裸露砒砂巖區不同植被類型土壤團聚體穩定性與抗蝕性能

楊振奇, 郭建英, 秦富倉, 劉鐵軍, 劉艷萍, 邢恩德

(1.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓荒漠草原生態水文野外科學觀測研究站 北京 100038；2.水利部 牧區水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010020； 3.內蒙古農業大學沙漠治理學院， 呼和浩特 010019)

團聚體是土壤的基本結構單元，團聚結構的穩定性是指團聚體面對降雨擊打和機械震動等外力分散作用的抵抗力[1]。自然界中降雨對團聚體的破壞形式可以歸納為3方面：①雨滴通過擊打使團聚體破碎，從而增加土壤緊實度。②團聚體經過雨水浸泡產生的膨脹分散。③瞬時暴雨使團聚體孔隙封閉造成的氣爆現象[2-4]。特別是在干旱和半干旱地區，土壤貧瘠，降雨時空分布不均，少數幾場暴雨便能引起劇烈的土壤侵蝕作用，該區生態修復的成效，不僅體現在區域植被覆蓋度的提高和水土流失的控制上，更體現在區域土壤生態功能的恢復和土壤抗蝕性的提升上。研究植被—土壤的協同演變關系，并將其應用在植被生態系統的退化和人工植被恢復重建中是土壤學科時下研究的熱點[5-6]。

砒砂巖區是黃河流域上中游地帶的粗泥沙集中來源區[7]，砒砂巖區按照基巖出露程度和覆土類型被分為蓋土區、蓋沙區和裸露區。裸露砒砂巖區基巖大幅出露，養分貧瘠，土壤侵蝕劇烈，水土流失治理難度極大[8]。近30 a間，砒砂巖區實施了退耕還林和小流域綜合治理等一系列生態修復工程，營造了大面積人工植被，生態環境整體好轉，但是局部地區的水土流失趨勢依舊嚴峻。砒砂巖區不同人工植被類型下土壤團聚體結構成何種特征？人工植被對于土壤抗蝕性能具有何種影響？下階段植被建設工作的方向如何？這一系列問題均是砒砂巖區水土流失治理工作中亟需解決的關鍵問題。目前，關于土壤團聚體結構與抗蝕性能關系的研究成果多集中在黃土區、黑土區和紅壤土區，在砒砂巖地區的研究成果相對較為薄弱[9-11]。為此，本研究選取裸露砒砂巖區常見油松林、山杏林、沙棘林、檸條林以及退耕苜蓿草地等人工植被為研究對象，研究不同植被類型土壤團聚體特征及土壤抗蝕性能，以期為砒砂巖區的土壤侵蝕的預報提供數據支撐以及該區生態修復工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區鮑家溝流域位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗，地理坐標為110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在1 110～1 300 m之間；流域地形北高南低；氣候屬典型大陸性季風氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫熱，年均氣溫7.2 ℃，年降雨量388.3 mm；土壤類型以黃綿土、風沙土為主；研究區自20世紀末實施生態移民政策，流域內目前無人居住，土地利用類型以林地和草地為主。植被以人工植被為主，常見青楊(Populuscathayana)、旱柳(Salixmatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、側柏(Platycladusorientalis)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Prunusarmeniaca)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、豬毛菜(Salsolanitraria)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 研究方法

于2018年7—8月，在研究區內選取分布面積最廣，立地條件一致，且林齡均為15 a的典型純林布設樣地，選取油松林、山杏林、檸條林、山杏林和人工苜蓿草地(退耕年限為10 a)，以天然裸地作為對照，每種植被類型設置樣地3個。采取隨機取樣方法，選取3個取樣點，共設置45個取樣點，開挖土壤剖面，記錄土層厚度，分別按0—20，20—40，40—60 cm的3個土層深度采集原狀土樣(部分樣地覆土層較薄，覆土層下為土壤與砒砂巖風化物的混合物)，每個樣點隨機采集5份樣品。

土壤團聚體采用Le Bissonnais法[2]進行測定。測定步驟如下：①快速濕潤法，取5 g土樣浸于蒸餾水中10 min；②慢速濕潤法，取5 g土樣置于張力為0.3 kPa濾紙上，靜置使團聚體完全濕潤；③擾動濕潤法，取5 g土樣體浸沒在酒精中排出空氣后，置于三角瓶振蕩。將上述處理的土壤轉移到浸沒在95%濃度酒精中的套篩內，上下振蕩20次后，40 ℃烘箱中蒸干酒精，再烘干48 h，分級稱重，重復測試3次。

本文采用Shirazi公式法，可蝕性K因子采用Shiraz模型[12]計算，其公式如下：

(1)

式中：K為土壤可蝕性因子; GMD為團聚體幾何平均直徑數據。

土壤崩解速率采用靜水稱重法進行測定，自制稱重儀器由燒杯、掛網、懸掛架、電子天平等部分組成，將原狀土放入掛網中，勻速放入盛水的燒杯中，燒杯下方為電子天平。記錄初始讀數，并開始計時，初始每個10 s記錄讀數，而后隔1 min記錄一次電子天平的讀數，直至連續5次讀數相等，崩解結束，觀測時長不超過30 min。單位時間內燒杯中掉落的土壤重量即為崩解速率[13]。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤團聚體特征

相同土層深度下，不同處理條件下的土壤團聚結構呈現不同的特征，以0—20 cm深度土壤為例，由圖1可以看出在慢速濕潤處理下，土壤結構中以2 mm以上的團聚為主，其含量約占整體的34.02%～60.85%，其余依次為1～2 mm的團聚約占整體的11.86%～17.37%，0.5～1 mm的團聚約占整體的3.54%～12.42%，0.5 mm以下的團聚體約占整體的19.74%～38.20%；預濕擾動處理條件下，增加了前擾動處理，削弱了孔隙的封閉作用，2 mm以上的團聚體占14.79%～40.17%，雖然含量有所下降仍占據土壤結構的主要組成部分；快速濕潤處理條件下，土壤經過短暫的浸濕后立即濕篩，團聚結構外表封閉后內部產生氣爆現象使大團聚體破碎分解為小團聚體，土壤團聚體的分布情況也隨之改變，2 mm以上團聚體持續減小含量降至4.69%～15.11%之間，0.5 mm以下團聚體含量大幅提升，含量在47.52%～70.07%之間。相同處理條件下，隨著土層深度的增加，2 mm以上的團聚含量隨之下降，相應的0.1 mm以下的團聚含量隨之增加。

圖1 不同植被類型下各土層土壤團聚結構分布

從各植被類型的土壤團聚體粒級分布情況來看，土壤團聚的分布特征較為接近。但各植被類型土壤結構抵抗破壞的程度卻略有不同，由慢速法到快速法，裸地土壤中2 mm以上團聚體下降了86.21%，有植被覆蓋土壤2 mm以上團聚體的損失相對較少，山杏林和沙棘林分別下降了74.67%和80.43%；從土層深度對團聚體分布情況的影響來看，隨著土層深度的增加，土壤中1 mm以上的團聚體含量明顯下降，1 mm的團聚體含量呈不同程度的增加趨勢，20—40 cm土層深度0.5～1 mm的團聚體含量提升了9.38%～41.80%，而40—60 cm土層深度范圍內，0.1 mm以下的團聚含量大幅提升其含量在70.77%～90.70%之間，占據了土壤結構的主體。

從各植被團聚體的平均直徑和破壞率來看(圖2)，裸地土壤在0—20 cm土層深度，慢速法、預濕擾動和快速法處理的土壤團聚直徑分別為1.14 mm，0.82 mm和0.50 mm，表明快速法會使土壤團聚結構大幅分散破碎為細小團聚體，快速浸泡下產生的氣爆作用對土壤團聚結構的損壞最為劇烈。隨著土層深度的增加，土壤團聚體逐漸變得細小，這可能與土壤養分的減少有關，如草地土壤在慢速法處理條件下，由表層土壤到60 cm深度土壤，其質量平均直徑由1.14 mm，減小到0.35 mm。0—20 cm土層深度，慢速處理下各植被類型土壤團聚結構的質量平均直徑在1.14～1.53 mm之間，裸地和草地土壤的團聚體直徑要顯著低于灌木林地和喬木林地。

圖2 不同植被類型下土壤質量平均直徑GWD分布特征

結合圖3分析，各植被土壤水穩性團聚體的破壞率，可以直觀的比較各植被土壤團聚體的穩定性能，橋形圖的長短反映了土壤團聚體的破壞率，隨著土層深度的增加，各植被類型土壤的團聚體破壞率均呈上升趨勢。相同土層深度下，裸地土壤團聚體的破壞率顯著高于其他植被類型，其余各植被類型土壤團聚體的破壞率大小呈現：草地>油松林>山杏林>檸條林>沙棘林的趨勢，也說明植被對于土壤團聚結構的穩定性具有提升作用，且以沙棘林等灌木林相對較為明顯。

圖3 不同植被類型下土壤水穩性團聚體的破壞率PAD分布特征

2.2 植被類型對土壤可蝕性的影響

圖4為各植被類型土壤在不同處理條件下的土壤可蝕性的變化情況，土壤在慢速濕潤處理下，土壤可蝕性K值范圍為0.045～0.076之間，可以看出0—20 cm土壤結構具備一定抗蝕能力，土壤可蝕性相對較低，各植被類型土壤可蝕性由小到大依次為，沙棘林(0.045)、油松林(0.046)、山杏林(0.046)、檸條林(0.048)、草地(0.051)，隨著土層深度的增加，土壤中的團聚結構由粗粒結構向細粒結構轉變，土壤易侵蝕的敏感程度也隨之增加，各植被類型土壤可蝕性K值均有不同程度的升高。土壤在預濕擾動處理下，可蝕性K值變化范圍在0.05～0.079之間，相對慢速處理土壤的抗蝕能有所下降，各植被類型土壤可蝕性由小到大依次為，油松林(0.050)、沙棘林(0.055)=山杏林(0.055)、檸條林(0.058)、裸地(0.057)、草地(0.063)；土壤在快速濕潤法處理下，可蝕性K值變化范圍在0.057～0.092之間，表明土壤在面對瞬時暴雨條件時，無論何種植被類型土壤結構都容易被破壞，土壤的可蝕性會急劇增加。隨著土層深度的增加，兩種處理方式下的土壤可蝕性均呈增加趨勢。

圖4 植被類型對不同深度處土壤可蝕性K值的影響

土壤的抗崩解能力是指土壤在靜水中維持結構穩定和抵抗分解崩塌的能力，是國內常用的衡量土壤可蝕性的指標之一[14]。圖5為各植被類型不同土層深度土壤在靜水中的崩解速率，0—20 cm土壤的崩解速率的范圍在0.13～0.80 g/min之間，以裸地土壤抗崩解能力最弱，崩解速率顯著高于有植被覆蓋的土壤，其次為草地土壤，其崩解速率為0.54 g/min，喬木和灌木林地土壤的崩解速率在0.11～0.22 g/min之間，抗崩解能力約是草地和裸地的3.67倍和4.96倍，各林地間土壤的崩解速率差異不顯著；隨著土層深度的增加，土壤結構中細小團聚結構占據了主體部分，土壤的抗蝕能力下降，20—40 cm土層深度，裸地的土壤崩解速率仍保持最高為1.51 g/min，各植被類型土壤崩解速率由大到小依次為，草地(0.76)、檸條林(0.49)、油松林(0.46)、沙棘林(0.45)、山杏林(0.43)。40—60 cm土層深度，各植被類型土壤的崩解速率在0.48～1.38 g/min之間，隨著土層深度的增加，各植被類型土壤的崩解速率均呈上升趨勢，這是因為土壤中養分的衰減以及根系密度下降，導致土壤的抗崩解能力隨之減弱，與團聚結構特征和可蝕性的變化規律一致。

2.3 植被類型對土壤抗蝕性能的影響

為了明確人工植被對土壤抗蝕性能的影響，以裸地小區的產流產沙量為基準，分析各植被類型減少的產流產沙量(圖6)。7次降雨的平均降雨量為23.22 mm，平均降雨歷時為599 min，平均降雨強度為2.33 mm/h，以裸地的平均土壤侵蝕量最大為4.55 t/hm2，沙棘林的土壤侵蝕量最小為0.22 t/hm2，約為裸地侵蝕量的4.4%。相同降雨條件下，各植被類型的減沙作用也有所區別，以第4次的短歷時強降雨(降雨量為56.4 mm，降雨歷時為597 min)為例，各植被類型的減沙率現：沙棘林>油松林>山杏林>檸條林>草地的規律；隨著降雨量的增大，各植被類型下的土壤侵蝕量均成增加趨勢，相同植被類型對不同降雨的減沙率的差異在12.62%左右，不同植被類型對7場降雨的平均減沙率依次為沙棘林(94.34%)、山杏林(93.69%)、油松林(93.56%)、檸條林(89.64%)、草地(70.12%)。

圖6 不同植被類型的減沙能力對比

注：*表示差異顯著。

通過將土壤侵蝕量與團聚體特征及抗蝕性能指標進行相關分析后可知(表1)，自然降雨條件下砒砂巖區土壤侵蝕量與土壤崩解速率和土壤團聚體破碎率呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.94，0.97，與土壤可蝕性和團聚體質量平均直徑的相關性不顯著。土壤崩解速率與土壤可蝕性K值和團聚體破碎率呈顯著正相關關系，相關系數為0.90，與團聚體質量平均直徑呈顯著負相關關系，相關系數為0.89。土壤團聚體破碎率與土壤崩解速率呈顯著正相關關系，相關系數為0.90，與土壤可蝕性和團聚體質量平均直徑的相關性不顯著。

表1 土壤侵蝕量與團聚體特征及抗蝕性能的關系

以上分析充分說明人工植被能有效提升土壤的抗蝕性能，減少土壤侵蝕量，各人工植被中以沙棘林土壤的抗蝕性能最強。植被的生長發育過程能夠有效改善土壤團聚體結構，降低土壤團聚體在降雨條件下的破碎率，提高土壤的抗侵蝕性能，從而有效削減土壤侵蝕量。

3 討 論

土壤的抗蝕性能對于侵蝕環境的變化極為敏感，其發展速度和方向伴隨著侵蝕環境中某一類或多類因素的變化[15-16]。本研究顯示，慢速濕潤處理條件下，土壤結構中以2 mm以上的團聚體為主，含量在34.02%～60.85%；預濕擾動處理條件下，2 mm以上的團聚體占14.79%～40.17%；快速濕潤處理條件下2 mm以上團聚體含量在4.69%～15.11%之間，以快速濕潤處理對土壤團聚體的破壞最為嚴重。相關研究表明，侵蝕性降雨是黃土高原地區水力侵蝕的主要決定性因素，年內土壤流失過程主要由幾場暴雨造成的侵蝕組成[17-18]，短歷時暴雨的降雨量、降雨強度與坡面的產流產沙均呈極顯著的正相關關系[19-20]。裸露砒砂巖區地處黃土高原第一副區地貌單元，區域氣候基本一致，年內降雨基本集中在夏秋兩季，研究區土壤侵蝕過程同樣也受年內的少數暴雨過程決定。本研究結果顯示，隨著降雨強度的增加，各植被類型下的土壤侵蝕量均成增加趨勢，土壤侵蝕量與土壤崩解速率和團聚體破碎率呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.94，0.97。說明土壤團聚體結構的穩定性與土壤的抗蝕性能密切相關，而在自然狀態下，暴雨條件下雨滴的擊打作用和短期內形成徑流的浸泡作用可能是影響土壤團聚體結構穩定性的重要因素。

植被類型除對地表的產流過程有調節作用外，更為主要的作用是對土壤的抗蝕性能和土壤的整體質量的改良作用[21]。本研究顯示，各植被類型土壤結構抵抗破壞的能力有所不同，由慢速法到快速法，裸地土壤中2 mm以上團聚體下降了86.21%，裸地土壤團聚體的破壞率顯著高于其他植被類型，其余各植被類型土壤團聚體的破壞率呈草地>油松林>山杏林>檸條林>沙棘林的趨勢。這是因為裸地所在區域基巖大幅裸露，砒砂巖的原生礦物成分單一，伍艷等[22]對砒砂巖養分的分析表明，砒砂巖風化物的有機質等養分含量較低，且裸露基巖經過風、水和凍融等外力作用下，結構松散更易于潰散侵蝕。朱燕琴等[23]的研究表明，植被能夠顯著改善區域土壤質量，各植被類型中以沙棘林的抗蝕能力最強。自20世紀80年代末起，砒砂巖區大面積開展人工植被建設，土地利用類型以林地為主，林地大量蓄積的枯枝落葉為有機質的形成提供了豐富的來源，所以林地土壤有機質含量高于草地和裸地[24]。在林齡相同的前提下，沙棘萌蘗能力極強，能在短時間內積累大量生物量，而油松等林地在造林初期，伴隨著機械和人工大面積整地，這也造成土壤養分流失，油松林對土壤抗蝕性能改良作用并不明顯，劉釗等[25]和王改玲等[26]研究與本文觀點一致。

4 結 論

(1) 不同處理方式對砒砂巖區土壤中2 mm以上團聚體含量影響較大，慢速濕潤處理條件下占34.02%～60.85%，預濕擾動處理條件下，其含量約下降20%，快速濕潤處理條件下其含量約下降45%。

(2) 砒砂巖區土壤侵蝕量與土壤崩解速率和土壤團聚體破碎率呈極顯著正相關關系，土壤團聚體的穩定性決定了土壤的抗蝕性能，從提高土壤的抗蝕性能角度看，沙棘等人工植被能夠顯著增強土壤團聚體結構的穩定性，降低土壤的可蝕性，提升土壤的抗蝕性能，從而有效削減侵蝕產沙過程。