不同配置的多功能水土保持植被對黑土抗侵蝕特征的影響1)

周桐 潘鶴 張揚 韓少杰 鮑鴻君 陳祥偉 夏祥友

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)(赤峰市紅山區(qū)城郊林場)(東北林業(yè)大學)

土壤抗侵蝕特征，是指土壤抵抗侵蝕營力對其破壞、剝蝕、搬運過程中表現(xiàn)出的特性[1-2]，常用土壤抗沖性、抗蝕性等相關(guān)指標量化和表征[3]。土壤抗侵蝕特征的變化，不僅取決于土壤本身內(nèi)在的物理化學屬性[4-5]，而且還受區(qū)域氣候、地形地貌、土地利用方式以及開發(fā)利用強度等外部因素的影響[6-7]。作為特殊的土地利用類型，林草植被除經(jīng)濟功能外，還持續(xù)發(fā)揮著固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙等生態(tài)功能[8-9]。近期研究發(fā)現(xiàn)，植被通過根系與凋落物等生物組分的作用，能夠直接影響土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及功能[10-11]。有關(guān)植被對土壤抗侵蝕能力的影響備受國內(nèi)外學者的關(guān)注。

黑土耕地“量減質(zhì)退”的窘境[12]，使黑土地保護與生態(tài)修復上升為國家戰(zhàn)略。為有效遏制黑土質(zhì)量與功能的退化，在東北黑土區(qū)先后開展了治理水土流失、恢復林草植被等生態(tài)建設工作，并取得了一定成效[13-15]。傳統(tǒng)的水土保持植被多受設計目標的制約，導致其功能的發(fā)揮常以風蝕阻控、水流調(diào)節(jié)、固持土壤等單一功能為主[16-17]，不僅忽視了其經(jīng)濟功能而且限制了土地利用效率的發(fā)揮[18-19]。以不降低植被的防護功能為前提，實現(xiàn)生態(tài)保護與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建生態(tài)效益與經(jīng)濟效益兼顧的多功能水土保持植被成為水土保持生態(tài)建設的發(fā)展方向。為此，本研究以配置的“銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)+東風菜(Asterscaber)”、“銀中楊+大葉芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“銀中楊+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“銀中楊+龍牙楤木(Araliaelata)”4種多功能水土保持植被樣地土壤為研究對象，以傳統(tǒng)水土保持植被銀中楊純林林地土壤為對照，以表層(0～10 cm)土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑、分形維數(shù)、水穩(wěn)性指數(shù)、抗沖系數(shù)為評價指標，分析配置的多功能水土保持植被對黑土土壤抗侵蝕特征的影響。旨在為東北黑土區(qū)土壤侵蝕的防控與生態(tài)修復植被結(jié)構(gòu)配置的設計提供參考。

1 研究方法

1.1 樣地設置與土壤樣品采集

試驗地位于典型黑土區(qū)的黑龍江省拜泉縣(東經(jīng)125°30′～126°31′，北緯47°20′～47°55′)。于2021年5月份，在2014年建立的“銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)+東風菜(Asterscaber)”、“銀中楊+大葉芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“銀中楊+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“銀中楊+龍牙楤木(Araliaelata)”4種配置的多功能水土保持植被林地以及傳統(tǒng)水土保持植被銀中楊純林林地，分別設置20 m×20 m樣地(見表1)。

表1 不同植被配置樣地基本特征

在每塊樣地內(nèi)機械布設3個采樣點，每個采樣點分別用環(huán)刀(100 cm3)和自制原狀土取樣器(20 cm×10 cm×8 cm)采集表層(0～10 cm)土壤樣品，各4個重復，用于土壤物理性質(zhì)、抗蝕性、抗沖性指標的測定。同時，采集適量土壤樣品裝入采樣袋，風干，挑出石礫和植物根系，過2 mm篩，用于土壤有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)的測定。

1.2 土壤團聚體穩(wěn)定性指標測定

選取孔徑分別為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm土壤篩組成套篩，借鑒文獻[20]，采用濕篩法(WS1020型團粒分析儀)測定5.00 mm≤d<10.00 mm、2.00 mm≤d<5.00 mm、1.00 mm≤d<2.00 mm、0.50 mm≤d<1.00 mm、0.25 mm≤d<0.50 mm、d<0.25 mm粒級(d)水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分數(shù)。在此基礎上，借鑒文獻[21]～[23]，分別計算了粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)(wa1)、平均質(zhì)量直徑(DMW)、分形維數(shù)(D)等土壤團聚體穩(wěn)定性指標：

wa1=(mc/mc,t)×100%；

式中：wa1為粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)(以%計)；mc為粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量(單位為g)，mc,t為團聚體總質(zhì)量(單位為g)；DMW為土壤團聚體的平均質(zhì)量直徑(單位為mm)，Di為i粒級團聚體的平均直徑(單位為mm)，wi為i粒級團聚體的質(zhì)量比例(以%計)。

1.3 土壤水穩(wěn)性指數(shù)測定

土壤水穩(wěn)性指數(shù)采用靜水崩解法測定。選取25粒干篩土粒(粒級7～10 mm)置于孔徑為5 mm的篩網(wǎng)上，放置在靜水中并開始計時，每1 min記錄1次崩解土粒數(shù)，試驗時間設置為10 min，重復4次。采用公式K=[(∑PiKi)+P10]/A計算土壤水穩(wěn)性指數(shù)[24]。式中：K為土壤水穩(wěn)性指數(shù)；Pi為i時間崩解的土粒數(shù)；Ki為i時間的校正系數(shù)；i=1、2、3、…、10；Ki=5%、10%、15%、…、95%；P10為10 min內(nèi)未崩解的土粒數(shù)；A為試驗總土粒數(shù)。

1.4 土壤抗沖性指標測定

土壤抗沖性采用原狀土沖刷水槽法測定[2]。借鑒文獻[25]，沖刷水槽的坡度設置為5°，根據(jù)區(qū)域年平均降水量沖刷流量換算為2 L/min。原狀土經(jīng)24 h浸水飽和處理后靜置2 h，去除土壤重力水，用于沖刷試驗。從沖刷槽的出口產(chǎn)流開始計時，試驗前3 min每隔1 min收集水沙混合樣1次，此后每隔2 min收集水沙混合樣1次，沖刷時間設計為9 min。沖刷試驗結(jié)束后，將水沙混合樣澄清至泥沙完全沉淀，并轉(zhuǎn)移至鋁盒中，105 ℃烘干稱質(zhì)量。土壤抗沖性采用抗沖系數(shù)(CI)表示，計算公式[26]為CI=q·t/ms。式中：CI為土壤抗沖系數(shù)(單位為L·g-1)；q為沖刷流量(單位為L·min-1)；t為沖刷時間(單位為min)；ms為沖刷產(chǎn)生的泥沙干質(zhì)量(單位為g)。

1.5 土壤理化性質(zhì)指標測定

土壤密度、孔隙度采用環(huán)刀法測定[27]，并計算非毛管孔隙度(PNC)/毛管孔隙度(PC)。土壤有機質(zhì)中碳的質(zhì)量分數(shù)、土壤全氮質(zhì)量分數(shù)，均采用元素分析儀(科斯泰克元素燃燒系統(tǒng)4024，意大利)測定。參考Wang et al.[28]的方法計算土壤三相指數(shù)(ITSP)：ITSP=[(φs-25)φLφg]0.476 9。式中，φs為固相體積分數(shù)，φL為液相體積分數(shù)，φg為氣相體積分數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和Origin 2021軟件進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 23軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用單因素方差分析、最小顯著差異法進行數(shù)據(jù)差異性檢驗，用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)分析方法進行指標相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樣地土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)的差異

已有研究認為，土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分數(shù)，比粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分數(shù)，更能有效量化和表征黑土土壤抗蝕性的變化[29]。本研究結(jié)果表明，配置的4種多功能水土保持植被，表層土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)，差異顯著，變化范圍在12.25%～36.09%之間(見表2)。與銀中楊純林樣地相比，“銀中楊+東風菜”、“銀中楊+大葉芹”、“銀中楊+老山芹”3種配置的多功能水土保持植被樣地，土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)均顯著增加(P<0.05)；而“銀中楊+龍牙楤木”樣地，土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)與銀中楊純林樣地的無顯著差異。不同配置的多功能水土保持植被各樣地中，“銀中楊+東風菜”樣地土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)最大、“銀中楊+龍牙楤木”樣地土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)最小，相互之間的差異均達顯著水平(P<0.05)。

2.2 各樣地土壤團聚體平均質(zhì)量直徑的差異

配置的4種多功能水土保持植被樣地，表層土壤團聚體平均質(zhì)量直徑變化范圍在0.59～1.30 mm之間，并以“銀中楊+東風菜”樣地的最高、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的最低(見表2)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，不同配置的多功能水土保持植被樣地，表層土壤團聚體平均質(zhì)量直徑均存在差異顯著(P<0.05)；但與銀中楊純林樣地相比，“銀中楊+東風菜”、“銀中楊+大葉芹”、“銀中楊+老山芹”3種配置的多功能水土保持植被樣地，土壤團聚體平均質(zhì)量直徑顯著增加(P<0.05)。這種變化，與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

2.3 各樣地土壤團聚體分形維數(shù)的差異

配置的4種多功能水土保持植被樣地，表層土壤團聚體分形維數(shù)變化范圍在2.66～2.81之間，與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、團聚體平均質(zhì)量直徑的變化規(guī)律截然相反，多功能水土保持植被降低了表層土壤團聚體分形維數(shù)，并且“銀中楊+東風菜”樣地的最低(見表2)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，“銀中楊+東風菜”、“銀中楊+大葉芹”2種配置的多功能水土保持植被樣地的土壤團聚體分形維數(shù)，不僅顯著小于銀中楊純林樣地的，而且顯著低于“銀中楊+老山芹”、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的(P<0.05)；“銀中楊+老山芹”、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的土壤團聚體分形維數(shù)，與銀中楊純林樣地的則差異不著。

2.4 各樣地土壤水穩(wěn)性指數(shù)的差異

配置的4種多功能水土保持植被樣地，表層土壤水穩(wěn)性指數(shù)變化范圍在0.47～0.96之間，與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、團聚體平均質(zhì)量直徑的變化規(guī)律相近，多功能水土保持植被增加了表層土壤水穩(wěn)性指數(shù)(見表2)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，配置的4種多功能水土保持植被，均比銀中楊純林顯著提高了土壤水穩(wěn)性指數(shù)(P<0.05)；不同配置的多功能水土保持植被樣地，土壤水穩(wěn)性指數(shù)差異顯著(P<0.05)，4種植被樣地，土壤水穩(wěn)性指數(shù)由大到小依次為“銀中楊+老山芹”樣地、“銀中楊+東風菜”樣地、“銀中楊+大葉芹”樣地、“銀中楊+龍牙楤木”樣地。

2.5 各樣地土壤抗沖系數(shù)的差異

由表2可見：配置的4種多功能水土保持植被樣地，表層土壤抗沖系數(shù)變化范圍在2.11～6.48 L·g-1之間，且“銀中楊+東風菜”樣地的土壤抗沖系數(shù)最大、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的土壤抗沖系數(shù)最低。統(tǒng)計分析表明，僅有“銀中楊+東風菜”樣地土壤抗沖系數(shù)顯著高于銀中楊純林樣地的(P<0.05)；不同配置的多功能水土保持植被樣地之間，除“銀中楊+東風菜”樣地與“銀中楊+龍牙楤木”樣地間土壤抗沖系數(shù)存在顯著差異外(P<0.05)，其他樣地之間均不顯著。

表2 各樣地土壤抗侵蝕特征參數(shù)的測定結(jié)果

3 討論

3.1 多功能水土保持植被配置對土壤抗蝕性的影響

土壤抗蝕性，是指土壤抵抗外營力對其分散和破壞的能力，常用土壤團聚體穩(wěn)定性、水穩(wěn)性指數(shù)等指標表征[4-5]。土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑越大，分形維數(shù)越小，則土壤團聚體的不同粒徑團聚度越高，團聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤的抗蝕性則越強[30-31]。本研究表明，與銀中楊純林相比，“銀中楊+東風菜”、“銀中楊+大葉芹”2種配置的多功能水土保持植被，不僅顯著增加了土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù)，而且顯著降低了團聚體分形維數(shù)；“銀中楊+老山芹”則顯著增加了土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù)；“銀中楊+龍牙楤木”僅顯著增加了土壤水穩(wěn)性指數(shù)。以上結(jié)果表明，多功能水土保持植被均可提高表層土壤的抗蝕性，其中通過提高土壤團聚體穩(wěn)定性而增強土壤抗蝕性的能力，“銀中楊+東風菜”、“銀中楊+大葉芹”相對較強，“銀中楊+龍牙楤木” 相對較弱。

為了進一步分析配置不同的多功能水土保持植被樣地土壤團聚體穩(wěn)定性差異的主要原因，本研究將土壤團聚體穩(wěn)定性指標與土壤理化性質(zhì)進行了相關(guān)性分析(見表3)。結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，與粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與分形維數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系。有機質(zhì)是土壤團聚體最重要的膠結(jié)劑，能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)越大，土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑越高，分形維數(shù)越小[11，20]。因此，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，是導致上述配置不同植被樣地土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性產(chǎn)生差異的主要原因。也有研究表明，地表的凋落物和根系分布均會影響土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性，進而影響土壤抗蝕性的強弱[13，15]。這主要是因為，一方面，地表凋落物以及土壤表層植物根系的分解，增加了土壤中的有機質(zhì)，且根系在土壤中的穿插纏繞也能夠增加土壤的孔隙度，從而促進土壤團聚體的形成；另一方面，林地較多的凋落物和較大的地表覆蓋度，能防止雨水對土壤表層的直接擊濺侵蝕，從而保存了大團聚體的含量，使其團聚體更加穩(wěn)定，土壤抗蝕性增強[21]。因此，本研究中，“銀中楊+東風菜”樣地土壤團聚體穩(wěn)定性更高，也可能是因為其林內(nèi)地表覆蓋度、凋落物以及根系密度，大于其它3種植被配置所導致的，需進一步研究。

水穩(wěn)性指數(shù)，反映了土壤團聚體在靜水中分散、崩解的程度，其值越大，土壤團聚體越穩(wěn)定，土壤抗蝕性越強[4]。通過對土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)進行相關(guān)性分析結(jié)果表明(見表3)，土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤三相指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤三相指數(shù)作為描述土壤結(jié)構(gòu)的綜合指標，能夠反映出土壤的三相結(jié)構(gòu)綜合狀態(tài)，土壤三相指數(shù)值越高，土壤結(jié)構(gòu)越好[28]。因此導致土壤水穩(wěn)性指數(shù)增大，土壤抗蝕性增強。

3.2 多功能水土保持植被配置對土壤抗沖性的影響

土壤抗沖性，是評價土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其抗侵蝕特征的重要指標[26]。土壤抗沖系數(shù)越大，表明單位時間內(nèi)徑流帶走的泥沙越小，土壤抵抗徑流分離和搬運的作用越強[32]。本研究結(jié)果表明，僅有“銀中楊+東風菜”樣地土壤抗沖系數(shù)顯著高于銀中楊純林樣地的；配置的不同多功能水土保持植被樣地，除“銀中楊+東風菜”樣地與“銀中楊+龍牙楤木”樣地間土壤抗沖系數(shù)存在顯著差異外，其他樣地之間的差異均不顯著。這表明，“銀中楊+東風菜”可顯著提高表層土壤的抗沖性，而其它配置的多功能水土保持植被對土壤抗沖性的提高不顯著。通過土壤抗沖系數(shù)與土壤基本理化性質(zhì)、團聚體穩(wěn)定性等參數(shù)進行相關(guān)性分析結(jié)果表明(見表3)，土壤抗沖系數(shù)，與土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑呈極顯著正相關(guān)，與分形維數(shù)呈顯著負相關(guān)。沙小燕等[26]研究認為，土壤抗沖系數(shù)與水穩(wěn)性團聚體的含量呈極顯著指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系，并認為土壤中水穩(wěn)性團聚體含量可以較好地反映土壤的抗沖性能。郭明明等[32]研究了黃土高塬溝壑區(qū)不同植被恢復年限(0～28 a)的坡面土壤抗沖性的變化，結(jié)果表明，土壤抗沖系數(shù)與平均質(zhì)量直徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。分析原因，主要是因為土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)和平均質(zhì)量直徑越大，分形維數(shù)越小，則土壤中團聚體的團聚度高，土壤顆粒間黏聚力越大，土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越好，土壤抵抗徑流分離和搬運的能力和抗沖性越高，因此導致了不同配置的多功能水土保持植被樣地間土壤抗沖性的差異。

表3 土壤理化性質(zhì)與土壤抗侵蝕性指標的相關(guān)系數(shù)(n=15)

4 結(jié)論

在研究區(qū)域和田間試驗條件，多功能水土保持植被提高了表層土壤的抗蝕性與抗沖性，改善了土壤抗侵蝕特征、增強了土壤的抗侵蝕能力。增加土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù)，降低水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)，可提升土壤抗蝕性；表層土壤抗沖系數(shù)的增大，可提升土壤抗沖性。相對土壤抗沖性而言，多功能水土保持植被，對土壤抗蝕性的變化、抗侵蝕能力的影響更為敏感。不同配置的多功能水土保持植被，對黑土表層土壤抗侵蝕特征的影響程度不同?！般y中楊+東風菜”的配置，不僅能夠顯著提高表層土壤的抗沖性，而且能夠顯著增加土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù)，顯著降低水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)，顯著提高了土壤的抗蝕性。建議在黑土區(qū)多功能水土保持植被構(gòu)建設計中，優(yōu)先選擇“銀中楊+東風菜”配置。