洪澤湖大堤不同植物群落的護堤防蝕效應

施 欽, 蘆治國, 徐 銘, 張 銳, 華建峰, 陳昌仁

(1.江蘇省中國科學院植物研究所, 江蘇 南京 210014; 2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處, 江蘇 淮安 223100)

防護林體系作為林業生態工程的主體在維護基礎設施、抵御自然災害和維持生態平衡等方面發揮著巨大作用[1]。水利防護林在水域行洪區和堤防等范圍內提供了生態防護功能，是生態環境建設和經濟可持續發展的重要戰略部署[2]。江蘇省河湖眾多，水網密布，有豐富的河流、湖泊灘地、河堤以及水庫坡地，為水利防護林營造提供了充分的空間。積極的水利綠化應用不僅可以產生令人矚目的社會效益，更有助于生態文明建設取得積極成效。當前中國人工林建設蓬勃發展，在林分管理、分類經營、體系建設等方面研究較多[3-5]，但對于水利防護林的水土保持功能以及護堤防蝕效益研究較少。

土壤抗蝕性表現為土壤對侵蝕營力分力和搬運作用的抵抗能力，是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應。典型喀斯特森林土壤研究顯示有機質含量、水穩性團聚體、團聚度能較好地表征喀斯特林地土壤抗蝕性[6]。黃進等[7]針對桐廬山生態林選取土壤水穩性指數、團聚度、分散率、水穩性團聚體含量、有機質含量為評價指標，構建了土壤抗蝕性等級評價體系。防護林因其林齡、林分樹種組成以及林下結構配置不同，土壤抗蝕性能也有所差異。洪澤湖大堤防護林主要由楊樹(Populussimoniivar.przewalskii、垂柳(Salixbabylonica)和水杉(Metasequoiaglyptostroboides)組成，其間次生刺槐(Robiniapseudoacacia)和樸樹(Celtissinensis)等，是防止風浪侵蝕湖堤的重要防護工程。目前關于洪澤湖大堤的防護林研究均集中于樹種種植與生長表現[8-9]，或者僅僅是測定林下理化性質差異[10]，并未針對不同植物群落護堤防蝕效應開展進一步探討。因此，本文擬通過對洪澤湖大堤防護林群落開展定量測定，深入研究大堤植物根系和土壤抗沖抗蝕性能及其穩定性的關系，分析不同樹種林分群落結構水土保持功能及護堤防蝕效應的差異，以期為洪澤湖大堤生物防護工程提供數據支持，同時為水利防護林的建設設計與科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于江蘇省淮安市洪澤區(32°13′ N，118°49′ E)，屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.3 ℃，四季分明，無霜期240 d，年平均降水量940 mm。洪澤湖大堤全長67.25 km，其中省管段25.1 km，防護林臺面高程為14.5 m，寬度為50 m，迎湖面堤防面積約106 hm2，目前利用方式為全部種植植物。

1.2 樣地設置

采取典型樣地取樣法，于2020年7月在洪澤湖大堤迎水面，依據防護林植物組成及群落特征選取經營一致(常規管護)、長勢良好的5種群落作為測定樣地，包括楊樹群落(Populussimoniivar.przewalskii)、水杉群落(Metasequoiaglyptostroboides)、楊樹與水杉混交林群落(Populussimoniivar.przewalskii×Metasequoiaglyptostroboides)、樸樹群落(Celtissinensis)和狗牙根(Cynodondactylon)群落，各群落的坡向和坡位基本相同。每個植物群落內分別選取代表性樣地(25 m × 25 m)，調查林分樹種組成及生長狀況，主要調查指標為樹高、胸徑、冠幅和郁閉度。隨后，以S型隨機選取4個典型土樣采集點挖取土壤剖面，用50 cm3環刀沿剖面按0—15，15—30，30—45 cm將土壤分為3層取原狀土。因此，每種植物群落每土層取樣4個，即4次重復；本試驗共有土樣60個。將所取樣品標記并裝入自封袋后帶回實驗室進行相關指標測定。

1.3 指標測定

用鋼圍尺在樹干距地面1.3 m處測得的直徑即為樹木胸徑；使用布魯萊斯測高器測量樹高；冠幅為樹冠東西和南北兩方向的投影直徑。郁閉度測量采用系統樣點抬頭觀測法，沿樣方對角線進行一米一抬頭觀測，用樹冠遮擋點除以總樣點數即為郁閉度。用環刀在每層土壤剖面取樣后，去除土壤中的昆蟲和石塊等異物，分揀根系，依次用1.0 mm和0.5 mm孔徑的不銹鋼網篩沖洗。反復過篩沖洗3～5次后，用鑷子將細根從篩子中挑出，用濾紙將水吸干，計數，然后將其置于烘箱中80 ℃恒溫下烘干48 h后稱重，計算根系生物量。

土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度測定采用環刀法，土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀外加熱氧化法[11]，土壤水穩性團聚體含量采用濕篩法測定[12]。土壤侵蝕往往最先作用于表層土壤，因此本試驗僅針對0—15 cm的表層土壤進行了抗沖行和抗蝕性測定。土壤抗沖性測定應用C.C.索波列夫抗沖儀，以表層0—15 cm土壤的抗沖指數表示。在1個大氣壓力下，用10個直徑0.7 mm的水柱對表層土壤持續沖擊1 min，使其產生水蝕穴，以10個水蝕穴的平均直徑和平均深度乘積的倒數作為該土層的抗沖指數[13]。

式中：A為抗沖指數;di為第i個水蝕穴的直徑(cm)；li為第i個水蝕穴的深度(cm)。

土壤崩解率和水穩性指數采用靜水崩解法測定，將干篩后留在3 mm篩上的3～6 mm的土壤粒體數出100粒，放入1 mm孔徑不銹鋼網篩上進行浸水試驗，使蒸餾水剛好覆蓋土粒表面。每隔1 min記錄崩解的土粒數目，連續記錄10 min，然后計算土壤水穩性指數[12]。

式中：K為土壤水穩性指數；Pi為第imin分散的土粒數量；P為10 min內未分散的土粒數量；Ki為第imin的校正系數；S為供試土粒總數，即100。

1.4 數據處理

試驗數據的統計處理及相關性分析利用Microsoft Excel 2007(Microsoft Inc，USA)、SPSS 19.0(IBM Software，USA)進行，采用Duncan檢驗進行顯著性分析，作圖軟件采用Origin Pro 9.1(Origin Lab，USA)。

2 結果與分析

2.1 不同植物群落的生長情況

在所有植物群落中，楊樹的平均胸徑、樹高、冠幅和郁閉度均高于其他植物，而樸樹的平均胸徑、樹高和冠幅最低，水杉的郁閉度最低(表1)。在0—45 cm土層深度內，隨著土層深度的增加，5種植物群落的根系生物量逐漸降低。0—15 cm土層根系生物量占總根系生物量的比例，最高的為樸樹群落，達到65.2%，而楊樹×水杉占比最低，僅為47.7%。0—15 cm土層，樸樹根系生物量最高(p<0.05)，其余依次為狗牙根、楊樹、楊樹×水杉、水杉；15—30 cm土層，楊樹和樸樹的根系生物量顯著高于(p<0.05)其他植物群落；30—45 cm土層，樸樹根系生物量最高(p<0.05)，狗牙根根系生物量僅為0.22 kg/m3，顯著低于(p<0.05)木本群落(表1)。

表1 不同植物群落的生長情況

2.2 不同植物群落土壤容重和孔隙度

洪澤湖大堤不同植物群落的土壤容重在1.19～1.46 g/cm3之間變化，且0—15 cm和15—30 cm的土壤容重顯著低于(p<0.05)底層(30—45 cm)，表明底層土壤更為緊實(表2)。在所有植物群落中，狗牙根、楊樹和樸樹群落各土層的土壤容重較大，而水杉(1.19～1.35 g/cm3)和楊樹×水杉混交林群落(1.27～1.39 g/cm3)的土壤容重較低，說明相對其他植物群落，水杉和楊樹×水杉混交林群落的土壤較為松散(表2)。

楊樹群落和楊樹×水杉混交林群落各層土壤總孔隙度和非毛管孔隙度的變化趨勢相同，表現為0—15 cm和15—30 cm土層顯著高于(p<0.05)30—45 cm土層。大多數情況下，楊樹和樸樹群落3個土層的總孔隙度高于其他群落，說明種植楊樹和樸樹防護林可以明顯增強土壤的通透性。此外，水杉群落的土壤毛管孔隙度在所有群落中最低，平均為17.7%，而狗牙根群落的非毛管孔隙度最低，平均為11.1%(表2)。

表2 洪澤湖大堤不同植物群落土壤容重及孔隙度

2.3 不同植物群落的土壤有機質和水穩定性團聚體含量

依據全國土壤養分含量分級標準表，洪澤湖大堤5種植物群落的土壤有機質含量平均值在4級及以上，土壤較為肥沃。在0—45 cm土層范圍內，5種植物群落土壤有機質含量隨土層深度增加都呈遞減趨勢。0—15 cm和15—30 cm土層，楊樹和樸樹群落的土壤有機質含量在所有植物群落中最高(p<0.05)，而水杉群落最低(p<0.05)，分別為22.2，18.3 g/kg。

水穩性團聚體是由有機質膠結而成的團粒結構，被水浸濕后不易解體，具有較高的穩定性。從表3可以看出，各粒徑團聚體含量從大到小依次為<0.25 mm團聚體，>2 mm團聚體，0.05～0.25 mm團聚體以及0.25～2 mm團聚體。5種群落各土層團聚體含量差異變化較大，各團聚體含量隨著土層沒有一致性變化。0—15 cm和15—30 cm土層中，楊樹群落<0.25 mm團聚體含量高于其他植物群落。除樸樹群落外，其余4種群落以<0.25 mm團聚體為主，占比均超過50%。樸樹群落>0.25 mm團聚體含量最高(592 g/kg)，依次是楊樹×水杉(499 g/kg)、狗牙根(439 g/kg)、水杉(439 g/kg)，最低是楊樹(421 g/kg)。>0.25 mm的團聚體是團粒結構體，其數量大小與土壤的穩定性狀況呈正相關關系。可見，5種植物群落中，樸樹可以更好地維持洪澤湖大堤土壤穩定性。

表3 不同群落水穩性團聚體及有機質的分布特征

2.4 不同植物群落的土壤抗沖指數和水穩性指數

如圖1所示，0—15 cm表層土壤抗沖指數在狗牙根、楊樹、楊樹×水杉和樸樹群落之間沒有顯著差異，但是均顯著高于(p<0.05)水杉群落。狗牙根和楊樹群落0—15 cm表層土壤的水穩性指數顯著高于(p<0.05)樸樹和楊樹×水杉群落，而水杉群落則顯著低于(p<0.05)其他植物群落。這表明水杉群落表層土壤的抗侵蝕能力最弱，林下土壤遇水更容易崩蝕。

注：不同小寫字母表示不同植物群落之間差異顯著(p<0.05)。

2.5 植物群落根系生物量與土壤理化性質的相關性分析

如表4所示，植物根系生物量與土壤有機質含量、總孔隙度、0.25～2 mm團聚體含量、抗沖指數和水穩性指數呈極顯著正相關(p<0.01)，同樣，其與土壤容重和>2 mm團聚體達到顯著正相關(p<0.05)。然而，植物根系生物量與<0.25 mm團聚體極顯著負相關(p<0.01)。此外，土壤有機質含量與土壤容重、總孔隙度、毛細管孔隙度、>2 mm團聚體、抗沖指數和水穩性指數呈極顯著正相關(p<0.01)。此外，植物群落土壤的抗沖指數和水穩性指數還與土壤容重(p<0.01)、總孔隙度(p<0.05)顯著正相關。

表4 植物根系生物量與土壤理化性質的相關性分析

3 討 論

防護林是洪澤湖大堤防洪工程的重要組成部分，植物尤其是喬木為主體的防護林群落通過地上部分，包括冠層、地表枯落物以及莖干等有效地減弱侵蝕動力對地表的沖刷作用，不僅可以增加入滲、減緩流速以及分散大堤股流，同時能改善土壤結構，較大提升土壤抗侵蝕能力[14-16]。本研究對洪澤湖5種植物防護林群落的調查表明，楊樹的平均樹高胸徑和郁閉度等均遠高于其他幾種木本植物防護林群落，而這幾個指標是森林穩定性及森林生態影響的決定因素。楊樹和樸樹防護林有機質含量在所有防護林群落中較高，土壤的通透性強，水杉群落表層土根系生物量最低，且抗侵蝕能力最弱。

樸樹群落土壤團粒結構體含量最高，水穩性最優，不易受到外界環境的擾動。團聚體形成與土壤有機質含量存在密切關系，因為土壤有機質是土壤水穩性團聚體的有機膠結劑[17-18]。四川省內江市沱江護岸植被研究顯示，土壤水穩性指數與>0.25 mm團聚體、有機質的關聯系達到0.815，0.829[19]。根系與土壤有機質的關系研究發現，根系輸入有機質的貢獻率高于地上部分的枯落物，僅僅是細根(<2 mm)的分解，就可將超過50%的養分歸還到森林生態系統中[20]。在洪澤湖大堤防護林中，樸樹和楊樹群落根系生物量顯著高于其他幾種植物群落，其根系分解幫助有機質從防護林生物庫轉移到大堤林下土壤庫，因而其林下土壤在水穩定性方面較有優勢。不僅如此，樸樹群落相比于水杉和楊樹有更多的林間灌木，林下植被多樣性與覆蓋度較高，凋落物分解代謝較快，相比于其他植物群落能有效促進土壤有機碳的增加，是其土壤水穩定性高的物質基礎。

楊樹×水杉群落土壤穩定性大于楊樹和水杉群落，主要是因為針葉與闊葉的混交林樹冠層厚間隔，林內光照利用率較高，林下物種豐富度大于純楊樹和水杉群落。楊樹作為洪澤湖防護林的主要樹種，雖然其有機質含量和土壤通氣蓄水效應較高，但是趨于老化且病蟲害嚴重，林相雜亂，導致土壤穩定性效益減退[21]。康希睿等[22]研究表明中度混交林地不僅群落穩定性要高于純林，其林下物種豐富度和林下更新能力也有較明顯優勢。蘇北海堤杉木×楊樹混交林林木生長研究結果顯示，混交林林木生長、林地土壤結構狀況和養分含量均好于純林[23]。作為針葉樹種的水杉群落，其土壤穩定性及抗侵蝕效益均不理想，這與其他學者研究結論基本一致[24-26]，針葉林的水土保持效益顯著低于闊葉林。針對洪澤湖大堤存在的楊樹林效益低下問題，可以通過與水杉等其他樹種合理混交，后期通過調節楊樹和其他樹種的種間關系，以達到充分利用地力提高大堤林分穩定性的目的。

本試驗相關性分析證實防護林群落土壤的抗蝕性與表層土壤中植物根系生物量密切相關。原因在于根系能通過提高土壤的抗沖性、抗蝕性能有效地減少土壤流失量，使植被覆蓋條件下的地表侵蝕作用大大降低，因而植物根系發達、分布廣泛的土壤往往也具有較強的抗蝕性[27-28]。從表層土抗沖指數與水穩性指數來看，狗牙根群落的防蝕效應明顯優于其他木本植物群落，這主要是因為草本植物根系主要集中分布在地表，相對于木本植物，狗牙根根系蔓延力強，易形成交錯的密集網狀根系，對表層土壤的抗蝕作用也顯得突出[29]。李東林等[30]在對京杭運河淮安段水利防護林群落護堤防蝕效應中也得出早熟禾(Poaannua)群落土壤抗蝕性最強的結論。嫩江大堤護坡植物根系及土壤抗沖、抗蝕及抗剪強度的測定分析，草本植物根系有較強的固持土壤功能，抗沖指數與根長、根量間有明顯的相關性[31]。但是狗牙根群落在30—45 cm土層根系生物量含量顯著低于木本群落，從對深層次土壤的影響來看，木本植物護堤效益將遠遠超過狗牙根群落。

4 結 論

不同防護林群落在洪澤湖護堤抗蝕效益方面有所差異，楊樹、樸樹和狗牙根群落土壤穩定性較高，護堤防蝕能力突出。植物群落的護堤防蝕效應與根系生物量、土壤有機質含量、容重、總孔隙度顯著正相關。防護林群落能通過地表凋落物及根系的綜合影響明顯改善林下土壤的物理性質。雖然楊樹群落防護能力突出，但是老化嚴重，遇臺風易折，蟲害和楊絮問題日益暴露，針對目前以楊樹為主的防護林，可進行合理的林相改造、加強群落配置等提高群落整體生態效應。與此同時，構建密度適宜的針闊葉混交林可以更高效地提升洪澤湖大堤水杉防護林的防浪護堤效益。