黄土高塬沟壑区植被自然恢复年限对坡面土壤抗冲性的影响

郭明明，王文龙,2，康宏亮，杨 波



黄土高塬沟壑区植被自然恢复年限对坡面土壤抗冲性的影响

郭明明1，王文龙1,2※，康宏亮1，杨 波1

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100； 2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

为评价黄土高塬沟壑区坡面植被自然恢复对土壤抵抗径流侵蚀性能的影响，以农地为对照，通过野外原位冲刷试验研究了不同植被恢复年限（0~28 a）的坡面土壤抗冲性变化及其与土壤性质和根系密度的关系。结果表明，1）土壤各项性质均随恢复年限的增加不断改善，其中土壤容重和崩解速率随恢复年限呈递减的指数函数关系（<0.01），而饱和导水率、有机质含量、水稳性团聚体、MWD及各直径根系密度则随年限以线性或指数方式递增（<0.01）。2）植被恢复3 a的坡面土壤抗冲性较农地增加不显著（>0.05），恢复3a后土壤抗冲性显著增加1.98～9.82倍（<0.05），且土壤抗冲性与恢复年限呈极显著线性关系（2=0.98，<0.01）。3）土壤抗冲性与容重和崩解速率呈显著的负相关关系，与饱和导水率、有机质含量、水稳性团聚体及MWD则呈极显著正相关关系；抗冲性与根系密度的关系可采用Hill曲线模拟，<0.5 mm是提高抗冲性的最有效根系直径。4）土壤抗冲性的提高与土壤性质的改善和根系密度的增加密切相关，土壤容重、团聚体稳定性（MWD）及<0.5 mm根系密度是影响土壤抗冲性的关键因子。

土壤；侵蚀；植被恢复；抗冲性；根系密度；黄土高原

0 引 言

黄土高原是世界水土流失最为严重地区之一，尤其是在黄土高塬沟壑区沟头溯源侵蚀严重地区，塬水下沟可使沟谷侵蚀泥沙增加76%以上[1]。为控制该区水土流失，20世纪70年代起国家在该区实施了“三道防线”、“四个生态经济带”及“退耕还林还草工程”等一系列的水土流失治理措施，且这些措施体系建设已有效地遏制了该区土壤侵蚀[2-3]，其中在坡面实施的退耕还林还草措施是人为扰动程度最低的一种方式[4-5]，对该区坡面水土流失和植被生态环境建设具有重要意义。

朱显谟院士于20世纪60年代首先提出“土壤抗冲性”的概念，土壤抗冲性是指土壤抵抗径流机械破坏作用的能力，取决于土粒间、团聚体间的胶结作用及土壤结构体抵抗径流冲刷的能力，是土壤抗侵蚀性能的重要方面[6]，并认为是揭示黄土高原土壤侵蚀规律的关键。90年代始，李勇等[7-8]对土壤抗冲性成因和植物根系提高土壤抗冲性的有效性方面进行了系统研究。自此，植被根系提高土壤抗冲性逐渐演变为植被保持水土机理研究中的核心问题之一[9-10]。许多学者在不同土地利用和土壤类型坡面研究了植被根系提高土壤抗冲性的作用机制，并分析了抗冲性与相关土壤性质的关系[4,7,11-13]。研究表明在黄土高原丘陵区、岷江干旱河谷区、重庆缙云山区及晋西黄土区，坡面草地和林地土壤抗冲性能均高于农地或裸地[11,14-17]；植被恢复可降低土壤崩解速率、增加土壤有机质、水稳性团聚体含量及稳定性，进而提高土壤抗冲性能[4,17-20]。但土壤容重对土壤抗冲性的影响则与容重的形成过程密切相关，人为耕作疏松土壤可降低抗冲性，但有机质通过改善土壤结构来疏松土壤可增强土壤抗冲性[17]。此外，许多研究均表明植被根系可显著提高土壤抗冲性，且细根系（<1 mm）数量[21]、生物量[19]、根长密度[22-23]均可作为提高土壤抗冲性最佳植被根系因子，然而不同植被类型的根系尤其是细根系在土层中分布变化较大，因此，需同时考虑根系直径分布和根系密度对抗冲性的影响[24]。

目前报道的黄土高原土壤抗冲性研究成果多集中于丘陵沟壑区[4,7-8,12-13]，而高塬沟壑区和丘陵沟壑区在降雨、土壤、地貌形态及侵蚀状况等方面均存在较大差异，这种侵蚀环境的差异性也对2个区域的植被恢复状况及植被改善土壤性质和提高土壤抗冲性的进程有一定的影响[25-26]，因此，研究坡面植被自然恢复进程对土壤抗冲性的影响对科学评价高塬沟壑区坡面植被恢复的水土保持效益和指导植被建设与优化意义重大。另外，土壤抗冲性的测试方法主要有室内试验槽冲刷法[4,12-13]和径流小区冲刷法[11,27]，然而室内冲刷取样、运输等过程容易造成土壤样品松动，尤其在本研究中根系密度较大情况下取样很难有代表性也很难保证根土体的原状性[28]，而径流小区冲刷法保持了土壤的原状性，可大大提高抗冲性能测试结果的准确性，有助于揭示土壤抵抗径流冲刷的实质[29]。

鉴于此，本研究以黄土高塬沟壑区坡面不同自然恢复时间（0～28 a）草地为研究对象，通过测定各草地土壤理化性质和根系特征参数等指标，采用野外径流小区冲刷法对各恢复时间的草地土壤抗冲性进行了测试，在分析土壤抗冲性随恢复时间的变化及其与土壤性质和根系直径分布关系的基础上探索影响抗冲性的关键因子。以期为黄土高塬沟壑区坡面植被恢复的水土保持效益评价及植被措施优化提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高塬沟壑区南小河沟小流域（35°41′～35°44′N，107°30′～107°37′E）。南小河沟小流域是泾河支流蒲河一级支沟，流域面积36.3 km2，其中塬面面积占57%，沟坡面积占16%，沟谷面积占27%。主要土壤类型为黄绵土和黑垆土，该区气候属温带大陆性季风气候，年均气温8.3 ℃，无霜期155 d，多年平均降雨量为556.5 mm，年际变化大且年内分布极不平衡，58.8%降雨集中在7－9月，且多为暴雨，塬面汇集的大量径流集中对沟头进行冲刷，沟头不断溯源，塬面不断被蚕食。为了固沟保塬和充分利用水土资源，黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站自20世纪70年代提出了“三道防线”水土流失治理模式有效地遏制了沟头、坡面及沟道水土流失。目前，该地区主要植被类型为人工林、自然恢复草本植物群落及零散分布的灌木林地。

1.2 样地选择与试验小区布设

该研究旨在探索植被自然恢复年限对土壤抗冲性的影响，因此，样地选择时以植被自然恢复的坡面为主要调查对象。基于对该流域植被自然恢复状况的详细调查结果，按照植被演替的规律选择5个草地群落类型，分别为3 a生猪毛蒿群落（），8 a和14 a生铁杆蒿群落（），20 a生铁杆蒿和白羊草群落（）及28 a生白羊草群落（），其中植被恢复年限根据植被演替规律并咨询试验站专家确定。此外，由于各个样地所处环境不尽相同，因此，在进行退耕地选择时，利用生态学中普遍采用的“时空互代”的方法选择坡度、坡向及海拔等接近，植被长势稳定的植被群落作为研究样地（表1），此法虽然无法保证所有条件完全一致，但在保证不扰动原有地貌条件下尽可能缩小海拔和坡度等因素的差异以达到研究目的，从而认为海拔、坡度等地形因素对结果的影响可忽略[4]。另外，为明确植被自然恢复后土壤抗冲性变化，选取流域内农地为试验对照，调查表明，该流域植被恢复程度较高几乎很难在坡面找到未退耕的农地，因此，为了便于对比，对照选择为靠近沟头种植玉米的塬面农地。各试验样地土壤颗粒组成、植被特征及地形信息等如表1所示。

表1 各试验点基本信息

注：“—”表示采样过程中农地的覆盖度和地上干生物量未测量。

Note: “—” indicates vegetation coverage and above-ground dry biomass of slope farmland were not measured during sampling process.

本研究采用野外原位径流小区冲刷法研究不同植被恢复年限坡面土壤抗冲性。试验小区规格依据付耀龙等[11]及张建军等[27]野外抗冲性研究及本研究实际情况，尺寸确定为2 m×0.25 m。选各恢复年限的样地后，在每个样地随机划分3个子样地区域（10 m×10 m），在各子样地内使用2块长2 m、宽0.45 m铁板沿地面插入地下0.25 m，2块铁板之间间距0.25 m，围成1个0.5 m2的冲刷区域，其中上坡段0.5 m长度作为水流过渡段以保证水流均匀地进入土壤坡面，下坡段1.5 m长为抗冲性试验段，小区尺寸及布设如图1所示。各恢复年限样地土壤抗冲性试验均设置3个重复小区。为防止边界渗水，在铁板插入地下过程中避免边界有植物根系阻挡并采用木槌夯实，夯实过程中尽可能避免过多土壤被扰动而影响试验结果。小区正上方设置稳流槽，水流在稳流槽中消能后进入小区，底部出水口安装集流槽以收集径流泥沙样。采用400 L储水桶在小区上方供水，通过潜水泵连接水管抽取储水桶中水至稳流槽，水管出口安装流量计以确定流量大小。

图1 试验小区布设图

1.3 土壤抗冲性试验

试验冲刷流量根据该区标准径流小区（20 m×5 m）在典型暴雨强度条件下产生的最大单宽径流量来确定该研究试验小区宽度条件下的冲刷流量，即10 L/min[4,20]。试验小区布设完成后，采用数码相机对试验小区进行垂直拍照，照片用于计算植被覆盖度，拍照完成后使用刀片将小区内植被地上部分收割保存，此后待试验装置布设完成后使用洒水壶喷洒小区内土壤直至产流为止，以保证表层土壤达到饱和。试验前率定流量多次直至与设计流量相对误差在3%以内，率定完成后将供水管放置稳流槽中开始试验，待坡面径流由集流槽流出后开始计时，每1 min取浑水样1次，并记录取样时间，冲刷时间为15 min[4]。试验结束后将取样桶内澄清的上清液倒掉后转移至铝盒中，置于105 ℃烘箱中烘干至恒定质量后称其质重。土壤的抗冲性采用抗冲系数ANS表示，即冲刷掉1 g土壤所需的水量和时间，L·min/g，采用式（1）计算[11]。

式中为各次冲刷所需水量，L；为冲刷时间，min；M为各次冲刷产生的泥沙干质重，g。

1.4 土壤与植被特征指标测定

本研究中测试的土壤性质有颗粒组成、土壤容重、有机质含量、饱和导水率、水稳性团聚体含量及土壤崩解速率。对于每个恢复年限的样地，按照“S”形取样规则，使用100 cm3环刀在每个子样地中采集10个样品用于测试土壤容重和饱和导水率，使用5 cm×5 cm×5 cm（长×宽×高）钢制取样器采集5个土块样品用于测试土壤崩解速率；采用同样的方法在各子样地采集一定量的散土并均匀混合，后在室内风干测试土壤团聚体、颗粒组成及有机质含量。采用烘干法测定土壤容重，土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定，土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定，土壤饱和导水率采用常水头试验确定，土壤崩解速率采用本课题组研制的土壤崩解仪（ZL201720187650.0）测试。每个恢复年限样地土壤容重、水稳性团聚体、有机质含量、饱和导水率及崩解速率测试均重复3次。

将垂直拍摄的各个试验样地照片导入Image软件中确定植被覆盖度（%）；将收割保存的植被地上部分于烘箱中65 ℃温度条件下烘干并称其质重，计算试验小区面积内地上部分干物质生物量。每次冲刷试验完成后，使用10 cm×10 cm×10 cm（长×宽×高）特制钢制取样器在各个冲刷小区内等间距（50 cm）采取3个土样，混合后立即放置带有筛网（孔径0.20 mm）的过滤桶中浸泡24 h，后在筛网上多次冲洗，全部洗出后在阴凉处风干，使用镊子和游标卡尺将根系进行直径分级（＜0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、＞2.0 mm），后放置80 ℃烘箱中烘干至恒定质量，称量并计算各根系直径级别的根系生物量。

1.5 数据处理与统计分析

1）水稳性团聚体平均重量直径（MWD），用于评价水稳性团聚体的稳定性的指标[15]，采用式（2）计算

2）本研究土壤抗冲性与不同直径根系密度的关系采用Hill曲线模拟，二者关系如式（3）所示

其中，i为不同直径根系密度，kg/m3；，，为常数。值为某一直径根系密度达到最大值时的土壤抗冲性，当i=^(1/)时，土壤抗冲性可达到/2，根据李勇等[7-8]对土壤抗冲性与根系关系的研究，^(1/)可作为评价某一直径根系提高土壤抗冲性的指标，且其值越小，该直径根系提高抗冲性则越有效。

3）采用SPSS 16.0进行数据统计分析，不同恢复年限草地土壤性质、根系密度及土壤抗冲性的差异性检验采用LSD法确定（<0.05，双尾）；抗冲性与土壤性质间的关系采用曲线回归模块分析（Curve Estimation）；采用Origin 8.5绘制图形。

2 结果与讨论

2.1 土壤性质和根系密度随恢复年限的变化

图2为各项土壤性质随恢复年限的变化。图2a表明，恢复初期（0～3 a）土壤免受人为耕作扰动而逐渐沉降导致土壤容重逐渐增大，此后随着植被不断演替，土壤结构不断改善，土壤容重逐渐降低，这与Jiao等[30]和Zhao等[31]研究结果基本一致。各恢复年限土壤容重与农地之间差异均不显著（>0.05），但土壤容重与恢复年限之间呈极显著减小的指数函数关系（<0.01）。图2b表明，植被恢复可显著降低土壤崩解速率（<0.05），与对照相比，各恢复年限土壤崩解速率降低28.85%～88.22%；崩解速率随恢复年限增加以指数函数方式下降（<0.01），这主要是由于随着恢复年限的增加，根系不断在土壤中盘根错节，根系的物理捆绑和串联作用对土壤抵抗静水崩解的能力有着巨大提高[4]。恢复初期土壤饱和导水率与农地差异不显著（>0.05），但恢复8 a后，其值显著增加（图2c），各恢复年限草地土壤饱和导水率较对照增加0.85～4.25倍，这主要是由于根系的串联捆绑使土壤孔隙度增大，从而提高了土壤入渗性能[7]。

土壤水稳性团聚体含量及MWD是表征土壤结构稳定性的重要指标，二者亦在恢复初期（0~8 a）缓慢增加，后显著增大（图2e，2f），二者分别较农地增加13.36%～91.82%和10.18%～145.16%，且二者与恢复年限均呈极显著线性关系（<0.01）。图2d表明，农地一旦弃耕，其土壤有机质有着显著的提升，在恢复后的3～14 a内有机质含量增加1.12～2.10倍，但各恢复年限之间差异不显著，随着植被不断演替，白羊草群落的出现（20 a）使土壤有机质含量显著增加3.74～5.61倍；整体上，有机质含量随恢复年限的增加呈显著递增的线性关系（<0.01）。这主要是由于植被枯落物和根系不断在土壤中积累所致，另外，根系分泌物也会促进有机质转化过程，并为土壤微生物提供碳源和氮源[32]，这一过程也更加促进水稳性团聚体的形成[33]，因此，植被恢复明显提高了土壤水稳性团聚体的含量及其稳定性。

表2为不同恢复年限的草地土壤中不同直径根系密度统计。对于<0.5 mm和1.0～2.0 mm根系，NR3、NR8、NR14样地中根系密度差异均不显著（>0.05），而恢复14 a后（NR20、NR28）根系密度则显著增加（<0.05）。对于0.5～1.0 mm根系，NR8样地根系密度较NR3显著增加66.67%，但NR8和NR14样地根系密度差异则不显著，随着恢复年限增加，NR20和NR28样地根系密度较NR3显著增加1.39倍和2.67倍。>2.0 mm根系密度随恢复年限的增加呈逐渐增加的趋势。回归分析结果表明，各直径根系密度均与恢复年限之间呈显著的指数函数关系（<0.05）。

注：不同小写字母表示不同植被恢复年限之间差异显著（P＜0.05）。

表2 不同恢复年限土壤中不同直径根系密度变化

注：同列不同小写字母表示不同植被恢复年限之间根系密度差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference in root mass density at the level 0.05 among different vegetation restoration ages.

2.2 不同恢复年限土壤抗冲性变化

图3为土壤抗冲性随植被恢复年限的变化。由图可知，农地（SF）土壤抗冲性为0.279 L·min/g，恢复3 a坡面土壤抗冲性较农地提高0.71倍，但与之差异不显著（>0.05），这主要是由于撂荒时间较短，土壤抗冲性的提升尚处于缓慢增加阶段[20]。随着恢复时间的不断增加，土壤抗冲性显著增加（<0.05），与农地相比，8、14、20、28 a植被恢复坡面土壤抵抗径流冲刷能力分别显著增加1.98倍、4.14倍、7.11倍和9.82倍，且土壤抗冲性与恢复年限呈极显著递增的线性关系（2=0.98，<0.01）。这主要是由于植物根系的2种作用所致：1）根系物理固结作用（网络串联和根土粘结作用）。农地撂荒后，植物根系在土壤中穿插、缠绕形成根系网，通过网络串联作用固结土体提高抗冲性，根系分泌物也可通过对根际土粒形成粘结力来提高土壤抵抗径流冲刷能力[5]；一方面，本研究中植被根系密度随着恢复年限增长而逐渐增大（表2），这也说明根土接触面积也随恢复年限增大而增大，也即根系的网络串联和根土粘结作用也逐渐加强[34]，因此，土壤抗冲性随恢复年限的增加而线性增加；另一方面，本研究植被优势群落由直根系蒿类（猪毛蒿、铁杆蒿）逐渐向须根系植物（白羊草）演替，而须根系植物对土壤的网络串联和粘结作用高于直根系植物[35-36]，因此，随着恢复年限的增加，根系的网络串联和粘结作用亦逐渐增加从而使抗冲性能增加。2）根系分泌物的生物化学作用。土壤中根系产生的分泌物、多糖等大分子胶结物质能够增加土壤微生物活性和有机质含量，这就为促进土壤水稳性团聚体的形成、孔隙度的增加及土壤渗透性能和抗崩解能力的提升创造了有利条件[13]，本研究中土壤各项理化性质均随恢复年限的增加而逐渐改善（图2），这也使土体稳定性逐步得到提升，从而逐渐提高了土壤抗冲能力。此外，本研究选择的对照农地坡度较其余恢复草地小，研究表明坡度越小抗冲性大[16]，但相比之下恢复草地土壤抗冲性仍显著高于较低坡度的农地，这更加表明植被恢复后土壤抗冲性更大，效果更好。

图3 土壤抗冲性随植被恢复年限的变化

2.3 土壤抗冲性的影响因素

2.3.1 土壤性质

表3和图4分别为土壤抗冲性与各土壤性质偏相关性结果统计和拟合关系。表3表明，土壤抗冲性与容重、土壤崩解速率均呈显著负相关关系（<0.05），与饱和导水率、有机质含量、水稳性团聚体含量及MWD均呈极显著正相关关系（<0.01），其中与MWD和有机质含量相关性高于其他指标。图4a表明随着土壤容重的增大，土壤抗冲性呈显著线性函数递减变化（<0.05），由此可见，植被恢复通过减小容重增大土壤孔隙度使土壤蓄水能力增强，缓解径流对土壤的分离作用，进而使土壤抗冲性能增强。由图4b可知，当崩解速率随恢复年限减小至1.5 g/min后，土壤抗冲性能明显得到提升，且二者呈极显著递减的指数函数关系（<0.01），随着植被恢复时间的增加土壤崩解速率逐渐降低（图2），也即土壤颗粒越不容易被分散破坏，这也间接说明土壤颗粒抵抗径流冲刷的能力得到提高。土壤入渗性能也是影响土壤抗冲性的主导因素[19]，图4c表明，随着饱和导水率的增大，土壤抗冲性呈极显著的线性函数递增变化（<0.01），与抗冲性和容重的变化关系一致，这与土壤孔隙度的增大密切相关，植被恢复改善土壤孔隙度状况的同时提高了土壤入渗性能。回归分析表明，土壤抗冲性随有机质含量的增大以指数函数关系递增变化（图4d，<0.01），这是由于有机质以胶膜的形式包被土壤颗粒，增加了土壤的粘结性，因此增加了土壤颗粒抵抗径流冲刷的能力[17,20]；同时，有机质也促进了土壤团粒结构的形成，随着恢复时间的增加，有机质不断累积，团聚体稳定性也在不断增强（图2），因此，土壤水稳性团聚体的含量（>0.25 mm）及MWD的增加也对提高土壤抗冲性能有积极意义，分析表明土壤抗冲性与二者分别呈极显著线性和对数函数关系（图4e，4f，<0.01）。

表3 土壤抗冲性与土壤性质的偏相关关系

注：*表示显著<0.05水平，**表示显著<0.01水平，=18。

Note: *. Correlation is significant at 0.05 level; **. Correlation is significant at 0.01 level.=18.

2.3.2 根系密度

表4表明，土壤抗冲性与各直径根系密度（<0.5，0.5～1.0，1.0～2.0，>2.0 mm）之间均呈极显著正相关关系（<0.01），其中与<0.5 mm根系密度相关性最高，这表明<0.5 mm根系密度的增加对提高土壤抗冲性的作用高于其他直径根系。图5为采用Hill曲线（式（3））拟合的土壤抗冲性与不同直径根系密度的关系，结果表明Hill曲线可很好的模拟二者关系（2=0.913～0.978，<0.01）。另外，本研究采用^(1/)值比较不同直径根系提高土壤抗冲性的优劣[7]，如图5所示，对于<0.5 mm根系密度，^(1/)值最小（0.091），因此，<0.5 mm可作为提高土壤抗冲性的最佳根系直径范围，与相关分析结果一致（表4），但与李勇等[7]和胡建忠等[21]存在一定的差异性，其认为单位体积土体中<1 mm根系的数量是影响土壤抗冲性的主要因素。此外，式（3）中的参数可作为评价某一直径根系提高抗冲性的最大值，因此，3.079 L·min/g可作为<0.5 mm直径根系提高土壤抗冲性的上限值。由图5可知，当<0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、>2.0 mm根系密度分别处于0.03～0.10、0.2～0.4、0.12～0.40、0.70～1.50 kg/m3范围时，土壤抗冲性急剧增大，这表明尽管在植被恢复初期土壤中植物根系密度较小，但土壤抗冲性也会显著得到提升；随着根系密度持续增大，土壤抗冲性缓慢增加并逐渐趋于稳定，这也表明植被根系提高土抗冲性存在一定的根系密度上限，鉴于黄土高原土壤中有限的水资源，因此，进行植被恢复时需考虑不同植被的耗水特点并结合土壤水分状况确定合理的植被恢复上限，以此达到既可以合理利用该区水资源又能提高土壤抗冲性的目的[7]。

图4 土壤抗冲性与土壤性质间的关系

表4 土壤抗冲性与不同直径根系密度的相关系数

注：**表示显著<0.01水平，=15。

Note: **. Correlation is significant at 0.01 level;=15.

图5 土壤抗冲性与不同直径根系密度的关系

2.3.3 土壤性质和根系密度对抗冲性的综合影响

以上分析结果表明，土壤性质和植被根系密度均对土壤抗冲性有显著的影响。为明确二者对抗冲性的影响，对土壤抗冲性与土壤各项性质和根系密度进行非线性回归分析，结果如式（4）所示。式（4）表明，土壤容重、水稳性团聚体稳定性（MWD）及<0.5 mm根系密度是影响土壤抗冲性的关键因子。结果与云南元谋干热河谷[37]、黄土丘陵区[4]及西南紫色丘陵区[19]均有所不同，但这些结果中均包含了水稳性团聚体和根系密度指标，这更进一步表明水稳性团聚体稳定性和根系密度对提高土壤抗冲性至关重要。

3 结 论

通过野外原位冲刷试验研究了黄土高塬沟壑区不同植被恢复年限（0～28 a）的坡面土壤抗冲性变化及其与土壤性质和根系密度的关系。主要结论如下：

1）植被恢复可显著改善土壤性质，土壤容重在恢复3 a后逐渐降低，崩解速率较农地降低28.85%～88.22%，二者均与恢复年限呈显著递减的指数函数关系（<0.01）；饱和导水率、有机质含量、水稳性团聚体及MWD则分别较农地增加0.85～4.25倍、1.12～5.61倍、13.36%～91.82%和10.18%～145.16%；四者均随恢复年限以线性方式递增（<0.01）；各直径（<0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、>2.0 mm）根系密度与恢复年限呈显著递增的指数函数关系。

2）植被恢复通过提高根系物理固结作用和根系分泌物的生物化学作用创造更为稳定的土体结构，从而提高土壤抗冲能力，自然恢复3 a坡面土壤抗冲性较对照增加不显著（>0.05），恢复8 a后土壤抗冲性显著增加1.98～9.82倍（<0.05），且土壤抗冲性与恢复年限呈极显著线性关系（2=0.98，<0.01）。

3）土壤抗冲性与容重和崩解速率呈显著的负相关关系，与饱和导水率、有机质含量、水稳性团聚体及MWD则呈极显著正相关关系；Hill曲线可很好的模拟土壤抗冲性与不同直径根系密度的关系（2=0.913～0.978，<0.01），其中<0.5 mm是提高抗冲性的最有效根系直径。

4）土壤抗冲性的提高与土壤性质的改善和根系密度的增加密切相关，土壤容重、团聚体稳定性（MWD）及<0.5 mm根系密度是影响土壤抗冲性的关键因子。

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Effect of natural vegetation restoration age on slope soil anti-scourability in gully region of Loess Plateau

Guo Mingming1, Wang Wenlong1,2※, Kang Hongliang1, Yang Bo1

(1.,,,712100,; 2.,,712100,)

Some water and soil conservation projects were continuously conducted on the Loess Plateau since 1970s. Especially, in the gully region, some targeted measures were implemented in different geomorphic positions (gully heads, hill slopes and gully channel) to control soil and water loss. To investigate the effect of vegetation restoration age on soil anti-scourability, an in-situ runoff scouring experiment was carried out in grasslands of five natural vegetation restoration ages with the slope farmland as CK. This study explored the variations in soil anti-scourability (ANS) with vegetation restoration years and its relationships with soil properties and root characteristics. In this study, soil properties of soil bulk density (SBD), saturated hydraulic conductivity (SHC), soil organic matter content (OMC), soil disintegration rate (SDR), soil particle size distribution and water-stable aggregate (WSA) and root mass densities (RD) of different root diameters (<0.5, 0.5-1.0, 1.0-2.0, >2.0 mm) were sampled and measured in each site. Each soil property and root index was repeated three times for each sampling site. The scouring experimental plot size was set as 2.0 m×0.25 m to test soil anti-scourability, which included flow transition section (0.5 m length) and soil test section (1.5 m length). The flow discharge was determined as 10 L/min. The results indicated that 1) Vegetation restoration could significantly improve soil properties. The SBD generally decreased after 3 years restoration, and the SDR decreased 28.85%~88.22% compared with the CK (slope farmland). The SBD and SDR exponentially decreased with the increase of restoration time (<0.01). The SHC, OMC, WSA and MWD were 0.85-4.25 times, 1.12-5.61 times, 13.36%-91.82% and 10.18%-145.16% greater than those of the CK, respectively, and the four indicators linearly increased with the restoration time increasing (<0.01). Moreover, the RD of different root diameters (<0.5, 0.5-1.0, 1.0-2.0, >2.0 mm) also exponentially increased with the increase of restoration time (<0.01). 2) Vegetation restoration could create more stable soil structure by improving the effect of root physical consolidation and the biochemical effect of root exudate matters, and thus improves the soil resistance to flow scouring. Soil anti-scourability after 3 years restoration was greater than that of the CK, but had no significant difference with the CK. While the ANS significantly increased by 1.98-9.82 times when the restoration time was higher than 3 years. Regression analysis showed that the ANS increased linearly with the increase of restoration time (2=0.98,<0.01). 3) Partial correlation analysis showed that the ANS had a negative related with SBD and SDR (<0.05), but positive related with SHC, OMC, WSA and MWD (<0.01). The degree of correlation between ANS and OMC andMWD was higher than other soil property parameters. The Hill curve function could simulate well the relationships between ANS and RD of different root diameters (2=0.913-0.978,<0.01). The root diameter level of <0.5 mm was the optimal root diameter in improving ANS. 4) The enhancement of soil anti-scourability was closely related with the improvement of soil properties and the increase of root mass density. The SBD, MWD and RD of <0.5 mm were the key factors influencing ANS. The results could improve scientific reference for the assessment of soil and water conservation benefits and the optimization of vegetation measures.

soils; erosion; vegetation restoration; anti-scourability; root mass density; Loess Plateau

郭明明，王文龙，康宏亮，杨 波. 黄土高塬沟壑区植被自然恢复年限对坡面土壤抗冲性的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：138－146. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.017 http://www.tcsae.org

Guo Mingming, Wang Wenlong, Kang Hongliang, Yang Bo. Effect of natural vegetation restoration age on slope soil anti-scourability in gully region of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 138－146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.017 http://www.tcsae.org

2018-05-21

2018-09-21

国家自然科学基金（41571275，41302199）；国家自然科学基金重大项目（41790444/D0214）；中国科学院西部行动计划（KZCX-XB3-13）；中国科学院知识创新工程重大项目（KZZD-EW-04-03）

郭明明，博士生，主要从事植被恢复与土壤侵蚀研究。 Email：st_gmm@163.com

王文龙，博士生导师，研究员，主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：wlwang@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.017

S157.1

A

1002-6819(2018)-22-0138-09