杂交狼尾草水土保持能力的实验研究

水土保持学报

Jou rnal of So il and W ater Con servati on

V o l.19N o.1

Feb.,2005

　杂交狼尾草水土保持能力的实验研究①

王凭青,段传人,王伯初,刘万钱,朱蠡庆

(重庆大学教育部生物力学与组织工程重点实验室,重庆400044)

摘要:杂交狼尾草是一种优良的多年生禾本科牧草,具有很好的水土保持能力,但人们对其水土保持方面的定量

研究较少。通过对杂交狼尾草草地植被的持水能力、土壤水分变化、土壤抗冲性、渗透性等指标的研究,探讨杂交

狼尾草的水土保持能力。结果表明:杂交狼尾草的持水能力强,能明显增加土壤水分含量,提高土壤的抗冲性、渗

透性,在三峡库区的水土保持工作中有着广阔的应用前景。

关键词:杂交狼尾草;　水土流失;　水土保持

中图分类号:S157.2　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2005)0120114203

Study of P enn isetum p u reum on Function of So il and W a ter Con serva tion W AN G P ing2qing,DU AN Chuan2ren,W AN G Bo2chu,L I U W an2qian,ZHU L i2qing (K ey L abora tory f or B io m echan ics&T issue E ng ineering und er the S ta te M in istry of E d uca tion,

Chong qing U n iversity,Chong qing400044)

Abstract:P enn isetum p u reum is a p erfect k ind of grass w ith excellen t so il and w ater con servati on p rop erty. How ever,few quan titative studies on its so il and w ater con servati on have been done.To p robe in to the effects of P enn isetum p u reum on so il and w ater con servati on,the cap ab ility of w ater con servati on in the vegetati on,the con ten t of w ater in the so il,so il an ti2scou rib ility and p enetrab ility are m easu red.T he resu lt show s that P enn isetum p u reum is strong on the cap ab ility of w ater con servati on in the vegetati on can i m p rove such so il featu res and enhance the con ten t of w ater in the so il greatly;so it can be w idely u sed fo r so il and w ater con servati p u rpo se in the area of T h ree Go rges.

Key words:P enn isetum p u reum;　so il and w ater lo ss;　so il and w ater con servati on

随着国家科技兴农战略的提出,以生态环境建设为突破口与切入点的西部大开发等战略决策的实施以及长江中上游地区与三峡库区退耕还林还草的启动,对新草种的筛选和推广提出更高的要求,既要达到保持水土,改善长江中上游地区与三峡库区植被情况,又要增加种植户的经济效益。目前,我国在草种的选育和种植方面以及在水土保持、土壤学等方面做了大量的研究性工作[1～6]。

杂交狼尾草是一种丛生草本植物,茎叶直立,冠幅宽大,株高平均可长达210m,最高可达215m以上,且其地上部分在秋冬季节不易脱落,枯枝宿存良好;杂交狼尾草的地下根系十分发达,其根系长度一般都在2m 左右,利于防风固沙和保持土壤水分;杂交狼尾草的生态适应性很广,在各种土壤条件下均能生长良好,有较好的气候适应性;杂交狼尾草地上、地下部分的生物量均十分巨大,是一种产草量高、适口性好、营养丰富且水土保持能力很强的优良多年生禾本科牧草,将其引种到温带、暖温带地区栽培后产量高、品质好,特别是夏季生长旺盛,水土保持效果佳,是三峡库区最有前途的优质牧草之一。经过3年的育种筛选和试种观测,杂交狼尾草是一种具有较大的种植潜力和社会经济效益的草种。为进一步了解杂交狼尾草的水土保持功能,我们对杂交狼尾草的一些水土保持特性等进行了系列研究,以探讨其对长江中上游地区与三峡库区生态环境方面的应用价值。

1　材料和方法

采用引进的美洲狼尾草与非洲象草通过种间杂交在重庆地区培育的品种,由重庆大学生物工程学院提供。

试验设3个处理:(1)空白地对照,(2)自然野生草地,(3)杂交狼尾草,坡度为20°。试验小区顺坡设置,四周围隔,小区面积为20m×10m。小区最低处设一出水口,建一径流池收集径流量和泥沙流失量,管理同大田生产。对照使用除草剂保持土地裸露。自然草地选取当地有代表性野生草地。野草以狗尾草、燕麦和野菊花为主,呈散生状或小块状分布。测定项目有:(1)植被持水能力:在样地内设置1m×1m的样方,用收获法分别取样方内全部植物称重并置于静水中浸泡1h,取出待重力水滴尽后称重,以鲜基为基准计算各层最大持水率和单

①收稿日期:2004210202

基金项目:三峡办重点专项[SX(2000-002)];教育部重点科技基金资助项目(01145);教育部科技重大资助项目(02156)

作者简介:王凭青,男,生于1962年,副教授,博士。从事草原生态学和动植物遗传育种研究。

位面积持水量,并取1000g 样品风干称重。(2)土壤的抗冲性能:采用原状土抗冲槽法测定[6]。(3)降水径流量和泥沙流失量:现场测定各次降水的相应径流,并取土样测量含水量(水、泥沙搅拌均匀),计算泥沙流失量。(4)土壤的渗透性:采用双环法测定[7]。(5)土壤含水量:每次降水后(降水量为10mm ,中等降水强度)隔天,用环刀取20c m 处的土壤,再用酒精燃烧法测定,连续测定5次。

表1　不同草地类型最大持水率

项目

最大持水率(%)最大持水量(t hm 2)干重(t hm 2)对照

---野生草地

7114061972152杂交狼尾草草地781352141761382　结果与分析

211　植被持水能力植被地表部分是植被系统中影响降水的第一个活动面,使降水产生第一次再分配。雨滴降落在植被茎叶上,由

于茎叶的吸附作用,很快形成水珠,当水珠重量超过茎叶吸附能力时,则从茎叶上缓慢下落到地表,被枯茎落叶所吸收,并渗入地面。从而改变植被地内降水量,削减雨滴势能,含蓄水源、保持水土。植被的持水能力受植被的最大持水率影响较大,小区不同草地类型最大持水率的实验结果见表1。由表1可见,不同植被类型下最大持水率和最大持水量均呈显著差异。杂交狼尾草草地的最大持水量比野生草地明显增高,因为持水量不仅与持水率有关,还与单位面积的鲜物质重量有关。结果表明杂交狼尾草能明显截持降雨,降低雨水的击溅侵蚀,延长雨水滞留时间,增加水分入渗,提高植被的蓄水保土能力。表2　杂交狼尾草对不同土层深度土壤抗冲性的影响

项目

0～20c m 20～40c m 40～60c m 对照

20156256130278145野生草地

13174121178149152杂交狼尾草草地91669712696138212　对土壤抗冲能力的影响降雨侵蚀往往是由表层开始的,表层土壤抗冲性的提高,对于土壤抵抗径流侵蚀具有非常重要的意义。土壤抗冲能力受植被的覆盖度和植物根系的根密度影响较大[8]。杂

交狼尾草草地覆盖度较大,根系发达,对土壤的物理性质影

响很大。死去草根提供的有机质、活根系的分泌物作为土壤团聚的胶囊剂,配合根系通过在土体中穿插、缠绕,促进了土壤的团聚,从而提高了土壤的抗分散和悬浮的能力,使相邻土体之间的结合更为密切,在抵抗径流等抗侵蚀方面能力大大提高[9]。杂交狼尾草对不同土层深度土壤抗冲性影响的结果见表2。

土壤的抗冲性是土壤抵抗径流分散与搬运的能力,可用1000m l 水冲刷掉土壤的克数来表示。表中的数值越小,说明土壤的抗冲性越强。由表2可知,杂交狼尾草土壤的抗冲性在各个土层深度下均优于野生草地植被土壤,表层土壤的抗冲性提高更为明显。杂交狼尾草能明显提高土壤的抗冲性,与自然条件下无植被的土壤相比,杂交狼尾草草地更能经受暴雨的冲击。

表3　全年各处理每次降水的水土流失调查结果项目年径流量(t km 2)年侵蚀模数(t km 2)保水能力(%)固土能力(%)对照85213165304813300

野生草地541521906211463614579161

杂交狼尾草

1546613279148811853971403　注:保水能力=1-(处理径流量 对照径流量);固土能力=1-(处理侵蚀模数 对照侵蚀模数)。

213　各处理水土流失情况

实验小区坡地土壤质地疏松,易受冲刷;同时本地区降雨集中,强度较大,较易导致水土流失。土壤水土流失会引起土壤的薄层化、土壤养分循环失衡、土壤性质劣质化和贫瘠化以及土壤砂质化和逆向发育过程,从而导致土壤退化[10]。研究水土流失机制是采取科学合理的水土保持措施,防治土壤资源进一步退化,建立可持续生态系统的基础,有利于综合开发和利用植物资源,改善土壤。杂交狼尾草全年各处理每次降水的水土流失调查结果见表3。

从表3可见:各处理水土保持效益以杂交狼尾草的综合防治效果最好,年侵蚀模数和年径流量分别减少

2968185t km 2和69747133t km 2,均达到差异显著水平。杂交狼尾草草地的保水能力和固土能力明显高于

自然野生草地,具有较好的保水固土效果,减少了水土的流失。在径流冲刷过程中,它的地上部分避免了雨水对大部分土壤表面的直接冲刷,增强了土壤抵抗径流对土粒分离出土体的能力,也增加了径流输沙过程中的阻力,提高了表土的抗冲性;同时可以减缓水流速度、降低径流的动能,使径流对土壤的分散和输送能力降低,从而使径流的侵蚀力下降。由于这种双重作用,使杂交狼尾草草地土壤冲刷量大大低于对照地和自然野生草地。这一结果表明,杂交狼尾草是一种有效的水土保持植物。

214　土壤渗透性的影响

水分入渗是指地表面的水体经通道进入土中并在整个土壤剖面上运移的全过程。就控制水土流失而言,增加土壤的入渗性能是至关重要的。地表径流往往是超渗径流,即土壤水分饱和后在地表产生的径流。水向土中入渗,首先必须透过土壤表面,如果土壤的入渗速率是较高的,水就会迅速渗过土壤表面而蓄纳在土体中,地表的径流就会减轻。影响土壤入渗性能的因素很多,有质地、结构、地面糙度、总孔隙度、孔隙的连续性、土隙的大

511第1期王凭青等:杂交狼尾草水土保持能力的实验研究

小分布及土壤的含水量等[11]。杂交狼尾草草地随着植株的生长发育,根系在土体中交织缠绕,使土壤容重减少,非毛管孔隙开始增加,土壤趋于疏松,结构良好,稳定入渗速率大,加之底层土壤干燥,吸水力极强,其稳定渗透速率往往比较高。植被对土壤入渗性能的影响结果见表4。

表4　杂交狼尾草草地对土壤入渗性能的影响项目

土层深度(c m )前30m in 的平均入渗总量(mm )初渗率(mm m in )渗透系数K (mm m in )0～209613231210156对照20～40251580185012740～6016120015401160～20140171691168野生草地

20～40981623129013240～6066179212301280～2026513081844146杂交狼尾草

草地20～402071686192110240～608016321690198

由表4可见,土壤的渗透性由表层向下有递减的

趋势。表层土壤的渗透性远远大于底层土壤的渗透性。不同条件下,土壤的渗透性能随土层深度的增加

有明显的差异。与自然植被下的土壤相比,杂交狼尾

草草地土壤的前30m in 表层的入渗量分别高出对照

土壤175%,比野生草地下土壤高出8812%。杂交狼

尾草下的土壤渗透系数分别是对照土壤的7196倍,是野生草地土壤的21倍。说明杂交狼尾草在提高土壤渗透性方面有着很强的功效。这与杂交狼尾草有

发达的根系系统是有关的,浓密的根系改善了土壤结

构,增加了土壤孔隙度,从而提高了土壤的渗透性能。

图1　降水后不同时间各处理土壤水分变化215　雨后土壤含水量变化

在土层厚度一定时,草地的水源涵养性能主要取决于土壤的

孔隙特性,孔隙度尤其是非毛管孔隙大的土壤,可不断地将地表径

流转入地下水流,增强土壤入渗性能,减小地表径流。雨后土壤含

水量变化的实验结果见图1。

从图1可见,杂交狼尾草草地雨后土壤含水量明显高于实验的对照组和野生草地组,可显著保持土壤水分减缓土壤水分蒸

发。此外,杂交狼尾草草地雨后5天的土壤含水量与空白对照第1

天测得的含水量相差不大。杂交狼尾草草地雨后含水量变化较平

缓,这可能与杂交狼尾草植被茂密,截持降雨能力强,降水后雨水能沿着草叶缓慢下渗到土壤中,厚密的草层使空气流动不畅,水分不易蒸发有密切的关系;同时与根系发达,保水性能好也有关。

3　讨　论草地植被的蓄水保土功能是草层和植物根系等系统各结构层次通过截持降水、拦蓄径流、保护地表层以及固土改土以提高土壤抗蚀抗冲性能、增强蓄水功能来综合体现的。种植杂交狼尾草能显著降低荒坡地的水土流

失,其坡地的年径流量和年侵蚀模数仅为15466132t km 2和79148t km 2,防治效果分别为81185%和

97140%,基本控制了水土流失。此外,从各处理水土流失情况看,杂交狼尾草不仅能有效防治水土流失,也可涵养较多的水分,提高抗旱能力,能较好地防止土壤冲刷而沙化。与野生自然植被下的土壤相比,杂交狼尾草能明显提高土壤的抗冲性、土壤的渗透性,从而利于提高土壤的自身抗侵蚀能力。

杂交狼尾草减少土壤侵蚀、保持水土的作用主要体现在3个方面:(1)杂交狼尾草的茎粗叶茂,生物量大,可有效地增加地表覆盖度。因此能拦截降雨,减缓雨滴的击溅侵蚀及延缓径流,从而降低了土壤侵蚀,增加了雨

水渗透的时间,提高了土壤的水土保持能力。

(2)杂交狼尾草的茎和落叶在底部形成纵横交错的条带,拦蓄地表径流,减缓径流流速,降低其泥沙携带能力,减少细沟发育,增强了土壤的抗冲能力,具有显著的固土效果。(3)植株根系能提高土壤水稳性团聚体的数量,其实质是通过生长活跃的(直径≤110mm )须根来发挥作用[10]。而杂交狼尾草根系发达,须根密集,其必然增加坡地土壤中水稳性团聚体的总量,改善土壤团粒结构,增强土壤抵抗径流和雨滴击溅对其分散、悬浮和运移的能力,从而遏制土壤侵蚀,提高了土壤的储水功能。

总之,杂交狼尾草在各种立地条件均能生长,而且分布广,根系发达,茎叶茂密,能有效地固结土壤,拦截地表径流,并具有良好的水土保持能力。同时,与其它相类似具有水土保持效益的牧草相比,杂交狼尾草是禾本科牧草中推广面积最大、利用最广的品种;具有耐刈割、再生能力强、产量高、质量优、适口性好,以及适用草食动物种类广泛的优点[12]。因此,大面积种植杂交狼尾草对改变三峡库区严重的水土流失现状,促进三峡库区的农业生产,提高当地农民的收入具有重大的现实意义。下转第135页　

611水土保持学报第19卷

图3　土壤水分在不同坡向的分布

列的变异程度都为中等,且按照1,2,3,4,5列的顺序依次增大;阳

坡的变异程度大于阴坡;阳坡的峰值明显大于阴坡,说明数据的分

布峰比正态分布更尖锐。造成土壤水分沿不同坡向分异的原因:①

降水再分配和光热条件的不同,导致不同坡位土壤含水量在不同

坡向上的差异;杨恒等[9]在安塞分别对坡向的气候差异进行了研

究,认为不同坡向坡面接收太阳辐射能量值存在较大差异,使得阳

坡较阴坡土壤蒸发为大,产生土壤水分的坡向差异性:阳坡水分少

于半阴-半阳坡,更少于阴坡。②地表土壤物质组成和植被覆盖程

度不同。荒草坡地阴坡的土壤含水量少于阳坡的这种变化更为明

显,阳坡由于辐射大,植被生长旺盛,吸收水分多,致使阳坡土壤中

水分含量下降,较之阴坡则植被稀疏,太阳辐射少,使得阴坡土壤

水分高原阳坡,且阴坡土壤含水量的变化较阳坡为缓。4　结　论通过运用统计学对神木水蚀风蚀交错带退耕坡地土壤水分空间变异性的研究,并对土壤水分变异的影响因子进行了分析和探讨。结果表明,神木水蚀风蚀交错带退耕坡面土壤水分的平均值和变异系数均呈现出明显的空间变异性。主要结论如下:

(1)土壤水分含量沿坡长方向(即坡顶到坡下)呈波浪状递增趋势,且在各坡位变异程度不一,呈现出变异程度为坡上>坡中>坡下的趋势。

(2)土壤水分沿垂直于坡长方向表现为阴坡>山脊>阳坡的趋势,其变异程度表现为阳坡>阴坡的趋势。(3)土壤水分在垂直方向表现出增加的趋势,且在浅层的变异系数大于深层的变异系数。参考文献:

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531第1期刘春利等:神木水蚀风蚀交错带退耕坡地土壤水分空间变异性研究