北京石质山区不同水土保持措施对土壤物理性质及抗冲性的影响——以房山区蒲洼小流域为例

徐佳佳， 于占成， 史陇俊， 张小侠， 张建军，5†

(1.北京林业大学，水土保持学院，100083，北京；2.北京市房山区水务局，102442，北京；3.房山区云居寺水土保持科技示范园区，101407，北京；4.北京良乡蓝鑫水利工程设计有限公司，102488，北京；5.水土保持国家林业局重点实验室，100083，北京)

北京石质山区不同水土保持措施对土壤物理性质及抗冲性的影响
——以房山区蒲洼小流域为例

徐佳佳1， 于占成2,3， 史陇俊4， 张小侠4， 张建军1，5†

(1.北京林业大学，水土保持学院，100083，北京；2.北京市房山区水务局，102442，北京；3.房山区云居寺水土保持科技示范园区，101407，北京；4.北京良乡蓝鑫水利工程设计有限公司，102488，北京；5.水土保持国家林业局重点实验室，100083，北京)

为评价北京山区多年来小流域综合治理的水土保持效果，也为以后小流域治理和植被重建提供理论支撑，以房山区蒲洼小流域为研究地，采用典型样地调查、野外抗冲性实验和室内样品处理的方法，对比分析不同水土保持措施的土壤物理性质、土壤质地和抗冲性。结果表明：随着土层加深，各类措施下土壤密度均呈现增大趋势，总孔隙度和毛管孔隙度呈现减小趋势，而非毛管孔隙度没有明显规律。不同水土保持措施下，土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度均有改善(侧柏林除外)，改善程度由好到差依次为：辽东栎次生林>油松落叶松混交林>石坎梯田>油松林>落叶松林>灌丛；各类措施下土壤颗粒均以细、中粉粒为最多，分形维数显示各类水保措施土壤通透性均较为良好；相比荒地，各类措施下土壤冲刷量显著减小，径流时间延长，冲刷量依次为油松落叶松混交林(0.82 kg/cm3)<侧柏林(1.14 kg/cm3)<落叶松林(1.30 kg/cm3)<辽东栎次生林(3.91 kg/cm3)<油松林(5.96 kg/cm3)<荆条灌丛(10.88 kg/cm3)，延缓径流冲刷时间由大到小依次为：辽东栎次生林(55.65 s/m)>油松落叶松混交林(46.82 s/m)>落叶松(28.19 s/m)>荆条灌丛(22.39 s/m)>侧柏林(17.48 s/m)>油松林(16.94 s/m)。土壤抗冲性与细、中粉粒体积分数(正相关)、非毛管孔隙度呈显著(负相关)关系最为密切，由此推出大根径的根系穿插形成的非毛管孔隙对土壤抗冲性是负效应。综上，油松落叶松林混交林提升土壤蓄水持水性能、土壤抗冲性均显示出很大的优势；石坎梯田效果也较好，是小流域治理应首先考虑的2类措施。

水土保持措施； 土壤物理性质； 抗冲性

土壤通过与水、大气和植物相互作用来影响环境[1]，是水分滞留和贮存的重要场所。土壤物理性质是评价土壤结构及功能的基本指标，是水土保持效应的具体表现[2]，土壤抗冲性则反应不同土壤结构和物理性质下土壤抵抗径流分散破坏的能力，是评价水土保持功能的直接指标。研究者发现不同土地利用方式、水土保持措施、土壤物理性质、植被及其结构、根系特征等都对土壤抗冲性有重要影响。李勇等[3]发现根系通过改善土壤物理结构强化入渗能力和水稳性团粒，从而增强土壤抗冲性。刘国彬[4]建立黄土高原草地植被恢复过程中土壤抗冲性与根系参数、土壤力学参数、水稳性团聚体等22个因子的回归方程，认为影响土壤抗冲性的因素从大到小为：土壤凝聚系数>非饱和导水率>腐殖质含量>根系参数>水稳性团聚体>土壤抗剪强度。解明曙[5]提出以单位剪切面积中直径>0.4 cm的各根系横截面积之和所占比例>0.1%，为判定林木根系固坡力学强度有效范围的定量指标值。雷俊山等[6]提出黏黄土壤坡面产沙率与径流剪切力关系式。各土壤类型区不同水土保持措施下的土壤抗冲性能研究也有很多进展。蒋定生等[7]研究晋陕蒙接壤地区不同地被物的土壤抗冲性，提出防止沟蚀的水土保持措施体系梯层结构配置模式。张建军等[8]认为黄土区植被类型中油松+刺槐混交林抗冲能力最佳；张建辉等[9]和蒲玉琳等[10]从土壤抗冲性和抗剪强度角度研究得出紫色土区植物篱模式相较于横坡农作模式有明显优势，效果最佳的水土保持措施是林地和草地。

北京市房山区多中、重度水土流失区域。蒲洼小流域属于典型的石质山区生态型小流域，该流域坡度>25°的面积达88%，陡峻的地形条件是水土流失严重和土壤贫瘠的主要原因之一，是房山区水土流失治理和生态建设重要区域。经过多年小流域综合治理，通过营建水土保持林、经济林、梯田等水土保持措施，区内水土流失得到逐步控制。水土保持措施对改良土壤理化性质、保土性能具有重要作用，而土壤理化性质又直接影响到土壤水分入渗、林地蒸散和流域产流，进而起到涵养水源、调节洪水和干旱的作用。由于水土保持措施不同、水土保持林树种等配置结构的差异，对土壤的改良程度也存在差异，因此探究不同水土保持措施对土壤物理性质、抗冲性的作用，对于评价北京市石质山区常见水土保持措施的水土保持效益，植被恢复与重建中水土保持林结构调整以及土地利用的合理配置都具有重要意义。

1 研究区概况

蒲洼小流域地理坐标N 39°42′46″～39°44′13″，E 115°32′01″～115°32′04″，位于北方土石山区房山西部石灰岩中低山区，蒲洼乡马鞍沟上游，属于拒马河水系。平均海拔为515 m，最高海拔1 850 m，相对高差1 380 m。多年平均降雨量585.4 mm，年平均气温10～12 ℃，年平均日照2 300 h，年平均风速2.5 m/s，属暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候。岩石组成主要为砂岩和页岩，土壤主要为褐土。小流域内植被状况良好，主要有辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz)林，有荆条(VitexnegundoL. var.heterophylla(Franch.) Rehd.)等杂灌丛；主要水土保持林有油松(Pinustabuliformis)林、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)林、侧柏(Platycladusorientailis)林等。

2 研究方法

2.1 样地选择与调查

于2015年10月在蒲洼小流域开展野外调查，发现当地常见的水土保持措施包括：华北落叶松林、油松落叶松混交林、辽东栎次生林、灌丛、侧柏林、油松林、石坎梯田，7种样地的分布面积约占宜林宜草土地面积98%(其余为旱地)，故确定为调查样地，并以荒地作为对照。样地选择尽量考虑地形、林分特征相似。每个样地内在靠近群落中心、植被分布比较均匀的地方设置20 m×20 m的乔木样方，对样地内植被和土壤进行调查，了解林分植被类型、结构，了解土壤类型、厚度等；样地的中心和四角设置5个2 m×2 m的灌木样方，保证不同坡位均能调查到，确保反映出灌木的平均分布状况，记录灌木株树(丛数)、盖度等；设置5个1 m×1 m的草本样方(选择方法同灌木样方)，调查草本的丛数、盖度等。使用DQY-1型地质罗盘仪测定坡度、坡向，使用集思宝GPS数据采集仪测定海拔。

经过调查，样地特征如表1所示。样地土壤均为褐土、壤土，林分特征相似(林龄、林分密度相差不大)，坡向和坡度相近，以确保除水土保持措施之外，对土壤物理性质和抗冲性的其他因素影响很小。

表1 样地基本情况

2.2 土壤物理性质与抗冲性测定

在样地内上中下坡位选择植被生长状况均匀的地点挖土壤剖面，分别用环刀在0～10、10～20、20～30 cm层次上取样，用环刀法测定土壤密度、孔隙度等物理性质。同时用土壤袋，每层采集的3个样品混合均匀后装袋，土壤样品用于粒径分析。土壤抗冲性采用张建军等[8]提出的野外实地放水冲刷仪测定。

2.3 土壤粒径分析及分形维数

粒径分析：土样风干后过2 mm筛，采用美国产Microtrac S3500激光粒度分析仪进行土壤粒径测定，测量范围为0.02 ～2 000 μm，重复测量误差<2%。

分形维数：土壤分形维数采用王国梁等[11]提出的用粒径的体积分布表征的土壤分形模型来计算。土壤颗粒的体积分布与平均粒径间的分形关系为：

V(r

式中：V(r

2.4 数据处理

数据整理和作图使用Microsoft Excel 2013，数理统计分析使用SPSS 18.0软件。

3 结果与分析

3.1 不同水土保持措施下土壤密度及孔隙度

不同土层间差异显著性检验(表 2)显示：随着土层深度的增加，各类措施下土壤密度大体呈增加趋势，土壤总孔隙度、毛管孔隙度呈减小趋势，非毛管孔隙度则无明显变化规律，表明表层土壤较为疏松、通透性能较好。

表2 不同水土保持措施土壤物理性质及其在不同土层间差异显著性检验

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters in the same column indicate the significant difference among index values, significant differences at 0.05 level.

0～30 cm土层平均土壤密度依次为辽东栎次生林(1.04 g/cm3)<油松落叶松混交林(1.11 g/cm3)<石坎梯田(1.18 g/cm3)<油松林(1.19 g/cm3)<落叶松林(1.26 g/cm3)<灌丛(1.27 g/cm3)<侧柏林(1.34 g/cm3)<荒地(1.35 g/cm3)。在0～10 cm土层，荒地、荆条灌丛、侧柏林、落叶松(之间差异不显著)显著大于辽东栎次生林、油松落叶松混交林、石坎梯田、油松林(之间差异不显著)；在10～20 cm土层，荒地和侧柏林(之间差异不显著)显著大于其他措施，油松林、石坎梯田、灌丛、落叶松林(之间差异不显著)次之，辽东栎次生林、油松落叶松混交林(之间差异不显著)最小；在20～30 cm，辽东栎次生林显著小于其他措施(其他措施与荒地之间差异不显著)。总体来看，侧柏林对土壤密度没有显著的改良作用，其他各类措施均能对土壤有不同程度的改善，其中辽东栎次生林能显著提高深层(20～30 cm)土壤密度。

蒲洼小流域0～30 cm土层的总孔隙度变化范围为41.07%～56.42%。毛管孔隙所占总孔隙比例很大(90%～93%)，决定了土壤的孔隙状况。土壤总孔隙度与毛管孔隙度变化规律基本一致。土壤平均总孔隙度依次为油松落叶松混交林(54.16%)>辽东栎次生林(53.52%)>石坎梯田(51.24%)>油松林(49.57%)>落叶松林(47.74%)>灌丛(46.53%)>侧柏林(45.88%)>荒地(43.84%)。土壤平均毛管孔隙度依次为油松落叶松混交林(51.34%)>辽东栎次生林(50.53%)>石坎梯田(48.53%)>油松林(47.12%)>落叶松林(44.17%)>灌丛(43.82%)>侧柏林(43.38%)>荒地(41.81%)。与荒地相比，侧柏林对土壤总孔隙和毛管孔隙无明显改善效果，而其他各类措施均能显著改善。土壤平均非毛管孔隙度依次为辽东栎次生林(3.63%)>落叶松林(3.58%)>石坎梯田(2.72%)>荆条灌丛(2.71%)>侧柏林(2.50%)>油松落叶松混交林(2.18%)>荒地(2.04%)。油松落叶松混交林、油松林、侧柏林对土壤非毛管孔隙无明显影响，灌丛和石坎梯田能显著增大表层土壤非毛管孔隙，辽东栎次生林和落叶松林能显著增大深层土壤非毛管孔隙。

3.2 不同水土保持措施下的土壤颗粒分形特征

通过土壤粒径组成分析(表 3)发现：不同水土保持措施下，土壤颗粒在各粒级中质量分布呈现相似的规律。按照中国制土壤粒级分级标准，各种措施下土壤颗粒均以粗粉粒(0.01～0.05 mm)、细沙粒(0.05～0.25 mm)为主，所占比例为66%～81%，其中粗粉粒所占比例最大，为39.15%～51.04%；黏粒(0～0.002 mm)和粗沙粒(0.25～1 mm)所占比例最小，分别为0.46%～4.98%和0.52～2.58%。各类措施下土壤分形维数变化范围为2.25～2.58(表3)，各措施土壤体积分形维数无显著差异性。一般认为分形维数大于2.88的土壤质地黏重，通透性差[12]，说明各类措施下的土壤通透性均较为良好。

3.3 不同水土保持措施下的土壤抗冲性

由表 3可知，相同流量条件下，荒地土壤侵蚀量为104.99 g/cm3，是其他措施的10.11～128.04倍。各类措施下土壤侵蚀量由大到小依次为荆条灌丛(10.88 g/cm3)>油松林(5.96 g/cm3)>辽东栎次生林(3.91 g/cm3)>落叶松林(1.30 g/cm3)>侧柏林(1.14 g/cm3)>油松落叶松混交林(0.82 g/cm3)。

表3 不同水土保持措施下土壤粒径组成、分形维数特征及抗冲性

相同流量条件下，通过单位距离的冲刷时间由大到小依次为辽东栎次生林(55.65 s/m)>油松落叶松混交林(46.82 s/m)>落叶松林(28.19 s/m)>荆条灌丛(22.39 s/m)>侧柏林(17.48 s/m)>油松林(16.94 s/m)>荒地(7.04 s/m)(表 3)。与荒地相比，采取水土保持植物措施均能显著延长径流时间，其中枯落物较厚的林分(辽东栎次生林、油松落叶松混交林、落叶松林)，具有较强的吸水性和阻隔作用，从而更加延长了径流冲刷时间。

3.4 土壤抗冲性与物理性质相关性分析

对土壤抗冲性、物理性质各指标进行Pearson简单相关性分析。可知：冲刷量与非毛管孔隙度(X1)呈显著正相关(R2=0.731*)，与细、中粉粒体积分数(X2)、(X3)呈显著负相关(R2分别为-0.741*、-0.782*)；单位距离冲刷时间与毛管孔隙度(X4)、总毛管孔隙度(X5)、土壤密度呈正相关(R2分别为0.832**、0.815**、0.757*)。土壤密度与毛管孔隙度、总孔隙度极显著负相关(R2分别为0.968**、0.978**)。土壤颗粒分形维数与土壤密度、孔隙度、抗冲性均无显著相关性。

为进一步了解抗冲性与土壤各物理指标以及土壤各物理指标之间的关系，建立冲刷量(Y1)、冲刷时间(Y2)、土壤密度(Y3)的回归模型。首先对因变量进行正态性检验：Y1、Y2、Y3的Shapiro-Wilk统计量分别为0.325、0.278、0.979(>0.05)，服从正态分布，可得回归模型为：

Y1=0.02+6.37X1-1.07X2-0.07X3
(R2=0.952，P=0.03)

(1)

Y2=-118.52+3.07X4(R2=0.832，P=0.04)

(2)

Y3=2.60-2.82X5(R2=0.819，P=0.00)

(3)

模型1、模型2、模型3判定系数R2分别为0.952、0.832、0.819，说明3个回归模型对样本的拟合优度较高；3个模型F检验显著，P值分别为23.13(P=0.03)、9.00(P=0.04)、239.38(P=0.00)，说明模型对总体近似程度可接受。以上经验模型可以适用于自然条件相近区域相关指标的预测和估算，且适用于该地不同水土保持措施样地。

4 结论与讨论

1)土壤密度、毛管孔隙度与总孔隙度随水保措施变化情况一致，其表征的土壤结构和孔隙状况由好到差依次为：辽东栎次生林>油松落叶松混交林>石坎梯田>油松林>落叶松林>灌丛>侧柏林。除侧柏林外，各类措施均有不同程度的改善，其中辽东栎次生林对深层土壤改良作用尤为突出。这是因为侧柏林郁闭度低，地面以草本覆盖为主，无枯落物[13]；其他林分改善作用集中在表层土壤，说明主要通过土壤表层枯落物和腐殖质起作用；而石坎梯田虽是裸露地，但经过翻耕，表层土壤疏松，通透性较好；辽东栎次生林对深层土壤的改良效果可能因为其根系分布较深。

本区域土壤非毛管孔隙度普遍偏低，与北京其他区域测定值相近[14-15]，这可能是由褐土土质和土壤结构决定的。油松落叶松混交林、侧柏林、油松林对土壤非毛管孔隙无明显影响，灌丛和石坎梯田能显著增大表层土壤非毛管孔隙度，辽东栎次生林和落叶松林能显著增大深层土壤非毛管孔隙度。辽东栎次生林0～30 cm土壤平均非毛管孔隙度最高，透气性、透水性最强，这与其作为深根性树种的根系穿插有重要的关系。

2)各类水保措施均能提升土壤抗冲性，抗冲能力由大到小依次为：油松落叶松混交林>侧柏林>落叶松林>辽东栎次生林>油松林>灌丛。非毛管孔隙度与土壤抗冲性呈显著负相关，而非毛管孔隙度主要取决于植物根系等因素[16]，这可能因为大孔隙易产生大孔隙流或优先流，导致植被发育的土体失稳，可见根系对土壤抗冲性能并不一定是改善效应。李勇等[3]研究得出≤1 mm径级的细根有利于土壤中水稳性团聚体的形成，从而提高土壤抗冲性。笔者发现侧柏林在土壤物理性质差的情况下，抗冲性能较强，就是因为地表细密的草根对土体起到固持作用。可见小根径根系对土壤起固持作用，而大根径根系对土壤的抗冲刷性能为负效应。土壤抗冲性与细、中粉粒体积分数呈显著正相关，而马兴旺等[17]研究得出草场恢复中腐殖质主要集中在黏粒、细、粗粉粒级复合体中，由此推测抗冲性与土壤中腐殖质含量也密切相关。这与伏耀龙等[18]得出的土壤抗冲性与粉粒体积分数负相关、与黏粒呈正相关的结论不同，可能是因为不同地区组成腐殖质或土壤微团聚体的主要土壤质地成分不一样。

综上所述：提升土壤持水蓄水性能(土壤密度和毛管孔隙状况较好)，辽东栎次生林最好，油松落叶松混交林、石坎梯田次之；提升土壤通气透水性主要依靠主要靠大根径根系增大非毛管孔隙度，从这方面来看：辽东栎次生林最好，落叶松林次之；从提升土壤抗冲性来看，油松落叶松混交林效果最好，侧柏林次之。通气透水性特别好的样地(如辽东栎次生林)，土壤抗冲性能反而较差，故综合考虑，油松落叶松混交林是最好选择，其次为石坎梯田。

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Effects of soil and water conservation measures on soil physical properties and soil anti-scourability of Beijing mountainous area: A case study of the Puwa Watershed in Fangshan District

XU Jiajia1, YU Zhancheng2, 3, SHI Longjun4, ZHANG Xiaoxia4, ZHANG Jianjun1, 5

(1.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Fangshan District Water-affair Authority, 102442, Beijing, China; 3.Yunju Temple Science and Technology Demonstration Park of Soil and Water Conservation in Fangshan District,101407, Beijing, China; 4.Lanxin Water Conservancy Engineering Design Co., Ltd of Liangxiang, 102488, Beijing, China; 5. Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, 100083, Beijing, China)

[Background] In order to evaluate the effect of soil and water conservation in small watershed management in Beijing mountainous area for many years, and to provide theoretical support for small watershed management and vegetation reconstruction in the future, taking Puwa small watershed of Fangshan District in Beijing as research target, soil physical properties, soil texture, infiltration and soil anti-scourability of all major kinds of soil and water conservation measures were studied. [Methods] The sample plots of 7 typical soil and water conservation measures was selected and investigated, and the data were acquired through typical plot survey, test of field soil anti-scourability, and method of single-ring. [Results] The soil density increased and soil porosity decreased significantly with the increasing of the soil depth. The soil density, total porosity and capillary porosity varied with the measures consistently. The order of effects on improving soil structure wereQuercusliaotungensissecondary forest >Larixprincipis-rupprechtiiandPinustabulaeformismixed forest > terraces with stone banks>Pinustabulaeformisforest >Larixprincipis-rupprechtiiforest >vitexnegundoshrub, while there was no significant effect forPlatycladusorientailisforest. The soil particles in this area were mostly rich in powder, and the fractal dimension showed that the permeability of all kinds of soil and water conservation measures was promising. Compared with weed land, the scoured soil amount decreased significantly, the runoff time was prolonged, and the order of the scoured soil amount was asL.principis-rupprechtiiandP.tabulaeformismixed forest(0.82 kg/cm3)L.principis-rupprechtiiandP.tabuliformismixed forest(46.82 s/m)>L.principis-rupprechtiiforest(28.19 s/m)>vitexnegundoshrub(22.39 s/m)>P.orientailisforest(17.48 s/m)>P.tabuliformis(16.94 s/m).The amount of soil loss showed a negative correlation with fine sand, medium silt, but a positive correlation with non-capillary porosity, indicating that the effect of non-capillary pore size formed by large diameter roots on soil erosion resistance might be negative. [Conclusions] In summary, the soil and water conservation capacity of the mixed forest ofL.principis-rupprechtiiandP.tabulaeformisshows a great advantage followed by terraces with stone banks which should be the principal consideration of small watershed management.

soil and water conservation measures; soil physical properties; soil anti-scourability

2016-08-15

2017-03-30

徐佳佳(1987—)，女，博士研究生。主要研究方向：水植被恢复与森林水文。Email:xjj_xz@163.com

†通信作者简介： 张建军(1963—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持与植被恢复、水文学等。Email: zhangjianjun@bjfu.edu.cn

S714.7

A

2096-2673(2017)02-0107-08

10.16843/j.sswc.2017.02.014

项目名称： 北京市房山区小流域治理效益评价项目