土壤特性對渠道護坡植草生長狀況的影響

馬志林，張麗婭，楊秋貴，李虎星，陳 芳

（1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州450003；2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學，河南 鄭州450002；4.河南科光工程建設監理有限公司，河南 鄭州450003）

植草護坡是水利工程渠道邊坡生態防護的主要形式，也成為渠道及堤防美化和生態建設的一項重要措施［1］。特別是南水北調中線工程總干渠長度1 277 km2，基本都是露天明渠，多為土質邊坡［2］，渠坡防護主要采用工程措施＋人工植草。具體辦法就是在土質邊坡的岸坡和外坡面采用單體人字形預制構件拼裝成六棱混凝土框格，然后在混凝土六棱體框格內撒播草種，這是南水北調中線工程應用最普遍的一種植草護坡型式［3］。植草草種以普通高羊茅Festucɑ ɑrundinɑceɑ 和普通狗牙根Cynodon dɑctylon 為主。由于干渠渠坡為挖方或填方邊坡，植草土壤為人工填土，短時間內難以與原有邊坡形成有機的土壤生態系統［4］，肥力和蓄水保墑能力有限，給植草生長造成影響［5］，不同渠段渠坡植草生長狀況差異較大。有的渠段植草生長茂盛，蓋度達80℅以上，起到了良好的綠化護坡作用；有的渠段植草生長較差，蓋度較低，難以起到綠化護坡作用。解決南水北調中線工程河南段渠坡植草生長不良、植草護坡及景觀效果不佳的問題十份迫切。

前人關于植草護坡以及植草護坡與土壤特性的關系多有研究。對于植草護坡的研究，多集中在植草護坡機理［6-7］、植草根系特征對普通邊坡固土抗蝕［8-9］、土壤抗剪強度［10-12］、土壤侵蝕性［13］、土壤滲透性［14］等方面；植草護坡與土壤特性的關系研究主要是普通邊坡草本根系分布對土壤理化性質［15-17］的影響。針對大型水利工程如南水北調中線渠坡植草與土壤特征的研究還鮮見報道。本文以河南省新鄭段為例，通過對渠坡植草生長狀況調查和土壤取樣檢測，分析不同植草生長狀況土壤特性，研究土壤理化性質的變化及對植草生長的影響，為南水北調中線工程河南段植草護坡和渠道標準化管理提供科學依據。

1 概況與方法

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，夏秋兩季多東南風，炎熱多雨；冬春兩季盛行西北風，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 ℃，極端最低氣溫氣溫－17.9 ℃，年均日照時數2 114.2 h；海拔132.06 m；多年平均降水量699.0 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［18-19］。本文研究的植草渠坡主要是一級馬道以上的岸坡和填方外坡兩部分。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方選取 于2017年10月26—27日選取南水北調中線工程河南新鄭段段的唐家門橋北右岸、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4個不同生長狀況人工植草護坡典型渠段進行植被和土壤調查取樣。并按植草生長狀況劃分為4個不同類型的樣方［20］：蓋度＞95%為長勢好的唐家門橋北右岸樣方SD，蓋度80%～85%為長勢較好的王老莊橋北右岸樣方ND，蓋度50%～60%為長勢一般的毛莊北橋右岸樣方LD，蓋度＜20%為長勢差的唐家門橋南右岸樣方MD。4個樣方渠坡均為填方邊坡，優勢植物種均為人工種植的高羊茅，主要雜草有小飛蓬Conyzɑcɑnɑdensis、香附子Cyperus rotundus、泥胡菜Hemisteptɑlyrɑtɑ 等。SD 為人工管理的植草試驗地，高羊茅為節水型低矮品種wɑter sɑver；ND，LD，MD 均為粗放管理的樣方，高羊茅均為普通品種。高羊茅為冷季型，秋季氣溫適宜，蒸發減少，土壤水分大，更有利于生長。

1.2.2 調查方法 對所選不同生長狀況的4個典型樣方進行植被調查，準確記錄各個樣方的地理位置、坡度、坡向、坡長、土壤類型等，詳細描述記錄樣方特征、生境狀況、植草長勢及雜草狀況，采用針刺法測定植草蓋度，并在樣方內隨機選取10株草本用直尺量取株高、冠幅，取平均值。同時根據渠坡植草根系特征對4個樣方進行土壤取樣，每個樣方隨機取3個樣點，采用多點混合取樣法［21-22］，取樣深度為10 cm 和20 cm，按上下2層取樣，共取樣24個。

1.2.3 分析方法 土壤取樣樣品帶回實驗室進行理化性質定量分析，測定p H 值、容重、全氮、全磷、全鉀、有機質、水分、速效鉀、速效磷、陽離子交換量等［23］。其中p H 值采用電位測定法；容重采用環刀法取樣烘干稱重法；速效磷采用硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法；全氮采用重鉻酸鉀硝化蒸餾法；全磷采用鉬銻抗比色法；全鉀用火焰光度法；有機質采用重鉻酸鉀氧化—稀釋熱法。數據在Excel 2003軟件中進行整理，利用SPSS21.00軟件，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（least-significant difference，LSD）對數據進行檢驗，用Pearson相關系數判定因子的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同生長狀況渠坡植被特征

4個不同植草樣方外貌景觀變化特征比較明顯，不同生長狀況植草蓋度差別較大（如圖1），植草的高度、密度、冠幅、長勢等也有明顯變化。長勢最好、蓋度最大的SD 樣方植草高度低于ND 樣方，是因為試驗地采用了節水低矮型高羊茅品種，生長期最大觀測高度平均為32.4 cm，基本符合南水北調渠坡植草高度低于30 cm 的管理要求。ND，LD 和MD 樣方均為普通高羊茅品種，自然生長高度可達70 cm 以上，需要進行不定期刈割修剪，使草層高度不超過40 cm，以保持渠坡植草的均勻整齊。ND 和LD 樣方除了生境等因素，由于刈割時間不同也影響了觀測高度。生長好、蓋度大的樣方，雜草很少，優勢種突出。生長最差的MD 樣方高羊茅密度很低，僅5～6株／m2，均高15 cm，冠幅6～15 cm，生長期末平均蓋度仍只有12.4%，雜草較多，土壤表層有1～2 mm苔蘚覆蓋。

2.2 不同植草生長狀況渠坡土壤特征分析

2.2.1 不同植草生長狀況土壤水分和容重 南水北調中線渠坡上千公里，植草面積巨大，難以保證實時灌溉，因此土壤水分及植物生長主要受天然降水制約，同時還與地面覆蓋、蒸騰蒸發、坡度坡向等有關［24］。秋季土壤含水量相對比較適宜，利于植物生長。4個不同樣方0—10 cm 草種根系主要分布層土壤水分含量在15.43～19.17%之間，較深層的10—20 cm 土壤水分含量在15.78～17.32%之間；同一樣方中，垂直剖面上淺層和深層土壤水分含量差異不顯著。由圖2可以看出，不同植草蓋度樣方淺層土壤水分差異比較明顯，4個樣方中淺層土壤水分隨著群落植被蓋度降低而減少。與SD 樣方相比，植被較好的ND、LD 樣方水分含量差別不大，而與生長植被較差的MD 樣方差異性較顯著，說明SD，ND，LD 樣方植被蓋度大，蓄水保水能力較強，土壤蒸發較弱；MD 樣方植被差，蓋度小，土壤蒸發相對較強，蓄水保水能力弱。SD 樣方由于前期進行了灌溉，所以淺層高于深層；其他3個樣方均表現為深層略高于淺層或持平。

圖1 4種不同生長狀況渠坡植被特征

圖2 不同植草蓋度渠坡土壤水分和容重變化

4個樣方0—10 cm 土壤容重在1.27～1.52 g／cm3之間，平均為1.37 g／cm3；10—20 cm 深層土壤容重在1.34～1.46 g／cm3之間，平均為1.38 g／cm3，淺層小于深層。平均容重均大于1.3 g／cm3，說明土壤結構較差。植被蓋度不同，淺層土壤容重差異較明顯，深層土壤差異較小。

2.2.2 不同植草生長狀況土壤p H 值、有機質和陽離子交換量 如圖3所知，渠坡0—10 cm 土壤層p H值在8.48～8.55之間，平均為8.51，10—20 cm 土壤層p H 值8.44～8.60之間，平均為8.53，不同蓋度樣方淺層和深層差別不大，均屬6級［25］，呈強堿性，不利于氮和磷的有效利用。

圖3 不同植草蓋度渠坡土壤p H 值和有機質含量變化

渠坡種植土壤有機質含普遍較低。草種根系主要分布層0—10 cm 土壤有機質含量在0.16%～0.45%之間，平均為0.34%，屬6級水平；10—20 cm土壤層有機質含量在0.27%～0.41%之間，平均為0.31%，屬6 級水平，淺層和深層有機質均屬極缺乏［25］?？傮w來說，淺層略高于深層（除LD 外）。不同植被蓋度樣方土壤淺層和深層有機質含量均存在顯著差異（p＜0.05）。

由圖4 可知，淺層土壤陽離子交換量（CEC）在13.03～22.02 cmol／kg 之間，平均為15.65 cmol／kg，在LD 樣方出現最大值；深層在11.79～13.65 cmol／kg之間，平均為13.01 cmol／kg。CEC 值主要在10～20 cmol／kg之間，在LD 樣方出現峰值，整體波動不大，說明土壤保肥能力中等，淺層略好于深層，淺層土壤CEC值存在顯著性差異（p＜0.05）樣方。

圖4 不同植草蓋度渠坡土壤陽離子交換量CEC變化

2.2.3 不同植草生長狀況土壤氮磷鉀含量 由圖5可知，渠坡土壤全氮含量普遍較低，屬極缺乏［25］，全氮含量在不同蓋度樣方變化不明顯（僅在SD 樣方深層出現最大值，可能與施肥灌溉后下滲有關）。除SD樣方外，淺層全氮含量均略高于深層，和有機質含量表現基本一致［26］。淺層和深層土壤速效氮含量變化均有波動，存在顯著性差異（p＜0.05）。

4個樣方淺層和深層土壤全磷含量均屬6 級水平，屬極缺乏［25］。全磷含量在不同群落蓋度變化中相對穩定（如圖5）。速效磷含量淺層土壤平均值為4.09 mg／kg，屬于5級水平，深層土壤平均值為2.76 mg／kg，屬于6級水平；除了LD 樣方外，其他3個樣方速效磷含量基本穩定。LD 樣方淺層速效磷含量明顯高于其他3 個樣方，主要原因除了全磷含量略高外，可能還與土壤較黏重有關［27］。

土壤全鉀含量淺層和深層均屬2級水平［25］，含量相對較高，不同植被蓋度樣方變化明顯，深層和淺層差異均達到顯著水平（p＜0.05）。速效鉀含量淺層均高于深層，不同植被蓋度之間淺層和深層均達到顯著差異水平（p＜0.05）（如圖5）。ND 和MD 樣方全鉀含量較高，可能與地貌和填土土質［28-30］有關；LD 和MD樣方速效鉀含量較高，可能與CEC值較高有關［31-32］。

2.3 土壤理化特征與植草蓋度間的Pearson綜合相關分析

Pearson相關分析表明，植草蓋度與容重之間存在顯著的負相關關系（p＜0.05），說明容重大，土壤太過板結，不利于植草生長（如表1）。有機質與全氮、全磷、速效鉀之間存在極顯著的相關關系（p＜0.01），與陽離子交換量之間為負顯著相關（p＜0.05），其中與速效鉀的相關性最大，相關系數達到0.76。即全氮、全磷和速效鉀的含量隨有機質含量的增加而增加，全氮與其他養分之間均存在顯著或極顯著的相關關系［33］。因此，渠坡植草護坡管理中，應盡量少修剪，讓干枯莖葉自行腐爛于土壤，增加土壤有機質，同時試種豆科草種護坡，提高土壤固氮能力，進而改良土壤，逐步形成良性循環的草地護坡土壤生態系統。

表1 土壤理化特征與植草生長狀況（蓋度）間的Pearson相關關系

圖5 不同植草蓋度渠坡土壤氮磷鉀含量變化

3 討論

3.1 渠坡土壤理化性狀與植草生長的關系

南水北調中線渠坡主要為填方或挖方邊坡，渠坡種植層土壤均為人工填土，腐熟需要時間，而且為了保證水質絕對安全，綠化種植中不宜施肥，也不可使用化學除草劑和農藥，人工對土壤肥力干預有限；每年頻繁割草也造成了土壤養分的轉移，所以渠坡種植土壤養分含量普遍過低［25］，土壤理化性能較差。

由圖3可知，不同植草生長狀況對土壤有機質含量有較大影響，土壤全層有機質含量總體上均隨蓋度增大而減小，可能跟生長旺盛的植被群落土壤環境相對較好，有機質分解較快以及土壤養分消耗較大有關。蓋度小的MD 樣地有機質含量較高，ND，LD 樣地有機質含量較低，這與蔡曉布等［34］對藏北紫花針茅高寒草原的研究結果是一致的。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高的原因。

3.2 植草生長不良的原因

南水北調中線渠坡人工種植的冷季型高羊茅是十份耐干旱耐瘠薄的草種，在非極端干旱情況下均能正常生長。SD 樣地為人工管理的高羊茅試驗樣地，生長最好，ND 和LD 樣地高羊茅密度較大，因此蓋度較高；MD 樣地高羊茅密度小，蓋度僅有12.4%，生長不良（如圖1）。可能是由于草坪建植中出苗不均、密度太小，或是因為不合理修剪、頻繁刈割、留茬高度太低，加之渠坡滲水保墑能力差及長時間干旱造成的高羊茅退化［35］。

3.3 關于植草護坡管理理念

南水北調中線渠坡為大面積植草生態護坡，不必要也不可能像城市草坪那樣實時修剪的低矮平整，主要應突出草被的自然景觀屬性和生態護坡功能，可以讓人工草和雜草自然生長演替，保持一定的高度和蓋度，通過一定的簡單修剪措施，達到整齊美觀的效果［1，36］；促進形成具有植物多樣性的自然渠坡草地護坡系統，不僅能夠充分發揮保溫保墑和抗擊雨滴激濺侵蝕的固土護坡作用，增強抗旱能力，還可以大大降低管理成本和管理難度，實現粗管理、低成本、可持續的渠坡生態綠化防護目標。

4 結論

（1）渠坡土壤秋季水分普遍較好，4不同樣地土壤淺層和深層水分含量平均為16.56%和16.91%，適宜植草生長，但生長狀況、蓋度和外貌景觀差異較大。

（2）4種不同植草蓋度渠坡土壤淺層和深層p H值平均為8.51 和8.53，均呈強堿性；容重平均為1.372 g／cm3和1.377 g／cm3，土壤比較緊實；有機質平均為0.336%和0.312%，全氮平均為0.023%和0.058%，全磷平均為0.033%和0.032%，根據全國第二次土壤普查養分含量分級標準，均屬6級水平，有機質、全氮、全磷均為極缺乏；只有全鉀含量較高，達2級水平。蓋度不同、長勢差別較大的4個樣地土壤理化特征具有顯著性差異，但土壤質量總體較差，不利于植草生長。土壤特性對渠坡植草生長好壞影響有限，草坪建植措施不當，出苗不均，頻繁刈割，留茬太低，加之渠坡長時間極端干旱也導致了部分人工植草生長不良。

（3）相關分析表明，植草蓋度與土壤容重成反比，土壤過于板結不利于植草生長；有機質與全氮、全磷和速效鉀之間存在極顯著的相關關系（p＜0.01）。