謝立亞，舒喬生

（1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 永川402160；2.遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽122000）

植被作為重要的生態(tài)因子，是控制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境的有效措施，在自然生態(tài)環(huán)境中占有極其重要的地位［1］。沙棘（Hippophae rhamnoides）為胡頹子科落葉性灌木，耐旱，抗風(fēng)沙，廣泛用于水土保持林建設(shè)；同時它在預(yù)防和治療心腦血管疾病、惡性腫瘤、糖尿病等疾病方面均具有不可替代的作用。

自20世紀(jì)50年代末開始，遼寧省西部的建平縣引種沙棘，80年代大力開展沙棘林營造工作，現(xiàn)有人工沙棘林面積達(dá)6.67×104hm2，占全國人工沙棘林面積的12%，因此該縣擁有全國乃至亞洲最大的人工沙棘林［2］。大面積人工沙棘林在保持水土、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面都起到了積極的作用。然而近年來，該區(qū)域人工沙棘林出現(xiàn)大面積死亡的現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計死亡面積近3.90×104hm2（死亡率達(dá)58.5%）［2－3］。沙棘林大面積死亡破壞了生態(tài)環(huán)境，制約了該縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時也對沙棘在荒漠化防治應(yīng)用方面提出了新的挑戰(zhàn)［4］。

關(guān)于沙棘林大面積死亡的原因，有些學(xué)者［4－5］對其進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為主要有老化自然死亡、過度干旱、病蟲害、經(jīng)營管理不善（如過牧）等原因，并提出了防治對策。然而關(guān)于沙棘林死亡引起土壤性質(zhì)和水土流失變化的研究報道較少。本項研究采用時空替代法［6－8］，通過樣地測試，分析沙棘林的死亡程度對土壤理化性質(zhì)和水土流失的影響。

1 材料與方法

1.1 試點選擇

試點位于遼寧省建平縣建平鎮(zhèn)胡家店村紅金臺小流域，土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育的褐土，水土保持樹種主要有沙棘、榆樹、油松（Pinus tabulaeformis）、檸條（Caragana korshinskii）等，屬遼西低丘區(qū)的典型小流域，該流域沙棘林有20a以上的林齡，目前出現(xiàn)逐步死亡的現(xiàn)象，取而代之是榆樹的入侵，表現(xiàn)出與演替相近似的特征。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地劃分 根據(jù)植被演替研究的通用方法—“時空替代法”［6－8］，在空間上選擇純沙棘林期（未死亡，F(xiàn)1）；榆樹入侵期（沙棘死亡率16.86%，F(xiàn)2）；榆樹發(fā)展期（沙棘死亡率51.74%，F(xiàn)3）；榆樹優(yōu)勢期（沙棘死亡率71.51%，F(xiàn)4）；純榆樹林期（沙棘死亡率95.35%，F(xiàn)5）5個標(biāo)準(zhǔn)地，設(shè)3次重復(fù)，分別作為沙棘退化的5個階段，標(biāo)準(zhǔn)地尺寸為20m×20m，各標(biāo)準(zhǔn)地平均坡度為7°，死亡的沙棘均被搬運移出。各標(biāo)準(zhǔn)地活立木數(shù)量見表1。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定 對每個樣地采用5點法分層（0—20，20—40，40—60cm）進(jìn)行土壤取樣，測定土壤機(jī)械組成、容重、有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)。機(jī)械組成采用吸管法、容重采用環(huán)刀法、有機(jī)質(zhì)和全氮（TN）含量分別用重鉻酸鉀氧化和半微量凱氏法測定。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)地活立木數(shù)量

土壤顆粒分形維數(shù)（D）的計算方法，采用黃冠華等［9］推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型：

式中：MT——全部土壤顆粒的總質(zhì)量（g）；M（r＜——粒徑r小于某一給定平均粒徑的土壤顆粒質(zhì)量（g）；——土壤機(jī)械組成中兩篩分粒徑Ri和Ri＋1的算術(shù)平均值（mm）；Rmax——土壤最大顆粒粒徑（mm）；D——土壤顆粒分形維數(shù)。

1.2.3 水土流失量測試 在每個標(biāo)準(zhǔn)地中建立4m×2m的簡易移動式水土流失徑流場，徑流場采用PVC塑料板制成，下邊由集流槽與集流桶相接，其余3邊為厚4mm，高200mm的塑料板，試驗時將其插入地中，以阻擋區(qū)內(nèi)外徑流的交換。采用人工模擬降雨機(jī)進(jìn)行降雨，雨強(qiáng)分別選定為1.0，1.5，2.0mm／min，每次降雨時間為30min，每個雨強(qiáng)重復(fù)3次，總降雨量接近該區(qū)域的年侵蝕性降雨量，降雨開始后記錄產(chǎn)流時間和產(chǎn)流量，每隔3min取1次水樣，過濾后用烘干法稱取土樣測定泥沙量，用以確定土壤侵蝕量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

對每個樣地所取的土樣進(jìn)行土壤機(jī)械組成、容重、有機(jī)碳、全氮等理化性質(zhì)測定，分析沙棘死亡對土壤性質(zhì)的影響，測定結(jié)果見表2。

從表2可看出，對于每一個樣地，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳和全氮含量總體上都呈減少的趨勢，容重隨深度增加而增大（p＜0.05），這主要是由于林木枯枝落葉層的多年積累，表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量較高，從而土壤容重較小。盡管土壤機(jī)械組成隨深度并無明顯變化規(guī)律，但上層的土壤分形維（D）大于下層，表明沙棘對表層土壤質(zhì)地有改善作用，隨著深度增加，對質(zhì)地改善的作用變小。

對于不同樣地之間比較，隨著沙棘死亡的升高，土壤容重總體上出現(xiàn)逐步增大的趨勢、有機(jī)碳和全氮含量則逐步降低。與純沙棘林相比，其他樣地的土壤容重增加1.40%～7.31%（榆樹發(fā)展期則出現(xiàn)降低現(xiàn)象），有機(jī)碳含量和全氮含量分別降低7.81%～21.89%和9.33%～27.65%。

方差分析結(jié)果（表3）表明，除粉粒和黏粒含量外，砂粒含量、容重、有機(jī)碳和全氮含量的差異性總體上達(dá)到顯著水平（p＜0.05），初步表明沙棘死亡率對土壤性質(zhì)具有較為顯著的影響。隨著沙棘死亡率的增加，表層土壤的分形維逐步下降，雖然純榆樹林與純沙棘林之間的差異達(dá)到顯著水平，但總體上差異不顯著；分析過程表明，對不同深度的分形維進(jìn)行平均和方差分析無實質(zhì)意義，即林木死亡對土壤質(zhì)地的影響主要局限于表層，因此表3中未列出分形維數(shù)的方差比較結(jié)果。

表3 不同樣地土壤理化性質(zhì)的方差分析結(jié)果

通過進(jìn)一步多重比較分析（表4）可看出，純沙棘林與榆樹發(fā)展期的土壤容重較小，有機(jī)碳、全氮含量較高，它們與榆樹優(yōu)勢期、純榆樹林之間的差異顯著，表明隨著沙棘死亡率的升高，土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，并且土壤養(yǎng)分含量也逐步下降，即沙棘林的退化導(dǎo)致土壤性狀呈逐漸退化趨勢。榆樹入侵期的土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)出與低死亡率樣地差異顯著，與高死亡率樣地之間差異不顯著；從土壤機(jī)械組成看，僅有榆樹發(fā)展期的砂粒含量顯著低于其他樣地間，粉粒含量最高（p＜0.05），黏粒含量差異不顯著；出現(xiàn)這些特殊奇異值的原因還不清楚，但這并不影響沙棘死亡對土壤性質(zhì)影響結(jié)果的總體趨勢。

按照植被演替規(guī)律，沙棘死亡和榆樹生長意味著植被的正向演替，土壤的各項理化性質(zhì)會隨著植被的演替而得到改善［1］，然而在本研究中卻出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象。這主要是由于沙棘林生長茂盛時，刺狀針葉使人畜無法進(jìn)入林區(qū)進(jìn)行破壞；當(dāng)沙棘出現(xiàn)死亡時，農(nóng)民會將死亡的沙棘枯枝作為薪柴收集運走，枯枝落葉等凋落物未及時分解，土壤有機(jī)質(zhì)未得到補(bǔ)充；加上該區(qū)降雨以暴雨為主、林地覆蓋度下降和土壤入滲不良，降雨極易形成地表徑流，致使土壤表層有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤容重增加，土壤抗蝕性必然減弱，因此土壤理化性質(zhì)向惡性循環(huán)方向發(fā)展［10－11］。

表4 不同樣地土壤理化性質(zhì)的多重比較結(jié)果

2.2 水土流失量

水土流失測定過程數(shù)據(jù)見表5。由于試驗區(qū)土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的淋溶褐土，其表土質(zhì)地粗，孔隙大，雨強(qiáng)較小時，短期內(nèi)雨水下滲迅速；而表層以下即為質(zhì)地較為堅硬的黃土，結(jié)構(gòu)不良，滲水性能差，水分下滲受阻，如繼續(xù)降雨或雨強(qiáng)增大時，則進(jìn)入超滲產(chǎn)流階段，迅速形成坡面片流，且徑流加深，流速較急。試驗過程表明，純沙棘林的產(chǎn)流較慢，且產(chǎn)流總量較少，隨著死亡率的升高，產(chǎn)流量逐步增加，這主要是由于純沙棘林的土壤容重較小，有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤入滲率較大的緣故；隨著沙棘的死亡與榆樹數(shù)量的增加，土壤的入滲率逐步減小，導(dǎo)致產(chǎn)流量上升。徑流量增加和流速的增大，形成集中股流，對土壤的沖刷力加強(qiáng)；同時，沙棘的死亡和榆樹的入侵導(dǎo)致表層土壤的根系分布變得稀疏，使土壤的固持作用也減弱，土壤的抗蝕能力下降，因此產(chǎn)沙量也呈現(xiàn)逐步上升的態(tài)勢。

隨著沙棘的死亡和榆樹數(shù)量的增加，侵蝕強(qiáng)度逐步增大。由于土壤結(jié)構(gòu)的破壞，隨著時間的延長，侵蝕強(qiáng)度將會進(jìn)一步加大（表6）。

表5 人工模擬降雨條件下徑流量和侵蝕量

表6 各樣地徑流模數(shù)和侵蝕模數(shù)

2.3 討 論

目前研究成果表明，植被改善表土的土壤結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)及微地形［12］，增加有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低容重及滲透阻力［13］，這些性質(zhì)的改變會進(jìn)一步影響坡地產(chǎn)流機(jī)制；林木莖葉截留降雨、根系固結(jié)土壤和阻礙徑流傳遞，從而降低水土流失，這些對防治水土流失非常重要［14－16］。然而防治效果與植被結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，層次結(jié)構(gòu)較好的植被比單層植被更能保護(hù)土壤，減輕水蝕程度，而個體性喬木防治水土流失的效果并不理想［17］。隨著植被結(jié)構(gòu)的破壞或植被的退化，土壤結(jié)構(gòu)隨之破壞，理化性質(zhì)發(fā)生惡化，在水土流失的作用下，土壤營養(yǎng)的流失會增加［18］。因此，沙棘林生長茂盛時，刺狀針葉阻止了人畜的破壞，植被對土壤的保護(hù)作用較好；隨著沙棘死亡率的上升及大量的枯枝落葉被收集運走，榆樹呈個體性生長發(fā)展，短期內(nèi)難以形成結(jié)構(gòu)較好的植被層，致使林地覆蓋度下降、土壤有機(jī)質(zhì)也不能到及時補(bǔ)充、土壤入滲率降低，容易形成集中地表徑流；同時由于表層土壤根系的稀疏，土壤的抗蝕性必然減弱，從而導(dǎo)致水土流失加劇。

3 結(jié)論

（1）沙棘林在改善土壤理化性質(zhì)方面的作用明顯，雖然榆樹已逐步入侵并良好生長，然而沙棘的死亡仍然對土壤容重、有機(jī)質(zhì)和全氮含量產(chǎn)生顯著影響，隨著沙棘活立木數(shù)量的減少，土壤容重增大，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量減少，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（2）純沙棘林產(chǎn)流較少，隨著沙棘的死亡和榆樹數(shù)量的增加，侵蝕強(qiáng)度逐步增大。土壤理化性質(zhì)的惡化，土壤表層更易形成集中地表徑流，導(dǎo)致水土流失加劇，劇烈的水土流失又使土壤有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，進(jìn)一步加快沙棘的死亡，形成惡性循環(huán)。

（3）近年來，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)和水土保持部門對人工沙棘林的退化現(xiàn)象非常重視，但一直僅就其林木損失本身進(jìn)行評估，對其引起的生態(tài)問題未進(jìn)行系統(tǒng)的觀測，本項研究從土壤性質(zhì)和水土流失方面入手，作為沙棘退化對生態(tài)環(huán)境影響的研究基礎(chǔ)，今后將著重研究沙棘退化導(dǎo)致土壤特性改變和水土流失加劇的深層次原因。

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