洪泽湖大堤不同植物群落的护堤防蚀效应

施 钦, 芦治国, 徐 铭, 张 锐, 华建峰, 陈昌仁

(1.江苏省中国科学院植物研究所, 江苏 南京 210014; 2.江苏省洪泽湖水利工程管理处, 江苏 淮安 223100)

防护林体系作为林业生态工程的主体在维护基础设施、抵御自然灾害和维持生态平衡等方面发挥着巨大作用[1]。水利防护林在水域行洪区和堤防等范围内提供了生态防护功能，是生态环境建设和经济可持续发展的重要战略部署[2]。江苏省河湖众多，水网密布，有丰富的河流、湖泊滩地、河堤以及水库坡地，为水利防护林营造提供了充分的空间。积极的水利绿化应用不仅可以产生令人瞩目的社会效益，更有助于生态文明建设取得积极成效。当前中国人工林建设蓬勃发展，在林分管理、分类经营、体系建设等方面研究较多[3-5]，但对于水利防护林的水土保持功能以及护堤防蚀效益研究较少。

土壤抗蚀性表现为土壤对侵蚀营力分力和搬运作用的抵抗能力，是控制土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应。典型喀斯特森林土壤研究显示有机质含量、水稳性团聚体、团聚度能较好地表征喀斯特林地土壤抗蚀性[6]。黄进等[7]针对桐庐山生态林选取土壤水稳性指数、团聚度、分散率、水稳性团聚体含量、有机质含量为评价指标，构建了土壤抗蚀性等级评价体系。防护林因其林龄、林分树种组成以及林下结构配置不同，土壤抗蚀性能也有所差异。洪泽湖大堤防护林主要由杨树(Populussimoniivar.przewalskii、垂柳(Salixbabylonica)和水杉(Metasequoiaglyptostroboides)组成，其间次生刺槐(Robiniapseudoacacia)和朴树(Celtissinensis)等，是防止风浪侵蚀湖堤的重要防护工程。目前关于洪泽湖大堤的防护林研究均集中于树种种植与生长表现[8-9]，或者仅仅是测定林下理化性质差异[10]，并未针对不同植物群落护堤防蚀效应开展进一步探讨。因此，本文拟通过对洪泽湖大堤防护林群落开展定量测定，深入研究大堤植物根系和土壤抗冲抗蚀性能及其稳定性的关系，分析不同树种林分群落结构水土保持功能及护堤防蚀效应的差异，以期为洪泽湖大堤生物防护工程提供数据支持，同时为水利防护林的建设设计与科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于江苏省淮安市洪泽区(32°13′ N，118°49′ E)，属北亚热带季风气候，年均气温16.3 ℃，四季分明，无霜期240 d，年平均降水量940 mm。洪泽湖大堤全长67.25 km，其中省管段25.1 km，防护林台面高程为14.5 m，宽度为50 m，迎湖面堤防面积约106 hm2，目前利用方式为全部种植植物。

1.2 样地设置

采取典型样地取样法，于2020年7月在洪泽湖大堤迎水面，依据防护林植物组成及群落特征选取经营一致(常规管护)、长势良好的5种群落作为测定样地，包括杨树群落(Populussimoniivar.przewalskii)、水杉群落(Metasequoiaglyptostroboides)、杨树与水杉混交林群落(Populussimoniivar.przewalskii×Metasequoiaglyptostroboides)、朴树群落(Celtissinensis)和狗牙根(Cynodondactylon)群落，各群落的坡向和坡位基本相同。每个植物群落内分别选取代表性样地(25 m × 25 m)，调查林分树种组成及生长状况，主要调查指标为树高、胸径、冠幅和郁闭度。随后，以S型随机选取4个典型土样采集点挖取土壤剖面，用50 cm3环刀沿剖面按0—15，15—30，30—45 cm将土壤分为3层取原状土。因此，每种植物群落每土层取样4个，即4次重复；本试验共有土样60个。将所取样品标记并装入自封袋后带回实验室进行相关指标测定。

1.3 指标测定

用钢围尺在树干距地面1.3 m处测得的直径即为树木胸径；使用布鲁莱斯测高器测量树高；冠幅为树冠东西和南北两方向的投影直径。郁闭度测量采用系统样点抬头观测法，沿样方对角线进行一米一抬头观测，用树冠遮挡点除以总样点数即为郁闭度。用环刀在每层土壤剖面取样后，去除土壤中的昆虫和石块等异物，分拣根系，依次用1.0 mm和0.5 mm孔径的不锈钢网筛冲洗。反复过筛冲洗3～5次后，用镊子将细根从筛子中挑出，用滤纸将水吸干，计数，然后将其置于烘箱中80 ℃恒温下烘干48 h后称重，计算根系生物量。

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度测定采用环刀法，土壤有机质含量测定采用重铬酸钾外加热氧化法[11]，土壤水稳性团聚体含量采用湿筛法测定[12]。土壤侵蚀往往最先作用于表层土壤，因此本试验仅针对0—15 cm的表层土壤进行了抗冲行和抗蚀性测定。土壤抗冲性测定应用C.C.索波列夫抗冲仪，以表层0—15 cm土壤的抗冲指数表示。在1个大气压力下，用10个直径0.7 mm的水柱对表层土壤持续冲击1 min，使其产生水蚀穴，以10个水蚀穴的平均直径和平均深度乘积的倒数作为该土层的抗冲指数[13]。

式中：A为抗冲指数;di为第i个水蚀穴的直径(cm)；li为第i个水蚀穴的深度(cm)。

土壤崩解率和水稳性指数采用静水崩解法测定，将干筛后留在3 mm筛上的3～6 mm的土壤粒体数出100粒，放入1 mm孔径不锈钢网筛上进行浸水试验，使蒸馏水刚好覆盖土粒表面。每隔1 min记录崩解的土粒数目，连续记录10 min，然后计算土壤水稳性指数[12]。

式中：K为土壤水稳性指数；Pi为第imin分散的土粒数量；P为10 min内未分散的土粒数量；Ki为第imin的校正系数；S为供试土粒总数，即100。

1.4 数据处理

试验数据的统计处理及相关性分析利用Microsoft Excel 2007(Microsoft Inc，USA)、SPSS 19.0(IBM Software，USA)进行，采用Duncan检验进行显著性分析，作图软件采用Origin Pro 9.1(Origin Lab，USA)。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落的生长情况

在所有植物群落中，杨树的平均胸径、树高、冠幅和郁闭度均高于其他植物，而朴树的平均胸径、树高和冠幅最低，水杉的郁闭度最低(表1)。在0—45 cm土层深度内，随着土层深度的增加，5种植物群落的根系生物量逐渐降低。0—15 cm土层根系生物量占总根系生物量的比例，最高的为朴树群落，达到65.2%，而杨树×水杉占比最低，仅为47.7%。0—15 cm土层，朴树根系生物量最高(p<0.05)，其余依次为狗牙根、杨树、杨树×水杉、水杉；15—30 cm土层，杨树和朴树的根系生物量显著高于(p<0.05)其他植物群落；30—45 cm土层，朴树根系生物量最高(p<0.05)，狗牙根根系生物量仅为0.22 kg/m3，显著低于(p<0.05)木本群落(表1)。

表1 不同植物群落的生长情况

2.2 不同植物群落土壤容重和孔隙度

洪泽湖大堤不同植物群落的土壤容重在1.19～1.46 g/cm3之间变化，且0—15 cm和15—30 cm的土壤容重显著低于(p<0.05)底层(30—45 cm)，表明底层土壤更为紧实(表2)。在所有植物群落中，狗牙根、杨树和朴树群落各土层的土壤容重较大，而水杉(1.19～1.35 g/cm3)和杨树×水杉混交林群落(1.27～1.39 g/cm3)的土壤容重较低，说明相对其他植物群落，水杉和杨树×水杉混交林群落的土壤较为松散(表2)。

杨树群落和杨树×水杉混交林群落各层土壤总孔隙度和非毛管孔隙度的变化趋势相同，表现为0—15 cm和15—30 cm土层显著高于(p<0.05)30—45 cm土层。大多数情况下，杨树和朴树群落3个土层的总孔隙度高于其他群落，说明种植杨树和朴树防护林可以明显增强土壤的通透性。此外，水杉群落的土壤毛管孔隙度在所有群落中最低，平均为17.7%，而狗牙根群落的非毛管孔隙度最低，平均为11.1%(表2)。

表2 洪泽湖大堤不同植物群落土壤容重及孔隙度

2.3 不同植物群落的土壤有机质和水稳定性团聚体含量

依据全国土壤养分含量分级标准表，洪泽湖大堤5种植物群落的土壤有机质含量平均值在4级及以上，土壤较为肥沃。在0—45 cm土层范围内，5种植物群落土壤有机质含量随土层深度增加都呈递减趋势。0—15 cm和15—30 cm土层，杨树和朴树群落的土壤有机质含量在所有植物群落中最高(p<0.05)，而水杉群落最低(p<0.05)，分别为22.2，18.3 g/kg。

水稳性团聚体是由有机质胶结而成的团粒结构，被水浸湿后不易解体，具有较高的稳定性。从表3可以看出，各粒径团聚体含量从大到小依次为<0.25 mm团聚体，>2 mm团聚体，0.05～0.25 mm团聚体以及0.25～2 mm团聚体。5种群落各土层团聚体含量差异变化较大，各团聚体含量随着土层没有一致性变化。0—15 cm和15—30 cm土层中，杨树群落<0.25 mm团聚体含量高于其他植物群落。除朴树群落外，其余4种群落以<0.25 mm团聚体为主，占比均超过50%。朴树群落>0.25 mm团聚体含量最高(592 g/kg)，依次是杨树×水杉(499 g/kg)、狗牙根(439 g/kg)、水杉(439 g/kg)，最低是杨树(421 g/kg)。>0.25 mm的团聚体是团粒结构体，其数量大小与土壤的稳定性状况呈正相关关系。可见，5种植物群落中，朴树可以更好地维持洪泽湖大堤土壤稳定性。

表3 不同群落水稳性团聚体及有机质的分布特征

2.4 不同植物群落的土壤抗冲指数和水稳性指数

如图1所示，0—15 cm表层土壤抗冲指数在狗牙根、杨树、杨树×水杉和朴树群落之间没有显著差异，但是均显著高于(p<0.05)水杉群落。狗牙根和杨树群落0—15 cm表层土壤的水稳性指数显著高于(p<0.05)朴树和杨树×水杉群落，而水杉群落则显著低于(p<0.05)其他植物群落。这表明水杉群落表层土壤的抗侵蚀能力最弱，林下土壤遇水更容易崩蚀。

注：不同小写字母表示不同植物群落之间差异显著(p<0.05)。

2.5 植物群落根系生物量与土壤理化性质的相关性分析

如表4所示，植物根系生物量与土壤有机质含量、总孔隙度、0.25～2 mm团聚体含量、抗冲指数和水稳性指数呈极显著正相关(p<0.01)，同样，其与土壤容重和>2 mm团聚体达到显著正相关(p<0.05)。然而，植物根系生物量与<0.25 mm团聚体极显著负相关(p<0.01)。此外，土壤有机质含量与土壤容重、总孔隙度、毛细管孔隙度、>2 mm团聚体、抗冲指数和水稳性指数呈极显著正相关(p<0.01)。此外，植物群落土壤的抗冲指数和水稳性指数还与土壤容重(p<0.01)、总孔隙度(p<0.05)显著正相关。

表4 植物根系生物量与土壤理化性质的相关性分析

3 讨 论

防护林是洪泽湖大堤防洪工程的重要组成部分，植物尤其是乔木为主体的防护林群落通过地上部分，包括冠层、地表枯落物以及茎干等有效地减弱侵蚀动力对地表的冲刷作用，不仅可以增加入渗、减缓流速以及分散大堤股流，同时能改善土壤结构，较大提升土壤抗侵蚀能力[14-16]。本研究对洪泽湖5种植物防护林群落的调查表明，杨树的平均树高胸径和郁闭度等均远高于其他几种木本植物防护林群落，而这几个指标是森林稳定性及森林生态影响的决定因素。杨树和朴树防护林有机质含量在所有防护林群落中较高，土壤的通透性强，水杉群落表层土根系生物量最低，且抗侵蚀能力最弱。

朴树群落土壤团粒结构体含量最高，水稳性最优，不易受到外界环境的扰动。团聚体形成与土壤有机质含量存在密切关系，因为土壤有机质是土壤水稳性团聚体的有机胶结剂[17-18]。四川省内江市沱江护岸植被研究显示，土壤水稳性指数与>0.25 mm团聚体、有机质的关联系达到0.815，0.829[19]。根系与土壤有机质的关系研究发现，根系输入有机质的贡献率高于地上部分的枯落物，仅仅是细根(<2 mm)的分解，就可将超过50%的养分归还到森林生态系统中[20]。在洪泽湖大堤防护林中，朴树和杨树群落根系生物量显著高于其他几种植物群落，其根系分解帮助有机质从防护林生物库转移到大堤林下土壤库，因而其林下土壤在水稳定性方面较有优势。不仅如此，朴树群落相比于水杉和杨树有更多的林间灌木，林下植被多样性与覆盖度较高，凋落物分解代谢较快，相比于其他植物群落能有效促进土壤有机碳的增加，是其土壤水稳定性高的物质基础。

杨树×水杉群落土壤稳定性大于杨树和水杉群落，主要是因为针叶与阔叶的混交林树冠层厚间隔，林内光照利用率较高，林下物种丰富度大于纯杨树和水杉群落。杨树作为洪泽湖防护林的主要树种，虽然其有机质含量和土壤通气蓄水效应较高，但是趋于老化且病虫害严重，林相杂乱，导致土壤稳定性效益减退[21]。康希睿等[22]研究表明中度混交林地不仅群落稳定性要高于纯林，其林下物种丰富度和林下更新能力也有较明显优势。苏北海堤杉木×杨树混交林林木生长研究结果显示，混交林林木生长、林地土壤结构状况和养分含量均好于纯林[23]。作为针叶树种的水杉群落，其土壤稳定性及抗侵蚀效益均不理想，这与其他学者研究结论基本一致[24-26]，针叶林的水土保持效益显著低于阔叶林。针对洪泽湖大堤存在的杨树林效益低下问题，可以通过与水杉等其他树种合理混交，后期通过调节杨树和其他树种的种间关系，以达到充分利用地力提高大堤林分稳定性的目的。

本试验相关性分析证实防护林群落土壤的抗蚀性与表层土壤中植物根系生物量密切相关。原因在于根系能通过提高土壤的抗冲性、抗蚀性能有效地减少土壤流失量，使植被覆盖条件下的地表侵蚀作用大大降低，因而植物根系发达、分布广泛的土壤往往也具有较强的抗蚀性[27-28]。从表层土抗冲指数与水稳性指数来看，狗牙根群落的防蚀效应明显优于其他木本植物群落，这主要是因为草本植物根系主要集中分布在地表，相对于木本植物，狗牙根根系蔓延力强，易形成交错的密集网状根系，对表层土壤的抗蚀作用也显得突出[29]。李东林等[30]在对京杭运河淮安段水利防护林群落护堤防蚀效应中也得出早熟禾(Poaannua)群落土壤抗蚀性最强的结论。嫩江大堤护坡植物根系及土壤抗冲、抗蚀及抗剪强度的测定分析，草本植物根系有较强的固持土壤功能，抗冲指数与根长、根量间有明显的相关性[31]。但是狗牙根群落在30—45 cm土层根系生物量含量显著低于木本群落，从对深层次土壤的影响来看，木本植物护堤效益将远远超过狗牙根群落。

4 结 论

不同防护林群落在洪泽湖护堤抗蚀效益方面有所差异，杨树、朴树和狗牙根群落土壤稳定性较高，护堤防蚀能力突出。植物群落的护堤防蚀效应与根系生物量、土壤有机质含量、容重、总孔隙度显著正相关。防护林群落能通过地表凋落物及根系的综合影响明显改善林下土壤的物理性质。虽然杨树群落防护能力突出，但是老化严重，遇台风易折，虫害和杨絮问题日益暴露，针对目前以杨树为主的防护林，可进行合理的林相改造、加强群落配置等提高群落整体生态效应。与此同时，构建密度适宜的针阔叶混交林可以更高效地提升洪泽湖大堤水杉防护林的防浪护堤效益。