施 欽, 蘆治國(guó), 徐 銘, 張 銳, 華建峰, 陳昌仁

(1.江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 江蘇 南京 210014; 2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處, 江蘇 淮安 223100)

防護(hù)林體系作為林業(yè)生態(tài)工程的主體在維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施、抵御自然災(zāi)害和維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著巨大作用[1]。水利防護(hù)林在水域行洪區(qū)和堤防等范圍內(nèi)提供了生態(tài)防護(hù)功能，是生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署[2]。江蘇省河湖眾多，水網(wǎng)密布，有豐富的河流、湖泊灘地、河堤以及水庫(kù)坡地，為水利防護(hù)林營(yíng)造提供了充分的空間。積極的水利綠化應(yīng)用不僅可以產(chǎn)生令人矚目的社會(huì)效益，更有助于生態(tài)文明建設(shè)取得積極成效。當(dāng)前中國(guó)人工林建設(shè)蓬勃發(fā)展，在林分管理、分類(lèi)經(jīng)營(yíng)、體系建設(shè)等方面研究較多[3-5]，但對(duì)于水利防護(hù)林的水土保持功能以及護(hù)堤防蝕效益研究較少。

土壤抗蝕性表現(xiàn)為土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分力和搬運(yùn)作用的抵抗能力，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過(guò)程的綜合效應(yīng)。典型喀斯特森林土壤研究顯示有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、團(tuán)聚度能較好地表征喀斯特林地土壤抗蝕性[6]。黃進(jìn)等[7]針對(duì)桐廬山生態(tài)林選取土壤水穩(wěn)性指數(shù)、團(tuán)聚度、分散率、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了土壤抗蝕性等級(jí)評(píng)價(jià)體系。防護(hù)林因其林齡、林分樹(shù)種組成以及林下結(jié)構(gòu)配置不同，土壤抗蝕性能也有所差異。洪澤湖大堤防護(hù)林主要由楊樹(shù)(Populussimoniivar.przewalskii、垂柳(Salixbabylonica)和水杉(Metasequoiaglyptostroboides)組成，其間次生刺槐(Robiniapseudoacacia)和樸樹(shù)(Celtissinensis)等，是防止風(fēng)浪侵蝕湖堤的重要防護(hù)工程。目前關(guān)于洪澤湖大堤的防護(hù)林研究均集中于樹(shù)種種植與生長(zhǎng)表現(xiàn)[8-9]，或者僅僅是測(cè)定林下理化性質(zhì)差異[10]，并未針對(duì)不同植物群落護(hù)堤防蝕效應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步探討。因此，本文擬通過(guò)對(duì)洪澤湖大堤防護(hù)林群落開(kāi)展定量測(cè)定，深入研究大堤植物根系和土壤抗沖抗蝕性能及其穩(wěn)定性的關(guān)系，分析不同樹(shù)種林分群落結(jié)構(gòu)水土保持功能及護(hù)堤防蝕效應(yīng)的差異，以期為洪澤湖大堤生物防護(hù)工程提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)為水利防護(hù)林的建設(shè)設(shè)計(jì)與科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)(32°13′ N，118°49′ E)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.3 ℃，四季分明，無(wú)霜期240 d，年平均降水量940 mm。洪澤湖大堤全長(zhǎng)67.25 km，其中省管段25.1 km，防護(hù)林臺(tái)面高程為14.5 m，寬度為50 m，迎湖面堤防面積約106 hm2，目前利用方式為全部種植植物。

1.2 樣地設(shè)置

采取典型樣地取樣法，于2020年7月在洪澤湖大堤迎水面，依據(jù)防護(hù)林植物組成及群落特征選取經(jīng)營(yíng)一致(常規(guī)管護(hù))、長(zhǎng)勢(shì)良好的5種群落作為測(cè)定樣地，包括楊樹(shù)群落(Populussimoniivar.przewalskii)、水杉群落(Metasequoiaglyptostroboides)、楊樹(shù)與水杉混交林群落(Populussimoniivar.przewalskii×Metasequoiaglyptostroboides)、樸樹(shù)群落(Celtissinensis)和狗牙根(Cynodondactylon)群落，各群落的坡向和坡位基本相同。每個(gè)植物群落內(nèi)分別選取代表性樣地(25 m × 25 m)，調(diào)查林分樹(shù)種組成及生長(zhǎng)狀況，主要調(diào)查指標(biāo)為樹(shù)高、胸徑、冠幅和郁閉度。隨后，以S型隨機(jī)選取4個(gè)典型土樣采集點(diǎn)挖取土壤剖面，用50 cm3環(huán)刀沿剖面按0—15，15—30，30—45 cm將土壤分為3層取原狀土。因此，每種植物群落每土層取樣4個(gè)，即4次重復(fù)；本試驗(yàn)共有土樣60個(gè)。將所取樣品標(biāo)記并裝入自封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

用鋼圍尺在樹(shù)干距地面1.3 m處測(cè)得的直徑即為樹(shù)木胸徑；使用布魯萊斯測(cè)高器測(cè)量樹(shù)高；冠幅為樹(shù)冠東西和南北兩方向的投影直徑。郁閉度測(cè)量采用系統(tǒng)樣點(diǎn)抬頭觀測(cè)法，沿樣方對(duì)角線進(jìn)行一米一抬頭觀測(cè)，用樹(shù)冠遮擋點(diǎn)除以總樣點(diǎn)數(shù)即為郁閉度。用環(huán)刀在每層土壤剖面取樣后，去除土壤中的昆蟲(chóng)和石塊等異物，分揀根系，依次用1.0 mm和0.5 mm孔徑的不銹鋼網(wǎng)篩沖洗。反復(fù)過(guò)篩沖洗3～5次后，用鑷子將細(xì)根從篩子中挑出，用濾紙將水吸干，計(jì)數(shù)，然后將其置于烘箱中80 ℃恒溫下烘干48 h后稱(chēng)重，計(jì)算根系生物量。

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱氧化法[11]，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用濕篩法測(cè)定[12]。土壤侵蝕往往最先作用于表層土壤，因此本試驗(yàn)僅針對(duì)0—15 cm的表層土壤進(jìn)行了抗沖行和抗蝕性測(cè)定。土壤抗沖性測(cè)定應(yīng)用C.C.索波列夫抗沖儀，以表層0—15 cm土壤的抗沖指數(shù)表示。在1個(gè)大氣壓力下，用10個(gè)直徑0.7 mm的水柱對(duì)表層土壤持續(xù)沖擊1 min，使其產(chǎn)生水蝕穴，以10個(gè)水蝕穴的平均直徑和平均深度乘積的倒數(shù)作為該土層的抗沖指數(shù)[13]。

式中：A為抗沖指數(shù);di為第i個(gè)水蝕穴的直徑(cm)；li為第i個(gè)水蝕穴的深度(cm)。

土壤崩解率和水穩(wěn)性指數(shù)采用靜水崩解法測(cè)定，將干篩后留在3 mm篩上的3～6 mm的土壤粒體數(shù)出100粒，放入1 mm孔徑不銹鋼網(wǎng)篩上進(jìn)行浸水試驗(yàn)，使蒸餾水剛好覆蓋土粒表面。每隔1 min記錄崩解的土粒數(shù)目，連續(xù)記錄10 min，然后計(jì)算土壤水穩(wěn)性指數(shù)[12]。

式中：K為土壤水穩(wěn)性指數(shù)；Pi為第imin分散的土粒數(shù)量；P為10 min內(nèi)未分散的土粒數(shù)量；Ki為第imin的校正系數(shù)；S為供試土?？倲?shù)，即100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理及相關(guān)性分析利用Microsoft Excel 2007(Microsoft Inc，USA)、SPSS 19.0(IBM Software，USA)進(jìn)行，采用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，作圖軟件采用Origin Pro 9.1(Origin Lab，USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物群落的生長(zhǎng)情況

在所有植物群落中，楊樹(shù)的平均胸徑、樹(shù)高、冠幅和郁閉度均高于其他植物，而樸樹(shù)的平均胸徑、樹(shù)高和冠幅最低，水杉的郁閉度最低(表1)。在0—45 cm土層深度內(nèi)，隨著土層深度的增加，5種植物群落的根系生物量逐漸降低。0—15 cm土層根系生物量占總根系生物量的比例，最高的為樸樹(shù)群落，達(dá)到65.2%，而楊樹(shù)×水杉占比最低，僅為47.7%。0—15 cm土層，樸樹(shù)根系生物量最高(p<0.05)，其余依次為狗牙根、楊樹(shù)、楊樹(shù)×水杉、水杉；15—30 cm土層，楊樹(shù)和樸樹(shù)的根系生物量顯著高于(p<0.05)其他植物群落；30—45 cm土層，樸樹(shù)根系生物量最高(p<0.05)，狗牙根根系生物量?jī)H為0.22 kg/m3，顯著低于(p<0.05)木本群落(表1)。

表1 不同植物群落的生長(zhǎng)情況

2.2 不同植物群落土壤容重和孔隙度

洪澤湖大堤不同植物群落的土壤容重在1.19～1.46 g/cm3之間變化，且0—15 cm和15—30 cm的土壤容重顯著低于(p<0.05)底層(30—45 cm)，表明底層土壤更為緊實(shí)(表2)。在所有植物群落中，狗牙根、楊樹(shù)和樸樹(shù)群落各土層的土壤容重較大，而水杉(1.19～1.35 g/cm3)和楊樹(shù)×水杉混交林群落(1.27～1.39 g/cm3)的土壤容重較低，說(shuō)明相對(duì)其他植物群落，水杉和楊樹(shù)×水杉混交林群落的土壤較為松散(表2)。

楊樹(shù)群落和楊樹(shù)×水杉混交林群落各層土壤總孔隙度和非毛管孔隙度的變化趨勢(shì)相同，表現(xiàn)為0—15 cm和15—30 cm土層顯著高于(p<0.05)30—45 cm土層。大多數(shù)情況下，楊樹(shù)和樸樹(shù)群落3個(gè)土層的總孔隙度高于其他群落，說(shuō)明種植楊樹(shù)和樸樹(shù)防護(hù)林可以明顯增強(qiáng)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，平均為17.7%，而狗牙根群落的非毛管孔隙度最低，平均為11.1%(表2)。

表2 洪澤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機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量

依據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，洪澤湖大堤5種植物群落的土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值在4級(jí)及以上，土壤較為肥沃。在0—45 cm土層范圍內(nèi)，5種植物群落土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加都呈遞減趨勢(shì)。0—15 cm和15—30 cm土層，楊樹(shù)和樸樹(shù)群落的土壤有機(jī)質(zhì)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)，分別為22.2，18.3 g/kg。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體是由有機(jī)質(zhì)膠結(jié)而成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，被水浸濕后不易解體，具有較高的穩(wěn)定性。從表3可以看出，各粒徑團(tuán)聚體含量從大到小依次為<0.25 mm團(tuán)聚體，>2 mm團(tuán)聚體，0.05～0.25 mm團(tuán)聚體以及0.25～2 mm團(tuán)聚體。5種群落各土層團(tuán)聚體含量差異變化較大，各團(tuán)聚體含量隨著土層沒(méi)有一致性變化。0—15 cm和15—30 cm土層中，楊樹(shù)群落<0.25 mm團(tuán)聚體含量高于其他植物群落。除樸樹(shù)群落外，其余4種群落以<0.25 mm團(tuán)聚體為主，占比均超過(guò)50%。樸樹(shù)群落>0.25 mm團(tuán)聚體含量最高(592 g/kg)，依次是楊樹(shù)×水杉(499 g/kg)、狗牙根(439 g/kg)、水杉(439 g/kg)，最低是楊樹(shù)(421 g/kg)。>0.25 mm的團(tuán)聚體是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量大小與土壤的穩(wěn)定性狀況呈正相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn)，5種植物群落中，樸樹(shù)可以更好地維持洪澤湖大堤土壤穩(wěn)定性。

表3 不同群落水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)的分布特征

2.4 不同植物群落的土壤抗沖指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)

如圖1所示，0—15 cm表層土壤抗沖指數(shù)在狗牙根、楊樹(shù)、楊樹(shù)×水杉和樸樹(shù)群落之間沒(méi)有顯著差異，但是均顯著高于(p<0.05)水杉群落。狗牙根和楊樹(shù)群落0—15 cm表層土壤的水穩(wěn)性指數(shù)顯著高于(p<0.05)樸樹(shù)和楊樹(shù)×水杉群落，而水杉群落則顯著低于(p<0.05)其他植物群落。這表明水杉群落表層土壤的抗侵蝕能力最弱，林下土壤遇水更容易崩蝕。

注：不同小寫(xiě)字母表示不同植物群落之間差異顯著(p<0.05)。

2.5 植物群落根系生物量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

如表4所示，植物根系生物量與土壤有機(jī)質(zhì)含量、總孔隙度、0.25～2 mm團(tuán)聚體含量、抗沖指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，同樣，其與土壤容重和>2 mm團(tuán)聚體達(dá)到顯著正相關(guān)(p<0.05)。然而，植物根系生物量與<0.25 mm團(tuán)聚體極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重、總孔隙度、毛細(xì)管孔隙度、>2 mm團(tuán)聚體、抗沖指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。此外，植物群落土壤的抗沖指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)還與土壤容重(p<0.01)、總孔隙度(p<0.05)顯著正相關(guān)。

表4 植物根系生物量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

3 討 論

防護(hù)林是洪澤湖大堤防洪工程的重要組成部分，植物尤其是喬木為主體的防護(hù)林群落通過(guò)地上部分，包括冠層、地表枯落物以及莖干等有效地減弱侵蝕動(dòng)力對(duì)地表的沖刷作用，不僅可以增加入滲、減緩流速以及分散大堤股流，同時(shí)能改善土壤結(jié)構(gòu)，較大提升土壤抗侵蝕能力[14-16]。本研究對(duì)洪澤湖5種植物防護(hù)林群落的調(diào)查表明，楊樹(shù)的平均樹(shù)高胸徑和郁閉度等均遠(yuǎn)高于其他幾種木本植物防護(hù)林群落，而這幾個(gè)指標(biāo)是森林穩(wěn)定性及森林生態(tài)影響的決定因素。楊樹(shù)和樸樹(shù)防護(hù)林有機(jī)質(zhì)含量在所有防護(hù)林群落中較高，土壤的通透性強(qiáng)，水杉群落表層土根系生物量最低，且抗侵蝕能力最弱。

樸樹(shù)群落土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體含量最高，水穩(wěn)性最優(yōu)，不易受到外界環(huán)境的擾動(dòng)。團(tuán)聚體形成與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在密切關(guān)系，因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)是土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的有機(jī)膠結(jié)劑[17-18]。四川省內(nèi)江市沱江護(hù)岸植被研究顯示，土壤水穩(wěn)性指數(shù)與>0.25 mm團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)的關(guān)聯(lián)系達(dá)到0.815，0.829[19]。根系與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，根系輸入有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率高于地上部分的枯落物，僅僅是細(xì)根(<2 mm)的分解，就可將超過(guò)50%的養(yǎng)分歸還到森林生態(tài)系統(tǒng)中[20]。在洪澤湖大堤防護(hù)林中，樸樹(shù)和楊樹(shù)群落根系生物量顯著高于其他幾種植物群落，其根系分解幫助有機(jī)質(zhì)從防護(hù)林生物庫(kù)轉(zhuǎn)移到大堤林下土壤庫(kù)，因而其林下土壤在水穩(wěn)定性方面較有優(yōu)勢(shì)。不僅如此，樸樹(shù)群落相比于水杉和楊樹(shù)有更多的林間灌木，林下植被多樣性與覆蓋度較高，凋落物分解代謝較快，相比于其他植物群落能有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳的增加，是其土壤水穩(wěn)定性高的物質(zhì)基礎(chǔ)。

楊樹(shù)×水杉群落土壤穩(wěn)定性大于楊樹(shù)和水杉群落，主要是因?yàn)獒樔~與闊葉的混交林樹(shù)冠層厚間隔，林內(nèi)光照利用率較高，林下物種豐富度大于純楊樹(shù)和水杉群落。楊樹(shù)作為洪澤湖防護(hù)林的主要樹(shù)種，雖然其有機(jī)質(zhì)含量和土壤通氣蓄水效應(yīng)較高，但是趨于老化且病蟲(chóng)害嚴(yán)重，林相雜亂，導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性效益減退[21]?？迪ｎ５萚22]研究表明中度混交林地不僅群落穩(wěn)定性要高于純林，其林下物種豐富度和林下更新能力也有較明顯優(yōu)勢(shì)。蘇北海堤杉木×楊樹(shù)混交林林木生長(zhǎng)研究結(jié)果顯示，混交林林木生長(zhǎng)、林地土壤結(jié)構(gòu)狀況和養(yǎng)分含量均好于純林[23]。作為針葉樹(shù)種的水杉群落，其土壤穩(wěn)定性及抗侵蝕效益均不理想，這與其他學(xué)者研究結(jié)論基本一致[24-26]，針葉林的水土保持效益顯著低于闊葉林。針對(duì)洪澤湖大堤存在的楊樹(shù)林效益低下問(wèn)題，可以通過(guò)與水杉等其他樹(shù)種合理混交，后期通過(guò)調(diào)節(jié)楊樹(shù)和其他樹(shù)種的種間關(guān)系，以達(dá)到充分利用地力提高大堤林分穩(wěn)定性的目的。

本試驗(yàn)相關(guān)性分析證實(shí)防護(hù)林群落土壤的抗蝕性與表層土壤中植物根系生物量密切相關(guān)。原因在于根系能通過(guò)提高土壤的抗沖性、抗蝕性能有效地減少土壤流失量，使植被覆蓋條件下的地表侵蝕作用大大降低，因而植物根系發(fā)達(dá)、分布廣泛的土壤往往也具有較強(qiáng)的抗蝕性[27-28]。從表層土抗沖指數(shù)與水穩(wěn)性指數(shù)來(lái)看，狗牙根群落的防蝕效應(yīng)明顯優(yōu)于其他木本植物群落，這主要是因?yàn)椴荼局参锔抵饕蟹植荚诘乇?，相?duì)于木本植物，狗牙根根系蔓延力強(qiáng)，易形成交錯(cuò)的密集網(wǎng)狀根系，對(duì)表層土壤的抗蝕作用也顯得突出[29]。李東林等[30]在對(duì)京杭運(yùn)河淮安段水利防護(hù)林群落護(hù)堤防蝕效應(yīng)中也得出早熟禾(Poaannua)群落土壤抗蝕性最強(qiáng)的結(jié)論。嫩江大堤護(hù)坡植物根系及土壤抗沖、抗蝕及抗剪強(qiáng)度的測(cè)定分析，草本植物根系有較強(qiáng)的固持土壤功能，抗沖指數(shù)與根長(zhǎng)、根量間有明顯的相關(guān)性[31]。但是狗牙根群落在30—45 cm土層根系生物量含量顯著低于木本群落，從對(duì)深層次土壤的影響來(lái)看，木本植物護(hù)堤效益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)狗牙根群落。

4 結(jié) 論

不同防護(hù)林群落在洪澤湖護(hù)堤抗蝕效益方面有所差異，楊樹(shù)、樸樹(shù)和狗牙根群落土壤穩(wěn)定性較高，護(hù)堤防蝕能力突出。植物群落的護(hù)堤防蝕效應(yīng)與根系生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重、總孔隙度顯著正相關(guān)。防護(hù)林群落能通過(guò)地表凋落物及根系的綜合影響明顯改善林下土壤的物理性質(zhì)。雖然楊樹(shù)群落防護(hù)能力突出，但是老化嚴(yán)重，遇臺(tái)風(fēng)易折，蟲(chóng)害和楊絮問(wèn)題日益暴露，針對(duì)目前以楊樹(shù)為主的防護(hù)林，可進(jìn)行合理的林相改造、加強(qiáng)群落配置等提高群落整體生態(tài)效應(yīng)。與此同時(shí)，構(gòu)建密度適宜的針闊葉混交林可以更高效地提升洪澤湖大堤水杉防護(hù)林的防浪護(hù)堤效益。