重庆四面山不同林分土壤抗蚀抗冲特征

引用本文

程金花, 沈子雅. 重庆四面山不同林分土壤抗蚀抗冲特征[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(1): 52-62. DOI: 10.16843/j.sswc.2022211.

CHENG Jinhua, SHEN Ziya. Anti-erodibility and anti-scourability of different plantations in Simian Mountains of Chongqing[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(1): 52-62. DOI: 10.16843/j.sswc.2022211.

项目名称

国家自然科学基金"喀斯特地区土石二元结构下优先流对坡面水文过程影响机理"（32071839）

第一作者简介

程金花(1979-), 女, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀防治。E-mail: jinhua_cheng@126.com

通信作者简介

沈子雅(1998-), 女, 硕士研究生。主要研究方向: 土壤侵蚀。E-mail: ziyashen2016@163.com

文章历史

收稿日期：2022-10-31
修回日期：2023-02-26

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

重庆四面山不同林分土壤抗蚀抗冲特征

程金花 , 沈子雅

1. 北京林业大学水土保持学院, 100083, 北京;
2. 国家林业局水土保持与荒漠化防治重点实验室, 100083, 北京

收稿日期：2022-10-31; 修回日期：2023-02-26

项目名称：国家自然科学基金"喀斯特地区土石二元结构下优先流对坡面水文过程影响机理"（32071839）

第一作者简介：程金花(1979-), 女, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀防治。E-mail: jinhua_cheng@126.com

通信作者简介：沈子雅(1998-), 女, 硕士研究生。主要研究方向: 土壤侵蚀。E-mail: ziyashen2016@163.com

摘要：为探讨重庆四面山地区不同林分土壤抗蚀抗冲特征，采用水浸试验和冲刷试验，计算土壤抗蚀指数与抗冲系数，对四面山4种林分类型（针叶林、阔叶林、针阔混交林和楠竹林），共9个不同植物组成的林地土壤抗蚀抗冲特征进行研究。结果表明：1）阔叶林的抗蚀指数最大，楠竹林抗蚀指数最小，随着土壤深度的增加，土壤抗蚀性能减弱，天然针阔混交林土壤抗蚀指数上下层差异最大（1.92倍）。2）二次多项式函数能高度拟合不同林分土壤抗蚀指数与水浸时间的关系（R²>0.95），随着水浸时间的增加，不同林分土壤抗蚀性能下降。3）土层越深，土壤抗冲系数越大，抗冲性能越强，坡面上层土壤抗冲系数为下层的1.05~5.79倍。阔叶林的抗冲性优于其他林分。4）≤ 1和>1~3 mm根径的根系总根长与根长密度与土壤抗蚀指数显著正相关（P < 0.05），与土壤抗冲性呈显著负相关（P < 0.05）。土壤抗蚀性和抗冲系数与总根质量、根质量密度呈显著负相关（P < 0.05）。研究结果可为重庆四面山水土保持措施布设、选择合理的植被恢复模式及配置方式提供理论依据。

关键词：抗蚀指数抗冲系数林分类型重庆四面山

Anti-erodibility and anti-scourability of different plantations in Simian Mountains of Chongqing

CHENG Jinhua , SHEN Ziya

1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
2. Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Control, State Forestry Administration, 100083, Beijing, China

Abstract: [Background] The erosion resistance of soils can resist the damage and transport of soils by external forces. The Simian Mountains of Chongqing are rich in vegetation resources, and it is essential to study the soil erosion and anti-scouring resistance of different plantations. [Methods] In order to investigate the soil anti-erosion and anti-scouring resistance characteristics of different plantations in the Simian Mountains of Chongqing, soil anti-erosion indices (S) were calculated using waterlogging experience and anti-scouring coefficients (C) were calculated using scouring tests. Therefore, the soil erosion resistance characteristics of four forest types (coniferous forests, broadleave forests, coniferous broadleaf mixed forests, and Phydlostachy pubescens forests), with a total of nine different plant compositions, were studied in the Simian Mountains. [Results] 1) The broadleaf forest had the highest resistance index, which meant that it had the best resistance to soil erosion. The lowest resistance index was found in the P. pubescens forests, on the other hand. In the interim, soil anti-erodibility declined as soil depth increased. Natural coniferious broadleaf mixed forests' upper and bottom strata showed the biggest difference in the anti-erosion index, with a difference of up to 1.92 times. 2) The second polynomial function provided a good fit for the association between the anti-erosion index and the duration of flooding in various plantations (R²>0.95). The anti-erodibility declined as flooding time increased in all plantations. 3) The experimental results showed that the deeper the soil layer, the greater the anti-scouring coefficients and the greater anti-scouring performance of the soil. According to the data, the upper layer of the slope soil had an anti-scouring coefficient that was 1.05 to 5.79 times higher than the lower layer. Based on a comparison of the anti-scouring coefficients, broadleaf forests were found to be more resistant to impact than other forest plantations. 4) Through this experiment, soil anti-erosion indices and anti-scouring resistance coefficients were related to root features. With a significant positive correlation to the anti-erosion index (P < 0.05) and a significantly negative correlation to the anti-scouoring resistance coefficient (P < 0.05), respectively, were the total root length and root length density of roots with a diameter of ≤ 1 mm and >1-3 mm. However, the anti-erosion index and anti-scouring coefficient had a significantly negative correlation with total root weight and root weight density (P < 0.05). [Conclusions] The soil anti-erosion and anti-scouing characteristics of different plantations, such as coniferous forests, broadleaf forests, coniferous and broadleaf mixed forests, and P. pubescens forests, were studied through waterlogging and scouring tests. The correlation between root systems and soil anti-erosian and anti-scourring resistance were analyzed. The experience was conducive to providing data support for regional soil erosion and providing a theoretical basis for the deployment of soil and water conservation measures and the selection of reasonable vegetation restoration patterns and configurations in order to prevent soil erosion in the Simian Mountains of Chongqing.

Keywords: anti-erosion index anti-scouring coefficient forest stand type Simian Mountains of Chongqing

土壤的抗侵蚀能力能够抵抗外营力对土壤的破坏和搬运。朱显谟^[1]将土壤抗侵蚀能力分为抗蚀性与抗冲性2种。土壤抗蚀抗冲性成为土壤抵抗外界应力对土壤的机械破坏能力大小的重要评价指标之一^[2]。土壤抗蚀性是指土壤抵抗水分散和悬浮的能力，是研究土壤侵蚀的重要内容之一，常用水浸试验来获取抗蚀指数来表征土壤的抗蚀性能。土壤抗冲性是指土壤抵抗降雨径流对其机械破坏和推动下移的性能^[3]，常用原状土冲刷槽法、静水崩解法、野外实地放水冲刷法等方法获取。

目前国内外对土壤抗蚀性抗冲性的研究较多，特别是对性能的影响因素、评价指标及测量方法等方面的研究^[4-5]。其中土壤理化性质是对土壤抗蚀抗冲性影响的因素之一，土壤结构^[6]、岩性^[7]、土壤团聚体^[8]等都能影响土壤抗侵蚀性能。同时植被特征也是影响因素之一，土壤中较多的植被根系及有机质增加了土壤的透水性，促进养分流失，致使土壤保水保肥能力较差。同时植被特征也是影响因素之一，陈爱民等^[9]运用主成分分析法研究不同林龄对土壤抗蚀性的影响；金晓等^[10]认为植物根系特征对土壤的抗冲性也有一定影响，对不同林分^[11-13]的抗蚀抗冲性特征也进行了一定的研究。也有多位学者对不同土地利用方式^[14-15]对土壤抗蚀抗冲性的影响。

目前对于土壤抗蚀抗冲性及其影响因素的研究，多集中于植被覆盖度较低的黄土区^[16]，而对如重庆四面山一样的植被资源丰富地区的研究较为少见。重庆四面山处于三峡库区尾端，拥有世界典型常绿阔叶林带，在一定程度上反映了亚热带森林生态系统的特征，所以对重庆四面山地区不同林分土壤的抗蚀抗冲性进行研究是十分必要的。通过水浸试验和冲刷试验研究针叶林、阔叶林、针阔混交林及楠竹林等不同林分类型土壤抗蚀抗冲特征，分析根系与土壤抗蚀抗冲性相关性，旨为区域土壤侵蚀提供数据支持，且为重庆四面山水土保持措施布设、选择合理的植被恢复模式及配置方式提供理论依据。

1 研究区概况

本研究的试验地点位于重庆四面山(E 106°17′~106°30′，N 29°31′~29°43′)，该区处于长江、嘉陵江汇入三峡库区的咽喉部位，是影响三峡库区的重要生态闸口。试验区主要植被类型为针叶林、针阔混交林、阔叶林、竹林等，其中针叶林分布最多。植物种类较多，阔叶树种主要有石栎(Lithocarpus glaber)、木荷(Schima superba)、麻栎(Quercus acutissima)等；针叶树种主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)和马尾松(Quercus acutissima)等；竹林主要有楠竹(Phyllostachys pubescens)^[17]。研究区土壤类型以黄棕壤、黄壤等为主，呈微酸性至酸性，土壤质地为砂壤土^[18]。试验区海拔400~1 800 m，地势南高北低。年内气温变化较大，多年平均气温14~18 ℃，最高气温出现在7—8月，降雨分布不均，多年平均降水量1 222~1 531 mm，主要集中在6—8月。

2 试验方法 2.1 样地基本情况调查

在研究区内选取4种主要的林分类型，针叶林、阔叶林、针阔混交林和楠竹林，共有不同林地植物组成的9个样地。每个样地面积为20 m×20 m，土壤均为砂壤土。对样地海拔、坡向、坡度、郁闭度、枯落物储量等基本情况进行调查。

2.2 土壤根系特征调查

通过分层挖取土壤来对土壤根系特征进行调查，挖取土壤深度0~50 cm，每10 cm为1层，共5层。采用土柱法测定样地林木细根量，其中土柱规格为50 cm×50 cm×100 cm。在每个样地林木的株间和行间均匀布设12个土柱。分层挖取土壤后挑拣出所有根系，测量根系长度，按照根径≤1、>1~3、>3~5、>5~10和>10 mm的级别进行分析，得到根系根长密度与根质量密度等参数。

2.3 土壤抗蚀性测定

采用水浸试验测定土壤团聚体在水中分散程度以比较土壤抗蚀性特征。在每块样地中选取4个取样点，每个取样点分2层取样，每层10 cm，共取72个土样风干后筛选。使用5 mm土壤筛选取5~7 mm的土壤团粒体100粒，每次水浸试验25粒，重复4次试验取平均值。每次试验将25粒土粒浸入水中，以1 min为间隔，记录崩塌土粒数，试验时长10 min，随后计算抗蚀指数(S)。抗蚀指数是测定土壤抗侵蚀能力的重要指标，计算式为：

$ S=\left(Q_{\text {总 }}-Q_{\text {崩 }}\right) / Q_{\text {总 }} \times 100 \% \text { 。} $

(1)

式中：S为抗蚀指数，%；Q_总为总土粒数；Q_崩为崩塌土粒数。

2.4 土壤抗冲性测定

采用冲刷法测定土壤抗冲性。用10 cm×10 cm×5 cm(长×宽×高)的特质取样器在样地中取原状土样，设计3个重复，置于水中浸泡24 h。实验前土块称量后置于冲刷槽内。根据试验区林地实测最大坡面径流流速，设计冲刷流量7.70 L/min，依据样地情况设计冲刷槽坡度分别为15°、25°和30°。冲刷开始后，收集并测定每分钟冲刷泥沙量，共测8 min，计算抗冲系数(C)来评价土壤抗冲蚀能力，计算公式为：

$ C=Qt/w。$

(2)

式中：Q为需水量, L；t为冲刷时间, min；w为冲走泥沙量, g。

3 结果与分析 3.1 样地基本情况与根系分布特征

对选取的4种不同林分9个样地进行现场调查。由表 1可知人工林的分解层枯落物储量明显大于天然次生林分，最大为针阔混交林Ⅱ，最小为针叶林Ⅰ。对于天然林来说，楠竹林与针叶林枯落物储量相似，皆小于其他林分类型，不同林分分解层枯落物储量大小为：阔叶林>针阔混交林>楠竹林>针叶林。对于人工林，不同林分分解层枯落物储量大小为：针阔混交林>阔叶林>针叶林，且林地植物种类越多，其枯落物储量越大。枯落物层能有效减轻雨滴溅蚀，截留降水，提高土壤持水能力，从而抑制地表径流以减少坡面水土流失，有利于进一步提高土壤抗蚀性与抗冲性。这说明人工林土壤抗蚀抗冲性强于天然次生林，且针阔混交林及阔叶林土壤抗蚀抗冲性强于针叶林与楠竹林。同时枯落物通过调控分解速率以控制土壤有机质比例。由表 1可知天然阔叶林土壤有机质比例大于其他天然林，这与枯落物储存量有直接关系。而人工林土壤有机质比例低于天然次生林，这可能是因为人工林受到人为因素干扰，生物多样性较低，使得有机物分解速率较慢导致。

表 1 不同林分样地基本情况 Tab. 1 Basic conditions of sample plots in different plantations

林分类型 Plantation	林型 Forest type			立地因子 Site factor			枯落物储量 Litter storage/(t·hm^-2)			表层土有机质比例 Soil organic matter content from surface soil/%
林分类型 Plantation	林分组成 Stand composition	起源 Origin	郁闭度 Canopy	海拔 Elevation/m	坡向 Slope direction	坡度 Slope/(°)	未分解层 Undecom- posed layer	半分解层 Semi-decomposed layer	分解层 Decomposed layer	表层土有机质比例 Soil organic matter content from surface soil/%
针叶林Ⅰ Coniferous forestⅠ	杉木纯林 Cunninghamia lanceolate forest	天然次生 Secondary forest	0.5	1 255	西南 Southwest	32.5	1.54	14.15	25.42	7.67
针叶林Ⅱ Coniferous forest Ⅱ	天然杉木马尾松针叶林 Natural Cunninghamia lanceolate and Quercus acutissima forest	天然次生 Secondary forest	0.6	1 390	东南 Southeast	25.0	2.45	6.57	31.20	8.12
针叶林Ⅲ Coniferous forest Ⅲ	杉木马尾松混交林 Cunninghamia lanceolate and Quercus acutissima mixed forest	人工 Artificial forest	0.7	1 158	东南 Southeast	26.0	3.42	0.94	184.70	4.15
阔叶林Ⅰ Broadleaf forestⅠ	天然木荷石栎阔叶林 Natural Schima superba and Lithocarpus glaber forest	天然次生 Secondary forests	0.6	1 231	西南 Southwest	40.0	2.67	3.78	82.45	9.69
阔叶林Ⅱ Broadleaf forest Ⅱ	木荷石栎混交林 Schima superba and Lithocarpus glaber mixed forest	人工 Artificial forest	0.7	1 095	东南 Southeast	32.5	3.12	1.04	194.45	6.14
阔叶林Ⅲ Broadleaf forest Ⅲ	枫香木荷石栎香樟混交林 Liquidambar formosana，Schima superba, Lithocarpus glaber and Cinnamomum camphora mixed forest	人工 Artificial forest	0.8	1 117	东南 Southeast	35.0	3.16	2.79	200.41	3.91
针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixed forestⅠ	天然杉木木荷针阔混交林 Natural Cunninghamia lanceolate and Schima superba coniferous broadleaf mixed forest	天然次生 Secondary forest	0.6	1 255	西南 Southwest	22.5	1.24	10.37	52.46	7.92
针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forestⅡ	杉木马尾松木荷混交林 Cunninghamia lanceolate, Quercus acutissima and Schima superba mixed forest	人工 Artificial forest	0.8	1 126	东南 Southeast	25.0	4.75	3.48	224.75	6.11
楠竹林 Phyllostachy pubescens forest	楠竹林 Phyllostachy pubescens forest	天然次生 Secondary forest	0.8	1 144	东北 Northeast	46.0	2.16	4.52	32.45	5.17

表 1 不同林分样地基本情况 Tab. 1 Basic conditions of sample plots in different plantations

由表 2和表 3可知，不同林分样地的根系分布特征情况：1)根鲜质量分布特征。除针叶林Ⅱ与阔叶林Ⅲ，其他林分0~30 cm的根系占总根质量比例皆＞80%。针叶林Ⅰ、阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅰ、针阔混交林Ⅱ在0~20 cm的根系占总根质量＞70%。阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅱ根系对于提高0~10 cm土壤抗蚀抗冲性作用最为明显。针阔混交林Ⅰ土壤10~20 cm处的根系能更好提高土壤抗蚀抗冲性。而阔叶林Ⅲ根系对于提高0~30 cm土壤抗蚀抗冲性作用最为明显。其余林分根系更好地提高0~20 cm土壤抗蚀抗冲性。2)根质量分布特征。随着土层深度增加，根质量密度减少。针叶林与楠竹林0~10 cm土壤根质量密度明显小于阔叶林、针阔混交林根质量密度。阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅰ、针阔混交林Ⅱ的根质量集中于0~10 cm。3)根长分布特征。随着土层深度增加，根长密度减少。针叶林与楠竹林土壤根长密度明显小于阔叶林、针阔混交林。阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅰ、针阔混交林Ⅱ的根长同样集中于0~10 cm。Vannoppen等^[19]认为根系能够改变土壤理化性质，从而削减地表径流，增加土壤抗冲性。同时较大根系能有效固结土壤以提高土壤团聚率，增加土壤孔隙度和入渗率，使土壤不易被冲刷侵蚀。根系长度越长，土壤抗蚀抗冲能力越强^[20]。针叶林和楠竹林根系根长密度、根质量密度皆小于阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅰ、针阔混交林Ⅱ，针叶林和楠竹林的土壤抗蚀性抗冲性可能更弱，具体不同林分的土壤抗蚀抗冲性还需进行试验进一步研究。

表 2 不同林分样地根系质量特征 Tab. 2 Root weight characteristics of plots in different plantations

根系质量特征 Root weight characterisics	土壤层次 Soil layer/cm	针叶林Ⅰ Coniferous forest Ⅰ	针叶林Ⅱ Coniferous forest Ⅱ	针叶林Ⅲ Coniferous forest Ⅲ	阔叶林Ⅰ Broadleaf forest Ⅰ	阔叶林Ⅱ Broadleaf forest Ⅱ	阔叶林Ⅲ Broadleaf forest Ⅲ	针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixerest Ⅰ	针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅱ	楠竹林 Phyllostachy pubescens forest
总根质量 Total root weight/g	0~10	34.145	15.960	31.230	57.425	57.405	14.510	28.105	47.975	18.165
	10~20	42.035	11.935	10.740	14.425	17.065	12.665	65.610	10.955	18.700
	20~30	18.580	6.705	9.380	17.100	12.520	17.425	11.965	7.950	8.345
	30~40	3.965	10.415	10.965	10.885	6.500	9.355	9.295	3.055	5.775
	40~50	0.540	4.080	0.780	0.160	2.300	6.630	3.450	0.150	2.450
根质量密度 Root weight density/(kg·m^-3)	0~10	3.363	1.277	2.499	4.594	4.593	1.161	5.249	3.838	1.453
	10~20	2.732	0.955	0.860	1.154	1.366	1.014	2.248	0.877	1.496
	20~30	1.487	0.537	0.751	1.368	1.002	1.394	0.957	0.636	0.668
	30~40	0.317	0.834	0.878	0.871	0.520	0.749	0.744	0.245	0.462
	40~50	0.043	0.326	0.062	0.013	0.184	0.530	0.276	0.012	0.196
根鲜质量分布 Root fresh weight distribution/%	0~10	34.398	32.508	49.497	57.428	59.928	23.950	23.732	68.453	33.995
	10~20	42.346	24.310	17.022	14.426	17.815	20.905	55.402	15.631	34.996
	20~30	18.718	13.657	14.866	17.101	13.070	28.761	10.103	11.343	15.617
	30~40	3.994	21.214	17.379	10.886	6.786	15.441	7.849	4.359	10.808
	40~50	0.544	8.310	1.236	0.160	2.401	10.943	2.913	0.214	4.585

表 2 不同林分样地根系质量特征 Tab. 2 Root weight characteristics of plots in different plantations

表 3 不同林分样地根系长度特征 Tab. 3 Roots length characteristics of plots in different plantations

根系长度特征 Root length characteristics	土壤层次 Soil layer/cm	针叶林Ⅰ Coniferous forest Ⅰ	针叶林Ⅱ Coniferous forest Ⅱ	针叶林Ⅲ Coniferous forest Ⅲ	阔叶林Ⅰ Broadleaf forest Ⅰ	阔叶林Ⅱ Broadleaf forest Ⅱ	阔叶林Ⅲ Broadleaf forest Ⅲ	针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixed forestⅠ	针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forestⅡ	楠竹林 Phyllostachy pubescens forest
总根长Total root length/m	0~10	3.880	3.264	5.635	14.231	15.399	8.179	9.952	9.262	5.167
	10~20	6.922	2.427	4.395	8.992	6.452	6.938	7.482	3.061	3.907
	20~30	2.228	1.619	3.279	3.760	6.292	5.968	5.221	2.143	2.389
	30~40	1.482	1.792	2.267	1.978	3.800	3.907	3.145	0.950	1.967
	40~50	0.428	1.048	0.456	0.360	2.542	1.618	1.624	0.328	0.810
根长密度Root length density/(m·m^-3)	0~10	310.400	261.120	450.740	1 138.520	1 231.890	654.353	796.110	636.028	413.360
	10~20	253.504	194.160	351.640	719.352	516.120	555.067	598.573	244.927	312.560
	20~30	178.160	129.520	262.353	300.740	503.320	477.480	417.701	171.403	191.120
	30~40	118.560	143.360	181.367	158.180	303.975	312.560	251.590	75.980	157.360
	40~50	34.240	83.840	36.546	32.500	203.400	129.506	129.970	26.200	64.800

表 3 不同林分样地根系长度特征 Tab. 3 Roots length characteristics of plots in different plantations

3.2 样地土壤抗蚀性特征 3.2.1 土壤抗蚀性能

图 1为不同林分样地各层次的土壤抗蚀指数，可以得出阔叶林的抗蚀指数最大，针叶林次之，楠竹林抗蚀指数最小。且阔叶林抗蚀指数分别为针叶林、针阔混交林、楠竹林的1.10、1.36和1.52倍。针叶林、针阔混交林抗蚀指数分别为楠竹林的1.39和1.13倍。这表明不同林分的土壤抗蚀性能有明显差异，其中阔叶林土壤抗蚀性能最好，楠竹林抗蚀性能最差。从图 1还可看出随着土壤深度的增加，土壤抗蚀性能减弱。其中针阔混交林Ⅰ土壤抗蚀指数上下层差异最大，上层土壤抗蚀指数为下层1.92倍。阔叶林Ⅰ土壤上下层抗蚀指数减小幅度最小，上层为下层1.05倍。表层土壤抗蚀性能更强是因为表层土壤枯落物含量更多，更好保护表层土壤不受雨滴击溅。且表层土壤微生物含量更多，能更好分解土壤有机质以改善土壤理化性质从而增加土壤抗蚀性。一旦表层土壤受到破坏，下层土壤会加速被侵蚀，从而可见保护表层土壤对水土保持的重要性。

图 1 不同林分样地土壤各层次抗蚀指数 Fig. 1 Anti-erosion index in different soil layers of the plots in different plantations

3.2.2 土壤抗蚀性动态过程

对不同林分土壤抗蚀指数(S)与水浸时间(t)做回归分析，发现二次多项式函数拟合度很高，这与王俭成等^[21]的结果不同。因此使用关系式：S=at²+bt+c进行拟合，式中a、b和c为常数。表 4为拟合后不同林分样地土壤抗蚀指数与水浸时间关系式，其关系指数皆＞0.95。不同林分样地土壤抗蚀指数变化过程见图 2。随着水浸时间的增加，不同林分土壤抗蚀指数皆变小，土壤抗蚀性能下降。这是因为随着水浸时间增加，土壤团聚体越容易分散，随着崩塌的土壤颗粒增加，土壤孔隙被堵塞使土壤入渗率下降，从而导致土壤抗蚀性能下降。试验第1 min，所有林分土壤抗蚀性均＞75%。随着时间增加，不同林分抗蚀指数变化规律不同。针阔混交林Ⅱ、楠竹林抗蚀指数变化较为急剧，针叶林Ⅱ、阔叶林Ⅱ抗蚀指数变化平缓。

表 4 不同林分样地土壤抗蚀指数与水浸时间关系 Tab. 4 Relationship between anti-erosion index and time in the plots of different plantations

图 2 不同林分样地土壤抗蚀指数变化过程 Fig. 2 Variation in anti-erosion index in the soils of different plantation plot

同时，使用二次多项式S=at²+bt+c模拟不同林分样地土壤各层次抗蚀指数与水浸时间的关系(表 5)。其关系指数皆＞0.95，说明此公式能很好模拟各层次土壤抗蚀性与水浸时间的动态过程。并对各方程系数进行方差分析，不同土壤层次的各个方程系数之间有显著差异。

表 5 不同林分样地土壤各层次抗蚀指数与水浸时间关系 Tab. 5 Relationship between anti-erosion index and soaking time in different soil layers of different plantations

林分类型 Plantation	土壤层次 Soil layer/cm	方程系数Equation coefficient			R²
林分类型 Plantation	土壤层次 Soil layer/cm	a	b	c	R²
针叶林ⅠConiferous forest Ⅰ	0~10	0.183 7	-4.102 7	99.841 7	0.985 9
针叶林ⅠConiferous forest Ⅰ	10~20	-0.149 6	-3.263 3	83.708 3	0.995 8
针叶林ⅡConiferous forest Ⅱ	0~10	-0.157 2	-0.161 7	99.641 7	0.991 4
针叶林ⅡConiferous forest Ⅱ	10~20	0.018 9	-1.829 6	95.183 3	0.957 1
针叶林ⅢConiferous forest Ⅲ	0~10	0.032 2	-3.499 6	99.208 3	0.992 5
针叶林ⅢConiferous forest Ⅲ	10~20	0.208 3	-6.749 2	95.450 0	0.985 2
阔叶林ⅠBroadleaf forest Ⅰ	0~10	-0.185 6	-0.479 6	97.783 3	0.985 0
阔叶林ⅠBroadleaf forest Ⅰ	10~20	-0.198 9	-0.897 4	96.491 7	0.993 0
阔叶林ⅡBroadleaf forest Ⅱ	0~10	-0.134 5	-0.187 5	100.308 3	0.975 3
阔叶林ⅡBroadleaf forest Ⅱ	10~20	0.112 9	-4.248 9	99.603 3	0.997 5
阔叶林ⅢBroadleaf forest Ⅲ	0~10	-0.070 1	-1.632 2	98.725 0	0.983 5
阔叶林ⅢBroadleaf forest Ⅲ	10~20	-0.087 1	-1.490 2	90.150 0	0.986 5
针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅰ	0~10	0.039 8	-1.479 9	99.508 3	0.959 9
针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅰ	10~20	0.507 6	-9.610 6	81.766 7	0.957 2
针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅱ	0~10	0.253 8	-6.452 3	93.716 7	0.991 6
针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅱ	10~20	0.316 3	-6.688 3	69.858 3	0.969 1
楠竹林Phyllostachy pubescens forest	0~10	0.331 4	-7.094 3	93.358 3	0.986 2
楠竹林Phyllostachy pubescens forest	10~20	0.479 2	-10.170 8	82.741 7	0.972 1
注：a、b和c为拟合方程S=at²+bt+c中参数。Notes：a, b and c are the coefficients in the fitted equation S=at²+bt+c.

表 5 不同林分样地土壤各层次抗蚀指数与水浸时间关系 Tab. 5 Relationship between anti-erosion index and soaking time in different soil layers of different plantations

3.3 样地土壤抗冲性特征

土壤抗冲性反映土壤在水蚀作用下泥沙流失的情况，是表征土壤抵抗水外营力破坏的能力指标。由于冲刷主要集中发生在样地的表层土壤中，则计算出不同林分样地土壤各层次抗冲系数(表 6)，可以看出，随着试验坡度的增加，土壤抗冲系数逐渐减小，这是因为坡度越大，土壤受重力作用影响越大，则泥沙颗粒越容易发生剥离搬运，土壤抗冲性越弱。且随着土层深度的增加，土壤抗蚀系数呈减小趋势，这说明土层越深，土壤抗冲性能越强。15°坡面上层土壤抗冲系数为下层的1.30~5.79倍，25°坡面上层土壤抗冲系数为下层的1.05~3.49倍，30°坡面上层土壤抗冲系数为下层的1.06~3.57倍。这是因为下层土壤受外界影响较小，与土壤理化性质及根系密度有直接关系。阔叶林土壤的抗冲性优于其他林分，针阔混交林次之，楠竹林土壤抗冲性最差。在0~10 cm土壤中，阔叶林Ⅰ抗冲系数最大，在15°、25°和30°坡面中抗冲系数分别达到58.300、29.047和5.527(L·min)/g。这是因为除楠竹林外其他林分根系集中于0~10 cm，楠竹林树种较为单一，上层土壤枯落物储量较少，腐殖层最薄，且在土壤表层的根长密度与根质量密度明显小于其他林分，直接影响林分土壤抗冲性能的大小。

表 6 不同林分样地土壤各层次抗冲系数 Tab. 6 Anti-scouring coefficient in different soil layers of the plots in different plantations

(L·min)/g
试验坡度 Slope/(°)	土壤层次 Soil layers/cm	针叶林Ⅰ Coniferous forest Ⅰ	针叶林Ⅱ Coniferous forest Ⅱ	针叶林Ⅲ Coniferous forest Ⅲ	阔叶林Ⅰ Broadleaf forest Ⅰ	阔叶林Ⅱ Broadleaf forest Ⅱ	阔叶林Ⅲ Broadleaf forest Ⅲ	针阔混交林Ⅰ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅰ	针阔混交林Ⅱ Coniferous broadleaf mixed forest Ⅱ	楠竹林 Phyllostachy pubescens forest
	0~10	15.293	12.047	5.821	58.300	12.732	18.193	27.173	22.784	12.043
15	10~20	2.640	9.239	3.034	15.569	9.767	8.326	7.322	4.111	3.972
	平均Average	8.966	10.751	4.427	36.934	22.499	13.260	17.248	13.448	8.007
	0~10	4.922	13.166	4.296	29.047	10.646	10.891	8.265	10.549	3.698
25	10~20	3.494	6.653	2.989	8.973	8.305	3.124	3.159	6.063	3.531
	平均Average	4.263	9.910	3.642	18.238	8.305	7.008	6.223	8.306	3.614
	0~10	2.969	6.181	5.527	15.110	11.804	7.596	5.868	4.750	2.628
30	10~20	1.554	5.820	1.547	5.154	3.861	4.561	4.773	3.945	1.819
	平均Average	2.261	5.987	3.537	10.132	7.833	6.079	5.321	4.316	2.223

表 6 不同林分样地土壤各层次抗冲系数 Tab. 6 Anti-scouring coefficient in different soil layers of the plots in different plantations

3.4 样地根系特征与土壤抗蚀抗冲性关系

本试验基于Pearson相关性分析，将9个不同林分土壤抗蚀指数、抗冲系数与总根长、根长密度、总根质量、根质量密度根系特征进行相关性分析，结果见表 7和8。由表 7可知，不同林分土壤抗蚀性的高低与根系指标的关系密切。相关分析发现≤1和>1~3 mm根径的根系总根长与根长密度与土壤抗蚀指数显著正相关(P＜0.05)。这是因为细小的毛根根系可以在土壤团聚体中穿插，固结土壤防止土体在水蚀作用中分散崩塌，增加土壤的抗蚀性能。由于大根径根系在一定程度上会破环土壤，增加土壤细小颗粒，所以与土壤的抗蚀性能呈负相关且不显著。土壤抗蚀性与总根质量、根质量密度呈显著负相关(P＜0.05)，可见林分土壤的抗蚀性随着总根质量与根质量密度的增加而减弱。

表 7 不同林分样地土壤抗蚀指数与根系形态特征相关性分析 Tab. 7 Correlation analysis between anti-erosion index and root characteristics of plots in different plantations

表 8 不同林分样地土壤抗冲系数与根系形态特征相关性分析 Tab. 8 Correlation analysis of anti-scouring coefficient and root characteristic of different plantations

由表 8可以看出根系直径≤1和>1~3 mm的根系，其抗冲性能与总根长、根长密度有呈负相关，且皆有显著相关性(P＜0.05)，这与张荣等^[22]的研究结果相似。土壤抗冲性与根径较大的根系不显著相关，这可能是因为各林分样地土壤中大直径根系含量较少，这与屈东旭等^[23]结论相似，不足以影响土壤抗冲性。而在15°坡度下，土壤抗冲性与总根质量、根质量密度显著负相关(P＜0.05)，这说明不同林分土壤抗冲性较强是因为土壤根系质量较小，质量较轻的细根能够有更长的延伸范围以固持土壤，这与金晓等^[10]的研究结果相同。而更大坡度坡面的土壤抗冲性与总根质量、根质量密度不显著相关。这可能是因为大坡度坡面泥沙颗粒受到的重力作用大于根系固持作用，导致土壤泥沙颗粒更易于被冲刷侵蚀。

4 结论

1) 除针叶林Ⅱ与阔叶林Ⅲ，其他林分0~30 cm的根系占总质量比例皆＞80%。且随着土层深度增加，根质量密度减少，根长密度减少。针叶林和楠竹林根系根长密度、根质量密度皆小于阔叶林Ⅰ、阔叶林Ⅱ、针阔混交林Ⅰ、针阔混交林Ⅱ。

2) 阔叶林的抗蚀指数最大，针叶林次之，楠竹林抗蚀指数最小。且随着土壤深度的增加，土壤抗蚀性能减弱，其中针阔混交林Ⅰ土壤抗蚀指数上下层差异最大。二次多项式函数能高度拟合不同林分土壤抗蚀指数与水浸时间的关系。随着水浸时间的增加，不同林分土壤抗蚀指数皆变小，土壤抗蚀性能下降。同时二次多项式函数也能很好模拟不同林分样地土壤各层次抗蚀指数与水浸时间的动态过程(R²>0.95)。

3) 随着冲刷试验坡度的增加，土壤抗冲系数逐渐减小。土层越深，土壤抗冲性能越强，坡面上层土壤抗冲系数为下层的1.05~5.79倍。阔叶林土壤的抗冲性优于其他林分，针阔混交林次之。楠竹林树种较为单一，且在土壤表层的根长密度与根质量密度明显小于其他林分，直接影响林分土壤抗冲性能的大小，其土壤抗冲性最差。在0~10 cm土壤中，阔叶林Ⅰ抗冲系数最大，在15°、25°、30°坡面中抗冲系数分别达到58.300、29.047和5.527 (L·min)/g。

4)≤1和>1~3 mm根径的根系总根长与根长密度与土壤抗蚀指数显著正相关(P＜0.05)。土壤抗蚀性与总根质量、根质量密度呈显著负相关(P＜0.05)。根系直径≤1和>1~3 mm的根系抗冲系数与总根长、根长密度有呈负相关，且皆有显著相关性(P＜0.05)。在15°坡度下，土壤抗冲性与总根质量、根质量密度显著负相关(P＜0.05)。大坡度坡面泥沙颗粒受到的重力作用大于根系固持作用，导致土壤泥沙颗粒更易于被冲刷侵蚀，更大坡度坡面的土壤抗冲性与总根质量、根质量密度不显著相关。

5 参考文献

[1]	朱显谟. 我国十年来水土保持工作的成就[J]. 土壤, 1959(10): 7. ZHU Xianmo. China's achievements in soil and water conservation over the past decade[J]. Soils, 1959(10): 7.
[2]	杨智, 兰雪, 戴全厚, 等. 黔中地区不同岩性土壤抗冲抗蚀性研究进展[J]. 水土保持研究, 2010, 17(4): 6. YANG Zhi, LAN Xue, DAI Quanhou, et al. Anti-erodibility and anti-scourability of different lithological soils in the area of central Guizhou province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 17(4): 6.
[3]	资如毅, 赵龙山, 钱晓鹤, 等. 喀斯特高原山地土壤抗冲性与土壤物理性质的关系[J]. 水土保持学报, 2022, 36(3): 23. ZI Ruyi, ZHAO Longshan, QIAN Xiaohe, et al. Relationship between soil anti-scourability and soil physical properties in Karst Mountain areas[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2022, 36(3): 23.
[4]	郭明明, 王文龙, 康宏亮, 等. 黄土高塬沟壑区植被自然恢复年限对坡面土壤抗冲性的影响[J]. 农业工程学报, 2018, 34(22): 138. GUO Mingming, WANG Wenlong, KANG Hongliang, et al. Effect of natural vegetation restoration age on slope soil anti-scourability in gully region of Loess Plateau[J]. Transactions of the CSAE, 2018, 34(22): 138.
[5]	李英, 林圣玉, 张龙, 等. 鄱阳湖生态经济区坡耕地表土抗蚀性评价[J]. 中国水土保持, 2016(7): 48. LI Ying, LIN Shengyu, ZHANG Long, et al. Evaluation of topsoil erosion resistance of sloping land in Poyang Lake Eco-Economic Zone[J]. Soil and Water Conservation in China, 2016(7): 48. DOI:10.3969/j.issn.1000-0941.2016.07.021
[6]	赵洋毅, 周运超, 段旭. 黔中石灰岩喀斯特表层土壤结构性与土壤抗蚀抗冲性[J]. 水土保持研究, 2008, 15(2): 18. ZHAO Yangyi, ZHOU Yunchao, DUAN Xu. Surface soil structure and its relationship with soil anti-erosion and soil anti-scour under the limestone region of karst area in the middle of Guizhou[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(2): 18.
[7]	赵洋毅, 周运超, 段旭. 黔中喀斯特地区不同岩性土壤的抗蚀抗冲性研究[J]. 安徽农业科学, 2007, 35(29): 9311. ZHAO Yangyi, ZHOU Yunchao, DUAN Xu. Anti-erodibility and anti-scourability of different lithological soils in karst area of central Guizhou province[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2007, 35(29): 9311.
[8]	闫思宇, 王景燕, 龚伟, 等. 川南山地林分变化对土壤物理性质和抗蚀性的影响[J]. 长江流域资源与环境, 2016, 25(7): 1112. YAN Siyu, WANG Jingyan, GONG Wei, et al. Effects of forest change on soil physical properties and anti-erodibility in southern Sichuan Mountains[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(7): 1112.
[9]	陈爱民, 严思维, 林勇明, 等. 泥石流频发区不同林龄新银合欢土壤抗蚀性评价[J]. 北京林业大学学报, 2016, 38(9): 62. CHEN Aimin, YAN Siwei, LIN Yongming, et al. Evaluation of soil anti-erodibility at different ages of Leucaena leucocephala forests in the area with high-frequency debris flow[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2016, 38(9): 62.
[10]	金晓, 陈丽华. 晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征[J]. 水土保持学报, 2019, 33(6): 120. JIN Xiao, CHEN Lihua. Soil anti-scourability and root distribution characteristics in surface soil under different vegetation types in the loess region of western Shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(6): 120.
[11]	周玮, 查同刚, 孙怀宁, 等. 北京八达岭地区典型林分林地土壤抗蚀性分析[J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(4): 84. ZHOU Wei, ZHA Tonggang, SUN Huaining, et al. Analysis of anti-erodibility of forest soil at 4 typical forest stands in Beijing Badaling area[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(4): 84.
[12]	王月玲, 许浩, 马璠, 等. 宁南黄土区典型林地土壤抗冲性及相关物理性质[J]. 水土保持研究, 2021, 28(1): 37. WANG Yueling, XU Hao, MA Fan, et al. Soil anti-scourability and its related physical properties on typical forestlands in loess hilly region of southern Ningxia[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2021, 28(1): 37.
[13]	ZHAO Yangyi, DUAN Xu, SHU Shumiao. The influence of typical forest types on soil erosion resistance in the water source areas of central Yunnan[J]. Asian Agricultural Research, 2015, 7(7): 35.
[14]	吕刚, 吕金昊, 翟景轩, 等. 辽西北水蚀风蚀交错区不同土地利用类型土壤抗冲性特征[J]. 沈阳农业大学学报, 2021, 52(2): 212. LÜ Gang, LÜ Jinhao, ZHAI Jingxuan, et al. Soil anti-scour ability characteristics of different land use patterns in the wind-water erosion crisscross region of northwest Liaoning province[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2021, 52(2): 212.
[15]	王丹丹, 张建军, 茹豪, 等. 晋西黄土高原不同地类土壤抗冲性研究[J]. 水土保持学报, 2013, 27(3): 28. WANG Dandan, ZHANG Jianjun, RU Hao, et al. Soil erosion resistance of different land uses in Loess Plateau of western Shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(3): 28.
[16]	王龙, 张连科, 马伊明, 等. 工程扰动对黄土抗蚀性与抗冲性的影响[J]. 水土保持学报, 2021, 35(4): 14. WANG Long, ZHANG Lianke, MA Yiming, et al. Influence of engineering disturbance on soil anti-erodibility and anti-scourability of loess[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(4): 14.
[17]	程金花, 张洪江, 王伟, 等. 重庆四面山5种人工林保土功能评价[J]. 北京林业大学学报, 2009, 31(6): 54. CHENG Jinhua, ZHANG Hongjiang, WANG Wei, et al. Evaluation of soil conservation capacity of five plantations in Simian Mountain, Chongqing, southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2009, 31(6): 54.
[18]	何文华, 张洪江, 程金花, 等. 重庆四面山5种人工林土壤入渗特性对比[J]. 中国水土保持科学, 2015, 13(2): 50. HE Wenhua, ZHANG Hongjiang, CHENG Jinhua, et al. Comparison of infiltration characteristic of five typical plantations mountain of Chongqing[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(2): 50.
[19]	VANNOPPEN W, De BAETS S, KEEBLE J, et al. How do root and soil characteristics affect the erosion-reducing potential of plant species?[J]. Ecological Engineering, 2017, 109: 186. DOI:10.1016/j.ecoleng.2017.08.001
[20]	马中浩. 南方红壤区玉米生育期坡地土壤抗侵蚀性特征[D]. 武汉: 华中农业大学, 2016: 46. MA Zhonghao. The characteristic of anti-erosion characteristics on slope land of red soil during the growth of coin[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2016: 46.
[21]	王俭成, 杨建英, 史常青, 等. 北川地区典型林分土壤抗蚀性分析[J]. 水土保持学报, 2013, 27(1): 71. WANG Jiancheng, YANG Jianying, SHI Changqing, et al. Analysis of soil anti-erodibility of different typical forests in Beichuan area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(1): 71.
[22]	张荣, 董洪君, 周润惠, 等. 四川夹金山灌丛群落根系特征对土壤抗冲性的影响[J]. 生态学杂志, 2020, 39(11): 355. ZHANG Rong, DONG Hongjun, ZHOU Runhui, et al. Effects of root characteristics of shrub community on soil anti-scourability in the Jiajin Mountains, Sichuan province[J]. Chinese Journal of Ecology, 2020, 39(11): 355.
[23]	屈东旭, 吕刚, 翟景轩, 等. 科尔沁沙地南缘不同林草措施根系对土壤抗冲性的影响[J]. 水土保持研究, 2020, 27(1): 21. QU Dongxu, LÜ Gang, ZHAI Jingxuan, et al. Effects of root system of different forest and grass measures on soil anti-scouring in southern margin of Horqin Sandy Land[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(1): 21.