東北黑土區(qū)植被配置的土壤抗沖性研究

佟 帆，魏 琳,2，劉緒軍,2，任憲平,2，李志飛,2，王 平,2，郝燕芳,2

（1黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150070；2黑龍江省水土保持重點實驗室，哈爾濱 150070）

0 引言

土壤抗沖性作為土壤抗侵蝕能力評價的重要指標，是土壤侵蝕機理研究的主要內(nèi)容，在水土流失治理與植被水土保持功能發(fā)揮方面具有重要意義[1-2]。長期以來，國內(nèi)外大量研究指出根系具有增強土壤抗沖性的作用[3-6]，并分析了土壤性質(zhì)對抗沖性的影響機制[7-9]。李勇[2]初步研究了黃土高原土壤抗沖性作用機理及其影響因素，認為土壤砂粒與粗粉粒含量、土壤緊實度、植物根系等是主導(dǎo)因素。王雅瓊等[10]對祁連山區(qū)典型草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤抗沖性研究指出，植被覆蓋度與根系密度的影響更為突出。孫麗麗等[11]對紅壤區(qū)不同治理模式土壤抗沖性的研究發(fā)現(xiàn)，土壤抗沖系數(shù)與植物根系表面積與體積的相關(guān)關(guān)系為一元一次線性函數(shù)關(guān)系。根系對土壤抗沖性的影響研究已經(jīng)非常深入，并且圍繞植物措施、立地條件和生態(tài)效益等也進行了一定的研究[12-13]，而這些研究主要集中在黃土高原和西南紫色土區(qū)，東北黑土區(qū)略顯薄弱。加之，植被配置不合理是東北黑土區(qū)水土流失綜合治理中長期存在的問題，了解該區(qū)域不同植被配置下的水土保持功能及其影響因素是研究該區(qū)植被水土保持機理的關(guān)鍵內(nèi)容。

鑒于此，本研究選擇2種常見的水土保持灌木，在現(xiàn)有楊樹林內(nèi)以根插方式種植，探討2種不同植被配置模式的土壤抗沖性及其影響因素，揭示根系特征與土壤抗沖性之間的關(guān)系，并進一步探討立地條件對土壤抗沖性的影響，以期為東北黑土區(qū)水土保持工作中合理選擇與配置水土保持樹種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黑龍江省水利科學(xué)研究院克山試驗站—克山縣古北鄉(xiāng)糧食溝小流域內(nèi)，距克山縣城5 km，地理坐標為：48°03′04″—48°03′33″N，125°49′04″—125°49′44″E（圖1）。處于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫1.1℃，年均降水量為479.4 mm，主要集中在6—8月，占全年降水量的67.8%，土壤類型為黑土，土層厚度10～40 cm。

1.2 試驗材料與模式區(qū)建設(shè)

選取2種常見的水土保持灌木植物，胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)和紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn)，這2種植物是研究區(qū)及周邊區(qū)域水土保持工程常用的優(yōu)勢植物，其根系發(fā)達、耐旱耐貧瘠、適應(yīng)性強。試驗區(qū)設(shè)置在研究區(qū)現(xiàn)有楊樹（樹齡15年以上）農(nóng)田防護林內(nèi)，于2019年4月下旬進行試驗區(qū)建設(shè)。按照坡面上、中、下的不同坡位，以根插的方式分行種植供試植物（圖1），株行距為50 cm×50 cm，構(gòu)成2種植被配置的喬灌混交模式，分別為胡枝子+楊樹模式、紫穗槐+楊樹模式，每種模式區(qū)面積約為20 m×6 m。栽培期間常規(guī)管理，2020年9月底，對2種灌木進行生長情況調(diào)查，胡枝子和紫穗槐長勢均較好，胡枝子平均株高為106.9 cm、紫穗槐為88.5 cm。2020年7月初，對胡枝子+楊樹和紫穗槐+楊樹2種配置模式進行土壤沖刷試驗。

1.3 采樣點布設(shè)與樣品采集

采樣點布設(shè)在2種配置模式的試驗區(qū)內(nèi)，在坡面的上、中、下分別布點（圖1）。每種模式區(qū)作為1個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)均勻布設(shè)2個采樣點，全坡面共計12個采樣點。用自制取樣器取原狀土樣，取樣器的長寬高為20 cm×10 cm×10 cm，保證土體完整，測定土壤抗沖性；用環(huán)刀取原狀土，測定容重；用鋁盒取土，測定含水量；用自封袋取大約1 kg土樣，測定土壤理化性質(zhì)。取樣時剪掉地上部分植株，從土表開始，分上下2層（0～10 cm和10～20 cm）分別取含根原狀土，全坡面共計24個根系土樣；容重和含水量樣品每層各3個重復(fù)，共計各72個樣品。

圖1 試驗區(qū)位置與樣點布設(shè)示意圖

1.4 指標測定

1.4.1 土壤抗沖性測定 采用改進后的原狀土沖刷水槽法，水槽坡度為5°，沖刷流量為2 L/min，沖刷歷時30 min。沖刷前先將裝有原狀土的取樣器放入底部鋪有海綿的水盤（水面不能沒過土壤表面），浸潤12～16 h，直至土壤樣品達到飽和。取出后先靜置10 min，去除重力水，直至無明顯滴水現(xiàn)象，稱量后放入沖刷槽的裝樣室，使土樣表面和槽底端齊平。出口產(chǎn)流開始計時，前6 min每1 min用水桶收集1次泥沙水樣，沖刷6 min后，每3 min收集1次泥沙水樣。待沖刷結(jié)束后，先靜置去除重力水，再次稱量經(jīng)過沖刷試驗的土樣，2次稱量結(jié)果差值記為沖走土壤的總質(zhì)量；并將采集到的10次沖刷過程中的泥沙水樣測量體積之后，澄清，倒去上清液，用鋁盒收集泥沙，置于105℃的烘箱中烘干、稱重，測定含沙量。

土壤抗沖性用抗沖指數(shù)Ke表示，即每沖刷走1 g烘干土所需水量，計算公式如式(1)所示。

式中：Ke為土壤抗沖指數(shù)，L/g；Q沖走1 g干土所需水量，L；W烘干土重量，g。Ke越大，土壤抗沖性越強。

1.4.2 根系參數(shù)測定 將沖刷試驗結(jié)束后的樣品在0.5 mm過濾網(wǎng)篩中反復(fù)沖洗，獲取干凈的植株根，保證無雜物，放入自封袋，低溫(-4℃)保存，帶回實驗室。利用Win RHIZO 2004/a根系分析系統(tǒng)分析根系的長度和根表面積。用公式(2)～(4)計算根系特征參數(shù)。

式中：D原狀土樣的體積，cm3；L原狀土樣中根系的長度，cm；S原狀土樣中根系的表面積，cm2；V原狀土樣中根系的體積，cm3。

1.4.3 土壤理化性質(zhì)測定 包括土壤容重、土壤含水量、土壤機械組成、土壤團聚體、土壤有機質(zhì)，分別采用常規(guī)方法和激光粒度儀、團聚體分析儀以及TOC分析儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)處理分析，用均值檢驗分析不同土層、不同坡度下的各指標間的差異，并用相關(guān)系數(shù)分析影響因子與土壤抗沖性之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤性質(zhì)與根系特征

圖2為2種植被配置模式下的土壤理化性質(zhì)隨坡位的變化。由圖可知，胡枝子+楊樹與紫穗槐+楊樹的配置模式下，各個土壤理化性質(zhì)指標的變化規(guī)律基本一致，且胡枝子+楊樹的配置模式在各項指標方面均略優(yōu)于紫穗槐+楊樹的模式。從坡上到坡下，容重呈現(xiàn)下降的趨勢，且上層(0～10 cm)小于下層(10～20 cm)；胡枝子上層的容重變化范圍為2.34～1.02 g/cm3，下層為2.35～1.19 g/cm3；紫穗槐上層的容重變化范圍為1.98～1.05 g/cm3，下層為 2.28～1.27 g/cm3。含水量從坡上到坡下呈增加趨勢，且上下層的變化不大，胡枝子+楊樹的模式略小于紫穗槐+楊樹的模式，上層的變化范圍分別為14.72%～20.65%和18.28%～21.62%，下層的變化范圍分別為14.86%～21.06%和17.24%～21.49%。砂粒含量被很多學(xué)者認為是與土壤抗沖性關(guān)系最為密切的顆粒粒級[2,14]，本研究中的砂粒含量隨坡位的變化是，坡下最多，且上層明顯多于下層，胡枝子模式的上層砂粒含量也明顯多于紫穗槐模式。>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量隨坡位、土層和配置模式的變化并不明顯。有機質(zhì)含量表現(xiàn)為從坡上到坡下逐漸減少，且上層大于下層，胡枝子略大于紫穗槐。

圖2 胡枝子+楊樹和紫穗槐+楊樹配置模式下的土壤理化性質(zhì)隨坡位的變化

表1為2種植被配置模式下的根系特征參數(shù)測定結(jié)果。由表1可知，2種配置模式下的各項根系特征參數(shù)均表現(xiàn)為上層(0～10 cm)大于下層(10～20 cm)；且除胡枝子+楊樹的配置模式的上層外，其余均隨坡位自上而下逐漸增加。由此說明，坡下的植被根系更為發(fā)達。

表1 2種植被配置模式下的根系特征參數(shù)測定結(jié)果

2.2 土壤抗沖性特征

2.2.1 土壤抗沖性的垂直空間分布 圖3為2種植被配置模式在不同坡位上的土壤抗沖指數(shù)測定結(jié)果。由圖可知，從垂直空間分布來看，胡枝子+楊樹模式的上層(0～10 cm)土壤抗沖指數(shù)大于下層(10～20 cm)；而紫穗槐+楊樹模式除坡上以外，上下層的抗沖指數(shù)均相差不大。就胡枝子而言，上層的容重小于下層，且上層的砂粒含量和有機質(zhì)均遠大于下層（圖2），說明上層的土壤孔隙度較大、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，從而使抗沖性較大。有研究指出，土壤容重越小，孔隙度越大，土壤抗沖性也就越強[13]。土壤抗沖性不僅受土壤理化性質(zhì)影響，根系的影響也不可忽視，尤其細根[15]。有學(xué)者對胡枝子和紫穗槐的根系分布特征研究指出，他們的根系均分布在0～20 cm內(nèi)，且胡枝子的根系分布更淺，0～20 cm內(nèi)的細根生物量是紫穗槐的近2倍[16]。由此可在一定程度上說明，在0～10 cm上層土壤中，胡枝子的根系分布密集，固結(jié)纏繞土體，改善土壤結(jié)構(gòu)，使上層土壤抗沖性得以增強[17]。因此，本研究中胡枝子模式的抗沖性強于紫穗槐模式。

圖3 2種植被配置模式下的土壤抗沖指數(shù)隨坡位在不同土層中的變化

從坡位的表現(xiàn)來看，隨著坡位自上而下，胡枝子+楊樹模式的上層土壤抗沖性逐漸增強，下層逐漸減弱；而紫穗槐+楊樹模式，除了坡上的上層以外，其余均變化不大。分析其原因，胡枝子與紫穗槐模式的容重、含水量隨坡位的變化一致，坡下的容重最小而含水量最大（圖2），如果僅考慮這兩個因素，坡下的抗沖性應(yīng)該最大。然而，胡枝子與紫穗槐在坡位上的變化不同，說明根系的影響占有主導(dǎo)地位。因此，土壤抗沖性受土壤性質(zhì)與植物根系綜合作用，與土壤性質(zhì)的改善、根系密度的增加等密切相關(guān)。

2.2.2 土壤抗沖性的動態(tài)變化 圖4為胡枝子和紫穗槐在不同坡位上的抗沖性動態(tài)變化。隨著沖刷時間延長，2種配置模式下的土壤抗沖性總體呈上升趨勢，說明各模式的土壤抗沖性隨沖刷時間延長而不斷增強。這與一些學(xué)者的研究結(jié)論一致[18-19]。由于在各配置模式的單位土體中，表土(0～10 cm)較為疏松，容易被沖刷；當表土幾乎全部被沖刷以后，土壤變得較為緊實，顆粒之間的摩擦力也增大，從而不容易被沖刷，表現(xiàn)出較強的抗沖性[20]。由圖4還可看出，胡枝子在坡下的抗沖性最大，且隨沖刷時間的波動變化也最大，坡上的抗沖性最??；而紫穗槐在坡上的抗沖性最大，且隨沖刷時間的波動變化也最大；坡中和坡下的抗沖性相近，且變化不大。

圖4 胡枝子和紫穗槐在不同坡位上的抗沖性動態(tài)變化

2.3 土壤抗沖性與影響因素的關(guān)系

圖5為土壤抗沖性與土壤理化性質(zhì)、根系特征參數(shù)等的關(guān)系。土壤容重、含水量、機械組成、團聚體、有機質(zhì)等性質(zhì)是土壤最基本理化指標，與土壤抵抗侵蝕的能力關(guān)系密切。其中，容重反應(yīng)了土壤的緊實程度，直接影響土壤顆粒被徑流分離破壞的難易。圖5a表明，土壤抗沖性與容重呈一元二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.71；隨著容重的增大，土壤抗沖性先減小后增加。李強等[8]、何淑勤[18]、肖鵬[13]、Wu和Zhang[21]的研究均認為土壤抗沖性與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系，而史冬梅和陳晏[14]研究結(jié)果則相反，均與本研究的結(jié)論不同。因此，土壤抗沖性與容重的關(guān)系還取決于容重形成的過程。對于容重低而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土壤，也可能具有較高的抗沖性。圖5b表明，土壤抗沖性與土壤含水量關(guān)系密切，呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達0.82。肖俊波等[22]通過研究凍融條件下土壤抗沖性的變化特征發(fā)現(xiàn)，隨土壤含水量的增加，土壤抗沖性先增大后減小。與本研究結(jié)果不一致，原因是本實驗是在夏季進行的，并不存在凍融作用的影響。

圖5 土壤抗沖性與土壤理化性質(zhì)和根系特征參數(shù)的關(guān)系

圖5c表明，土壤抗沖性與土壤砂粒含量呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.80。土壤砂粒含量與土壤抗沖性的相關(guān)性優(yōu)于其他粒級的結(jié)論已被大多數(shù)學(xué)者證實[2,14]，但他們之間的關(guān)系由于研究的對象和目的的不同，得到的結(jié)果也不盡相同。史冬梅和陳晏[14]研究表明，細砂粒(0.25～0.05 mm)含量與土壤抗沖性呈極顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并指出，較粗顆粒的存在更有助于提高土壤抵抗徑流沖刷的能力。>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量是衡量土壤抗侵蝕能力的重要指標[9]。由圖5d可知，土壤抗沖性與水穩(wěn)性團聚體含量(>0.25 mm)呈一元二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.94。結(jié)果與郭明明等[9]在黃土高原溝壑區(qū)退耕地上的研究不同，作者指出，二者呈指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系。有機質(zhì)作為重要的土壤化學(xué)性質(zhì)，與土壤團聚體的水穩(wěn)定性關(guān)系密切，是影響土壤結(jié)構(gòu)的重要化學(xué)指標。但是，本研究結(jié)果表明（圖5e），有機質(zhì)與土壤抗沖性的相關(guān)性并不大，與史冬梅[14]、何淑琴[18]等研究結(jié)果一致。這是因為坡面徑流沖刷過程主要是地表徑流對土壤顆粒的機械沖刷作用，而有機質(zhì)是在微觀上改善土壤結(jié)構(gòu)與性狀。因此，土壤本身的化學(xué)特性對抗沖性的影響并不明顯[14]。

根系是影響土壤抗沖性的另一個重要因素[15]。圖5f、圖5g、圖5h均為土壤抗沖性與根系特征參數(shù)之間的關(guān)系，由圖可知，在這三個根系參數(shù)中，根表面積密度與土壤抗沖性的關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)為0.91，而根長密度與體積密度均與土壤抗沖性沒有關(guān)系。這與諶蕓等[23]的研究結(jié)果一致，但也有不同，他們認為根長密度也是影響土壤抗沖性的有效指標。并且多數(shù)研究指出，根系生物量和根系密度是影響土壤抗沖性的重要指標[9,14]。而本研究由于實驗的失誤，無法得到根系生物量的數(shù)據(jù)，因此無法得知其關(guān)系。因此，關(guān)于根系特征參數(shù)與土壤抗沖性之間的關(guān)系，需要進一步補充實驗，完善數(shù)據(jù)并進行深入分析不同徑級根系對土壤抗沖性的強化效應(yīng)以及不同因素的綜合影響。

3 結(jié)論

（1）本研究的2種喬灌配置模式中，胡枝子+楊樹的模式最優(yōu)，說明胡枝子更適合在楊樹林下生長，可作為水土保持的優(yōu)良樹種用于楊樹林的植被結(jié)構(gòu)配置。

（2）坡位對根系土壤抗沖性具有一定影響，胡枝子與紫穗槐在不同坡位上的土壤抗沖性不同，變化規(guī)律在土層上層(0～10 cm)存在差異，下層(10～20 cm)相近。胡枝子上層的土壤抗沖性隨坡位從上到下逐漸增強，而紫穗槐表現(xiàn)為先減小后增加；下層均表現(xiàn)為，土壤抗沖性隨坡位從上到下逐漸減弱。

（3）不同植被配置的土壤抗沖性隨沖刷時間的延長逐漸增強。

（4）在本研究選取的5個土壤理化性質(zhì)指標和3個根系特征參數(shù)中，與土壤抗沖性關(guān)系最為密切的是砂粒含量和含水量，依據(jù)相關(guān)性排序為：砂粒含量>土壤含水量>WSA0.25mm>根表面積密度>土壤容重>土壤有機質(zhì)。