黃土丘陵溝壑區歐李人工林對坡面土壤分形特征及可蝕性的影響

李金峰, 劉 林, 薛麗萍, 孫雁君, 杜俊杰, 王鵬飛

(1.山西省水土保持科學研究所, 山西 太原 030045; 2.山西農業大學 園藝學院, 山西 太谷 030801)

黃土丘陵溝壑區歐李人工林對坡面土壤分形特征及可蝕性的影響

李金峰1, 劉 林1, 薛麗萍1, 孫雁君1, 杜俊杰2, 王鵬飛2

(1.山西省水土保持科學研究所, 山西 太原 030045; 2.山西農業大學 園藝學院, 山西 太谷 030801)

[目的] 研究中國特有經濟作物歐李對坡面土壤性質的影響，為其在黃土丘陵溝壑區推廣種植提供參考依據。 [方法] 布設5塊立地條件不同的試驗樣地，在汛期前后，分別對各樣地土壤相關指標進行測定，利用PSD分形模型及EPIC土壤抗侵蝕模型，定量分析歐李對坡面土壤顆粒分形維數及抗侵蝕能力的影響。 [結果] (1) 在汛期，歐李人工林對坡面土壤黏粒具有顯著的攔截作用，魚鱗坑式歐李林可有效保護坡頂處土壤，水平階式歐李林在坡中、坡底位置可有效攔截徑流中的土壤細顆粒并富集黏粒； (2) 坡面土壤分形維數與土壤砂粒含量呈顯著負相關，相關系數為-0.611；與土壤黏粒含量呈顯著正相關，相關關系為0.770； (3) 歐李林的種植可降低研究區土壤可蝕性因子K值，提高土壤抗侵蝕能力，不同整地方式下歐李林對土壤可蝕性因子K值的影響效果總體表現為：水平階>魚鱗坑>自然坡； (4) 土壤可蝕性因子K值與土壤的有機質和黏粒含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.957，-0.928；與土壤容重、砂粒含量和粉粒含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.704，0.667，0.512。[結論] 種植歐李對黃土丘陵溝壑區控制坡耕地黏粒流失，提高土壤有機質含量，優化土壤結構，增強土壤抗蝕能力具有積極的意義。

歐李林; 顆粒組成; 分形維數; 土壤可蝕性

文獻參數： 李金峰, 劉林, 薛麗萍, 等.黃土丘陵溝壑區歐李人工林對坡面土壤分形特征及可蝕性的影響[J].水土保持通報，2017,37(2)：21-26.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.003； Li Jinfeng, Liu Lin, Xue Liping, et al. Effects ofCerasusHumilison Soil Fractal Characteristics and Erodibility on Sloping Cropland in Loess Hilly and Gully Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：21-26.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.003

晉西黃土丘陵溝壑區地處中國西北生態脆弱區，生態環境惡劣，一直是中國水土流失最為嚴重的地區之一[1]。土壤自身抗侵蝕能力的大小是影響水土流失的重要因素之一，國內外學者[2-5]已經研究證明，土壤粒徑分布具有分形特征，粒徑分布指數(particle size distribution， PSD)是土壤理化性質的重要指標之一，對定量研究土壤水文性質、肥力狀況及抗蝕性等具有重要的意義。植被恢復被認為是改善土壤結構、提高土壤質量，增強土壤抗蝕能力的有效方法，但受晉西黃土丘陵溝壑區特殊的立地條件和氣候環境限制，適合于該地區推廣種植的植物資源非常匱乏，且市場價值低，農民種植積極性不高，從而形成環境惡劣—人民貧困—植被稀缺的惡性循環模式[6-7]。歐李(Cerasushumilis)是中國獨有的新型經濟果樹，與美國藍莓、俄羅斯大果沙棘領軍世界第3代水果，經濟價值極高且在市場中非常受歡迎。作為植物資源，歐李具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特點。長期以來，許多學者[8-10]對歐李的育種養殖、營養價值及果品加工等方面進行了深入細致的研究，而針對歐李作為水土保持植物對其土壤顆粒分形特征及土壤可蝕性K值影響作用的研究鮮見報道。本研究旨在通過PSD分形模型及EPIC土壤抗侵蝕模型定量分析歐李林對晉西黃土丘陵溝壑區坡耕地土壤分形特征及土壤可蝕性的影響，以期豐富歐李相關水土保持功能的研究，為其在黃土丘陵溝壑區推廣種植提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在山西省呂梁市柳林縣留譽鎮的聯盛生態農業文化園區內(110°54′—110°56′E，37°13′—37°15′N)，屬于典型的黃土高原丘陵溝壑地貌。該區屬于暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.5 ℃，年均日照時間2 449.5 h，年無霜期199 d，年均降雨量369.4 mm，多集中在5—9月的汛期，約占全年降水的70%。土壤類型以第四紀黃土為主，質地疏松，保水保肥力差，易遭降雨侵蝕，造成水土流失。植被多樣性差，以草本植物和灌木為主，生態環境脆弱。

1.2 試驗小區的選取與布設

2014年在試驗區內修建了5個徑流觀測小區，規格為長(20 m)×寬(10 m)，陽坡面，土壤均為黃褐土，小區坡度均為15°。同年，在2，3，4號小區分別定植林齡為3 a的歐李林，但整地方式不同；1號小區為撂荒地小區，無植被；5號小區為荒草地小區，植被為黃刺玫、馬蒿草等雜草。定植的植被株行距均為1.0 m×0.5 m，各小區特征詳見表1。水平階整地采用沿等高線自上而下的里切外墊，修成1.0 m寬的小臺階，臺面外高里低，呈倒坡形；魚鱗坑整地，沿等高線自上而下挖牙形魚鱗坑，呈品字配置，魚鱗坑長徑0.6 m，短徑0.4 m，深0.4 m；自然坡面不進行整地，按品字形翻挖直徑0.4 m，深0.4 m的坑。

表1 試驗小區基本特征

1.3 土樣的采集及分析方法

分別于2015年4月采集本底土樣和2015年10月采集汛期后(5—9月)的土樣。兩次土樣均在相同的采樣點采用同種方法采集：以1號小區為例，以坡長10 m處為界，分為上坡區和下坡區，共4個采樣點，坐標分別為：下坡區1號(5 m，2.5 m)，2號(5 m，5 m)；上坡區3號(5 m，10 m)，4號(5 m，15 m)。4個采樣點分別采集0—20 cm表層土壤，并在周圍0—30 cm范圍內平行設置2個重復，將平行土樣混合，每個采樣點取約0.5 kg混合土樣帶回實驗室進行室內測定。沿等高線在相同位置布設其他4個小區的采樣點，用同種方法采集混合土樣，每次采集20個混合土樣，2次合計40個土樣。試驗區土壤基本物理性質詳見表2。

將取回的混合土樣，去除根系、礫石等雜物，經風干、過篩后測定相關指標。機械組成采用吸管法，土壤容重采用環刀法，pH值采用電位法，有機質含量采用硫酸重鉻酸鉀法進行測定。

表2 試驗區土壤基本物理性質

1.4 模型選取

利用黃冠華[12]推導的模型計算土壤顆粒分形維數D，選用EPIC模型[11]計算土壤可蝕性因子K值。

(1) 黃冠華模型。模型方程為：

(1)

(2)

式中：SAN——砂粒(粒徑2～0.05 mm)含量(%)；SIL——粉粒(粒徑0.05～0.002 mm)含量(%)；CLA——黏粒(粒徑<0.002 mm)含量(%)；C——有機碳含量(%)；SN=1-SAN/100。

2 結果與分析

2.1 歐李林對土壤分形特征影響

2.1.1 土壤分形維數變化特征 土壤顆粒粒徑的大小對土壤的水、肥、氣、熱等功能具有重要的影響[13]。依據美國土壤粒級制土粒大小分類標準劃分，共分為3類，分別為砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。對2個時期各小區采樣點土壤顆粒分形維數分析，統計其變化特征(圖1)。可以看出，1—5號小區與本底值相比，采樣點1的土壤顆粒分形維數變化量分別為0.005 1，0.097 6，0.073 3，0.055 2，0.039 9；采樣點4的變化量分別為-0.169 1，-0.031 8，-0.027 5，-0.041 1，-0.080 6。結果表明，汛期前后歐李林小區坡面土壤分形維數整體明顯增加，而撂荒地小區和荒草地小區坡面分型維數整體明顯降低。從圖1可知，歐李人工林在不同整地方式下土壤顆粒分形維數增加程度存在差異性。總體效果表現為：2號水平階小區>3號魚鱗坑小區>4號自然坡小區。

圖1 小區各采樣點土壤分形維數變化情況

2.1.2 土壤顆粒分形維數與土壤質地的關系 在2個采樣期分別對各小區4個采樣點的坡面土壤質地及土壤顆粒分形維數進行分析，將砂粒、粉粒及黏粒的含量與同期土壤分形維數進行線性方程擬合，分析土壤顆粒分形維數與土壤質地的關系(圖2)。結果表明，土壤分形維數與坡面土壤砂粒含量呈顯著負相關關系(R2=-0.611)，與黏粒含量呈顯著正相關關系(R2=0.770)，與粉粒含量相關關系不顯著(R2=0.111)。與黃冠華等[12]和馬云等[14]研究結果對比，黏粒含量對當地土壤分形維數的影響程度更加顯著。通過圖1—2可以看出，在汛期坡面上的土壤細顆粒會隨徑流向下遷移，并在坡底處累積。與1號小區和5號小區對比，2，3，4號小區的上坡處土壤分形維數下降程度低，下坡處增幅明顯。且2，3，4號歐李人工林小區坡面同一位置土壤分形維數有較大差異，其中在坡頂處(采樣點4)，3號小區的保土效果最佳，表明在坡頂處采用魚鱗坑的整地方式對控制降雨引起的細溝侵蝕和減少坡面土壤細粒流失具有重要的保護作用；在坡中處(采樣點3)及下坡處(采樣點1，2)水平階可更好的攔截徑流中的土壤中黏粒，細粒富集效果明顯。

2.2 歐李林對土壤可蝕性的影響

2.2.1 土壤可蝕性K值變化特征 分別對汛期前后各觀測小區采樣點土壤可蝕性因子K值進行計算，分析K值的變化特征(圖3)。由圖3可知，1—5號小區土壤可蝕性因子K值變化量依次為：0.003 5，-0.006 1，-0.006 5，-0.001 6和0.002 1，說明經過汛期降雨的沖刷，撂荒地小區和荒草地小區的土壤可蝕性因子K值增大，而定植歐李的觀測小區K值下降。定植歐李小區對土壤可蝕性因子K值的影響效果總體表現為：2號水平階小區>3號魚鱗坑小區>4號自然坡小區。其中坡頂位置采樣點4(3號小區>4號小區>2號小區)，坡中位置采樣點3(2號小區>4號小區>3號小區)，坡底位置采樣點1，2(3號小區>2號小區>4號小區)。由此可以看出，不同整地方式下歐李人工林對坡面各位置土壤可蝕性因子K值的影響存在差異。

圖2 觀測小區土壤顆粒分形維數與顆粒組成的關系

圖3 觀測小區各采樣點土壤可蝕性因子K值變化情況

2.2.2 土壤可蝕性因子K值影響因素分析 目前國內外評價影響土壤可蝕性因子的指標眾多[15-17]，本研究根據晉西黃土丘陵溝壑區坡耕地土壤的實際特點并結合已有研究成果篩選出5類指標，對0—20 cm土壤可蝕性因子K值影響因素進行綜合分析。5類影響指標分別為：砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、有機質含量及容重。研究采用主成分分析法，結果詳見表3。

由表3可知，主成分1，2的特征值均大于1，累積方差貢獻率為93.397%，可以反映土壤的抗蝕能力，因此選擇主成分1，2代表5類指標分析對土壤可蝕性因子K值的影響程度。

表3 K值影響指標的主成分矩陣

對主成分1，2各項影響指標載荷情況進行分析可知(表4)。主成分1中，有機質含量的載荷最大，其次是容重；主成分2中，黏粒含量的載荷最大，其次是砂粒含量和粉粒含量。土壤可蝕性因子K值與土壤的有機質含量和黏粒含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.957，-0.928；與土壤容重、砂粒含量和粉粒含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.704，0.667，0.512。

表4 K值影響指標因子分析主成分載荷

3 討 論

(1) 在汛期，歐李人工林對晉西黃土丘陵溝壑區坡面土壤顆粒流失具有一定的防治作用，表現為在其他相同條件下，與撂荒地試驗區和荒草地試驗區相比，歐李林試驗區上坡處土壤分形維數下降程度低，下坡處土壤分形維數增幅明顯，可見，歐李人工林對土壤顆粒流失有顯著的攔截作用，能夠改善當地粉砂質土壤的質地，增加黏粒含量，起到蓄水保土的作用。

(2) 從分析數據看，不同整地方式下歐李林對坡面土壤分形維數影響效果不同，且適用區域也存在差別。在采樣點1，2，3處，歐李林土壤分形維數增幅程度：水平階>魚鱗坑>自然坡；在采樣點4處，土壤分形維數下降程度：魚鱗坑<水平階<自然坡。因此，在黃土丘陵溝壑區坡耕地上種植歐李，應根據實際地形將各類整地方式進行有機結合，并考慮植物產量，建立坡底—坡中—坡頂的系統種植模式，以實現降低降雨侵蝕、提高植被存活率、增加農民收入的目的。

(3) 在晉西黃土丘陵溝壑區，坡面土壤顆粒分形維數與砂粒含量呈顯著負相關，與黏粒含量呈顯著正相關，與粉粒含量相關關系不顯著。與黃冠華等[12]和馬云等[14]研究結果對比，黏粒的含量對當地土壤分形維數的影響程度更加顯著。因此，當地坡耕地水土流失治理的重點應集中在對坡面土壤黏粒流失的控制方面。

(4) 土壤可蝕性因子K值可直接反映土壤被侵蝕的難易程度，K值越小代表土壤抗侵蝕能力越強，坡面的土壤越難流失[14]。經過汛期降雨的沖刷，撂荒地小區和荒草地小區的K值增大，而定植歐李林的觀測小區K值減小，表明歐李林的種植可以提高坡面土壤的抗蝕能力。歐李特殊的“根莖一體化”結構能夠形成密集的莖節和根系網，對小粒級的土壤顆粒具有顯著的機械攔截作用，減少徑流沖刷；厚密的枯枝落葉層可有效保護土壤水分，促進微生物活動，加速有機質的分解和轉化，從而提高土壤抗侵蝕能力，減少坡面水土流失的發生。

(5) 對土壤可蝕性因子K值進行主成分分析，發現K值與土壤的有機質含量、黏粒含量呈極顯著負相關，與土壤容重、砂粒含量和粉粒含量呈顯著正相關。因此，在黃土丘陵溝壑區坡耕地上種植歐李林這種高經濟價值的水土保持植物對控制坡面黏粒流失、提高土壤有機質含量、優化土壤結構、降低土壤容重，增加土壤蓄水量、減少徑流侵蝕等方面具有積極的意義，更是當地農民增加經濟收入、改善生態環境的有效途徑。

(6) 本研究定植的歐李林齡為3 a，研究周期相對較短。隨著年份、氣候和環境因素的變化，土壤分形維數特征和可蝕性因子K值也會產生相應的年際變化。另外，歐李林對坡面土壤性質的影響受諸多因素共同制約，有待于延長試驗周期，做進一步深入研究。

4 結 論

(1) 在汛期，黃土丘陵溝壑區坡面土壤顆粒流失以黏粒為主，隨徑流由坡頂向坡底處遷移，土壤顆粒分形維數變化特征表明歐李林對坡面流失的土壤細顆粒有顯著的攔截作用。

(2) 不同整地方式下的歐李林土壤顆粒分形維數變化特征存在差異，魚鱗坑可有效保護坡頂處土壤，減少黏粒流失，水平階在坡中、坡底處對流失的土壤細顆粒具有顯著的攔截作用，富集黏粒。

(3) 坡面土壤分形維數與土壤砂粒含量呈顯著負相關關系，相關系數為-0.611；與土壤黏粒含量呈顯著正相關關系，相關系數為0.770；與土壤粉粒含量相關性不顯著。

(4) 歐李林的種植可降低試驗區土壤可蝕性因子K值，提高土壤抗侵蝕能力，在汛期減少水土流失的發生。不同整地方式下歐李林對K值的影響效果總體表現為：水平階>魚鱗坑>自然坡。

(5) 坡面土壤可蝕性因子K值與土壤的有機質含量、黏粒含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.957，-0.928；與土壤容重、砂粒含量和粉粒含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.704，0.667，0.512。

(6) 歐李是中國特有的經濟型果樹，研究結果表明，歐李林可以有效控制黃土丘陵溝壑區坡耕地黏粒流失，提高土壤有機質含量，優化土壤結構，增強土壤抗蝕能力，對當地增加農民收入和改善生態環境具有積極的意義。

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Effects ofCerasusHumilison Soil Fractal Characteristics and Erodibility on Sloping Cropland in Loess Hilly and Gully Region

LI Jinfeng1, LIU Lin1, XUE Liping1, SUN Yanjun1, DU Junjie2, WANG Pengfei2

(1.ShanxiInstituteofSoilandWaterConservation,Taiyuan,Shanxi030045,China; 2.CollegeofHorticulture,ShanxiAgricultureUniversity,Taigu,Shanxi030801,China)

[Objective]Cerasushumiliswere unique economic fruit trees in China, its effects on soil physicochemical properties of slope field were studied to provide scientific basis for the extension and plantation in loess hilly area. [Methods] Relevant indexes of 5 fields with different standing conditions were measured before and after flood season. The effects of plantingCerasushumilison soil fractal feature and soil erodibility on sloping cropland were analyzed by models of particle size distribution(PSD) and erosion-productivity impact calculator(EPIC). [Results] (1) During the flood season, planting had obviously buffer function against movement of soil clay particles on slop. Plantation in fish scale-like pit could effectively protect the slope surface soil; Plantation in level-terrace pit had significant effects on the interception and enrichment of soil fine particles in the middle and bottom of slope. (2) Soil fractal dimension was correlated negatively with soil sand particles with a coefficient of -0.611; while it had an significantly opposite correlation with clay particles, the correlation coefficient was 0.770. (3) By plantingCerasushumilis, the value of soil erodibilityKcould be reduced, correspondingly the anti-erosion ability could be improved. The effects on soil erodibility Kunder different land preparation methods ofCerasushumilisplantation had a rank as follows: level-terrace>scale-like>natural slope. (4) Negative correlations between soil erodibilityKand the contents of organic matter and soil clay particles, their correlation coefficients were -0.957, -0.928, respectively. And positive correlations betweenKand soil bulk density, soil sand particles and soil silt particles, the correlation coefficients were 0.704, 0.667 and 0.512. [Conclusion] PlantingCerasushumilishad positive significance to control soil clay particles loss, to increase organic matter content, to optimize soil structure, and to improve anti-erosion ability.

Cerasushumilisplantation; granule composition; fractal dimension; soil erodibility

2016-09-19

2016-10-21

山西省科技重大專項“經濟型灌木(鈣果)在山西生態脆弱區、工礦區生態恢復重建中的應用研究與示范”(20121101010)

李金峰(1976—),男(漢族),山西省萬榮縣人,碩士,高級工程師,主要從事水土保持基礎和應用研究。E-mail:sxsbs0351@163.com。

杜俊杰(1961—),男(漢族),山西省聞喜縣人,碩士,教授,主要從事果樹種質資源研究與創新。E-mail:xoa414@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0021-06

S157.4， S157.1