公路邊坡不同植被覆蓋土壤機械組成及抗蝕性分析

張 彬，謝賢健，茍千陶

(內江師范學院地理與資源科學學院，四川內江641000)

土壤機械組成也稱為土壤質地，是指土壤中礦物顆粒的大小及組成比例，其比例變化將會影響土壤其他理化性質[1]。近年來，諸多學者研究了不同植被覆蓋對土壤機械組成及其他理化性質的影響。唐炎林等[2]研究了西雙版納熱帶季節雨林與橡膠林在土壤機械組成、全氮、全磷和全鉀方面的差異，表明不同林分下土壤機械組成差異較大；羅歆等[3]研究表明縉云山不同植被類型覆蓋下土壤養分含量及物理性質差異均較大；譚長強等[4]利用方差分析法研究了廣西都安地區5種典型森林類型土壤的機械組成；謝賢健等[5]以自然坡面為對照，研究了沱江流域護岸植被中的草地、灌木、喬草和喬灌草模式下土壤理化指標的差異。以上研究表明，不同類型植被及其組合模式覆蓋下土壤的機械組成及理化性質均存在差異，其研究有助于科學栽培植被，改善生態環境。土壤抗蝕性是指土壤對水分散和懸移作用的抵抗能力，其強弱是衡量土壤是否容易受侵蝕營力破壞的重要參數[6-7]。土壤抗蝕性大小受土壤內在理化性質和外界環境的綜合影響，植被類型及其覆蓋模式的差異均顯著影響其抗蝕性[8]。肖盛楊等[9]研究表明喀斯特高原峽谷區不同植被類型的土壤抗蝕性差異顯著，楸樹林的增加能有效增加土壤抗蝕性；劉寬梅等[10]研究了灌叢、針葉林、闊葉林3種植被類型土壤抗蝕性能力的差異，結果表明在喀斯特地區闊葉樹種更有利于提高土壤抗蝕性；謝賢健等[5]利用主成分分析方法綜合評價了不同護岸植被土壤抗蝕性，其中喬草模式更有利于改善坡面土壤結構、提高抗蝕能力。總的來說，不同植被類型及其組合是影響區域土壤抗蝕性的主要因素之一，因此，分析不同植被覆蓋土壤抗蝕性，為區域水土保持及改善生態環境具有重要意義。

公路邊坡土壤為原始土壤進行填挖、修整之后產生的裸露土壤，其土壤理化特征及抗蝕性受人為因素和自然修復的影響，其特征與其他土壤具有較大差異，同時，有關公路邊坡土壤機械組成及抗蝕性的研究鮮有報道。筆者以內江市東興區與市中區的部分公路為例，選取喬木、喬草、喬灌草和草地模式土壤為研究對象，分析不同植被覆蓋土壤理化特征與機械組成，在利用土壤團聚體水穩性、顆粒分形維數、平均重量直徑和水穩性指數分析其抗蝕性的基礎之上，構建抗蝕性評價指標體系，利用熵權法計算土壤抗蝕性綜合指數，評價其土壤抗蝕性，以期為選取護坡植被模式及提高其土壤抗蝕性提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況試驗區位于四川省內江市東興區與市中區，地理位置為104°04′～105°24′E、29°25′～29°50′N，地勢平緩，平壩與淺丘相間，屬于典型的川中丘陵地貌。全區屬于亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫15～28 ℃，年降水量在1 000 mm以下，高溫期與多雨期基本一致，年日照時數在1 100～1 300 h，無霜期310 d左右。研究區大部分地區的土壤類型為紫色土，其森林植被類型為針葉林、闊葉林、竹林和灌木林等。內江處于川渝主干線中間地帶，是川東南及西南各省的交通交匯點，境內有內宜、成渝等重要高速公路，并有省道資瀘路、隆雅路等干線公路通過。

1.2 樣地選擇試驗區屬于206省道與321國道的內江段，為了探究公路邊坡不同植被類型土壤機械組成及抗蝕性差異，通過現場勘查，選取筑土方式和植被修復措施基本一致的公路邊坡路段，以喬木、喬草、喬灌草和草地4類植被類型的公路邊坡作為調查樣地，并綜合考慮地形、植被的典型性和年限等因素，試驗區植被平均恢復年限為5年，獲取樣地的經緯度、坡度、坡向、主要植物種類，各樣地基本概況如表1所示。

表1 樣地基本概況

1.3 樣品采集在野外調查的基礎上，2017年7—8月進行野外采集土樣，依據每個樣地邊坡地形特征，對每個樣地按上、中、下坡位共設置9個1 m×1 m的采樣點，每個樣點按照“四分法”采集1～20 cm的表層土壤，將相同坡位土壤進行均勻混合，即每個樣地采集土壤樣品3個，共采集12個有效樣品，去除石塊、雜草，將土壤樣品混合均勻，經過自然風干，封裝入袋，同時每個樣地按上、中、下坡位使用環刀采集原狀土3份，共12份，用于測定土壤容重等指標。

1.4 土壤理化指標的測定方法土壤容重、土壤比重、最大持水量、總孔隙度、毛管孔隙度采用環刀法和比重瓶法及其計算獲得[11]，土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰發射光譜法測定[12]。土壤水穩性團聚體采用團聚體濕篩法測定，土壤機械組成采用比重計速測法。每個土壤混合樣品重復試驗3次，然后取平均值，作為其土壤理化指標的測定值。

1.5 數據分析參考前人研究[13]，采用平均重量直徑(MWD)表示團聚體的穩定性，其計算公式如下：

(1)

式中，ri表示第i個篩子孔徑(mm)，r0=r1，rn=rn+1，mi為第i個篩子的破碎團聚體重量百分比。

水穩性指數是表征土壤抗蝕性的重要指標之一，其值越大，表示土壤顆粒遇雨水難分解，抗蝕性越強，其計算公式如下：

(2)

式中，K為水穩性指數，Pi為第i分鐘分散的土粒數量，i=1，2，3，…，10，Pj為10 min內沒有分散的土粒數，Ki為第i分鐘校正系數，A為供試驗的土粒總數。

土壤是具有分形特征的系統，土壤團粒結構的分形維數一定程度可以反映土壤抗蝕性的強弱，該研究采用參考文獻[14]中的分形模型計算公路邊坡土壤團聚體的分形維數。

熵權法是一種客觀賦權法，依據每個評價指標的變異性客觀確定其在評價體系中的權重，與主觀因素較多的層次分析法、損失信息較多的主成分分析法相比，其具有顯著優越性[15]，熵權法不僅客觀反映各抗蝕性指標在綜合抗蝕性的地位和作用，減小人為因素引起的誤差，且能夠反映各評價數據間的隱含信息。基于熵權法計算土壤抗蝕性指數的過程如下：

(1)構建判斷矩陣，設評價對象有m個，每個被評價對象有n個評價指標，其矩陣如下：

X=(xij)m×n

(3)

(2)不同抗蝕性指標之間存在量綱不同，采用原始值/最大值對研究數據進行標準化，其公式如下：

(4)

(3)計算指標信息熵，公式如下：

(5)

(4)計算指標j的權重，其公式如下：

(6)

(5)評價指標加權求和，其公式如下：

Bi=λ1x1+λ2x2+…+λnxn

(7)

2 結果與分析

2.1 不同植被覆蓋模式土壤理化特征土壤的理化特性影響土壤的通氣、透水、持水、導熱和抗侵蝕等基本功能，從而影響土壤內部結構和土壤肥力等方面[16]。土壤容重、持水量和孔隙度情況表征了土壤緊實程度，孔隙度反映出土壤結構的好壞，有機質和氮、磷、鉀含量差異影響土壤肥力以及土壤理化因素的變化與相互之間的協調。

從表2可以看出，公路邊坡4種不同類型植被0～20 cm土層的大部分理化指標均存在較大差異。4種植被類型土壤容重不一致，其排序為喬木>草地>喬草>喬灌草，喬木和喬灌草的差異性較大，喬草和草地的差異性較小，喬草和喬灌草模式能有效減小土壤容重，改善土壤物理性質，提高土壤抗蝕性能力。土壤持水能力是衡量不同植被類型土壤涵養水源能力，反映了土壤的持水、供水與調蓄能力[17]。土壤最大持水量是指土壤中毛管水和非毛管水均達到飽和狀態的土壤持水量，即表示土壤最大的涵蓄水分潛力值[18]。從研究區平均值來看，土壤最大持水量排序為喬灌草>喬草>草地>喬木，喬灌草、喬草與喬木、草地之間差異顯著，喬灌草與喬草、喬木與草地差異不顯著，喬灌草模式的平均值最大，為31.90%，表明公路坡面的喬灌草模式能夠有效使雨水入滲，減少坡面徑流，防止坡面水土的流失，并能夠補充公路下墊面的地下水，具有良好的水源涵養作用，喬木模式的持水能力相對較差，這可能與植物根系特點有關。

總孔隙度是土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度的總和，其不僅反映了植物維持自身生長所吸收水分的能力，也反映了植被滯留水分，涵養水源和消減洪水的能力，對于公路邊坡土壤水土保持能力具有重要影響[19]。由表2可知，公路邊坡4類植被的總孔隙度分布大小不一致，其排序為喬灌草>喬草>草地>喬木，除了喬木，其余3類護坡植被之間差異不顯著，喬灌草模式的總孔隙度平均值最大，為53.50%，表明喬灌草模式土壤的孔隙度大，通氣性較好，與土壤透水性和持水能力比較協調，有利于植物生長，從而更有利于公路邊坡的水土保持。

表2 不同植被模式土壤理化性質差異

有機質能有效改善土壤物理性質，優化土壤結構，與土壤抗蝕性具有正相關關系，是衡量土壤穩定性的重要指標[20]。公路邊坡4類植被模式有機質含量差異大，其排序為喬灌草>喬草>草地>喬木，喬草與喬灌草有機質含量的差異顯著，喬木與草地差異不顯著，喬灌草模式有機質含量最高，為24.66 g/kg，根據國家有機質劃分標準為三級，屬于中等水平，其植被模式有機質含量水平較高，這與該植被模式下土壤腐殖質含量較高有關，其中喬木模式有機質含量最小，這與喬木種類、養分釋放特點等有關。

土壤中氮、磷、鉀含量影響土壤結構的改善，并對土壤物理性質的形成有間接影響，且每項養分對其功效不一致[21]。研究區4類植被速效氮含量排序為喬灌草>草地>喬草>喬木，喬木與喬灌草模式差異顯著，喬草與草地模式差異不顯著；速效磷含量排序為喬草>草地>喬灌草>喬木，速效鉀含量排序為喬草>草地>喬灌草>喬木，速效磷和速效鉀含量最高和最低的植被均是喬草和喬木，這與不同植被覆蓋下植物種類對速效磷和速效鉀的吸收和釋放的生理規律有關。

2.2 不同植被覆蓋模式土壤機械組成分析土壤顆粒組成是指土壤中各級粒徑所占的比率，其差異影響土壤結構好壞、通透性能及肥力大小等，也一定程度表征著土壤發育的程度[22]。根據1957年卡欽斯基制土壤粒徑分級標準，主要劃分為以下幾個種類：砂粒(>0.050～1.000 mm)、粗粉粒(>0.010～0.050 mm)、中細粉粒(>0.001～0.010 mm)、黏粒(≤0.001 mm)、物理性黏粒(<0.010 mm)。從4類植被類型來看，喬灌草模式土壤顆粒組成排序為砂粒>粗粉粒>中細粉粒>黏粒，喬木、喬草和草地植被模式的土壤顆粒組成排序為砂粒>中細粉粒>粗粉粒>黏粒(表3)。從土壤顆粒來看，砂粒含量直接影響土壤孔隙大小及其滲透能力，從而對土壤抗蝕性也有較大影響。4類植被覆蓋模式砂粒含量比重均大于40%，且差異較小，表明研究區公路邊坡土壤孔隙分布多，滲透能力較強。不同植被覆蓋粗粉粒所占比率排序為喬灌草>草地>喬木>喬草，喬灌草與草地、喬木、喬草差異顯著，后三者之間差異不顯著，中細粉粒的排序為喬草>草地>喬木>喬灌草，喬草和草地分布的差異顯著；黏粒的排序為喬草>喬木>喬灌草>草地，喬草模式的物理性黏粒含量比重最大，其值為38.78%，雖然保肥保水性能較強，但其通透性較差。

表3 不同植被覆蓋模式土壤機械組成

分析表明，不同植被覆蓋模式土壤機械組成有所差異，公路邊坡土壤主要來源于填挖和修整之后，并有坡面物質的運移，因此砂粒含量最高、黏粒含量最低。在4類不同植被覆蓋模式下，喬草和喬灌草模式的砂粒含量相對較低，喬灌草和草地模式的黏粒含量相對較少，經過植被與土壤的物理、生物作用，土壤質地有所改善。

2.3 不同植被覆蓋模式土壤抗蝕性分析

2.3.1單一指標土壤抗蝕性分析。公路邊坡土壤的抗蝕性影響邊坡土壤的穩定性，分析其抗蝕性為護坡提供科學依據。參考前人研究[23-24]，土壤水穩性團聚體、顆粒分形維數、平均重量直徑和水穩性指數等是評價土壤抗蝕性的重要指標。不同植被覆蓋模式對土壤團聚體在各土壤粒徑的含量有一定影響[25]。從表4可以看出，4類護坡植被的土壤水穩性團聚體含量在各土壤粒徑的分布差異較大，總體趨勢為先減小后增大，其中，>5.00 mm含量的比重最大，其次為2.00～5.00 mm，0.25～0.50 mm的含量比重最低，表明在公路邊坡土壤>5.00 mm 水穩性團聚體最多，這與公路邊坡土壤形成環境有關。從4類植被覆蓋來看，>0.25 mm的土壤水穩性團聚體含量比重排序為喬灌草>草地>喬草>喬木，這與喬木、灌木和草相結合模式使土粒更好膠結在一起，從而更有利于形成大粒徑團聚體有關。

土壤團聚體的分形維數與土壤抗蝕性能力緊密相關，其分形維數越小，表明土壤抗蝕性能力越強[5]。從表4可以看出，不同植被覆蓋模式分形維數為2.373～2.513，其排序為喬木>喬草>草地>喬灌草，其中公路邊坡的喬灌草模式的分形維數最小，表明其植被組合方式更有利于改善土壤結構，提高邊坡土壤抗蝕性能力。

平均重量直徑表征土壤團聚體的團聚度，其值越大，土壤的團聚程度越高，表明土壤結構更加穩定，其抗蝕性能力強[26]。由表4可知，4類植被覆蓋模式平均重量直徑為2.541～3.647，其排序為草地>喬灌草>喬木>喬草，表明草地和喬灌草模式有利于增強公路邊坡土壤的團聚度，提高其抗侵蝕能力，喬木和喬草模式對土壤顆粒的團聚作用相對較弱。

表4 不同植被覆蓋土壤抗蝕性指標

水穩性指數(K)是衡量土壤抗蝕性強弱的重要指標之一，是用于表征土壤團聚體在靜水中分解的程度，K值越大，表明其土壤團聚體的穩定性就越強，抗蝕性能力強[27]。公路邊坡不同植被土壤水穩性指數排序為喬草>喬灌草>草地>喬木；喬草模式的水穩性指數為0.589，抗蝕性更強，表明喬草模式的土壤團聚體穩定性較強，土壤結構更穩定，抗蝕性能力更強；單一喬木覆蓋模式的K值僅為0.113，表明其土壤結構的穩定性較弱，抗蝕性能力較小。

2.3.2不同植被覆蓋模式土壤抗蝕性綜合評價。參考前人研究成果并結合實際[15]，選取土壤比重、最大持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、砂粒、物理性黏粒、>0.25 mm水穩性團聚體、>0.50 mm水穩性團聚體、平均重量直徑、有機質和速效氮指標，構建土壤抗蝕性綜合評價指標體系。由于不同抗蝕性指標對其綜合抗蝕性能力的貢獻程度不一，并參考邱陸旸[28]的研究成果，運用熵權法確定單項指標的權重，定量表征某項指標的貢獻程度，其計算結果如下：土壤比重(0.236)、最大持水量(0.007)、總孔隙度(0.233)、毛管孔隙度(0.237)、砂粒(0.002)、物理性黏粒(0.010)、>0.25 mm水穩性團聚體(0.001)、>0.50 mm水穩性團聚體(0.001)、平均重量直徑(0.013)、有機質(0.106)和速效氮(0.154)。依據信息論中熵值理論，其熵權值越大，變異程度越大，代表的信息量越多，其對結果影響就越大。從結果可知，研究區土壤比重、總孔隙度、毛管孔隙度、有機質和速效氮的權重大，是影響公路邊坡土壤抗蝕性的主要因子，表明其土壤抗蝕性與公路邊坡土壤的松緊程度及其土壤養分狀況有關。

在確定權重的基礎之上，對土壤抗蝕性指標進行加權求和，根據公式(7)計算獲得土壤抗蝕性指數，為4.234～12.711，其大小分別為喬木4.234、喬草6.931、喬灌草12.711和草地5.942，因此不同植被覆蓋指數大小排序為喬灌草>喬草>草地>喬木，其中喬灌草模式抗蝕性指數最大，其模式下土壤形成良好土壤結構，抗蝕性能力增強；喬草護坡組合的抗蝕性排名第二，草地模式的抗蝕性相對較好；喬木模式下公路邊坡的土壤抗蝕性能力最弱。綜上所述，研究區公路邊坡的最佳護坡模式為喬灌草模式。

3 討論

通過以上研究，獲得了公路邊坡不同植被組合土壤的理化性質、機械組成特征和抗蝕性能力情況。從單一指標來看，土壤水穩性團聚體含量先減小后增大，這與邊坡土壤構成及后期生態修復有關，分形維數最大的植被覆蓋模式為喬木，表明其對提高邊坡土壤抗蝕性的作用相對較小，這可能也與喬木的種類有關。草地和喬灌草模式的平均重量直徑較大，這與灌木和小草的根系發達、較好地使土壤團聚成一體有關，喬草和喬灌草的水穩定指數較大，土壤結構穩定，這與不同植被覆蓋模式土壤理化性質分析的結果具有一致性。從綜合評價來看，喬灌草組合的土壤抗蝕性能力最強，這與上文分析結果具有一致性，喬灌草模式下的最大持水量、總孔隙度、有機質、速效氮和>0.25 mm水穩性團聚體均優于其他植被模式，同時土壤比重、分形維數均低于其他模式，因此其模式下土壤形成良好土壤結構，抗蝕性能力增強；喬草模式抗蝕性能力也較好，其喬木以銀杏、榕樹為主，其適應性強，其落葉也為邊坡土壤提供大量腐殖質，有機質含量較高，這與土壤理化性質分析結果具有一致性，從而優化土壤結構，提高土壤抗蝕性能力。草地模式的抗蝕性相對較好，這可能與毛茛等草本植物須根簇生，抗旱能力較強，生長迅速，能較好適應公路邊坡土壤的生長環境等有關；喬木模式下公路邊坡的土壤抗蝕性能力最弱，這可能與喬木類型、生長環境和恢復時間等因素有關，研究區喬木種類為楹樹，屬于大喬木，生長周期長，吸收土壤水分和養分較大，公路邊坡土壤的生長環境難以滿足其要求，同時這也與喬木種植時間相對較短有關。這表明不同植被下的土壤抗蝕性能力總體較差，土壤理化性質均有待改善，從而提高其土壤抗蝕性。因此，根據公路邊坡土壤的生態特性及其成熟度，因地制宜，增加其植被覆蓋率，優化土壤的植被組合模式，更多選擇生態修復效果較好的喬灌草組合，通過對邊坡土壤的科學栽種與生態管理，提高土壤有機質及其養分含量，改善土壤物理性質，使土壤中的團粒結構增加，優化土壤結構，改良其土壤，從而提高其抗蝕性能力。

該研究采取土樣時，兼顧了邊坡土壤的形成時間及其植被生長狀況，因此研究成果可為政府部門的公路邊坡水土保持工作進行科學決策提供參考依據。但在土壤采樣地選擇、抗蝕性指標選取、權重方法確定及綜合評價方法選取等方面有待進一步改進，提高其評價的客觀性，公路邊坡土壤理化性質及抗蝕性能力均會隨著時間變化而有較大變化，同時，邊坡土壤抗蝕性能力強弱也與植被根系具有密切關系，因此，未來進一步利用空間序列代替時間序列，研究公路邊坡不同植被恢復年限的土壤抗蝕能力強弱及其與覆蓋植物根系作用的關聯性。

4 結論

(1)公路邊坡不同植被土壤理化性質差異顯著，喬草和喬灌草模式能夠有效改善物理性質，減小土壤容重，增大最大持水量和總孔隙度，并提高土壤有機質含量，不同植被覆蓋的氮磷鉀含量差異較大，影響土壤結構。

(2)不同植被覆蓋土壤的機械組成有所差別，喬灌草模式土壤顆粒組成排序為砂粒>粗粉粒>中細粉粒>黏粒，喬木、喬草和草地植被模式的土壤顆粒組成排序為砂粒>中細粉粒>粗粉粒>黏粒。公路邊坡土壤砂粒含量比重大，喬灌草模式的粗粉粒含量較大，喬草模式的中細粉粒和黏粒含量較大。

(3)不同植被覆蓋模式土壤抗蝕性能力差異較大，4類護坡植被土壤水穩性團聚體含量分布差異較大，隨著粒徑減小的總體趨勢為先減小后增大；不同植被覆蓋模式分形維數排序為喬木>喬草>草地>喬灌草，喬灌草模式土壤抗蝕性能力最強；平均重量直徑排序為草地>喬灌草>喬木>喬草；土壤水穩性指數排序為喬草>喬灌草>草地>喬木。從綜合評價來看，土壤抗蝕性指數排序為喬灌草>喬草>草地>喬木，喬灌草組合抗蝕性指數最大，為公路邊坡土壤的最佳護坡植被模式。