黃土丘陵溝壑區土壤團聚體抗蝕性研究

摘要：黃土丘陵溝壑區是黃土高原水土流失最嚴重的地區之一。以位于黃土丘陵溝壑區的安家溝流域為研究區，以撂荒地、小麥地、沙棘地、油松地、紫花苜蓿地5種土地利用方式為研究對象，通過野外采樣和室內試驗的方式采用靜水崩解法分析不同粒徑、不同坡度、不同土地利用方式的土壤團聚體崩解速率，并計算水穩性指數和分形維數；采用WinRHIZO根系分析系統測定植物根重密度、根表面積等根系特征參數值，分析土壤團聚體水穩性指數和植物根系特征參數值之間的相關性。結果表明：①不同粒徑土壤團聚體水穩性指數排序為粒徑1mm的gt;粒徑2mm的gt;粒徑5mm的gt;粒徑10mm的，不同坡度土壤團聚體水穩性指數排序為坡度5°的gt;坡度10°的gt;坡度20°的gt;坡度15°的，不同土地利用方式土壤團聚體水穩性指數排序為紫花苜蓿地的gt;沙棘地的gt;撂荒地的gt;油松地的gt;小麥地的。②紫花苜蓿地的各根系參數值最大，小麥地的最小。③小麥地粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比最高，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比最低，分形維數最小；紫花苜蓿地粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比最低，粒徑lt;0.25mm的土壤團聚體質量占比最高，分形維數最大。④土壤團聚體水穩性指數與根系特征參數值均呈正相關關系，其中紫花苜蓿地的相關性最強，小麥地的相關性最弱。

關鍵詞：土地利用方式；土壤；團聚體；抗蝕性；分形維數；安家溝流域；黃土丘陵溝壑區

中圖分類號：S152文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.03.022

引用格式：馬海霞，劉小榮，魚海霞，等.黃土丘陵溝壑區土壤團聚體抗蝕性研究[J].中國水土保持，2025（3）：82-86.

土壤侵蝕會造成土地退化和破壞，不僅給生態環境帶來嚴重影響，還影響人類生存和制約經濟社會發展。增強土壤的抗侵蝕能力是水土保持工作的研究重點。土壤團粒結構可以影響土壤結構的穩定性和土壤肥力，良好的土壤團粒結構在增強土壤抗蝕性方面起著重要作用[1]。分形維數是定量描述土壤團粒結構的重要參數[2]，通常認為分形維數越大，顆粒組成中的細顆粒越多，顆粒表面越粗糙，因此分形維數不僅能表征土壤顆粒的大小和土壤質地的均一程度[3]，還能反映土地沙化程度和土壤粗粒化的演變特征[4-5]。研究發現，土壤分形維數受土地利用類型、耕作方式、土質及土層深度等影響，可間接反映自然環境和人類活動對土壤理化性質的影響，已成為評價土壤狀況的綜合性指標[6]。黃土丘陵溝壑區是黃土高原水土流失最嚴重的地區之一，其水土流失綜合防治一直是黃土高原水土保持工作的重點和難點。以位于黃土丘陵溝壑區的典型小流域——安家溝流域為研究區，選取不同土地利用方式土壤為研究對象，通過野外采樣和室內試驗的方式采用靜水崩解法分析不同土地利用方式土壤的抗蝕性，計算分形維數并測定植物根系參數，探討不同土地利用方式土壤抗侵蝕能力的影響因素及其與土壤團粒結構的關系，以期為進一步合理規劃土地資源、改善土地利用類型、推動農業可持續發展提供參考依據。

1研究區概況

安家溝是黃河流域祖厲河水系關川河的一條小支溝，屬黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區，位于甘肅省定西市，地理坐標為35°33′02″～35°35′29″N，104°38′13″～104°40′25″E，流域面積約8.56km2，海拔1900～2250m，地形起伏較大，形成了“兩溝、一梁、四面坡”的地貌景觀。流域屬中溫帶半干旱氣候區[7]，年均氣溫6.13℃，年內溫差大，極端最高氣溫34.3℃、極端最低氣溫-27.1℃，年均日照時數2408.6h，無霜期141d；年均降水量427mm，降水主要集中在7—9月，多以暴雨為主，年均水面蒸發量1510mm。主要土壤類型為黃綿土，土層厚度約200cm。植被類型以豆科、菊科和禾本科等草本植物為主，并分布有少量灌木[8]。

2研究方法

2.1樣地選擇和樣品采集

2022年7月，在安家溝流域中坡位選擇人工草地（紫花苜蓿）、小麥地、沙棘地、油松地和撂荒地土壤作為研究對象，土壤密度分別為1.20、1.30、1.00、1.10和1.10g/cm3。樣地坡度分別為5°、10°、15°和20°，在每塊樣地內按照S形避開邊緣及特殊位置設定3個樣點，除去表層0～10cm土壤，在10～30cm土層進行取樣，樣品質量約1kg，共采集60個樣品。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。首先在實驗室內風干土樣，然后沿土壤結構的自然剖面將土樣掰分成小團塊，剔除石塊和動植物殘體后，再將同一小區中的3個土樣充分混勻作為樣品使用。樣品的室內分析測試于2022年8月下旬完成。

2.2土壤抗蝕性測定

采用靜水崩解法[9]，選取直徑分別為1、2、5、10mm的土壤團粒體進行浸水試驗，每次50粒，重復3次取平均值，每隔1min記錄崩塌的土粒數量，連續記錄10min，作為土壤團聚體崩解速率，并計算水穩性指數。水穩性指數K值計算公式為

式中：Pi為第i分鐘分散的土粒數量，單位粒；Pj為10min內未分散的土粒數量，單位粒；Ki為第i分鐘校正系數；A為供試土粒總數，單位粒，本次試驗中為50粒。

2.3根系特征參數的測定和分形維數計算

采用WinRHIZO根系分析系統測定根重密度、根長密度、有效根密度、根表面積、根體積5項根系特征參數，并計算不同粒徑級團聚體質量占比和分形維數。用Vi表示第i粒徑級團聚體質量所占的比例，計算公式為

式中：Wi為第i粒徑級團聚體的質量，單位g；Wt為各粒徑級團聚體質量總和，單位g。

分形維數D采用楊培嶺等[10]推導的公式進行計算：

式中：Xt為某粒徑級團聚體的平均直徑，單位mm；M（rlt;Xt）為粒徑小于Xt的團聚體質量，單位g；MT為團聚體總質量，單位g；Xmax為團聚體的最大粒徑，單位mm。

利用式（3），通過數據擬合可以求得D值。所有運算采用SPSS和Excel軟件進行處理，各處理間采用One-wayANOVA進行分析比較，差異顯著性分析采用Duncan多重比較，相關性分析采用Pearson雙邊檢驗。

3結果與分析

3.1土壤抗蝕性特征

土壤團聚體崩解速率隨時間變化的趨勢見圖1。由圖1（a）可知，粒徑10mm的土壤團聚體崩解速率最大，粒徑1mm的最小，不同粒徑的崩解速率排序為粒徑10mm的gt;粒徑5mm的gt;粒徑2mm的gt;粒徑1mm的；由圖1（b）可知，坡度為5°的坡面土壤團聚體崩解速率最小，15°坡面的最大，不同坡度的崩解速率排序為坡度15°的gt;坡度20°的gt;坡度10°的gt;坡度5°的；由圖1（c）可知，紫花苜蓿地的土壤團聚體崩解速率最小，小麥地的最大，不同土地利用方式的崩解速率排序為小麥地的gt;油松地的gt;撂荒地的gt;沙棘地的gt;紫花苜蓿地的。各試驗的土壤團聚體在0～5min崩解速率快速下降，5min以后緩慢下降并逐漸穩定。

表1為不同粒徑、坡度、土地利用方式的土壤團聚體水穩性指數。由表1可知，粒徑1mm的土壤團聚體水穩性指數均值最大，為3.965；粒徑10mm的水穩性指數均值最小，為3.176；各粒徑土壤團聚體水穩性指數排序為粒徑1mm的gt;粒徑2mm的gt;粒徑5mm的gt;粒徑10mm的，水穩性指數隨粒徑增加呈減小趨勢。坡度為5°時，土壤團聚體水穩性指數均值最大，為4.039；坡度為15°時，水穩性指數均值最小，為3.052；各坡度土壤團聚體水穩性指數排序為坡度5°的gt;坡度10°的gt;坡度20°的gt;坡度15°的。小麥地土壤團聚體水穩性指數均值最小，為1.880；紫花苜蓿地土壤水穩性指數均值最大，為4.624；各土地利用方式的土壤團聚體水穩性指數排序為紫花苜蓿地的gt;沙棘地的gt;撂荒地的gt;油松地的gt;小麥地的。

3.2根系特征參數

植物根系在改善土壤生態環境方面有兩方面作用：一是可以改善土壤結構，增大土壤非毛管孔隙度，增加降水就地入滲；二是植物根系尤其是小于1mm徑級的須根可以穩定土層結構，增加土壤中大于2mm粒徑的水穩性團粒數量和有機質含量，提高土體結構的抗沖性。表2為不同土地利用方式、不同坡度的植物根系特征參數。由表2可知，紫花苜蓿地的各根系參數特征值最大，小麥地最小。

3.3不同粒徑土壤團聚體質量占比和土壤分形維數

表3為計算得到的5種土地利用方式不同粒徑土壤團聚體的質量占比和土壤分形維數。由表3可知，紫花苜蓿地的土壤分形維數最大，為2.90，顯著高于其余4種土地利用方式；小麥地的土壤分形維數最小，為2.61，撂荒地、沙棘地、油松地的土壤分形維數差異不顯著，土壤分形維數排序為紫花苜蓿地的gt;沙棘地的gt;油松地的gt;撂荒地的gt;小麥地的。粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比最高的是小麥地，達到11.32%，最低的是紫花苜蓿地，為5.88%，粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比排序為小麥地的gt;油松地的gt;撂荒地的gt;沙棘地的gt;紫花苜蓿地的。粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比最高的是紫花苜蓿地，達到10.24%，最低的是小麥地，為3.87%，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比排序為紫花苜蓿地的gt;油松地的gt;沙棘地的gt;撂荒地的gt;小麥地的。可以看出，土壤分形維數與土壤團聚體質量占比的關系基本呈現粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比越低，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比越高，即細顆粒越多、粗顆粒越少，土壤分形維數越大。

在5種土地利用方式中，粒徑gt;2.00～5.00mm土壤團聚體質量占比最高，均超過了20%。對于撂荒地和小麥地，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比最低；對于沙棘地、油松地、紫花苜蓿地，粒徑gt;1.00～2.00mm土壤團聚體質量占比最低，分別為5.29%、4.11%、4.04%。

3.4土壤團聚體水穩性指數與植物根系特征參數值的相關性分析

表4為不同坡度、不同土地利用方式土壤團聚體水穩性指數和根系特征參數的相關性統計結果。由表4可知，除小麥地土壤團聚體水穩性指數與根系特征參數的相關性均不顯著（pgt;0.05）外，其余土地利用方式均呈顯著正相關（plt;0.05），其中紫花苜蓿地水穩性指數與根系特征參數的相關性均高于其他土地利用方式，大部分達到了極顯著水平（plt;0.01），撂荒地、沙棘地、油松地的相關性比較接近。

4討論

土壤是一類多孔介質，其粒徑分布分形維數可以表征土粒對空氣的充能性［10］及土質的結構特點，對土質的通氣透水性、保水保肥能力［11］及抗蝕能力［12-13］等方面都有著較大的借鑒價值，對水土保持林的形成與發展有著很大的指導意義。本研究選取撂荒地、小麥地、油松地、沙棘地、紫花苜蓿地5種土地利用方式，其中小麥地粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比最高，為11.32%，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比最低，為3.87%，其分形維數是5種土地利用方式中最小的；紫花苜蓿地粒徑gt;20.00mm的土壤團聚體質量占比最低，為5.88%，粒徑≤0.25mm的土壤團聚體質量占比最高，為10.24%，其分形維數是5種土地利用方式中最大的。由此可見，土壤中細顆粒越多、粗顆粒越少，土壤分形維數越大，這與胡云峰等［4］、淮態等［14］的研究結果一致。

通過計算根系特征參數值及其與土壤團聚體水穩性指數的相關性發現，土壤團聚體水穩性指數與根系參數均呈正相關關系，這與董慧霞等[15]的結論一致。根重密度是土壤物質循環和能量流動的基礎，根表面積反映根系與土壤的接觸面積，結合根長密度可推斷土壤空間中的根系代謝及固土能力，各植物特征參數值越大，土壤的抗侵蝕能力越強。紫花苜蓿地土壤水穩性指數最高，各根系特征參數值最高，且土壤團聚體水穩性指數與根系特征參數呈顯著的正相關關系，可以認為在這5種土地利用方式中紫花苜蓿地的土壤抗侵蝕能力最強。人為擾動地表在一定程度上會改變土壤結構的穩定性，使土壤粗細顆粒比例發生改變，而紫花苜蓿地根系的生長及穿插、扎伸，以及大量凋落物歸還土壤，使土壤團聚體得到演化。植被根系分泌物及有機質對土壤顆粒具有一定的膠結作用，從而提高團聚體結構的穩定性[16]，同時根系產生的分泌物質可促進微生物生理活動，自身的降解也可為土壤微生物提供碳源。因此，黃土丘陵溝壑區水土流失治理中需要重點關注并提高林草地的質量，保證植物正常生長、植物措施切實發揮功效，可以優先選擇紫花苜蓿等水土保持能力較強的植被類型，同時加強易發生水土流失的土地利用方式如小麥地的水土流失綜合防治工作。

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（責任編輯李佳星）

收稿日期：2024-04-15

基金項目：定西市重點技術攻關專項項目（DX2021AZ01-7）

第一作者：馬海霞（1979—），女，甘肅定西人，高級工程師，博士，研究方向為水土保持與生態治理。

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