秸稈覆蓋對黑土區侵蝕溝植被恢復和固土的作用

張 瑜， 劉 肅， 徐子棋， 崔 斌

(吉林省水土保持科學研究院, 吉林 長春 130033)

中國東北黑土區總面積1.03×106km2，該區域土壤肥沃，土質疏松，有利于耕作，且地力較高，是中國主要的糧食生產區域之一[1-3]。由于人類不合理的開發利用，該區域水土流失面積不斷擴大，程度不斷加劇[4]。溝蝕是東北黑土區主要的水土流失形式之一[5]。近年來，該區域侵蝕溝數量不斷增加，程度不斷發育[4]。第一次全國水利普查數據顯示，東北黑土區侵蝕溝數量為2.96×105條，且該區域溝蝕發育迅速，2006—2012年增加了4.00×104余條[2]。溝蝕不僅降低土壤質量，嚴重侵占、切割了農耕地，影響農業生產，而且嚴重地影響了該區域生態結構、功能[1,4]。因此，由于水力侵蝕生態破壞的嚴峻性及其對農業可持續發展的影響，黑土區侵蝕溝的防治成為近年來研究的熱點[1,3]。

秸稈覆蓋是一種水土保持耕作核心技術，其可以減少水力侵蝕，增加入滲，改善土壤理化性狀，并能夠提高土壤有機質含量[6-8]。多位學者通過室外和室內試驗相結合，研究了不同土壤類型坡耕地秸稈覆蓋的水土保持效果[9-11]。前人通過室內試驗和室外試驗研究了不同土壤類型區(黑土區、黃土區、紫色土區和紅壤區等)坡面秸稈覆蓋對水土流失、養分流失、水力學特征等方面的影響[6,7,12-17]。徐錫蒙等[18-19]，覃超等[20]，溫磊磊等[8]進行室內模擬試驗研究了秸稈覆蓋對黃土區溝蝕的影響。嚴坤等[21]對三峽庫岸秸稈覆蓋的水土保持作用進行了分析。朱高立等[22]在室內模擬降水條件下研究了秸稈覆蓋對水蝕崩崗的治理效果。然而室外試驗條件下秸稈覆蓋對黑土區溝蝕及侵蝕溝植被恢復影響的研究卻鮮有報道。

本研究通過野外試驗，研究了秸稈覆蓋對黑土區侵蝕溝岸土壤水、熱、植被生長和水土流失的影響，以期為秸稈覆蓋在侵蝕溝植被恢復、水土流失防治應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

項目區位于吉林省東遼縣杏木國家級水土保持科技示范園區內，地理坐標為東經125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。該區域屬中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫5.2℃，有效積溫2 700～2 800 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-40 ℃，年均無霜期137 d，年均日照時數2 497.9 h。年最大降水量911.0 mm，年最小降雨量410.6 mm，年均降水量658.1 mm，土壤類型以暗棕壤為主。

1.2 試驗布設

試驗布置于園區內一條東西走向侵蝕溝的溝岸之上。于2017年4月初對侵蝕溝兩側各20 m溝岸進行整形后，形成坡度為15°，坡長4 m的直線型坡面。進行刨毛坡面表層土后，在整個坡面均勻撒播苜蓿(Medicagosativa)草籽，播種量18 kg/hm2。在陰坡(南坡)和陽坡(北坡)各10 m長度范圍撒播草籽的坡面鋪蓋由干玉米秸稈橫向編織成的草簾，施用量為3 000 kg/hm2，利用U型鋼絲打入土內固定。其余陰坡和陽坡兩側各10 m坡面利用鐵鍬人工夯實，不做秸稈鋪蓋。在陽坡秸稈覆蓋處和無秸稈覆蓋處離坡底1.5 m處分別設置一個1 m×1 m的徑流小區，四周用30 cm高的鐵皮圍起來，小區右下角鐵皮開孔并挖坑放置一個水桶用來接收徑流。

1.3 測定指標

土壤含水量、土壤溫濕度的測定采用中國賽亞斯公司生產的SYS-TDR200型土壤水分溫度速測儀(探針長度6 cm)。土壤溫度和濕度分別在陽坡、陰坡秸稈覆蓋處和無秸稈覆蓋處的坡上、坡中和坡下測定，并取平均值。從2017年5月30日至9月30日，每月15日和30日的14:00進行測定。

苜蓿株高和主根長測定在分別在陽坡、陰坡秸稈覆蓋處和無秸稈覆蓋處各選擇10株長勢具有代表性的植株，用卷尺進行測定，精確到0.1 cm。苜蓿株高在2017年5月20日至9月27日每10 d測定一次。主根長于6月30日，7月30日，8月30日和9月30日測定一次。苜蓿的地上、地下部分鮮重于9月30日在陽坡、陰坡秸稈覆蓋處和無秸稈覆蓋處各挖區10株長勢具有代表性的苜蓿用天平稱重(10株占地投影面積約100 cm2)，精確到0.01 g。

產流降水量和降水時間用DL16 WMO寒旱極地氣象站進行觀測，從2017年4月初開始，觀測到9月30日。平均雨強計算公式：

平均雨強=降水量/降水時間

(1)

徑流結束后，對小區徑流手收集桶內的徑流體積進行稱量，之后靜置1d，倒掉上清液并用烘箱105℃烘至恒重，稱量泥沙重。

1.4 數據處理及分析

利用Excel進行數據整理及圖、表繪制，利用SPSS 17.0進行方差分析(ANNOVA單因素方差分析Duncan法)、相關分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋對侵蝕溝岸土壤水熱狀況影響

由圖1a可知，本研究侵蝕溝在整個觀測過程中陽坡的土壤含水量都低于陰坡，且同坡向秸稈覆蓋處土壤含水量高于無秸稈覆蓋處。陰坡秸稈覆蓋提高土壤含水量1.8%～6.8%，陽坡秸稈覆蓋提高土壤含水量1.1%～4.0%。由圖1b可知，同處理時，陽坡14:00時土壤溫度高于陰坡，同坡向時，秸稈覆蓋處14:00土壤溫度低于無秸稈覆蓋處。陰坡秸稈覆蓋降低14:00土溫0.6～3.1 ℃，降低14:00土溫0.9～3.6 ℃；這說明：秸稈覆蓋能夠保持、提高土壤含水量，且能降低14:00的土壤溫度。因此，秸稈覆蓋更有利于為侵蝕溝兩岸植被供應水分，并利于降低14:00高溫對植被的傷害，使土壤環境更有利于植物生長。

圖1 秸稈覆蓋對侵蝕溝土壤水熱狀況影響

2.2 秸稈覆蓋對侵蝕溝岸苜蓿生長及生物量積累影響

苜蓿株高和主根長生長特征見圖2。由圖2可知，苜蓿在生長期內的生長速度總趨勢為“慢—快—慢”，速生期是2017年6月19日至8月8日，速生期內陽坡覆蓋、陽坡無覆蓋、陰坡覆蓋和陰坡無覆蓋的株高生長量分別占生長季總生長量的55.33%，60.10%，57.23%，59.72%。6月9日開始，同坡向時，覆蓋處理的苜蓿株高顯著大于無覆蓋處理(p<0.05)，同處理時，陽坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿株高(p<0.05)。例如，8月8日時，陽坡覆蓋苜蓿株高是陽坡無覆蓋株高的119.25%，陰坡覆蓋苜蓿株高是陰坡覆蓋苜蓿株高的140.33%。整個生長過程同坡向時，覆蓋處理的苜蓿主根長顯著大于無覆蓋處理(p<0.05)，同處理時，陽坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿主根長(p<0.05)。例如，9月30日時，陽坡覆蓋苜蓿主根長是陽坡無覆蓋的115.99%，陽坡覆蓋苜蓿主根長是陰坡覆蓋的150.86%。同坡向時，覆蓋處理的苜蓿地上、地下鮮重顯著大于無覆蓋處理(p<0.05)，同處理時，陽坡苜蓿株高顯著大于陰坡苜蓿地上、地下部分鮮重(p<0.05)。同坡位時，覆蓋處理苜蓿的根冠比略小于無覆蓋處理苜蓿。這說明：陽坡比陰坡更有利于苜蓿生長和生物量積累，秸稈覆蓋顯著改善了侵蝕溝不同坡向苜蓿的生長及生物量積累狀況，即覆蓋秸稈有利于侵蝕溝岸植被恢復。

圖2 秸稈覆蓋對侵蝕溝不同坡向苜蓿生長的影響

2.3 秸稈覆蓋對侵蝕溝岸水蝕影響

由表1可知，研究區2017年全年產流降水共8次，其中，6月份2次，7月份4次，9月份2次。秸稈覆蓋顯著減少了試驗小區的徑流量和侵蝕泥沙量。8次產流降水中，保水率范圍為47.82%～71.94%，保沙率范圍為64.93%～73.02%，全年平均保水率為57.34%，全年平均保沙率為67.60%。這說明研究區侵蝕溝15°小區覆蓋秸稈可有效攔蓄徑流、減少泥沙侵蝕量。

表1 試驗小區降水、產流、產沙狀況

對8次產流降水進行降水和產流、產沙相關分析，結果見表2。由表2可知，空白小區和覆蓋小區的徑流與降水量呈顯著正相關(p<0.05)，與平均雨強極顯著正相關(p<0.01)，空白小區和覆蓋小區的侵蝕量與降水量和平均雨強呈顯著正相關(p<0.05)，且徑流量、侵蝕量與平均雨強的相關性大于與降水量的相關性。對試驗小區進行降水與產流、產沙回歸分析，結果見表3。由表3可知，各方程R2值均超過0.965，且顯著性良好，故擬合效果較理想。

表2 試驗小區降水與產流、產沙相關系數

表3 試驗小區降水與產流、產沙回歸方程

注：y1為空白小區徑流量(cm3);y2為覆蓋小區徑流量(cm3);x1為空白小區侵蝕量(g)；x2為覆蓋小區侵蝕量(g)。

3 討論與結論

覆蓋是一種傳統的栽培措施，其能夠調控土壤的水、肥、氣、熱、微生物，從而達到促進作物生長、增產的效果[23-24]。本研究結果表明，黑土區侵蝕溝陰坡、陽坡進行秸稈覆蓋能夠顯著提高5—9月表層土壤水分含量、降低表層土壤14:00的溫度，使土壤環境更有利于植被生長。14:00是一天中氣溫最高的時間。有研究證明，過高的地溫會抑制植物生長[25]。因此，秸稈覆蓋增加了研究區可供植物利用的土壤水分，降低了土壤高溫對植物的傷害，改善了土壤水熱環境。諸多學者的研究也有相似結論。謝慧慧等[26]在山西省六道溝小流域的苜蓿人工草地進行秸稈覆蓋試驗，結果表明，秸稈覆蓋形成地表阻礙層，防止太陽過度照射。可降低地表0—6 cm土壤溫度，且能夠增加地表土壤水分含量。王麗麗等[25]和田壽樂等[23]的研究結果認為，覆蓋通過減少地面蒸發來提高土壤含水量。馮浩等[27]的研究表明，覆蓋能夠使減少水分向深處下滲，并在水分上升到土壤表層時形成阻礙，從而提高土壤表層含水量,同時秸稈覆蓋對0—15 cm的表土溫度影響顯著，夏季平均減低土溫1 ℃。胥生榮等[28]研究認為秸稈覆蓋能夠提高年平均氣溫，減小晝夜溫差，起到穩定溫度的作用。此外，秸稈覆蓋還能夠改良土壤結構，增加土壤有機質含量，并減少土壤N和P元素流失量[14,28]。

本研究結果表明，秸稈覆蓋顯著改善了侵蝕溝岸不同坡向苜蓿的生長及生物量積累狀況，即秸稈覆蓋有利于侵蝕溝岸植被恢復。前人研究也表明，秸稈覆蓋有利于苜蓿生長。劉玉華等[29]稱，6—8月的高溫、溫差較大會造成苜蓿早衰，影響其生長和產量，4—6月的降水量對苜蓿的產量有很大影響，秸稈覆蓋可穩定低溫，并彌補3月光照不足和4—6月水分不足對苜蓿生長的制約。謝慧慧等[26]和宋興陽等[30]的研究結果顯示，地表覆蓋可提高苜蓿水分利用率和苜蓿產量。

本研究結果表明，降雨量和平均降水強度是影響侵蝕溝岸徑流量和侵蝕量的重要因子，且徑流量、侵蝕量與平均雨強的相關性高于與降雨量的相關性。一年內不同雨強和次降雨量下，秸稈覆蓋能夠顯著降低侵蝕溝岸徑流量和侵蝕量。空白小區和覆蓋小區的徑流與降水量呈顯著正相關(p<0.05)，與平均雨強極顯著正相關(p<0.01)，空白小區和覆蓋小區的侵蝕量與降水量和平均雨強呈顯著正相關(p<0.05)，且徑流量、侵蝕量與平均雨強的相關性大于與降水量的相關性。前學者也認為秸稈覆蓋能有效防治水土流失。溫磊磊等[8]，楊青森等[14]認為，黑土區侵蝕溝設置秸稈覆蓋可分散、截獲徑流，增加入滲，并減少侵蝕量。眾多學者認為，秸稈覆蓋能夠延遲產流、增加入滲，削弱雨滴擊濺的動能，防治土壤結構的破壞及搬運，同時提高地表粗糙度、增加臨時蓄水能力[7,10,31-32]。徐錫蒙等[18-19]的研究結果表明，秸稈覆蓋能夠削弱黃土去侵蝕溝溝壁崩塌作用，降低徑流流速和挾沙能力，防治侵蝕溝尺寸擴大。黃新君等[9]和白永會等[12]的研究結果表明，秸稈覆蓋增加地表粗糙度，提高了侵蝕臨界徑流剪切力，降低土壤可蝕性。

綜上所述，秸稈覆蓋能夠有效減輕黑土區侵蝕溝水土流失，且能夠改善侵蝕溝土壤環境，有助于侵蝕溝岸植被恢復，可在侵蝕溝治理中進行推廣。下一步，還應對秸稈覆蓋結合種植苜蓿整體防治溝蝕作用以及不同植物與秸稈覆蓋組合的生態護坡作用差異進行研究。