公路边坡不同植被覆盖土壤机械组成及抗蚀性分析

张 彬，谢贤健，苟千陶

(内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江641000)

土壤机械组成也称为土壤质地，是指土壤中矿物颗粒的大小及组成比例，其比例变化将会影响土壤其他理化性质[1]。近年来，诸多学者研究了不同植被覆盖对土壤机械组成及其他理化性质的影响。唐炎林等[2]研究了西双版纳热带季节雨林与橡胶林在土壤机械组成、全氮、全磷和全钾方面的差异，表明不同林分下土壤机械组成差异较大；罗歆等[3]研究表明缙云山不同植被类型覆盖下土壤养分含量及物理性质差异均较大；谭长强等[4]利用方差分析法研究了广西都安地区5种典型森林类型土壤的机械组成；谢贤健等[5]以自然坡面为对照，研究了沱江流域护岸植被中的草地、灌木、乔草和乔灌草模式下土壤理化指标的差异。以上研究表明，不同类型植被及其组合模式覆盖下土壤的机械组成及理化性质均存在差异，其研究有助于科学栽培植被，改善生态环境。土壤抗蚀性是指土壤对水分散和悬移作用的抵抗能力，其强弱是衡量土壤是否容易受侵蚀营力破坏的重要参数[6-7]。土壤抗蚀性大小受土壤内在理化性质和外界环境的综合影响，植被类型及其覆盖模式的差异均显著影响其抗蚀性[8]。肖盛杨等[9]研究表明喀斯特高原峡谷区不同植被类型的土壤抗蚀性差异显著，楸树林的增加能有效增加土壤抗蚀性；刘宽梅等[10]研究了灌丛、针叶林、阔叶林3种植被类型土壤抗蚀性能力的差异，结果表明在喀斯特地区阔叶树种更有利于提高土壤抗蚀性；谢贤健等[5]利用主成分分析方法综合评价了不同护岸植被土壤抗蚀性，其中乔草模式更有利于改善坡面土壤结构、提高抗蚀能力。总的来说，不同植被类型及其组合是影响区域土壤抗蚀性的主要因素之一，因此，分析不同植被覆盖土壤抗蚀性，为区域水土保持及改善生态环境具有重要意义。

公路边坡土壤为原始土壤进行填挖、修整之后产生的裸露土壤，其土壤理化特征及抗蚀性受人为因素和自然修复的影响，其特征与其他土壤具有较大差异，同时，有关公路边坡土壤机械组成及抗蚀性的研究鲜有报道。笔者以内江市东兴区与市中区的部分公路为例，选取乔木、乔草、乔灌草和草地模式土壤为研究对象，分析不同植被覆盖土壤理化特征与机械组成，在利用土壤团聚体水稳性、颗粒分形维数、平均重量直径和水稳性指数分析其抗蚀性的基础之上，构建抗蚀性评价指标体系，利用熵权法计算土壤抗蚀性综合指数，评价其土壤抗蚀性，以期为选取护坡植被模式及提高其土壤抗蚀性提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况试验区位于四川省内江市东兴区与市中区，地理位置为104°04′～105°24′E、29°25′～29°50′N，地势平缓，平坝与浅丘相间，属于典型的川中丘陵地貌。全区属于亚热带季风气候，全年平均气温15～28 ℃，年降水量在1 000 mm以下，高温期与多雨期基本一致，年日照时数在1 100～1 300 h，无霜期310 d左右。研究区大部分地区的土壤类型为紫色土，其森林植被类型为针叶林、阔叶林、竹林和灌木林等。内江处于川渝主干线中间地带，是川东南及西南各省的交通交汇点，境内有内宜、成渝等重要高速公路，并有省道资泸路、隆雅路等干线公路通过。

1.2 样地选择试验区属于206省道与321国道的内江段，为了探究公路边坡不同植被类型土壤机械组成及抗蚀性差异，通过现场勘查，选取筑土方式和植被修复措施基本一致的公路边坡路段，以乔木、乔草、乔灌草和草地4类植被类型的公路边坡作为调查样地，并综合考虑地形、植被的典型性和年限等因素，试验区植被平均恢复年限为5年，获取样地的经纬度、坡度、坡向、主要植物种类，各样地基本概况如表1所示。

表1 样地基本概况

1.3 样品采集在野外调查的基础上，2017年7—8月进行野外采集土样，依据每个样地边坡地形特征，对每个样地按上、中、下坡位共设置9个1 m×1 m的采样点，每个样点按照“四分法”采集1～20 cm的表层土壤，将相同坡位土壤进行均匀混合，即每个样地采集土壤样品3个，共采集12个有效样品，去除石块、杂草，将土壤样品混合均匀，经过自然风干，封装入袋，同时每个样地按上、中、下坡位使用环刀采集原状土3份，共12份，用于测定土壤容重等指标。

1.4 土壤理化指标的测定方法土壤容重、土壤比重、最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度采用环刀法和比重瓶法及其计算获得[11]，土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用火焰发射光谱法测定[12]。土壤水稳性团聚体采用团聚体湿筛法测定，土壤机械组成采用比重计速测法。每个土壤混合样品重复试验3次，然后取平均值，作为其土壤理化指标的测定值。

1.5 数据分析参考前人研究[13]，采用平均重量直径(MWD)表示团聚体的稳定性，其计算公式如下：

(1)

式中，ri表示第i个筛子孔径(mm)，r0=r1，rn=rn+1，mi为第i个筛子的破碎团聚体重量百分比。

水稳性指数是表征土壤抗蚀性的重要指标之一，其值越大，表示土壤颗粒遇雨水难分解，抗蚀性越强，其计算公式如下：

(2)

式中，K为水稳性指数，Pi为第i分钟分散的土粒数量，i=1，2，3，…，10，Pj为10 min内没有分散的土粒数，Ki为第i分钟校正系数，A为供试验的土粒总数。

土壤是具有分形特征的系统，土壤团粒结构的分形维数一定程度可以反映土壤抗蚀性的强弱，该研究采用参考文献[14]中的分形模型计算公路边坡土壤团聚体的分形维数。

熵权法是一种客观赋权法，依据每个评价指标的变异性客观确定其在评价体系中的权重，与主观因素较多的层次分析法、损失信息较多的主成分分析法相比，其具有显著优越性[15]，熵权法不仅客观反映各抗蚀性指标在综合抗蚀性的地位和作用，减小人为因素引起的误差，且能够反映各评价数据间的隐含信息。基于熵权法计算土壤抗蚀性指数的过程如下：

(1)构建判断矩阵，设评价对象有m个，每个被评价对象有n个评价指标，其矩阵如下：

X=(xij)m×n

(3)

(2)不同抗蚀性指标之间存在量纲不同，采用原始值/最大值对研究数据进行标准化，其公式如下：

(4)

(3)计算指标信息熵，公式如下：

(5)

(4)计算指标j的权重，其公式如下：

(6)

(5)评价指标加权求和，其公式如下：

Bi=λ1x1+λ2x2+…+λnxn

(7)

2 结果与分析

2.1 不同植被覆盖模式土壤理化特征土壤的理化特性影响土壤的通气、透水、持水、导热和抗侵蚀等基本功能，从而影响土壤内部结构和土壤肥力等方面[16]。土壤容重、持水量和孔隙度情况表征了土壤紧实程度，孔隙度反映出土壤结构的好坏，有机质和氮、磷、钾含量差异影响土壤肥力以及土壤理化因素的变化与相互之间的协调。

从表2可以看出，公路边坡4种不同类型植被0～20 cm土层的大部分理化指标均存在较大差异。4种植被类型土壤容重不一致，其排序为乔木>草地>乔草>乔灌草，乔木和乔灌草的差异性较大，乔草和草地的差异性较小，乔草和乔灌草模式能有效减小土壤容重，改善土壤物理性质，提高土壤抗蚀性能力。土壤持水能力是衡量不同植被类型土壤涵养水源能力，反映了土壤的持水、供水与调蓄能力[17]。土壤最大持水量是指土壤中毛管水和非毛管水均达到饱和状态的土壤持水量，即表示土壤最大的涵蓄水分潜力值[18]。从研究区平均值来看，土壤最大持水量排序为乔灌草>乔草>草地>乔木，乔灌草、乔草与乔木、草地之间差异显著，乔灌草与乔草、乔木与草地差异不显著，乔灌草模式的平均值最大，为31.90%，表明公路坡面的乔灌草模式能够有效使雨水入渗，减少坡面径流，防止坡面水土的流失，并能够补充公路下垫面的地下水，具有良好的水源涵养作用，乔木模式的持水能力相对较差，这可能与植物根系特点有关。

总孔隙度是土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度的总和，其不仅反映了植物维持自身生长所吸收水分的能力，也反映了植被滞留水分，涵养水源和消减洪水的能力，对于公路边坡土壤水土保持能力具有重要影响[19]。由表2可知，公路边坡4类植被的总孔隙度分布大小不一致，其排序为乔灌草>乔草>草地>乔木，除了乔木，其余3类护坡植被之间差异不显著，乔灌草模式的总孔隙度平均值最大，为53.50%，表明乔灌草模式土壤的孔隙度大，通气性较好，与土壤透水性和持水能力比较协调，有利于植物生长，从而更有利于公路边坡的水土保持。

表2 不同植被模式土壤理化性质差异

有机质能有效改善土壤物理性质，优化土壤结构，与土壤抗蚀性具有正相关关系，是衡量土壤稳定性的重要指标[20]。公路边坡4类植被模式有机质含量差异大，其排序为乔灌草>乔草>草地>乔木，乔草与乔灌草有机质含量的差异显著，乔木与草地差异不显著，乔灌草模式有机质含量最高，为24.66 g/kg，根据国家有机质划分标准为三级，属于中等水平，其植被模式有机质含量水平较高，这与该植被模式下土壤腐殖质含量较高有关，其中乔木模式有机质含量最小，这与乔木种类、养分释放特点等有关。

土壤中氮、磷、钾含量影响土壤结构的改善，并对土壤物理性质的形成有间接影响，且每项养分对其功效不一致[21]。研究区4类植被速效氮含量排序为乔灌草>草地>乔草>乔木，乔木与乔灌草模式差异显著，乔草与草地模式差异不显著；速效磷含量排序为乔草>草地>乔灌草>乔木，速效钾含量排序为乔草>草地>乔灌草>乔木，速效磷和速效钾含量最高和最低的植被均是乔草和乔木，这与不同植被覆盖下植物种类对速效磷和速效钾的吸收和释放的生理规律有关。

2.2 不同植被覆盖模式土壤机械组成分析土壤颗粒组成是指土壤中各级粒径所占的比率，其差异影响土壤结构好坏、通透性能及肥力大小等，也一定程度表征着土壤发育的程度[22]。根据1957年卡钦斯基制土壤粒径分级标准，主要划分为以下几个种类：砂粒(>0.050～1.000 mm)、粗粉粒(>0.010～0.050 mm)、中细粉粒(>0.001～0.010 mm)、黏粒(≤0.001 mm)、物理性黏粒(<0.010 mm)。从4类植被类型来看，乔灌草模式土壤颗粒组成排序为砂粒>粗粉粒>中细粉粒>黏粒，乔木、乔草和草地植被模式的土壤颗粒组成排序为砂粒>中细粉粒>粗粉粒>黏粒(表3)。从土壤颗粒来看，砂粒含量直接影响土壤孔隙大小及其渗透能力，从而对土壤抗蚀性也有较大影响。4类植被覆盖模式砂粒含量比重均大于40%，且差异较小，表明研究区公路边坡土壤孔隙分布多，渗透能力较强。不同植被覆盖粗粉粒所占比率排序为乔灌草>草地>乔木>乔草，乔灌草与草地、乔木、乔草差异显著，后三者之间差异不显著，中细粉粒的排序为乔草>草地>乔木>乔灌草，乔草和草地分布的差异显著；黏粒的排序为乔草>乔木>乔灌草>草地，乔草模式的物理性黏粒含量比重最大，其值为38.78%，虽然保肥保水性能较强，但其通透性较差。

表3 不同植被覆盖模式土壤机械组成

分析表明，不同植被覆盖模式土壤机械组成有所差异，公路边坡土壤主要来源于填挖和修整之后，并有坡面物质的运移，因此砂粒含量最高、黏粒含量最低。在4类不同植被覆盖模式下，乔草和乔灌草模式的砂粒含量相对较低，乔灌草和草地模式的黏粒含量相对较少，经过植被与土壤的物理、生物作用，土壤质地有所改善。

2.3 不同植被覆盖模式土壤抗蚀性分析

2.3.1单一指标土壤抗蚀性分析。公路边坡土壤的抗蚀性影响边坡土壤的稳定性，分析其抗蚀性为护坡提供科学依据。参考前人研究[23-24]，土壤水稳性团聚体、颗粒分形维数、平均重量直径和水稳性指数等是评价土壤抗蚀性的重要指标。不同植被覆盖模式对土壤团聚体在各土壤粒径的含量有一定影响[25]。从表4可以看出，4类护坡植被的土壤水稳性团聚体含量在各土壤粒径的分布差异较大，总体趋势为先减小后增大，其中，>5.00 mm含量的比重最大，其次为2.00～5.00 mm，0.25～0.50 mm的含量比重最低，表明在公路边坡土壤>5.00 mm 水稳性团聚体最多，这与公路边坡土壤形成环境有关。从4类植被覆盖来看，>0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量比重排序为乔灌草>草地>乔草>乔木，这与乔木、灌木和草相结合模式使土粒更好胶结在一起，从而更有利于形成大粒径团聚体有关。

土壤团聚体的分形维数与土壤抗蚀性能力紧密相关，其分形维数越小，表明土壤抗蚀性能力越强[5]。从表4可以看出，不同植被覆盖模式分形维数为2.373～2.513，其排序为乔木>乔草>草地>乔灌草，其中公路边坡的乔灌草模式的分形维数最小，表明其植被组合方式更有利于改善土壤结构，提高边坡土壤抗蚀性能力。

平均重量直径表征土壤团聚体的团聚度，其值越大，土壤的团聚程度越高，表明土壤结构更加稳定，其抗蚀性能力强[26]。由表4可知，4类植被覆盖模式平均重量直径为2.541～3.647，其排序为草地>乔灌草>乔木>乔草，表明草地和乔灌草模式有利于增强公路边坡土壤的团聚度，提高其抗侵蚀能力，乔木和乔草模式对土壤颗粒的团聚作用相对较弱。

表4 不同植被覆盖土壤抗蚀性指标

水稳性指数(K)是衡量土壤抗蚀性强弱的重要指标之一，是用于表征土壤团聚体在静水中分解的程度，K值越大，表明其土壤团聚体的稳定性就越强，抗蚀性能力强[27]。公路边坡不同植被土壤水稳性指数排序为乔草>乔灌草>草地>乔木；乔草模式的水稳性指数为0.589，抗蚀性更强，表明乔草模式的土壤团聚体稳定性较强，土壤结构更稳定，抗蚀性能力更强；单一乔木覆盖模式的K值仅为0.113，表明其土壤结构的稳定性较弱，抗蚀性能力较小。

2.3.2不同植被覆盖模式土壤抗蚀性综合评价。参考前人研究成果并结合实际[15]，选取土壤比重、最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、砂粒、物理性黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、>0.50 mm水稳性团聚体、平均重量直径、有机质和速效氮指标，构建土壤抗蚀性综合评价指标体系。由于不同抗蚀性指标对其综合抗蚀性能力的贡献程度不一，并参考邱陆旸[28]的研究成果，运用熵权法确定单项指标的权重，定量表征某项指标的贡献程度，其计算结果如下：土壤比重(0.236)、最大持水量(0.007)、总孔隙度(0.233)、毛管孔隙度(0.237)、砂粒(0.002)、物理性黏粒(0.010)、>0.25 mm水稳性团聚体(0.001)、>0.50 mm水稳性团聚体(0.001)、平均重量直径(0.013)、有机质(0.106)和速效氮(0.154)。依据信息论中熵值理论，其熵权值越大，变异程度越大，代表的信息量越多，其对结果影响就越大。从结果可知，研究区土壤比重、总孔隙度、毛管孔隙度、有机质和速效氮的权重大，是影响公路边坡土壤抗蚀性的主要因子，表明其土壤抗蚀性与公路边坡土壤的松紧程度及其土壤养分状况有关。

在确定权重的基础之上，对土壤抗蚀性指标进行加权求和，根据公式(7)计算获得土壤抗蚀性指数，为4.234～12.711，其大小分别为乔木4.234、乔草6.931、乔灌草12.711和草地5.942，因此不同植被覆盖指数大小排序为乔灌草>乔草>草地>乔木，其中乔灌草模式抗蚀性指数最大，其模式下土壤形成良好土壤结构，抗蚀性能力增强；乔草护坡组合的抗蚀性排名第二，草地模式的抗蚀性相对较好；乔木模式下公路边坡的土壤抗蚀性能力最弱。综上所述，研究区公路边坡的最佳护坡模式为乔灌草模式。

3 讨论

通过以上研究，获得了公路边坡不同植被组合土壤的理化性质、机械组成特征和抗蚀性能力情况。从单一指标来看，土壤水稳性团聚体含量先减小后增大，这与边坡土壤构成及后期生态修复有关，分形维数最大的植被覆盖模式为乔木，表明其对提高边坡土壤抗蚀性的作用相对较小，这可能也与乔木的种类有关。草地和乔灌草模式的平均重量直径较大，这与灌木和小草的根系发达、较好地使土壤团聚成一体有关，乔草和乔灌草的水稳定指数较大，土壤结构稳定，这与不同植被覆盖模式土壤理化性质分析的结果具有一致性。从综合评价来看，乔灌草组合的土壤抗蚀性能力最强，这与上文分析结果具有一致性，乔灌草模式下的最大持水量、总孔隙度、有机质、速效氮和>0.25 mm水稳性团聚体均优于其他植被模式，同时土壤比重、分形维数均低于其他模式，因此其模式下土壤形成良好土壤结构，抗蚀性能力增强；乔草模式抗蚀性能力也较好，其乔木以银杏、榕树为主，其适应性强，其落叶也为边坡土壤提供大量腐殖质，有机质含量较高，这与土壤理化性质分析结果具有一致性，从而优化土壤结构，提高土壤抗蚀性能力。草地模式的抗蚀性相对较好，这可能与毛茛等草本植物须根簇生，抗旱能力较强，生长迅速，能较好适应公路边坡土壤的生长环境等有关；乔木模式下公路边坡的土壤抗蚀性能力最弱，这可能与乔木类型、生长环境和恢复时间等因素有关，研究区乔木种类为楹树，属于大乔木，生长周期长，吸收土壤水分和养分较大，公路边坡土壤的生长环境难以满足其要求，同时这也与乔木种植时间相对较短有关。这表明不同植被下的土壤抗蚀性能力总体较差，土壤理化性质均有待改善，从而提高其土壤抗蚀性。因此，根据公路边坡土壤的生态特性及其成熟度，因地制宜，增加其植被覆盖率，优化土壤的植被组合模式，更多选择生态修复效果较好的乔灌草组合，通过对边坡土壤的科学栽种与生态管理，提高土壤有机质及其养分含量，改善土壤物理性质，使土壤中的团粒结构增加，优化土壤结构，改良其土壤，从而提高其抗蚀性能力。

该研究采取土样时，兼顾了边坡土壤的形成时间及其植被生长状况，因此研究成果可为政府部门的公路边坡水土保持工作进行科学决策提供参考依据。但在土壤采样地选择、抗蚀性指标选取、权重方法确定及综合评价方法选取等方面有待进一步改进，提高其评价的客观性，公路边坡土壤理化性质及抗蚀性能力均会随着时间变化而有较大变化，同时，边坡土壤抗蚀性能力强弱也与植被根系具有密切关系，因此，未来进一步利用空间序列代替时间序列，研究公路边坡不同植被恢复年限的土壤抗蚀能力强弱及其与覆盖植物根系作用的关联性。

4 结论

(1)公路边坡不同植被土壤理化性质差异显著，乔草和乔灌草模式能够有效改善物理性质，减小土壤容重，增大最大持水量和总孔隙度，并提高土壤有机质含量，不同植被覆盖的氮磷钾含量差异较大，影响土壤结构。

(2)不同植被覆盖土壤的机械组成有所差别，乔灌草模式土壤颗粒组成排序为砂粒>粗粉粒>中细粉粒>黏粒，乔木、乔草和草地植被模式的土壤颗粒组成排序为砂粒>中细粉粒>粗粉粒>黏粒。公路边坡土壤砂粒含量比重大，乔灌草模式的粗粉粒含量较大，乔草模式的中细粉粒和黏粒含量较大。

(3)不同植被覆盖模式土壤抗蚀性能力差异较大，4类护坡植被土壤水稳性团聚体含量分布差异较大，随着粒径减小的总体趋势为先减小后增大；不同植被覆盖模式分形维数排序为乔木>乔草>草地>乔灌草，乔灌草模式土壤抗蚀性能力最强；平均重量直径排序为草地>乔灌草>乔木>乔草；土壤水稳性指数排序为乔草>乔灌草>草地>乔木。从综合评价来看，土壤抗蚀性指数排序为乔灌草>乔草>草地>乔木，乔灌草组合抗蚀性指数最大，为公路边坡土壤的最佳护坡植被模式。