漫川漫岗黑土区坡面植被的防蚀机制及模式优选

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaopp1920
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坡耕地和裸露的沟坡是漫川漫岗黑土区的主要产沙源区,一直以来都是该地区水土流失治理的重点。但其关键的治理技术地埂植物带和植物护坡都存在着损害农民经济利益的问题,面临着被农民破坏的危机。这将严重威胁我国粮食生产安全,阻碍我国生态农业的可持续发展。探究坡面植被的防蚀机制以及筛选出高水保、高经济效益的植被建植模式已成为该地区水土流失防治工程的关键任务。但目前其有关研究仍然相对缺乏。因此,本文以漫川漫岗黑土区坡耕地、地埂和侵蚀沟为研究对象,分别利用自然降雨径流泥沙观测、野外人工模拟降雨以及野外原位放水冲刷的实验方法,研究了坡耕地粮饲作物的减流减沙作用,埂带植被的护坡作用及其模式优选以及径流水动力学特征对侵蚀沟沟坡植被的响应,可为东北黑土区坡耕地或沟坡水土流失治理工程提供一定的理论依据和技术支持。主要结论如下:(1)生长季内,裸地的总径流量为95.3 mm,最大值和最小值分别在7月(42.3%)和9月(4.2%),其主要受降雨量和降雨历时的影响。与裸地相比,五种粮饲作物的减流效益可达21.5%–69.3%,且无芒雀麦>紫花苜蓿>小麦>玉米>大豆。同一月份,其径流量主要受盖度影响。不同月份,不同粮饲作物的径流量受降雨特征和粮饲作物类型共同影响,且受降雨特征的影响更大。裸地的总土壤流失量为622.2 g m-2,最大值和最小值分别在7月(66.1%)和5月(0.6%),主要受降雨侵蚀力的影响。与裸地相比,五种粮饲作物的减沙效益可达54.1%–77.0%,且无芒雀麦>紫花苜蓿>玉米>大豆>小麦。不同粮饲作物的土壤侵蚀量主要受降雨侵蚀力、冠层和根重密度控制。两种牧草的减流减沙效益显著高于三种农作物,故适当退耕种植牧草,有助于缓解东北黑土区坡耕地土壤侵蚀加剧的现状。(2)与裸露地埂相比,地埂植物带的减流效益和减沙效益分别为15%–63%和79%–94%。紫花苜蓿、食用大黄、大果榛子和刺五加的减流减沙效益显著高于自然草地覆盖地埂,灯笼果和黑加仑的减流减沙效益显著低于自然草地覆盖地埂。埂带植被能显著影响地埂的径流量和土壤流失量(P<0.001)。植被盖度是主要的影响因素,与两者呈显著的负相关关系(P<0.01)。豆科植物的生物量和埂带植被的总生物量均与径流量呈显著负相关关系(P<0.01)。而植物多样性和根系对径流量和土壤流失量的影响并不显著(P>0.05)。从经济效益来看,与农田平均经济效益相比,大果榛子、黑加仑、刺五加和灯笼果提高了1.1–9.9倍,而食用大黄和紫花苜蓿分别降低了22.5%和32.5%。综合分析结果显示,在地埂上种植大果榛子或刺五加并在地埂下坎种植紫花苜蓿的建植模式可以实现地埂水土流失防护和增加经济效益的双重作用,适宜在东北黑土区积极推广应用。(3)径流水动力学特征受植被特征影响显著。与裸露坡面相比,植被护坡坡面的径流流速、径流功率和单位径流功率分别减少了42%–67%、0–18%、44%–68%;而径流深度、径流剪切力、Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁系数分别增加了55%–150%、69%–156%、4–21倍和1–4倍。上述七种径流特征参数主要受植被盖度、地上生物量、根重密度和枯落物量的影响(P<0.05)。沟坡植被具有较好的护坡作用,且其作用受植被特征影响显著。与裸露坡面相比,植被护坡坡面的减流效益可达19%–30%,减沙效益可达78%–97%。其径流量和土壤流失量随着植被盖度、根重密度和枯落物量的增加而减少,且直根系含量较高的植被群落其减流减沙效益更佳。在五种沟坡植被建植模式中,由鸭茅、苇状羊茅、猫尾草和紫花苜蓿等比例混合的植被建植模式最适宜应用于东北黑土区沟坡保护。
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