植被细根对典型黑土土壤抗蚀性的影响1)

李彦 谷会岩 陈月明

(中国林学会，北京，100091) (东北林业大学)

土壤抗蚀性是指土壤抵抗水流和雨滴冲击分散和悬浮的能力，常用作评价土壤抗侵蚀能力的重要指标之一[1]。土壤抗蚀性的降低，不仅会使土壤结构体容易遭到水流的破坏而崩解，形成的细小颗粒伴随淋溶过程堵塞土壤孔隙；而且能够促进径流汇集，冲走分散的土粒，导致水土流失的发生。在水土流失治理的各项措施中，植被措施无疑是最为长治有效的根本措施[2]。研究证明，植被根系不仅具有较强的对土体物理固持能力，而且能够对土壤结构体稳定性产生积极影响[3]，促进土壤抗蚀性的提高。因此，植被根系的固土作用，是改善土壤侵蚀发生环境的重要驱动因素[4]。

东北黑土区，不仅是我国重要的商品粮生产基地，而且是维系国家粮食安全的“压舱石”。由于历史上过度开垦和不合理的耕作，自然和人为因素共同作用的结果，导致黑土层变薄、土壤有机质与肥力下降、土壤生境质量退化严重，所以防治水土流失、遏制土地生产力退化成为黑土区生态建设的重要任务[5]。迄今，有关植被保水固土作用方面的研究，地域上主要集中在三峡库区、黄土高原区；研究内容上多以地上部分的降水的调节为主，而对地下部分根系的作用研究相对较少[6-9]。因此，本文以典型黑土区的主要植被类型下的土壤为研究对象，通过细根特征与土壤抗蚀性间关系的分析，揭示不同植被类型及不同径级的细根特征对土壤抗蚀性的影响程度、植被的细根对黑土土壤抗蚀性的影响，旨在为科学评价黑土区植被的固土保水能力提供参考。

1 研究区概况

试验地点位于黑龙江省克山农场，地处讷河市与克山县交界处，位于松嫩平原东北部、小兴安岭西麓，地理坐标东经125°7′40″～125°37′30″、北纬48°11′15″～48°24′7″。区域内平均海拔315 m，地貌类型以漫川漫岗为主。该区属温带亚湿润季风性气候，年平均降水量502.5 mm左右，主要集中于夏季、秋季，容易形成内涝。原始地带性植被为温带草原草甸，经多年开发利用，现存植被以农作物为主，镶嵌分布有天然草地、人工林以及沼泽植被等类型。由于开垦历史悠久，天然植被丧失殆尽，区内水土流失严重，坡耕地水土流失面积占农场耕地总面积的67.44%。本区主要水土流失的形式为面蚀和沟蚀，平均土壤侵蚀模数可达11 116.6 t/(km2·a)。

2 研究方法

2017年9月，在克山农场选择立地条件相近的樟子松(Pinussyvestrisvar.mongolica)人工林、水曲柳(Fraxinusmandshurica)人工林、水曲柳樟子松人工混交林(7水3樟，简称水樟人工混交林)和以黄花蒿(Artemisiaannua)、苔草(Carextristachya)为优势种的天然草地(简称天然草地)为试验地，选择耕地作为对照试验地(见表1)，在每个试验地内分别设置20 m×20 m的样地3块；在每块样地内沿1条对角线均匀机械布设3个样点，按照不同土壤深度(h)范围(0

表1 不同类型植被的林分特征与土壤性质

在设置每块样地中沿2条对角线机械布设9个取样点，用于采集细根样品。用内径58 mm的土钻分上(0

将采集的原状土，在室内沿着自然结构掰成小块，风干后分别过5、10 mm筛，取100粒用于崩解实验，每次崩解25粒。将土粒放到孔径1 mm的筛网上，水面没过土粒，崩解实验时间设定为10 min，重复4次[7]。采用公式计算土壤抗蚀指数[11]：

土壤抗蚀指数=(实验土粒总数-实验结束时崩解的土粒数)/实验土粒总数。

采用Excel 2003和SPSS 21.0软件进行数据分析，采用单因素方差分析和最小显著差异法比较不同处理间的差异，采用Pearson法进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同类型植被的细根特征差异

植被根系，尤其是细根特征，是改善土壤侵蚀发生环境的重要驱动因素之一[3，11]。测定结果表明，4种类型植被的0

由表2可见：在不同植被类型之间，3种乔木植被各级细根的质量密度、根长密度、根表面积密度，均显著大于草地植被的参数值(P<0.05)。3种乔木植被中，除0

表2 0

表3 不同类型植被细根的垂直空间分布特征

由表3可见：不同土层范围之间，研究的4种类型植被的各径级细根质量密度、根长密度、根表面积密度的大小，均以表层土壤(0

产生上述差异的主要原因：一方面，根系的径级大小与其功能有关[12]，d≤1 mm细根的主要功能，是吸收水分、矿质营养、分泌次生代谢产物[13]，需要维持一定的生物量、较大的根长密度、根表面积密度。另外，由于土壤属性空间分布不均一性，是导致根系空间异质性的主要原因，表层土壤更加肥沃，导致了细根的表聚现象。另一方面，植物根系的生长，除受内在遗传基因的影响外[14]，还受外部生长环境的影响[15]；不同物种遗传特性的差异，导致了生长特性的不同。混交条件下，树种根系的生长，除受树种特性、林地营养条件的影响外，还受种间关系的影响。水曲柳与樟子松混交，樟子松枯落物对自身生长有促进作用[16]，而且阔叶树种的引入还可以进一步改善土壤的养分状况；但是当樟子松枯落物浸出液的浓度过大时，则会抑制其他植物的生长[16]，最终导致了樟子松水曲柳混交林的细根特征发生了变化。

3.2 不同类型植被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，主要受土壤内在的物理化学性质影响，常用土壤的抗蚀指数表征。本研究发现，不同样地间土壤的抗蚀指数差异较大，在0

表4 不同类型植被的土壤抗蚀指数测定结果

由表4可见：随着土层的加深，土壤的抗蚀指数均减小，并且表层土壤抗蚀指数显著大于下层土壤抗蚀指数(P<0.05)。植被恢复，对表层土壤、下层土壤抗蚀性的影响存在明显不同。在表层土壤中，植被土壤的抗蚀指数为0.59～0.90，乔木植被土壤抗蚀指数显著大于草地植被土壤抗蚀指数(P<0.05)；乔木植被之间土壤抗蚀指数的差异不显著，但是，水曲柳人工林、水樟人工混交林对土壤抗蚀性的影响程度，大于樟子松人工林的影响程度。在下层土壤中，耕地土壤的抗蚀指数为0，说明土壤在实验时间内完全崩解；乔木植被的土壤抗蚀指数变化范围为0.53～0.74；与表层土壤相同，乔木植被土壤抗蚀指数显著大于草地植被土壤抗蚀指数(P<0.05)；在乔木植被之间，樟子松人工林、水樟人工混交林土壤抗蚀指数显著大于水曲柳人工林土壤抗蚀指数(P<0.05)，且以水樟人工混交林的影响程度最大。

产生上述变化的主要原因：一方面，土壤抗蚀性的大小，主要取决于土壤颗粒之间的胶结力、土壤颗粒与水的亲和力[17]；有机质是土壤颗粒形成的重要胶结物质，同时也影响土壤颗粒与水的亲和力[18]；土壤的pH也会影响土壤的稳定性[19-20]。另一方面，植被恢复改善了土壤的理化性质，增强了土壤结构稳定性[4]，从而提高土壤的抗蚀性。与草地植被相比，乔木植被群落比较稳定，对土壤理化性质的综合改良作用相对较大[2，21-23]。另外，由于表层土壤中各类型乔木植被的有机质含量均较高，在下层土壤针叶树种根系中较高的碳含量[24]、土壤pH值较低[7]以及枯落物中含有较多的树脂和芳香物质的综合作用，降低了土壤颗粒与水的亲和能力，使针叶植被和针阔混交植被下层土壤的抗蚀性较高。

3.3 土壤抗蚀性与植被细根特征的关系

对土壤抗蚀指数与细根的质量密度、根长密度、根表面积密度之间的关系，进行Pearson相关性分析(见表5)。结果发现，植被细根的质量密度、根长密度、根表面积密度与土壤的抗蚀指数，均呈正相关，但是不同类型植被的细根特征参数与土壤抗蚀指数间的相关程度不同。水曲柳人工林，各径级的细根特征参数与土壤抗蚀指数，均呈极显著相关(P<0.01)，且根长密度、根表面积密度与土壤抗蚀指数的决定系数达0.97以上。樟子松人工林，除0

表5 不同类型植被的细根特征参数与土壤抗蚀指数相关性

通常，根系在土壤中的物理穿插和化学分泌作用，可以通过改变土壤结构，进而改变土壤抗蚀性。本研究发现，0

4 结论

典型黑土区4种类型植被中，0

研究的4种类型植被均显著提高了黑土的土壤抗蚀性，但植被类型不同对土壤抗蚀性的影响程度有所不同。乔木植被对土壤抗蚀性的影响程度显著高于草地植被的影响程度，并以下层土壤中对土壤抗蚀性的影响程度更明显；不同类型乔木植被对表层土壤抗蚀性无显著影响，针叶人工林、针阔混交林能够显著提高下层土壤的抗蚀性。鉴于植被细根对土壤抗蚀性影响的作用大小，0