北京石質山區(qū)不同水土保持措施對土壤物理性質及抗沖性的影響
——以房山區(qū)蒲洼小流域為例

徐佳佳， 于占成， 史隴俊， 張小俠， 張建軍，5?

(1.北京林業(yè)大學，水土保持學院，100083，北京；2.北京市房山區(qū)水務局，102442，北京；3.房山區(qū)云居寺水土保持科技示范園區(qū)，101407，北京；4.北京良鄉(xiāng)藍鑫水利工程設計有限公司，102488，北京；5.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京)

北京石質山區(qū)不同水土保持措施對土壤物理性質及抗沖性的影響
——以房山區(qū)蒲洼小流域為例

徐佳佳1， 于占成2,3， 史隴俊4， 張小俠4， 張建軍1，5?

(1.北京林業(yè)大學，水土保持學院，100083，北京；2.北京市房山區(qū)水務局，102442，北京；3.房山區(qū)云居寺水土保持科技示范園區(qū)，101407，北京；4.北京良鄉(xiāng)藍鑫水利工程設計有限公司，102488，北京；5.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京)

為評價北京山區(qū)多年來小流域綜合治理的水土保持效果，也為以后小流域治理和植被重建提供理論支撐，以房山區(qū)蒲洼小流域為研究地，采用典型樣地調查、野外抗沖性實驗和室內樣品處理的方法，對比分析不同水土保持措施的土壤物理性質、土壤質地和抗沖性。結果表明：隨著土層加深，各類措施下土壤密度均呈現(xiàn)增大趨勢，總孔隙度和毛管孔隙度呈現(xiàn)減小趨勢，而非毛管孔隙度沒有明顯規(guī)律。不同水土保持措施下，土壤密度、總孔隙度和毛管孔隙度均有改善(側柏林除外)，改善程度由好到差依次為：遼東櫟次生林>油松落葉松混交林>石坎梯田>油松林>落葉松林>灌叢；各類措施下土壤顆粒均以細、中粉粒為最多，分形維數(shù)顯示各類水保措施土壤通透性均較為良好；相比荒地，各類措施下土壤沖刷量顯著減小，徑流時間延長，沖刷量依次為油松落葉松混交林(0.82 kg/cm3)<側柏林(1.14 kg/cm3)<落葉松林(1.30 kg/cm3)<遼東櫟次生林(3.91 kg/cm3)<油松林(5.96 kg/cm3)<荊條灌叢(10.88 kg/cm3)，延緩徑流沖刷時間由大到小依次為：遼東櫟次生林(55.65 s/m)>油松落葉松混交林(46.82 s/m)>落葉松(28.19 s/m)>荊條灌叢(22.39 s/m)>側柏林(17.48 s/m)>油松林(16.94 s/m)。土壤抗沖性與細、中粉粒體積分數(shù)(正相關)、非毛管孔隙度呈顯著(負相關)關系最為密切，由此推出大根徑的根系穿插形成的非毛管孔隙對土壤抗沖性是負效應。綜上，油松落葉松林混交林提升土壤蓄水持水性能、土壤抗沖性均顯示出很大的優(yōu)勢；石坎梯田效果也較好，是小流域治理應首先考慮的2類措施。

水土保持措施； 土壤物理性質； 抗沖性

土壤通過與水、大氣和植物相互作用來影響環(huán)境[1]，是水分滯留和貯存的重要場所。土壤物理性質是評價土壤結構及功能的基本指標，是水土保持效應的具體表現(xiàn)[2]，土壤抗沖性則反應不同土壤結構和物理性質下土壤抵抗徑流分散破壞的能力，是評價水土保持功能的直接指標。研究者發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式、水土保持措施、土壤物理性質、植被及其結構、根系特征等都對土壤抗沖性有重要影響。李勇等[3]發(fā)現(xiàn)根系通過改善土壤物理結構強化入滲能力和水穩(wěn)性團粒，從而增強土壤抗沖性。劉國彬[4]建立黃土高原草地植被恢復過程中土壤抗沖性與根系參數(shù)、土壤力學參數(shù)、水穩(wěn)性團聚體等22個因子的回歸方程，認為影響土壤抗沖性的因素從大到小為：土壤凝聚系數(shù)>非飽和導水率>腐殖質含量>根系參數(shù)>水穩(wěn)性團聚體>土壤抗剪強度。解明曙[5]提出以單位剪切面積中直徑>0.4 cm的各根系橫截面積之和所占比例>0.1%，為判定林木根系固坡力學強度有效范圍的定量指標值。雷俊山等[6]提出黏黃土壤坡面產沙率與徑流剪切力關系式。各土壤類型區(qū)不同水土保持措施下的土壤抗沖性能研究也有很多進展。蔣定生等[7]研究晉陜蒙接壤地區(qū)不同地被物的土壤抗沖性，提出防止溝蝕的水土保持措施體系梯層結構配置模式。張建軍等[8]認為黃土區(qū)植被類型中油松+刺槐混交林抗沖能力最佳；張建輝等[9]和蒲玉琳等[10]從土壤抗沖性和抗剪強度角度研究得出紫色土區(qū)植物籬模式相較于橫坡農作模式有明顯優(yōu)勢，效果最佳的水土保持措施是林地和草地。

北京市房山區(qū)多中、重度水土流失區(qū)域。蒲洼小流域屬于典型的石質山區(qū)生態(tài)型小流域，該流域坡度>25°的面積達88%，陡峻的地形條件是水土流失嚴重和土壤貧瘠的主要原因之一，是房山區(qū)水土流失治理和生態(tài)建設重要區(qū)域。經過多年小流域綜合治理，通過營建水土保持林、經濟林、梯田等水土保持措施，區(qū)內水土流失得到逐步控制。水土保持措施對改良土壤理化性質、保土性能具有重要作用，而土壤理化性質又直接影響到土壤水分入滲、林地蒸散和流域產流，進而起到涵養(yǎng)水源、調節(jié)洪水和干旱的作用。由于水土保持措施不同、水土保持林樹種等配置結構的差異，對土壤的改良程度也存在差異，因此探究不同水土保持措施對土壤物理性質、抗沖性的作用，對于評價北京市石質山區(qū)常見水土保持措施的水土保持效益，植被恢復與重建中水土保持林結構調整以及土地利用的合理配置都具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

蒲洼小流域地理坐標N 39°42′46″～39°44′13″，E 115°32′01″～115°32′04″，位于北方土石山區(qū)房山西部石灰?guī)r中低山區(qū)，蒲洼鄉(xiāng)馬鞍溝上游，屬于拒馬河水系。平均海拔為515 m，最高海拔1 850 m，相對高差1 380 m。多年平均降雨量585.4 mm，年平均氣溫10～12 ℃，年平均日照2 300 h，年平均風速2.5 m/s，屬暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候。巖石組成主要為砂巖和頁巖，土壤主要為褐土。小流域內植被狀況良好，主要有遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz)林，有荊條(VitexnegundoL. var.heterophylla(Franch.) Rehd.)等雜灌叢；主要水土保持林有油松(Pinustabuliformis)林、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)林、側柏(Platycladusorientailis)林等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與調查

于2015年10月在蒲洼小流域開展野外調查，發(fā)現(xiàn)當?shù)爻Ｒ姷乃帘３执胧┌ǎ喝A北落葉松林、油松落葉松混交林、遼東櫟次生林、灌叢、側柏林、油松林、石坎梯田，7種樣地的分布面積約占宜林宜草土地面積98%(其余為旱地)，故確定為調查樣地，并以荒地作為對照。樣地選擇盡量考慮地形、林分特征相似。每個樣地內在靠近群落中心、植被分布比較均勻的地方設置20 m×20 m的喬木樣方，對樣地內植被和土壤進行調查，了解林分植被類型、結構，了解土壤類型、厚度等；樣地的中心和四角設置5個2 m×2 m的灌木樣方，保證不同坡位均能調查到，確保反映出灌木的平均分布狀況，記錄灌木株樹(叢數(shù))、蓋度等；設置5個1 m×1 m的草本樣方(選擇方法同灌木樣方)，調查草本的叢數(shù)、蓋度等。使用DQY-1型地質羅盤儀測定坡度、坡向，使用集思寶GPS數(shù)據(jù)采集儀測定海拔。

經過調查，樣地特征如表1所示。樣地土壤均為褐土、壤土，林分特征相似(林齡、林分密度相差不大)，坡向和坡度相近，以確保除水土保持措施之外，對土壤物理性質和抗沖性的其他因素影響很小。

表1 樣地基本情況

2.2 土壤物理性質與抗沖性測定

在樣地內上中下坡位選擇植被生長狀況均勻的地點挖土壤剖面，分別用環(huán)刀在0～10、10～20、20～30 cm層次上取樣，用環(huán)刀法測定土壤密度、孔隙度等物理性質。同時用土壤袋，每層采集的3個樣品混合均勻后裝袋，土壤樣品用于粒徑分析。土壤抗沖性采用張建軍等[8]提出的野外實地放水沖刷儀測定。

2.3 土壤粒徑分析及分形維數(shù)

粒徑分析：土樣風干后過2 mm篩，采用美國產Microtrac S3500激光粒度分析儀進行土壤粒徑測定，測量范圍為0.02 ～2 000 μm，重復測量誤差<2%。

分形維數(shù)：土壤分形維數(shù)采用王國梁等[11]提出的用粒徑的體積分布表征的土壤分形模型來計算。土壤顆粒的體積分布與平均粒徑間的分形關系為：

V(r

式中：V(r

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和作圖使用Microsoft Excel 2013，數(shù)理統(tǒng)計分析使用SPSS 18.0軟件。

3 結果與分析

3.1 不同水土保持措施下土壤密度及孔隙度

不同土層間差異顯著性檢驗(表 2)顯示：隨著土層深度的增加，各類措施下土壤密度大體呈增加趨勢，土壤總孔隙度、毛管孔隙度呈減小趨勢，非毛管孔隙度則無明顯變化規(guī)律，表明表層土壤較為疏松、通透性能較好。

表2 不同水土保持措施土壤物理性質及其在不同土層間差異顯著性檢驗

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters in the same column indicate the significant difference among index values, significant differences at 0.05 level.

0～30 cm土層平均土壤密度依次為遼東櫟次生林(1.04 g/cm3)<油松落葉松混交林(1.11 g/cm3)<石坎梯田(1.18 g/cm3)<油松林(1.19 g/cm3)<落葉松林(1.26 g/cm3)<灌叢(1.27 g/cm3)<側柏林(1.34 g/cm3)<荒地(1.35 g/cm3)。在0～10 cm土層，荒地、荊條灌叢、側柏林、落葉松(之間差異不顯著)顯著大于遼東櫟次生林、油松落葉松混交林、石坎梯田、油松林(之間差異不顯著)；在10～20 cm土層，荒地和側柏林(之間差異不顯著)顯著大于其他措施，油松林、石坎梯田、灌叢、落葉松林(之間差異不顯著)次之，遼東櫟次生林、油松落葉松混交林(之間差異不顯著)最小；在20～30 cm，遼東櫟次生林顯著小于其他措施(其他措施與荒地之間差異不顯著)?？傮w來看，側柏林對土壤密度沒有顯著的改良作用，其他各類措施均能對土壤有不同程度的改善，其中遼東櫟次生林能顯著提高深層(20～30 cm)土壤密度。

蒲洼小流域0～30 cm土層的總孔隙度變化范圍為41.07%～56.42%。毛管孔隙所占總孔隙比例很大(90%～93%)，決定了土壤的孔隙狀況。土壤總孔隙度與毛管孔隙度變化規(guī)律基本一致。土壤平均總孔隙度依次為油松落葉松混交林(54.16%)>遼東櫟次生林(53.52%)>石坎梯田(51.24%)>油松林(49.57%)>落葉松林(47.74%)>灌叢(46.53%)>側柏林(45.88%)>荒地(43.84%)。土壤平均毛管孔隙度依次為油松落葉松混交林(51.34%)>遼東櫟次生林(50.53%)>石坎梯田(48.53%)>油松林(47.12%)>落葉松林(44.17%)>灌叢(43.82%)>側柏林(43.38%)>荒地(41.81%)。與荒地相比，側柏林對土壤總孔隙和毛管孔隙無明顯改善效果，而其他各類措施均能顯著改善。土壤平均非毛管孔隙度依次為遼東櫟次生林(3.63%)>落葉松林(3.58%)>石坎梯田(2.72%)>荊條灌叢(2.71%)>側柏林(2.50%)>油松落葉松混交林(2.18%)>荒地(2.04%)。油松落葉松混交林、油松林、側柏林對土壤非毛管孔隙無明顯影響，灌叢和石坎梯田能顯著增大表層土壤非毛管孔隙，遼東櫟次生林和落葉松林能顯著增大深層土壤非毛管孔隙。

3.2 不同水土保持措施下的土壤顆粒分形特征

通過土壤粒徑組成分析(表 3)發(fā)現(xiàn)：不同水土保持措施下，土壤顆粒在各粒級中質量分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律。按照中國制土壤粒級分級標準，各種措施下土壤顆粒均以粗粉粒(0.01～0.05 mm)、細沙粒(0.05～0.25 mm)為主，所占比例為66%～81%，其中粗粉粒所占比例最大，為39.15%～51.04%；黏粒(0～0.002 mm)和粗沙粒(0.25～1 mm)所占比例最小，分別為0.46%～4.98%和0.52～2.58%。各類措施下土壤分形維數(shù)變化范圍為2.25～2.58(表3)，各措施土壤體積分形維數(shù)無顯著差異性。一般認為分形維數(shù)大于2.88的土壤質地黏重，通透性差[12]，說明各類措施下的土壤通透性均較為良好。

3.3 不同水土保持措施下的土壤抗沖性

由表 3可知，相同流量條件下，荒地土壤侵蝕量為104.99 g/cm3，是其他措施的10.11～128.04倍。各類措施下土壤侵蝕量由大到小依次為荊條灌叢(10.88 g/cm3)>油松林(5.96 g/cm3)>遼東櫟次生林(3.91 g/cm3)>落葉松林(1.30 g/cm3)>側柏林(1.14 g/cm3)>油松落葉松混交林(0.82 g/cm3)。

表3 不同水土保持措施下土壤粒徑組成、分形維數(shù)特征及抗沖性

相同流量條件下，通過單位距離的沖刷時間由大到小依次為遼東櫟次生林(55.65 s/m)>油松落葉松混交林(46.82 s/m)>落葉松林(28.19 s/m)>荊條灌叢(22.39 s/m)>側柏林(17.48 s/m)>油松林(16.94 s/m)>荒地(7.04 s/m)(表 3)。與荒地相比，采取水土保持植物措施均能顯著延長徑流時間，其中枯落物較厚的林分(遼東櫟次生林、油松落葉松混交林、落葉松林)，具有較強的吸水性和阻隔作用，從而更加延長了徑流沖刷時間。

3.4 土壤抗沖性與物理性質相關性分析

對土壤抗沖性、物理性質各指標進行Pearson簡單相關性分析。可知：沖刷量與非毛管孔隙度(X1)呈顯著正相關(R2=0.731*)，與細、中粉粒體積分數(shù)(X2)、(X3)呈顯著負相關(R2分別為-0.741*、-0.782*)；單位距離沖刷時間與毛管孔隙度(X4)、總毛管孔隙度(X5)、土壤密度呈正相關(R2分別為0.832**、0.815**、0.757*)。土壤密度與毛管孔隙度、總孔隙度極顯著負相關(R2分別為0.968**、0.978**)。土壤顆粒分形維數(shù)與土壤密度、孔隙度、抗沖性均無顯著相關性。

為進一步了解抗沖性與土壤各物理指標以及土壤各物理指標之間的關系，建立沖刷量(Y1)、沖刷時間(Y2)、土壤密度(Y3)的回歸模型。首先對因變量進行正態(tài)性檢驗：Y1、Y2、Y3的Shapiro-Wilk統(tǒng)計量分別為0.325、0.278、0.979(>0.05)，服從正態(tài)分布，可得回歸模型為：

Y1=0.02+6.37X1-1.07X2-0.07X3
(R2=0.952，P=0.03)

(1)

Y2=-118.52+3.07X4(R2=0.832，P=0.04)

(2)

Y3=2.60-2.82X5(R2=0.819，P=0.00)

(3)

模型1、模型2、模型3判定系數(shù)R2分別為0.952、0.832、0.819，說明3個回歸模型對樣本的擬合優(yōu)度較高；3個模型F檢驗顯著，P值分別為23.13(P=0.03)、9.00(P=0.04)、239.38(P=0.00)，說明模型對總體近似程度可接受。以上經驗模型可以適用于自然條件相近區(qū)域相關指標的預測和估算，且適用于該地不同水土保持措施樣地。

4 結論與討論

1)土壤密度、毛管孔隙度與總孔隙度隨水保措施變化情況一致，其表征的土壤結構和孔隙狀況由好到差依次為：遼東櫟次生林>油松落葉松混交林>石坎梯田>油松林>落葉松林>灌叢>側柏林。除側柏林外，各類措施均有不同程度的改善，其中遼東櫟次生林對深層土壤改良作用尤為突出。這是因為側柏林郁閉度低，地面以草本覆蓋為主，無枯落物[13]；其他林分改善作用集中在表層土壤，說明主要通過土壤表層枯落物和腐殖質起作用；而石坎梯田雖是裸露地，但經過翻耕，表層土壤疏松，通透性較好；遼東櫟次生林對深層土壤的改良效果可能因為其根系分布較深。

本區(qū)域土壤非毛管孔隙度普遍偏低，與北京其他區(qū)域測定值相近[14-15]，這可能是由褐土土質和土壤結構決定的。油松落葉松混交林、側柏林、油松林對土壤非毛管孔隙無明顯影響，灌叢和石坎梯田能顯著增大表層土壤非毛管孔隙度，遼東櫟次生林和落葉松林能顯著增大深層土壤非毛管孔隙度。遼東櫟次生林0～30 cm土壤平均非毛管孔隙度最高，透氣性、透水性最強，這與其作為深根性樹種的根系穿插有重要的關系。

2)各類水保措施均能提升土壤抗沖性，抗沖能力由大到小依次為：油松落葉松混交林>側柏林>落葉松林>遼東櫟次生林>油松林>灌叢。非毛管孔隙度與土壤抗沖性呈顯著負相關，而非毛管孔隙度主要取決于植物根系等因素[16]，這可能因為大孔隙易產生大孔隙流或優(yōu)先流，導致植被發(fā)育的土體失穩(wěn)，可見根系對土壤抗沖性能并不一定是改善效應。李勇等[3]研究得出≤1 mm徑級的細根有利于土壤中水穩(wěn)性團聚體的形成，從而提高土壤抗沖性。筆者發(fā)現(xiàn)側柏林在土壤物理性質差的情況下，抗沖性能較強，就是因為地表細密的草根對土體起到固持作用?？梢娦「鶑礁祵ν寥榔鸸坛肿饔?，而大根徑根系對土壤的抗沖刷性能為負效應。土壤抗沖性與細、中粉粒體積分數(shù)呈顯著正相關，而馬興旺等[17]研究得出草場恢復中腐殖質主要集中在黏粒、細、粗粉粒級復合體中，由此推測抗沖性與土壤中腐殖質含量也密切相關。這與伏耀龍等[18]得出的土壤抗沖性與粉粒體積分數(shù)負相關、與黏粒呈正相關的結論不同，可能是因為不同地區(qū)組成腐殖質或土壤微團聚體的主要土壤質地成分不一樣。

綜上所述：提升土壤持水蓄水性能(土壤密度和毛管孔隙狀況較好)，遼東櫟次生林最好，油松落葉松混交林、石坎梯田次之；提升土壤通氣透水性主要依靠主要靠大根徑根系增大非毛管孔隙度，從這方面來看：遼東櫟次生林最好，落葉松林次之；從提升土壤抗沖性來看，油松落葉松混交林效果最好，側柏林次之。通氣透水性特別好的樣地(如遼東櫟次生林)，土壤抗沖性能反而較差，故綜合考慮，油松落葉松混交林是最好選擇，其次為石坎梯田。

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Effects of soil and water conservation measures on soil physical properties and soil anti-scourability of Beijing mountainous area: A case study of the Puwa Watershed in Fangshan District

XU Jiajia1, YU Zhancheng2, 3, SHI Longjun4, ZHANG Xiaoxia4, ZHANG Jianjun1, 5

(1.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Fangshan District Water-affair Authority, 102442, Beijing, China; 3.Yunju Temple Science and Technology Demonstration Park of Soil and Water Conservation in Fangshan District,101407, Beijing, China; 4.Lanxin Water Conservancy Engineering Design Co., Ltd of Liangxiang, 102488, Beijing, China; 5. Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, 100083, Beijing, China)

[Background] In order to evaluate the effect of soil and water conservation in small watershed management in Beijing mountainous area for many years, and to provide theoretical support for small watershed management and vegetation reconstruction in the future, taking Puwa small watershed of Fangshan District in Beijing as research target, soil physical properties, soil texture, infiltration and soil anti-scourability of all major kinds of soil and water conservation measures were studied. [Methods] The sample plots of 7 typical soil and water conservation measures was selected and investigated, and the data were acquired through typical plot survey, test of field soil anti-scourability, and method of single-ring. [Results] The soil density increased and soil porosity decreased significantly with the increasing of the soil depth. The soil density, total porosity and capillary porosity varied with the measures consistently. The order of effects on improving soil structure wereQuercusliaotungensissecondary forest >Larixprincipis-rupprechtiiandPinustabulaeformismixed forest > terraces with stone banks>Pinustabulaeformisforest >Larixprincipis-rupprechtiiforest >vitexnegundoshrub, while there was no significant effect forPlatycladusorientailisforest. The soil particles in this area were mostly rich in powder, and the fractal dimension showed that the permeability of all kinds of soil and water conservation measures was promising. Compared with weed land, the scoured soil amount decreased significantly, the runoff time was prolonged, and the order of the scoured soil amount was asL.principis-rupprechtiiandP.tabulaeformismixed forest(0.82 kg/cm3)L.principis-rupprechtiiandP.tabuliformismixed forest(46.82 s/m)>L.principis-rupprechtiiforest(28.19 s/m)>vitexnegundoshrub(22.39 s/m)>P.orientailisforest(17.48 s/m)>P.tabuliformis(16.94 s/m).The amount of soil loss showed a negative correlation with fine sand, medium silt, but a positive correlation with non-capillary porosity, indicating that the effect of non-capillary pore size formed by large diameter roots on soil erosion resistance might be negative. [Conclusions] In summary, the soil and water conservation capacity of the mixed forest ofL.principis-rupprechtiiandP.tabulaeformisshows a great advantage followed by terraces with stone banks which should be the principal consideration of small watershed management.

soil and water conservation measures; soil physical properties; soil anti-scourability

2016-08-15

2017-03-30

徐佳佳(1987—)，女，博士研究生。主要研究方向：水植被恢復與森林水文。Email:xjj_xz@163.com

?通信作者簡介： 張建軍(1963—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持與植被恢復、水文學等。Email: zhangjianjun@bjfu.edu.cn

S714.7

A

2096-2673(2017)02-0107-08

10.16843/j.sswc.2017.02.014

項目名稱： 北京市房山區(qū)小流域治理效益評價項目