黄土区草被生长初期土壤抗冲性及其影响因素

刘红岩，周正朝，王 宁，李 超，覃 淼

(陕西师范大学地理科学与旅游学院，710062，西安)

黄土高原是我国水土流失极为严重的地区之一，该区频繁的干旱、脆弱的生态环境以及不合理的人类活动，使其自然植被遭到严重破坏，而且诱发了一系列生态环境问题[1]。土壤抗冲性是最能体现土壤侵蚀过程和规律的指标之一，因此成为控制及治理黄土区土壤侵蚀的重要研究对象[2]。土壤抗冲性是指土壤抵抗外力机械破坏作用的能力，是土壤抗侵蚀性能的重要方面[3]。早在20世纪60年代，朱显谟院士就提出了“土壤抗冲性”的概念，并指出，土壤抗冲性的研究是揭示黄土高原土壤侵蚀规律的关键，而植物根系提高土壤抗冲性能是植被保持水土机制研究中的核心问题之一[4-5]。之后国内开展了不同土地利用方式下的土壤抗冲性研究，发现植物根系对增强土壤抗冲性具有重大作用[6]。国内外学者对土壤抗冲性的研究主要集中在评价指标、测定方法、影响因素、时空分布及地域分异规律等方面[7-8]。目前，土壤抗侵蚀研究的重点是植被对土壤抗冲性的作用及其机制，而核心是根系提高土壤抗冲性的机制[6,9]。先后也有研究证明重建和恢复生态环境研究中的一个重要内容就是根系对土壤结构稳定性和增强土壤抗冲性的作用[10]，并在不同的植被类型[11]、不同土地利用方式[8]、不同土壤类型[12]等方面得到验证；但在土壤水分条件极度匮乏的黄土高原地区，过量植树种草可能造成植被的水量平衡失调而使土壤干层，其生态效益极差[13]。近年来，随着国家退耕还林(草)工程的实施，把对草地植被控制水土流失和生态恢复的认识提升到了一个新的高度，关于不同种植密度草被对土壤抗冲性的影响已有研究[14]，但对黄土高原不同种植密度草被生长初期在不同土层对土壤抗冲性的影响及其与影响因素的关系研究还鲜有报道。

因此，笔者通过室内盆栽试验，以不同种植密度草被为研究对象，分析不同处理黑麦草(LoliumperenneL.)生长初期在不同土层的土壤理化性质和根表面积密度，探讨不同种植密度草被生长初期土壤抗冲性及其与土壤理化性质和根表面积密度的相关关系，以期为完善黄土区土壤侵蚀机制及植被建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验所用土壤采自陕西省延安市安塞区沿河湾镇闫家湾村，为黄土母质上发育的黄绵土。土壤颗粒机械组成中：径级在0.01～0.05 mm的土壤颗粒最多，占46.75%；径级在0.05～0.25 mm的土壤颗粒次之，占38.21%；径级为<0.01 mm的土壤颗粒机械组成最少，占15.04%。供试土壤经自然风干并过5 mm网筛后，采用1.25 g/cm3的密度填入预制PVC圆管(直径为25 cm，高60 cm，分3层，每层用玻璃胶粘住)中，采用分层装填法，每层按2 cm土层厚装填，填土时用圆木桩用力均匀压实土壤，并把每层土壤表面打毛，以消除2层之间的垂直层理。为了便于土壤排水，每个PVC圆管下面垫一个均匀打孔的托盘，托盘上平铺一层细沙，在细沙上铺一层细纱布。

1.2 草被培育

相关研究[15]表明，黑麦草适宜的种植密度约300株/m2。本试验设置了3种草被处理，分别为裸地CK、低于适宜密度的H1处理(204株/m2)、高于适宜密度的H2处理(612株/m2)。用智能人工气候箱(宁波江南仪器厂RXZ-380C-LED型号)把黑麦草的草籽培养3 d。将培育好的草籽于2015年9月种植于填好土壤的PVC圆管中，待种子全部出苗1周后，按试验设计对黑麦草进行定苗处理。定苗后根据植物生长需要适时浇水，拔除杂草，尽量减少对土壤的扰动，裸地CK也进行洒水处理。每个处理3个重复，总共9个土样，生长12周。待草被生长结束后，贴地表剪去植被地上部分，然后将60 cm PVC圆管分为3个土层(表层0～20 cm、次表层20～40 cm、底层40～60 cm)。

1.3 试验测定

土壤抗冲性测定：采用原状土冲刷法[16]，用特制的取样器(20 cm×10 cm×15 cm)采集原状土样，将含有土样的取样器连同带孔铝制底片放入水盘中浸泡12 h，然后，将土样轻置于铁架台上8 h去除重力水后，放置到水槽末端放样室进行土壤冲刷试验。冲刷槽尺寸长2 m、宽0.1 m、高0.05 m。冲刷试验坡度为15°，流量为3 L/min，冲刷时间为15 min。自产流后的前3 min每1 min取1次泥沙样，随后每2 min取1次泥沙样，共取9次泥沙样。冲刷结束后，将泥沙样静置30 min后撇去上层清水，将剩余泥沙混合物小心倒入铝盒内，置于烘箱中烘干(105 ℃，12 h)称重，测定泥沙质量(g)。土壤抗冲指数定义为在一定流量，冲走1 g土所需要的时间(s/g)[17]，即

IAS=T/WLDS。

(1)

式中：IAS为土壤抗冲指数，s/g；T为冲刷历时，s；WLDS为冲失干土质量，g。

土壤干密度的测定：用环刀法取样测定。土壤团聚体质量分数的测定：用四分法取样，采用团聚体分析仪(上海德码信息技术有限公司ZY-200IV型号)测定。土壤有机质质量分数的测定：采用重铬酸钾容量-外加热法。

根系指标测定：将冲刷试验结束后的土样在0.5 mm过滤网筛中反复冲洗干净，洗出全部根系，并保证无杂物，将洗净的根系平铺在透明的扫描器皿中，加一定量清水使根系间无重叠堆积，盖上背景板，放入扫描仪(日本EPSON Perfection V700 PHOTO)中进行扫描。 扫描分辨率为300 dpi，图片格式保存为灰度TIF格式。将得到的根系图像用软件(加拿大 Regent WinRHIZO 2009a)分析计算根系的表面积，由此得到单位土体的根表面积密度数据，单位为cm2/cm3[16]。

1.4 数据处理

选用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件对数据进行处理与分析，用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较LSD法分析不同土层、不同密度草被间的显著性差异，并用Pearson相关系数分析不同影响因子与土壤抗冲性的相关关系。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质及根系的变化

由表1可知，各处理不同层次土壤密度发生了异质性变化，H1和H2处理表层(0～20 cm)的土壤密度与CK相比分别下降4.03%和4.83%，次表层(20～40 cm)土壤密度分别下降2.41%和1.61%，表层土壤密度下降最为显著，而底层(40～60 cm)变化较小，接近裸地CK的水平。和CK相比，H1和H2处理土壤有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度变化表现出相同的趋势，均随土层深度的增加而呈阶梯式下降，且表层H1和H2处理的有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度分别与次表层和底层之间均达到统计学显著差异水平(P<0.05)。

2.2 土壤抗冲性的变化

如图1所示，CK处理的土壤抗冲指数IAS在3个土层变化较小。H1和H2处理IAS表现为表层>次表层>底层。H1和H2处理表层的IAS分别与次表层和底层之间均达到显著性差异水平(P<0.05)，而次表层和底层的IAS之间无显著性差异(P<0.05)，土壤表层的IAS显著大于次表层和底层。另外，在土壤表层，H2处理的IAS分别比H1和CK处理表层的多0.46和1.11 s/g。总体来看，在草被恢复初期，与CK相比，H1和H2处理能显著增加表层IAS，且H2处理更能提高表层土壤抗冲性。

2.3 土壤抗冲性主要影响因子分析

由图2可知，CK处理IAS与土壤密度、有机质质量分数和团聚体质量分数之间均没有达到相关水平(R2分别为0.219 7、0.001 1、0.001 6)(图2a，2b，2c)。H1处理IAS与土壤密度呈幂函数递减函数关系(R2=0.434 2)，H2处理IAS与土壤密度呈显著的幂函数递减函数关系(R2=0.659 3*)(图2a)。H1处理IAS与有机质质量分数和团聚体质量分数之间分别呈极显著和显著的指数递增函数关系(R2分别为0.922 1**、0.678 5*)，H2处理IAS与有机质质量分数和团聚体质量分数之间分别呈显著和极显著的指数递增函数关系(R2分别为0.586 6*、0.697 1**)(图2b，2c)。H1和H2处理根表面积密度和IAS之间均呈极显著的指数递增函数关系(R2分别为0.813 6**、0.750 9**)(图2d)。

表1 不同种植密度草被生长初期土壤理化性质及根系密度的变化Tab.1 Change of soil physiochemical properties and root density at the early growth stage in different planting density grasses

注：CK：裸地；H1：低种植密度黑麦草(204株/m2)；H2：高种植密度黑麦草(612株/m2)。不同大写字母表示同一种植密度不同土层之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一土层不同种植密度之间差异显著(P<0.05)。下同。Notes: CK: Bare land. H1: Low planting density ofLoliumperenneL. (204 plants/m2). H2: High planting density ofLoliumperenneL. (612 plants/m2). Different big letters refer to significant difference among different soil layers of the same planting density (P<0.05). Different small letters refer to significant difference between different planting densities in the same soil layer (P<0.05). The same below.

图1 不同种植密度草被土壤抗冲性的变化Fig.1 Change of soil anti-scourability of different planting density grasses

3 讨论

3.1 不同种植密度草被生长初期对土壤理化性质和根系的影响

N=9，*表示在0.05 水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关。 N=9, * indicates significant correlation at 0.05 level (bilateral), and ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral). 图2 不同种植密度草被土壤抗冲性与土壤理化性质及根系的关系Fig.2 Soil anti-scourability of different planting density grasses and its relationship with soil physiochemical properties and root system

不同种植密度草被生长初期对土壤理化性质和根系的影响有所差异。笔者研究发现，种植黑麦草能显著降低表层(0～20 cm)土壤密度(表1)，这与李强等[18]在黄土丘陵区研究的结果一致。与CK处理相比，H1和H2处理有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度变化的总趋势为随土层深度的增加而呈阶梯式降低(表1)，这与郑子成等[9]研究结果相似。草被的生长发育使根系不断增多，且根系具有网络串联、根土黏结和生物化学作用[17]，一方面，能疏松土壤，降低土壤密度，另一方面，能促进土壤有机质和团聚体的形成，而表层土壤(0～20 cm)是根系的密集分布区，根系对次表层(20～40 cm)和底层(40～60 cm)影响较为微弱；所以，H1和H2处理土壤密度大小表现为表层<次表层<底层，而有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度均表现为表层>次表层>底层。

3.2 不同种植密度草被生长初期土壤抗冲性及主要影响因子分析

笔者研究中，CK处理的土壤抗冲指数IAS在3个土层变化较小，波动在0.57～0.68 s/g 之间，H1和H2处理IAS表现为表层>次表层>底层(图1)，这与前人研究结果[19-20]相符。表层IAS表现为H2(1.69 s/g)>H1(1.23 s/g)> CK(0.58 s/g)(图1)，原因是H2处理种植密度高，植被覆盖度也较H1处理高，较高的植被覆盖度能增大径流入渗，降低地表径流流速，增强土壤抵抗径流剥蚀与冲刷的能力，提高土壤抗冲性能。本研究表明，H1和H2处理在次表层和底层对IAS没有显著影响，这与李强等[18]研究的结果略有不同。李强等[18]研究认为土壤抗冲性随撂荒年限的增大在中层呈稳定增加而下层无显著变化。可能是笔者仅研究草被恢复初期对土壤抗冲性的影响，由于草被生长时间较短，对次表层影响较小，而李强等研究撂荒地的土壤抗冲性，由于撂荒时间较长，群落结构变的复杂，根系对中层土壤影响增大，致使中层土壤抗冲性增强。

本文探讨了土壤密度，有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度对不同种植密度草被生长初期土壤抗冲性的影响。结果表明，相比较CK处理，H1和H2处理IAS与有机质质量分数、团聚体质量分数之间均达到显著正相关(P<0.05)(图2b，2c)，与根表面积密度之间达到了极显著正相关(P<0.01)(图2d)。这与李阳芳等[11]、Zhou Zhengchao等[16]研究的结果一致。不同于本研究结果(图2a)，史冬梅等[12]研究发现土壤密度与土壤抗冲指数呈正相关。可能是因为土壤密度不是影响土壤抗冲性的唯一因素，土壤抗冲性能受多种因素影响，如植被类型、土壤性质、人类活动等，而且土壤密度的形成过程不同对土壤抗冲性的影响也不相同，所以土壤密度对土壤抗冲性的影响可能有较大差异。

4 结论

不同种植密度草被生长初期对表层(0～20 cm)的土壤理化性质和根表面积密度有显著影响。在恢复初期，草被的生长能够降低土壤密度，提高土壤有机质与团聚体质量，增强土壤抗冲性，且在较高密度时效果更显著。土壤密度、有机质质量分数、团聚体质量分数和根表面积密度综合影响土壤抗冲性，其中各因素作用强度有待于深入剖析。综上所述，试验结果为黄土区植被恢复初期种植密度的选择提供了一定的理论依据。但草被生长与土壤相互作用是个长期过程，本研究仅进行了为期12周的试验，研究结论具有一定的局限性，在以后的研究中应延长试验周期，增大种植密度梯度设计，以便研究成果能更好的服务水土保持实践。

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