李彥 谷會巖 陳月明

(中國林學(xué)會，北京，100091) (東北林業(yè)大學(xué))

土壤抗蝕性是指土壤抵抗水流和雨滴沖擊分散和懸浮的能力，常用作評價土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一[1]。土壤抗蝕性的降低，不僅會使土壤結(jié)構(gòu)體容易遭到水流的破壞而崩解，形成的細小顆粒伴隨淋溶過程堵塞土壤孔隙；而且能夠促進徑流匯集，沖走分散的土粒，導(dǎo)致水土流失的發(fā)生。在水土流失治理的各項措施中，植被措施無疑是最為長治有效的根本措施[2]。研究證明，植被根系不僅具有較強的對土體物理固持能力，而且能夠?qū)ν寥澜Y(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響[3]，促進土壤抗蝕性的提高。因此，植被根系的固土作用，是改善土壤侵蝕發(fā)生環(huán)境的重要驅(qū)動因素[4]。

東北黑土區(qū)，不僅是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，而且是維系國家糧食安全的“壓艙石”。由于歷史上過度開墾和不合理的耕作，自然和人為因素共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致黑土層變薄、土壤有機質(zhì)與肥力下降、土壤生境質(zhì)量退化嚴(yán)重，所以防治水土流失、遏制土地生產(chǎn)力退化成為黑土區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要任務(wù)[5]。迄今，有關(guān)植被保水固土作用方面的研究，地域上主要集中在三峽庫區(qū)、黃土高原區(qū)；研究內(nèi)容上多以地上部分的降水的調(diào)節(jié)為主，而對地下部分根系的作用研究相對較少[6-9]。因此，本文以典型黑土區(qū)的主要植被類型下的土壤為研究對象，通過細根特征與土壤抗蝕性間關(guān)系的分析，揭示不同植被類型及不同徑級的細根特征對土壤抗蝕性的影響程度、植被的細根對黑土土壤抗蝕性的影響，旨在為科學(xué)評價黑土區(qū)植被的固土保水能力提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗地點位于黑龍江省克山農(nóng)場，地處訥河市與克山縣交界處，位于松嫩平原東北部、小興安嶺西麓，地理坐標(biāo)東經(jīng)125°7′40″～125°37′30″、北緯48°11′15″～48°24′7″。區(qū)域內(nèi)平均海拔315 m，地貌類型以漫川漫崗為主。該區(qū)屬溫帶亞濕潤季風(fēng)性氣候，年平均降水量502.5 mm左右，主要集中于夏季、秋季，容易形成內(nèi)澇。原始地帶性植被為溫帶草原草甸，經(jīng)多年開發(fā)利用，現(xiàn)存植被以農(nóng)作物為主，鑲嵌分布有天然草地、人工林以及沼澤植被等類型。由于開墾歷史悠久，天然植被喪失殆盡，區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，坡耕地水土流失面積占農(nóng)場耕地總面積的67.44%。本區(qū)主要水土流失的形式為面蝕和溝蝕，平均土壤侵蝕模數(shù)可達11 116.6 t/(km2·a)。

2 研究方法

2017年9月，在克山農(nóng)場選擇立地條件相近的樟子松(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，簡稱水樟人工混交林)和以黃花蒿(Artemisiaannua)、苔草(Carextristachya)為優(yōu)勢種的天然草地(簡稱天然草地)為試驗地，選擇耕地作為對照試驗地(見表1)，在每個試驗地內(nèi)分別設(shè)置20 m×20 m的樣地3塊；在每塊樣地內(nèi)沿1條對角線均勻機械布設(shè)3個樣點，按照不同土壤深度(h)范圍(0

表1 不同類型植被的林分特征與土壤性質(zhì)

在設(shè)置每塊樣地中沿2條對角線機械布設(shè)9個取樣點，用于采集細根樣品。用內(nèi)徑58 mm的土鉆分上(0

將采集的原狀土，在室內(nèi)沿著自然結(jié)構(gòu)掰成小塊，風(fēng)干后分別過5、10 mm篩，取100粒用于崩解實驗，每次崩解25粒。將土粒放到孔徑1 mm的篩網(wǎng)上，水面沒過土粒，崩解實驗時間設(shè)定為10 min，重復(fù)4次[7]。采用公式計算土壤抗蝕指數(shù)[11]：

土壤抗蝕指數(shù)=(實驗土?？倲?shù)-實驗結(jié)束時崩解的土粒數(shù))/實驗土粒總數(shù)。

采用Excel 2003和SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析和最小顯著差異法比較不同處理間的差異，采用Pearson法進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型植被的細根特征差異

植被根系，尤其是細根特征，是改善土壤侵蝕發(fā)生環(huán)境的重要驅(qū)動因素之一[3，11]。測定結(jié)果表明，4種類型植被的0

由表2可見：在不同植被類型之間，3種喬木植被各級細根的質(zhì)量密度、根長密度、根表面積密度，均顯著大于草地植被的參數(shù)值(P<0.05)。3種喬木植被中，除0

表2 0

表3 不同類型植被細根的垂直空間分布特征

由表3可見：不同土層范圍之間，研究的4種類型植被的各徑級細根質(zhì)量密度、根長密度、根表面積密度的大小，均以表層土壤(0

產(chǎn)生上述差異的主要原因：一方面，根系的徑級大小與其功能有關(guān)[12]，d≤1 mm細根的主要功能，是吸收水分、礦質(zhì)營養(yǎng)、分泌次生代謝產(chǎn)物[13]，需要維持一定的生物量、較大的根長密度、根表面積密度。另外，由于土壤屬性空間分布不均一性，是導(dǎo)致根系空間異質(zhì)性的主要原因，表層土壤更加肥沃，導(dǎo)致了細根的表聚現(xiàn)象。另一方面，植物根系的生長，除受內(nèi)在遺傳基因的影響外[14]，還受外部生長環(huán)境的影響[15]；不同物種遺傳特性的差異，導(dǎo)致了生長特性的不同?；旖粭l件下，樹種根系的生長，除受樹種特性、林地營養(yǎng)條件的影響外，還受種間關(guān)系的影響。水曲柳與樟子松混交，樟子松枯落物對自身生長有促進作用[16]，而且闊葉樹種的引入還可以進一步改善土壤的養(yǎng)分狀況；但是當(dāng)樟子松枯落物浸出液的濃度過大時，則會抑制其他植物的生長[16]，最終導(dǎo)致了樟子松水曲柳混交林的細根特征發(fā)生了變化。

3.2 不同類型植被對土壤抗蝕性的影響

土壤抗蝕性是指土壤抵抗外營力對其分散和破壞的能力，主要受土壤內(nèi)在的物理化學(xué)性質(zhì)影響，常用土壤的抗蝕指數(shù)表征。本研究發(fā)現(xiàn)，不同樣地間土壤的抗蝕指數(shù)差異較大，在0

表4 不同類型植被的土壤抗蝕指數(shù)測定結(jié)果

由表4可見：隨著土層的加深，土壤的抗蝕指數(shù)均減小，并且表層土壤抗蝕指數(shù)顯著大于下層土壤抗蝕指數(shù)(P<0.05)。植被恢復(fù)，對表層土壤、下層土壤抗蝕性的影響存在明顯不同。在表層土壤中，植被土壤的抗蝕指數(shù)為0.59～0.90，喬木植被土壤抗蝕指數(shù)顯著大于草地植被土壤抗蝕指數(shù)(P<0.05)；喬木植被之間土壤抗蝕指數(shù)的差異不顯著，但是，水曲柳人工林、水樟人工混交林對土壤抗蝕性的影響程度，大于樟子松人工林的影響程度。在下層土壤中，耕地土壤的抗蝕指數(shù)為0，說明土壤在實驗時間內(nèi)完全崩解；喬木植被的土壤抗蝕指數(shù)變化范圍為0.53～0.74；與表層土壤相同，喬木植被土壤抗蝕指數(shù)顯著大于草地植被土壤抗蝕指數(shù)(P<0.05)；在喬木植被之間，樟子松人工林、水樟人工混交林土壤抗蝕指數(shù)顯著大于水曲柳人工林土壤抗蝕指數(shù)(P<0.05)，且以水樟人工混交林的影響程度最大。

產(chǎn)生上述變化的主要原因：一方面，土壤抗蝕性的大小，主要取決于土壤顆粒之間的膠結(jié)力、土壤顆粒與水的親和力[17]；有機質(zhì)是土壤顆粒形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，同時也影響土壤顆粒與水的親和力[18]；土壤的pH也會影響土壤的穩(wěn)定性[19-20]。另一方面，植被恢復(fù)改善了土壤的理化性質(zhì)，增強了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]，從而提高土壤的抗蝕性。與草地植被相比，喬木植被群落比較穩(wěn)定，對土壤理化性質(zhì)的綜合改良作用相對較大[2，21-23]。另外，由于表層土壤中各類型喬木植被的有機質(zhì)含量均較高，在下層土壤針葉樹種根系中較高的碳含量[24]、土壤pH值較低[7]以及枯落物中含有較多的樹脂和芳香物質(zhì)的綜合作用，降低了土壤顆粒與水的親和能力，使針葉植被和針闊混交植被下層土壤的抗蝕性較高。

3.3 土壤抗蝕性與植被細根特征的關(guān)系

對土壤抗蝕指數(shù)與細根的質(zhì)量密度、根長密度、根表面積密度之間的關(guān)系，進行Pearson相關(guān)性分析(見表5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植被細根的質(zhì)量密度、根長密度、根表面積密度與土壤的抗蝕指數(shù)，均呈正相關(guān)，但是不同類型植被的細根特征參數(shù)與土壤抗蝕指數(shù)間的相關(guān)程度不同。水曲柳人工林，各徑級的細根特征參數(shù)與土壤抗蝕指數(shù)，均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，且根長密度、根表面積密度與土壤抗蝕指數(shù)的決定系數(shù)達0.97以上。樟子松人工林，除0

表5 不同類型植被的細根特征參數(shù)與土壤抗蝕指數(shù)相關(guān)性

通常，根系在土壤中的物理穿插和化學(xué)分泌作用，可以通過改變土壤結(jié)構(gòu)，進而改變土壤抗蝕性。本研究發(fā)現(xiàn)，0

4 結(jié)論

典型黑土區(qū)4種類型植被中，0

研究的4種類型植被均顯著提高了黑土的土壤抗蝕性，但植被類型不同對土壤抗蝕性的影響程度有所不同。喬木植被對土壤抗蝕性的影響程度顯著高于草地植被的影響程度，并以下層土壤中對土壤抗蝕性的影響程度更明顯；不同類型喬木植被對表層土壤抗蝕性無顯著影響，針葉人工林、針闊混交林能夠顯著提高下層土壤的抗蝕性。鑒于植被細根對土壤抗蝕性影響的作用大小，0