沙棘林退化對林木根系和土壤抗沖性的影響

舒喬生 ，謝立亞

（1.重慶水利電力職業技術學院 水利工程系，重慶 402160；2.遼寧省水土保持研究所，遼寧 朝陽 122000）

對于降雨侵蝕力相當的同一地區來說，水力侵蝕的強弱主要取決于土壤本身特性及地形、植被等影響因子。土壤抗沖性是表征土壤抗蝕能力的重要指標，它指土壤抵抗徑流的機械破壞和推動下移的能力，抗力來源于土粒間、微結構間的膠結力及其抵抗離散力[1]。朱顯謨[2]研究表明∶土壤抗沖性取決于根系的纏繞和固結作用，這種作用使土體有較高的水穩結構和抗蝕強度，從而不易被徑流帶走。近年來,由于人口劇增，陡坡毀林毀草、墾荒耕種，破壞了植物根系對土體的固結作用，導致土壤抗沖性降低，是加劇全球性土壤侵蝕、生態環境惡化的一個重要內在原因[3]。遼寧西部的建平縣人工沙棘Hippophae rhamnoides林面積為6.67萬hm2，是全國乃至亞洲最大的人工沙棘林[4]，對保持水土、改善生態環境、促進經濟發展等方面起到了積極的作用。近年來，由于自然老化，過度干旱，病蟲危害，經營管理不善等原因[5－6]，該區沙棘死亡率達58.5%[4，7]，生態環境遭到嚴重破壞。然而關于沙棘林死亡對水土保持影響的定量評價及機制仍沒有進行系統的研究。本研究通過樣地測試，分析沙棘林林分退化對林地根系和土壤抗沖性的影響。

1 材料與方法

1.1 試點選擇

遼寧省建平縣地處遼西低山丘陵區內，屬北溫帶大陸季風氣候區，多年平均氣溫為8.4℃，年平均降水量450.0 mm，其中6－9月占70%，是遼寧省最嚴重的水土流失地區之一。

試點位于建平縣建平鎮胡家店村紅金臺小流域，土壤為黃土母質發育的褐土，水土保持樹種主要有沙棘Hippophae rhamnoides，榆樹Ulmus pumila，油松Pinus tabulaeformis，檸條Caragana korshinskii等，屬遼西低丘區的典型小流域。該流域純沙棘林有20年生以上的植株，出現逐步死亡的現象，取而代之是榆樹的入侵，表現出近似演替的特征。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地劃分 根據植被演替研究的通用方法——時空替代法[8－10]，在空間上選擇純沙棘林（未死亡，F1），榆樹入侵期（沙棘仍為優勢種，F2），榆樹發展期（沙榆勢均力敵，F3），榆樹優勢期（有少量沙棘，F4），純榆樹林（F5）5個標準地，3次重復，分別作為沙棘死亡及近似演替的5個階段，標準地尺寸為20 m×20 m，各標準地平均坡度為7°，死亡的沙棘均被農民搬運移出。各標準地活立木數量見表1。

1.2.2 植物根系測定 在每個標準地內，挖長2.0 m，寬2.0 m，深1.0 m的土壤剖面，對根系分布進行調查，通過土壤取樣并對根系進行沖洗，利用游標卡尺將根系按直徑大小分為 d＜1 mm，1≤d＜2 mm，2≤d＜5 mm，5≤d＜10 mm和d≥l0 mm共5個徑級，統計各徑級根系的條數，以1 dm2中根的條數表示根系密度。

1.2.3 土壤抗沖性測定 ①針式抗沖儀：采用NLKC-90針式土壤抗沖儀，在0～40 cm深度范圍內按照10 cm間隔，在101.325 kPa壓力（1個標準大氣壓）下，以0.7 mm直徑的水柱沖擊土層1 min，使其產生水蝕穴，每10個水蝕穴深（cm）與寬（cm）乘積均值的倒數，即為該土層的抗沖指數。②槽式抗沖儀：在0～40 cm深度范圍內以10 cm間隔，將每個土壤剖面用15 cm×30 cm×10 cm的取樣器在土壤剖面取土樣，帶回室內置于底部有少量水的盆內浸泡12 h（水面不能高于土表面），使土柱自然吸水達到飽和狀態。利用NLKC-101槽式抗沖儀將土樣坡度調整為10°，在101.325 kPa水壓力下對土樣進行沖刷，對泥沙過濾、烘干稱量，將沖刷時間除以沖刷的土量，即沖刷單位質量的土所需時間，作為抗沖性度量指標（單位為 s·g－1）。

表1 各標準地活立木數量Table1 Numbers of living trees in sample plots

2 結果與分析

2.1 根系分布情況

從各徑級的根系分布情況來看，徑級為1≤d＜2 mm，2≤d＜5 mm，5≤d＜10 mm和d≥l0 mm的根密度分布較小，因此將根系分為直徑d≥1 mm和d＜1 mm等2種徑級進行分析。

2.1.1 直徑d≥1 mm根系的分布特點 經統計（詳細結果未列出），直徑d≥1 mm根密度隨土層深度增加逐步減少，0～40 cm土層內遞減較快，在40 cm以下土層遞減較慢；不同沙棘死亡率下直徑d≥1 mm的根量分布差異不顯著（P＞0.05）。

2.1.2 直徑d＜1mm根系的分布特點 直徑d＜1 mm根密度的分布見圖1，在0～30 cm范圍內，根密度隨深度增大急劇減少，30～100 cm范圍內逐漸減少并維持在極低水平，總根數的72%～80%分布在0～20 cm土層，20～40 cm土層內根系僅占總根數的10%～20%。這主要是由于該區缺水非常嚴重，且有愈演愈烈之勢；加上該區為黃土狀母質上發育的淋溶褐土，表土質地粗孔隙大，而表層以下為質地較為堅硬的黃土，結構不良，滲水性能差，極易形成超滲產流；同時該區地下水埋藏極深，沙棘根系無法吸收深層地下水，其生長主要靠天然降水。因此沙棘的根系主要位于淺層土壤中，隨著深度增加，根系急劇減少，這也是沙棘出現大面積死亡的原因之一。分析表明，在地表下0～30 cm深度范圍內，隨著沙棘死亡率的提高，根徑d＜1 mm的根密度呈顯著的降低趨勢（P＜0.05），而大于30 cm的區域，差異不顯著（P＞0.05），表明沙棘死亡會導致表層土壤的根系分布變得稀疏。若按照植被演替的規律，沙棘死亡和榆樹生長意味著植被的正向演替，根密度會隨之增大[11]。然而本試驗卻出現了相反的現象，這主要是由于沙棘林對淺層根系分布起決定作用，而榆樹數量較少且根系分布相對較深，對淺層根系起次要作用。

圖1 各樣地不同深度根徑d＜1 mm的根密度Figure1 Distribution tend of root number diameter less than 1 mm in different soil depth

2.2 土壤抗沖性

針式土壤抗沖儀測定結果見表2。結果表明：隨著沙棘死亡率的提高，土壤抗沖性呈逐步降低趨勢，純沙棘林與其他樣地差異為極顯著（P＜0.01），除榆樹優勢期外，其他3個樣地之間的差異均達到顯著水平（P＜0.05），說明沙棘死亡對土壤的抗沖性具有顯著的影響；并且隨著土層深度的增大，抗沖性也逐步降低。這主要是由于表層根系分布密度大和枯枝落葉層較厚，雖然土壤較疏松，但根系對土壤的固持作用較強；隨著深度增加，根徑d＜1 mm的根密度迅速減少，致使土壤缺乏根系對集中水流的緩沖作用，沖刷作用較強[12]。

表2 各樣地針式抗沖儀測定的抗沖性Table2 Anti-scouring abilities with needle-type instrument

槽式抗沖儀測定的土壤沖刷量見圖2。從圖2可以看出：沖刷量隨著時間的延續呈增加趨勢，0～120 s之間沖刷量增加較快，隨后增速變緩，至300 s時達到較平穩狀態。同時隨著沙棘死亡率的升高，土壤沖刷量逐步呈增加趨勢，純榆樹林的沖刷量遠高于其他樣地，差異為極顯著（P＜0.01），榆樹發展期與榆樹入侵期之間差異不顯著。通過計算單位沖刷量所需的時間，得到抗沖指數見表3。

結果表明：無論是用水穴尺寸還是用沖刷量表示，隨著沙棘的死亡和榆樹生長，土壤抗沖性均呈逐步降低的趨勢，這與周正朝等[11]植被演替增強土壤抗沖性的結論不一致。這主要由于土壤抗蝕性主要通過沙棘的根系起作用，隨著沙棘的死亡，土壤中的根系數量減少，加上農民及時將死亡的沙棘移出，死亡的沙棘又無法變成腐殖質進一步保護土壤。雖然沙棘的死亡伴隨著榆樹的生長，單株喬木根系固結土壤和阻止徑流的能力較強[13－14]，然而水土流失的整體防治效果與植被結構密切相關，層次結構較好的植被對土壤的保護作用要優于單層植被[15]；因此，密度較小的榆樹林木對土壤的固結作用僅限于其根系周邊，無法起到沙棘全面保護土壤的作用。另外，由于榆樹根系較沙棘深，它更側重于保護深層次的土壤，而土壤抗沖性主要體現在表層或近表層土壤，因此在這種情況下，榆樹對土壤抗沖性的提高要遜于沙棘。

圖2 各樣地土壤沖刷量隨時間的變化Figure2 Relationship between soil scoured mass and time

表3 各樣地槽式抗沖儀測定的抗沖指數Table3 Anti-scouring abilities with trough-type instrument

通過土壤抗沖性與根密度進行曲線擬合，表明抗沖性與根徑d＜1 mm根密度之間可用冪函數（y=axb）表示，與李勇等[12]的研究結論相類似。各樣地參數a和b見表4。

3 結論

通過對遼西建平縣沙棘林死亡率的調查，并對不同死亡程度的林地進行土壤根系和土壤抗沖性的測定，研究沙棘林退化對水土流失的影響。結果表明：隨著沙棘死亡率的提高，根徑d＜1 mm根密度逐步降低，沙棘死亡對較粗根系分布影響不顯著；沙棘林具有較好的防治水土流失作用，隨著沙棘活立木的減少，土壤抗蝕性呈逐步降低趨勢，純沙棘與其他時期差異為極顯著；隨著土層深度的增大，抗沖性逐步降低，土壤抗沖性與根徑d＜1 mm根系密度之間的關系可用冪函數表示。林地根系分布的減少和抗蝕性的減弱，水土流失使土壤結構產生破壞，因此土壤的水肥條件必然進一步惡化，從而加快沙棘的死亡，形成惡性循環。

表4 土壤抗沖性（y）與根徑d＜1 mm根密度（x）的冪函數（y=axb）參數Table4 Parameters for power functions between anti-scouring abilities and root density which diameter less than 1 mm

近年來，當地林業和水土保持部門對人工沙棘林的退化現象非常重視，但一直僅就其林業方面的損失進行評估，對其引起的生態問題未進行系統的觀測。本項研究從根系分布和土壤抗沖性入手，探討沙棘退化對水土流失的影響，可以作為生態損失評估的基礎。由于該區自然條件的惡劣性，加上沙棘林本身的老化現象，沙棘退化的趨勢不可避免，需對其產生的影響進行全面評估，同時針對當地不良水分條件、土壤特性，以及稀疏喬木無法快速發揮水土保持效益的現狀，采取措施抑制其退化速度或補植其他水土保持效果較好的灌木，將沙棘退化的生態影響降到最低。

[1]查小春，賀秀斌.土壤物理力學性質與侵蝕關系研究進展[J].水土保持研究，1999，6（2）：98－104.ZHA Xiaochun，HE Xiubin.Progress on the study of soil erosion from soil physical property and erosive force[J].Res Soil Water Convers，1999，6（2）∶98 － 104.

[2]朱顯謨.黃土高原植被因素對于水土流失的影響[J].土壤學報，1960，8（2）：110－120.ZHU Xianmo.Effect of vegetation on soil and water loss in Loess Plateau [J].Acta Pedol Sin，1960，8（2）∶110 － 120.

[3]李勇，徐曉琴，朱顯謨，等.植物根系與土壤抗沖性[J].水土保持學報，1993，7（3）：11－18.LI Yong，XU Xiaoqin，ZHU Xianmo，et al.Plant roots and anti-scouring ability [J].J Soil Water Conserv，1993，7（3）∶11 － 18.

[4]宮海志，王軍.建平縣沙棘林大面積死亡成因分析及經營對策[J].中國水土保持，2003（4）∶17－18.GONG Haizhi，WANG Jun.Analysis on reasons of large-acreage death of Seabuckthorn forest and its operation strategies in Jianping County [J].Chin Soil Water Conserv，2003（4）∶17 － 18.

[5]李樹彬，黨福江.建平縣沙棘林大面積死亡原因調查分析[J].水土保持科技情報，2001（6）∶4－6.LI Shubin，DANG Fujiang.Investigation and analysis on reasons of large-acreage death of Seabuckthorn forest in Jianping County [J].Sci Technol Inform Soil Water Conserv，2001（6）∶4 － 6.

[6]惠興學，張連翔，孔繁軾，等.建平縣沙棘林大面積死亡成因調查分析及對策[J].防護林科技，2002（2）：53－55.HUI Xingxue,ZHANG Lianxiang，KONG Fanshi，et al.Investigation and analysis on reasons of large-acreage death of Seabuckthorn forest and its control in Jianping County [J].Prot For Sci Technol，2002（2）∶53 － 55.

[7]張連翔，惠興學，黃立華，等.建平縣沙棘林大面積死亡原因及其治理對策[J].沙棘，2002，15（3）：26－29.ZHANG Lianxiang，HUI Xingxue，HUANG Lihua，et al.A large-acreage death of Seabuckthorn forest and its control in Jianping County [J].Hippophae，2002，15（3）∶26 － 29.

[8]閆芊，何文珊，陸健健.崇明東灘濕地植被演替過程中生物量與氮含量的時空變化[J].生態學雜志，2006，25（9）：1019 － 1023.YAN Qian，HE Wenshan，LU Jianjian.Temporal and spatial changes of plant biomass and its N content during vegetation succession at Chongming Dongtan wetland [J].Chin J Ecol，2006，25（9）∶1019 － 1023.

[9]宋洪濤，張勁峰，田昆，等.滇西北亞高山地區黃背櫟林植被演替過程中的林地土壤化學響應[J].西部林業科學，2007，36（2）：65－70.SONG Hongtao，ZHANG Jinfeng，TIAN Kun，et al.Response of soil chemical properties to vegetation succession ofQuercus pannosa forest in subalpine area of northwest Yunnan [J].J West China For Sci，2007，36（2）∶65 － 70.

[10]王韻，王克林，鄒冬生，等.廣西喀斯特地區植被演替對土壤質量的影響[J].水土保持學報，2007，21（6）∶130－134.WANG Yun，WANG Kelin，ZOU Dongsheng，et al.Effects of vegetation succession on soil quality in Karst region of Guangxi，China [J].J Soil Water Conserv，2007，21（6）∶130 － 134.

[11]周正朝，上官周平.子午嶺次生林植被演替過程的土壤抗沖性[J].生態學報，2006，26（10）：3270－3275.ZHOU Zhengchao，SHANGGUAN Zhouping.Soil anti-scouring ability during vegetation succession of Ziwuling secondary forest[J].Acta Ecol Sin，2006，26（10）：3270 － 3275.

[12]李勇，徐曉琴，朱顯謨，等.草類根系對土壤抗沖性的強化效應[J].土壤學報，1992，29（3）：302－309.LI Yong，XU Xiaoqin，ZHU Xianmo，et al.Strengthening effects of grass root on soil anti-scouring ability [J].Acta Pedol Sin，1992，29（3）∶302 － 309.

[13]DILLAHA T A.Vegetative filter strips for agricultural nonpoint-source pollution control[J].Tran ASAE，1989，32（3）∶513 － 519.

[14]CHAUBEY I，EDWARDS D R，DANIEL T C，et al.Effectiveness of vegetative filter strips in controlling losses of surface-applied poultry litters constituents [J].Tran ASAE，1995，38（6）∶1687 － 1692.

[15]GONZALEZ H J C，RAVENTOS J，ECHEVARRIA M T.Comparison of sediment ratio curves for plants with different architectures [J].Catena，1997，29（3/4）∶333 － 340.