不同配置的多功能水土保持植被对黑土抗侵蚀特征的影响1)

周桐 潘鹤 张扬 韩少杰 鲍鸿君 陈祥伟 夏祥友

(东北林业大学，哈尔滨，150040)(赤峰市红山区城郊林场)(东北林业大学)

土壤抗侵蚀特征，是指土壤抵抗侵蚀营力对其破坏、剥蚀、搬运过程中表现出的特性[1-2]，常用土壤抗冲性、抗蚀性等相关指标量化和表征[3]。土壤抗侵蚀特征的变化，不仅取决于土壤本身内在的物理化学属性[4-5]，而且还受区域气候、地形地貌、土地利用方式以及开发利用强度等外部因素的影响[6-7]。作为特殊的土地利用类型，林草植被除经济功能外，还持续发挥着固碳释氧、涵养水源、保持水土、防风固沙等生态功能[8-9]。近期研究发现，植被通过根系与凋落物等生物组分的作用，能够直接影响土壤的结构、质量及功能[10-11]。有关植被对土壤抗侵蚀能力的影响备受国内外学者的关注。

黑土耕地“量减质退”的窘境[12]，使黑土地保护与生态修复上升为国家战略。为有效遏制黑土质量与功能的退化，在东北黑土区先后开展了治理水土流失、恢复林草植被等生态建设工作，并取得了一定成效[13-15]。传统的水土保持植被多受设计目标的制约，导致其功能的发挥常以风蚀阻控、水流调节、固持土壤等单一功能为主[16-17]，不仅忽视了其经济功能而且限制了土地利用效率的发挥[18-19]。以不降低植被的防护功能为前提，实现生态保护与生态产业协同发展，构建生态效益与经济效益兼顾的多功能水土保持植被成为水土保持生态建设的发展方向。为此，本研究以配置的“银中杨(Populusalba×P.berolinensis)+东风菜(Asterscaber)”、“银中杨+大叶芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“银中杨+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“银中杨+龙牙楤木(Araliaelata)”4种多功能水土保持植被样地土壤为研究对象，以传统水土保持植被银中杨纯林林地土壤为对照，以表层(0～10 cm)土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径、分形维数、水稳性指数、抗冲系数为评价指标，分析配置的多功能水土保持植被对黑土土壤抗侵蚀特征的影响。旨在为东北黑土区土壤侵蚀的防控与生态修复植被结构配置的设计提供参考。

1 研究方法

1.1 样地设置与土壤样品采集

试验地位于典型黑土区的黑龙江省拜泉县(东经125°30′～126°31′，北纬47°20′～47°55′)。于2021年5月份，在2014年建立的“银中杨(Populusalba×P.berolinensis)+东风菜(Asterscaber)”、“银中杨+大叶芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“银中杨+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“银中杨+龙牙楤木(Araliaelata)”4种配置的多功能水土保持植被林地以及传统水土保持植被银中杨纯林林地，分别设置20 m×20 m样地(见表1)。

表1 不同植被配置样地基本特征

在每块样地内机械布设3个采样点，每个采样点分别用环刀(100 cm3)和自制原状土取样器(20 cm×10 cm×8 cm)采集表层(0～10 cm)土壤样品，各4个重复，用于土壤物理性质、抗蚀性、抗冲性指标的测定。同时，采集适量土壤样品装入采样袋，风干，挑出石砾和植物根系，过2 mm筛，用于土壤有机质和全氮质量分数的测定。

1.2 土壤团聚体稳定性指标测定

选取孔径分别为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm土壤筛组成套筛，借鉴文献[20]，采用湿筛法(WS1020型团粒分析仪)测定5.00 mm≤d<10.00 mm、2.00 mm≤d<5.00 mm、1.00 mm≤d<2.00 mm、0.50 mm≤d<1.00 mm、0.25 mm≤d<0.50 mm、d<0.25 mm粒级(d)水稳性团聚体的质量分数。在此基础上，借鉴文献[21]～[23]，分别计算了粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数(wa1)、平均质量直径(DMW)、分形维数(D)等土壤团聚体稳定性指标：

wa1=(mc/mc,t)×100%；

式中：wa1为粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数(以%计)；mc为粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量(单位为g)，mc,t为团聚体总质量(单位为g)；DMW为土壤团聚体的平均质量直径(单位为mm)，Di为i粒级团聚体的平均直径(单位为mm)，wi为i粒级团聚体的质量比例(以%计)。

1.3 土壤水稳性指数测定

土壤水稳性指数采用静水崩解法测定。选取25粒干筛土粒(粒级7～10 mm)置于孔径为5 mm的筛网上，放置在静水中并开始计时，每1 min记录1次崩解土粒数，试验时间设置为10 min，重复4次。采用公式K=[(∑PiKi)+P10]/A计算土壤水稳性指数[24]。式中：K为土壤水稳性指数；Pi为i时间崩解的土粒数；Ki为i时间的校正系数；i=1、2、3、…、10；Ki=5%、10%、15%、…、95%；P10为10 min内未崩解的土粒数；A为试验总土粒数。

1.4 土壤抗冲性指标测定

土壤抗冲性采用原状土冲刷水槽法测定[2]。借鉴文献[25]，冲刷水槽的坡度设置为5°，根据区域年平均降水量冲刷流量换算为2 L/min。原状土经24 h浸水饱和处理后静置2 h，去除土壤重力水，用于冲刷试验。从冲刷槽的出口产流开始计时，试验前3 min每隔1 min收集水沙混合样1次，此后每隔2 min收集水沙混合样1次，冲刷时间设计为9 min。冲刷试验结束后，将水沙混合样澄清至泥沙完全沉淀，并转移至铝盒中，105 ℃烘干称质量。土壤抗冲性采用抗冲系数(CI)表示，计算公式[26]为CI=q·t/ms。式中：CI为土壤抗冲系数(单位为L·g-1)；q为冲刷流量(单位为L·min-1)；t为冲刷时间(单位为min)；ms为冲刷产生的泥沙干质量(单位为g)。

1.5 土壤理化性质指标测定

土壤密度、孔隙度采用环刀法测定[27]，并计算非毛管孔隙度(PNC)/毛管孔隙度(PC)。土壤有机质中碳的质量分数、土壤全氮质量分数，均采用元素分析仪(科斯泰克元素燃烧系统4024，意大利)测定。参考Wang et al.[28]的方法计算土壤三相指数(ITSP)：ITSP=[(φs-25)φLφg]0.476 9。式中，φs为固相体积分数，φL为液相体积分数，φg为气相体积分数。

1.6 数据处理

用Excel 2016和Origin 2021软件进行数据处理，用SPSS 23软件对数据进行统计分析，用单因素方差分析、最小显著差异法进行数据差异性检验，用皮尔逊(Pearson)相关系数分析方法进行指标相关性分析。

2 结果与分析

2.1 各样地土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数的差异

已有研究认为，土壤中粒径大于1.0 mm水稳性团聚体的质量分数，比粒径大于0.25 mm水稳性团聚体的质量分数，更能有效量化和表征黑土土壤抗蚀性的变化[29]。本研究结果表明，配置的4种多功能水土保持植被，表层土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数，差异显著，变化范围在12.25%～36.09%之间(见表2)。与银中杨纯林样地相比，“银中杨+东风菜”、“银中杨+大叶芹”、“银中杨+老山芹”3种配置的多功能水土保持植被样地，土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数均显著增加(P<0.05)；而“银中杨+龙牙楤木”样地，土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数与银中杨纯林样地的无显著差异。不同配置的多功能水土保持植被各样地中，“银中杨+东风菜”样地土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数最大、“银中杨+龙牙楤木”样地土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数最小，相互之间的差异均达显著水平(P<0.05)。

2.2 各样地土壤团聚体平均质量直径的差异

配置的4种多功能水土保持植被样地，表层土壤团聚体平均质量直径变化范围在0.59～1.30 mm之间，并以“银中杨+东风菜”样地的最高、“银中杨+龙牙楤木”样地的最低(见表2)。统计分析结果表明，不同配置的多功能水土保持植被样地，表层土壤团聚体平均质量直径均存在差异显著(P<0.05)；但与银中杨纯林样地相比，“银中杨+东风菜”、“银中杨+大叶芹”、“银中杨+老山芹”3种配置的多功能水土保持植被样地，土壤团聚体平均质量直径显著增加(P<0.05)。这种变化，与土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数的变化规律基本一致。

2.3 各样地土壤团聚体分形维数的差异

配置的4种多功能水土保持植被样地，表层土壤团聚体分形维数变化范围在2.66～2.81之间，与土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、团聚体平均质量直径的变化规律截然相反，多功能水土保持植被降低了表层土壤团聚体分形维数，并且“银中杨+东风菜”样地的最低(见表2)。统计分析结果表明，“银中杨+东风菜”、“银中杨+大叶芹”2种配置的多功能水土保持植被样地的土壤团聚体分形维数，不仅显著小于银中杨纯林样地的，而且显著低于“银中杨+老山芹”、“银中杨+龙牙楤木”样地的(P<0.05)；“银中杨+老山芹”、“银中杨+龙牙楤木”样地的土壤团聚体分形维数，与银中杨纯林样地的则差异不著。

2.4 各样地土壤水稳性指数的差异

配置的4种多功能水土保持植被样地，表层土壤水稳性指数变化范围在0.47～0.96之间，与土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、团聚体平均质量直径的变化规律相近，多功能水土保持植被增加了表层土壤水稳性指数(见表2)。统计分析结果表明，配置的4种多功能水土保持植被，均比银中杨纯林显著提高了土壤水稳性指数(P<0.05)；不同配置的多功能水土保持植被样地，土壤水稳性指数差异显著(P<0.05)，4种植被样地，土壤水稳性指数由大到小依次为“银中杨+老山芹”样地、“银中杨+东风菜”样地、“银中杨+大叶芹”样地、“银中杨+龙牙楤木”样地。

2.5 各样地土壤抗冲系数的差异

由表2可见：配置的4种多功能水土保持植被样地，表层土壤抗冲系数变化范围在2.11～6.48 L·g-1之间，且“银中杨+东风菜”样地的土壤抗冲系数最大、“银中杨+龙牙楤木”样地的土壤抗冲系数最低。统计分析表明，仅有“银中杨+东风菜”样地土壤抗冲系数显著高于银中杨纯林样地的(P<0.05)；不同配置的多功能水土保持植被样地之间，除“银中杨+东风菜”样地与“银中杨+龙牙楤木”样地间土壤抗冲系数存在显著差异外(P<0.05)，其他样地之间均不显著。

表2 各样地土壤抗侵蚀特征参数的测定结果

3 讨论

3.1 多功能水土保持植被配置对土壤抗蚀性的影响

土壤抗蚀性，是指土壤抵抗外营力对其分散和破坏的能力，常用土壤团聚体稳定性、水稳性指数等指标表征[4-5]。土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径越大，分形维数越小，则土壤团聚体的不同粒径团聚度越高，团聚体结构越稳定，土壤的抗蚀性则越强[30-31]。本研究表明，与银中杨纯林相比，“银中杨+东风菜”、“银中杨+大叶芹”2种配置的多功能水土保持植被，不仅显著增加了土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径、水稳性指数，而且显著降低了团聚体分形维数；“银中杨+老山芹”则显著增加了土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径、水稳性指数；“银中杨+龙牙楤木”仅显著增加了土壤水稳性指数。以上结果表明，多功能水土保持植被均可提高表层土壤的抗蚀性，其中通过提高土壤团聚体稳定性而增强土壤抗蚀性的能力，“银中杨+东风菜”、“银中杨+大叶芹”相对较强，“银中杨+龙牙楤木” 相对较弱。

为了进一步分析配置不同的多功能水土保持植被样地土壤团聚体稳定性差异的主要原因，本研究将土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质进行了相关性分析(见表3)。结果表明，土壤有机质质量分数，与粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径呈显著正相关关系，与分形维数呈显著负相关关系。有机质是土壤团聚体最重要的胶结剂，能够促进土壤团粒结构的形成，土壤中有机质质量分数越大，土壤中粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径越高，分形维数越小[11，20]。因此，土壤有机质质量分数，是导致上述配置不同植被样地土壤团聚体稳定性和抗蚀性产生差异的主要原因。也有研究表明，地表的凋落物和根系分布均会影响土壤团聚体的形成和稳定性，进而影响土壤抗蚀性的强弱[13，15]。这主要是因为，一方面，地表凋落物以及土壤表层植物根系的分解，增加了土壤中的有机质，且根系在土壤中的穿插缠绕也能够增加土壤的孔隙度，从而促进土壤团聚体的形成；另一方面，林地较多的凋落物和较大的地表覆盖度，能防止雨水对土壤表层的直接击溅侵蚀，从而保存了大团聚体的含量，使其团聚体更加稳定，土壤抗蚀性增强[21]。因此，本研究中，“银中杨+东风菜”样地土壤团聚体稳定性更高，也可能是因为其林内地表覆盖度、凋落物以及根系密度，大于其它3种植被配置所导致的，需进一步研究。

水稳性指数，反映了土壤团聚体在静水中分散、崩解的程度，其值越大，土壤团聚体越稳定，土壤抗蚀性越强[4]。通过对土壤水稳性指数与土壤理化性质进行相关性分析结果表明(见表3)，土壤水稳性指数与土壤三相指数呈显著正相关关系。土壤三相指数作为描述土壤结构的综合指标，能够反映出土壤的三相结构综合状态，土壤三相指数值越高，土壤结构越好[28]。因此导致土壤水稳性指数增大，土壤抗蚀性增强。

3.2 多功能水土保持植被配置对土壤抗冲性的影响

土壤抗冲性，是评价土壤结构稳定性及其抗侵蚀特征的重要指标[26]。土壤抗冲系数越大，表明单位时间内径流带走的泥沙越小，土壤抵抗径流分离和搬运的作用越强[32]。本研究结果表明，仅有“银中杨+东风菜”样地土壤抗冲系数显著高于银中杨纯林样地的；配置的不同多功能水土保持植被样地，除“银中杨+东风菜”样地与“银中杨+龙牙楤木”样地间土壤抗冲系数存在显著差异外，其他样地之间的差异均不显著。这表明，“银中杨+东风菜”可显著提高表层土壤的抗冲性，而其它配置的多功能水土保持植被对土壤抗冲性的提高不显著。通过土壤抗冲系数与土壤基本理化性质、团聚体稳定性等参数进行相关性分析结果表明(见表3)，土壤抗冲系数，与土壤中粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径呈极显著正相关，与分形维数呈显著负相关。沙小燕等[26]研究认为，土壤抗冲系数与水稳性团聚体的含量呈极显著指数递增函数关系，并认为土壤中水稳性团聚体含量可以较好地反映土壤的抗冲性能。郭明明等[32]研究了黄土高塬沟壑区不同植被恢复年限(0～28 a)的坡面土壤抗冲性的变化，结果表明，土壤抗冲系数与平均质量直径呈极显著正相关关系(P<0.01)。分析原因，主要是因为土壤中粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数和平均质量直径越大，分形维数越小，则土壤中团聚体的团聚度高，土壤颗粒间黏聚力越大，土壤结构与稳定性越好，土壤抵抗径流分离和搬运的能力和抗冲性越高，因此导致了不同配置的多功能水土保持植被样地间土壤抗冲性的差异。

表3 土壤理化性质与土壤抗侵蚀性指标的相关系数(n=15)

4 结论

在研究区域和田间试验条件，多功能水土保持植被提高了表层土壤的抗蚀性与抗冲性，改善了土壤抗侵蚀特征、增强了土壤的抗侵蚀能力。增加土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径、水稳性指数，降低水稳性团聚体分形维数，可提升土壤抗蚀性；表层土壤抗冲系数的增大，可提升土壤抗冲性。相对土壤抗冲性而言，多功能水土保持植被，对土壤抗蚀性的变化、抗侵蚀能力的影响更为敏感。不同配置的多功能水土保持植被，对黑土表层土壤抗侵蚀特征的影响程度不同。“银中杨+东风菜”的配置，不仅能够显著提高表层土壤的抗冲性，而且能够显著增加土壤粒径大于1.0 mm水稳性团聚体质量分数、平均质量直径、水稳性指数，显著降低水稳性团聚体分形维数，显著提高了土壤的抗蚀性。建议在黑土区多功能水土保持植被构建设计中，优先选择“银中杨+东风菜”配置。