黃土高原不同退耕年限刺槐林地土壤侵蝕阻力

孫 龍，張光輝，王 兵，欒莉莉

（1. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心/城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3. 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100）

黃土高原不同退耕年限刺槐林地土壤侵蝕阻力

孫 龍1,2，張光輝1,3※，王 兵4，欒莉莉3

（1. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心/城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3. 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100）

為了明確黃土高原植被恢復(fù)后不斷蓄積的枯落物對(duì)土壤分離過(guò)程的影響，論文選取 10、15、20、30、40a退耕年限刺槐林樣地及對(duì)照樣地，采集180個(gè)土壤樣品用于土壤分離試驗(yàn)，在6組侵蝕動(dòng)力條件下進(jìn)行變坡水槽沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著退耕年限的增大，刺槐林土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定且疏松多孔，40年刺槐林地與對(duì)照樣地相比：容重降低12.9%、總孔隙度增加10.1%、毛管孔隙度增加62.4%，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加97.9%、水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加112.3%。土壤分離能力均值隨著林齡呈指數(shù)函數(shù)遞減（R2= 0.82、P< 0.05）。在退耕0～40年范圍內(nèi)，在0～15 a內(nèi)土壤分離能力下降迅速，對(duì)照、10 a刺槐林地、15年刺槐林地之間的土壤分離能力差異顯著（P< 0.05），退耕15 a以后土壤分離能力趨于穩(wěn)定。40 a林齡刺槐林細(xì)溝可蝕性比對(duì)照的細(xì)溝可蝕性降低 86.3%，臨界剪切力提高 10.1%。土壤臨界剪切力變化范圍在 4.15～4.78 Pa之間。細(xì)溝可蝕性的變化趨勢(shì)與土壤分離能力變化趨勢(shì)相似，相比臨界剪切力的變化，細(xì)溝可蝕性的變化更能反映土壤分離能力的變化情況。

侵蝕；試驗(yàn)；土壤；黃土高原；退耕還林；土壤分離能力；細(xì)溝可蝕性；臨界剪切力

孫 龍，張光輝，王 兵，欒莉莉. 黃土高原不同退耕年限刺槐林地土壤侵蝕阻力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：191－197. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.025 http://www.tcsae.org

Sun Long, Zhang Guanghui, Wang Bing, Luan Lili. Soil erosion resistance of black locust land with different ages of returning farmland on Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017,33(10): 191－197. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.025 http://www.tcsae.org

0 引 言

土壤侵蝕過(guò)程包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積[1-3]。土壤分離是指土壤顆粒在雨滴擊濺或徑流沖刷作用下脫離土體、發(fā)生位移的過(guò)程[4]。由徑流沖刷引起的土壤分離導(dǎo)致的細(xì)溝侵蝕是坡面侵蝕泥沙的主要來(lái)源[5-7]。徑流沖刷引起的土壤分離過(guò)程主要通過(guò)土壤分離能力、土壤侵蝕阻力（細(xì)溝可蝕性、土壤臨界剪切力）來(lái)定量表征[8-10]，受土壤近地表特性（土壤性質(zhì)、根系、植被、枯落物、結(jié)皮等）的顯著影響[11-12]。

隨著黃土高原植被群落的逐漸恢復(fù)，近地表特性（根系、枯落物、結(jié)皮等）顯著改變，土壤分離過(guò)程可能受到由不同近地表特性構(gòu)成的多種系統(tǒng)的影響，如“根系-土壤”系統(tǒng)[9]、“生物結(jié)皮-土壤”系統(tǒng)[13]、“枯落物-土壤”系統(tǒng)[14]等。對(duì)于“根系-土壤”系統(tǒng)，Wang等[15]研究了不同退耕年限（3～37a）草地的土壤分離過(guò)程，結(jié)果表明隨著退耕年限的增加，由于根系系統(tǒng)顯著發(fā)育導(dǎo)致土壤侵蝕阻力逐漸增大。后續(xù)Zhang等[9]、Yu等[16]的研究進(jìn)一步證明了“根系-土壤”系統(tǒng)具有較高土壤侵蝕阻力。Liu等[13]研究了典型生物結(jié)皮蓋度對(duì)土壤分離的影響，結(jié)果表明生物結(jié)皮的覆蓋可有效增大土壤侵蝕阻力。Wang等[11]對(duì)黃土高原自然演替7a草地的研究結(jié)果表明，自然恢復(fù)草地的土壤分離能力與對(duì)照相比降低了98.9%，其中根系、“莖桿-枯落物”系統(tǒng)和生物結(jié)皮的貢獻(xiàn)率分別為53.7%、30.3%和14.9%。

不同于表土根系豐富的草地，林地因其枯落物的顯著蓄積會(huì)抑制植被萌發(fā)生長(zhǎng)[17]，導(dǎo)致林下存在很多無(wú)根區(qū)域。而枯落物不僅能夠在地表蓄積，還能通過(guò)降雨擊濺、泥沙沉積、土棲動(dòng)物活動(dòng)等過(guò)程混入表土[14,19]，進(jìn)而導(dǎo)致刺槐林地表土中不同程度地混合有枯落物[18-19]，但目前關(guān)于“枯落物-土壤”系統(tǒng)對(duì)土壤分離過(guò)程影響的研究甚少。近期，Li等[18]在黃土高原紙坊溝小流域退耕約20年刺槐林地的研究結(jié)果表明，表土中枯落物密度與土壤分離能力間呈顯著負(fù)相關(guān)。Sun等[19]的試驗(yàn)結(jié)果表明混合于表土中的枯落物能夠顯著提高土壤侵蝕阻力，降低土壤分離能力。一方面，混入表土的枯落物能夠通過(guò)其物理作用（類似于根系的物理網(wǎng)絡(luò)和捆綁作用）提高土壤穩(wěn)定性[11,19]。另一方面，枯落物會(huì)逐漸分解釋放有機(jī)物質(zhì)，從而改變土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤分離過(guò)程[17-18,20-23]，且隨著枯落物的分解其自身的物理特性也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而間接導(dǎo)致其物理作用的改變。

隨著黃土高原“退耕還林還草工程”的有效實(shí)施，入黃泥沙顯著減少，研究植被群落近地表特性對(duì)土壤侵蝕阻力的影響及其機(jī)制十分必要，而在長(zhǎng)時(shí)間尺度下，“枯落物-土壤”系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕阻力的影響機(jī)制尚不明確。本文通過(guò)選取不同退耕年限刺槐林地進(jìn)行徑流沖刷試驗(yàn)，明確“枯落物-土壤”系統(tǒng)土壤侵蝕阻力隨退耕年限的變化規(guī)律，研究結(jié)果有助于退耕條件下土壤侵蝕過(guò)程的理解與模擬和水土保持效益評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 樣地選取

刺槐因生長(zhǎng)快、固氮能力強(qiáng)且適應(yīng)干旱環(huán)境而被廣泛用于黃土高原植被恢復(fù)。隨著刺槐林地的逐漸恢復(fù)，枯落物蓄積量顯著增加[24-25]，進(jìn)而可能對(duì)土壤侵蝕過(guò)程產(chǎn)生影響。本研究在黃土高原安塞縣紙坊溝小流域選取林齡分別為10、15、20、30、40a的刺槐林地以及玉米樣地（0年，作為對(duì)照），樣地選取時(shí)間為2015年6月至7月。為了最大限度降低根系對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采集土樣時(shí)盡量避免可見根系。所選樣地均為黃綿土，黃綿土質(zhì)地均一，均為粉砂壤土，且退耕前均為玉米地，耕作方式相近，因此認(rèn)為具有可比性，樣地位置如圖1，樣地基本信息見表1。

圖1 黃土高原樣地布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of survey sites

表1 取樣點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

1.2 樣品采集

將內(nèi)徑10 cm、高5 cm的不銹鋼環(huán)刀垂直壓入土壤，當(dāng)采樣環(huán)被土壤充分填滿時(shí)，蓋上采樣環(huán)上面的蓋子，用剖面刀將采樣環(huán)剖出，然后慢慢削去采樣環(huán)底部多余的土壤，放上棉布，再蓋上采樣環(huán)下面的蓋子，下蓋帶有小孔用于吸排水，并進(jìn)行標(biāo)碼。每個(gè)樣地采集土樣 30個(gè)，共計(jì)采集 180個(gè)土樣用于土壤分離試驗(yàn)，土樣采集時(shí)間為2015年8月。

同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤黏結(jié)力，并取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤水分、容重、土壤質(zhì)地、黏結(jié)力、團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)、孔隙度等土壤理化參數(shù)[5,26]。同時(shí)調(diào)查地表枯落物蓄積量和表土中枯落物密度。土壤水分測(cè)定采用環(huán)刀（容積100 cm3）取樣烘干法，將6個(gè)土樣含水量的均值作為采樣點(diǎn)的初始土壤含水量，用于計(jì)算土樣沖刷前的質(zhì)量。土壤容重也采用環(huán)刀（容積100 cm3）取樣烘干法，重復(fù)6次。土壤質(zhì)地測(cè)定采用激光粒度儀法，重復(fù)4次。土壤黏結(jié)力采用便攜式黏結(jié)力儀（Durham Geo-enterprises，Inc.，UK）測(cè)定，重復(fù)12次，去掉最大值和最小值，取其均值作為該樣地的土壤黏結(jié)力。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定采用濕篩法，重復(fù) 3次。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，重復(fù) 4次。土壤孔隙度的測(cè)定采用環(huán)刀浸透法，重復(fù) 5次[26]。枯落物蓄積量測(cè)定采樣標(biāo)準(zhǔn)樣方調(diào)查法，在每個(gè)采樣點(diǎn)均勻布設(shè)9個(gè)1 m2樣方，收集地表蓄積的枯落物，于65 ℃下烘至質(zhì)量恒定并測(cè)定質(zhì)量。表土中枯落物密度測(cè)定采用水洗法，額外采集與用于土壤分離試驗(yàn)樣品相同的土樣15個(gè)，置于1 mm篩上用水緩慢沖洗，將洗出的枯落物置于烘箱中在65 ℃下烘至質(zhì)量恒定，測(cè)定質(zhì)量并計(jì)算表層土壤中的枯落物密度。

1.3 土壤分離試驗(yàn)

利用變坡水槽模擬沖刷進(jìn)行土壤分離試驗(yàn)（圖 2）。水槽長(zhǎng)4 m、寬0.35 m、深0.3 m。水槽底部粘有一層試驗(yàn)用土壤，使水槽底部糙率與試驗(yàn)土樣糙率基本一致，同時(shí)還可保持試驗(yàn)過(guò)程中水槽底部糙率的穩(wěn)定。在距水槽出口0.5 m處設(shè)置土樣放置室，直徑11 cm。水槽頂端有一深度為40 cm的進(jìn)水消能池。水槽下端與支座連接，水槽頂端與滑輪相連，可調(diào)節(jié)水槽坡度，變化范圍為0°～25°。水流由供水系統(tǒng)供應(yīng)，由蓄水池、沉沙池、水泵、分流箱、閥門組和輸水管道組成，通過(guò)調(diào)整閥門組，可調(diào)節(jié)水槽流量。水流通過(guò)水槽后，進(jìn)入沉沙池，再返回蓄水池，如此循環(huán)，為試驗(yàn)過(guò)程提供穩(wěn)定、持續(xù)的供水。

圖2 水槽裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of flume

流量（Q，m2/s）由閥門組控制，變化在0.5～2.5 L/s之間。試驗(yàn)前調(diào)整水槽坡度和流量，待水流穩(wěn)定后測(cè)定流速，表面流速用染色法測(cè)定，記錄染色水流流過(guò)距水槽下端0.6 m以上2 m長(zhǎng)測(cè)速區(qū)所用的時(shí)間，用2除以時(shí)間得水流表面流速。斷面平均流速根據(jù)積分中值定理計(jì)算。試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)水流溫度，計(jì)算水流雷諾數(shù)，根據(jù)水流流態(tài)選擇相應(yīng)的流速修正系數(shù)計(jì)算水流平均流速（v，m/s）[27]。平均水深（h，mm）用流量、流速以及水槽寬（B，m）的關(guān)系式（公式1）計(jì)算。根據(jù)測(cè)定的平均流速、坡度（S，sin值）和計(jì)算出的平均水深，結(jié)合水的密度（ρ，kg/m3），通過(guò)公式（2）計(jì)算每次試驗(yàn)時(shí)的水流剪切力（τ，Pa）。

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行飽和，將土樣靜置于水中，維持水面在土樣表面1 cm以下，8 h后取出土樣，于陰涼處排水12 h后用于沖刷試驗(yàn)。沖刷試驗(yàn)設(shè)定6組坡度-流量組合（10°-1.0 L/s、10°-2.0 L/s、15°-2.0 L/s、25°-1.5 L/s、25°-2 L/s、25°-2.5 L/s），得到 6 個(gè)不同的水流剪切力（5.4～17.4 Pa），每組坡度、流量組合下重復(fù)沖刷5個(gè)土樣。待土樣沖刷大約2 cm深度時(shí)停止沖刷試驗(yàn)，記錄沖刷時(shí)間。將沖刷后的土樣放置于烘箱，105 ℃下烘至質(zhì)量恒定。沖刷過(guò)程中在水槽出水口處安置1 mm2網(wǎng)眼的網(wǎng)兜收集被沖刷的枯落物，并置于烘箱，于65 ℃下烘至質(zhì)量恒定并測(cè)定質(zhì)量。土樣沖刷前的干質(zhì)量用前期土壤含水量標(biāo)定。土壤分離能力的計(jì)算公式為：

式中，Dc為土壤分離能力，kg/(m2·s)；Ww為土樣濕質(zhì)量，g；Ws為土壤水分質(zhì)量，g；Wd為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)土樣干質(zhì)量，g；Wl為被沖刷出的枯落物干質(zhì)量，g；t為沖刷時(shí)間，s；A為土樣環(huán)刀面積，cm2。

土壤侵蝕阻力用于反映土壤抵抗細(xì)溝侵蝕的能力，包括土壤臨界剪切力和細(xì)溝可蝕性 2個(gè)參數(shù)。在 WEPP（water erosion prediction project）模型中，細(xì)溝可蝕性（Kr，s/m）和臨界剪切力（τc，Pa）被分別定義為土壤分離能力（Dc，kg/(m2·s)）和水流剪切力（τ，Pa）線性擬合直線的斜率和在X軸上的截距[22]，按照下式估算：

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行。數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)采用柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫（Kolmogorov-Smirnov）檢驗(yàn)方法。不同樣地土壤分離能力的差異性檢驗(yàn)采用單因素方差分析方法（one-way ANOVA）。細(xì)溝可蝕性、臨界剪切力與土壤性質(zhì)、枯落物之間的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析方法和曲線估計(jì)方法分析。土壤侵蝕阻力的模擬采用非線性回歸方法，回歸結(jié)果用模型決定系數(shù)（R2）和納什-薩克利夫模型有效性系數(shù)（Nash-Sutcliffe model efficiency，NSE）評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

不同林齡刺槐林地及對(duì)照的土壤的質(zhì)地、孔隙度、容重、黏結(jié)力、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、枯落物的變化情況如表 2所示。土壤質(zhì)地反映了土壤基本顆粒組成。土壤總孔隙度、容重、黏結(jié)力反映了土壤密實(shí)狀況。土壤毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況。

由表2可知，在林齡40a內(nèi)的刺槐林地，土壤砂粒、粉粒、黏粒的比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）基本一致，總體而言，不同林齡刺槐林地的土壤質(zhì)地比較均一。其中砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍分別為 25.6%～31.7%、60.4%～64.3%、7.9%～10.9%。

由表 2可知，隨著林齡的增大，刺槐林地土壤毛管孔隙度和總孔隙度都有明顯的增加趨勢(shì)。與玉米對(duì)照相比，退耕40a刺槐林林地的毛管孔隙度增加62.4%、總孔隙度增加10.1%。

表土容重隨著林齡的增大逐漸減小，可能是由于枯落物分解、土棲動(dòng)物活動(dòng)等作用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改善、孔隙度增大的結(jié)果，孔隙度與容重相反的變化趨勢(shì)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。與玉米對(duì)照相比，退耕 40a 刺槐林林地的土壤容重減小12.9%。

由表 2可知，土壤黏結(jié)力的變化表現(xiàn)為先增大后減小。最大值為退耕10年的6.72 kPa，最小值為退耕40a的6.12 kPa。

由表2可知，隨著林齡的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)逐漸增加。40a林齡的刺槐林比玉米對(duì)照的土壤有機(jī)質(zhì)增加了97.9%。

表2 不同樣地土壤屬性和枯落物密度Table 2 Soil properties and plant litter amount of different sites

表 2顯示了水穩(wěn)性團(tuán)聚體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）隨林齡的變化趨勢(shì)。最大值為30a林齡的刺槐林地的67.47%，比玉米對(duì)照增大112.3%?？傮w上隨著林齡的增大，水穩(wěn)性團(tuán)聚體逐漸增加。40a林齡的刺槐林地，其水穩(wěn)性團(tuán)聚體略低于30a林齡的刺槐林地。

枯落物蓄積量整體上隨著林齡的增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，并有趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。不同林齡刺槐林枯落物蓄積量的差異顯著性，相鄰的林齡處理之間差異不顯著，10a與20a相比差異顯著，但20a與30a、30a與40a差異不顯著，說(shuō)明退耕30a后枯落物的蓄積比前20a緩慢。林齡為10、15、20、30、40a的刺槐林枯落物蓄積量分別是0.33、0.49、0.60、0.71、0.80 kg/m2，均值為 0.59 kg/m2。Logistic 生長(zhǎng)曲線能很好地模擬枯落物蓄積量（La，kg/m2）與林齡（ta）的關(guān)系：

林齡為10、15、20、30、40a的刺槐林其0～5 cm表土中枯落物密度分別為 0.07、0.17、0.32、0.29、0.17 kg/m2，均值為0.20 kg/m2。其中20a林齡的刺槐林表土中枯落物密度與以往的研究結(jié)果一致[18]。表土中枯落物密度（Ld，kg/m2）與林齡（ta）的關(guān)系可以用S型曲線模擬，并在退耕約20a后趨于穩(wěn)定值0.26 kg/m2：

2.2 土壤分離能力

圖3中箱形圖中間的黑線代表中值、白線代表均值、上下分位線分別代表95%和5%分位數(shù)，黑點(diǎn)表示分位線以外的值，不同箱形圖標(biāo)注的字母代表處理間的差異性，圖例前的字母代表枯落物種間的差異分析結(jié)果。玉米地及不同林齡刺槐林（10、15、20、30、40a）土壤分離能力變化范圍分別是0.49～3.93、0.13～1.89、0.08～1.05、0.07～0.60、0.04～0.56、0.05～0.55 kg/(m2·s)，土壤分離能力均值分別為2.07、1.04、0.54、0.31、0.29、0.27 kg/(m2·s)。與對(duì)照（玉米地）相比，10～40a林齡刺槐林地土壤分離能力分別降低了49.8%、73.9%、85.0%、86.0%、87.0%。隨著退耕年限的延長(zhǎng)或林齡的增加，土壤分離能力顯著降低，土壤分離能力均值（Dc，kg/(m2·s)）隨著林齡（ta）的增大呈指數(shù)函數(shù)遞減：

林齡為0～15a之間的刺槐林地，其土壤分離能力隨著林齡的增加迅速降低，對(duì)照、10a刺槐林地、15a刺槐林地之間的土壤分離能力差異顯著。退耕15a以后土壤分離能力趨于穩(wěn)定，退耕15、20、30、40a刺槐林土壤分離能力差異不顯著。說(shuō)明枯落物對(duì)土壤分離能力的影響在這一時(shí)段內(nèi)的變化較小或者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即覆蓋、混合、分解 3方面作用對(duì)土壤分離能力的共同影響處于相對(duì)穩(wěn)定的階段。

圖3 不同林齡刺槐林地土壤分離能力Fig.3 Soil detachment capacity of different aged black locust

2.3 土壤侵蝕阻力

土壤侵蝕阻力包含細(xì)溝可蝕性和土壤臨界剪切力。對(duì)照及5種林齡刺槐林細(xì)溝可蝕性變化（表3），最大值為玉米對(duì)照的0.29 s/m，最小值為40a林齡刺槐林的0.04 s/m。40a林齡細(xì)溝可蝕性比玉米對(duì)照的細(xì)溝可蝕性降低86.3%。細(xì)溝可蝕性受多種因素影響。相關(guān)分析顯示，細(xì)溝可蝕性與土壤容重、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、枯落物蓄積量、表土枯落物密度顯著相關(guān)，其中與枯落物蓄積量的顯著水平為P= 0.01，其他因子顯著水平為P= 0.05。細(xì)溝可蝕性與黏結(jié)力相關(guān)性不顯著。細(xì)溝可蝕性（Kr，s/m）隨著林齡（ta）的變化可用指數(shù)函數(shù)很好地模擬：

表3 不同林齡刺槐林的土壤侵蝕阻力Table 3 Soil erosion resistance of different aged black locust stands

臨界剪切力（表3）最大值為20a林齡刺槐林的4.78 Pa，最小值為玉米對(duì)照的4.15 Pa。40a林齡土壤臨界剪切力比玉米對(duì)照的臨界剪切力提高10.1%。相關(guān)分析顯示臨界剪切力只與表土中枯落物密度在P= 0.05水平上顯著相關(guān)。進(jìn)一步回歸分析表明臨界剪切力隨著表土中枯落物密度的增加呈線性函數(shù)增加（R2= 0.67、P= 0.046）。說(shuō)明在本研究中，隨著退耕年限的延長(zhǎng)，土壤臨界剪切力的變化主要受表土中枯落物密度的影響。隨著退耕年限增加，

細(xì)溝可蝕性的變化趨勢(shì)與土壤分離能力變化趨勢(shì)相似，相比臨界剪切力的變化，細(xì)溝可蝕性的變化更能反映土壤分離能力的變化情況。臨界剪切力（τc，Pa）隨著林齡（ta，yr）的變化可用S型曲線較好地模擬，并在退耕15年后趨于穩(wěn)定值為4.66 Pa：

3 討 論

總體而言，土壤隨著刺槐林齡的增加趨于疏松、多孔、有機(jī)質(zhì)含量升高且結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。土壤黏結(jié)力的變化趨勢(shì)通常與容重變化趨勢(shì)一致，但本研究中黏結(jié)力的變化趨勢(shì)與土壤容重的變化趨勢(shì)并不一致，說(shuō)明土壤固化過(guò)程并不是引起土壤黏結(jié)力變化的主要因子?？萋湮锘烊氡硗镣ǔ？梢蕴岣咄寥鲤そY(jié)力[19]，因此，黏結(jié)力的增加（表2）可能是由于枯落物混合導(dǎo)致的。而隨著林齡的增大，表土中枯落物密度隨之增加（表 2），但并不能繼續(xù)提高土壤黏結(jié)力（表2），甚至退耕40a刺槐林地的黏結(jié)力小于玉米地對(duì)照，可能的原因是玉米地土壤在降雨打擊作用下會(huì)充分固化，同時(shí)物理結(jié)皮也會(huì)得到充分發(fā)育，而林地表層土壤因林冠和枯落物的覆蓋土壤固化過(guò)程較弱，同時(shí)枯落物分解等作用導(dǎo)致土壤逐漸趨于疏松多孔，因此土壤黏結(jié)力趨于減小。有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨著林齡的變化趨勢(shì)類似，這一結(jié)果部分證實(shí)了過(guò)去的研究結(jié)論，即有機(jī)質(zhì)的增加能夠增強(qiáng)土壤的團(tuán)聚性、增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也增加了毛管孔隙度。

40a林齡的刺槐林地，其水穩(wěn)性團(tuán)聚體略低于30a林齡的刺槐林地，可能是由樣地坡面的坡向差異造成的，30a林齡樣地坡向?yàn)闁|南，40a林齡樣地坡向?yàn)槲?。從?可以看出，40a林齡刺槐林地土壤黏粒含量低于其他林地，這可能是一方面原因。另一方面，40a林齡刺槐林地為陰坡，30a林齡的刺槐林地為陽(yáng)坡，且坡度緩于40a林齡刺槐林地，因此可能導(dǎo)致或部分導(dǎo)致30年林齡的枯落物分解等生物化學(xué)作用，對(duì)土壤性質(zhì)的影響程度略大于40a林齡的刺槐林地。在植被恢復(fù)初期，枯落物蓄積量快速增加，然后增加速度趨于減小，這一結(jié)果與Olson[28]、Ma等[29]的研究結(jié)論一致。欒莉莉等[25]研究了黃土丘陵區(qū)枯落物蓄積量沿降水梯度的分布特征，結(jié)果表明15年林齡的刺槐林枯落物蓄積量變化范圍是0.44～0.84 kg/m2，本研究15a林齡刺槐林地枯落物蓄積量在這一范圍內(nèi)。劉宇等[30]在晉西黃土丘陵區(qū)調(diào)查的 22a林齡刺槐林地枯落物為0.68 kg/m2，略高于本研究20a林齡刺槐林的的0.60 kg/m2。

通常情況下，細(xì)溝可蝕性與土壤容重間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因?yàn)槿葜卦酱?，土壤侵蝕阻力越大，越不容易被分離[31]。但本研究中細(xì)溝可蝕性與容重存在較好的正相關(guān)關(guān)系，顯然與之前的認(rèn)識(shí)不符。容重受到了枯落物混合及枯落物分解作用的影響而逐漸降低，而容重的這種降低作用并沒有直接導(dǎo)致細(xì)溝可蝕性的增大，說(shuō)明其他因子對(duì)細(xì)溝可蝕性的影響大于容重，即在枯落物混入表土條件下，土壤容重不再是影響細(xì)溝可蝕性的主導(dǎo)因子。

根系對(duì)土壤性質(zhì)的影響包括物理網(wǎng)絡(luò)、生物化學(xué) 2方面的作用[11]。而枯落物混入表土對(duì)土壤性質(zhì)的影響也不能簡(jiǎn)單等同于根系的物理網(wǎng)絡(luò)作用。因?yàn)楦悼梢栽谕寥来罂紫堕g發(fā)育，通過(guò)根系的物理捆綁作用和化學(xué)膠合作用增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[11]。而從長(zhǎng)期來(lái)看，枯落物則通過(guò)分解作用釋放有機(jī)物質(zhì)增加土壤孔隙、降低土壤容重、改善土壤結(jié)構(gòu)。因此枯落物對(duì)土壤性質(zhì)影響的內(nèi)在機(jī)制不同于根系。Wang等[15]研究了黃土高原不同退耕年限的草地土壤分離過(guò)程的變化，發(fā)現(xiàn)細(xì)溝可蝕性隨著退耕年限逐漸降低，且在退耕年限超過(guò)28a后趨于穩(wěn)定，其中退耕28a和37a的草地細(xì)溝可蝕性均為0.003 s/m，相比農(nóng)地對(duì)照的0.116 s/m降低97.4%。而本研究中退耕30a和40a刺槐林地的細(xì)溝可蝕性均為0.04 s/m，相比農(nóng)地對(duì)照的0.29 s/m降低86.3%?？梢娍萋湮锱c根系均能顯著降低細(xì)溝可蝕性，提高土壤侵蝕阻力。然而不難發(fā)現(xiàn)，2個(gè)研究的農(nóng)地對(duì)照細(xì)溝可蝕性處在同一數(shù)量級(jí)，但是根系降低細(xì)溝可蝕性的作用比枯落物要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié) 論

1）隨著退耕年限的增大，刺槐林土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定且疏松多孔，40年刺槐林地相比對(duì)照樣地容重降低12.9%、孔隙度增大（總孔隙度增大10.1%、毛管孔隙度增大 62.4%），土壤有機(jī)質(zhì)含量升高 97.9%、水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加112.3%。

2）土壤分離能力均值隨著林齡的增大呈指數(shù)函數(shù)遞減（R2= 0.82、P= 0.013）。在退耕40年內(nèi)，前15年土壤分離能力下降迅速，對(duì)照（0年）、10年刺槐林地、15年刺槐林地之間的土壤分離能力差異顯著，退耕15年以后土壤分離能力趨于穩(wěn)定。40年林齡刺槐林細(xì)溝可蝕性比玉米對(duì)照的細(xì)溝可蝕性降低 86.3%，臨界剪切力提高10.1%。土壤臨界剪切力變化范圍在4.15～4.78 Pa之間。

3）相比對(duì)照，“枯落物-土壤”系統(tǒng)具有較大的土壤侵蝕阻力。但從相近的退耕年限來(lái)看，其土壤侵蝕阻力低于“根系-土壤”系統(tǒng)，因此在相同侵蝕力條件下（如覆蓋在地表枯落物被風(fēng)力、徑流等外力搬移后），“枯落物-土壤”系統(tǒng)比“根系-土壤”系統(tǒng)更易于發(fā)生土壤分離。

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Soil erosion resistance of black locust land with different ages of returning farmland on Loess Plateau

Sun Long1,2, Zhang Guanghui1,3※, Wang Bing4, Luan Lili3
(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling712100, China;2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Center for Eco?Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing100085, China;3.School of Geography, Beijing Normal University, Beijing100875, China;4.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling712100, China)

Plant litter has been accumulated greatly along with vegetation restoration on the Loess Plateau. Besides covering soil surface, plant litter can be incorporated into topsoil under natural circumstances by soil splash, sediment deposition, and soil-dwelling animal activities. The distribution (covering soil surface or incorporated into surface soil) and the decomposition of plant litter can modify soil physical properties (including soil detachment capacity and soil erosion resistance) which are closely related to soil detachment process by overland flow. This study was conducted to investigate the effect of vegetation restoration on soil detachment process for black locust (Robinia pseudoacaciaL.) stand with different ages of returning farmland on the Loess Plateau. The experiments were performed in the Zhifanggou small watershed (36°46'28"-36°46'42"N,109°13'46"-109°16'03"E) in August, 2015. After a complete watershed survey, altogether 6 sampling sites were selected,including 1 corn (Zea maysL.) field and 5 black locust stands of 10, 15, 20, 30, and 40 years. Soil samples were collected from the top 5 cm soil layer using a circular steel ring with 10.0 cm diameter and 5.0 cm depth. Soil detachment was measured in a 4.0 m long, 0.35 m wide flume. Prior to the test of soil detachment capacity, soil samples were saturated in a container for 8 h and drained for 12 h. Then the soil samples were inserted into a hole (0.5 m away from the outlet of flume) on the flume bed and were scoured by flowing water under designed flow shear stress. A total of 180 soil samples were collected from different aged black locust stands and scoured under 6 flow shear stresses. In this study, 6 combinations of flow rates and slopes were applied to obtain 6 different flow shear stresses (5.4-17.4Pa) with similar intervals. Rill erodibility is defined as the increase in soil detachment capacity per unit increase in flow shear stress. Critical shear stress is a threshold parameter defined as the value above which a rapid increase in soil detachment capacity per unit increase in shear stress occurs. When the measured detachment capacity was plotted against the flow shear stress, rill erodibility and critical shear stress could be determined from the slope of the fitted straight line and its intercept on theXaxis. The results showed that the density of plant litter in 0-5 cm surface soil was 0.07, 0.18, 0.32, 0.29 and 0.17 kg/m2for 10, 15, 20, 30, and 40-year-old black locust stands, respectively, with the mean value of 0.20 kg/m2. The 40-year-old black locust stands had more capillary porosities, soil organic matter, and water stable aggregates, and smaller soil bulk density. Soil detachment capacity decreased by 49.8%, 73.9%, 85.0%, 86.0%, and 87.0% for 10, 15, 20, 30, and 40-year-old black locust stands, respectively, compared to the control. The soil detachment capacity decreased significantly over time as an exponential function (R2=0.97,P=0.006). The control (corn field) had the biggest rill erodibility (0.29 s/m), and the 40-year-old black locust stand had the smallest rill erodibility (0.04 s/m). Compared to the control, the rill erodibility for 40-year-old black locust stand was reduced by 86.3%. The black locust stand with 20 years had the biggest critical shear stress (4.78 Pa), and the control had the smallest critical shear stress (4.15 Pa). The critical shear stress increased by 10.1% for 40-year-old black locust stand compared to the control. The critical shear stress increased significantly with litter density as a linear function (R2=0.67,P=0.046). Rill erodibility was better than critical shear stress in the respect of reflecting the variation of soil detachment. The soil-plant litter system has a larger erosion resistance to flowing water than the control. Importantly, the soil-root system may have a larger structural stability and erosion resistance to flowing water than soil-plant litter system.

erosion; experiment; soils; Loess Plateau; farmland afforestation; soil detachment capacity; rill erodibility; critical shear stress

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.025

S157.1

A

1002-6819(2017)-10-0191-07

2016-09-05

2017-04-05

中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”；國(guó)家自然科學(xué)基金（41530858，41271287）

孫 龍，男，山東臨沂人，博士，博士后，主要從事水土保持與土壤侵蝕研究。北京 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，100085。

Email：lsun@rcees.ac.cn

※通信作者：張光輝，男，甘肅靜寧人，博士，教授，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。北京 北京師范大學(xué)，100875。Email：ghzhang@bnu.edu.cn