黄土丘陵区刺槐（Robinia pseudoacacia L.）混交改造对土壤抗蚀性（ANEI）与抗冲性（ANSI）的影响及主控因子

《International Soil and Water Conservation Research》：Evaluating the soil resistance to water erosion among mixed transformations of Robinia pseudoacacia L. forests in the Loess Hilly Region of China

　　

土壤对径流分散和冲刷的抵抗能力与植被驱动的土壤性质变化密切相关，但混交林中这些效应仍未得到充分认识。本研究旨在评价刺槐（Robinia pseudoacacia L.）混交改造如何影响土壤抗蚀性（ANEI）和抗冲性（ANSI），并识别其主要控制因子。研究人员调查了5种混交林（R×H、R×Ps、R×A、R×Pd和R×Pt），采集362份原状土样以测定ANEI、ANSI、土壤性质和根系性状。结果表明，与纯林相比，R×Ps和R×Pt显著增强土壤抗侵蚀能力，ANEI分别增加33.20%和22.60%，ANSI分别增加12.90%和12.48%，而其他混交林呈现不同程度下降。在临时性切沟中，ANEI和ANSI分别较相邻坡面低19.27%–38.30%和26.87%–56.97%。结构方程模型（SEM）和变异分配分析（VPA）表明，土壤性质和根系性状共同解释ANEI变异的75.59%和ANSI变异的64.18%；ANEI主要受根质量密度（RMD）和根表面积密度（RSAD）控制（标准路径系数SPC = 0.591，p < 0.001），而ANSI主要受土壤黏聚力（Coh）和容重（BD）控制（SPC = 0.610，p < 0.001）。总体而言，ANEI和ANSI反映土壤抗水蚀能力不同但互补的方面。对于研究区造林和水土保持，推荐侵蚀抵抗能力较优的R×Pt；由于乡土树种适应性更好，R×Ps可能更适合更广泛应用。

土壤侵蚀是全球土地退化的重要形式。黄土高原植被恢复中刺槐人工林广泛分布，但纯林占恢复面积85%，存在病虫害、早衰、土壤生产力下降和水土保持功能减弱等问题。将纯林转变为混交林可改变土壤性质和根系性状，进而影响土壤抗蚀性（ANEI，反映土壤抵抗径流分散和悬浮的能力）与抗冲性（ANSI，反映土壤抵抗径流机械冲刷的能力）。已有研究对混交林下ANEI和ANSI变化及主控因子认识不足，尤其坡位和临时性切沟影响不清。为此，研究人员在黄土丘陵区吴起县选择5种刺槐混交林：R×H（刺槐×沙棘 Hippophae rhamnoides L.）、R×Ps（刺槐×山杏 Prunus sibirica L.）、R×A（刺槐×紫穗槐 Amorpha fruticosa L.）、R×Pd（刺槐×山桃 Prunus davidiana Franch.）和R×Pt（刺槐×油松 Pinus tabuliformis Carrière），以纯刺槐林（R×R）和农田为对照，恢复期均为22年、混交比1:1、株行距2×2 m。目标是评估5种混交林ANEI和ANSI及坡位空间异质性，量化土壤性质和根系性状影响，并探讨ANEI与ANSI差异和相互关系。结果表明，R×Ps和R×Pt显著增强土壤抗侵蚀能力，其中R×Ps和R×Pt的ANEI较纯林分别增加33.20%和22.60%，ANSI分别增加12.90%和12.48%；其他混交林下降。该研究为优化黄土高原植被恢复和水土保持提供科学依据。

关键技术方法概括：研究区在陕西省吴起县，2022年6月野外调查。设置5种刺槐混交林、纯刺槐林和农田，每站点3个10 m×10 m乔木样方和草本样方。采用线样带法在坡面和临时性切沟采集原状土样362份；以静水崩解试验计算ANEI，以固定坡度、流量8 L·min^-1、历时15 min的径流冲刷槽试验计算ANSI；用环刀法、激光粒度仪、K₂Cr₂O₇氧化外加热法、黏聚力仪、定水头法测定容重、孔隙度、粒度、有机质、黏聚力和饱和导水率；用钢环取样测定根系性状并计算RMD、RSAD。采用单因素和双因素方差、Pearson相关、VPA、SEM和逐步回归分析。

研究结果如下。3.1 刺槐林混交改造下土壤抗蚀性评价。3.1.1 坡面与临时性切沟间土壤抗蚀性差异：通过坡面和临时性切沟采样测ANEI，R×H、R×Ps、R×Pd切沟ANEI低于坡面，分别降低19.27%、38.30%和30.38%，R×H差异不显著；坡面上中坡最高，分别为上坡的1.51、1.52和1.22倍，下坡的1.87、1.40和1.39倍。R×R下坡显著高；R×A和R×Pt中坡最低。3.1.2 混交改造间土壤抗蚀性差异：与R×R相比，R×H、R×Ps和R×Pt的ANEI增加4.04%、33.20%和22.60%，R×A和R×Pd降低32.05%和10.78%；所有刺槐林ANEI为农田9.59–19.76倍，R×Ps和R×Pt最高。3.1.3 ANEI与单因子功能关系：ANEI与RMD、RSAD、Coh正指数相关，与BD、黏粒含量正幂函数相关，与有机质（SOM）正线性相关；与总孔隙度（TP）、饱和导水率（Ks）负指数相关，与砂粒含量负线性相关。

3.2 刺槐林混交改造下土壤抗冲性评价。3.2.1 坡面与临时性切沟间土壤抗冲性差异：R×H、R×Ps、R×Pd切沟ANSI显著低于坡面，降低56.97%、34.74%和26.87%；中坡ANSI最高，分别为上坡3.02、1.75和1.42倍，下坡3.18、2.11和1.64倍。R×R下坡高；R×A和R×Pt中坡最低。3.2.2 混交改造间土壤抗冲性差异：与R×R相比，R×Ps和R×Pt的ANSI增加12.90%和12.48%，R×H、R×A和R×Pd降低25.79%、30.34%和4.79%；所有刺槐林ANSI为农田4.25–7.51倍，R×Ps和R×Pt最高。3.2.3 ANSI与单因子功能关系：ANSI与RMD、RSAD、Coh正指数相关，与BD正幂函数相关，与黏粒、SOM正线性相关；与Ks负指数相关，与TP、砂粒负线性相关。

3.3 影响ANEI和ANSI的因子分析：双因素方差表明混交类型和坡位显著影响ANEI和ANSI，二者交互不显著；VPA显示土壤性质和根系性状共同解释ANEI 75.59%、ANSI 64.18%，独立解释分别17.91%/6.20%和24.82%/10.42%，交互作用51.48%/28.94%；SEM表明根系性状对ANEI正效应最强（SPC=0.591，p<0.001），土壤压实对ANSI正效应最强（SPC=0.610，p<0.001）；Ks负影响；RSAD对ANEI影响最强（SPC=0.70），Coh对ANSI影响最强（SPC=0.62）。逐步回归可预测ANEI（R²=0.784）和ANSI（R²=0.652）。

讨论部分。4.1 坡面和切沟：中下坡沉积物促进植被和土壤结构，提高ANEI/ANSI；R×H、R×Ps、R×Pd中坡有临时性切沟，可能与根密度高、植被拦截导致沉积提前、径流侵蚀性增强有关；切沟集中冲刷降低ANEI/ANSI。4.2 混交林响应：R×Ps和R×Pt较高，与林下草本多样性、根密度和根表面积大有关；根改善孔隙、降低容重、提高渗透，根系固结土壤，分泌物促进有机碳和团聚体；油松树脂增强黏聚力。R×H和R×A较低，与刺槐冠幅大、增加雨滴动能，以及灌木冠幅小、拦截降雨少有关。4.3 驱动机制：ANEI主要受根系性状驱动，尤其RSAD；ANSI主要受土壤压实/黏聚力驱动，根系也重要。ANEI在静水崩解下受水入渗压力差和根分泌物胶结影响；ANSI在机械冲刷下依赖根物理缠绕和牵引。Ks对ANEI更敏感。SOM、黏粒、砂粒通过压实和Ks影响。4.4 综合讨论：ANEI表征早期片蚀阶段抵抗分散，ANSI表征集中流和切沟阶段抵抗冲刷；二者同时作用，不能视为完全独立，但阈值尚需研究。

结论翻译：本研究证明，混交改造对刺槐林土壤抗侵蚀能力具有差异影响：R×Ps和R×Pt提高ANEI和ANSI，而R×H、R×A和R×Pd降低。抗侵蚀能力较低的混交林更易发生切沟发育，切沟中ANEI和ANSI常显著低于周围坡面。ANEI和ANSI均与RMD、RSAD等根系性状正相关；在土壤性质方面，均与BD、Coh、黏粒含量和SOM正相关，与TP、Ks和砂粒含量负相关。土壤性质和根系性状共同解释ANEI变异的75.59%和ANSI变异的64.18%。RMD和RSAD是控制ANEI的主要因子，而BD和Coh是控制ANSI的主导因子。ANEI比ANSI对TP和Ks变化更敏感。基于ANEI和ANSI概念，本研究增进了对土壤抗水蚀能力的细致理解；植被恢复中联合考虑土壤对径流分散和冲刷的抵抗可更综合理解侵蚀过程。