南水北調中線工程河南段邊坡土壤特性及生態護坡效益研究

［關鍵詞］ 土壤特性；生態護坡；防護效益；南水北調中線工程；河南段

［摘要］ 南水北調中線工程河南段護坡植被退化給維護生態護坡結構穩定和推進工程沿線生態恢復帶來極大的影響。為研究南水北調中線工程河南段邊坡土壤特性對植被生長的影響，并探究實際生長環境下不同邊坡植被的水土流失防護效益，取樣4個等級植被蓋度的土壤進行土壤理化特性分析，并選取4種常見護坡草種，營造實際植被生長環境，探析不同植被對土壤氮素和有機質含量的影響，通過模擬強降水條件，分析不同草種的水土流失防治能力。結果表明：①南水北調中線工程河南段邊坡土壤含水率較低，土壤密度較大，容易形成土壤板結；土壤氮、磷、鉀含量較低，不利于護坡植被的自然生長。②4種常見的草本植物對土壤氮素和有機質含量的影響差異明顯，其中馬蹄金和野牛草對土壤氮素和有機質的增量效果較為突出；4種草本植物都具有較好的蓄水減沙效益，其中野牛草水土流失防治較為突出，馬蹄金次之。綜合護坡植被的水土流失防治能力和生態系統修復能力，馬蹄金的防護效益最佳。

［中圖分類號］ S157[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.017

［引用格式］ 張建偉，馬洪東，宋剛福，等.南水北調中線工程河南段邊坡土壤特性及生態護坡效益研究[J].中國水土保持，2024（4）：61-66.

南水北調中線工程是我國“四橫三縱”水網主干之一，流經河南、河北、天津和北京4個省（直轄市），干渠全長1 432 km。截至目前，中線工程累計調水約600億m3，直接受益人口9 000多萬人，是解決我國水資源分布不均衡問題和保障國民經濟可持續發展的重大戰略性基礎工程，對我國水資源優化配置發揮了重大作用[1]。南水北調中線工程干渠以露天明渠為主，施工階段為滿足工程安全和生態保護的要求，在邊坡采取了工程和植被相結合的生態防護形式。生態護坡對工程沿線生態環境恢復、水土流失防治、景觀美化等起到了重要作用。然而，由于工程建成運營時間較短，生態護坡技術不成熟，因此現階段工程沿線部分邊坡存在植被覆蓋減少等問題[2]。其中，南水北調中線工程河南段全長731 km，約占全線總長的50%，其護坡植被退化給維護生態護坡結構穩定和推進工程沿線生態恢復帶來極大的影響，因此實現南水北調中線工程河南段生態護坡效益的最大化至關重要。近年來，隨著習近平生態文明思想的深入貫徹落實，全社會的生態保護意識逐漸增強，生態護坡工程數量大幅增加。同時生態護坡工程的水文和植被效應研究已經成為國內外水利工程和環境科學領域的研究熱點[3-4]，許多學者開展了相關研究。ARJMAND SAJJADI S et al.[5]通過模擬降水試驗探究植被對坡面徑流的影響，構建護坡植被與坡面流態之間的關系；許桐等[6]通過分析不同植被護坡力學效應，探討護坡植被對土壤抗剪強度和滲透性的影響；梁燊等[7]選取不同生長區域的護坡植被進行調研，總結植株根系的分布情況，分析植被根系對邊坡穩定性的影響。然而，針對大型水利工程生態邊坡的土壤特性和植被適應特征方面的研究較少。因此，本研究以南水北調中線工程河南段為例，通過分析不同植被蓋度的土壤理化性質，基于試驗模擬探討不同護坡植被對土壤肥力提升和水土流失防治能力的差異，以期為提升大型水利工程生態護坡綜合效益提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況南水北調中線工程河南段涉及鄭州、焦作、安陽、新鄉等地市，通過前期對涉及區域進行實地調研，掌握工程沿線生態護坡植被的基本生長情況，本研究選取具有代表性的鄭州段進行試驗觀測。南水北調中線工程鄭州段位于華北平原與豫西山區的過渡帶，整體地勢西高東低，主要由平原、丘、崗組成，平均海拔為132.08 m，邊坡均為土質邊坡，邊坡植草面積大，且缺少灌溉設備；屬溫帶大陸性季風氣候區，年均降水量699.8 mm，降水集中在夏、秋兩季，其中夏季降水量約占全年降水量的53%，冬、春兩季干燥少雨，段內不同地點年均風速2.1～2.5 m/s，年均氣溫14.5 ℃；土壤屬壤質潮土，整體肥力較差，植被生長狀況差異明顯，主要由高羊茅、狗牙根、馬蹄金和野牛草4種草本植物組成，歷年最大凍土深為27 cm[8]。

1.2研究方法

1.2.1樣方選取和試驗設計試驗分為2個部分：①為分析不同植被覆蓋條件下土壤理化性質的差異，于2023年9月分別選取南水北調中線工程鄭州段金水河倒虹吸南150 m處右岸、金水河倒虹吸北100 m處右岸、唐家門橋北100 m處右岸、毛莊跨渠橋北100 m處右岸4個不同等級植被蓋度的土壤，其中植被蓋度＞95%為植被未退化樣方ND，植被蓋度＞85%～95%為植被輕度退化樣方LD，植被蓋度＞75%～85%為植被中度退化MD樣方，植被蓋度≤75%為重度退化HD樣方。對比分析4個樣方的全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀等土壤養分情況和土壤pH值、含水率、密度等土壤物理性質。②因研究區平均植被蓋度在＞75%～85%，故于2023年6月選取MD樣方土壤，并均勻分為5份，測定其有機質、速效氮、全氮含量，其中1份作為裸坡對照組，并將其余4份試驗土樣在華北水利水電大學農水試驗場進行室外播種試驗，分別播種馬蹄金、野牛草、高羊茅、狗牙根4種研究區常見的護坡植被，其基本特征見表1。植被生長周期為4個月。試驗結束后重新測定土樣的有機質、速效氮、全氮含量，并與試驗對照組進行對比；然后利用特定試驗裝置［見圖1（a）］，模擬雨強為135 mm/h、時長為30 min情況下各土樣的產流產沙情況［見圖1（b）］，分析4種常見護坡植被的保持土壤能力。表14種常見護坡植被的基本特征名稱外觀特征生長習性植被類型馬蹄金莖較細長；葉片呈馬蹄狀，葉背被毛；花冠為鐘狀喜溫濕氣候，適應性較強，抗踐踏能力較強多年生匍匐草本野牛草株纖細；葉線形，較粗糙，兩面被毛；雄花序有2～3枚總狀排列的穗狀花序，雌花序常呈頭狀喜陽光，具有耐寒性，耐貧瘠能力較強多年生低矮草本高羊茅莖呈圓形，較直立，葉扁平，較堅硬；圓錐花序，多自然下垂喜光，耐高溫，耐貧瘠，抗病性強，耐踐踏多年生叢生草本狗牙根莖稈直立或輕度匍匐；葉線形，光滑；穗狀花序，呈灰綠色極耐光熱，抗寒性較差，抗踐踏多年生低矮草本

1.2.2分析方法土壤樣品妥善保存并及時在試驗室內進行土壤理化性質分析，其中土壤密度（SPD）、含水率（MC）、有機質含量（OM）測定參照《土壤質量 土壤理化分析樣品的預處理》（GB/T 42363—2023），土壤全氮（TN）、速效氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）、全鉀（TK）、速效鉀（AK）、pH值、陽離子交換量（CEC）測定參照《土壤調查實驗室分析方法》。利用SPSS軟件進行數據處理，采用單因素方差分析和最小顯著差法校驗數據。

2結果與分析

2.1不同植被蓋度土壤理化性質

2.1.1土壤pH值、含水率和密度ND、LD、MD、HD 4個樣方的pH值、含水率、密度的測定結果見表2。淺層土壤指0～10 cm土層，深層土壤指10～20 cm土層。淺層土壤的pH值為8.39～8.43，深層土壤的pH值為8.41～8.43，不同植被蓋度土壤間pH值差異較小， 張建偉等：南水北調中線工程河南段邊坡土壤特性及生態護坡效益研究整體呈弱堿性，不利于植被對氮、磷元素的有效吸收利用。淺層土壤密度為1.33～1.37 g/cm3，深層土壤密度為1.34～1.38 g/cm3，不同植被蓋度土壤密度差異較小，土壤結構較差，不利于土壤肥力提升。由于南水北調中線工程渠坡面積較大，護坡植被人為干預較小，因此土壤含水率主要受自然降水影響。4個樣方土壤含水率較低，淺層土壤平均含水率為17.07%，深層土壤平均含水率為17.89%。HD樣方土壤含水率僅在15%左右，可能原因是HD樣方植被蓋度較低，土壤水分蒸發較快[9]。表2不同植被蓋度土壤的pH值、含水率和密度樣方土層pH值含水率/%密度/（g/cm3）ND淺層8.3918.871.36深層8.4220.181.35LD淺層8.4317.681.35深層8.4118.821.34MD淺層8.4116.881.33深層8.4317.281.36HD淺層8.4214.861.37深層8.4315.261.38

2.1.2土壤氮、磷、鉀含量圖2是4個樣方的土壤氮、磷、鉀含量情況，依據我國土壤養分含量等級劃分，4個樣方的氮、磷含量均屬極度缺乏水平[10]。從不同土層來看，4個樣方深層和淺層土壤的全氮、全磷、全鉀含量差異較小，全氮含量為0.024%～0.031%，全磷含量為0.031%～0.036%，全鉀含量為1.66%～3.42%，而速效氮、速效磷、速效鉀含量深層和淺層土壤差異相對比較明顯，其中速效磷含量MD樣方淺層土壤明顯高于深層，速效鉀含量MD樣方和HD樣方淺層土壤明顯高于深層。從不同植被退化程度來看，4個樣方的全氮和全磷含量差異較小；HD樣方的全鉀含量最高，MD樣方土壤速效氮含量最高，這可能與植被類型和根系吸收有關[11]；MD樣方淺層土壤速效磷含量明顯高于其他樣方，這可能與土壤含水率和土壤溫度等環境因子耦合影響有關[12]；MD和HD樣方淺層土壤速效鉀含量明顯高于其他樣方，這可能與陽離子交換量較高有關[13]。圖24個樣方的土壤氮、磷、鉀含量

2.1.3不同植被蓋度土壤有機質和陽離子交換量4個樣方的土壤有機質含量和陽離子交換量見圖3。4個樣方均呈現淺層土壤有機質含量和陽離子交換量高于深層土壤的趨勢。淺層土壤有機質含量為0.34%～0.48%，深層土壤有機質含量為0.28%～0.42%，有機質含量隨植被退化水平增加而增加，MD和HD樣方有機質含量相對較高，可能原因是樣方植圖34個樣方的土壤有機質含量和陽離子交換量被蓋度較低，短期內土壤有機質消耗較少。淺層土壤陽離子交換量為13.46～14.88 cmol/kg，深層土壤陽離子交換量為12.84～13.62 cmol/kg，4個樣方差異較小，土壤保肥能力適中[14]。

2.1.4土壤理化性質的Pearson相關性分析圖4是土壤理化性質的Pearson相關性分析結果，深層和淺層土壤多數理化指標間的相關性一致。有機質含量與全氮、全磷、全鉀含量均呈正相關關系，其中與全氮含量相關性最高。陽離子交換量與土壤含水率呈顯著的正相關關系，對于植被蓋度較低的邊坡，可通過人為干預增加土壤含水率，進而提升土壤肥力，幫助植被生長。深層土壤pH值與有機質含量也呈顯著相關，但土壤堿性越強，越不利于植被對氮、磷元素的吸收利用，同時在適當范圍內，土壤pH值的輕微降低會有助于微量元素的調動，也有助于植物從堿性土壤中吸收養分[15]。

2.2不同植被護坡防護效益

2.2.1不同植被對土壤氮素和有機質含量的影響由于所選的4種護坡植被根系長度相對較短，且試驗時間僅為植被生長的單個周期，同時許多研究表明土壤養分具有明顯的表聚效應[16]，因此試驗中測定對照試驗組氮素和有機質含量均采用淺層土壤測定的數據（見圖5）。馬蹄金、野牛草、高羊茅、狗牙根試驗組的有機質含量相對于試驗前分別增加了0.12、0.09、0.09、0.04個百分點，速效氮含量分別增加了14.0、13.0、8.8、7.1 mg/kg，全氮含量分別增加了0.013、0.010、0.008、0.006個百分點。馬蹄金和野牛草對土壤有機質含量和全氮、速效氮含量的提升效果優于高羊茅和狗牙根，試驗結果與鞏杰等[17]針對黃土丘陵地區植被恢復土壤養分的研究結果一致。

2.2.2不同護坡植被的水土流失防治能力4種護坡植被對邊坡的水土流失防治能力差異明顯（見圖6）。隨著模擬降水試驗的時間推進，各植被的產流強度均呈現先增加后逐漸趨于穩定的過程，其中野牛草和馬蹄金在減輕降水徑流沖刷、降低產流強度方面的效果較好，野牛草試驗組在降水產流趨于穩定后，產流強度僅為裸坡的47%。各植被都有攔蓄降水徑流、減少累計徑流量的作用，試驗結束時裸坡累計圖64種護坡植被對產流產沙的影響徑流量約為野牛草試驗組的2.78倍、馬蹄金試驗組的1.98倍。4種植被對侵蝕產沙量的影響都十分顯著，相對于裸坡，4個試驗組的侵蝕產沙量均有明顯的下降，不同護坡植被的侵蝕產沙量間差異較小，其中野牛草侵蝕產沙量為186.8 g，僅為裸坡侵蝕產沙量的8.7%。

3討論生態護坡的目標是長久發揮生態效益，因此南水北調等大型水利工程應因地制宜開展科學合理的生態修復工程，在實施植被措施進行生態修復時針對部分植被蓋度較低的區域可以適當采取人為干預的方式。在南水北調中線工程大面積的野外渠道實施生態護坡工程時，可以采用人工灌溉的方式調節土壤含水量。一些研究表明，不同灌溉條件下土壤透氣性差異較大，土壤含氧量隨之改變，對植被根系呼吸作用有較大影響[18]；過量灌溉時，土壤含水量較大會導致土壤氮流失[19]，同時會驅使微生物礦化土壤本底有機質氮素[20]；土壤含水量超過閾值時，會減少水穩性大團聚體數量，降低有機質穩定性[21]。因此，采取人工灌溉的方式可以嚴格控制土壤含水率，對保護土壤結構具有十分重要的意義。此外，在植被生長情況較差的渠道實施生態護坡工程時，應減少修剪植被和清理落葉枯草次數，使植被自然腐爛，以減少土壤表層水分的蒸發，同時可以通過適當施加生物炭的方式改良土壤酸堿性，增加土壤有機質含量，以維持土壤結構穩定，增加土壤碳儲量[22-23]。不同植被類型在改良土壤養分、防治水土流失方面有明顯的差異性[24]。土壤氮素和有機質含量是土壤肥力提升的關鍵因素，也是恢復護坡生態系統的重要指標。科學提高土壤氮素和有機質含量對形成健康穩定的植被-土壤群落生態系統具有積極作用。由圖6可知，不同護坡植被對土壤氮素和有機質含量的提升差異性明顯，雖然4種植被試驗組在試驗結束后均提升了有機質和氮素含量，但是馬蹄金和野牛草的效果優于高羊茅和狗牙根。植被護坡的主要目的是防治水土流失，試驗中4種護坡植被均呈現出較好的水土保持效果，其中馬蹄金和野牛草的蓄水減沙效果最為顯著，這可能與其莖葉密度和根系生長情況有直接關系[25]。南水北調中線工程生態護坡的要求不僅是蓄水減沙、有效控制水土流失，更是修復沿線生態環境，建立穩定的植被群落，發揮生態護坡的長期生態效益，因此經綜合分析，4種常見的護坡植被中，馬蹄金的生態效益最佳。受試驗條件限制，本研究僅分析了短期內植被對土壤氮素和有機質含量的影響，而對于大型永久性輸水工程的生態護坡，更應該著眼于護坡植被群落系統循環、沿線生態恢復和極端氣候條件下護坡工程效益保障等問題的深入研究。部分研究表明植被在區域水源涵養方面發揮了關鍵作用[26]，對控制地表徑流的影響超過了氣候變化[27]，而區域發展又是植被變化的主要驅動因素[28]。尤其是國家水網的建設規模龐大，生態護坡植被面積也具有較大規模，應開展生態護坡植被與沿線人類活動和自然環境的系統性耦合研究，以便深入探析植被護坡與沿線生態系統的影響機制，更好地發揮輸水工程優化水資源配置、修復沿線生態環境和優化沿線產業格局的工程和生態效益。

4結論為研究南水北調中線工程河南段邊坡土壤特性對植被生長的影響，并探究實際生長環境下不同護坡植被的水土流失防護效益，本研究取樣4個等級植被蓋度的土壤進行土壤理化特性分析，并選取4種常見護坡植被，營造實際植被生長環境，探析不同植被對土壤氮素和有機質含量的影響，同時通過模擬強降水條件，分析不同護坡植被的水土流失防治能力。1）南水北調中線工程河南段淺層土壤平均含水率為17.07%，深層土壤平均含水率為17.89%，土壤密度大于1.3 g/cm3，容易形成土壤板結；土壤氮、磷、鉀含量較低，不利于護坡植被的自然生長，植被蓋度較低的土壤自我修復能力較弱。2）陽離子交換量與土壤含水率呈顯著正相關關系，可以通過適當的方式調節土壤含水率，改良土壤結構，提升土壤肥力。除此之外，對于植被蓋度較低的護坡應該減少人為修剪，使護坡土壤逐漸恢復自身修復能力，形成植被-土壤群落生態系統。3）不同護坡植被類型對土壤氮素和有機質含量的影響差異明顯，其中馬蹄金和野牛草對土壤氮素和有機質的增量效果較為突出；4種護坡植被都具有較好的蓄水減沙效益，其中野牛草水土流失防治能力較為突出，馬蹄金次之。由于中線工程生態護坡不僅要達到水土保持要求，更要建立穩定的群落生態系統，修復沿線生態環境，因此綜合上述分析，4種常見護坡植被中馬蹄金的防護效益最佳。

[參考文獻]

[1] 胡敏銳，王旭輝.優化供水格局 受益人口增至7900萬 南水北調中線工程累計調水400億立方米[J].中國水利，2021（14）：8-11.

[2] 馬志林，張麗婭，楊秋貴，等.土壤特性對渠道護坡植草生長狀況的影響[J].水土保持通報，2019，39（5）：106-112.

[3] 楊燕華，許海勇，雷澤鑫，等.膨脹土基質環境下生態岸坡防護結構植生效果分析[J].應用基礎與工程科學學報，2023，31（5）：1140-1154.

[4] 楊大文，叢振濤，尚松浩，等.從土壤水動力學到生態水文學的發展與展望[J].水利學報，2016，47（3）：390-397.

[5] SAJJADI S A， MAHMOODABADI M. Sediment concentration and hydraulic characteristics of raininduced overland flows in arid land soils[J].Journal of Soils and Sediments，2015，15（3）：710-721.

[6] 許桐，劉昌義，胡夏嵩，等.西寧盆地黃土區荷載條件下植被護坡力學效應[J].農業工程學報，2021，37（2）：142-151.

[7] 梁燊，劉亞斌，石川，等.黃土區不同齡期灌木檸條錦雞兒根系的分布特征及其固土護坡效果[J].農業工程學報，2023，39（15）：114-124.

[8] 段文剛，郝澤嘉，楊金波，等.南水北調中線工程2014—2022年冬季水溫與冰蓋觀測分析[J].水利學報，2023，54（9）：1025-1037.

[9] 韓新生，許浩，蔡進軍，等.立地因子和蓋度對寧南黃土區中莊小流域玉米土壤水分的影響[J].水土保持研究，2023，30（6）：112-122.

[10] 楊建宇，歐聰，李琪，等.基于云模型的耕地土壤養分模糊綜合評價[J].農業機械學報，2018，49（1）：251-257.

[11] 高洋，王根緒，高永恒.長江源區高寒草地土壤有機質和氮磷含量的分布特征[J].草業科學，2015，32（10）：1548-1554.

[12] 王子龍，孫秋雨，姜秋香，等.冬季增溫對東北農田黑土氮磷有效性的影響[J].農業工程學報，2023，39（9）：91-101.

[13] 全思懋，管曉進，王緒奎，等.江蘇省域農田土壤速效鉀含量變化及其影響因子研究[J].土壤，2019，51（2）：257-262.

[14] 楊樹俊，韓張雄，王思遠，等.土壤陽離子交換量與有機質、機械組成的關系[J].科學技術與工程，2023，23（7）：2799-2805.

[15] 李洪義，賀任彬，謝模典，等.自然和人為因素對耕地土壤有機質含量影響的研究[J].土壤通報，2023，54（5）：1050-1059.

[16] QAYYUM M F，LIAQUAT F，REHMAN R A，et al. Effects of cocomposting of farm manure and biochar on plant growth and carbon mineralization in an alkaline soil[J]. Environmental Science and Pollution Research，2017，24（33）：26060-26068.

[17] 鞏杰，陳利頂，傅伯杰，等.黃土丘陵區小流域植被恢復的土壤養分效應研究[J].水土保持學報，2005，19（1）：93-96.

[18] 于珍珍，鄒華芬，于德水，等.加氣灌溉下土壤呼吸與環境因子相關性研究[J].農業機械學報，2022，53（12）：390-401，410.

[19] ZHANG Xin，XIAO Guangmin，BOL R，et al. Influences of irrigation andfertilization on soil N cycle and losses from wheatmaize cropping system in northern China[J]. Environmental Pollution，2021，278：116852.

[20] WEI Liang，GE Tide，ZHU Zhenke，et al.Paddy soils have a much higher microbial biomass content than upland soils：a review of the origin，mechanisms，and drivers[J]. Agriculture，Ecosystems and Environment，2022，326：107798.

[21] 趙英，郭旭新，樊會芳，等.不同灌溉方式對獼猴桃園土壤團聚體結構和養分的影響[J].水土保持學報，2021，35（3）：320-325.

[22] 王小芳，李毅，姚寧，等.生物炭改良棉花-甜菜間作土壤理化性質與鹽分效果分析[J].農業機械學報，2022，53（4）：352-362.

[23] 賈漢忠，劉子雯，石亞芳，等.不同植被恢復類型的沙地土壤中溶解性有機質演變特征[J].科學通報，2021，66（34）：4425-4436.

[24] 馬玉紅，郭勝利，楊雨林，等.植被類型對黃土丘陵區流域土壤有機碳氮的影響[J].自然資源學報，2007（1）：97-105.

[25] 于國強，李占斌，李鵬，等.不同植被類型的坡面徑流侵蝕產沙試驗研究[J].水科學進展，2010，21（5）：593-599.

[26] FAN Xingang，MA Zhuguo，YANG Qian，et al. Land use /land cover changes and regional climate over the Loess Plateau during 2001-2009 Part Ⅱ ：interrelationship from observations[J].Climatic Change，2015，129：451-455.

[27] WANG Shuai，FU Bojie，PIAO Shilong，et al. Reduced sediment transport in the Yellow River due to anthropogenic changes[J].Nature Geoscience，2015，9（1）：38-41.

[28] 趙勝楠，王宇，喬旭寧，等.1987—2021年淮河流域FVC時空變化與驅動因素分析[J].農業機械學報，2023，54（4）：180-190.