东北黑土区植被配置的土壤抗冲性研究

佟 帆，魏 琳,2，刘绪军,2，任宪平,2，李志飞,2，王 平,2，郝燕芳,2

（1黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150070；2黑龙江省水土保持重点实验室，哈尔滨 150070）

0 引言

土壤抗冲性作为土壤抗侵蚀能力评价的重要指标，是土壤侵蚀机理研究的主要内容，在水土流失治理与植被水土保持功能发挥方面具有重要意义[1-2]。长期以来，国内外大量研究指出根系具有增强土壤抗冲性的作用[3-6]，并分析了土壤性质对抗冲性的影响机制[7-9]。李勇[2]初步研究了黄土高原土壤抗冲性作用机理及其影响因素，认为土壤砂粒与粗粉粒含量、土壤紧实度、植物根系等是主导因素。王雅琼等[10]对祁连山区典型草地生态系统的土壤抗冲性研究指出，植被覆盖度与根系密度的影响更为突出。孙丽丽等[11]对红壤区不同治理模式土壤抗冲性的研究发现，土壤抗冲系数与植物根系表面积与体积的相关关系为一元一次线性函数关系。根系对土壤抗冲性的影响研究已经非常深入，并且围绕植物措施、立地条件和生态效益等也进行了一定的研究[12-13]，而这些研究主要集中在黄土高原和西南紫色土区，东北黑土区略显薄弱。加之，植被配置不合理是东北黑土区水土流失综合治理中长期存在的问题，了解该区域不同植被配置下的水土保持功能及其影响因素是研究该区植被水土保持机理的关键内容。

鉴于此，本研究选择2种常见的水土保持灌木，在现有杨树林内以根插方式种植，探讨2种不同植被配置模式的土壤抗冲性及其影响因素，揭示根系特征与土壤抗冲性之间的关系，并进一步探讨立地条件对土壤抗冲性的影响，以期为东北黑土区水土保持工作中合理选择与配置水土保持树种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省水利科学研究院克山试验站—克山县古北乡粮食沟小流域内，距克山县城5 km，地理坐标为：48°03′04″—48°03′33″N，125°49′04″—125°49′44″E（图1）。处于寒温带大陆性季风气候区，年均温1.1℃，年均降水量为479.4 mm，主要集中在6—8月，占全年降水量的67.8%，土壤类型为黑土，土层厚度10～40 cm。

1.2 试验材料与模式区建设

选取2种常见的水土保持灌木植物，胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)和紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn)，这2种植物是研究区及周边区域水土保持工程常用的优势植物，其根系发达、耐旱耐贫瘠、适应性强。试验区设置在研究区现有杨树（树龄15年以上）农田防护林内，于2019年4月下旬进行试验区建设。按照坡面上、中、下的不同坡位，以根插的方式分行种植供试植物（图1），株行距为50 cm×50 cm，构成2种植被配置的乔灌混交模式，分别为胡枝子+杨树模式、紫穗槐+杨树模式，每种模式区面积约为20 m×6 m。栽培期间常规管理，2020年9月底，对2种灌木进行生长情况调查，胡枝子和紫穗槐长势均较好，胡枝子平均株高为106.9 cm、紫穗槐为88.5 cm。2020年7月初，对胡枝子+杨树和紫穗槐+杨树2种配置模式进行土壤冲刷试验。

1.3 采样点布设与样品采集

采样点布设在2种配置模式的试验区内，在坡面的上、中、下分别布点（图1）。每种模式区作为1个采样区，每个采样区均匀布设2个采样点，全坡面共计12个采样点。用自制取样器取原状土样，取样器的长宽高为20 cm×10 cm×10 cm，保证土体完整，测定土壤抗冲性；用环刀取原状土，测定容重；用铝盒取土，测定含水量；用自封袋取大约1 kg土样，测定土壤理化性质。取样时剪掉地上部分植株，从土表开始，分上下2层（0～10 cm和10～20 cm）分别取含根原状土，全坡面共计24个根系土样；容重和含水量样品每层各3个重复，共计各72个样品。

图1 试验区位置与样点布设示意图

1.4 指标测定

1.4.1 土壤抗冲性测定 采用改进后的原状土冲刷水槽法，水槽坡度为5°，冲刷流量为2 L/min，冲刷历时30 min。冲刷前先将装有原状土的取样器放入底部铺有海绵的水盘（水面不能没过土壤表面），浸润12～16 h，直至土壤样品达到饱和。取出后先静置10 min，去除重力水，直至无明显滴水现象，称量后放入冲刷槽的装样室，使土样表面和槽底端齐平。出口产流开始计时，前6 min每1 min用水桶收集1次泥沙水样，冲刷6 min后，每3 min收集1次泥沙水样。待冲刷结束后，先静置去除重力水，再次称量经过冲刷试验的土样，2次称量结果差值记为冲走土壤的总质量；并将采集到的10次冲刷过程中的泥沙水样测量体积之后，澄清，倒去上清液，用铝盒收集泥沙，置于105℃的烘箱中烘干、称重，测定含沙量。

土壤抗冲性用抗冲指数Ke表示，即每冲刷走1 g烘干土所需水量，计算公式如式(1)所示。

式中：Ke为土壤抗冲指数，L/g；Q冲走1 g干土所需水量，L；W烘干土重量，g。Ke越大，土壤抗冲性越强。

1.4.2 根系参数测定 将冲刷试验结束后的样品在0.5 mm过滤网筛中反复冲洗，获取干净的植株根，保证无杂物，放入自封袋，低温(-4℃)保存，带回实验室。利用Win RHIZO 2004/a根系分析系统分析根系的长度和根表面积。用公式(2)～(4)计算根系特征参数。

式中：D原状土样的体积，cm3；L原状土样中根系的长度，cm；S原状土样中根系的表面积，cm2；V原状土样中根系的体积，cm3。

1.4.3 土壤理化性质测定 包括土壤容重、土壤含水量、土壤机械组成、土壤团聚体、土壤有机质，分别采用常规方法和激光粒度仪、团聚体分析仪以及TOC分析仪测定。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 20.0软件对数据处理分析，用均值检验分析不同土层、不同坡度下的各指标间的差异，并用相关系数分析影响因子与土壤抗冲性之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤性质与根系特征

图2为2种植被配置模式下的土壤理化性质随坡位的变化。由图可知，胡枝子+杨树与紫穗槐+杨树的配置模式下，各个土壤理化性质指标的变化规律基本一致，且胡枝子+杨树的配置模式在各项指标方面均略优于紫穗槐+杨树的模式。从坡上到坡下，容重呈现下降的趋势，且上层(0～10 cm)小于下层(10～20 cm)；胡枝子上层的容重变化范围为2.34～1.02 g/cm3，下层为2.35～1.19 g/cm3；紫穗槐上层的容重变化范围为1.98～1.05 g/cm3，下层为 2.28～1.27 g/cm3。含水量从坡上到坡下呈增加趋势，且上下层的变化不大，胡枝子+杨树的模式略小于紫穗槐+杨树的模式，上层的变化范围分别为14.72%～20.65%和18.28%～21.62%，下层的变化范围分别为14.86%～21.06%和17.24%～21.49%。砂粒含量被很多学者认为是与土壤抗冲性关系最为密切的颗粒粒级[2,14]，本研究中的砂粒含量随坡位的变化是，坡下最多，且上层明显多于下层，胡枝子模式的上层砂粒含量也明显多于紫穗槐模式。>0.25 mm水稳性团聚体含量随坡位、土层和配置模式的变化并不明显。有机质含量表现为从坡上到坡下逐渐减少，且上层大于下层，胡枝子略大于紫穗槐。

图2 胡枝子+杨树和紫穗槐+杨树配置模式下的土壤理化性质随坡位的变化

表1为2种植被配置模式下的根系特征参数测定结果。由表1可知，2种配置模式下的各项根系特征参数均表现为上层(0～10 cm)大于下层(10～20 cm)；且除胡枝子+杨树的配置模式的上层外，其余均随坡位自上而下逐渐增加。由此说明，坡下的植被根系更为发达。

表1 2种植被配置模式下的根系特征参数测定结果

2.2 土壤抗冲性特征

2.2.1 土壤抗冲性的垂直空间分布 图3为2种植被配置模式在不同坡位上的土壤抗冲指数测定结果。由图可知，从垂直空间分布来看，胡枝子+杨树模式的上层(0～10 cm)土壤抗冲指数大于下层(10～20 cm)；而紫穗槐+杨树模式除坡上以外，上下层的抗冲指数均相差不大。就胡枝子而言，上层的容重小于下层，且上层的砂粒含量和有机质均远大于下层（图2），说明上层的土壤孔隙度较大、结构较稳定，从而使抗冲性较大。有研究指出，土壤容重越小，孔隙度越大，土壤抗冲性也就越强[13]。土壤抗冲性不仅受土壤理化性质影响，根系的影响也不可忽视，尤其细根[15]。有学者对胡枝子和紫穗槐的根系分布特征研究指出，他们的根系均分布在0～20 cm内，且胡枝子的根系分布更浅，0～20 cm内的细根生物量是紫穗槐的近2倍[16]。由此可在一定程度上说明，在0～10 cm上层土壤中，胡枝子的根系分布密集，固结缠绕土体，改善土壤结构，使上层土壤抗冲性得以增强[17]。因此，本研究中胡枝子模式的抗冲性强于紫穗槐模式。

图3 2种植被配置模式下的土壤抗冲指数随坡位在不同土层中的变化

从坡位的表现来看，随着坡位自上而下，胡枝子+杨树模式的上层土壤抗冲性逐渐增强，下层逐渐减弱；而紫穗槐+杨树模式，除了坡上的上层以外，其余均变化不大。分析其原因，胡枝子与紫穗槐模式的容重、含水量随坡位的变化一致，坡下的容重最小而含水量最大（图2），如果仅考虑这两个因素，坡下的抗冲性应该最大。然而，胡枝子与紫穗槐在坡位上的变化不同，说明根系的影响占有主导地位。因此，土壤抗冲性受土壤性质与植物根系综合作用，与土壤性质的改善、根系密度的增加等密切相关。

2.2.2 土壤抗冲性的动态变化 图4为胡枝子和紫穗槐在不同坡位上的抗冲性动态变化。随着冲刷时间延长，2种配置模式下的土壤抗冲性总体呈上升趋势，说明各模式的土壤抗冲性随冲刷时间延长而不断增强。这与一些学者的研究结论一致[18-19]。由于在各配置模式的单位土体中，表土(0～10 cm)较为疏松，容易被冲刷；当表土几乎全部被冲刷以后，土壤变得较为紧实，颗粒之间的摩擦力也增大，从而不容易被冲刷，表现出较强的抗冲性[20]。由图4还可看出，胡枝子在坡下的抗冲性最大，且随冲刷时间的波动变化也最大，坡上的抗冲性最小；而紫穗槐在坡上的抗冲性最大，且随冲刷时间的波动变化也最大；坡中和坡下的抗冲性相近，且变化不大。

图4 胡枝子和紫穗槐在不同坡位上的抗冲性动态变化

2.3 土壤抗冲性与影响因素的关系

图5为土壤抗冲性与土壤理化性质、根系特征参数等的关系。土壤容重、含水量、机械组成、团聚体、有机质等性质是土壤最基本理化指标，与土壤抵抗侵蚀的能力关系密切。其中，容重反应了土壤的紧实程度，直接影响土壤颗粒被径流分离破坏的难易。图5a表明，土壤抗冲性与容重呈一元二次函数关系，相关系数为0.71；随着容重的增大，土壤抗冲性先减小后增加。李强等[8]、何淑勤[18]、肖鹏[13]、Wu和Zhang[21]的研究均认为土壤抗冲性与土壤容重呈负相关关系，而史冬梅和陈晏[14]研究结果则相反，均与本研究的结论不同。因此，土壤抗冲性与容重的关系还取决于容重形成的过程。对于容重低而结构稳定的土壤，也可能具有较高的抗冲性。图5b表明，土壤抗冲性与土壤含水量关系密切，呈线性正相关关系，相关系数可达0.82。肖俊波等[22]通过研究冻融条件下土壤抗冲性的变化特征发现，随土壤含水量的增加，土壤抗冲性先增大后减小。与本研究结果不一致，原因是本实验是在夏季进行的，并不存在冻融作用的影响。

图5 土壤抗冲性与土壤理化性质和根系特征参数的关系

图5c表明，土壤抗冲性与土壤砂粒含量呈线性正相关关系，相关系数为0.80。土壤砂粒含量与土壤抗冲性的相关性优于其他粒级的结论已被大多数学者证实[2,14]，但他们之间的关系由于研究的对象和目的的不同，得到的结果也不尽相同。史冬梅和陈晏[14]研究表明，细砂粒(0.25～0.05 mm)含量与土壤抗冲性呈极显著指数函数关系，并指出，较粗颗粒的存在更有助于提高土壤抵抗径流冲刷的能力。>0.25 mm水稳性团聚体含量是衡量土壤抗侵蚀能力的重要指标[9]。由图5d可知，土壤抗冲性与水稳性团聚体含量(>0.25 mm)呈一元二次函数关系，相关系数为0.94。结果与郭明明等[9]在黄土高原沟壑区退耕地上的研究不同，作者指出，二者呈指数递增函数关系。有机质作为重要的土壤化学性质，与土壤团聚体的水稳定性关系密切，是影响土壤结构的重要化学指标。但是，本研究结果表明（图5e），有机质与土壤抗冲性的相关性并不大，与史冬梅[14]、何淑琴[18]等研究结果一致。这是因为坡面径流冲刷过程主要是地表径流对土壤颗粒的机械冲刷作用，而有机质是在微观上改善土壤结构与性状。因此，土壤本身的化学特性对抗冲性的影响并不明显[14]。

根系是影响土壤抗冲性的另一个重要因素[15]。图5f、图5g、图5h均为土壤抗冲性与根系特征参数之间的关系，由图可知，在这三个根系参数中，根表面积密度与土壤抗冲性的关系最为密切，相关系数为0.91，而根长密度与体积密度均与土壤抗冲性没有关系。这与谌芸等[23]的研究结果一致，但也有不同，他们认为根长密度也是影响土壤抗冲性的有效指标。并且多数研究指出，根系生物量和根系密度是影响土壤抗冲性的重要指标[9,14]。而本研究由于实验的失误，无法得到根系生物量的数据，因此无法得知其关系。因此，关于根系特征参数与土壤抗冲性之间的关系，需要进一步补充实验，完善数据并进行深入分析不同径级根系对土壤抗冲性的强化效应以及不同因素的综合影响。

3 结论

（1）本研究的2种乔灌配置模式中，胡枝子+杨树的模式最优，说明胡枝子更适合在杨树林下生长，可作为水土保持的优良树种用于杨树林的植被结构配置。

（2）坡位对根系土壤抗冲性具有一定影响，胡枝子与紫穗槐在不同坡位上的土壤抗冲性不同，变化规律在土层上层(0～10 cm)存在差异，下层(10～20 cm)相近。胡枝子上层的土壤抗冲性随坡位从上到下逐渐增强，而紫穗槐表现为先减小后增加；下层均表现为，土壤抗冲性随坡位从上到下逐渐减弱。

（3）不同植被配置的土壤抗冲性随冲刷时间的延长逐渐增强。

（4）在本研究选取的5个土壤理化性质指标和3个根系特征参数中，与土壤抗冲性关系最为密切的是砂粒含量和含水量，依据相关性排序为：砂粒含量>土壤含水量>WSA0.25mm>根表面积密度>土壤容重>土壤有机质。