茹豪，張建軍，黃明，梁偉

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

晉西黃土區(qū)不同地類土壤抗沖性分析

茹豪，張建軍?，黃明，梁偉

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

為了評(píng)價(jià)植被對(duì)土壤抗沖性的影響，以晉西黃土區(qū)蔡家川流域刺槐林、油松林、次生林、退耕荒草地、農(nóng)地、土質(zhì)路面為研究對(duì)象，采用野外實(shí)地放水沖刷法，以侵蝕量為指標(biāo)，研究不同地類土壤的抗沖性，并分析地被物、根系與土壤抗沖性的相關(guān)性。結(jié)果表明:不同地類的土壤抗沖性為次生林＞刺槐林＞油松林＞退耕荒草地＞土質(zhì)路面＞農(nóng)地;單位面積上枯落物量及其厚度對(duì)土壤抗沖性的影響最大;土壤表層根系對(duì)土壤抗沖性也具有較大影響，能夠有效提高土壤抗沖性的根系結(jié)構(gòu)是0～30 cm土層中的毛根，其中，影響最大的是表層0～10 cm的根系，單位體積土壤內(nèi)的根系越多，土壤抗沖性越強(qiáng)。

土壤抗沖性;枯落物;根系;植被;黃土區(qū)

土壤抗沖性(soil erosion resistance)是由中國(guó)科學(xué)院朱顯謨?cè)菏吭?0世紀(jì)50年代提出的，是指土壤抵抗降雨徑流對(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能，主要取決于土壤顆粒間和微結(jié)構(gòu)間膠結(jié)力、結(jié)構(gòu)體間抵抗離散的能力以及地面覆被情況［1］。植被在防治水流失和土壤侵蝕方面具有積極作用，主要表現(xiàn)在2方面，即植物根系通過固土作用提高土壤抗沖性［2－4］，樹冠層截留與枯落物層通過蓄水阻流降低徑流挾沙能力［5］。王佑民等［6］認(rèn)為，森林提高土壤抗蝕性能是由于林下枯落物和強(qiáng)大的根系共同作用的結(jié)果。植被根系對(duì)土壤抗沖性的影響在國(guó)內(nèi)已有不少研究，在相同的土壤中，土壤根系含量越多，其抗沖性能力越強(qiáng)，地表徑流對(duì)土壤的沖刷程度越低［7－8］;但這方面的研究多為室內(nèi)試驗(yàn)或定性研究，野外試驗(yàn)相對(duì)較少，且研究土壤抗沖性的試驗(yàn)方法一般采用原狀土沖刷法、實(shí)地放水沖刷法和模擬降雨沖刷法。筆者采用野外實(shí)地放水沖刷法，以單位面積上單位體積沖刷水流的侵蝕量作為評(píng)價(jià)土壤抗沖性的指標(biāo)，探討自然狀況下晉西黃土區(qū)不同地類的抗沖性。研究結(jié)果可為黃土高原水土流失區(qū)水土保持植被的恢復(fù)與重建、水土保持植被防護(hù)功能的持續(xù)提高提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域，地理坐標(biāo)E 110°39＇45″～ 110°47＇45″，N 36°14＇27″～ 36°18＇23″，海拔950～1 370 m，屬黃土殘塬溝壑區(qū)。年均降雨量576 mm，6—9月份降雨量占全年降雨量的70%左右，年均水面蒸發(fā)量1 733 mm，年均氣溫10℃，≥10℃的積溫3 358℃，絕對(duì)最高氣溫38.1℃，絕對(duì)最低氣溫－20.4℃，光照充足，多年平均日照時(shí)間為2 565.8 h，無霜期平均為172 d。流域大體上為自西向東走向，長(zhǎng)約14 km，面積30 km2。土壤為褐土，黃土母質(zhì)，質(zhì)地均一，森林覆蓋率79%。土地利用狀況為，上游主要為由遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊 (Populus davidiana)、黑樺 (Betula dahurica)、丁香(Syringa oblate)等組成的天然次生林，中游為由刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)組成的人工林，下游為荒草地和農(nóng)地。

2 材料與方法

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇刺槐林、油松林、次生林、退耕荒草地、農(nóng)地、土質(zhì)路面6個(gè)地類作為試驗(yàn)地進(jìn)行野外實(shí)地放水沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)地基本情況見表1。

表1 試驗(yàn)地基本情況Tab．1 Basic information of experimental field

試驗(yàn)裝置由供水箱、給水槽、試驗(yàn)區(qū)、集水槽4部分組成［9］。試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｊ綀DFig．1 Sketch illustration of the experiment

在試驗(yàn)地內(nèi)，選擇坡面均一、能夠代表試驗(yàn)地基本情況的地段(坡度15°)安裝試驗(yàn)裝置，用2塊長(zhǎng)2 m、寬0.15 m的鋼板沿坡面方向嵌入土壤中形成沖刷槽，2板間距0.1 m，沖刷面0.2 m2。使用容積為200 L的馬里奧托瓶作為供水系統(tǒng)，以保證恒定的流速與流量。從馬里奧托瓶流出的水用軟管導(dǎo)入給水槽底部，使水流從給水槽底部上升，并溢流到試驗(yàn)區(qū)，這樣可以保證溢流進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)水流的初速度為0，沖刷水流流經(jīng)試驗(yàn)區(qū)后經(jīng)集水槽匯入采樣器，量取徑流量，并進(jìn)行采樣，采樣體積約500 mL，在室內(nèi)采用過濾烘干法測(cè)定水樣中的泥沙含量，用單位面積上單位體積沖刷水流的侵蝕量表示土壤抗沖性，單位為g/(L·m2)。每組試驗(yàn)重復(fù)5次。沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，采集試驗(yàn)區(qū)地上草本生物、枯落物，將地下0～30 cm處根系按照0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm分層全部收集，采用流水法將根系沖洗干凈，分別稱取草本生物、枯落物以及根系干質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地類的抗沖性

黃土高原土壤侵蝕往往是由于一次或幾次歷時(shí)短、強(qiáng)度高的大暴雨引起的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蔡家川流域30 mm/h以上的高強(qiáng)度暴雨引起的侵蝕量占年侵蝕總量的60% ～90%［10］。采用單位水量在單位面積上形成的土壤侵蝕量來表示不同地類的抗沖性，土壤侵蝕量越大抗沖性越差。各地類的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同地類試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．2 Data of different land－uses

可以看出，在相同的流量條件下，各地類單位水量在單位面積上形成的土壤侵蝕量差異明顯。其中農(nóng)地的土壤侵蝕量最大，為373.21 g/(L·m2)，土質(zhì)路面次之，為97.43 g/(L·m2)，退耕荒草地、油松林、刺槐林分別為3.64、1.44 和 1.37 g/(L·m2)，次生林最小，只有0.66 g/(L·m2)。農(nóng)地土壤侵蝕量是土質(zhì)路面的3.8倍，是退耕荒草地的103倍，是刺槐林和油松林的267倍，是次生林的565倍。不同地類的抗沖性順序?yàn)榇紊郑敬袒绷郑居退闪郑就烁牟莸兀就临|(zhì)路面＞農(nóng)地?？芍瑳]有植物覆蓋的農(nóng)地和土質(zhì)路面的抗沖性明顯小于有植物覆蓋的林地和草地;因此，在黃土區(qū)恢復(fù)植被時(shí)，對(duì)地面進(jìn)行有效的植物覆蓋是提高土壤抗沖性、防治侵蝕的關(guān)鍵。

土質(zhì)路面的侵蝕量雖然小于農(nóng)地，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于林地和草地。這種路面硬度很大，降雨時(shí)雨水不易下滲，很容易形成地表徑流，一旦形成徑流，因路面抗沖性差，就很容易形成較大的水土流失量，成為黃土高原小流域中主要的水土流失來源區(qū);因此，如何處理黃土高原的土質(zhì)路面使其侵蝕量減少、抗沖性增加是控制黃土高原小流域水土流失的關(guān)鍵之一。

油松林、刺槐林的土壤侵蝕量接近，說明油松林、刺槐林的抗沖性比較接近，與張建軍等［9－10］的研究結(jié)果一致，而次生林的抗沖性明顯高于刺槐林和油松林;因此，在晉西黃土區(qū)營(yíng)造水土保持林時(shí)，除了沿用刺槐、油松等營(yíng)造水土保持林外，在條件允許的情況下，可以按照次生林的結(jié)構(gòu)，營(yíng)造仿擬自然植被的水土保持林，將會(huì)更大限度地提高土壤的抗沖性能，從而有效地控制水土流失。

3.2 地被物對(duì)抗沖性的影響

林下地表層草類、枯落物及腐殖質(zhì)等地被物能夠有效增加地表糙度，阻延地表徑流流速，增加入滲，減少地表徑流量，從而影響土壤的抗沖性。各地類地被物對(duì)侵蝕量的影響結(jié)果見圖2。

圖2 不同地類地被物對(duì)侵蝕量的影響Fig．2 Impact of ground covers of different land－uses on soil erosion

可以看出，侵蝕量均隨著草本植物生物量、枯落物量、枯落物層厚度、腐殖質(zhì)層厚度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。說明草本植物生物量、枯落物量、枯落物層厚度、腐殖質(zhì)層厚度均是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵因素。

為了研究地表草本植物生物量、枯落物量、枯落物層厚度及腐殖質(zhì)層厚度等地被物與土壤抗沖性的相關(guān)關(guān)系，利用30組沖刷試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS18.0進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表3。

可以看出，草本植物生物量在0.05水平上與抗沖性顯著相關(guān)，枯落物量、枯落物層厚度和腐殖質(zhì)層厚度與抗沖性在0.01水平上顯著相關(guān)。說明枯落物量、枯落物層厚度和腐殖質(zhì)層厚度對(duì)提高土壤抗沖性的作用要大于草本植物生物量。這是因?yàn)橐欢ê穸鹊目萋湮镏苯痈采w地表不僅增加了地表糙度，而且減緩了地表徑流的流速，吸收了部分地表徑流，從而使地表徑流的侵蝕能力和挾沙能力大大降低，相應(yīng)地增加了土壤的抗沖性能;因此，在營(yíng)造水土保持植被的同時(shí)，需要保護(hù)林下草本植物和枯落物，尤其要保護(hù)枯落物的積存與向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

表3 抗沖性與地被物相關(guān)分析Tab．3 Analyses of correlations between soil erosion resistance and ground covers

綜上所述，在有林地內(nèi)，有效減少侵蝕量、增加土壤抗沖性主要依靠林下的枯落物量與腐殖質(zhì)層厚度，而在退耕荒草地上主要依靠地表的草本植物，土壤抗沖性較有林地差。

3.3 植物根系對(duì)抗沖性的影響

植物根系對(duì)抗沖性的影響與土層中根系的數(shù)量有關(guān)，李勇等［11］研究得出，草本植物根系的90%集中在0～30 cm的土層中，是對(duì)土壤抗沖性影響最大的層次。由于水力侵蝕主要發(fā)生在地表層，地表10 cm土層內(nèi)的根系是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵;因此，在沖刷試驗(yàn)后，挖取地表10 cm土層中的根系，沖洗干凈稱其干質(zhì)量，以每立方米內(nèi)的根系干質(zhì)量來表示土壤層內(nèi)的根系數(shù)量。不同地類植物根密度在土層中的分布情況見圖3。

圖3 不同地類植物根密度在土層中的分布情況Fig．3 Distribution of different land－uses plant roots density in soil

可以看出，各地類中侵蝕量均隨著根密度(單位土體內(nèi)根的質(zhì)量)的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說明表層0～10 cm土壤中的根量對(duì)提高土壤抗沖性有不可忽視的作用。在試驗(yàn)中得出，次生林的抗沖性最好，這與次生林表層根密度最大(約為1.2萬g/m3)直接相關(guān)。

為了研究根系對(duì)土壤抗沖性的影響，測(cè)定了各地類0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層的根系含量，并分析了各地類土壤的抗沖性與各層土壤根密度的相關(guān)性，結(jié)果見表4。

表4 抗沖性與根密度相關(guān)分析Tab．4 Analysis of correlations between soil erosion resistance and roots density

可以看出:0～10 cm根密度在0.01水平上與抗沖性顯著相關(guān);10～20 cm根密度和20～30 cm根密度與抗沖性在0.05水平上與抗沖性顯著相關(guān)。說明0～30 cm土層內(nèi)的植物根系均與土壤抗沖性顯著相關(guān);但是，0～10 cm土層的根密度對(duì)土壤抗沖性的影響明顯大于10～20 cm和20～30 cm土層的根密度對(duì)土壤抗沖性的影響，因此，增加表層0～10 cm土壤中的根密度是減少土壤侵蝕量、增加土壤抗沖性的有效手段之一。在水土保持林幼林撫育至具有有效競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，通過在林內(nèi)撒播草種或其他措施增加地表植被，能夠有效增加土壤表層的根密度，是提高土壤抗沖性的關(guān)鍵措施。

土壤抗沖性不僅與根系在土層中的密度有關(guān)，而且也與根系的徑級(jí)有密切關(guān)系。李勇等［12］研究發(fā)現(xiàn)，土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng)主要由≤1 mm的毛根密度(或毛根量)來決定。張金池等［13］研究得出，植物抗沖性與細(xì)根的根長(zhǎng)、根密度有密切關(guān)系，并指出表層有根系的土壤抗沖性高于底層土壤的抗沖性，林分林木根系強(qiáng)化土壤抗沖性的機(jī)制在于根系通過≤1 mm龐大根系直接網(wǎng)絡(luò)土體和間接改善土壤結(jié)構(gòu)而影響土壤抗沖性的強(qiáng)弱。將植物根系徑級(jí)分為毛根(d＜1 mm)、細(xì)根(1 mm ＜d＜5 mm)、中根(5 mm＜d＜10 mm)和粗根(d＞10 mm)(d為植物根系直徑)，抗沖性與植物根系徑級(jí)相關(guān)分析結(jié)果見表5。

表5 抗沖性與植物根系徑級(jí)相關(guān)分析Tab．5 Analysis of correlations between soil erosion resistance and plant roots diameter

可以看出，0～10 cm土層內(nèi)的毛根在0.01水平上與抗沖性顯著相關(guān)，0～10 cm土層內(nèi)的細(xì)根、0～10 cm土層內(nèi)的中根與10～20 cm土層內(nèi)的毛根在0.05水平上與抗沖性顯著相關(guān)，說明0～10 cm土層內(nèi)的毛根在減少土壤侵蝕量、提高土壤抗沖性方面的作用大于其他徑級(jí)的根系。此外10～20 cm土層內(nèi)的毛根只在0.05水平上與土壤抗沖性相關(guān)，相關(guān)性顯著低于0～10 cm的，可以認(rèn)為，隨著土層的加深，毛根與抗沖性的相關(guān)性逐漸減弱。結(jié)合根密度與抗沖性的相關(guān)性也可以得出，在培育異齡復(fù)層的水土保持植被時(shí)，林下灌草植物盡量選擇毛細(xì)根發(fā)達(dá)的植物，以增加表層土壤的根密度，提高土壤抗沖性。

4 結(jié)論與討論

1)不同地類土壤抗沖性順序?yàn)榇紊郑敬袒绷郑居退闪郑就烁牟莸兀就临|(zhì)路面＞農(nóng)地。

2)不同地類的地被物對(duì)土壤抗沖性有較大影響。在林地內(nèi)，枯落物量、枯落物層厚度和腐殖質(zhì)層厚度對(duì)增加土壤抗沖性的作用大于草本植物生物量，而在荒草地上土壤的抗沖性主要取決于草本植物生物量。

3)不同地類土壤表層根系對(duì)土壤抗沖性具有較大影響。其中，影響最大的是表層0～10 cm的根系量，單位體積土壤內(nèi)的根系量越大，土壤抗沖效果越明顯。0～30 cm土層中能夠有效提高土壤抗沖性的是根徑小于5 mm的毛細(xì)根。

根據(jù)研究結(jié)果，建議在營(yíng)造水土保持植被時(shí)要考慮選擇落葉多、植物殘?bào)w易轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的植物，這不但可以增加土壤表面糙率和表層土壤的腐殖質(zhì)含量，更能有效提高土壤的抗沖性。

李勇等［11－12］、張金池等［13］研究了草類根系對(duì)土壤抗沖性的影響，分析了根長(zhǎng)、根密度和根徑與土壤抗沖性的關(guān)系，研究得出土壤表層中的根系對(duì)土壤抗沖性有較大影響。筆者通過研究得出，在晉西黃土區(qū)蔡家川流域，土壤表層10 cm中的毛根量對(duì)土壤抗沖性影響極大;因此，在黃土高原水土流失區(qū)營(yíng)造水土保持植被時(shí)，配置毛須根發(fā)達(dá)的草本植物是有效減少土壤侵蝕量、增加抗沖性的措施之一。土壤表層根系分布與林下植被配置有關(guān)，如何根據(jù)下墊面情況進(jìn)行合理的林分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及確定合理的喬灌草密度，仍然需要長(zhǎng)期的試驗(yàn)觀測(cè)與分析。

由于黃土區(qū)土質(zhì)路面硬度大，降雨水分不易下滲，易形成地表徑流，且因路面抗沖性差，很容易形成嚴(yán)重的水土流失，成為主要的水土流失來源區(qū)，因此，減小黃土區(qū)土質(zhì)路面的水蝕量是控制黃土區(qū)小流域水土流失的關(guān)鍵之一，如何對(duì)這些土質(zhì)路面進(jìn)行處理，以提高其抗沖抗蝕性尚待進(jìn)一步深入研究。

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Soil erosion resistance of different land uses in Loess Plateau area in Western Shanxi Province

Ru Hao，Zhang Jianjun，Huang Ming，Liang Wei
(College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

In order to evaluate the effect of vegetation on soil erosion resistance，the study was conducted in Caijiachuan watershed in western Shanxi Province.Using artificial eroding experiment in field，sediment yield of surface runoff was set as a measurement index to investigate the erosion resistance of different land uses in Loess Plateau area， includingRobinia pseudoacaciaforest stand，Pinustabulaeformisforest stand，secondary forest stand，grassland，farmland and soil road.In this paper，the relationship between grass，litter，roots and soil erosion resistance was discussed.The soil erosion resistance of different land types was ranked in decreasing trend as secondary forest stand ＞Robinia pseudoacaciaforest stand＞Pinus tabulaeformisforest stand＞grassland＞soil road＞farmland.The amount and thickness of litter per unit area have the greatest impact on soil erosion resistance.Roots in topsoil have greater impact on soil erosion resistance.We found that the amount of roots less than 1mm in 0－30 cm soil layer can improve soil erosion resistance effectively.The amount of 0－10 cm soil layer plays the most important role in enhancing soil erosion resistance.The more roots in per unit volume topsoil，the more obvious effects the soil erosion resistance.

soil erosion resistance;litter;roots;vegetation;Loess Plateau area

2011－11－11

2012－03－12

國(guó)家科技支撐課題“晉陜黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)型水土保持林研究與示范”(2011BAD38B0603)

茹豪(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向:水土保持與植被恢復(fù)。E－mail:ruhao1987@163.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:張建軍(1964—)，男，博士，教授。主要研究方向:水土保持效益及森林水文。E－mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)