任改，張洪江，白芝兵

(1.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，510655，廣州;2.北京林業(yè)大學(xué)，100083，北京;3.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院，510663，廣州)

重慶四面山位于長江三峽庫區(qū)尾端，自然資源豐富，是地球同緯度地區(qū)僅存的原始常綠闊葉林帶［1］。隨著國家、地方政府對生態(tài)環(huán)境的重視和生態(tài)工程建設(shè)的推進(jìn)，四面山成為重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。有關(guān)重慶四面山森林或森林土壤方面的研究，主要集中在植被群落的生態(tài)學(xué)特征［2-3］、物種多樣性［4-6］、土壤種子庫［7-8］、水文功能［9］、水土流失［10］等方面，而關(guān)于區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性的研究鮮有報道。土壤抗沖性是指土壤抵抗徑流對其機(jī)械破壞和推動下移的性能。對土壤抗沖性的研究是土壤侵蝕機(jī)制研究的一個重要方面［11］，其指標(biāo)能較好地體現(xiàn)區(qū)域水土流失過程和規(guī)律［12］。20世紀(jì)50年代，朱顯謨院士［13］在研究黃土高原土壤侵蝕問題時，將土壤抵抗徑流破壞作用的能力區(qū)分為抗蝕和抗沖2種性能。20世紀(jì)60年代，國內(nèi)開展了不同土地利用方式下土壤抗沖性研究，發(fā)現(xiàn)植物根系對增強土壤抗沖性具有重大作用。之后蔣定生等［14］、周佩華等［15］、李勇［16］對土壤抗沖性的測試方法、評價指標(biāo)、影響因素以及抗沖性的時空變化規(guī)律等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。目前，土壤抗侵蝕研究的重點是植被對土壤抗沖性的作用及其機(jī)制，而核心是根系提高土壤抗沖性的機(jī)制［17-18］。土壤抗沖性的研究區(qū)域不再集中在黃土高原區(qū)，近幾年，長江流域土壤抗沖性的研究也逐步開展起來［12，19-20］;但是，對土壤抗沖性的研究，并沒有形成統(tǒng)一的測試方法及量綱系統(tǒng)。筆者研究重慶四面山4種水源涵養(yǎng)林土壤抗沖性的目的在于揭示該地區(qū)土壤抵抗徑流沖刷的機(jī)制，以期為三峽庫區(qū)土壤侵蝕機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，為該區(qū)植被保護(hù)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶四面山張家山小流域，地理坐標(biāo)為 E106°17′～ 106°31′，N28°31′～ 28°46′，海拔900～1 500 m。屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫13.7℃，多年平均降雨量1 522.3 mm，日最大降雨量160.5 mm，年平均日照時間為1 082.7 h，年平均相對濕度為80% ～90%，最高濕度可達(dá)100%。土壤類型有黃棕壤、黃壤等。區(qū)內(nèi)地勢較陡，土層較薄，厚度一般在10～70 cm之間，多呈微酸性至酸性。植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、石櫟(Lithocarpus glaber)、木荷(Schima superba)、福建柏(Fokienia hodginsii)、香樟(Cinnamomum camphora)、楓香(Liquidambar formosana)、紫花杜鵑(Rhododendon amesiae)、白毛新木姜子(Neolitsea aurata var.Glauca)、杜莖山(Maesa japonica)、野薔薇(Rosa multiflora Thunb.)等，竹類大約有20余種，以楠竹(Phyllostachys pupescens)為主。

2 研究方法

2.1 樣地選取

2008年4—7月，選取具有代表性的水源涵養(yǎng)林(針葉林、闊葉林、針闊混交林和楠竹林)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，采取原狀土對土壤抗沖性進(jìn)行研究。林地土壤類型為山地黃壤，質(zhì)地為砂黏壤土、砂壤土，厚度為40～60 cm。不同水源涵養(yǎng)林標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1和表2。

2.2 實驗設(shè)計

試驗采用改進(jìn)的原狀土沖刷水槽法，水槽長100 cm，寬10.5 cm，高10 cm，上部為靜水室，下部為裝樣室。矩形環(huán)刀采取土樣，尺寸為10 cm×20 cm×5 cm。

在林地標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，用矩形環(huán)刀采取土壤剖面A0和A層原狀土樣，3次重復(fù)。原狀土樣取回后，在水中浸泡12 h左右，裝入土樣室，使土樣表面和槽面齊平，調(diào)節(jié)沖刷坡度，以2 L/min左右的流量放水(水流先進(jìn)入靜水室，然后均勻地從水槽面流下)沖刷10 min，并用量筒收集泥水過程樣。沖刷時，前5 min內(nèi)每1 min取1次泥水樣，最后第7、10 min各取1次泥水樣。然后把收集的泥土沖洗、過濾到鋁盒里，烘干、稱量。根據(jù)該區(qū)域森林植被分布的坡度范圍，分別設(shè)置坡度 20°、25°、30°進(jìn)行試驗。

沖刷完畢后，將土體放在水中溶洗，之后使泥水通過1 mm的土壤篩，再將留在篩上的根系裝在鋁盒中置于烘箱中烘干，烘箱溫度為75℃，最后利用鋼尺測量不同根級根系的平均長度，并稱量其質(zhì)量。

2.3 評價指標(biāo)的選用

目前，國內(nèi)外評價土壤抗沖性的指標(biāo)較多［21］，但尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同方法研究結(jié)果可比性較差。筆者采用土壤抗沖刷系數(shù)［14，17，22］評價土壤抗沖性。土壤抗沖刷系數(shù)愈大，土壤抗沖性愈強。土壤抗沖刷系數(shù)可定義為每沖走1g干土所需的水量和時間的乘積，即

式中:C為土壤抗沖刷系數(shù)，L·min/g;m為沖走的干土質(zhì)量，g;Q為需水量，L;t為沖刷時間，min。

表1 水源涵養(yǎng)林標(biāo)準(zhǔn)地基本情況Tab．1 Basic situation of different water conservation forest plots

表2 水源涵養(yǎng)林垂直結(jié)構(gòu)的基本特征Tab．2 Vertical structure features of different water conservation forests

3 結(jié)果與分析

3.1 林地土壤抗沖性特征

取3種設(shè)置坡度下土壤抗沖刷系數(shù)的均值評價林地土壤抗沖性，不同水源涵養(yǎng)林土壤抗沖刷系數(shù)見表3。可以看出，同種土地利用條件下，A0層土壤抗沖性強于A層。楠竹林的平均土壤抗沖刷系數(shù)最大，為20.153 L·min/g，其次為針闊混交林和針葉林，為14.717、10.819 L·min/g，闊葉林抗沖刷系數(shù)最小，僅為4.615 L·min/g。試驗中發(fā)現(xiàn)，楠竹林土層內(nèi)各種根徑的根系交錯穿插、緊密纏繞土體形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其他3種林分土層內(nèi)根系較少，未形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？梢?，同種土壤類型條件下(研究范圍內(nèi)均為山地黃壤)，植物根系對土壤抗沖性起關(guān)鍵作用，尤其是根系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能顯著增強土壤抗沖性。

表3 不同水源涵養(yǎng)林土壤抗沖刷系數(shù)Tab．3 Soil anti-scouring indices of water conservation forests L·min/g

3.2 林地土壤抗沖性的動態(tài)變化特征

降雨(徑流)沖刷過程中，土壤抗沖性會隨著時間而變化，周維等［23］研究結(jié)果表明，土壤抗沖性與時間的關(guān)系用冪函數(shù)擬合較好。

圖1為土壤抗沖刷系數(shù)隨沖刷時間的變化曲線。可以看出:在整個沖刷過程中，林地土壤抗沖刷系數(shù)增大，則抗沖性能增強。這是由于各林地單位土體中表面土相對疏松，容易被沖刷，5 min內(nèi)表面土幾乎全部被沖刷掉，之后，土壤比較緊實，顆粒間的摩擦力增大，不易被沖刷，表現(xiàn)出較強的抗沖性;楠竹林、針闊混交林土壤抗沖刷系數(shù)隨著沖刷時間的延續(xù)急劇增大，而針葉林、闊葉林土壤抗沖刷系數(shù)緩慢增大。

圖1 土壤抗沖刷系數(shù)隨沖刷時間的變化曲線Fig．1 Changes of soil anti-scouring indices over time

擬合的水源涵養(yǎng)林各土層抗沖刷系數(shù)與時間的變化關(guān)系見表4?？梢?，土壤抗沖刷系數(shù)與沖刷時間用指數(shù)函數(shù)擬合效果較好。

3.3 坡度和根系特征對土壤抗沖性的影響

3.3.1 坡度對土壤抗沖性的影響 已有研究［24］表明，土壤侵蝕特別是面蝕不是隨著坡度的增加而無限制地增加，一般存在一個轉(zhuǎn)折坡度，超過這一坡度，土壤侵蝕量(面蝕)反而呈下降趨勢。同時，眾多學(xué)者從不同學(xué)科出發(fā)，對土壤侵蝕轉(zhuǎn)折坡度也進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，不同地區(qū)土壤侵蝕轉(zhuǎn)折坡度相差較大［25-27］。

不同坡度下土壤抗沖刷系數(shù)見表5。可見，坡度從20°增加到 25°，土壤抗沖刷系數(shù)平均值從18.422 L·min/g下降到12.790 L·min/g，降低了31%;從25°增加到30°時，降低了約50%。針對不同水源涵養(yǎng)林，隨著坡度的增大，針葉林土壤抗沖性先增大后降低，闊葉林、針闊混交林表現(xiàn)出先急速降低再緩慢降低的趨勢，楠竹林降低程度較一致。

總體表明，土壤抗沖性變化轉(zhuǎn)折的坡度值為25°，這一轉(zhuǎn)折坡度還有待通過試驗進(jìn)一步驗證。而實際中，四面山的森林植被大量分布在坡度大于30°的陡坡上，作為水源涵養(yǎng)區(qū)，應(yīng)加強森林植被的保護(hù)，控制人為破壞森林植被以及林下枯枝落葉物，以減少或消除地表徑流對土壤的沖刷，提高土壤抗沖性。

表4 土層抗沖刷系數(shù)與沖刷時間的回歸方程Tab．4 Regression equation between soil anti-scouring indices and times

表5 土壤抗沖性與坡度的關(guān)系Tab．5 Relationship between soil anti-scouribility and slope L·min/g

3.3.2 根系特征對土壤抗沖性的影響 不同水源涵養(yǎng)林土壤根系特征見表6?？芍?A0層＜3 mm根系根量占總根量的比例超過80%，而其根長占總根長的73%;A層＜3 mm根系根量占總根量的69%，其根長占總根長的62%。從根量、根長這2個指標(biāo)可知:＜3 mm根系是四面山水源涵養(yǎng)林表層土壤根系的主要成分，纏繞、固結(jié)土壤的作用主要由＜3 mm根系承擔(dān);隨著土壤深度的增加，＜3 mm根系根量、根長均在減少。

不同林分之間相比較，楠竹林具有總根量最大(106.11 g)、長度最長(139.0 cm)的特點，根系死生物量表現(xiàn)為針葉林(22.03 g)多于針闊混交林(16.24 g)、楠竹林(12.56 g)、闊葉林(2.19 g)。針葉林、闊葉林和針闊混交林根系在土壤中垂直分布規(guī)律是，隨著土壤深度的增加，基本是＜3 mm根系根量減少，＞3 mm根系根量增多，長度沒有一致的變化，但是，楠竹林各級根徑根量均隨著土層深度增加而增大，這為楠竹林土壤抗沖性明顯優(yōu)于其他林地提供了重要依據(jù)。

對水源涵養(yǎng)林地土壤抗沖刷系數(shù)與根量、根長、死生物量進(jìn)行逐步回歸的結(jié)果表明:A0層土壤抗沖性主要受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影響;A層主要受3～5 mm根系根量及其根長的影響。相關(guān)方程見式(1)和式(2)。

式中:CA0、CA分別為A0、A層土壤抗沖性抗沖刷系數(shù)，L·min/g;X1為根徑 ＜1 mm 根系根量，g;X2為根徑1～3 mm根系根量，g;X3為根徑3～5 mm根系根量，g;X7為根徑3～5 mm根系長度，cm;X9為土體內(nèi)總死生物量，g。

表6 不同水源涵養(yǎng)林根系特征Tab．6 Root characteristics of water conservation forests

4 結(jié)論

1)在重慶四面山研究的4種水源涵養(yǎng)林中，楠竹林土壤抗沖性最大，其次為針闊混交林、針葉林，闊葉林最小，其抗沖刷系數(shù)分別為20.153、14.717、10.819 和4.615 L·min/g。

2)林地土壤抗沖性A0層強于A層，并隨沖刷時間的增長而增強。土壤抗沖刷系數(shù)與沖刷時間用指數(shù)函數(shù)擬合效果較好。

3)坡度是影響土壤抗沖性的一個重要外在條件，土壤抗沖性發(fā)生變化的坡度值為25°。

4)＜3 mm根系是四面山水源涵養(yǎng)林表層土壤根系的主要成分，纏繞、固結(jié)土壤的作用主要由＜3 mm根系承擔(dān)。四面山水源涵養(yǎng)林A0層土壤抗沖性受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影響，A層主要受3～5 mm根系根量及其根長的影響。

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