晋西黄土区不同地类土壤抗冲性分析

茹豪，张建军，黄明，梁伟

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

晋西黄土区不同地类土壤抗冲性分析

茹豪，张建军†，黄明，梁伟

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

为了评价植被对土壤抗冲性的影响，以晋西黄土区蔡家川流域刺槐林、油松林、次生林、退耕荒草地、农地、土质路面为研究对象，采用野外实地放水冲刷法，以侵蚀量为指标，研究不同地类土壤的抗冲性，并分析地被物、根系与土壤抗冲性的相关性。结果表明:不同地类的土壤抗冲性为次生林＞刺槐林＞油松林＞退耕荒草地＞土质路面＞农地;单位面积上枯落物量及其厚度对土壤抗冲性的影响最大;土壤表层根系对土壤抗冲性也具有较大影响，能够有效提高土壤抗冲性的根系结构是0～30 cm土层中的毛根，其中，影响最大的是表层0～10 cm的根系，单位体积土壤内的根系越多，土壤抗冲性越强。

土壤抗冲性;枯落物;根系;植被;黄土区

土壤抗冲性(soil erosion resistance)是由中国科学院朱显谟院士在20世纪50年代提出的，是指土壤抵抗降雨径流对其机械破坏和推动下移的性能，主要取决于土壤颗粒间和微结构间胶结力、结构体间抵抗离散的能力以及地面覆被情况［1］。植被在防治水流失和土壤侵蚀方面具有积极作用，主要表现在2方面，即植物根系通过固土作用提高土壤抗冲性［2－4］，树冠层截留与枯落物层通过蓄水阻流降低径流挟沙能力［5］。王佑民等［6］认为，森林提高土壤抗蚀性能是由于林下枯落物和强大的根系共同作用的结果。植被根系对土壤抗冲性的影响在国内已有不少研究，在相同的土壤中，土壤根系含量越多，其抗冲性能力越强，地表径流对土壤的冲刷程度越低［7－8］;但这方面的研究多为室内试验或定性研究，野外试验相对较少，且研究土壤抗冲性的试验方法一般采用原状土冲刷法、实地放水冲刷法和模拟降雨冲刷法。笔者采用野外实地放水冲刷法，以单位面积上单位体积冲刷水流的侵蚀量作为评价土壤抗冲性的指标，探讨自然状况下晋西黄土区不同地类的抗冲性。研究结果可为黄土高原水土流失区水土保持植被的恢复与重建、水土保持植被防护功能的持续提高提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县蔡家川流域，地理坐标E 110°39＇45″～ 110°47＇45″，N 36°14＇27″～ 36°18＇23″，海拔950～1 370 m，属黄土残塬沟壑区。年均降雨量576 mm，6—9月份降雨量占全年降雨量的70%左右，年均水面蒸发量1 733 mm，年均气温10℃，≥10℃的积温3 358℃，绝对最高气温38.1℃，绝对最低气温－20.4℃，光照充足，多年平均日照时间为2 565.8 h，无霜期平均为172 d。流域大体上为自西向东走向，长约14 km，面积30 km2。土壤为褐土，黄土母质，质地均一，森林覆盖率79%。土地利用状况为，上游主要为由辽东栎(Quercuswutaishanica)、山杨 (Populus davidiana)、黑桦 (Betula dahurica)、丁香(Syringa oblate)等组成的天然次生林，中游为由刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)组成的人工林，下游为荒草地和农地。

2 材料与方法

在野外调查的基础上，选择刺槐林、油松林、次生林、退耕荒草地、农地、土质路面6个地类作为试验地进行野外实地放水冲刷试验，试验地基本情况见表1。

表1 试验地基本情况Tab．1 Basic information of experimental field

试验装置由供水箱、给水槽、试验区、集水槽4部分组成［9］。试验模式如图1所示。

图1 试验模式图Fig．1 Sketch illustration of the experiment

在试验地内，选择坡面均一、能够代表试验地基本情况的地段(坡度15°)安装试验装置，用2块长2 m、宽0.15 m的钢板沿坡面方向嵌入土壤中形成冲刷槽，2板间距0.1 m，冲刷面0.2 m2。使用容积为200 L的马里奥托瓶作为供水系统，以保证恒定的流速与流量。从马里奥托瓶流出的水用软管导入给水槽底部，使水流从给水槽底部上升，并溢流到试验区，这样可以保证溢流进入试验区水流的初速度为0，冲刷水流流经试验区后经集水槽汇入采样器，量取径流量，并进行采样，采样体积约500 mL，在室内采用过滤烘干法测定水样中的泥沙含量，用单位面积上单位体积冲刷水流的侵蚀量表示土壤抗冲性，单位为g/(L·m2)。每组试验重复5次。冲刷试验结束后，采集试验区地上草本生物、枯落物，将地下0～30 cm处根系按照0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm分层全部收集，采用流水法将根系冲洗干净，分别称取草本生物、枯落物以及根系干质量。

3 结果与分析

3.1 不同地类的抗冲性

黄土高原土壤侵蚀往往是由于一次或几次历时短、强度高的大暴雨引起的。据统计，蔡家川流域30 mm/h以上的高强度暴雨引起的侵蚀量占年侵蚀总量的60% ～90%［10］。采用单位水量在单位面积上形成的土壤侵蚀量来表示不同地类的抗冲性，土壤侵蚀量越大抗冲性越差。各地类的试验数据见表2。

表2 不同地类试验数据Tab．2 Data of different land－uses

可以看出，在相同的流量条件下，各地类单位水量在单位面积上形成的土壤侵蚀量差异明显。其中农地的土壤侵蚀量最大，为373.21 g/(L·m2)，土质路面次之，为97.43 g/(L·m2)，退耕荒草地、油松林、刺槐林分别为3.64、1.44 和 1.37 g/(L·m2)，次生林最小，只有0.66 g/(L·m2)。农地土壤侵蚀量是土质路面的3.8倍，是退耕荒草地的103倍，是刺槐林和油松林的267倍，是次生林的565倍。不同地类的抗冲性顺序为次生林＞刺槐林＞油松林＞退耕荒草地＞土质路面＞农地。可知，没有植物覆盖的农地和土质路面的抗冲性明显小于有植物覆盖的林地和草地;因此，在黄土区恢复植被时，对地面进行有效的植物覆盖是提高土壤抗冲性、防治侵蚀的关键。

土质路面的侵蚀量虽然小于农地，但远远大于林地和草地。这种路面硬度很大，降雨时雨水不易下渗，很容易形成地表径流，一旦形成径流，因路面抗冲性差，就很容易形成较大的水土流失量，成为黄土高原小流域中主要的水土流失来源区;因此，如何处理黄土高原的土质路面使其侵蚀量减少、抗冲性增加是控制黄土高原小流域水土流失的关键之一。

油松林、刺槐林的土壤侵蚀量接近，说明油松林、刺槐林的抗冲性比较接近，与张建军等［9－10］的研究结果一致，而次生林的抗冲性明显高于刺槐林和油松林;因此，在晋西黄土区营造水土保持林时，除了沿用刺槐、油松等营造水土保持林外，在条件允许的情况下，可以按照次生林的结构，营造仿拟自然植被的水土保持林，将会更大限度地提高土壤的抗冲性能，从而有效地控制水土流失。

3.2 地被物对抗冲性的影响

林下地表层草类、枯落物及腐殖质等地被物能够有效增加地表糙度，阻延地表径流流速，增加入渗，减少地表径流量，从而影响土壤的抗冲性。各地类地被物对侵蚀量的影响结果见图2。

图2 不同地类地被物对侵蚀量的影响Fig．2 Impact of ground covers of different land－uses on soil erosion

可以看出，侵蚀量均随着草本植物生物量、枯落物量、枯落物层厚度、腐殖质层厚度的增加呈现逐渐减小的趋势。说明草本植物生物量、枯落物量、枯落物层厚度、腐殖质层厚度均是影响土壤抗冲性的关键因素。

为了研究地表草本植物生物量、枯落物量、枯落物层厚度及腐殖质层厚度等地被物与土壤抗冲性的相关关系，利用30组冲刷试验结果，采用SPSS18.0进行相关分析，结果见表3。

可以看出，草本植物生物量在0.05水平上与抗冲性显著相关，枯落物量、枯落物层厚度和腐殖质层厚度与抗冲性在0.01水平上显著相关。说明枯落物量、枯落物层厚度和腐殖质层厚度对提高土壤抗冲性的作用要大于草本植物生物量。这是因为一定厚度的枯落物直接覆盖地表不仅增加了地表糙度，而且减缓了地表径流的流速，吸收了部分地表径流，从而使地表径流的侵蚀能力和挟沙能力大大降低，相应地增加了土壤的抗冲性能;因此，在营造水土保持植被的同时，需要保护林下草本植物和枯落物，尤其要保护枯落物的积存与向腐殖质的转化。

表3 抗冲性与地被物相关分析Tab．3 Analyses of correlations between soil erosion resistance and ground covers

综上所述，在有林地内，有效减少侵蚀量、增加土壤抗冲性主要依靠林下的枯落物量与腐殖质层厚度，而在退耕荒草地上主要依靠地表的草本植物，土壤抗冲性较有林地差。

3.3 植物根系对抗冲性的影响

植物根系对抗冲性的影响与土层中根系的数量有关，李勇等［11］研究得出，草本植物根系的90%集中在0～30 cm的土层中，是对土壤抗冲性影响最大的层次。由于水力侵蚀主要发生在地表层，地表10 cm土层内的根系是影响土壤抗冲性的关键;因此，在冲刷试验后，挖取地表10 cm土层中的根系，冲洗干净称其干质量，以每立方米内的根系干质量来表示土壤层内的根系数量。不同地类植物根密度在土层中的分布情况见图3。

图3 不同地类植物根密度在土层中的分布情况Fig．3 Distribution of different land－uses plant roots density in soil

可以看出，各地类中侵蚀量均随着根密度(单位土体内根的质量)的增加而呈现下降的趋势，说明表层0～10 cm土壤中的根量对提高土壤抗冲性有不可忽视的作用。在试验中得出，次生林的抗冲性最好，这与次生林表层根密度最大(约为1.2万g/m3)直接相关。

为了研究根系对土壤抗冲性的影响，测定了各地类0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层的根系含量，并分析了各地类土壤的抗冲性与各层土壤根密度的相关性，结果见表4。

表4 抗冲性与根密度相关分析Tab．4 Analysis of correlations between soil erosion resistance and roots density

可以看出:0～10 cm根密度在0.01水平上与抗冲性显著相关;10～20 cm根密度和20～30 cm根密度与抗冲性在0.05水平上与抗冲性显著相关。说明0～30 cm土层内的植物根系均与土壤抗冲性显著相关;但是，0～10 cm土层的根密度对土壤抗冲性的影响明显大于10～20 cm和20～30 cm土层的根密度对土壤抗冲性的影响，因此，增加表层0～10 cm土壤中的根密度是减少土壤侵蚀量、增加土壤抗冲性的有效手段之一。在水土保持林幼林抚育至具有有效竞争力时，通过在林内撒播草种或其他措施增加地表植被，能够有效增加土壤表层的根密度，是提高土壤抗冲性的关键措施。

土壤抗冲性不仅与根系在土层中的密度有关，而且也与根系的径级有密切关系。李勇等［12］研究发现，土壤抗冲性的增强效应主要由≤1 mm的毛根密度(或毛根量)来决定。张金池等［13］研究得出，植物抗冲性与细根的根长、根密度有密切关系，并指出表层有根系的土壤抗冲性高于底层土壤的抗冲性，林分林木根系强化土壤抗冲性的机制在于根系通过≤1 mm庞大根系直接网络土体和间接改善土壤结构而影响土壤抗冲性的强弱。将植物根系径级分为毛根(d＜1 mm)、细根(1 mm ＜d＜5 mm)、中根(5 mm＜d＜10 mm)和粗根(d＞10 mm)(d为植物根系直径)，抗冲性与植物根系径级相关分析结果见表5。

表5 抗冲性与植物根系径级相关分析Tab．5 Analysis of correlations between soil erosion resistance and plant roots diameter

可以看出，0～10 cm土层内的毛根在0.01水平上与抗冲性显著相关，0～10 cm土层内的细根、0～10 cm土层内的中根与10～20 cm土层内的毛根在0.05水平上与抗冲性显著相关，说明0～10 cm土层内的毛根在减少土壤侵蚀量、提高土壤抗冲性方面的作用大于其他径级的根系。此外10～20 cm土层内的毛根只在0.05水平上与土壤抗冲性相关，相关性显著低于0～10 cm的，可以认为，随着土层的加深，毛根与抗冲性的相关性逐渐减弱。结合根密度与抗冲性的相关性也可以得出，在培育异龄复层的水土保持植被时，林下灌草植物尽量选择毛细根发达的植物，以增加表层土壤的根密度，提高土壤抗冲性。

4 结论与讨论

1)不同地类土壤抗冲性顺序为次生林＞刺槐林＞油松林＞退耕荒草地＞土质路面＞农地。

2)不同地类的地被物对土壤抗冲性有较大影响。在林地内，枯落物量、枯落物层厚度和腐殖质层厚度对增加土壤抗冲性的作用大于草本植物生物量，而在荒草地上土壤的抗冲性主要取决于草本植物生物量。

3)不同地类土壤表层根系对土壤抗冲性具有较大影响。其中，影响最大的是表层0～10 cm的根系量，单位体积土壤内的根系量越大，土壤抗冲效果越明显。0～30 cm土层中能够有效提高土壤抗冲性的是根径小于5 mm的毛细根。

根据研究结果，建议在营造水土保持植被时要考虑选择落叶多、植物残体易转化为腐殖质的植物，这不但可以增加土壤表面糙率和表层土壤的腐殖质含量，更能有效提高土壤的抗冲性。

李勇等［11－12］、张金池等［13］研究了草类根系对土壤抗冲性的影响，分析了根长、根密度和根径与土壤抗冲性的关系，研究得出土壤表层中的根系对土壤抗冲性有较大影响。笔者通过研究得出，在晋西黄土区蔡家川流域，土壤表层10 cm中的毛根量对土壤抗冲性影响极大;因此，在黄土高原水土流失区营造水土保持植被时，配置毛须根发达的草本植物是有效减少土壤侵蚀量、增加抗冲性的措施之一。土壤表层根系分布与林下植被配置有关，如何根据下垫面情况进行合理的林分结构设计及确定合理的乔灌草密度，仍然需要长期的试验观测与分析。

由于黄土区土质路面硬度大，降雨水分不易下渗，易形成地表径流，且因路面抗冲性差，很容易形成严重的水土流失，成为主要的水土流失来源区，因此，减小黄土区土质路面的水蚀量是控制黄土区小流域水土流失的关键之一，如何对这些土质路面进行处理，以提高其抗冲抗蚀性尚待进一步深入研究。

5 参考文献

［1］朱显谟.甘肃中部土壤侵蚀调查报告［J］.土壤专报，1958，4(2):32

［2］丁军，王兆骞，陈欣，等.红壤丘陵区林地根系对土壤抗冲性增强效应的研究［J］.水土保持学报，2002，16(4):9－12

［3］赵丽兵，张宝贵，苏志珠.草本植物根系增强土壤抗剪切强度的量化研究［J］.中国生态农业学报，2008，16(3):5－8

［4］韩凤鹏，郑纪勇，张兴昌.黄土退耕坡地植物根系分布特征及其对土壤养分的影响［J］.农业工程学报，2009，25(2):50－55

［5］赵鸿雁，吴钦孝，刘国斌.黄土高原人工油松林枯枝落叶层的水土保持功能研究［J］.林业科学，2003，39(1):168－172

［6］王佑民，郭培才，高维森.黄土高原土壤抗蚀性研究［J］.水土保持学报，1994，8(4):11－16

［7］刘国彬.黄土高原土壤抗冲性研究及有关问题［J］.水土保持研究，1997，5(4):91－101

［8］杨吉华，李红云，李焕平，等.4种灌木林地根系分布特征及其固持土壤效应的研究［J］.水土保持学报，2007，21(5):48－51

［9］张建军，朱金兆，查同刚，等.晋西黄土区水土保持林地土壤抗冲性研究［J］.北京林业大学学报，1998，20(6):20－24

［10］张建军，张宝颖，毕华兴，等.黄土区不同植被条件下的土壤抗冲性［J］.北京林业大学学报，2004，26(6):25－29

［11］李勇，徐晓琴，朱显谟，等.草类根系对土壤抗冲性的强化效应［J］.土壤学报，1992，29(3):302－308

［12］李勇，徐晓琴，朱显谟，等.植物根系与土壤抗冲性［J］.水土保持学报，1993，7(3):11－18

［13］张金池，臧廷亮，曾锋.岩质海岸防护林树木根系对土壤抗冲性的强化效应［J］.南京林业大学报，2001，25(1):9－12

Soil erosion resistance of different land uses in Loess Plateau area in Western Shanxi Province

Ru Hao，Zhang Jianjun，Huang Ming，Liang Wei
(College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

In order to evaluate the effect of vegetation on soil erosion resistance，the study was conducted in Caijiachuan watershed in western Shanxi Province.Using artificial eroding experiment in field，sediment yield of surface runoff was set as a measurement index to investigate the erosion resistance of different land uses in Loess Plateau area， includingRobinia pseudoacaciaforest stand，Pinustabulaeformisforest stand，secondary forest stand，grassland，farmland and soil road.In this paper，the relationship between grass，litter，roots and soil erosion resistance was discussed.The soil erosion resistance of different land types was ranked in decreasing trend as secondary forest stand ＞Robinia pseudoacaciaforest stand＞Pinus tabulaeformisforest stand＞grassland＞soil road＞farmland.The amount and thickness of litter per unit area have the greatest impact on soil erosion resistance.Roots in topsoil have greater impact on soil erosion resistance.We found that the amount of roots less than 1mm in 0－30 cm soil layer can improve soil erosion resistance effectively.The amount of 0－10 cm soil layer plays the most important role in enhancing soil erosion resistance.The more roots in per unit volume topsoil，the more obvious effects the soil erosion resistance.

soil erosion resistance;litter;roots;vegetation;Loess Plateau area

2011－11－11

2012－03－12

国家科技支撑课题“晋陕黄土丘陵沟壑区生态经济型水土保持林研究与示范”(2011BAD38B0603)

茹豪(1987—)，男，硕士研究生。主要研究方向:水土保持与植被恢复。E－mail:ruhao1987@163.com

†责任作者简介:张建军(1964—)，男，博士，教授。主要研究方向:水土保持效益及森林水文。E－mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)