引言

　　川中丘陵區紫色土廣為分布，具有磷和鉀水平較高、有機物含量較低、抵抗水力侵蝕能力差等特性。丘陵區年降雨量較高，加之不合理開墾利用，導致紫色土坡耕地水力侵蝕嚴重，需要采取經濟適用的生態措施治理川中丘陵區坡耕地水土流失，提高農作物產量。

　　水土保持植物籬措施是提高土壤的抗侵蝕能力的顯著手段。植物籬主要通過改變土壤物理特性影響土壤抗蝕性，其物理屏障可截留水流、增加入滲、延長侵蝕時間，還能使坡度變緩，推動坡度耕地向梯田化發展。研究發現，植物樹籬作為一種生態措施，能顯著提升籬帶區域中的土壤粘粒和水穩性團聚體比例，同時減少大于 0.25mm 的土壤團聚體的破壞率，這一過程有助于提高土壤的抗蝕能力。此外，定植植物籬可以增加耕作層的細微顆粒物質，降低土壤的密度，進而優化土壤的分形維數，提高其透氣性和含水量。

　　土壤抗蝕性是土壤抵抗地表徑流沖刷和破壞的能力，影響土壤可蝕性變化的主要因素包括土壤質地、結構、有機質含量、團聚體含量、滲透性和穩定性、凋落物密度、植被根系質量密度等。以往土壤抗蝕性的研究多集中于黃土高原，較少涉及植物籬作用下紫色土坡耕地抗蝕機理方面的研究。本文以西南地區常見的水土保持植物香根草和新銀合歡為研究對象，采用主成分分析法從多項理化指標篩選出貢獻度最大的指標，并對不同坡度和不同類型植物籬條件下紫色土的抗蝕性進行綜合評價，深入分析不同植物籬和不同坡度的抗蝕性大小，以期選擇合理的植物籬配置措施，為當地的水土流失治理及農業生產提供理論依據。

　　1 研究區概況

　　坡耕地小區位于 105°28′49″E~105°28′50″E，30°21′42″N~30°21′43″N，屬亞熱帶濕潤季風氣候，海拔為 288~331m。多年平均氣溫為 17.4℃，極端高溫達到 40.3℃，極端低溫則為 - 3.8℃。雨季通常出現在 5—9 月，該地區的多年平均降水量為 993.3mm，最大降雨量為 1371.4mm，最小降雨量為 736.7mm，多年平均蒸發量為 860.5mm，多年平均相對濕度為 79%，多年平均霜日為 12.1d。土壤是由侏羅系遂寧組的砂層巖和泥巖經風化形成的紫色土，土壤質地受母質巖組合的支配和制約，土壤母質性強，碳酸鹽反應劇烈，土性偏沙，有機質含量低，土壤肥力中等偏下，具有較弱的抵御水土流失能力。主要喬木樹種為柏木 (Cupressus funebris)、馬尾松 (Pinus massoniana) 以及榿木 (Alnus cremastogyne)，種植農作物以小麥 (Triticum aestivum L.)、大豆 (Glycine max (L.) Merr.) 以及花生 (Arachis hypogaea L.) 為主。

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗地設計和樣品采集

　　徑流小區 (長 20m× 寬 5m) 四周修建了混凝土擋板，擋板地上和地下分別為 20cm 和 30cm。所有小區均單季順坡常規種植玉米，2010 年 4 月移植了高度為 30cm 的新銀合歡、香根草植物籬，栽種行距為 20cm。成熟后，新銀合歡高度約為 120cm，香根草高度約為 60cm，每年冬季剪掉地上部分以促使其重新生長。為了消除施肥對試驗結果的影響，所有小區的施肥時間和施肥量均保持一致。小區上坡、中坡和下坡各布置一道植物籬帶。2015 年 7 月在徑流小區進行了植物籬和對照小區土樣采集，采樣使用了自制原狀土取樣器和環刀，為了保證取樣均勻性，每個采樣點采集土樣約 0.5kg。其中，Ⅰ 區為 15° 香根草植物籬樣區;Ⅱ 區為 15° 對照樣區;Ⅲ 區為 10° 新銀合歡植物籬樣區;Ⅳ 區為 10° 對照樣區;Ⅴ 區為 10° 香根草植物籬樣區。下文分析中坡耕地小區均使用上述羅馬數字代替。

　　2.2 測試方法

　　按照美國農業部的顆粒組成標準分為黏粒 (小于 0.002mm)、粉粒 (0.002~0.05mm)、砂粒 (0.05~2.0mm)，采用比重計法測定;有機質 (SOM) 采用重鉻酸鉀容量法測定，參考土壤農化分析手冊，風干性團聚體采用干篩法測定，水穩性團聚體采用濕篩法測定。

　　2.3 土壤抗蝕性分析方法

　　2.3.1 指標體系構建

　　通過實驗分析結果計算出各坡耕地小區的各項指標，MWD (Mean Weight Diameter of Water-stable Aggregates) 為水穩性團聚體平均重量直徑、GMD (Geometric Mean Diameter) 為幾何平均直徑、PAD (Percentage of Aggregate Destruction) 為團聚體破壞率、(Erodibiliy hde) 為可蝕性指數等，并給出了具體計算公式。

　　2.3.2 數據標準化處理

　　在對土壤各抗蝕性指標進行主成分分析前，需要對數據進行標準化處理，使不同特征變量具有相同尺度，并給出了計算公式。

　　2.3.3 主成分分析

　　目前學術界對評估土壤抗蝕性的指標眾多，其中許多指標存在信息重疊，主成分分析是一種重要的降維方法，能夠保留數據最重要的特征。本文選用了 4 大類 11 個指標對土壤抗蝕性進行分析，指標分別為：T₁為粉粒含量，T₂為小于黏粒含量，T₃為結構性指數 (T₂/T₁)，T₄為 Kcpiic 指數，T₅為大于團聚體破壞率，T₆為大于團聚體破壞率，T₇為大于水穩性團聚體含量，T₈為大于 0.5mm 水穩性團聚體含量，T₉為平均重量直徑 MWD，T₁₀為幾何平均直徑 GMD，T₁₁為有機質。

　　本研究通過對不同植物籬和坡度條件下土壤抗蝕性能指標進行主成分分析 (PCA)，旨在精簡和優化土壤抗蝕性的評估指標。通過 PCA，提取能夠解釋超過 80% 總變異信息的關鍵指標，最終將土壤抗蝕性能指標簡化為兩個主要成分。若初步提取的成分因子載荷差異不顯著，本研究采用最大方差旋轉方法進一步優化指標表征。綜合指標的構建基于特征值和向量，計算土壤抗蝕性的綜合表達式。在綜合指數的計算中，采用方差貢獻率作為權重，得出各研究的土壤抗蝕性指數 SERI (Soil Erodibility Resistance Index) 綜合得分。

　　3 結果與分析

　　3.1 植物籬對紫色土坡耕地土壤顆粒組成的影響

　　植物籬根系能夠改良土壤結構，提升土壤抗蝕能力，土壤理化性質對抗蝕性的影響至關重要。有機質和粘土含量是反映土壤抗蝕性的有效指標。在 10° 坡耕地小區粉粒含量及黏粒含量顯著高于小區 (P<0.05)：15° 坡耕地中 I 小區粉粒含量顯著高于小區 (P<0.05)。植物籬能顯著提升土壤粉、黏粒含量。

　　3.2 植物籬對紫色土坡耕地土壤水穩性團聚體的影響

　　水穩性團聚體的平均質量直徑 MWD 和平均幾何直徑 GMD 被作為衡量土壤抗蝕能力的定量指標。與 IV 小區相比，Ⅲ 小區和 Ⅴ 小區的大于 0.5mm 水穩性團聚體含量分別增加了 32.16% 和 122.04%，而大于 0.25mm 的水穩性團聚體含量分別增加了 40.72% 和 100.14%。在 15° 坡耕地上，香根草植物籬小區大于 0.25mm 和大于 0.5mm 水穩性團聚體含量分別較對照小區增加了 51.19% 和 82.69%。土壤團聚體的破壞率與土壤結構的完整性成反比。在 10° 和 15° 小區上，有植物籬的小區的團聚體破壞率 (PAD) 顯著低于對照小區，與已有研究基本一致。

　　3.3 植物籬對紫色土坡耕地土壤有機質及可蝕性 K 值的影響

　　根據 Williams 等提出的 EPIC 模型，土壤可蝕性 K 值被作為評價土壤抗蝕性的一個重要依據。在 10° 坡耕地，香根草植物籬小區的 K 值顯著高于對照小區;而新銀合歡植物籬小區則略高于對照小區。在 15° 坡耕地上，香根草植物籬小區與對照小區間沒有顯著差異 (P>0.05) 說明隨著坡度的增加植物籬對土壤的抗蝕性影響減小。

　　與對照小區相比，Ⅲ 小區和 Ⅴ 小區的土壤有機質含量分別增加了 46.45% 和 61.28%，Ⅰ 號區域較 Ⅱ 號對照小區增加了 38.66%，且達到顯著性水平。

　　3.4 植物籬措施對紫色土坡耕地土壤抗蝕性影響

　　土壤抗蝕性能的指標體現了土壤抵抗徑流侵蝕，保持顆粒穩定的能力，此能力主要由土壤顆粒與水分的相互作用決定。本項研究利用主成分分析 PCA 方法，通過各處理方法將不同小區的土壤抗蝕性 SERI 進行分析評估。進一步對比坡耕地不同管理措施下的土壤抗蝕性表現，并分析這些措施對提高土壤抗蝕性的影響。

　　主成分 1 和 2 的特征值分別為 7.08 和 2.02，分別解釋了 64.4% 和 18.3% 的變異，累積貢獻率為 82.7%，超過了 80% 的閾值，表明這 2 個主成分能夠代表土壤侵蝕抗性評估體系。主成分中變量 T₇、T₈和 T₁₀顯示出較大的貢獻;T₅對侵蝕性產生負面效應其值的增加加劇了土壤的脆弱性。主成分中變量 T₃和 T₄對土壤抗蝕性有顯著影響，其中 T₄值增強了抗蝕性，而 T₃則產生負面效應。利用特征向量矩陣和特征值作為系數，得出了相應公式。使用方差貢獻率 λᵢ(i=1,2) 為權重，計算土壤抗蝕性的綜合指數，并給出了計算公式。由 λ₁=64.4、λ₂=18.3 可以推算出 X=0.78X₁+0.22X₂，數據比較后土壤抗蝕性的綜合排名為 V 小區 > I 小區 > III 小區 > II 小區 > IV 小區。在 10° 耕作地，Ⅰ 小區的抗蝕性綜合指數較 Ⅱ 小區提高了 1.33;而 Ⅲ 小區和 Ⅴ 小區分別比 Ⅳ 小區高 0.86 和 2.06。Ⅴ 小區的抗蝕性綜合指數較 Ⅲ 小區提升了 1.20，表明香根草植物籬較新銀合歡植物籬的土壤抗蝕性效益更高。

　　另外，在香根草植物籬的條件下，10° 坡耕地土壤抗蝕性指數顯著高于 15° 坡耕地。在無植物籬的條件下，10° 和 15° 坡耕地土壤抗蝕性并無明顯差異，表明植物籬的作用超過了坡度變化對土壤侵蝕的影響。

　　植物籬的根系和枝葉通過機械阻擋減緩徑流沖刷，在不同小區部位產生土壤抗蝕性的差異。10° 和 15° 香根草植物籬小區，植物籬下側土壤抗蝕性綜合指數分別較上側提高了 33.97% 和 49.38%。同時，10° 新銀合歡植物籬小區下側土壤抗蝕性綜合指數較上側提高了 7.32%。然而對照組的對應位置無明顯差異，這主要由于植物籬的機械阻攔作用降低了下側徑流流速，使得更多粉黏粒和水穩性團聚體未被攜帶走。

　　4 討論

　　4.1 紫色土區坡耕地土壤抗蝕性指標

　　有機質含量和粘土含量是評價土壤抗蝕性的關鍵指標，此外，水穩性團聚體含量、分形維數、平均質量直徑和水穩性團聚體含量也可用于評估土壤抗蝕性。通過這些指標的分析，可以科學評估坡耕地在不同條件下的抗蝕性。紫色土易受風化和侵蝕破壞，保水保土能力較差，但具有較高的生產力。評估紫色土剝蝕、搬運和沉積時，關注土壤可蝕性是關鍵指標之一;坡耕地通常是流域中最容易受到侵蝕的地區。在紫色土區域，EPIC 模型更適用于估算土壤可蝕性 K 值。決定土壤抗蝕性的因素包括有機質、孔隙度、容重、團聚體等。評價土壤抗蝕性的方法有很多，例如利用模糊隸屬度函數模型和土壤幾何平均粒徑計算土壤可蝕性指數。土壤可蝕性和土壤抗侵蝕性描述了土壤在侵蝕過程中的特點，二者區別在于評估方式、量化特點和依托模型。土壤可蝕性可以通過量化方法評估，而土壤抗蝕性則只能進行定性比較，無法用具體數值表示。

　　4.2 植物籬對土壤性質的影響

　　植被籬防止土壤侵蝕和固土作用歸因于其密集地表覆蓋和表層土壤中纖維狀根系的協同效應。盡管對于地表部分的作用已有較多研究并形成共識，但根系在水土保持、坡面穩定及坡度固定方面的功能則是一個涉及眾多因素的復雜過程。改變發生在離植物根部的范圍內，一般稱為植物根際，具體的范圍取決于植物的根系結構、深度和密度等因素。植物的生長狀況、生長年限以及管理措施都會令植物對土壤性質產生影響。例如，健康生長的植物通常能夠更好地利用土壤中的養分和水分，從而對土壤產生積極影響。同時，不同類型的植物對土壤的改變方式也會有所不同。一些植物可以增加土壤有機質含量、改善土壤結構，而其他植物可能會釋放化學物質導致土壤酸化或堿化等。關于植物對土壤性質影響的不確定性，則取決于多個因素的相互作用，包括土壤類型、氣候條件、植物特性等。因此，在不同的情況下植物對土壤性質的影響可能會具有一定的不確定性。針對特定情況的具體研究和實踐經驗可以提供更精確和可信的信息，同時綜合考慮多個因素也是理解植物對土壤性質影響的重要方面。

　　4.3 植物籬對土壤抗蝕性的影響

　　植物籬可截留雨水、減少水流對土壤的沖刷，保護土壤表面覆蓋層;其枝葉和莖稈也能夠遮陽和保持表層土壤濕潤，有助于維持土壤濕度，降低水分蒸發速率。茂密的植被還能抵擋風力、保護土壤完整性，進而提高土壤抗蝕性。植被根系系統通過提高土壤結構穩定性和孔隙度增強土壤抗沖刷和抗侵蝕能力。此外，植物根系作用也可通過促進土壤微生物的生長和活動，改善土壤透水性、通氣性及水穩性團聚體含量。植物籬作為水土保持措施，可明顯提高土壤抗蝕性。

　　5 結論

　　植物籬增加了土壤中水穩性團聚體和黏粒含量，而降低了團聚體破壞率;水穩性團聚體、粉黏粒和有機質對土壤抗蝕性具有顯著促進作用。香根草和新銀合歡植物籬的上部抗蝕性均顯著低于下部;香根草小區的土壤抗蝕性優于新銀合歡小區;且隨坡度增加土壤抗蝕性增加。綜上所述，香根草植物籬可作為川中丘陵區水土保持的有效措施。

黃 鑫;鄭江坤;任雨之;陳 鑫;王文武,四川農業大學林學院;水土保持與荒漠化防治四川省高校重點實驗室;遂寧水土保持試驗站,202401