黑土區坡式條田對水土流失、土壤水熱及呼吸的影響

張 瑜, 徐子棋, 楊獻坤, 崔 斌

(吉林省水土保持科學研究院, 吉林 長春 130033)

水土流失是世界級的重要生態環境問題，它不僅影響自然環境，更影響人類的生存、發展[1]。東北黑土區是中國重要的糧食基地，也是中國一個主要的水土流失區[2]。東北黑土區坡耕地多處于坡度0.5°～5°的長緩坡，且坡耕地占該區域耕地總面積的59.38%，2010年數據顯示，東北黑土區水土流失面積約為27.58萬km2，坡耕地造成的水土流失面積高達當地水土流失總面積的80.3%，即坡耕地為該區域主要水土流失區域[3]。黑土具有表層質地疏松、下層黏重、透水性較低、易被沖蝕的特點，加之該區域多年來重用輕養、不合理開發利用，導致水土流失程度不斷加劇[4]。因此，黑土區如何選擇合適的坡面水土保持措施，在減少徑流、泥沙侵蝕的同時，做到改善土壤環境，已成為近年來研究的熱點。

坡式條田是一種沿坡面等高線修筑地埂，在埂前修筑竹節狀蓄水溝，減少徑流匯集量與沖刷，埂上栽植固埂植物的水土保持坡面措施，具有占地小、土壤擾動小的特點[5]。由于坡式條田在結構和原理上與地埂植物帶相似，故本文將前人有關地埂植物帶的相關研究也納入分析。于艷秋等[6]簡述了坡式條田的技術參數和特征。隋媛媛等[5]研究了黑土區坡耕地建造坡式條田減流減沙、減少養分流失、增強土壤抗崩解性和提高經濟效益的作用。李立新等[7]，呂志學等[8]，趙梅等[9]分析了東北低山丘陵區和黑土坡耕地地埂植物帶的保水保土效果、成本和生態、經濟、社會效益。陳英群等[10]研究了黑土區坡耕地復合地埂(雙埂+植物帶)對土壤含水狀況的影響。任麗華等[11]研究了遼東山區坡耕地埂植物籬蓄水保沙和防治農業污染的效果。黃歡等[12]研究了三峽庫區地埂植物籬對土壤粒徑組成的影響。周萍等[13-15]研究了紫土區坡耕地植物根系固結地埂的土力學特征和地埂對不同坡位土壤粒徑分布的影響。殷慶元等[16]研究了金沙江干熱河谷坡地生物地埂對土壤水穩性顆粒組成的影響。蔣光毅等[17]研究了石漠化區桑樹地埂對土壤容重、孔隙度、粒徑組成、持水性和入滲性的改善作用。周萍等[18]西南山區不同高度地埂攔蓄水沙作用、對土壤可蝕性和粒徑組成的影響和經濟效益進行了對比。然而，有關黑土區修建坡式條田對徑流泥沙及土壤環境影響的研究卻鮮有報道。

本研究通過野外試驗，分析坡式條田對水土流失、植被覆蓋狀況、土壤水熱條件和土壤呼吸的影響，以期為坡式條田在坡耕地應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于吉林省東遼縣杏木小流域，地理坐標為東經125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。東遼縣地處吉林省中南部，氣候類型為半濕潤中溫帶大陸性氣候，四季差別鮮明。該區域年日照時數為2 504.2 h，年日照率為57%。年平均溫度5.2 ℃，年均降水量為658 mm，夏季雨熱同季。土壤類型主要為棕壤和暗棕壤。

1.2 措施布設

措施布設和觀測時間為2018年9月至2019年9月末。坡式條田坡面坡度為8°，坡形為直線型，為陰坡，坡長為228 m。按照防洪標準10 a一遇3～6 h暴雨標準設計尺寸，田面寬25 m，長70 m，就地取土修筑土埂，溝在上、埂在下，從埂上方開溝取土，并在溝中橫向間隔修筑擋土垱。地埂頂寬0.4 m，底寬1.2 m，平均高0.4 m，溝底寬1 m，埂、溝邊坡比1∶1。埂上栽植2 a生紫穗槐，株行距為0.5 m×0.5 m。選擇該坡措施旁同為8°的橫壟耕作玉米田作為對照，坡長228 m，田長10 m。按照公式(1)計算試驗田面積：

試驗田面積=坡長×田長

(1)

計算可得，措施田面積15 690 m2，無措施玉米田面積2 280 m2。措施田和無措施玉米田坡底各設置1個沉沙池，尺寸4 m×4 m×1 m，用于收集徑流泥沙。

1.3 測定指標

2019年全年觀測降雨、徑流、產沙狀況。采用DL16 WMO寒旱極地氣象站進行降水指標的測定。徑流結束后，測定沉沙池中水深，計算徑流量公式為：

徑流量=水深×沉沙池面積

(2)

將徑流攪勻，用收集桶收集，測定體積，靜置1 d后倒掉上清液并用烘箱105 ℃烘至恒重，稱量泥沙重。侵蝕量計算公式：

侵蝕量=徑流量×收集桶中泥沙重量/

收集桶中徑流體積

(3)

由于黑土區土壤侵蝕最嚴重的的坡位為坡中[19]，故在坡中測定土壤水熱和土壤呼吸，并選擇晴朗天氣進行測定。使用TDR環境水分監測儀進行測定，測3點取均值。利用LI-8 100測定5 cm深處土壤呼吸速率，水平條田和無措施玉米田坡中各放置3個PVC基座(內徑18.5 cm，高10 cm)，為避免基座對土壤呼吸擾動，放置第2年后開始測定。

1.4 數據處理及分析

數據整理及繪圖、制表所用軟件為Excel，方差分析(ANNOVA單因素方差分析Duncan法)、相關分析和回歸分析所用軟件為SPSS 20.0進行。

2 結果與分析

2.1 坡式條田對黑土坡面產流、產沙的影響

2019年研究區共發生7次產流降雨，集中于6—9月，其中，6月、7月各1次，8月2次，9月3次(見表1)。坡式條田顯著減少坡面產流產沙，各次降水坡式條田和無措施玉米田侵蝕量和徑流量均差異顯著(p<0.05)。

表1 研究區2019年所有侵蝕性降雨

按照單位面積產流產沙量計算，坡式條田次降雨減少侵蝕率范圍為65.0%～84.0%，減少徑流率范圍為53.9%～77.4%，年平均減沙減流率分別為78.3%和68.5%(見表2)。將侵蝕量按面積換算，無措施玉米田年侵蝕模數為401.75 t/(km2·a)，而坡式條田年侵蝕模數為87.53 t/(km2·a)，低于黑土區允許侵蝕速率200 t/(km2·a)。這說明：黑土坡面設置坡式條田具有良好的減流減沙效果，且能將侵蝕速率控制在允許范圍內。對無措施玉米田、坡式條田產流產沙與降水因子進行回歸分析(結果見表3)，其顯著性均小于0.05，R2值均超過0.65，擬合效果較為良好。

表2 試驗田產流產沙狀況

2.2 坡式條田對黑土坡面植被和土壤環境的影響

2.2.1 坡式條田對黑土坡面植被和土壤水熱條件的影響 研究區不同時間坡式條田土壤質量含水量均顯著高于無措施玉米田(p<0.05)。7月15日無措施田和坡式條田的土壤質量含水量分別為9.9%和17.2%。5—9月研究區無措施玉米田和坡式條田植被覆蓋度均逐漸增加，且坡式條田栽植紫穗槐植被覆蓋度顯著高于無措施玉米田(p<0.01)。7月15日無措施田和坡式條田的植被覆蓋度分別為64.7%和100.0%(見表4)。試驗田土壤溫度日變化均為“單峰”規律，溫度從5—9月先升高后降低。同時刻坡式條田溫度顯著低于無措施玉米田溫度(p<0.05)，且坡式條田土壤溫度較無措施玉米田更為平緩(即標準差更小)，例如，7月15日坡式條田、無措施玉米田土壤溫度標準差分別為4.69，5.34(見圖1)。這說明坡式條田可提高土壤含水量，穩定并降低土壤溫度。

表3 試驗田降雨與產流、產沙回歸方程

表4 2019年試驗田土壤水分及植被覆蓋狀況

2.2.2 坡式條田對黑土坡面土壤呼吸的影響 研究區無措施玉米田和坡式條田土壤呼吸速率日變化均先升后降，在13：00—15：00達到最大值，呈現“單峰”規律。隨著季節變化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低。時間相同時，無措施玉米田的土壤呼吸速率顯著高于坡式條田(p<0.05)。例如，5月15日13：00無措施玉米田和坡式條田的土壤呼吸速率分別為2.08 μmol/m2·s和1.51 μmol/m2·s(見圖2)。這說明：修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素損失。

圖1 試驗田不同季節土壤溫度日變化

圖2 試驗田不同季節土壤呼吸速率

由表5可知，研究區無措施玉米田和坡式條田不同季節土壤呼吸速率均與土壤溫度具有較大的相關性，相關系數均不小于0.799，這說明土壤溫度是影響土壤呼吸的重要因子。此外，結合前文坡式條田對黑土坡面產流、產沙的影響分析可知，坡式條田的水土流失狀況顯著輕于無措施玉米田，這說明坡式條田減少徑流沖刷土壤的擾動，減少了土壤CO2排放量。

表5 試驗田土壤呼吸速率與土壤溫度的相關分析

3 討 論

坡式條田是一種適用于長緩坡的新興水土保持坡面措施[5]。本研究結果表明，黑土區8°玉米田修建水平條田能夠有效地蓄水攔沙(p<0.05)，年平均較少泥沙率和年平均較少徑流率分別為78.3%和68.5%。坡式條田年侵蝕模數為87.53 t/(km2·a)，低于黑土區允許侵蝕速率200 t/(km2·a)。隋媛媛等[5]的研究結果表明。黑土區坡耕地修筑坡式條田+地埂栽植草本植物(黃花菜、紅小豆)能夠減少徑流62.5%～69.2%，減少泥沙量70.9%～74.2%，提高作物產量8%～12%，減少養分流失約10%。

本研究坡式條田水土保持效益更好的原因有可能是紫穗槐作為灌木比草本植株更大，覆蓋度更高，防止降水擊濺和攔蓄徑流效果更好，且根系更加發達，盤繞、加固作用更好。眾多研究結果表明，地埂植物帶能夠有效減少坡面徑流量和侵蝕量。朱悅等[20]的研究結果表明，黑土區10°坡耕地地埂植物帶建成3 a后可減少地表水流失75.9%，減少表土流失88.8%，且隨著年數增加，土壤和植被的狀況改善，有更好的效果[20]。周萍等[18]的研究顯示，西南山區采用植物固結地埂能夠減少徑流55.56%，減少侵蝕量79.26%，且比單獨種植等高植物籬攔蓄效果更好、植物產量更高。周萍等[14]對紫色土的研究結果表明，粒徑范圍0.002～0.02 mm的土粒極易隨徑流沖走，而有地埂坡耕地該范圍土粒含量較無地埂處高2.41%，即地埂具有一定攔截泥沙的作用。黃歡等[12]、任麗華等[21]和劉明義等[22]的研究結果表明，地埂植物帶通過枯枝落葉返還土壤、增加根系分泌物來優化土壤通透性，且根系具有盤結、固土作用，增加土壤抗蝕性和抗崩解性。唐茜等[23]認為，土埂和植物帶復合體的粘聚力和內摩擦角明顯大于裸地，通過提高土壤的抗剪切強度來減少土壤流失。地埂植物帶通過機械攔擋作用和改善土壤團聚結構作用來提高土壤抗蝕性[16]。周萍等[14]認為，地埂通過逐年攔蓄泥沙，改變微地形，減小地面坡度，有效減少水、土、和養分流失。

本研究結果表明，黑土區坡式條田可提高土壤含水量，穩定并降低土壤溫度，改善植物作物生長環境，并提高植被覆蓋度。劉明義等[21]和任麗華等[22]認為，地埂植物帶通過枯枝落葉返還土壤、增加根系分泌物和根系腐殖質來降低土壤容重、提高土壤孔隙度，從而提高土壤保水保肥能力。周萍等[14]認為，地埂能夠改善土壤粒徑組成，從而改善土壤入滲。肖列等[24]稱，坡面水土保持工程措施能夠攔蓄徑流，坡面植被能夠截獲、緩沖徑流、減少蒸發，達到增加入滲，蓄積降水的目的。王帥兵等[25]對紅壤區的研究表明，坡面水土保持措施能夠增加土壤含水量(干旱期尤為明顯)，延長土壤濕潤期時間，并能夠提高耕地降水利用率。馬濤等[26]的研究結果表明，采用坡面水保措施的樣地植物生長更好，植被覆蓋度更大，更好地起到遮蓋太陽輻射的作用，因此土壤溫度變化更加平緩。李招弟等[27]的研究表明，相同環境下，植被較好處比裸地具有更低的地溫。高希旺等[28]和葉功富等[29]的研究也都表明，坡耕地使用水土保持工程措施能夠降低土壤溫度，增加土壤水分含量，促進植物生長。

本研究結果顯示，研究區土壤呼吸速率與土壤溫度呈較高的相關性，土壤呼吸速率日變化隨土壤溫度變化呈“單峰”規律。修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率(p<0.05)，降低土壤碳素損失。例如，5月15日13：00無措施玉米田和坡式條田的土壤呼吸速率分別為2.08 μmol/(m2·s)和1.51 μmol/(m2·s)。這說明坡式條田減少徑流沖刷土壤的擾動，降低土壤溫度，從而減少了土壤CO2排放量，更有利于土壤碳素有效利用，并能減少溫室氣體。馬濤等[26]對黃土丘陵區的研究也認為，土壤呼吸規律呈季節性變化，夏季速率最高，其次為春季和秋季，原因是夏季水熱條件較好，且植物處于迅速生長期。土壤水分和土壤溫度是影響土壤呼吸速率的重要因子，坡地水土保持措施能夠提高土壤含水量，減少植物干旱脅迫，降低土壤溫度，從而減緩土壤呼吸速率，減少土壤C素流失。高希旺等[28]和葉功富等[29]的研究也表明，坡面水土保持措施能夠減輕侵蝕，減少土壤擾動，因此土壤呼吸中非生物作用減弱，土壤CO2釋放受到抑制，而且水保措施能夠降低坡面土壤溫度，減弱微生物新陳代謝，因此導致土壤呼吸速率降低。

今后，還應研究水平條田不同施用年限水土保持效果和防治養分流失效果；有關水平條田土壤溫度、土壤水分(閾值效應下)共同影響土壤呼吸的模型建立也需進一步研究[30]。

4 結 論

開展野外試驗，在研究了坡式條田在黑土區坡耕地水土保持作用和土壤環境改善作用，結論如下：

(1) 黑土坡面設置坡式條田具有良好的減流減沙效果，年均減少輸沙率和減少地表徑流率分別為78.3%和68.5%，土壤侵蝕模數為87.53 t/(km2·a)，控制在允許范圍內；

(2) 坡式條田土壤質量含水率顯著高于無措施玉米田(p<0.05)，7月15日無措施田和坡式條田的土壤質量含水量分別為9.9%和17.2%，5—9月研究區無措施玉米田和坡式條田植被覆蓋度均逐漸增加，且坡式條田栽植紫穗槐植被覆蓋度顯著高于無措施玉米田(p<0.01)，7月15日無措施田和坡式條田的植被覆蓋度分別為64.7%和100.0%坡式條田植被覆蓋度顯著高于無措施玉米田(p<0.01)；

(3) 試驗田土壤溫度日變化均為“單峰”規律，溫度從5—9月先升高后降低，同時刻坡式條田溫度顯著低于無措施玉米田溫度(p<0.05)，且坡式條田穩定并降低土壤溫度；

(4) 研究區無措施玉米田和坡式條田土壤呼吸速率日變化均先升后降，在13：00—15：00達到最大值，呈現“單峰”規律。隨著季節變化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低，研究區土壤呼吸與土壤溫度有顯著的相關性，且修筑坡式條田能夠顯著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素損失。

綜上所述，坡式條田在黑土區坡耕地具有較好的水土保持作用和土壤環境改善作用，應在坡耕地中逐漸推廣應用。