舒喬生 ，謝立亞

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

對(duì)于降雨侵蝕力相當(dāng)?shù)耐坏貐^(qū)來(lái)說(shuō)，水力侵蝕的強(qiáng)弱主要取決于土壤本身特性及地形、植被等影響因子。土壤抗沖性是表征土壤抗蝕能力的重要指標(biāo)，它指土壤抵抗徑流的機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的能力，抗力來(lái)源于土粒間、微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力及其抵抗離散力[1]。朱顯謨[2]研究表明∶土壤抗沖性取決于根系的纏繞和固結(jié)作用，這種作用使土體有較高的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)和抗蝕強(qiáng)度，從而不易被徑流帶走。近年來(lái),由于人口劇增，陡坡毀林毀草、墾荒耕種，破壞了植物根系對(duì)土體的固結(jié)作用，導(dǎo)致土壤抗沖性降低，是加劇全球性土壤侵蝕、生態(tài)環(huán)境惡化的一個(gè)重要內(nèi)在原因[3]。遼寧西部的建平縣人工沙棘Hippophae rhamnoides林面積為6.67萬(wàn)hm2，是全國(guó)乃至亞洲最大的人工沙棘林[4]，對(duì)保持水土、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起到了積極的作用。近年來(lái)，由于自然老化，過(guò)度干旱，病蟲(chóng)危害，經(jīng)營(yíng)管理不善等原因[5－6]，該區(qū)沙棘死亡率達(dá)58.5%[4，7]，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。然而關(guān)于沙棘林死亡對(duì)水土保持影響的定量評(píng)價(jià)及機(jī)制仍沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本研究通過(guò)樣地測(cè)試，分析沙棘林林分退化對(duì)林地根系和土壤抗沖性的影響。

1 材料與方法

1.1 試點(diǎn)選擇

遼寧省建平縣地處遼西低山丘陵區(qū)內(nèi)，屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為8.4℃，年平均降水量450.0 mm，其中6－9月占70%，是遼寧省最嚴(yán)重的水土流失地區(qū)之一。

試點(diǎn)位于建平縣建平鎮(zhèn)胡家店村紅金臺(tái)小流域，土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育的褐土，水土保持樹(shù)種主要有沙棘Hippophae rhamnoides，榆樹(shù)Ulmus pumila，油松Pinus tabulaeformis，檸條Caragana korshinskii等，屬遼西低丘區(qū)的典型小流域。該流域純沙棘林有20年生以上的植株，出現(xiàn)逐步死亡的現(xiàn)象，取而代之是榆樹(shù)的入侵，表現(xiàn)出近似演替的特征。

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(shí)空替代法[8－10]，在空間上選擇純沙棘林（未死亡，F(xiàn)1），榆樹(shù)入侵期（沙棘仍為優(yōu)勢(shì)種，F(xiàn)2），榆樹(shù)發(fā)展期（沙榆勢(shì)均力敵，F(xiàn)3），榆樹(shù)優(yōu)勢(shì)期（有少量沙棘，F(xiàn)4），純榆樹(shù)林（F5）5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，3次重復(fù)，分別作為沙棘死亡及近似演替的5個(gè)階段，標(biāo)準(zhǔn)地尺寸為20 m×20 m，各標(biāo)準(zhǔn)地平均坡度為7°，死亡的沙棘均被農(nóng)民搬運(yùn)移出。各標(biāo)準(zhǔn)地活立木數(shù)量見(jiàn)表1。

1.2.2 植物根系測(cè)定 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，挖長(zhǎng)2.0 m，寬2.0 m，深1.0 m的土壤剖面，對(duì)根系分布進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)土壤取樣并對(duì)根系進(jìn)行沖洗，利用游標(biāo)卡尺將根系按直徑大小分為 d＜1 mm，1≤d＜2 mm，2≤d＜5 mm，5≤d＜10 mm和d≥l0 mm共5個(gè)徑級(jí)，統(tǒng)計(jì)各徑級(jí)根系的條數(shù)，以1 dm2中根的條數(shù)表示根系密度。

1.2.3 土壤抗沖性測(cè)定 ①針式抗沖儀：采用NLKC-90針式土壤抗沖儀，在0～40 cm深度范圍內(nèi)按照10 cm間隔，在101.325 kPa壓力（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下，以0.7 mm直徑的水柱沖擊土層1 min，使其產(chǎn)生水蝕穴，每10個(gè)水蝕穴深（cm）與寬（cm）乘積均值的倒數(shù)，即為該土層的抗沖指數(shù)。②槽式抗沖儀：在0～40 cm深度范圍內(nèi)以10 cm間隔，將每個(gè)土壤剖面用15 cm×30 cm×10 cm的取樣器在土壤剖面取土樣，帶回室內(nèi)置于底部有少量水的盆內(nèi)浸泡12 h（水面不能高于土表面），使土柱自然吸水達(dá)到飽和狀態(tài)。利用NLKC-101槽式抗沖儀將土樣坡度調(diào)整為10°，在101.325 kPa水壓力下對(duì)土樣進(jìn)行沖刷，對(duì)泥沙過(guò)濾、烘干稱量，將沖刷時(shí)間除以沖刷的土量，即沖刷單位質(zhì)量的土所需時(shí)間，作為抗沖性度量指標(biāo)（單位為 s·g－1）。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)地活立木數(shù)量Table1 Numbers of living trees in sample plots

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分布情況

從各徑級(jí)的根系分布情況來(lái)看，徑級(jí)為1≤d＜2 mm，2≤d＜5 mm，5≤d＜10 mm和d≥l0 mm的根密度分布較小，因此將根系分為直徑d≥1 mm和d＜1 mm等2種徑級(jí)進(jìn)行分析。

2.1.1 直徑d≥1 mm根系的分布特點(diǎn) 經(jīng)統(tǒng)計(jì)（詳細(xì)結(jié)果未列出），直徑d≥1 mm根密度隨土層深度增加逐步減少，0～40 cm土層內(nèi)遞減較快，在40 cm以下土層遞減較慢；不同沙棘死亡率下直徑d≥1 mm的根量分布差異不顯著（P＞0.05）。

2.1.2 直徑d＜1mm根系的分布特點(diǎn) 直徑d＜1 mm根密度的分布見(jiàn)圖1，在0～30 cm范圍內(nèi)，根密度隨深度增大急劇減少，30～100 cm范圍內(nèi)逐漸減少并維持在極低水平，總根數(shù)的72%～80%分布在0～20 cm土層，20～40 cm土層內(nèi)根系僅占總根數(shù)的10%～20%。這主要是由于該區(qū)缺水非常嚴(yán)重，且有愈演愈烈之勢(shì)；加上該區(qū)為黃土狀母質(zhì)上發(fā)育的淋溶褐土，表土質(zhì)地粗孔隙大，而表層以下為質(zhì)地較為堅(jiān)硬的黃土，結(jié)構(gòu)不良，滲水性能差，極易形成超滲產(chǎn)流；同時(shí)該區(qū)地下水埋藏極深，沙棘根系無(wú)法吸收深層地下水，其生長(zhǎng)主要靠天然降水。因此沙棘的根系主要位于淺層土壤中，隨著深度增加，根系急劇減少，這也是沙棘出現(xiàn)大面積死亡的原因之一。分析表明，在地表下0～30 cm深度范圍內(nèi)，隨著沙棘死亡率的提高，根徑d＜1 mm的根密度呈顯著的降低趨勢(shì)（P＜0.05），而大于30 cm的區(qū)域，差異不顯著（P＞0.05），表明沙棘死亡會(huì)導(dǎo)致表層土壤的根系分布變得稀疏。若按照植被演替的規(guī)律，沙棘死亡和榆樹(shù)生長(zhǎng)意味著植被的正向演替，根密度會(huì)隨之增大[11]。然而本試驗(yàn)卻出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，這主要是由于沙棘林對(duì)淺層根系分布起決定作用，而榆樹(shù)數(shù)量較少且根系分布相對(duì)較深，對(duì)淺層根系起次要作用。

圖1 各樣地不同深度根徑d＜1 mm的根密度Figure1 Distribution tend of root number diameter less than 1 mm in different soil depth

2.2 土壤抗沖性

針式土壤抗沖儀測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明：隨著沙棘死亡率的提高，土壤抗沖性呈逐步降低趨勢(shì)，純沙棘林與其他樣地差異為極顯著（P＜0.01），除榆樹(shù)優(yōu)勢(shì)期外，其他3個(gè)樣地之間的差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說(shuō)明沙棘死亡對(duì)土壤的抗沖性具有顯著的影響；并且隨著土層深度的增大，抗沖性也逐步降低。這主要是由于表層根系分布密度大和枯枝落葉層較厚，雖然土壤較疏松，但根系對(duì)土壤的固持作用較強(qiáng)；隨著深度增加，根徑d＜1 mm的根密度迅速減少，致使土壤缺乏根系對(duì)集中水流的緩沖作用，沖刷作用較強(qiáng)[12]。

表2 各樣地針式抗沖儀測(cè)定的抗沖性Table2 Anti-scouring abilities with needle-type instrument

槽式抗沖儀測(cè)定的土壤沖刷量見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：沖刷量隨著時(shí)間的延續(xù)呈增加趨勢(shì)，0～120 s之間沖刷量增加較快，隨后增速變緩，至300 s時(shí)達(dá)到較平穩(wěn)狀態(tài)。同時(shí)隨著沙棘死亡率的升高，土壤沖刷量逐步呈增加趨勢(shì)，純榆樹(shù)林的沖刷量遠(yuǎn)高于其他樣地，差異為極顯著（P＜0.01），榆樹(shù)發(fā)展期與榆樹(shù)入侵期之間差異不顯著。通過(guò)計(jì)算單位沖刷量所需的時(shí)間，得到抗沖指數(shù)見(jiàn)表3。

結(jié)果表明：無(wú)論是用水穴尺寸還是用沖刷量表示，隨著沙棘的死亡和榆樹(shù)生長(zhǎng)，土壤抗沖性均呈逐步降低的趨勢(shì)，這與周正朝等[11]植被演替增強(qiáng)土壤抗沖性的結(jié)論不一致。這主要由于土壤抗蝕性主要通過(guò)沙棘的根系起作用，隨著沙棘的死亡，土壤中的根系數(shù)量減少，加上農(nóng)民及時(shí)將死亡的沙棘移出，死亡的沙棘又無(wú)法變成腐殖質(zhì)進(jìn)一步保護(hù)土壤。雖然沙棘的死亡伴隨著榆樹(shù)的生長(zhǎng)，單株喬木根系固結(jié)土壤和阻止徑流的能力較強(qiáng)[13－14]，然而水土流失的整體防治效果與植被結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，層次結(jié)構(gòu)較好的植被對(duì)土壤的保護(hù)作用要優(yōu)于單層植被[15]；因此，密度較小的榆樹(shù)林木對(duì)土壤的固結(jié)作用僅限于其根系周邊，無(wú)法起到沙棘全面保護(hù)土壤的作用。另外，由于榆樹(shù)根系較沙棘深，它更側(cè)重于保護(hù)深層次的土壤，而土壤抗沖性主要體現(xiàn)在表層或近表層土壤，因此在這種情況下，榆樹(shù)對(duì)土壤抗沖性的提高要遜于沙棘。

圖2 各樣地土壤沖刷量隨時(shí)間的變化Figure2 Relationship between soil scoured mass and time

表3 各樣地槽式抗沖儀測(cè)定的抗沖指數(shù)Table3 Anti-scouring abilities with trough-type instrument

通過(guò)土壤抗沖性與根密度進(jìn)行曲線擬合，表明抗沖性與根徑d＜1 mm根密度之間可用冪函數(shù)（y=axb）表示，與李勇等[12]的研究結(jié)論相類似。各樣地參數(shù)a和b見(jiàn)表4。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)遼西建平縣沙棘林死亡率的調(diào)查，并對(duì)不同死亡程度的林地進(jìn)行土壤根系和土壤抗沖性的測(cè)定，研究沙棘林退化對(duì)水土流失的影響。結(jié)果表明：隨著沙棘死亡率的提高，根徑d＜1 mm根密度逐步降低，沙棘死亡對(duì)較粗根系分布影響不顯著；沙棘林具有較好的防治水土流失作用，隨著沙棘活立木的減少，土壤抗蝕性呈逐步降低趨勢(shì)，純沙棘與其他時(shí)期差異為極顯著；隨著土層深度的增大，抗沖性逐步降低，土壤抗沖性與根徑d＜1 mm根系密度之間的關(guān)系可用冪函數(shù)表示。林地根系分布的減少和抗蝕性的減弱，水土流失使土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此土壤的水肥條件必然進(jìn)一步惡化，從而加快沙棘的死亡，形成惡性循環(huán)。

表4 土壤抗沖性（y）與根徑d＜1 mm根密度（x）的冪函數(shù)（y=axb）參數(shù)Table4 Parameters for power functions between anti-scouring abilities and root density which diameter less than 1 mm

近年來(lái)，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)和水土保持部門對(duì)人工沙棘林的退化現(xiàn)象非常重視，但一直僅就其林業(yè)方面的損失進(jìn)行評(píng)估，對(duì)其引起的生態(tài)問(wèn)題未進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè)。本項(xiàng)研究從根系分布和土壤抗沖性入手，探討沙棘退化對(duì)水土流失的影響，可以作為生態(tài)損失評(píng)估的基礎(chǔ)。由于該區(qū)自然條件的惡劣性，加上沙棘林本身的老化現(xiàn)象，沙棘退化的趨勢(shì)不可避免，需對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行全面評(píng)估，同時(shí)針對(duì)當(dāng)?shù)夭涣妓謼l件、土壤特性，以及稀疏喬木無(wú)法快速發(fā)揮水土保持效益的現(xiàn)狀，采取措施抑制其退化速度或補(bǔ)植其他水土保持效果較好的灌木，將沙棘退化的生態(tài)影響降到最低。

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