全 文 ：收稿日期:2007-01-02
基金项目:国家科技攻关计划项目(2004BA617B02);北京市科技计划项目“库滨带生态护坡草种的选择 、配置及建植技术示范研究”与北
京市科技新星计划(B类)项目(2005B02)资助
作者简介:刘素军(1980-),男 ,河北阳原人 ,硕士 ,主要从事作物栽培与耕作学研究。
通讯作者:孙铁军(1972-),男 ,内蒙古呼和浩特人 ,助理研究员 ,博士 ,主要从事草业生态与环境研究。
玉米与草地雀麦种植对坡地水土流失的影响
刘素军1 , 2 ,孙铁军1 ,张　胜2 ,武菊英1 ,苏日古嘎3
(1.北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心 ,北京　100097;
2.内蒙古农业大学 农学院 ,内蒙古呼和浩特　010019;3.内蒙古师范大学生命科学与技术学院 ,内蒙古呼和浩特　010022)
　　摘要:试验在自然降雨条件下 , 在 15°坡地设置作物与牧草径流试验小区 , 以裸地为对照 ,在每次降雨之后用全深
剖面采样器取样 ,测量其径流量和土壤侵蚀量 , 定期测定玉米和草地雀麦的生物学特性 , 研究玉米与草地雀麦生物学
特性变化及其坡地水土流失防治效果的差异 ,探索植物种植对坡地水土流失的主要影响因素 , 结果表明:种植玉米与
草地雀麦 , 对坡地水土流失均有一定防治作用 , 但是 , 与玉米相比 , 草地雀麦的叶面积指数和覆盖度可在雨季前达到
较高水平 ,有利于早期坡地水土流失防治。同时 , 草地雀麦 0～ 10 cm土层根系发达 , 地下生物量是玉米的 2.88 倍 ,可
以显著提高自然降水的土壤入渗率 ,减少地表径流 , 使坡地年径流量与土壤侵蚀模数减少 98.2%和 99.9%, 保水 、固
土能力是玉米种植的 5.2倍和 1.5倍 , 水土流失防治效果显著。
关键词:玉米;草地雀麦;水土流失
中图分类号:S157.1　　文献标识码:A　　文章编号:1000-7091(2008)01-0181-05
Effect of Zea mays and Bromus riparius on Soil and Water Loss on the Slope
LIU Su-jun1 , 2 ,SUN Tie-jun1 , ZHANG Sheng2 ,WU Ju-ying1 ,SURI-guga3
(1.Beijing Research and Development Center for Grass and Environment ,Beijing Academy of Agriculture and Forestry
Sciences ,Beijing　100097 ,China;2.Agricultural College , InnerMongolia Agricultural University ,Huhhot　010019 ,China;
3.Institute of Life Science and Technology , Inner Mongolia Normal University ,Huhhot　010022 ,China)
Abstract:The effect of Zea mays and Bromus riparius on soil and water loss were studied , the experiment was con-
ducted to plant crop and grass in runoff-plots on the 15 degree slope naturally , the bare slop is CK , then the runoff and
soil erosion amount and the biological characteristics of corn and meadow bromes termly were measured , and difference of
soil and water loss prevention effect on the slop land were determined.The results showed that soil and water loss became
less after both corn and meadow brome planting.And the leaf area and the coverage of meadow brome higher than corn ,
which was benefit for less soil and water loss at the rain season early.Meanwhile , roots of corn and meadow brome mainly
distributed in 0-10 cm soil layer , and the root biomass of meadow brome was 2.88 times than that of corn.The root
biomass improved the soil infiltration rate and reduced runoff , the runoff and erosion amount of meadow brome decreased
by 98.2%and 99.9% respectively , and the ability of water retention and soil-reinforcement of meadow brome was 5.2
and 1.5 times than that of corn.
Key words:Corn;Meadow brome;Soil and water loss
　　水土流失已经成为当今世界面临的主要环境问
题之一[ 1] ,也是我国的头号环境问题[ 2 ,3] ,严重的水
土流失不仅使土壤退化 、生态平衡失调 ,还会导致农
业生产环境恶化 、作物产量大幅度下降[ 2-5] 。玉米
是我国北方地区主要粮食作物之一 ,在农业生产中
占有重要地位 ,2006年我国玉米播种面积达到 2690
万 hm2 ,且玉米大多数都种植在坡耕地上[ 7] ,玉米种
植对坡地水土流失的影响由此也成为人们关注的焦
点。吴伯志等对不同耕种措施下坡地土壤侵蚀状况
进行研究认为 ,坡地沿等高线种植玉米可以减轻土
华北农学报·2008 , 23(1):181-185
壤侵蚀[ 8] 。米艳华等在玉米地与裸地水土流失的试
验中得出:无论是少雨年还是多雨年 ,传统单作玉米
的地表径流量 、土壤侵蚀量均小于裸地 ,且连续两年
玉米种植比裸地种植径流量和土壤侵蚀量分别减少
18.1%和 23.05%[ 9] 。与此同时 ,国内外众多学者在
牧草种植与水土流失防治关系的研究中普遍认为 ,
增加坡地牧草覆盖 ,可以有效减少地表径流 ,降低土
壤侵蚀[ 10-17] 。王凭青等在狼尾草水土保持效果的
研究中得出:坡地种植狼尾草后 ,坡地年径流量和土
壤侵蚀模数分别是裸地的 18.15%和 2.61%[ 18] ;字
淑慧等在不同草带对坡耕地水土流失影响的试验中
得出 ,坡地下端种植草带可以显著减少地表径流量
和土壤侵蚀量 , 保水 、固土能力达到 99.97%和
99.98%[ 19] 。然而 ,以往作物与牧草水土流失防治
的研究多在人工模拟降雨或不同立地条件下进行 ,
在同一自然环境中 ,同一立地条件坡耕地作物与牧
草水土流失防治效果的相关报道较少。草地雀麦是
多年生禾本科牧草 ,抗旱 、耐寒 、耐贫瘠 ,根系发达 ,
覆盖能力强 ,适于冷凉干燥地区生长 ,是我国北方地
区水土保持的优选牧草 ,因此 ,试验在自然降雨条件
下 ,以裸露坡面为对照 ,同一坡地设置玉米和草地雀
麦径流试验小区 ,研究玉米与草地雀麦生物学特性
变化及其坡地水土流失防治效果的差异 ,探索植物
种植对坡地水土流失的主要影响因素 ,为我国北方
地区坡耕地利用及坡地水土流失防治提供一定的理
论依据与技术支撑 。
1　材料和方法
1.1　研究区域概况
试验区位于北京市昌平区小汤山国家精准农业
示范基地 ,北纬 39°34′,东经 116°28′,海拔 50 m 左
右 ,为典型的暖温带大陆性季风气候 ,具有四季分明
的特点 ,年度间气候变幅较大 ,春季气温回升快 ,昼
夜温差大 ,经常出现 6 ～ 7级大风 ,易出现春旱。降
水季节分配很不均匀 ,夏季多雨炎热 ,多风雹 、涝旱
灾害 ,降水量占全年的 70%～ 80%,7月份平均气温
26～ 27℃。年平均气温为 8.5 ～ 12.0℃,极端最低
-27.4℃,极端最高 42.0℃以上。全年无霜期 180
～ 200 d ,年日照 2600 ～ 2800 h 。年平均气温 11.5℃,
≥0℃积温 4400℃,年降水量 600 mm 左右。北京地
区近 30年平均月降水量及 2006年试验区降水量资
料见表 1。
表 1　2006 年与历年月平均降水量
Tab.1　The changes of monthly rainfall in 2006 and average monthly rainfall in the past years mm
月份　Month 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006年　In the 2006 1.4 3.8 1.3 56.8 84.2 112.5 170.9 144.5 20.9 11.9 5.5 0
历年均值　The average in the past years 3 6 9 26 29 71 176 182 49 19 6 2
1.2　研究材料
草地雀麦(Bromus riparius):原产地是加拿大 ,草
种引自加拿大 。玉米(Zea mays):品种为中北 306 ,
该品种由北方种业优质玉米研究所研制 。
1.3　试验设计
试验以裸露坡面为对照(CK),以玉米种植地和
草地雀麦种植地为处理 ,3 次重复 ,共 9 个径流小
区 ,全部设置在 15°坡耕地上 ,坡向坐南向北 ,每径流
小区面积为 2 m ×3 m ,小区由砖石水泥砌墙而成 ,
墙宽 25 cm ,高 200 cm ,顶部内高外低 ,防止雨水流
入 ,每个小区最低处设一出水口 ,出口端接有体积为
0.13 m3 的分流桶 ,并通过 5孔分流后接 1个体积相
同的集流桶 ,用于产流后的径流与泥沙收集 。2005
年9月采用等高线条播方式播种草地雀麦 ,行距
15 cm ,建植后 ,2006年牧草营养生长期密度为1 500
～ 1 700万株/hm2;2006年5月采取传统播种方式穴
播玉米 ,株行距 40 cm×40 cm ,营养生长期密度为 5
万株/hm2。试验区光照充足 、通风条件良好 ,土质疏
松 ,平均容重 1.2 g/cm3 ,有机质含量 1.377%,全氮
0.098%,全磷 0.076%, 全钾 1.643%,有效氮 62.2
mg/kg ,有效磷 2.9 mg/kg , 有效钾 143.7 mg/kg , pH
值 7.45。
1.4　测试指标与方法
1.4.1　降雨量测定 　试验区安装有美国 Dynamax
公司制造的 Dynamet 型自动气象站 ,可以自动记录
不同时段降水量。
1.4.2　径流量和侵蚀量测定　每次降雨产流后 ,测
定桶内集流深度 ,根据事先测定的高度与体积的对
应关系计算坡面径流总体积 , 再用全深剖面采样
器[ 20]取小样 ,作为代表本次径流的总代表水样 ,称
其重量和体积 ,过滤后放入电热恒温干燥箱(型号
DH-101-2BS), 105℃烘干至恒质量 ,电子天平称质
量 ,得出水样中的干土质量和水质量 ,计算出每次的
径流量和土壤侵蚀模数 。
1.4.3　盖度测定　采用样点法 ,用美国 Decagon 公
司生产的 First Growth盖度分析仪测定 ,每月中旬定
期测量 ,每径流小区测定 3次 ,取平均值 ,重复 3次。
1.4.4　入渗率测定　采用双环法测定 ,环高 20 cm ,
首先将内 、外环垂直打入坡面 10 cm ,内环面积是
707 cm
2 ,保持两环在同一水平面上 ,然后快速往双
182　 华　北　农　学　报 23卷
环内加水 ,从加满水开始记时 ,分别在第 0.5 ,1 ,3 ,7 ,
13 ,19 ,25 , 31 , 37 , 43 min 定时加水 ,直至加满 ,保证
内外环水面持平 ,记录每次内环的加入量 ,直至入渗
稳定 ,每次的加入量也就是在该时间段内的入渗
量[ 21] 。最后根据下面公式计算入渗率:
R1=QS1 ×
10Δt
其中:Q 是时段 Δt 内的入渗量 , S1 为入渗面
积 ,10为单位转换常数 , Δt为入渗时间 。
1.4.5　生物量测定　植物生长季末期 ,全部收获每
径流小区地上生物量 ,3次重复 ,同时用根钻在每个
径流小区分别取 0 ～ 10 cm 、10 ～ 20 cm 、20 ～ 30 cm土
层内土壤 , 3次重复 ,洗根后放入烘箱 ,80℃烘干至
恒质量称其质量 ,之后计算地上与地下生物量 。
1.4.6　叶面积测定　2006年 6-8月 ,每月中旬在
各径流小区随机选择玉米 5株 、草地雀麦 20株 ,用
美国 LI-COR公司生产的 LI-3000A叶面积仪测定其
叶面积 ,重复 3次 ,然后根据植株密度计算小区内叶
片总叶面积 ,最后计算叶面积指数
叶面积指数=单位土地面积上所有叶子单面面积单位土地面积
2　结果与分析
2.1　不同处理的水土保持效应
2.1.1　不同处理年水土流失总量比较 年径流量
和土壤侵蚀模数是衡量水土流失状况严重与否的重
要指标之一。径流试验小区坡面水土流失研究结果
显示 ,2006 年玉米地年径流量和侵蚀模数分别为
141 429.9 m3/km2 和8 786.2 t/km2 ,保水 、固土能为
18.9%和 65.9%,而草地雀麦地年径流量和土壤侵
蚀模数是3 090.3 m3/km2 和 2.6 t/km2 ,年径流量和
土壤侵蚀模数是对照地的 1.78%和 0.01%,保水 、
固土能力高达 98.2%和 99.9%,是玉米地的 5.2倍
和 1.5倍 ,可见自然降雨条件下 ,作物与牧草种植对
坡地水土流失均有一定的防治效果 ,但牧草水土流
失防治效果明显好于玉米(表 2)。
表 2　2006 年不同植被覆盖下坡地水土流失状况
Tab.2　Soil and Water loss between different treatments in 2006
处理
Treatments
年径流量/(m3/km2)
Runoff
amount
土壤侵蚀模数/(t/km2)
Soil erosion
amount
保水能力/ %
Ability of water
retention
固土能力/ %
Ability of soil-
reinforcement
对照　CK 173 909.9A 25 806.7A　　 - -
玉米　Zea mays 141 429.9A 8 786.2B　　 18.9 65.9
草地雀麦 Bromus riparius 3 090.3B 2.6C　　 98.2 99.9
　注:保水能力=1-(处理径流量/对照径流量),固土能力=1-(处理侵蚀量/对照侵蚀量)[18] ,同列不同字母表示在 0.05水平上差异显著。
　Note:Ability of water retention=1-(runoff amount of treatment/ runoff amount of CK).Ability of soil-reinforcement=1-(soil erosion amount of treatment/
soi l erosion amount of CK).Means within each column followed by different letters are significantly diff erent at 0.05 level.
2.1.2　不同处理水土流失量月动态　6-8月是北
京地区集中降雨的时间 ,也是坡面水土流失产生最
为严重的阶段。2006年6-8内 ,每月玉米与草地土
壤侵蚀量均小于对照地 ,但草地雀麦地每月的土壤
侵蚀量最小 ,仅为 0.80 ～ 0.94 t/km2 ,不及玉米地的
0.12%;不同植被覆盖坡地的月径流量测定结果显
示 ,6-8月 ,草地雀麦地每月的径流量均显著小于
对照地 ,而玉米地和对照地的月径流量差异不显著 ,
进一步说明 ,草地雀麦种植与玉米种植相比 ,坡面水
土流失防治效果更佳(表 3)。
表 3　2006 年 6-8月不同径流小区的月径流量和月土壤侵蚀量
Tab.3　Monthly runoff and soil erosion amount from June to August in 2006
指标　Target 处理　Treatments 6月　June 7月　July 8 月　August
径流量/(m3/km2) 对照 19 595.61A　 88 737.73A　 65 576.57A　　　
Runoff amount 玉米 18 281.77A　 75 482.66A　 47 665.49A　　　
草地雀麦 573.57B　 1 501.14B　 1 015.60B　　　
土壤侵蚀模数 对照 3 044.47A　 15 044.60A　 7 717.58A　　　
/(t/km2) 玉米 775.96B　 5 265.37B　 2 744.92B　　　
Soil erosion amount 草地雀麦 0.80C　 0.94C　 0.87C　　　
　注:同一列当中 ,同一指标的字母不同表示在 0.05水平上差异显著。
　Note:Meanswithin each column between items followed by different letters are significantly different at 0.05 level.
2.2　不同植被覆盖坡地土壤入渗率的变化
水分入渗是地表面水体经通道进入土中 ,并在
整个土壤剖面上运移的全过程[ 22] 。地表径流是土
壤水分饱和后在地表产生的径流 ,土壤入渗速率高 ,
地表径流相应减弱。0 ～ 10 cm 土层入渗率测试结
果显示见图 1 ,不同入渗时间 ,草地雀麦地入渗率均
大于玉米地和对照地 ,尤其初始入渗 7 min 内差异
显著 ,之后随着入渗时间延长 ,入渗率趋于稳定 ,玉
米地入渗率与对照地差异不显著 ,这与 2006年 6-8
月 ,草地径流量显著大于对照地 、玉米地径流量与对
1期 刘素军等:玉米与草地雀麦种植对坡地水土流失的影响 183　
照地差异不显著的结果相一致(表 3),说明坡面径
流量大小与土壤入渗率高低有关 ,入渗率大 ,雨水渗
入土壤速度相对较快 ,地表径流减弱 ,径流中泥沙携
带量减少 ,土壤水蚀量相应减少。
图 1　不同处理坡地土壤入渗率的变化
Fig.1　Soil infiltration rate changes of different treatments
2.3　生物量对坡面产流状况的影响
地表植被覆盖是坡地水土流失减少的主要因素
之一 ,其中生物量是地表植被覆盖程度的重要指标。
2006年径流试验小区地上生物量测定结果(表 4)显
示 ,玉米地上生物量显著高于草地雀麦 ,达到24 966
t/hm2 ,但 2006年玉米地年径流量与土壤侵蚀模数
高于草地雀麦地(表 2),表明坡地水土流失量大小
与地上生物量多少并无直接关系 。进一步分析其地
下生物量得出 , 0 ～ 30 cm 土层内 ,草地雀麦地下生
物量显著高于玉米 ,达 4 834.4 kg/hm2 ,其中 0 ～
10 cm土层中地下生物量占 0 ～ 30 cm 总量的
94.4%,是玉米的 2.8倍 。结合 2006年草地雀麦地
年径流量和土壤侵蚀模数均显著小于玉米地的试验
结果 ,说明地下生物量大 ,尤其 0 ～ 10 cm 土层植物
根系多 ,土壤入渗率高 ,坡面径流相对减弱 ,土壤水
蚀量减少 。地下生物量对水土流失的防治作用显著
高于地上生物量的防护作用 。
表 4　2006 年不同处理坡地植物生物量
Tab.4　Biomass between different treatments
处理
Treatments
地上生物量/(kg/hm2)
Aboveground biomass
地下生物量/(kg/hm2)　Underground Biomass
0～ 10 cm 10～ 20 cm 20 ～ 30 cm 总地下生物量/(kg/ hm2)
Total Underground biomass
玉米 Zea mays 24 966.7A 1 633.9B 37.5B　 7.1B　 1 678.5B
草地雀麦 Bromus riparius 5 321.9B 4 555.7A 160.5A　 118.1A　 4 834.4A
　注:同列不同字母表示在 0.05水平上差异显著。
　Note:Meanswithin each column followed by different letters are significantly different at 0.05 level.
2.4　叶面积指数和覆盖度对产流状况的影响
叶面积指数是表示植株叶片交错重叠程度的一
个重要指标 ,一般而言 ,叶面积指数大 ,叶片重叠程
度高 ,植被覆盖度大。2006年径流试验小区植物生
物学特性观测结果显示 ,6-8月草地雀麦叶面积指
数和覆盖度均显著大于玉米 ,其中 6月中旬草地雀
麦叶面积指数和覆盖度已达 7.24%和 91.5%,是玉
米地的11.4倍和 2.2倍 ,同时 6月份草地雀麦地径
流量和土壤侵蚀量均显著小于玉米地(表 3),说明
植被叶面积指数对于坡地水土流失具有显著影响 ,
叶面积指数大 ,植被覆盖度高 ,坡地水土流失量相应
减少 ,此外 ,草地雀麦播种后 ,越年植株返青早(3月
初开始返青),叶面积指数增长相对较快 ,植被覆盖
度可以在雨季前达到较高水平 ,有利于雨季前期坡
面水土流失防治。
表 5　2006年 6-8 月不同处理坡地植物叶面积指数和覆盖度
Tab.5　The leaf area index and the coverage on the different slopes
指标　Target 处理　Treatment 6 月　June 7 月　July 8 月　August
叶面积指数 　　　　　玉米 0.63B 3.66B 3.16B
Leaf Area Index 　　　　　草地雀麦 7.24A 8.07A 9.86A
盖度/ % 　　　　　玉米 40.7B 80.0B 65.6B
Coverage 　　　　　草地雀麦 91.5A 95.8A 97.9A
　注:同一指标的同一列中字母不同表示在 0.05水平上差异显著。
　Note:Meanswithin each column between items followed by different letters are significantly different at 0.05 level.
3　结论
玉米与草地雀麦种植对坡地水土流失均有一定
防治作用 ,其中 ,玉米种植可以使坡地年径流量与土
壤侵蚀模数减少 18.9%和 65.9%,但草地雀麦种植
可使其减少 98.2%和 99.9%,保水 、固土能力是玉
米种植的 5.2倍和 1.5倍 ,水土流失防治效果显著
好于玉米 。
坡地水土流失与覆盖植被生物量有关 ,地下生
物量对坡地水土流失的防护作用显著高于地上生物
184　 华　北　农　学　报 23卷
量的防护作用 ,地下生物量大 ,土壤入渗率高 ,尤其
0 ～ 10 cm土层内 ,草地雀麦播种后第 2年 ,地下生物
量可达 4834.4 kg/hm2 ,是玉米的 2.88倍 ,使 0 ～ 10
cm 土层土壤入渗率显著高于玉米 ,而地表径流与土
壤侵蚀量则明显低于玉米 。
坡地水土流失与覆盖植被叶面积指数有关 ,叶
面积指数大 ,植被覆盖度高 ,坡地土壤侵蚀量降低 。
草地雀麦播种后第 2年 6月份 ,叶面积指数和覆盖
度可达 7.24 和 91.5%, 是一年生作物玉米的 11.4
倍和 2.2倍 ,与玉米相比 ,更加有利于雨季前期坡面
水土流失的防治 ,减少坡地年径流量与土壤侵蚀模
数。
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