.01）;而6月只有ND的土壤TN和速效氮含量達到極顯著正相關關系，其他樣地二者相關性不顯著。

10月土壤中TN含量與速效氮含量呈線性關系，且相關性較好。從表中1可以看出，10月ND、LD、MD土壤TN含量與速效氮含量間的相關系數r依次為0.895、0.926、0.898，相關性表現為LD>MD>ND。

2.5 土壤TN含量與有機質含量的相關性分析

以土壤TN含量為因變量，有機質含量為自變量，得到不同蓋度、不同季節的土壤TN、有機質含量之間的回歸分析結果（表2）。由表2可知，南水北調中線渠坡土壤TN和有機質含量具有一定的相關性，但不明顯。其中，ND 6月的土壤TN和有機質含量顯著性正相關（P<0.05），10月達到極顯著正相關;而LD與MD土壤TN和有機質含量均無相關性，可能是由于LD、MD樣地蓋度較低，地表裸露較大，植被土壤的生態系統遭到了破壞致使各養分之間的關系異常，與趙自穩等對不同季節和退化程度下山地草甸土壤氮素含量的變化的研究結果[7]一致。不同植被類型TN與有機質含量變化規律相似，這是因為土壤中氮素有99%以上來源于有機質，以腐殖質形式存在，所以土壤中有機質含量的增加可以間接增加土壤氮素含量。且有機質含量和TN含量隨著時間的延長而明顯增加，這與趙發珠等對黃土丘陵區土壤有機碳、氮密度研究結果[8]相似。另外，在土壤淺層（0～10 cm）有機質含量最高，可能是因為草本植物根系較淺，累積枯落物在淺層微生物的作用下加快分解，釋放養分歸還土壤，同時在分解過程中產生酸類物質加速土壤礦物的分解與變化，且植物吸收土壤養分通過生物微循環在淺層土壤中富集，所以養分含量較高。

2.6 土壤有機質含量與速效氮含量的相關性分析

以土壤有機質為因變量，速效氮為自變量，得到不同蓋度、不同季節的土壤有機質、速效氮之間的回歸分析結果（表3）。可知，南水北調中線渠坡土壤有機質和速效氮在6月均具有較高的相關性，10月僅ND樣地具有較高的相關性。其中ND、LD、MD樣地在6月土壤有機質和速效氮含量均為顯著性相關，ND樣地在10月土壤有機質和速效氮含量達到極顯著相關。研究區6月土壤中的有機質與速效氮含量呈線性關系，且相關性較好。從表3中可以看出，6月土壤有機質含量與速效氮含量之間的相關系數r依次為0.746、0.773 和0820，相關性表現為MD>LD>ND。

土壤有機質含量和速效氮含量的相關關系比有機質含量和TN含量的相關關系明顯，這與王艷杰等霧靈山地區土壤有機質、TN及堿解氮含量的關系研究結論[9]相反。可能是因為土壤速效氮含量和植物生長特征、生長季節等有密切關系，從某種程度上講，有多種因素影響著土壤速效氮養分含量的變化。

2.7 植被群落蓋度與有機質和氮素含量的關系分析

植被生長過程也是植物對土壤環境不斷適應和改造的過程，而土壤養分是植被生長重要驅動力之一。植被生長發育受土壤養分條件制約，土壤環境的差異會導致植被群落蓋度的變化。有關植被群落蓋度與土壤特征的關系較為復雜，不同學者研究結果也不一致。白永飛等對錫林河流域和沙坡頭人工植被植物群落研究表明，植被群落蓋度與土壤有機碳及TN含量呈正相關[10-11]。也有研究證實了在小尺度內可利用的土壤有機質、TN含量和植物群落蓋度呈負相關[12-13]。本研究結果表明，隨著南水北調中線工程河南新鄭段渠道邊坡植被群落蓋度的降低，淺層土壤有機質、TN含量逐漸增加，速效氮含量逐漸減少。這與蔡曉布等對藏北紫花針茅高寒草原的研究結果[6]相似。說明有機質和氮素含量與植被群落蓋度有著緊密關系，不同學者的研究結果不一致，其原因可能與不同地區環境條件如氣候、土壤類型等不同有關[14]。有機質和氮素作為土壤養分中最主要的2個指標，其含量直接影響土壤肥力狀況，進而影響植物生長發育水平及其多樣性，本研究僅對植物群落蓋度與土壤有機質、氮素含量變化進行探討，要深入認識土壤碳庫、氮庫對植被群落蓋度的影響，則還須要從機理上進行探索。

3 結論與討論

南水北調中線河南段渠坡不同季節和不同蓋度土壤氮素和有機質含量總體較低，但土壤狀況不斷向好。不同季節、不同植被蓋度樣地之間，淺層和深層土壤TN、速效氮和有機質含量有的存在顯著性差異。不同蓋度樣地淺層與深層的土壤TN、速效氮、有機質含量均表現為10月高于6月，即隨植被生長時間的延長，不管是淺層還是深層土壤TN、速效氮和有機質含量均呈增加趨勢。即渠坡植被生長形成的枯枝落葉一定程度上增加了表層腐殖質，使得土壤養分含量增加，植草護坡對渠坡土壤有一定的改良作用，而且渠坡填土層也在不斷腐熟，土壤狀況有改善趨勢。

同一季節，LD、MD 3個樣地淺層和深層的土壤氮素含量在6月均變化不大，而在10月3個樣地均表現為深層高于淺層。在10月，3個樣地土壤速效氮含量在深層比較穩定，有機質含量在淺層比較穩定有機質含量6月和10月均表現為淺層高于深層。

不同季節、不同蓋度土壤淺層和深層TN含量的變化不一致，6月淺層和深層土壤TN含量隨植被蓋度變化不明顯;10月，淺層和深層均隨植被蓋度增大呈減小趨勢;土壤速效氮淺層和深層變化趨勢基本一致，不同季節淺層速效氮含量均隨著植被蓋度減小逐漸降低，深層則隨植被蓋度的降低而增加。不同季節土壤淺層有機質含量均高于深層，同一季節，淺層和深層土壤有機質含量均隨植被蓋度的降低而增大（6月LD樣地深層例外）。這也說明了植被生長對土壤養分的消耗。

南水北調中線渠坡土壤氮素和有機質之間的相關性分析表明，土壤TN和速效氮在10月末植被生長減退階段均具有較高的相關性，6月不明顯;而10月僅ND的土壤中TN含量和有機質含量相關性較高。土壤有機質含量和速效氮含量在6月均具有較高的相關性，10月不明顯;土壤有機質含量和速效氮含量在6月3個樣地均呈顯著性相關關系，10月僅在ND樣地為極顯著相關關系。

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