蔣平海, 周正朝, 李 靜, 葛芳紅

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710062)

黃土高原是我國乃至世界上水土流失最為嚴重的地區(qū)之一[1-2]。嚴重的土壤侵蝕導致土壤肥力下降、耕地資源減少等生態(tài)問題，制約了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展并加劇下游河流洪澇災害，阻礙了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[3]。為有效治理和解決嚴重的生態(tài)退化和水土流失問題，1999年我國啟動退耕還林(草)工程，以期緩解水土流失、改善生態(tài)環(huán)境。土壤侵蝕過程包括土壤分離、輸沙及泥沙沉積等過程[4]，其中土壤分離是指在降雨濺擊和徑流沖刷作用下，土壤顆粒脫離土體的過程[5-6]，是土壤侵蝕的起始階段[1]，該過程的強弱直接影響水土流失的大小[7]。土壤理化性質、根系特征對土壤分離速率的影響研究較多。Govers等[8]研究表明，土壤分離速率與容重呈負相關關系。Gyssels等[9]研究顯示土壤分離速率與根長密度呈負相關關系。李靜等[10]對子午嶺連家砭林場不同退耕年限草地土壤分離速率的研究表明，土壤分離速率與土壤有機質含量、團聚體含量均呈負相關關系；唐科明等[11]研究了根系對土壤分離速率的影響，結果顯示，植被根系能顯著降低土壤分離速率，且隨根系密度的增大，土壤分離速率逐漸下降，土壤分離速率與根系密度擬合曲線為指數(shù)函數(shù)。此外，水蝕因子也是影響土壤分離速率因素之一。任樂等[12]對貴州耕地土壤分離速率研究顯示土壤分離速率與流量、坡度呈顯著正相關。張光輝[7]、王軍光[13]等研究結論與之一致，且比較了坡度、流量對土壤分離速率影響的強度，即坡度對分離速率的影響大于流量。同時，土地利用方式[14]、土壤類型[15]、植被類型[16]等因素均影響土壤分離速率。目前，關于土壤分離速率以及植被生態(tài)功能的研究主要集中于不同土層深度的研究[1,17-19]，對同一土層深度下含冠層土壤、含根系土壤、含結皮土壤的分離速率及其影響因素研究相對較少，且土壤理化性質與根系特征對土壤分離速率影響作用的對比分析還鮮有報道。

本研究選取黃土區(qū)典型植被群落下同一深度不同處理的土壤，用模擬沖刷試驗與室內分析相結合的方法，圍繞土壤分離速率變化，探尋不同植被群落下同一深度不同處理土壤分離速率變化特征及其影響因素，對比分析土壤理化性質與根系特征對土壤分離速率的影響強度以及不同植被保持水土的作用，以期為我國黃土區(qū)植被恢復、生態(tài)建設提供科學參考與指導。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)延安市安塞區(qū)坊塌流域(東經(jīng)109°15′48″—109°16′51″，北緯36°41′24″—36°51′32″)，流域面積8.66 km2[20]，海拔為997～1 731 m。地表千溝萬壑，支離破碎，地貌類型以黃土梁澗、梁峁狀丘陵和溝谷為主[21]。該區(qū)域年均降水量549 mm左右，分布不均，降水集中在夏季7—9月，且多暴雨。年均蒸發(fā)量為1 463 mm，年均氣溫為8.8℃[22]，屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候。地帶植被屬于暖溫帶落葉闊葉林向草原過渡的森林草原區(qū)[23]。土壤類型處于沙黃土與黃綿土過渡區(qū)，土質疏松，抗侵蝕能力弱，易發(fā)生水土流失。

本研究選取黃土區(qū)常見的植被群落草地為樣地，具體樣地信息見表1。

表1　不同植被群落草地試驗樣地概況

1.2　研究方法

1.2.1采樣方法2016年8月進行采樣，按照S型線路，選擇長勢均勻的植株，確定采樣點，每個樣地選擇9個樣點。在每個樣點開挖一個30 cm深的土壤剖面，以備土壤樣品采集。挖出土壤剖面后，去除地表枯落物，用取樣器(土槽15 cm×10 cm×10 cm)采集土壤樣品。采樣時在取樣器上方墊一結實木板，用錘將取樣器順坡垂直砸下。然后去掉周邊土壤，將取樣器完整取出，再用剖面刀沿取樣器底部將土樣削平后墊上帶有小孔的鋁制底片。

土壤樣品有3種處理，分別是含冠層土壤、含根系土壤和含結皮土壤。首先在樣點選擇具有代表性的植株，然后采集含有代表性植株地上部分的沖刷土樣為含冠層土壤；再在代表性植株附近的位置，剪去植被地上部分后，采集的沖刷土樣為含根系土壤；最后在遠離代表性植株的位置，且有結皮發(fā)育的地方采集沖刷的土樣為含結皮土壤。每一個處理3個重復，共36個土樣。

1.2.2坡面放水沖刷試驗及土壤分離速率的計算采用固定坡度與流量水槽沖刷法，水槽長寬高分別為2.0 m，0.1 m，0.05 m。坡度20°，沖刷流量5.0 L/min，沖刷歷時為15 min。

放水產(chǎn)流后的前3 min用取樣桶每1 min收集1次徑流泥沙樣，之后每2 min收集1次，共取9次樣，然后關閉水流，且記錄下沖刷時間。徑流泥沙樣靜置后倒掉表層清水后倒入鋁盒中，然后將鋁盒放入烤箱烤至恒重(105℃，12 h)，用該恒重減去鋁盒重量可得試驗過程收集的泥沙樣品干重。試驗中徑流水流分離能力為單位時間(s)單位面積(m2)內徑流分離土壤的質量(kg)，即土壤分離速率[24]。公式如下:

(1)

式中：Dr為土壤分離速率[kg/(m2·s)]；W為試驗過程中收集的泥沙樣品干重(g)；t為水流沖刷時間(s)；A為取樣器投影的面積(m2)[1]。

1.2.3測定方法及數(shù)據(jù)處理土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤有機質測定用重鉻酸鉀容量法；團聚體測定采用維切諾夫濕篩法(儀器型號為ZY200-Ⅳ型土壤團粒分析儀)。根系生物量密度(mg/cm3)、根長密度(cm/cm3)、根系表面積密度(cm2/cm3)、根體積密度(10-2cm3/cm3)的計算方法參照文獻[25]測定。室內試驗與分析于2016年12月完成。將相關試驗數(shù)據(jù)輸入Microsoft Excel 2010中進行初步整理，再運用SPSS 20.0進行雙變量相關分析、單因素方差分析和多重線性回歸分析。

2　結果與分析

2.1　不同植被條件下土壤分離速率變化特征

土壤分離速率是土壤抗侵蝕能力的重要指標。狼牙刺群落下土壤分離速率最小，為5.56×10-3[kg/(m2·s)]，分別是達烏里胡枝、鐵桿蒿、白羊草群落下土壤分離速率的45.87%，47.11%，72.54%。狼牙刺群落下土壤分離速率在含冠層土壤中，顯著低于達烏里胡枝子；在含根系、含結皮土壤中，顯著低于達烏里胡枝子、鐵桿蒿(圖1)。主要是因為狼牙刺為半灌木植物，根系較為發(fā)達，且地上部分生物量較大，保持水土的能力較強。表明研究區(qū)不同植被類型對土壤分離速率影響較大。不同處理下，含結皮土壤的分離速率最大，是含冠層土壤的1.81～2.35倍，含根系土壤的1.13～1.56倍。表明不同處理方式下土壤分離速率差異較大。狼牙刺、白羊草群落，不同處理下土壤分離速率差異不顯著。鐵桿蒿、達烏里胡枝子群落下，含結皮土壤分離速率顯著高于含根系、含冠層土壤分離速率；且含根系、含冠層土壤分離速率之間無顯著性差異。

注：不同小寫字母表示不同群落同一處理下數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，不同大寫字母表示同一群落不同處理下數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，字母相同表示在顯著水平p<0.05水平上沒有顯著性差異，下圖同。

圖1不同植被群落的土壤分離速率

2.2　不同植被條件下土壤分離速率的影響因素

2.2.1土壤理化性質對分離速率的影響

(1) 不同植被條件下土壤理化性質的差異。土壤容重是土壤的基本物理性質，容重的大小直接反映土壤緊實度狀況[26]。不同處理下，含結皮土壤容重最大，為含冠層土壤的1.17～1.21倍，含根系土壤的1.04～1.11倍(表2)。這主要是因為含冠層土壤不僅可以通葉子、莖稈來降低雨水的打擊力，避免土壤遭受打擊而變得更緊實[27]，還可以通過根系穿插作用來疏松土壤，減少單位體積里的土壤重量[27-28]。另外，根系可通過過生物作用、化學作用改善土壤結構，使土壤結構良性發(fā)展，土質更疏松。不同植被類型間，狼牙刺群落下土壤容重(1.167 g/cm3)最小，分別為達烏里胡枝、鐵桿蒿、白羊草群落下土壤容重的82.36%，87.08%，92.11%。主要由于狼牙刺系較為發(fā)達，對土壤的穿插作用強烈，土壤孔隙度大。

土壤有機質不僅是土壤肥力的重要指標，還可加快土壤團粒結構的形成，增強土壤的透水性[29]。該研究土樣的有機質為20.01～36.22 g/kg，低于全球土壤有機質含量均值[30]。土壤有機質主要來源于腐爛分解有機物或其再合成產(chǎn)物[31]，枯落物的分解是土壤有機質的主要來源[32]，是有機質含量不斷增加的過程。水土流失是土壤有機質降低的主要原因之一[33]，是有機質含量不斷降低的過程。土壤中有機質的含量是枯落物的分解與水土流失動態(tài)變化的結果。含結皮土壤地表無植被，無枯落物腐爛以補充有機質，加之無植被冠層保護、無枯落物的持水作用，水土流失量大，有機質損失嚴重，有機質含量最低(表2)。含冠層土壤在冠層的截流作用、枯落物的持水作用下，水土流失減輕，加之枯落物量大，腐爛后補充土壤有機質，使得有機質含量最高(表2)。不同植被間，狼牙刺群落下土壤有機質含量最高，主要由于狼牙刺群落植被蓋度高、生物量大(表1)，為有機質的形成提供來源。

土壤團聚體由土壤有機質膠結而成，能夠改善土壤結構，且遇水不易分散具有較高的穩(wěn)定性，對土壤分離速率有重要影響[34]。含冠層土壤中，狼牙刺群落下土壤團聚體顯著高于達烏里胡枝子、鐵桿蒿群落。含根系土壤中，狼牙刺群落、白羊草群落下土壤團聚體顯著高于鐵桿蒿群落、達烏里胡枝子群落。含結皮土壤中，狼牙刺群落土壤團聚體顯著高于鐵桿蒿、白羊草群落、達烏里胡枝子群落(表2)。其主要原因是狼牙刺為半灌木植被，又伴生鐵桿蒿、茭蒿等草本植物，根系較發(fā)達，有利于團聚體形成。白羊草是須根系草本植被，根系廣布，根系數(shù)量較多，有利于土壤形成團聚體。因此，白羊草群落和狼牙刺群落土壤團聚體含量較高。鐵桿蒿樣地和達烏里胡枝子樣地，植被蓋度較低，退耕時間相對較短(表1)，土壤形成的團聚體含量也會相對較少。

表2　不同植物群落下土壤理化性質

注：不同小寫字母表示不同群落同一處理下數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，不同大寫字母表示同一群落不同處理下數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，字母相同表示在顯著水平p<0.05水平上沒有顯著性差異，下表同。

(2) 不同植被條件下土壤理化性質對分離速率的影響。土壤分離速率受到容重、團聚體、有機質等土壤自身性質與坡面水蝕因子共同作用的影響[13]。在水蝕因子條件一致的情況下，主要從土壤自身性質的角度分析土壤分離速率的影響因子。運用相關性分析可得表3，各種植物群落下土壤分離速率隨著容重的增大而增加，二者呈顯著正相關；土壤分離速率與有機質、團聚體呈顯著負相關，有機質與團聚體的增加將導致土壤分離速率減小。表明土壤理化性質是分離速率的重要影響因素。

土壤理化性質與不同植物群落下土壤分離速率相關程度有差異。容重與狼牙刺群落下土壤分離速率的相關程度最高，達烏里胡枝子次之，鐵桿蒿再次之，白羊草最低。有機質與鐵桿蒿群落下土壤分離速率的相關程度最高，達烏里胡枝子次之，狼牙刺再次之，白羊草最低。團聚體與鐵桿蒿群落下土壤分離速率的相關程度最高，達烏里胡枝子次之，白羊草再次之，狼牙刺最低。運用逐步回歸可得表4，不同植物群落下土壤分離速率的主導因素也有差異，影響狼牙刺、白羊草群落下土壤分離速率的主導因素是容重；影響鐵桿蒿、達烏里胡枝子群落下土壤分離速率的主導因素為有機質。在不考慮植被類型差異的情況下，團聚體對土壤分離速率的影響作用弱于容重和有機質。

表3　土壤理化性質與土壤分離速率相關性

注：*表示在0.05水平上顯著相關，**表示在0.01水平上顯著相關，下表同。

表4　土壤理化性質與土壤分離速率回歸方程

注：Dr為土壤分離速率，X1為狼牙刺群落的土壤容重，X2為鐵桿蒿群落的土壤有機質，X3白羊草群落的土壤容重，X4為達烏里胡枝子群落的土壤有機質。

2.2.2不同植被條件根系特征對分離速率的影響

(1) 不同植被條件下根系特征的差異。狼牙刺、鐵桿蒿群落下含冠層土壤根長密度、根系表面積密度大于含結皮土壤(表5)。主要是因為含冠層土壤是以植株為中心采取，靠近根系；含結皮土壤是在無植株覆蓋的地面上采取，離根系遠。根系的各個指標數(shù)值隨取樣位置與植株距離的增加而減少，表明取樣位置是影響根系的各個指標因素之一。在含冠層土壤中，鐵桿蒿群落的根系生物量密度值大于白羊草群落，主要因為白羊草根系無明顯主根，微根發(fā)達，根徑較小，烘干后根系質量較輕，而鐵桿蒿有明顯主根，其主根較白羊草根系較粗、長，烘干后質量較重。在含根系土壤中，根長密度、根系表面積密度表現(xiàn)為狼牙刺>白羊草>達烏里胡枝子(表5)，主要因為達烏里胡枝子群落蓋度低、生物量?。欢茄来倘郝渖w度高、生物量大，且自身根系發(fā)達。

鐵桿蒿為直根系草本植物，須根少，水平方向上根系不發(fā)達，含結皮土壤中基本無根系分布，故其根系特征各項指標中含冠層土壤顯著高于含結皮土壤。白羊草屬于須根系草本植被，毛根較多，水平方向上分布范圍廣，其含結皮土壤有其根系生長，故白羊草群落含冠層土壤、含根系土壤、含結皮土壤的根長密度、根系表面積密度、根體積密度之間無顯著性差異。達烏里胡枝子群落為豆科植被，須根較直根系發(fā)達，有側根生長，故其根系表面積密度、根長密度在不同處理下無顯著性差異。

表5　不同植物群落下根系特征

(2) 不同植被條件根系特征對分離速率的影響。運用相關性分析可得表6，在狼牙刺、鐵桿蒿群落下土壤分離速率與根系生物量密度、根長密度、根系表面積密度、根體積密度呈顯著負相關，體現(xiàn)了根系穿插固結土壤從而提高土壤抗侵蝕能力的作用。白羊草群落下土壤分離速率與根長密度、根系表面積密度、根體積密度呈顯著負相關，與根系生物量密度無相關性。達烏里胡枝子群落下土壤分離速率與根系表面積密度呈顯著負相關，與根系生物量密度、根長密度、根體積密度無相關性。

表6　根系特征與土壤分離速率相關性

根系特征與不同植物群落下土壤分離速率的相關程度有差異。根系生物量密度與狼牙刺群落下土壤分離速率的相關程度大于鐵桿蒿。根長密度與狼牙刺群落下土壤分離速率的相關程度最高，鐵桿蒿次之，白羊草最低。根系表面積密度與鐵桿蒿群落下土壤分離速率的相關程度最高，狼牙刺次之，白羊草再次之，達烏里胡枝子最低。根體積密度與鐵桿蒿群落下土壤分離速率的相關程度最高，狼牙刺次之，白羊草最低。運用逐步回歸可得表7可知，不同植物群落下土壤分離速率的主導因素也有差異。影響狼牙刺、鐵桿蒿、白羊草群落下土壤分離速率的主導因素是根長密度；影響達烏里胡枝子群落下土壤分離速率的主導因素是根系表面積密度。在不考慮其他因素的作用下，根系生物量密度、根體積密度對土壤分離速率的影響作用弱于根長密度、根系表面積密度。

表7　根系特征與土壤分離速率回歸方程

注：Dr為土壤分離速率，X1為狼牙刺群落的根長密度，X2為鐵桿蒿群落的根長密度，X3白羊草群落的根長密度，X4為達烏里胡枝子群落的根系表面積密度。

2.3　土壤分離速率回歸方程

為了準確描述土壤分離速率與土壤理化性質、根系特征間的關系，將所有的分析因子都納入分析，運用SPSS 20.0進行多元線性回歸分析試驗數(shù)據(jù)?？傻猛寥婪蛛x速率回歸方程Dr=0.086-0.035X1+1.367X2(R2=0.767，N=36，p=0.000，X1為土壤有機質；X2為土壤容重)。

從方程可以看出，土壤團聚體以及根系生物量密度、根長密度、根系表面積密度、根體積密度經(jīng)逐步回歸分析后被剔除出回歸方程?？梢娡寥览砘詫ν寥婪蛛x速率的作用強于根系的作用，其中土壤有機質、土壤容重起關鍵作用。

3　討論與結論

(1) 不同植被類型間，狼牙刺群落下土壤分離速率最小，顯著低于達烏里胡枝子，與鐵桿蒿、白羊草群落下土壤分離速率差異性不顯著；不同處理下，含結皮土壤分離速率最大，含根系土壤次之，含冠層土壤最小。

(2) 土壤分離速率隨著容重的增大而增加，二者呈顯著正相關，與Bennett[35]，Zhang[16]等研究結論不一致，因為本研究中，土壤分離速率的關鍵因素不止有容重，還有有機質，且還受到根系的制約。當其他因素對分離速率的影響大于容重的作用時，分離速率不會隨土壤容重增大而變小[10]；土壤分離速率與有機質，團聚體呈顯著負相關，有機質與團聚體的增加將導致土壤分離速率減小，與李靜[10]、劉紅巖[36]等結論一致。從土壤理化性質的角度分析，不同植物群落下土壤分離速率的主導因素不同，影響狼牙刺、白羊草群落下土壤分離速率的主導因素是容重；影響鐵桿蒿、達烏里胡枝子群落下土壤分離速率的主導因素為有機質。

(3) 土壤分離速率與其根系生物量密度、根長密度、根系表面積密度、根體積密度呈負相關，與呂剛[37]、Zhou[38]等結論一致，體現(xiàn)了根系在土壤中的串連、盤結以及分泌物的固結作用，從而降低土壤分離速率。從根系特征的角度分析，不同植物群落下土壤分離速率的主導因素不同。影響狼牙刺、鐵桿蒿、白羊草群落下土壤分離速率的主導因素是根長密度；影響達烏里胡枝子群落下土壤分離速率的主導因素是根系表面積密度。

(4) 土壤分離速率可用回歸方程Dr=0.086-0.035X1+1.367X2(R2=0.767，N=36，p=0.000；X1為土壤有機質，X2為土壤容重)表示。土壤理化性對土壤分離速率的作用強于根系的作用。其中土壤有機質、土壤容重起關鍵作用。本文中土壤分離速率回歸方程與張曉艷[1]研究結論不一致，可能是由于樣地間植被特征差異以及土壤取樣方式差異導致。張曉艷采用垂直剖面采樣，其土壤理化性質與根系特征與本文差異顯著，在其研究中，土壤分離速率受到理化性質與根系特征共同影響。

本研究在固定坡度、徑流量的前提下，探討土壤理化性質與根系特征對土壤分離速率的影響。后續(xù)研究中，可以設置不同的坡度與流量進行土壤分離速率研究，增強研究結論的廣泛代表性。本文涉及到冠層因素、根系因素、土壤特性對分離速率的影響，還有其他的影響因素，如枯落物、腐殖質，土壤含水量、孔隙度等未被考慮在內。另外，根系與土壤理化性質間的相互關系以及根系強化土壤抗分離能力的生物作用、物理作用、化學作用的大小關系有待繼續(xù)研究。

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