晉西北黃土區(qū)典型林分土壤抗沖性與土壤性質(zhì)的關(guān)系

中圖分類號(hào)：S714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1498（2025）03-0174-07

一直以來(lái)，我國(guó)水土流失情況比較嚴(yán)峻，而黃土高原是中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)[1。且土壤侵蝕是一個(gè)日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，它是由一系列自然和人為因素引發(fā)的，如降雨、地形、植被等[2]，其中水力侵蝕分布是范圍最為廣泛，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展[3]。土壤抗沖性是水力侵蝕研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[4，對(duì)水土保持功能持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)揮作用和水土流失治理具有重要意義[5，研究土壤沖刷過(guò)程中土壤抗沖系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素能為對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)水土流失防治提供理論基礎(chǔ)[]

目前我國(guó)對(duì)土壤抗沖性的研究包括土壤抗沖性的影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。金曉等[5和沙小燕等[8]等對(duì)土壤抗沖性的研究表明，影響土壤抗沖性的因素包括林分類型、植被覆蓋度和土壤性質(zhì)等，還發(fā)現(xiàn)不同林分類型表層根系通過(guò)對(duì)土壤性質(zhì)的影響進(jìn)而影響土壤抗沖性。其中土壤性質(zhì)是土壤抗沖性影響的因素之一，土壤結(jié)構(gòu)、土壤團(tuán)聚體等都能影響土壤抗沖性能[9]

晉西北地區(qū)屬典型的黃土高原地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，位于黃河流域中游，土質(zhì)疏松、土壤顆粒細(xì)小[10]。但目前對(duì)黃土高原地區(qū)不同林分類型條件下土壤抗沖性的研究還較少，本文以晉西北黃土高原3種林分類型（小葉楊林，油松林以及小葉楊油松混交林）為研究對(duì)象，分析不同林分類型土壤性質(zhì)的差異、土壤抗沖性情況，以及確定土壤性質(zhì)中對(duì)土壤抗沖性起主導(dǎo)作用的因子。研究結(jié)果將為晉西北黃土區(qū)更好的治理水土流失提供科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于省忻州市偏關(guān)縣（ 39^°12^′～ 39^°40^′N ， 111^°22^′～11^°01^′E） （圖1），土地總面積 1685.4km² ，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速 2.5m?s^-1 ，年平均氣溫 7.4% ，年日照時(shí)數(shù) 2600～2900h ，無(wú)霜期為 105～145d ，年平均降水量 425.3mm ，降水集中在7—9月，約占全年降水量的 76% ；年平均蒸發(fā)量 2037.5mm 。本土樹(shù)種主要有油松（PinustabuliformisCarriere）、小葉楊（PopulussimoniiCarriére）、沙棘（Hippophae rhamnoides L.）和檸條（CaraganakorshinskiiKom.）。區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤黏著力差，植被覆蓋度低，土質(zhì)疏松，抗蝕力差，雨期容易發(fā)生土壤侵蝕，是水蝕和風(fēng)蝕的交錯(cuò)區(qū)[11-12]

1.2 樣地設(shè)置及相關(guān)指標(biāo)調(diào)查

2023年7一8月在研究區(qū)調(diào)查研究，研究區(qū)根據(jù)林分類型將小葉楊林、油松林以及小葉楊油松混交林定為研究對(duì)象，設(shè)立 20m×20m 的樣地，調(diào)查林分樹(shù)高、林齡、胸徑和林分密度，同時(shí)測(cè)定樣地的海拔、坡度和坡向等立地因子[13]。另外在每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置5個(gè) 30cm×30cm 的土壤樣方，采集樣方內(nèi)土樣測(cè)定土壤密度、土壤孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)聚體等土壤性質(zhì)。

1.2.1樣品采集與測(cè)定土壤物理性質(zhì)采用土壤剖面法，每個(gè)樣地土壤剖面挖掘深度為 60cm^[14] 對(duì) 0～20cm 、 20～40cm 、 40～60cm 使用環(huán)刀進(jìn)行分層取樣，采樣時(shí)將樣品裝滿環(huán)刀，之后在底端放入濾紙，蓋好兩端蓋子，防止水分蒸發(fā)[15]

采用 8cm×10cm×10cm 的標(biāo)準(zhǔn)方環(huán)刀采集土壤抗沖性樣品，采集完成之后在底蓋內(nèi)墊1張濾紙以保持土壤濕潤(rùn)和防止土壤在底部漏出[16]。實(shí)驗(yàn)時(shí)將方環(huán)刀放入原狀土沖刷水槽裝樣室進(jìn)行沖刷實(shí)驗(yàn)[17]。為確保每個(gè)林地的土樣沖刷條件相同，根據(jù)研究區(qū)坡度將沖刷坡度設(shè)置為 15^° ，沖刷流量設(shè)置為 2L?min^-1 ，進(jìn)行沖刷[18]

土壤團(tuán)聚體測(cè)定由干篩法和濕篩法兩部分組成[19]

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，稱取0.5g 過(guò) 0.25mm 篩的土壤樣品，加入重鉻酸鉀氧化土壤中的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)行消煮，冷卻后加入指示劑，使用硫酸亞鐵進(jìn)行滴定[20]

1.3 計(jì)算

（1）土壤密度和土壤總孔隙度計(jì)算公式分別為[21]：

p_s=（m₂-m）/v

P_s=（m₁-m₂）/（m₂-m）×ρ_s×100%

式中， ρ_s（g?cm^-3） 為土壤密度； P_s（%） 為土壤總孔隙度； v（cm³） 為環(huán)刀體積； m 、 m₁ 、 m₂ （g）分別為環(huán)刀重量、浸泡 12h 后的飽和質(zhì)量、烘干后質(zhì)量。

（2）土壤抗沖系數(shù)計(jì)算公式為：

K_c=QtM

式中： κ_c 為抗沖系數(shù) （L?min?g^-1） ； Q 為沖刷水量（L）；t為沖刷時(shí)間（min）；W為沖刷掉的土壤干質(zhì)量（g）。

（3）土壤有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算公式：土壤有機(jī)質(zhì) 0.003×1.724×1.1×100

式中： M. 一烘干土重； V_O 一滴定空白時(shí)所用 FeSO₄ 毫升數(shù)；V一滴定土樣時(shí)所用 FeSO₄ 毫升數(shù)； V_x=5.00? 一所用 毫升數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Excel2019軟件對(duì)徑流含沙量、土壤抗沖系數(shù)和土壤性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算處理，采用SigmaPlot15.0軟件進(jìn)行徑流含沙量和抗沖系數(shù)動(dòng)態(tài)特征圖繪制，采用IBMSPSSStatistics26軟

件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同林分類型土壤性質(zhì)特征

不同林分類型，土壤密度和土壤孔隙度存在差異（表1）。不同林分類型的土壤密度大小為小葉楊林（ 1.35±0.129?cm^-3 ） gt; 小葉楊油松混交林0 1.32±0.129?0m^-3 ） gt; 油松林（ 1.3±0.129?cm^-3 ）。不同林分類型孔隙度大小為油松林（ 48.71%± 4.68% ） gt; 小葉楊油松混交林（ 47.33% 土6.52% ） gt; 小葉楊林（ 45.92%±5.97% ）。不同林分類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異，小葉楊林（ 1.59%±0.46% ） gt; 小葉楊油松混交林（ 1.52%± 0.38% ） gt; 油松林（ 1.30%±0.47% ）。不同林分類型 gt;0.25mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均含量為油松林（ 34.41%±17.7% ） gt; 小葉楊油松混交林（ 30.75%± 11.81% ） gt; 小葉楊林（ 26.00%±12.28% ）。

不同林分類型土壤機(jī)械組成中（圖2）， lt;0.25 mm的土壤顆粒占比最多。在 gt;2mm 的土壤粒徑中小葉楊林的最少為 8.11±3.77% ；土壤粒徑lt;0.25mm 中油松林（ 61.30%±14.07% ）lt;小葉楊油松混交林（ 66.50%±11.71% ）lt;小葉楊林（ 76.27%±6.12%） ，其中油松林 gt;0.25mm 土壤粒徑占比最多。

不同林分類型之間枯落物層厚度和郁閉度不同，因此土壤密度和孔隙度存在差異，高郁閉度和厚枯落物層能有效降低降雨對(duì)土壤的擊濺，減少土壤水分的蒸發(fā)，從而使土壤結(jié)構(gòu)緊密，土壤密度相對(duì)較大、孔隙度相對(duì)較小。不同林分類型的微生物數(shù)量和活力不同、透氣性也存在差異，因此影響有機(jī)質(zhì)分解情況，使得有機(jī)質(zhì)含量存在差異。

2.2 不同林分類型土壤抗沖性特征

隨著水流沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，不同林分類型的徑流含沙量逐漸減小（圖3）。1min時(shí)產(chǎn)沙量最大，之后徑流含沙量大幅度下降至3min時(shí)基本趨于穩(wěn)定。3種林分類型土壤的徑流含沙量大小為小葉楊林 （1.01±0.299^??-1?）gt; 小葉楊油松混交林（0.88±0.38g?L^-1）gt; 油松林 （0.55±0.30g?L^-1） 在沖刷過(guò)程中，小葉楊林的徑流含沙量較其他兩種林分類型沖刷最大。

三者的土壤抗沖系數(shù)隨沖刷時(shí)間增加均呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)。 9min 時(shí)，油松林抗沖系數(shù)遠(yuǎn)大于另外二者，達(dá)到 10.42±8.61L?min?g^-1 。該過(guò)程土壤抗沖性系數(shù)表現(xiàn)為油松林（ 3.79± 3.10L?min?g^-1 ） gt; 小葉楊油松混交林（ 1.84± 0.64L?min?g^-1 ） gt; 小葉楊林 ?1.24±0.57L?min?g^-1 ）。

不同林分類型之間土壤密度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)等性質(zhì)存在差異，是土壤抗沖性存在差異的主要原因。植物的根系可通過(guò)增加土壤抗拉強(qiáng)度來(lái)加固土壤，不同樹(shù)種之間根系生長(zhǎng)發(fā)育不同，使得樹(shù)種之間土壤抗沖性存在差異，地表粗糙度的不同在一定程度上也會(huì)影響土壤抗沖性。

2.3 土壤性質(zhì)與土壤抗沖系數(shù)關(guān)系

土壤抗沖系數(shù)與土壤孔隙度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（ plt;0.05 ， r=0.33 ）（圖4），與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（ plt;0.01 ， r=0.36 ），與土壤密度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（ plt;0.01 ， r=-0.34 ）。土壤抗沖性與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中 3～2mm 、 2～1mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。隨著 gt;0.25mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加土壤抗沖性能越強(qiáng)。

分析土壤機(jī)械組成與土壤抗沖性的關(guān)系普遍呈正相關(guān)關(guān)系（表2），土壤抗沖系數(shù)與 gt;2mm 的土壤粒徑和 2～1mm 的土壤粒徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（ plt;0.01 ），土壤抗沖系數(shù)與 1～0.5mm 土壤粒徑呈顯著正相關(guān)關(guān)系（ plt;0.05） ，土壤抗沖系數(shù)與0.5～0.25mm 土壤粒徑呈正相關(guān)關(guān)系（ pgt;0.05） ，土壤抗沖系數(shù)與 lt;0.25mm 的土壤顆粒呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（ plt;0.05 ）。各項(xiàng)土壤粒徑參數(shù)均對(duì)研究區(qū)抗沖性存在影響，說(shuō)明土壤機(jī)械組成也是影響土壤抗沖性變化的重要因素。

將土壤抗沖系數(shù)和土壤性質(zhì)因子進(jìn)行逐步回歸，并做共線性診斷，顯著性水平 a=0.05 見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)進(jìn)行分析，將土壤密度、土壤孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)引入方程，得到的回歸方

程為：

Y=b₀+b₁X₁+b₂X₂+b₃X₃

將分析結(jié)果中的土壤孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)和gt;0.25mm 團(tuán)聚體3種因素的關(guān)鍵變量，與土壤抗沖性特征變量進(jìn)行方差分解分析（VPA）發(fā)現(xiàn)：有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤抗沖性特征的單獨(dú)解釋率為 7.84% ，其與孔隙度和 gt;0.25mm 團(tuán)聚體的共同解釋率分別為0% 和 16.46% ；孔隙度和 gt;0.25mm 團(tuán)聚體對(duì)土壤抗沖性特征的解釋率分別為 5.41% 和 0.63% ，但兩者對(duì)土壤抗沖性特征的共同解釋率為 3.65% ；三者共同解釋率為 10.16% （圖5）。

3 討論

本次研究表明，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，不同林分類型上的徑流含沙量在沖刷開(kāi)始階段最高，之后迅速降低，最后慢慢趨于一個(gè)穩(wěn)定值，徑流含沙量呈現(xiàn)出先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。由于在原狀土取樣時(shí)會(huì)造成土壤一定的擾動(dòng)，因此會(huì)有一些松散的土壤顆粒，此外原狀土本身也存在一些土壤顆粒，使得徑流含沙量在開(kāi)始時(shí)數(shù)值異常大，但屬客觀因素，并不影響不同林分類型之間的徑流含沙量的差異，因此在沖刷初期土壤表層松散的顆粒較多且容易被水流沖刷帶走，隨著土壤表層松散的顆粒被沖刷帶走，土壤顆粒之間變的更加緊密且摩擦力增大[22]，可以被徑流沖刷帶走的土壤顆粒減少，因此土壤的含沙量逐漸降低

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明油松林的土壤最不易被水流沖刷帶走，油松林的土壤最為穩(wěn)定，小葉楊林的土壤最容易被水流沖刷破壞。說(shuō)明土壤團(tuán)聚度越高土壤越穩(wěn)定，土壤的抗沖性越強(qiáng)，

本研究表明，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤抗沖系數(shù)呈上升趨勢(shì)。隨著水流的沖刷土壤團(tuán)聚體被部分分解，被分解的團(tuán)聚體更容易被流水帶走，因此容易造成水土流失，但存留的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性更好，因此沖刷一段時(shí)間土壤抗沖性變強(qiáng)[23]。在相同沖刷條件下土壤抗沖性表現(xiàn)為油松林gt;小葉楊油松混交林gt;小葉楊林，油松林土壤抗沖性明顯高于其他兩種林地，因?yàn)椴煌牧址诸愋痛嬖诓煌墓芾矸绞剑瑯?shù)木和地表植被的情況也有所不同，所以在土壤抗沖性能上不同林分類型存在較大差異。

土壤的密度和孔隙度可以反映出土壤的通氣透水性，對(duì)于分析土壤抗沖性具有重要的作用，可以比較不同植被條件下土壤密度和孔隙度的指標(biāo)[24]。

土壤性質(zhì)是土壤本身固有的一種特性，土壤性質(zhì)的不同，其抗沖性也存在一定差異[25]。結(jié)果表明，土壤抗沖性與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤密度的變化影響著土壤抗沖系數(shù)，隨著土壤密度的減小，土壤抗沖系數(shù)逐漸增大，這是因?yàn)殡S著植被的發(fā)育土壤中的根系不斷增加，使土壤愈發(fā)疏松，土壤密度下降，因此土壤持水能力和入滲能力增強(qiáng)，水流對(duì)表土的沖刷作用就會(huì)減弱，使土壤抗沖性增強(qiáng)[26]。土壤抗沖性與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)具有一定的粘著力，可以使土壤中的砂土變的更加緊實(shí)，在一定程度上增加土壤的保水蓄水能力，因此隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加土壤抗沖性也有所提高。這與王月玲等[27]和李超等[28]的研究結(jié)果一致。各林分類型下土壤團(tuán)聚體主要以 lt;0.25mm 的微團(tuán)聚體形式存在，小葉楊林土壤穩(wěn)定性較低，抗侵蝕能力較差。土壤抗沖性與 gt;0.25mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體越多，膠結(jié)土壤顆粒之間的能力就越強(qiáng)[29]，土壤結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性就會(huì)越好，對(duì)水流的沖刷抵抗性就會(huì)越強(qiáng)，因此土壤的抗沖性就會(huì)越強(qiáng)[30]。土壤抗沖性與lt;0.25mm 的土壤顆粒呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明 lt;0.25mm 的土壤顆粒越多土壤的穩(wěn)定性越差，越容易被水流沖散，土壤抗沖性越差。土壤的抗沖性取決于土壤顆粒間的膠結(jié)力，以及土壤結(jié)構(gòu)體對(duì)離散的抵抗能力[31]。

本次研究過(guò)程受到資料數(shù)據(jù)、試驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，采取原狀土的過(guò)程中，在一定程度上無(wú)法保證和不同林地原有土壤保持一致。在今后的研究中應(yīng)考慮各因素對(duì)土壤抗沖性的綜合作用，為晉西北黃土區(qū)的水土保持提供更加可靠的理論依據(jù)。

4結(jié)論

（1）土壤性質(zhì)是影響晉西北黃土區(qū)土壤抗沖性的主要因素，抗沖系數(shù)與孔隙度、有機(jī)質(zhì)和 gt;0.25mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈正相關(guān)關(guān)系，與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與 lt;0.25mm 的土壤粒徑呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性對(duì)強(qiáng)化土壤抗沖性起到重要作用。（2）通過(guò)多元線性回歸分析和方差分解分析進(jìn)一步表明，土壤密度、孔隙度、土壤粒徑組成和有機(jī)質(zhì)是導(dǎo)致土壤抗沖性變化的重要原因。（3）在原狀土沖刷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同林分類型徑流含沙量沖刷初期最大，隨后呈先減小后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。（4）不同林分類型的土壤抗沖性依次為油松林gt;小葉楊油松混交林gt;小葉楊林。（5）本研究為今后進(jìn)一步深入探討土壤抗沖性研究提供了理論依據(jù)。

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Relationship between Soil Erosion Resistance and Soil Properties in Typical Forest Types in the Loess Region of Northwest Shanxi Province

LI Zhi-xue1， FAN Ming-yuan1， CUI Yue1，YAN Bing1， CHANG Xiao-min1， SUN Li-bo2 （1.CollegeofForestryaniAgriculturalUniversityaiguanxi308，China;2.stituteofLssPlateauearc Shanxi University，Taiyuan，Shanxi，O3ooo0，China）

Abstract：[Objective]Inorder to investigate the relationship between soil erosion resistanceand soil propertiesof diferentforesttypes in loessregionof northwest Shanxi Province，experimental researchwas carried out toanalyze theinfluencing factors of soil erosion resistanceand toprovidea basis for better selection of protective tree species in loess plateau.[Methods] The study focused on three forest types： small-leaved poplar forest （Populussimonii Carriere），greasewood （Pinus tabuliformis Carriere），andmixed small-leaved poplar and greasewood forest.Insitu soil flume scouring experiments were conducted，combining field surveys with laboratory analyses.The relationships between soil scouring resistance and soil properties under diffrent stand types were systematically evaluated.[Results] （1）In the process of scouring，thesand content of runoff was higher in the early stage offlow production，and the sand content of runoff showed a tendency of decreasing and then stabilizing with the prolongation of scouring time.The coefficient offlushingresistance of diferent forestsshowedanoverallincreasing trend with theextension of flushing time，with 3.79±3.10L?min?g^-1 inPinussylvestrisforestgt; ?1.84±0.64L?min?g^-1 in Populus tremula-Pinussylvestrismixed forestgt; ?1.24±0.57L?min?g^-1 inPinus sylvestris forest.（2） The coefficient of flushing resistance of the soil showed a highly significant negative correlation with the soil density （plt;0.01） andthesoil organic matter content showed a highly significant negative correlation with thesoil organic matter content （plt;0.01） ，and the soil organic matter content showed a highly significant negative correlationwith the soil organic matter content.Soil organic mater content showed highly significant positive correlation.Aditionally，anexponential relationshipwasobservedbetweensoil scour resistanceand waterstable aggregates （gt;0.25mm） .（3） Key soil properties influencing scour resistance included bulk density，porosity，organicmatercontent，water-stableaggregates，andsoil mechanical composition. [Conclusion]Thisstudyprovidesascientific basis for soil erosion researchandsoil and water conservation control in loess region of northwest Shanxi Province.

Keywords：Loess Region of Northwest Shanxi Province; soil erosion resistance; forest stand type; soi physical and chemical properties; soil aggregates

（責(zé)任編輯：崔貝）