劉緒軍, 任憲平, 楊亞娟, 王亞娟, 徐金忠

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

東北黑土區(qū)植物籬土壤入滲性能研究

劉緒軍, 任憲平, 楊亞娟, 王亞娟, 徐金忠

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

[目的] 對(duì)東北黑土區(qū)植物籬種植模式的土壤滲透性進(jìn)行研究，為黑土區(qū)坡耕地水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 通過(guò)小區(qū)試驗(yàn)開(kāi)展研究。 [結(jié)果] 植物籬模式能夠減小土壤容重，提高土壤孔隙度，顯著增加土壤的入滲能力，進(jìn)而減少水土流失；籬帶部位的入滲能力大大高于籬間部位，不同品種植物籬滲透性能排序?yàn)椋汉诙构?短梗刺五加>桑樹，植物籬土壤入滲受地面坡度影響，小坡度的土壤入滲率高于大坡度。 [結(jié)論] 植物籬作為一種水土保持新措施，具有改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲，減少地表徑流，防治水土流失的作用，應(yīng)在黑土區(qū)開(kāi)展廣泛的研究與推廣。

土壤入滲; 植物籬; 黑土區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉緒軍, 任憲平, 楊亞娟, 等.東北黑土區(qū)植物籬土壤入滲性能研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：45-49.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.007； Liu Xujun, Ren Xianping, Yang Yajuan, et al. Soil Infiltration Rates Under Different Hedgerows in Chernozem Sloping Farmland in Northeast China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：45-49.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.007

徑流的沖刷力是水蝕區(qū)的主要侵蝕動(dòng)力，坡面徑流是水土流失的主導(dǎo)因子[1]，因此，防治水土流失的關(guān)鍵是做好坡面徑流的調(diào)控。而土壤入滲規(guī)律是探討地表徑流產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)[2]，是研究分析水土流失過(guò)程的重要指標(biāo)。植物籬作為一種有效的水土保持生物措施，在水土保持研究和實(shí)踐中備受關(guān)注，近10 a來(lái)關(guān)于植物籬的研究較多，國(guó)內(nèi)外在植物籬樹種選擇，防蝕效果、生態(tài)效益評(píng)價(jià)，土壤養(yǎng)分變化等方面均進(jìn)行了研究[3]。但是，中國(guó)目前僅在四川、云南、湖北、貴州等少數(shù)省份進(jìn)行了植物籬的研究和應(yīng)用，其他大部分地區(qū)還沒(méi)有開(kāi)展研究與應(yīng)用推廣。為此，本文針對(duì)東北黑土區(qū)植物籬種植模式的土壤滲透性進(jìn)行研究，以期為黑土區(qū)坡耕地水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省克山縣古北鄉(xiāng)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯48°03′20″，東經(jīng)125°49′20″。地貌類型為波狀起伏臺(tái)地，主要土壤為黑土，黑土層厚度30 cm左右，屬于典型黑土區(qū)。該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量510 mm，年均氣溫1.1 ℃，無(wú)霜期124 d，年均日照時(shí)數(shù)2 677 h，年均風(fēng)速3.1 m/s。試驗(yàn)地塊為植物籬模式區(qū)，坡面中上部平均坡度為4.71°，坡面下部平均坡度為5.62°，坡向西南，植物籬品種分別為黑豆果、短梗刺五加和桑樹，栽植時(shí)間為2012年5月。植物籬間距設(shè)置依據(jù)黑龍江省水土流失方程式研究成果[4]，以帶間土壤侵蝕量作為控制指標(biāo)進(jìn)行反向推算，坡面中上部籬帶間距設(shè)置為30.6 m，坡面下部籬帶間距設(shè)置為9 m。株距以近地枝條密度計(jì)算作為依據(jù)，黑豆果、短梗刺五加株距為15 cm，桑樹株行距為5 cm。行距設(shè)置為25 cm，植株修剪高度80 cm，籬間為橫坡壟作大豆，對(duì)照為順坡壟作大豆。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)定內(nèi)容 試驗(yàn)樣點(diǎn)分別設(shè)在籬帶部位和籬帶間的耕地部位，每個(gè)樣點(diǎn)2次重復(fù)。為避免降水對(duì)滲透的影響，試驗(yàn)選擇在無(wú)雨的同一時(shí)段進(jìn)行，4 d內(nèi)完成試驗(yàn)。測(cè)定內(nèi)容為土壤滲透性、土壤容重、土壤孔隙度，測(cè)定時(shí)間為2015年9月。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法 (1) 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。(2) 土壤孔隙度測(cè)定?？偪紫抖?Pt)采用土壤容重(R)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式：Pt=93.947-32.995R進(jìn)行計(jì)算[5]；毛管孔隙度(Pc)采用環(huán)刀采樣吸水法測(cè)定，通過(guò)公式Pc=W/V×100%計(jì)算，其中W為環(huán)刀內(nèi)土壤所保持的水分體積、V為環(huán)刀容積；非毛管孔隙度(Pn)通過(guò)公式Pn=Pt-Pc計(jì)算得出。 (3) 土壤滲透性測(cè)定。滲透試驗(yàn)測(cè)定采用雙環(huán)現(xiàn)場(chǎng)注水的方法。雙環(huán)規(guī)格為：內(nèi)環(huán)直徑35.68 cm，外環(huán)直徑50.46 cm，環(huán)高25 cm。在選擇的樣點(diǎn)上，將覆蓋在地表上的枯落物清除并整平地面，把雙環(huán)放置在同一圓心的位置上，垂直均勻打入土中15 cm；在內(nèi)環(huán)插入直尺和溫度計(jì)，以便觀察環(huán)內(nèi)水位和水溫變化。準(zhǔn)備就緒后，向內(nèi)外環(huán)內(nèi)迅速灌水，使水層厚度保持在5 cm，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中要不斷向內(nèi)外環(huán)內(nèi)加水，保持環(huán)內(nèi)水位在5 cm，每隔一定時(shí)間記錄1次內(nèi)環(huán)的加水量，并記錄相應(yīng)水溫變化。記錄內(nèi)環(huán)加水量的間隔時(shí)間根據(jù)滲透速度快慢確定，隨著滲透速度逐漸減慢，記錄加水量時(shí)間可以逐步延長(zhǎng)，可以每隔5～10 min記錄1次內(nèi)環(huán)的加水量。在試驗(yàn)的最后階段，若相同時(shí)間間隔內(nèi)，出現(xiàn)內(nèi)環(huán)加水量連續(xù)3次彼此差值很小時(shí)，則可以結(jié)束試驗(yàn)。

式中： Kt——溫度為t ℃時(shí)的滲透系數(shù)(mm/min)； t——滲透測(cè)定時(shí)的溫度(℃)。

式中： Kt——滲透系數(shù)(mm/min); Qn——第n時(shí)段內(nèi)灌入水量(ml); tn——第n時(shí)段所間隔的時(shí)間(min); A——滲透環(huán)面積(cm2); L——雙環(huán)插入土中的深度(cm); h——試驗(yàn)時(shí)保持的水層厚度(cm)。

初滲系數(shù)為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)1min內(nèi)的滲透系數(shù)的平均值，穩(wěn)滲系數(shù)為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)最后3個(gè)時(shí)段內(nèi)滲透系數(shù)的平均值。穩(wěn)滲時(shí)間為試驗(yàn)結(jié)束前滲透系數(shù)出現(xiàn)3次差值很小時(shí)的初始時(shí)段。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物籬模式土壤滲透性能綜合分析

土壤滲透性大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度等土壤特性有關(guān)[7]。土壤滲透性能是將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流和地下徑流的能力，是土壤調(diào)節(jié)徑流功能的重要指標(biāo)。土壤滲透性越好，說(shuō)明降水通過(guò)滲透轉(zhuǎn)化為地下水的能力越強(qiáng)，減少地表徑流效果越好，土壤調(diào)節(jié)徑流的功能就越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)施植物籬模式后，土壤容重減小了10.28%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別提高了8.36%，9.06%和4.82%(表1)，使土壤結(jié)構(gòu)得到了改善，從而對(duì)土壤的滲透性能產(chǎn)生了積極的影響。從土壤的滲透性能看，植物籬區(qū)的土壤初滲系數(shù)、穩(wěn)滲系數(shù)及穩(wěn)滲時(shí)間分別為29.37mm/min，2.02mm/min，148.75min，而順坡壟區(qū)(對(duì)照)土壤初滲系數(shù)、穩(wěn)滲系數(shù)及穩(wěn)滲時(shí)間分別為1.69mm/min，0.16mm/min和100min，分別大幅度地提高了1 640.51%，1 138.19%，48.75%(表1)。另外，從土壤入滲曲線中(圖1)也可以看出，植物籬區(qū)各時(shí)段的滲透速度均大大高于對(duì)照區(qū)，二者的差異在滲透前期高于后期，并且對(duì)照區(qū)的滲透速度在試驗(yàn)前10min內(nèi)急速減小后變化即趨于穩(wěn)定，而植物籬區(qū)滲透速度在試驗(yàn)的第80min后的變化方趨于平穩(wěn)，并且穩(wěn)滲時(shí)間增加了48.75min，說(shuō)明了植物籬模式的土壤滲透能力得到了顯著的增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，坡耕地實(shí)施植物籬模式后，改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤孔隙度，大大增加了土壤滲透性能，減少了地表徑流的發(fā)生，為減少土壤侵蝕奠定了基礎(chǔ)。

表1 植物籬模式土壤滲透性能分析

圖1 植物籬模式土壤入滲曲線

2.2 植物籬的不同部位土壤滲透性分析

從植物籬的不同部位看，土壤滲透性能均較對(duì)照有所提高，其中籬帶部位的初滲系數(shù)、穩(wěn)滲系數(shù)和穩(wěn)滲時(shí)間分別較對(duì)照提高了31.97，22.43和1.59倍，而籬帶間分別較對(duì)照提高了2.85，2.34，1.39倍。而不同部位的土壤滲透性能差異較大，籬帶部位的初滲系數(shù)、穩(wěn)滲系數(shù)和穩(wěn)滲時(shí)間分別較籬帶間提高了11.24，9.59和1.14倍(表2)，并且從圖2—3可以看出，3個(gè)不同植物品種籬帶部位的各時(shí)段的滲透系數(shù)均高于籬間部位，說(shuō)明籬帶部位的土壤滲透性能得到了顯著提高。這是由于在籬帶部位栽植植物后，植物根系和枯枝落葉對(duì)土壤改善作用較大，增強(qiáng)了降雨的入滲能力，而籬帶間受影響作用較小，因而滲透性能增加幅度較小。

表2 植物籬的不同部位土壤入滲統(tǒng)計(jì)分析

圖2 植物籬不同部位土壤入滲曲線

圖3 不同植物籬的不同部位土壤入滲曲線

2.3 不同地面坡度的植物籬土壤滲透性分析

有關(guān)學(xué)者認(rèn)為，在滲透率較大的坡面，土壤的滲透率與坡度成反比[8]，有研究表明：坡度在20°范圍內(nèi)，坡度越大，土壤穩(wěn)滲率越小[9]。試驗(yàn)表明，由于地面坡度的不同，植物籬的土壤滲透性也存在著一定的差異，小坡度植物籬的土壤滲透性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大坡度的植物籬。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，不同坡度植物籬除平均穩(wěn)滲時(shí)間相同外，地面坡度為4.71°的植物籬的土壤初滲系數(shù)和穩(wěn)滲系數(shù)分別是5.62°的植物籬2.36和1.58倍，另外從圖4—5看，各時(shí)段的土壤滲透系數(shù)大小排序均為：小坡度的植物籬試區(qū)>大坡度的植物籬試區(qū)。因此，植物籬模式的土壤滲透性能也與坡度有關(guān)，其規(guī)律與已有研究成果類似，小坡度植物籬的土壤滲透性能優(yōu)于大坡度的植物籬。

表3 不同地面坡度植物籬土壤入滲統(tǒng)計(jì)分析

圖4 不同地面坡度的植物籬土壤入滲曲線

圖5 不同坡度各品種植物籬土壤入滲曲線

2.4 不同品種植物籬的土壤滲透性分析

從不同品種的植物籬看，不同品種的土壤滲透性能存在著一定的差異，黑豆果植物籬的土壤初滲系數(shù)、穩(wěn)滲系數(shù)和穩(wěn)滲時(shí)間較分別對(duì)照提高21.06，15.04和1.53倍，短梗刺五加植物籬的3項(xiàng)目指標(biāo)較分別對(duì)照提高15.46，11.86和1.26倍，桑樹植物籬的3項(xiàng)目指標(biāo)較分別對(duì)照提高15.69，10.25和1.68倍(表4)。從圖6可以看出，黑豆果植物籬各時(shí)段的滲透系數(shù)均高于其他2個(gè)品種，而短梗刺五加植物籬的僅初滲系數(shù)略小于桑樹，其它時(shí)段的滲透系數(shù)均大于桑樹。3種植物籬的穩(wěn)滲時(shí)間存在著差異，但對(duì)于滲透量影響最大的應(yīng)該是滲透系數(shù)指標(biāo)，因此，綜合分析不同品種植物籬的土壤滲透性能大小排序?yàn)椋汉诙构?短梗刺五加>桑樹。有關(guān)研究顯示，有效根密度是影響土壤滲透性的重要因子[10]，植物的根系類型不同使其根系密度存在著差異，試驗(yàn)的黑豆果為淺根性樹種[11]，支毛根多，利于改善土壤增加滲透，桑樹為深根系[12]，支毛根較少，因而滲透系數(shù)小，但其根系深致其穩(wěn)滲需要的時(shí)間較長(zhǎng)，而短梗刺五加的沒(méi)有明顯的主根，側(cè)根多，單株根系量大于桑樹[13]，由此導(dǎo)致這3種不同植物籬的土壤滲透能力的差異。

圖6 不同品種植物籬土壤入滲曲線

表4 不同品種植物籬土壤入滲統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié) 論

試驗(yàn)表明，東北黑土區(qū)坡耕地植物籬模式，改善了土壤結(jié)構(gòu)，使土壤容重減小，土壤孔隙度增加，顯著提高了土壤入滲性能，減少了地表徑流和土壤侵蝕的發(fā)生。植物籬帶部位的土壤滲透性能大大高于籬間部位，不同植物籬的土壤入滲能力大小排序?yàn)椋汉诙构?短梗刺五加>桑樹，不同地面坡度植物籬滲透系數(shù)大小排序均為：小坡度植物籬>大坡度植物籬。由于植物籬模式是一種植物措施，對(duì)土壤性能的影響需要有一個(gè)逐步顯現(xiàn)的過(guò)程，本試驗(yàn)中植物栽植年限較短，研究結(jié)果只能表明模式初期的效果，對(duì)其效益的綜合評(píng)定需要開(kāi)展長(zhǎng)期的定位研究。但從本地初步研究和其它地區(qū)的研究成果來(lái)看，植物籬模式是一種占地少、易操作、效果好、群眾易接受的水土流失治理新措施，值得在東北黑土區(qū)大力推廣應(yīng)用。

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Soil Infiltration Rates Under Different Hedgerows in Chernozem Sloping Farmland in Northeast China

LIU Xujun, REN Xianping, YANG Yajuan, WANG Yajuan, XU Jinzhong

(HeilongjiangAcademyofSoilandWaterConservation,Harbin,Heilongjiang150070,China)

[Objective] The soil infiltration rates under hedgerows in chernozem sloping farmland were studied to provide scientific basis for soil erosion control of sloping farmland in the chernozem area of Northeast China. [Methods] Plots experiment were conducted.[Results] Soil loss was decreased resulting from the decrease of soil bulk density and the increase of soil porosity and infiltration. As compared to the one of inter-hedgerow, the soil infiltration rates in the hedgerow increased markedly. Infiltration rate varied with the change of vegetation, had a rank as followed: blackcurrant>short carpopodium acanthopanax >mulberry. Besides that, it was also affected by slope steepness, the lower of slop steepness, the higher of soil infiltration rate. [Conclusion] As a measure of soil and water conservation, hedgerow could improve soil structure, increase soil infiltration rate, subsequently decrease surface runoff and soil loss. It should be applied in the chernozem area of Northeast China.

soil infiltration; hedgerow; chernozem area

2016-07-19

2016-07-26

黑龍江省財(cái)政資助項(xiàng)目“東北黑土區(qū)坡耕地植物籬防治水土流失技術(shù)研究”(3200632011-04)

劉緒軍(1971—),男(漢族),黑龍江省克山縣人,學(xué)士,高級(jí)工程師，主要從事水土保持與凍融侵蝕方面的研究。E-mail:kslxj5100@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0045-05

S152.7