| 标题 | 南水北调中线渠坡不同季节不同盖度草地土壤氮素和有机质变化 |
| 范文 | 张丽娅 马志林 摘要：为了解南水北调中线工程渠坡土壤状况、主要养分变化与植被生长的关系，以河南新郑段渠道边坡为例，分析不同植被盖度3种典型样地不同季节、不同层次土壤总氮（TN）、速效氮和有机质含量的变化规律及其相关关系，以期为南水北调中线工程渠道边坡植被生长适应性研究及绿化修复提供科学依据。结果表明：（1）南水北调中线河南段渠坡土壤养分含量总体较低，但呈改良趋势。不同季节、不同样地浅层和深层土壤TN、速效氮和有机质含量有的存在显著性差异（P<0.05）。随着植被生长时间的延长，不同样地浅层和深层土壤TN、速效氮和有机质含量10月均高于6月，呈增加趋势。（2）不同季节、不同样地土壤浅层和深层TN含量随植被盖度变化在6月表现不明显，在10月均随植被盖度增大呈减小趋势;速效氮含量在浅层均随盖度减小而降低，在深层则相反;有机质含量在浅层和深层均随植被盖度降低而增大，且浅层含量均高于深层。（3）相关性分析表明，盖度>90%的长势好的王老庄桥北右岸样地的有机质含量与速效氮、TN含量呈显著性相关关系。TN和速效氮含量在10月末植被生长减退阶段均具有较高的相关性，6月不明显;TN和有机质含量在10月末植被生长减退阶段具有相关性，但不明显。有机质和速效氮含量在6月均具有较高的相关性，10月不明显。 关键词：植草护坡;土壤养分;相关关系;南水北调中线工程 中图分类号： S158.3;S181? 文献标志码： A? 文章编号：1002-1302（2019）03-0219-04 南水北调中线工程为长距离输水明渠，除局部为岩石地层外，大多数区段为土质边坡[1]。输水总干渠南北地理跨度大，沿线地质、气候、地貌类型复杂[2]。河南省段自淅川县陶岔渠首开始到终点河北省漳河，全长731 km，占整个工程的57%，基本都是露天明渠，是南水北调中线工程渠道最长、计划用水量最大的省份。干渠渠道边坡多为挖方和填方边坡，渠坡防护主要采用六棱框格内植草护坡，主要包括岸坡和外坡两大部分，工程与植物防护措施主要是采用单体人字形预制构件拼装成六棱混凝土框格，在岸坡和外坡對应段混凝土六角框格安装完成后，进行表土回填或调用土方回填，填土厚度10～20 cm，然后人工播撒草种，植草护坡，植草品种主要为普通高羊茅[3]。由于渠坡种植层均为填土，且填筑土壤来源不一，土壤质量和肥力参差不齐，边坡坡度一般在30°左右，有的坡长达几十米，土壤容重较大，蓄水保墒能力差，给植被生长造成影响，不同渠段渠坡植被生长状况差异较大。有的渠段植被生长比较茂盛，密度较大，植株较大，盖度在80%左右，绿化护坡效果较好;有的渠段优势草种不突出，植被生长较差，密度小，盖度低，植株弱小，杂草丛生，绿化护坡效果差。通过选择南水北调中线工程典型渠坡，开展植被和土壤状况调查和取样分析，研究不同生长状况、不同生长季节渠坡土壤氮素及有机质变化规律，了解不同季节、不同群落盖度土壤氮素和有机质之间的变化关系，对掌握南水北调中线工程渠坡土壤状况、主要养分变化与植被生长的关系，更好地开展渠坡绿化防护具有重要意义。 1 材料与方法 1.1 研究区概况 研究区位于南水北调中线工程河南新郑段，属温带大陆季风型气候区，夏秋2季多东南风，炎热多雨，冬春2季盛行西北风，干燥少雨，多年平均风速2.1～2.5 m/s，最大风速20.3 m/s;全年平均气温14.4 ℃，极端最高气温42. 5 ℃，极端最低气温-17.9 ℃，年均日照时数2 114.2 h;年均降水量699.8 mm，年均蒸发量1 600 mm，无霜期210 d，区域土壤属壤质潮土，质地沙壤，历年最大冻土深度27 cm。 1.2 研究方法 1.2.1 样地选取 选取南水北调中线工程河南省新郑市王老庄桥北100 m右岸、毛庄北桥北100 m右岸、唐家门桥南100 m右岸3个不同生长状况典型草地护坡渠段进行植被和土壤调查取样。3种类型渠坡均为填方边坡。将样地按植被生长状况和盖度不同划分为3个类型：盖度>90%为长势好的王老庄桥北右岸样地（ND），盖度60%～50%为长势一般的毛庄北桥北右岸样地（LD），盖度20%～10%为长势差的唐家门桥南右岸样地（MD）。3个典型渠坡样地优势草种均为2014年春季人工播种的普通高羊茅，粗放管理，主要杂草有小飞蓬、莎草、泥胡菜等。 1.2.2 调查方法 于2017年6月下旬和10月下旬对所选不同生长状况的3个典型样地进行植被调查，准确记录各个样地的地理位置、坡度、坡向、坡长等，详细描述样地特征及生境状况;详细记录边坡植被类型、盖度、生长状态及杂草状况。同时根据渠坡植被及草本植物根系特征对3种样地进行土壤取样，采用“S”形多点取样法，拟取样深度为草种根系主要分布层0～10 cm（浅层）和10～20 cm（深层），每个样点取3次，取样24个。 1.2.3 分析方法 研究区内的植被盖度采用盖度框法和针刺法测定，为了更好地说明植被盖度变化，对植被盖度进行等级划分，基于张云霞等对草原的覆盖度提取[4]，结合样地的实际情况，将植被盖度分为3个等级。将取样样品带回实验室进行理化性质定量分析，测定土壤总氮（TN）、速效氮、有机质含量。其中，TN含量采用重铬酸钾硝化蒸馏法，速效氮含量采用碱解蒸馏法，有机质含量采用重铬酸钾氧化-稀释热法。 1.3 数据处理 数据在Excel 2003软件中进行整理，利用SPSS 21.00软件，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差异法（least-significant difference，简称LSD）对数据进行检验，用Pearson相关系数、线性回归判定数据的相关性。 2 结果与分析 2.1 不同季节、不同盖度土壤TN含量变化 研究区不同季节、不同盖度和不同深度土壤TN含量普遍很低，土壤分析方法按全国土壤普查办公室中国土壤方法[5]进行分析化验均属六级水平。由图1可知，不同季节、不同植被盖度样地之间，浅层和深层土壤的TN含量有的存在显著性差异（P<0.05）。10月不同盖度样地浅层与深层土壤TN含量均高于6月。随着植被生长时间的延长，浅层和深层土壤TN含量均呈增加趋势，6—10月ND、LD、MD 3个样地浅层土壤TN含量增加量分别为100.0%、142.8%和175%，深层土壤增加量分别为40%、228.6%、250%。其中，MD样地土壤TN含量的增加量最大，LD样地次之;浅层和深层土壤TN含量的增加量也都是随着盖度的减小而增大。 同一季节，6月LD、MD这2个样地浅层和深层的土壤TN含量均无明显变化;而在10月ND、LD、MD 3个样地的土壤TN含量均表现为深层高于浅层，分别高出31.25%、3529%、27.27%，说明植被生长及地表枯落物对浅层TN的消耗较大。不同季节、不同盖度土壤浅层和深层变化也不一致，6月（除了ND样地）浅层和深层土壤TN含量随植被盖度变化不明显;10月，浅层和深层均随植被盖度增大呈减小趋势，可能是由于植被越稀疏，对土壤氮素的吸收、消耗越少。 2.2 不同季节、不同盖度土壤速效氮含量变化 土壤样品采用按全国土壤普查办公室中国土壤方法[5]进行分析化验，研究区不同季节、盖度、深度土壤的速效氮含量均属四级水平;其状况和TN一样，都很缺乏。如图2所示，不同季节、不同植被盖度样地之间，浅层和深层土壤的速效氮含量有的存在差异性显著。10月3个样地浅层和深层土壤速效氮含量均高于6月;且土壤速效氮含量均随植被生长时间的延长而呈增加趋势。与6月相比，10月ND、LD、MD 3个样地浅层土壤速效氮含量增加量分别为4.30%、4034%、8.93%，深层土壤增加量分别为41.72%、11.13%、6.08%，浅层LD样地增加量最大，ND样地增加量最小;深层ND样地增加量最大，MD样地增加量最小。 同一季节中，LD、MD 6、10月浅层的土壤速效氮含量比较稳定，差异不显著;ND、LD 6、10月深层差异不显著，其他时段均存在显著差异;6、10月浅层分别是深层的2.2、1.58倍;6月ND浅层土壤速效氮含量高于深层，LD和MD 2个样地均为浅层低于深层;10月表现为ND、LD 2个样地土壤速效氮含量浅层均高于深层，而MD样地相反。不同季节、不同盖度土壤速效氮含量淺层和深层变化趋势基本一致，6月和10月浅层速效氮含量均随着植被盖度减小逐渐降低，深层则随植被盖度的降低而增加。这和TN含量变化规律具有相似性，植被越稀疏，对土壤氮素的吸收消耗越少。 2.3 不同季节、不同盖度土壤有机质含量变化 研究区不同季节、不同盖度和不同深度土壤有机质十分缺乏，均属六级水平（按全国第2次土壤普查养分六级制分级标准[5]）。由图3可知，不同季节、不同植被盖度样地之间，浅层和深层土壤的有机质含量有的存在差异性显著。10月不同盖度样地浅层与深层土壤有机质含量均高于6月。浅层和深层土壤有机质含量也是随着植被生长时间的延长而增加。与6月相比，10月ND、LD、MD 3个样地浅层有机质含量增加量分别为28.93%、8.1%、5.43%，深层增加量分别为0.37%、3715%、 29.15%。浅层中ND样地增加量最大， MD最小，深层中LD样地增加量最大，ND最小。 同一季节，6月LD、MD样地浅层和深层土壤有机质含量均差异不显著，10月ND、MD的浅层和ND、LD的深层有机质含量无显著性差异，6、10月有机质含量均表现为浅层高于深层，6月有机质含量浅层分别高出深层20%、86.69%和3260%，10月有机质含量浅层分别高出深层54.13%、4715%和8.25%。不同季节土壤浅层有机质含量均高于深层，主要是地表枯落物造成有机质含量增加。同一季节，深层和浅层都表现为植被群落盖度较大的土壤有机质含量低于盖度较低的土壤（6月LD样地深层例外），这与蔡晓布等对藏北紫花针茅高寒草原的研究结果[6]是一致的。可能是由于盖度大的样地植物生长旺盛，对土壤有机质消耗较多。 2.4 土壤TN含量与速效氮含量的相关系分析 以土壤TN含量为因变量，速效氮含量为自变量，得到不同盖度、不同季节的土壤TN含量、速效氮含量之间的回归分析结果（表1）。由表1可知，南水北调中线渠坡3个样地在10月末植被生长减退阶段土壤TN和速效氮含量均具极显著正相关关系（P<0.01）;而6月只有ND的土壤TN和速效氮含量达到极显著正相关关系，其他样地二者相关性不显著。 10月土壤中TN含量与速效氮含量呈线性关系，且相关性较好。从表中1可以看出，10月ND、LD、MD土壤TN含量与速效氮含量间的相关系数r依次为0.895、0.926、0.898，相关性表现为LD>MD>ND。 2.5 土壤TN含量与有机质含量的相关性分析 以土壤TN含量为因变量，有机质含量为自变量，得到不同盖度、不同季节的土壤TN、有机质含量之间的回归分析结果（表2）。由表2可知，南水北调中线渠坡土壤TN和有机质含量具有一定的相关性，但不明显。其中，ND 6月的土壤TN和有机质含量显著性正相关（P<0.05），10月达到极显著正相关;而LD与MD土壤TN和有机质含量均无相关性，可能是由于LD、MD样地盖度较低，地表裸露较大，植被土壤的生态系统遭到了破坏致使各养分之间的关系异常，与赵自稳等对不同季节和退化程度下山地草甸土壤氮素含量的变化的研究结果[7]一致。不同植被类型TN与有机质含量变化规律相似，这是因为土壤中氮素有99%以上来源于有机质，以腐殖质形式存在，所以土壤中有机质含量的增加可以间接增加土壤氮素含量。且有机质含量和TN含量随着时间的延长而明显增加，这与赵发珠等对黄土丘陵区土壤有机碳、氮密度研究结果[8]相似。另外，在土壤浅层（0～10 cm）有机质含量最高，可能是因为草本植物根系较浅，累积枯落物在浅层微生物的作用下加快分解，释放养分归还土壤，同时在分解过程中产生酸类物质加速土壤矿物的分解与变化，且植物吸收土壤养分通过生物微循环在浅层土壤中富集，所以养分含量较高。 2.6 土壤有机质含量与速效氮含量的相关性分析 以土壤有机质为因变量，速效氮为自变量，得到不同盖度、不同季节的土壤有机质、速效氮之间的回归分析结果（表3）。可知，南水北调中线渠坡土壤有机质和速效氮在6月均具有较高的相关性，10月仅ND样地具有较高的相关性。其中ND、LD、MD样地在6月土壤有机质和速效氮含量均为显著性相关，ND样地在10月土壤有机质和速效氮含量达到极显著相关。研究区6月土壤中的有机质与速效氮含量呈线性关系，且相关性较好。从表3中可以看出，6月土壤有机质含量与速效氮含量之间的相关系数r依次为0.746、0.773 和0820，相关性表现为MD>LD>ND。 土壤有机质含量和速效氮含量的相关关系比有机质含量和TN含量的相关关系明显，这与王艳杰等雾灵山地区土壤有机质、TN及碱解氮含量的关系研究结论[9]相反。可能是因为土壤速效氮含量和植物生长特征、生长季节等有密切关系，从某种程度上讲，有多种因素影响着土壤速效氮养分含量的变化。 2.7 植被群落盖度与有机质和氮素含量的关系分析 植被生长过程也是植物对土壤环境不断适应和改造的过程，而土壤养分是植被生长重要驱动力之一。植被生长发育受土壤养分条件制约，土壤环境的差异会导致植被群落盖度的变化。有关植被群落盖度与土壤特征的关系较为复杂，不同学者研究结果也不一致。白永飞等对锡林河流域和沙坡头人工植被植物群落研究表明，植被群落盖度与土壤有机碳及TN含量呈正相关[10-11]。也有研究证实了在小尺度内可利用的土壤有机质、TN含量和植物群落盖度呈负相关[12-13]。本研究结果表明，随着南水北调中线工程河南新郑段渠道边坡植被群落盖度的降低，浅层土壤有机质、TN含量逐渐增加，速效氮含量逐渐减少。这与蔡晓布等对藏北紫花针茅高寒草原的研究结果[6]相似。说明有机质和氮素含量与植被群落盖度有着紧密关系，不同学者的研究结果不一致，其原因可能与不同地区环境条件如气候、土壤类型等不同有关[14]。有机质和氮素作为土壤养分中最主要的2个指标，其含量直接影响土壤肥力状况，进而影响植物生长发育水平及其多样性，本研究仅对植物群落盖度与土壤有机质、氮素含量变化进行探讨，要深入认识土壤碳库、氮库对植被群落盖度的影响，则还须要从机理上进行探索。 3 结论与讨论 南水北调中线河南段渠坡不同季节和不同盖度土壤氮素和有机质含量总体较低，但土壤状况不断向好。不同季节、不同植被盖度样地之間，浅层和深层土壤TN、速效氮和有机质含量有的存在显著性差异。不同盖度样地浅层与深层的土壤TN、速效氮、有机质含量均表现为10月高于6月，即随植被生长时间的延长，不管是浅层还是深层土壤TN、速效氮和有机质含量均呈增加趋势。即渠坡植被生长形成的枯枝落叶一定程度上增加了表层腐殖质，使得土壤养分含量增加，植草护坡对渠坡土壤有一定的改良作用，而且渠坡填土层也在不断腐熟，土壤状况有改善趋势。 同一季节，LD、MD 3个样地浅层和深层的土壤氮素含量在6月均变化不大，而在10月3个样地均表现为深层高于浅层。在10月，3个样地土壤速效氮含量在深层比较稳定，有机质含量在浅层比较稳定有机质含量6月和10月均表现为浅层高于深层。 不同季节、不同盖度土壤浅层和深层TN含量的变化不一致，6月浅层和深层土壤TN含量随植被盖度变化不明显;10月，浅层和深层均随植被盖度增大呈减小趋势;土壤速效氮浅层和深层变化趋势基本一致，不同季节浅层速效氮含量均随着植被盖度减小逐渐降低，深层则随植被盖度的降低而增加。不同季节土壤浅层有机质含量均高于深层，同一季节，浅层和深层土壤有机质含量均随植被盖度的降低而增大（6月LD样地深层例外）。这也说明了植被生长对土壤养分的消耗。 南水北调中线渠坡土壤氮素和有机质之间的相关性分析表明，土壤TN和速效氮在10月末植被生长减退阶段均具有较高的相关性，6月不明显;而10月仅ND的土壤中TN含量和有机质含量相关性较高。土壤有机质含量和速效氮含量在6月均具有较高的相关性，10月不明显;土壤有机质含量和速效氮含量在6月3个样地均呈显著性相关关系，10月仅在ND样地为极显著相关关系。 参考文献： [1]孟庆亮. 南水北调中线工程渠道土质边坡防护技术研究[J]. 水利水电施工，2015（1）：28-30. [2]高庆方，胡 洁. 南水北调中线工程地理信息数据采集：2014中国地理信息产业大会论文集[C]. 成都：中国地理信息产业协会，2014. [3]赵良辉，辛春强，赵凯选. 浅谈南水北调中线工程框格护坡预制安装技术[J]. 河南水利与南水北调，2013（15）：50-51. [4]张云霞，李晓兵，陈云浩. 草地植被盖度的多尺度遥感与实地测量方法综述[J]. 地球科学进展，2003，18（1）：85-93. [5]全国土壤普查办公室. 中国土壤[M]. 北京：中国农业出版社，1998：356. [6]蔡晓布，张永青，绍 伟. 藏北高寒草原草地退化及其驱动力分析[J]. 土壤，2007，39（6）：855-858. [7]赵自稳，郭晓敏，牛德奎，等. 不同季节和退化程度下山地草甸土壤氮素含量的变化[J]. 南方农业学报，2015，46（8）：1401-1405. [8]赵发珠，韩新辉，杨改河，等. 黄土丘陵区不同退耕还林土壤有机 碳氮密度变化特征[J]. 水土保持研究，2012，19（4）：43-47. [9]王艳杰，付 桦. 雾灵山地区土壤有机质全氮及碱解氮的关系[J]. 农业环境科学学报，2005，24（增刊）：85-90. [10]白永飞，李陵浩，王其兵，等. 镘林河流域草原群落植物多样性和初级生产力沿水热梯度变化的研究[J]. 植物生态学报，2000，24（6）：667-673. [11]李新荣，张景光，刘立超，等. 我国干早沙摸地区人工植被与环境演变过程中植物多样性的研究[J]. 植物生态学报，2000，14（3）：257-261. [12]肖德荣，田 坤，张利权. 滨西北高原纳帕海湿地植物多样性与土坡肥力的关系[J]. 生态学报，2008，28（7）：3116-3124. [13]Rosenzweig M L.Species diversity in space and time[M]. England：Cambridge University Press，1995：35. 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