重慶四面山水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性及影響因素

任改，張洪江，白芝兵

(1.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，510655，廣州;2.北京林業(yè)大學，100083，北京;3.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，510663，廣州)

重慶四面山位于長江三峽庫區(qū)尾端，自然資源豐富，是地球同緯度地區(qū)僅存的原始常綠闊葉林帶［1］。隨著國家、地方政府對生態(tài)環(huán)境的重視和生態(tài)工程建設的推進，四面山成為重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。有關重慶四面山森林或森林土壤方面的研究，主要集中在植被群落的生態(tài)學特征［2-3］、物種多樣性［4-6］、土壤種子庫［7-8］、水文功能［9］、水土流失［10］等方面，而關于區(qū)內水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性的研究鮮有報道。土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的性能。對土壤抗沖性的研究是土壤侵蝕機制研究的一個重要方面［11］，其指標能較好地體現(xiàn)區(qū)域水土流失過程和規(guī)律［12］。20世紀50年代，朱顯謨院士［13］在研究黃土高原土壤侵蝕問題時，將土壤抵抗徑流破壞作用的能力區(qū)分為抗蝕和抗沖2種性能。20世紀60年代，國內開展了不同土地利用方式下土壤抗沖性研究，發(fā)現(xiàn)植物根系對增強土壤抗沖性具有重大作用。之后蔣定生等［14］、周佩華等［15］、李勇［16］對土壤抗沖性的測試方法、評價指標、影響因素以及抗沖性的時空變化規(guī)律等方面進行了卓有成效的研究。目前，土壤抗侵蝕研究的重點是植被對土壤抗沖性的作用及其機制，而核心是根系提高土壤抗沖性的機制［17-18］。土壤抗沖性的研究區(qū)域不再集中在黃土高原區(qū)，近幾年，長江流域土壤抗沖性的研究也逐步開展起來［12，19-20］;但是，對土壤抗沖性的研究，并沒有形成統(tǒng)一的測試方法及量綱系統(tǒng)。筆者研究重慶四面山4種水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性的目的在于揭示該地區(qū)土壤抵抗徑流沖刷的機制，以期為三峽庫區(qū)土壤侵蝕機制提供理論基礎，為該區(qū)植被保護和建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶四面山張家山小流域，地理坐標為 E106°17′～ 106°31′，N28°31′～ 28°46′，海拔900～1 500 m。屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫13.7℃，多年平均降雨量1 522.3 mm，日最大降雨量160.5 mm，年平均日照時間為1 082.7 h，年平均相對濕度為80% ～90%，最高濕度可達100%。土壤類型有黃棕壤、黃壤等。區(qū)內地勢較陡，土層較薄，厚度一般在10～70 cm之間，多呈微酸性至酸性。植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、石櫟(Lithocarpus glaber)、木荷(Schima superba)、福建柏(Fokienia hodginsii)、香樟(Cinnamomum camphora)、楓香(Liquidambar formosana)、紫花杜鵑(Rhododendon amesiae)、白毛新木姜子(Neolitsea aurata var.Glauca)、杜莖山(Maesa japonica)、野薔薇(Rosa multiflora Thunb.)等，竹類大約有20余種，以楠竹(Phyllostachys pupescens)為主。

2 研究方法

2.1 樣地選取

2008年4—7月，選取具有代表性的水源涵養(yǎng)林(針葉林、闊葉林、針闊混交林和楠竹林)設置標準地，采取原狀土對土壤抗沖性進行研究。林地土壤類型為山地黃壤，質地為砂黏壤土、砂壤土，厚度為40～60 cm。不同水源涵養(yǎng)林標準地基本情況見表1和表2。

2.2 實驗設計

試驗采用改進的原狀土沖刷水槽法，水槽長100 cm，寬10.5 cm，高10 cm，上部為靜水室，下部為裝樣室。矩形環(huán)刀采取土樣，尺寸為10 cm×20 cm×5 cm。

在林地標準地內，用矩形環(huán)刀采取土壤剖面A0和A層原狀土樣，3次重復。原狀土樣取回后，在水中浸泡12 h左右，裝入土樣室，使土樣表面和槽面齊平，調節(jié)沖刷坡度，以2 L/min左右的流量放水(水流先進入靜水室，然后均勻地從水槽面流下)沖刷10 min，并用量筒收集泥水過程樣。沖刷時，前5 min內每1 min取1次泥水樣，最后第7、10 min各取1次泥水樣。然后把收集的泥土沖洗、過濾到鋁盒里，烘干、稱量。根據(jù)該區(qū)域森林植被分布的坡度范圍，分別設置坡度 20°、25°、30°進行試驗。

沖刷完畢后，將土體放在水中溶洗，之后使泥水通過1 mm的土壤篩，再將留在篩上的根系裝在鋁盒中置于烘箱中烘干，烘箱溫度為75℃，最后利用鋼尺測量不同根級根系的平均長度，并稱量其質量。

2.3 評價指標的選用

目前，國內外評價土壤抗沖性的指標較多［21］，但尚無統(tǒng)一標準，不同方法研究結果可比性較差。筆者采用土壤抗沖刷系數(shù)［14，17，22］評價土壤抗沖性。土壤抗沖刷系數(shù)愈大，土壤抗沖性愈強。土壤抗沖刷系數(shù)可定義為每沖走1g干土所需的水量和時間的乘積，即

式中:C為土壤抗沖刷系數(shù)，L·min/g;m為沖走的干土質量，g;Q為需水量，L;t為沖刷時間，min。

表1 水源涵養(yǎng)林標準地基本情況Tab．1 Basic situation of different water conservation forest plots

表2 水源涵養(yǎng)林垂直結構的基本特征Tab．2 Vertical structure features of different water conservation forests

3 結果與分析

3.1 林地土壤抗沖性特征

取3種設置坡度下土壤抗沖刷系數(shù)的均值評價林地土壤抗沖性，不同水源涵養(yǎng)林土壤抗沖刷系數(shù)見表3?？梢钥闯?，同種土地利用條件下，A0層土壤抗沖性強于A層。楠竹林的平均土壤抗沖刷系數(shù)最大，為20.153 L·min/g，其次為針闊混交林和針葉林，為14.717、10.819 L·min/g，闊葉林抗沖刷系數(shù)最小，僅為4.615 L·min/g。試驗中發(fā)現(xiàn)，楠竹林土層內各種根徑的根系交錯穿插、緊密纏繞土體形成網絡結構，其他3種林分土層內根系較少，未形成網絡結構?？梢?，同種土壤類型條件下(研究范圍內均為山地黃壤)，植物根系對土壤抗沖性起關鍵作用，尤其是根系的網絡結構，能顯著增強土壤抗沖性。

表3 不同水源涵養(yǎng)林土壤抗沖刷系數(shù)Tab．3 Soil anti-scouring indices of water conservation forests L·min/g

3.2 林地土壤抗沖性的動態(tài)變化特征

降雨(徑流)沖刷過程中，土壤抗沖性會隨著時間而變化，周維等［23］研究結果表明，土壤抗沖性與時間的關系用冪函數(shù)擬合較好。

圖1為土壤抗沖刷系數(shù)隨沖刷時間的變化曲線。可以看出:在整個沖刷過程中，林地土壤抗沖刷系數(shù)增大，則抗沖性能增強。這是由于各林地單位土體中表面土相對疏松，容易被沖刷，5 min內表面土幾乎全部被沖刷掉，之后，土壤比較緊實，顆粒間的摩擦力增大，不易被沖刷，表現(xiàn)出較強的抗沖性;楠竹林、針闊混交林土壤抗沖刷系數(shù)隨著沖刷時間的延續(xù)急劇增大，而針葉林、闊葉林土壤抗沖刷系數(shù)緩慢增大。

圖1 土壤抗沖刷系數(shù)隨沖刷時間的變化曲線Fig．1 Changes of soil anti-scouring indices over time

擬合的水源涵養(yǎng)林各土層抗沖刷系數(shù)與時間的變化關系見表4?？梢姡寥揽箾_刷系數(shù)與沖刷時間用指數(shù)函數(shù)擬合效果較好。

3.3 坡度和根系特征對土壤抗沖性的影響

3.3.1 坡度對土壤抗沖性的影響 已有研究［24］表明，土壤侵蝕特別是面蝕不是隨著坡度的增加而無限制地增加，一般存在一個轉折坡度，超過這一坡度，土壤侵蝕量(面蝕)反而呈下降趨勢。同時，眾多學者從不同學科出發(fā)，對土壤侵蝕轉折坡度也進行了探討，結果表明，不同地區(qū)土壤侵蝕轉折坡度相差較大［25-27］。

不同坡度下土壤抗沖刷系數(shù)見表5?？梢?，坡度從20°增加到 25°，土壤抗沖刷系數(shù)平均值從18.422 L·min/g下降到12.790 L·min/g，降低了31%;從25°增加到30°時，降低了約50%。針對不同水源涵養(yǎng)林，隨著坡度的增大，針葉林土壤抗沖性先增大后降低，闊葉林、針闊混交林表現(xiàn)出先急速降低再緩慢降低的趨勢，楠竹林降低程度較一致。

總體表明，土壤抗沖性變化轉折的坡度值為25°，這一轉折坡度還有待通過試驗進一步驗證。而實際中，四面山的森林植被大量分布在坡度大于30°的陡坡上，作為水源涵養(yǎng)區(qū)，應加強森林植被的保護，控制人為破壞森林植被以及林下枯枝落葉物，以減少或消除地表徑流對土壤的沖刷，提高土壤抗沖性。

表4 土層抗沖刷系數(shù)與沖刷時間的回歸方程Tab．4 Regression equation between soil anti-scouring indices and times

表5 土壤抗沖性與坡度的關系Tab．5 Relationship between soil anti-scouribility and slope L·min/g

3.3.2 根系特征對土壤抗沖性的影響 不同水源涵養(yǎng)林土壤根系特征見表6?？芍?A0層＜3 mm根系根量占總根量的比例超過80%，而其根長占總根長的73%;A層＜3 mm根系根量占總根量的69%，其根長占總根長的62%。從根量、根長這2個指標可知:＜3 mm根系是四面山水源涵養(yǎng)林表層土壤根系的主要成分，纏繞、固結土壤的作用主要由＜3 mm根系承擔;隨著土壤深度的增加，＜3 mm根系根量、根長均在減少。

不同林分之間相比較，楠竹林具有總根量最大(106.11 g)、長度最長(139.0 cm)的特點，根系死生物量表現(xiàn)為針葉林(22.03 g)多于針闊混交林(16.24 g)、楠竹林(12.56 g)、闊葉林(2.19 g)。針葉林、闊葉林和針闊混交林根系在土壤中垂直分布規(guī)律是，隨著土壤深度的增加，基本是＜3 mm根系根量減少，＞3 mm根系根量增多，長度沒有一致的變化，但是，楠竹林各級根徑根量均隨著土層深度增加而增大，這為楠竹林土壤抗沖性明顯優(yōu)于其他林地提供了重要依據(jù)。

對水源涵養(yǎng)林地土壤抗沖刷系數(shù)與根量、根長、死生物量進行逐步回歸的結果表明:A0層土壤抗沖性主要受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影響;A層主要受3～5 mm根系根量及其根長的影響。相關方程見式(1)和式(2)。

式中:CA0、CA分別為A0、A層土壤抗沖性抗沖刷系數(shù)，L·min/g;X1為根徑 ＜1 mm 根系根量，g;X2為根徑1～3 mm根系根量，g;X3為根徑3～5 mm根系根量，g;X7為根徑3～5 mm根系長度，cm;X9為土體內總死生物量，g。

表6 不同水源涵養(yǎng)林根系特征Tab．6 Root characteristics of water conservation forests

4 結論

1)在重慶四面山研究的4種水源涵養(yǎng)林中，楠竹林土壤抗沖性最大，其次為針闊混交林、針葉林，闊葉林最小，其抗沖刷系數(shù)分別為20.153、14.717、10.819 和4.615 L·min/g。

2)林地土壤抗沖性A0層強于A層，并隨沖刷時間的增長而增強。土壤抗沖刷系數(shù)與沖刷時間用指數(shù)函數(shù)擬合效果較好。

3)坡度是影響土壤抗沖性的一個重要外在條件，土壤抗沖性發(fā)生變化的坡度值為25°。

4)＜3 mm根系是四面山水源涵養(yǎng)林表層土壤根系的主要成分，纏繞、固結土壤的作用主要由＜3 mm根系承擔。四面山水源涵養(yǎng)林A0層土壤抗沖性受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影響，A層主要受3～5 mm根系根量及其根長的影響。

［1］ 劉國花，謝吉容.重慶四面山風景區(qū)森林植被調查研究［J］.渝西學院學報:自然科學版，2005，4(1):90-92

［2］ 楊瑞武.四面山大窩鋪常綠闊葉林特征研究［J］.四川農業(yè)大學學報，1994，12(4):490-495

［3］ 李旭光.四川江津四面山常綠闊葉林永久樣地的非線性排序［J］.植物生態(tài)學報，1995，19(3):286-292

［4］ 趙群芬，李旭光，劉玉成.重慶四面山常綠闊葉林物種多樣性研究［J］.西南師范大學學報:自然科學版，1998，23(1):85-91

［5］ 盧煒麗，張洪江，王偉，等.重慶四面山5種不同配置模式人工林生物多樣性研究［J］.西北植物學報，2009，29(1):160-166

［6］ 白芝兵，張洪江，程金花，等.重慶四面山杉木群落物種多樣性研究［J］.生態(tài)與農村環(huán)境學報，2010，26(2):142-147

［7］ 彭軍，李旭光，董鳴，等.重慶四面山亞熱帶常綠闊葉林種子庫研究［J］.植物生態(tài)學報，2000，24(2):209-214

［8］ 彭軍，李旭光，付永川，等.重慶四面山常綠闊葉林建群種種子雨、種子庫研究［J］.應用生態(tài)學報，2000，11(1):22-24

［9］ 饒良懿，朱金兆，畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應［J］.北京林業(yè)大學學報，2005，27(1):33-37

［10］張洪江，程金花，何凡.長江三峽庫區(qū)土地覆被類型對坡面產沙的影響［J］.中國水土保持科學，2007，5(1):40-43

［11］鄒翔，崔鵬，陳杰，等.小江流域土壤抗沖性實驗研究［J］.水土保持學報，2004，18(2):71-73

［12］王一峰，張平倉，朱兵兵，等.長江中上游地區(qū)土壤抗沖性特征研究［J］.長江科學院院報，2007，24(1):12-15

［13］朱顯謨.甘肅中部土壤侵蝕調查報告［J］.土壤專報，1958(32):53-109

［14］蔣定生，范興科，李新華，等.黃土高原水土流失嚴重地區(qū)土壤抗沖性的水平和垂直變化規(guī)律研究［J］.水土保持學報，1995，9(2):1-8

［15］周佩華，鄭世清，吳普特，等.黃土高原土壤抗沖性的試驗研究［J］.水土保持研究，1997，4(5):47-58

［16］李勇.黃土高原植物根系提高土壤抗沖性機制的初步研究［J］.中國科學:B 輯，1992(3):254-259

［17］吳蔚東，鄭詩樟，盧志紅，等.百喜草對紅黏土性紅壤抗沖性的研究［J］.江西農業(yè)大學學報，1999，21(1):71-76

［18］曾信波.貴州紫色土上植物根系提高土壤抗沖性能的研究［J］.貴州農學院學報，1995，14(2):20-24

［19］王玉杰，王云琦，夏一平.重慶縉云山幾種林分的林地土壤抗蝕抗沖性能［J］.中國水土保持科學，2006，4(1):20-27

［20］陳晏，史東梅，文卓立，等.紫色土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤抗沖性特征研究［J］.水土保持學報，2007，21(2):24-28

［21］劉寶元，張科利，焦菊英.土壤可蝕性及其在侵蝕預報中的應用［J］.自然資源學報，1999，14(4):345-350

［22］周正朝，上官周平.子午嶺次生林植被演替過程的土壤抗沖性［J］.生態(tài)學報，2006，26(10):3270-3275

［23］周維，張建輝，李勇，等.金沙江干暖河谷不同土地利用條件下土壤抗沖性研究［J］.水土保持通報，2006，26(5):26-30

［24］曹文洪.土壤侵蝕的坡度界限研究［J］.水土保持通報，1993，13(4):1-5

［25］陳永宗，景可，蔡強國.黃土高原現(xiàn)代侵蝕與治理［M］.北京:科學出版社，1988:104-106

［26］陳法揚.不同坡度對土壤沖刷量影響試驗［J］.中國水土保持，1985(2):18-19

［27］陳明華，聶碧娟.土壤侵蝕轉折坡度的研究［J］.福建水土保持，1995(3):35-38