重庆四面山水源涵养林土壤抗冲性及影响因素

任改，张洪江，白芝兵

(1.环境保护部华南环境科学研究所，510655，广州;2.北京林业大学，100083，北京;3.中国能源建设集团广东省电力设计研究院，510663，广州)

重庆四面山位于长江三峡库区尾端，自然资源丰富，是地球同纬度地区仅存的原始常绿阔叶林带［1］。随着国家、地方政府对生态环境的重视和生态工程建设的推进，四面山成为重要的水源涵养林区。有关重庆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态学特征［2-3］、物种多样性［4-6］、土壤种子库［7-8］、水文功能［9］、水土流失［10］等方面，而关于区内水源涵养林土壤抗冲性的研究鲜有报道。土壤抗冲性是指土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能。对土壤抗冲性的研究是土壤侵蚀机制研究的一个重要方面［11］，其指标能较好地体现区域水土流失过程和规律［12］。20世纪50年代，朱显谟院士［13］在研究黄土高原土壤侵蚀问题时，将土壤抵抗径流破坏作用的能力区分为抗蚀和抗冲2种性能。20世纪60年代，国内开展了不同土地利用方式下土壤抗冲性研究，发现植物根系对增强土壤抗冲性具有重大作用。之后蒋定生等［14］、周佩华等［15］、李勇［16］对土壤抗冲性的测试方法、评价指标、影响因素以及抗冲性的时空变化规律等方面进行了卓有成效的研究。目前，土壤抗侵蚀研究的重点是植被对土壤抗冲性的作用及其机制，而核心是根系提高土壤抗冲性的机制［17-18］。土壤抗冲性的研究区域不再集中在黄土高原区，近几年，长江流域土壤抗冲性的研究也逐步开展起来［12，19-20］;但是，对土壤抗冲性的研究，并没有形成统一的测试方法及量纲系统。笔者研究重庆四面山4种水源涵养林土壤抗冲性的目的在于揭示该地区土壤抵抗径流冲刷的机制，以期为三峡库区土壤侵蚀机制提供理论基础，为该区植被保护和建设提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于重庆四面山张家山小流域，地理坐标为 E106°17′～ 106°31′，N28°31′～ 28°46′，海拔900～1 500 m。属于中亚热带湿润季风气候，多年平均气温13.7℃，多年平均降雨量1 522.3 mm，日最大降雨量160.5 mm，年平均日照时间为1 082.7 h，年平均相对湿度为80% ～90%，最高湿度可达100%。土壤类型有黄棕壤、黄壤等。区内地势较陡，土层较薄，厚度一般在10～70 cm之间，多呈微酸性至酸性。植被具有典型的亚热带常绿阔叶林特征，主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、石栎(Lithocarpus glaber)、木荷(Schima superba)、福建柏(Fokienia hodginsii)、香樟(Cinnamomum camphora)、枫香(Liquidambar formosana)、紫花杜鹃(Rhododendon amesiae)、白毛新木姜子(Neolitsea aurata var.Glauca)、杜茎山(Maesa japonica)、野蔷薇(Rosa multiflora Thunb.)等，竹类大约有20余种，以楠竹(Phyllostachys pupescens)为主。

2 研究方法

2.1 样地选取

2008年4—7月，选取具有代表性的水源涵养林(针叶林、阔叶林、针阔混交林和楠竹林)设置标准地，采取原状土对土壤抗冲性进行研究。林地土壤类型为山地黄壤，质地为砂黏壤土、砂壤土，厚度为40～60 cm。不同水源涵养林标准地基本情况见表1和表2。

2.2 实验设计

试验采用改进的原状土冲刷水槽法，水槽长100 cm，宽10.5 cm，高10 cm，上部为静水室，下部为装样室。矩形环刀采取土样，尺寸为10 cm×20 cm×5 cm。

在林地标准地内，用矩形环刀采取土壤剖面A0和A层原状土样，3次重复。原状土样取回后，在水中浸泡12 h左右，装入土样室，使土样表面和槽面齐平，调节冲刷坡度，以2 L/min左右的流量放水(水流先进入静水室，然后均匀地从水槽面流下)冲刷10 min，并用量筒收集泥水过程样。冲刷时，前5 min内每1 min取1次泥水样，最后第7、10 min各取1次泥水样。然后把收集的泥土冲洗、过滤到铝盒里，烘干、称量。根据该区域森林植被分布的坡度范围，分别设置坡度 20°、25°、30°进行试验。

冲刷完毕后，将土体放在水中溶洗，之后使泥水通过1 mm的土壤筛，再将留在筛上的根系装在铝盒中置于烘箱中烘干，烘箱温度为75℃，最后利用钢尺测量不同根级根系的平均长度，并称量其质量。

2.3 评价指标的选用

目前，国内外评价土壤抗冲性的指标较多［21］，但尚无统一标准，不同方法研究结果可比性较差。笔者采用土壤抗冲刷系数［14，17，22］评价土壤抗冲性。土壤抗冲刷系数愈大，土壤抗冲性愈强。土壤抗冲刷系数可定义为每冲走1g干土所需的水量和时间的乘积，即

式中:C为土壤抗冲刷系数，L·min/g;m为冲走的干土质量，g;Q为需水量，L;t为冲刷时间，min。

表1 水源涵养林标准地基本情况Tab．1 Basic situation of different water conservation forest plots

表2 水源涵养林垂直结构的基本特征Tab．2 Vertical structure features of different water conservation forests

3 结果与分析

3.1 林地土壤抗冲性特征

取3种设置坡度下土壤抗冲刷系数的均值评价林地土壤抗冲性，不同水源涵养林土壤抗冲刷系数见表3。可以看出，同种土地利用条件下，A0层土壤抗冲性强于A层。楠竹林的平均土壤抗冲刷系数最大，为20.153 L·min/g，其次为针阔混交林和针叶林，为14.717、10.819 L·min/g，阔叶林抗冲刷系数最小，仅为4.615 L·min/g。试验中发现，楠竹林土层内各种根径的根系交错穿插、紧密缠绕土体形成网络结构，其他3种林分土层内根系较少，未形成网络结构。可见，同种土壤类型条件下(研究范围内均为山地黄壤)，植物根系对土壤抗冲性起关键作用，尤其是根系的网络结构，能显著增强土壤抗冲性。

表3 不同水源涵养林土壤抗冲刷系数Tab．3 Soil anti-scouring indices of water conservation forests L·min/g

3.2 林地土壤抗冲性的动态变化特征

降雨(径流)冲刷过程中，土壤抗冲性会随着时间而变化，周维等［23］研究结果表明，土壤抗冲性与时间的关系用幂函数拟合较好。

图1为土壤抗冲刷系数随冲刷时间的变化曲线。可以看出:在整个冲刷过程中，林地土壤抗冲刷系数增大，则抗冲性能增强。这是由于各林地单位土体中表面土相对疏松，容易被冲刷，5 min内表面土几乎全部被冲刷掉，之后，土壤比较紧实，颗粒间的摩擦力增大，不易被冲刷，表现出较强的抗冲性;楠竹林、针阔混交林土壤抗冲刷系数随着冲刷时间的延续急剧增大，而针叶林、阔叶林土壤抗冲刷系数缓慢增大。

图1 土壤抗冲刷系数随冲刷时间的变化曲线Fig．1 Changes of soil anti-scouring indices over time

拟合的水源涵养林各土层抗冲刷系数与时间的变化关系见表4。可见，土壤抗冲刷系数与冲刷时间用指数函数拟合效果较好。

3.3 坡度和根系特征对土壤抗冲性的影响

3.3.1 坡度对土壤抗冲性的影响 已有研究［24］表明，土壤侵蚀特别是面蚀不是随着坡度的增加而无限制地增加，一般存在一个转折坡度，超过这一坡度，土壤侵蚀量(面蚀)反而呈下降趋势。同时，众多学者从不同学科出发，对土壤侵蚀转折坡度也进行了探讨，结果表明，不同地区土壤侵蚀转折坡度相差较大［25-27］。

不同坡度下土壤抗冲刷系数见表5。可见，坡度从20°增加到 25°，土壤抗冲刷系数平均值从18.422 L·min/g下降到12.790 L·min/g，降低了31%;从25°增加到30°时，降低了约50%。针对不同水源涵养林，随着坡度的增大，针叶林土壤抗冲性先增大后降低，阔叶林、针阔混交林表现出先急速降低再缓慢降低的趋势，楠竹林降低程度较一致。

总体表明，土壤抗冲性变化转折的坡度值为25°，这一转折坡度还有待通过试验进一步验证。而实际中，四面山的森林植被大量分布在坡度大于30°的陡坡上，作为水源涵养区，应加强森林植被的保护，控制人为破坏森林植被以及林下枯枝落叶物，以减少或消除地表径流对土壤的冲刷，提高土壤抗冲性。

表4 土层抗冲刷系数与冲刷时间的回归方程Tab．4 Regression equation between soil anti-scouring indices and times

表5 土壤抗冲性与坡度的关系Tab．5 Relationship between soil anti-scouribility and slope L·min/g

3.3.2 根系特征对土壤抗冲性的影响 不同水源涵养林土壤根系特征见表6。可知:A0层＜3 mm根系根量占总根量的比例超过80%，而其根长占总根长的73%;A层＜3 mm根系根量占总根量的69%，其根长占总根长的62%。从根量、根长这2个指标可知:＜3 mm根系是四面山水源涵养林表层土壤根系的主要成分，缠绕、固结土壤的作用主要由＜3 mm根系承担;随着土壤深度的增加，＜3 mm根系根量、根长均在减少。

不同林分之间相比较，楠竹林具有总根量最大(106.11 g)、长度最长(139.0 cm)的特点，根系死生物量表现为针叶林(22.03 g)多于针阔混交林(16.24 g)、楠竹林(12.56 g)、阔叶林(2.19 g)。针叶林、阔叶林和针阔混交林根系在土壤中垂直分布规律是，随着土壤深度的增加，基本是＜3 mm根系根量减少，＞3 mm根系根量增多，长度没有一致的变化，但是，楠竹林各级根径根量均随着土层深度增加而增大，这为楠竹林土壤抗冲性明显优于其他林地提供了重要依据。

对水源涵养林地土壤抗冲刷系数与根量、根长、死生物量进行逐步回归的结果表明:A0层土壤抗冲性主要受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影响;A层主要受3～5 mm根系根量及其根长的影响。相关方程见式(1)和式(2)。

式中:CA0、CA分别为A0、A层土壤抗冲性抗冲刷系数，L·min/g;X1为根径 ＜1 mm 根系根量，g;X2为根径1～3 mm根系根量，g;X3为根径3～5 mm根系根量，g;X7为根径3～5 mm根系长度，cm;X9为土体内总死生物量，g。

表6 不同水源涵养林根系特征Tab．6 Root characteristics of water conservation forests

4 结论

1)在重庆四面山研究的4种水源涵养林中，楠竹林土壤抗冲性最大，其次为针阔混交林、针叶林，阔叶林最小，其抗冲刷系数分别为20.153、14.717、10.819 和4.615 L·min/g。

2)林地土壤抗冲性A0层强于A层，并随冲刷时间的增长而增强。土壤抗冲刷系数与冲刷时间用指数函数拟合效果较好。

3)坡度是影响土壤抗冲性的一个重要外在条件，土壤抗冲性发生变化的坡度值为25°。

4)＜3 mm根系是四面山水源涵养林表层土壤根系的主要成分，缠绕、固结土壤的作用主要由＜3 mm根系承担。四面山水源涵养林A0层土壤抗冲性受＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm根系根量及死生物量的影响，A层主要受3～5 mm根系根量及其根长的影响。

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