黑土区坡式条田对水土流失、土壤水热及呼吸的影响

张 瑜, 徐子棋, 杨献坤, 崔 斌

(吉林省水土保持科学研究院, 吉林 长春 130033)

水土流失是世界级的重要生态环境问题，它不仅影响自然环境，更影响人类的生存、发展[1]。东北黑土区是中国重要的粮食基地，也是中国一个主要的水土流失区[2]。东北黑土区坡耕地多处于坡度0.5°～5°的长缓坡，且坡耕地占该区域耕地总面积的59.38%，2010年数据显示，东北黑土区水土流失面积约为27.58万km2，坡耕地造成的水土流失面积高达当地水土流失总面积的80.3%，即坡耕地为该区域主要水土流失区域[3]。黑土具有表层质地疏松、下层黏重、透水性较低、易被冲蚀的特点，加之该区域多年来重用轻养、不合理开发利用，导致水土流失程度不断加剧[4]。因此，黑土区如何选择合适的坡面水土保持措施，在减少径流、泥沙侵蚀的同时，做到改善土壤环境，已成为近年来研究的热点。

坡式条田是一种沿坡面等高线修筑地埂，在埂前修筑竹节状蓄水沟，减少径流汇集量与冲刷，埂上栽植固埂植物的水土保持坡面措施，具有占地小、土壤扰动小的特点[5]。由于坡式条田在结构和原理上与地埂植物带相似，故本文将前人有关地埂植物带的相关研究也纳入分析。于艳秋等[6]简述了坡式条田的技术参数和特征。隋媛媛等[5]研究了黑土区坡耕地建造坡式条田减流减沙、减少养分流失、增强土壤抗崩解性和提高经济效益的作用。李立新等[7]，吕志学等[8]，赵梅等[9]分析了东北低山丘陵区和黑土坡耕地地埂植物带的保水保土效果、成本和生态、经济、社会效益。陈英群等[10]研究了黑土区坡耕地复合地埂(双埂+植物带)对土壤含水状况的影响。任丽华等[11]研究了辽东山区坡耕地埂植物篱蓄水保沙和防治农业污染的效果。黄欢等[12]研究了三峡库区地埂植物篱对土壤粒径组成的影响。周萍等[13-15]研究了紫土区坡耕地植物根系固结地埂的土力学特征和地埂对不同坡位土壤粒径分布的影响。殷庆元等[16]研究了金沙江干热河谷坡地生物地埂对土壤水稳性颗粒组成的影响。蒋光毅等[17]研究了石漠化区桑树地埂对土壤容重、孔隙度、粒径组成、持水性和入渗性的改善作用。周萍等[18]西南山区不同高度地埂拦蓄水沙作用、对土壤可蚀性和粒径组成的影响和经济效益进行了对比。然而，有关黑土区修建坡式条田对径流泥沙及土壤环境影响的研究却鲜有报道。

本研究通过野外试验，分析坡式条田对水土流失、植被覆盖状况、土壤水热条件和土壤呼吸的影响，以期为坡式条田在坡耕地应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省东辽县杏木小流域，地理坐标为东经125°22′40″—125°26′10″，北纬42°58′05″—43°01′40″。东辽县地处吉林省中南部，气候类型为半湿润中温带大陆性气候，四季差别鲜明。该区域年日照时数为2 504.2 h，年日照率为57%。年平均温度5.2 ℃，年均降水量为658 mm，夏季雨热同季。土壤类型主要为棕壤和暗棕壤。

1.2 措施布设

措施布设和观测时间为2018年9月至2019年9月末。坡式条田坡面坡度为8°，坡形为直线型，为阴坡，坡长为228 m。按照防洪标准10 a一遇3～6 h暴雨标准设计尺寸，田面宽25 m，长70 m，就地取土修筑土埂，沟在上、埂在下，从埂上方开沟取土，并在沟中横向间隔修筑挡土垱。地埂顶宽0.4 m，底宽1.2 m，平均高0.4 m，沟底宽1 m，埂、沟边坡比1∶1。埂上栽植2 a生紫穗槐，株行距为0.5 m×0.5 m。选择该坡措施旁同为8°的横垄耕作玉米田作为对照，坡长228 m，田长10 m。按照公式(1)计算试验田面积：

试验田面积=坡长×田长

(1)

计算可得，措施田面积15 690 m2，无措施玉米田面积2 280 m2。措施田和无措施玉米田坡底各设置1个沉沙池，尺寸4 m×4 m×1 m，用于收集径流泥沙。

1.3 测定指标

2019年全年观测降雨、径流、产沙状况。采用DL16 WMO寒旱极地气象站进行降水指标的测定。径流结束后，测定沉沙池中水深，计算径流量公式为：

径流量=水深×沉沙池面积

(2)

将径流搅匀，用收集桶收集，测定体积，静置1 d后倒掉上清液并用烘箱105 ℃烘至恒重，称量泥沙重。侵蚀量计算公式：

侵蚀量=径流量×收集桶中泥沙重量/

收集桶中径流体积

(3)

由于黑土区土壤侵蚀最严重的的坡位为坡中[19]，故在坡中测定土壤水热和土壤呼吸，并选择晴朗天气进行测定。使用TDR环境水分监测仪进行测定，测3点取均值。利用LI-8 100测定5 cm深处土壤呼吸速率，水平条田和无措施玉米田坡中各放置3个PVC基座(内径18.5 cm，高10 cm)，为避免基座对土壤呼吸扰动，放置第2年后开始测定。

1.4 数据处理及分析

数据整理及绘图、制表所用软件为Excel，方差分析(ANNOVA单因素方差分析Duncan法)、相关分析和回归分析所用软件为SPSS 20.0进行。

2 结果与分析

2.1 坡式条田对黑土坡面产流、产沙的影响

2019年研究区共发生7次产流降雨，集中于6—9月，其中，6月、7月各1次，8月2次，9月3次(见表1)。坡式条田显著减少坡面产流产沙，各次降水坡式条田和无措施玉米田侵蚀量和径流量均差异显著(p<0.05)。

表1 研究区2019年所有侵蚀性降雨

按照单位面积产流产沙量计算，坡式条田次降雨减少侵蚀率范围为65.0%～84.0%，减少径流率范围为53.9%～77.4%，年平均减沙减流率分别为78.3%和68.5%(见表2)。将侵蚀量按面积换算，无措施玉米田年侵蚀模数为401.75 t/(km2·a)，而坡式条田年侵蚀模数为87.53 t/(km2·a)，低于黑土区允许侵蚀速率200 t/(km2·a)。这说明：黑土坡面设置坡式条田具有良好的减流减沙效果，且能将侵蚀速率控制在允许范围内。对无措施玉米田、坡式条田产流产沙与降水因子进行回归分析(结果见表3)，其显著性均小于0.05，R2值均超过0.65，拟合效果较为良好。

表2 试验田产流产沙状况

2.2 坡式条田对黑土坡面植被和土壤环境的影响

2.2.1 坡式条田对黑土坡面植被和土壤水热条件的影响 研究区不同时间坡式条田土壤质量含水量均显著高于无措施玉米田(p<0.05)。7月15日无措施田和坡式条田的土壤质量含水量分别为9.9%和17.2%。5—9月研究区无措施玉米田和坡式条田植被覆盖度均逐渐增加，且坡式条田栽植紫穗槐植被覆盖度显著高于无措施玉米田(p<0.01)。7月15日无措施田和坡式条田的植被覆盖度分别为64.7%和100.0%(见表4)。试验田土壤温度日变化均为“单峰”规律，温度从5—9月先升高后降低。同时刻坡式条田温度显著低于无措施玉米田温度(p<0.05)，且坡式条田土壤温度较无措施玉米田更为平缓(即标准差更小)，例如，7月15日坡式条田、无措施玉米田土壤温度标准差分别为4.69，5.34(见图1)。这说明坡式条田可提高土壤含水量，稳定并降低土壤温度。

表3 试验田降雨与产流、产沙回归方程

表4 2019年试验田土壤水分及植被覆盖状况

2.2.2 坡式条田对黑土坡面土壤呼吸的影响 研究区无措施玉米田和坡式条田土壤呼吸速率日变化均先升后降，在13：00—15：00达到最大值，呈现“单峰”规律。随着季节变化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低。时间相同时，无措施玉米田的土壤呼吸速率显著高于坡式条田(p<0.05)。例如，5月15日13：00无措施玉米田和坡式条田的土壤呼吸速率分别为2.08 μmol/m2·s和1.51 μmol/m2·s(见图2)。这说明：修筑坡式条田能够显著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素损失。

图1 试验田不同季节土壤温度日变化

图2 试验田不同季节土壤呼吸速率

由表5可知，研究区无措施玉米田和坡式条田不同季节土壤呼吸速率均与土壤温度具有较大的相关性，相关系数均不小于0.799，这说明土壤温度是影响土壤呼吸的重要因子。此外，结合前文坡式条田对黑土坡面产流、产沙的影响分析可知，坡式条田的水土流失状况显著轻于无措施玉米田，这说明坡式条田减少径流冲刷土壤的扰动，减少了土壤CO2排放量。

表5 试验田土壤呼吸速率与土壤温度的相关分析

3 讨 论

坡式条田是一种适用于长缓坡的新兴水土保持坡面措施[5]。本研究结果表明，黑土区8°玉米田修建水平条田能够有效地蓄水拦沙(p<0.05)，年平均较少泥沙率和年平均较少径流率分别为78.3%和68.5%。坡式条田年侵蚀模数为87.53 t/(km2·a)，低于黑土区允许侵蚀速率200 t/(km2·a)。隋媛媛等[5]的研究结果表明。黑土区坡耕地修筑坡式条田+地埂栽植草本植物(黄花菜、红小豆)能够减少径流62.5%～69.2%，减少泥沙量70.9%～74.2%，提高作物产量8%～12%，减少养分流失约10%。

本研究坡式条田水土保持效益更好的原因有可能是紫穗槐作为灌木比草本植株更大，覆盖度更高，防止降水击溅和拦蓄径流效果更好，且根系更加发达，盘绕、加固作用更好。众多研究结果表明，地埂植物带能够有效减少坡面径流量和侵蚀量。朱悦等[20]的研究结果表明，黑土区10°坡耕地地埂植物带建成3 a后可减少地表水流失75.9%，减少表土流失88.8%，且随着年数增加，土壤和植被的状况改善，有更好的效果[20]。周萍等[18]的研究显示，西南山区采用植物固结地埂能够减少径流55.56%，减少侵蚀量79.26%，且比单独种植等高植物篱拦蓄效果更好、植物产量更高。周萍等[14]对紫色土的研究结果表明，粒径范围0.002～0.02 mm的土粒极易随径流冲走，而有地埂坡耕地该范围土粒含量较无地埂处高2.41%，即地埂具有一定拦截泥沙的作用。黄欢等[12]、任丽华等[21]和刘明义等[22]的研究结果表明，地埂植物带通过枯枝落叶返还土壤、增加根系分泌物来优化土壤通透性，且根系具有盘结、固土作用，增加土壤抗蚀性和抗崩解性。唐茜等[23]认为，土埂和植物带复合体的粘聚力和内摩擦角明显大于裸地，通过提高土壤的抗剪切强度来减少土壤流失。地埂植物带通过机械拦挡作用和改善土壤团聚结构作用来提高土壤抗蚀性[16]。周萍等[14]认为，地埂通过逐年拦蓄泥沙，改变微地形，减小地面坡度，有效减少水、土、和养分流失。

本研究结果表明，黑土区坡式条田可提高土壤含水量，稳定并降低土壤温度，改善植物作物生长环境，并提高植被覆盖度。刘明义等[21]和任丽华等[22]认为，地埂植物带通过枯枝落叶返还土壤、增加根系分泌物和根系腐殖质来降低土壤容重、提高土壤孔隙度，从而提高土壤保水保肥能力。周萍等[14]认为，地埂能够改善土壤粒径组成，从而改善土壤入渗。肖列等[24]称，坡面水土保持工程措施能够拦蓄径流，坡面植被能够截获、缓冲径流、减少蒸发，达到增加入渗，蓄积降水的目的。王帅兵等[25]对红壤区的研究表明，坡面水土保持措施能够增加土壤含水量(干旱期尤为明显)，延长土壤湿润期时间，并能够提高耕地降水利用率。马涛等[26]的研究结果表明，采用坡面水保措施的样地植物生长更好，植被覆盖度更大，更好地起到遮盖太阳辐射的作用，因此土壤温度变化更加平缓。李招弟等[27]的研究表明，相同环境下，植被较好处比裸地具有更低的地温。高希旺等[28]和叶功富等[29]的研究也都表明，坡耕地使用水土保持工程措施能够降低土壤温度，增加土壤水分含量，促进植物生长。

本研究结果显示，研究区土壤呼吸速率与土壤温度呈较高的相关性，土壤呼吸速率日变化随土壤温度变化呈“单峰”规律。修筑坡式条田能够显著降低土壤呼吸速率(p<0.05)，降低土壤碳素损失。例如，5月15日13：00无措施玉米田和坡式条田的土壤呼吸速率分别为2.08 μmol/(m2·s)和1.51 μmol/(m2·s)。这说明坡式条田减少径流冲刷土壤的扰动，降低土壤温度，从而减少了土壤CO2排放量，更有利于土壤碳素有效利用，并能减少温室气体。马涛等[26]对黄土丘陵区的研究也认为，土壤呼吸规律呈季节性变化，夏季速率最高，其次为春季和秋季，原因是夏季水热条件较好，且植物处于迅速生长期。土壤水分和土壤温度是影响土壤呼吸速率的重要因子，坡地水土保持措施能够提高土壤含水量，减少植物干旱胁迫，降低土壤温度，从而减缓土壤呼吸速率，减少土壤C素流失。高希旺等[28]和叶功富等[29]的研究也表明，坡面水土保持措施能够减轻侵蚀，减少土壤扰动，因此土壤呼吸中非生物作用减弱，土壤CO2释放受到抑制，而且水保措施能够降低坡面土壤温度，减弱微生物新陈代谢，因此导致土壤呼吸速率降低。

今后，还应研究水平条田不同施用年限水土保持效果和防治养分流失效果；有关水平条田土壤温度、土壤水分(阈值效应下)共同影响土壤呼吸的模型建立也需进一步研究[30]。

4 结 论

开展野外试验，在研究了坡式条田在黑土区坡耕地水土保持作用和土壤环境改善作用，结论如下：

(1) 黑土坡面设置坡式条田具有良好的减流减沙效果，年均减少输沙率和减少地表径流率分别为78.3%和68.5%，土壤侵蚀模数为87.53 t/(km2·a)，控制在允许范围内；

(2) 坡式条田土壤质量含水率显著高于无措施玉米田(p<0.05)，7月15日无措施田和坡式条田的土壤质量含水量分别为9.9%和17.2%，5—9月研究区无措施玉米田和坡式条田植被覆盖度均逐渐增加，且坡式条田栽植紫穗槐植被覆盖度显著高于无措施玉米田(p<0.01)，7月15日无措施田和坡式条田的植被覆盖度分别为64.7%和100.0%坡式条田植被覆盖度显著高于无措施玉米田(p<0.01)；

(3) 试验田土壤温度日变化均为“单峰”规律，温度从5—9月先升高后降低，同时刻坡式条田温度显著低于无措施玉米田温度(p<0.05)，且坡式条田稳定并降低土壤温度；

(4) 研究区无措施玉米田和坡式条田土壤呼吸速率日变化均先升后降，在13：00—15：00达到最大值，呈现“单峰”规律。随着季节变化，土壤呼吸速率5—7月提升，7—9月降低，研究区土壤呼吸与土壤温度有显著的相关性，且修筑坡式条田能够显著降低土壤呼吸速率，降低土壤碳素损失。

综上所述，坡式条田在黑土区坡耕地具有较好的水土保持作用和土壤环境改善作用，应在坡耕地中逐渐推广应用。