公路边坡不同植被覆盖土壤机械组成及抗蚀性分析

摘要 ［目的］分析不同植被覆盖对公路边坡土壤机械组成和抗蚀性的影响。［方法］以乔木、乔草、乔灌草和草地模式土壤为研究对象，依据卡钦斯基制土壤粒径分级标准分析土壤机械组成，在单一指标抗蚀性分析的基础上，构建土壤抗蚀性评价指标体系，并基于熵权法计算土壤抗蚀性综合指数，综合评价其抗蚀性差异。［结果］公路边坡不同植被土壤理化性质差异显著，乔草和乔灌草模式能够有效改良土壤理化性质；乔灌草模式土壤颗粒组成排序为砂粒>粗粉粒>中细粉粒>黏粒，乔木、乔草和草地植被模式的土壤颗粒组成排序为砂粒>中细粉粒>粗粉粒>黏粒；不同植被覆盖土壤水稳性团聚体含量的比重排序为乔灌草＞草地＞乔草＞乔木，分形维数排序为乔木＞乔草＞草地＞乔灌草，平均重量直径排序为草地＞乔灌草＞乔木＞乔草，土壤水稳性指数的排序为乔草＞乔灌草＞草地＞乔木，土壤抗蚀性指数排序为乔灌草＞乔草＞草地＞乔木，乔灌草模式土壤抗蚀性指数最大，表明其为公路边坡土壤的最佳护坡植被模式。［结论］研究结果可为改善公路边坡土壤结构、提高其土壤抗蚀性能力提供参考依据。

关键词 植被覆盖；土壤机械组成；抗蚀性；熵权法；公路边坡

中图分类号 S 157.9  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）20-0045-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.20.013

Analysis on Soil Mechanical Composition and Anti-erodibility under Different Vegetation Covers in Highway Slope

ZHANG Bin， XIE Xian-jian， GOU Qian-tao

（School of Geography and Resources Science，Neijiang Normal University， Neijiang， Sichuan 641000）

Abstract ［Objective］To comprehensively analyze the effects of different vegetation coverage patterns on the soil mechanical composition and anti-erodibility of the highway slope.［Method］The soil of arbor， arbor-grasslands， arbor-shrub-grasslands and grasslands were selected as the study objects， the soil mechanical composition was analyzed according to soil particle size classification standard made by Kaczynski. Furthermore， a comprehensive evaluation index system of soil anti-erodibility was established based on the analysis of single index of soil anti-erodibility， and the comprehensive index of soil anti-erodibility was calculated by entropy weight method， comprehensively evaluating the difference of soil anti-erodibility. ［Result］There were significant differences in the soil physical and chemical properties of different vegetation on highway slopes， and the arbor-grass and arbor-shrub-grass models could effectively improve the physical and chemical properties of the soil. The order of soil particles composition in the arbor-shrub-grass pattern was sand particles>coarse powder particles>medium and fine powder particles>clay particles， and the order of soil particle composition for vegetation patterns of arbor， arbor-grassland and grasslands was sand particles>medium and fine powder particles>coarse powder particles>clay particles. The order of the proportion of soil water-stable aggregate content under different vegetation covers was arbor-shrub-grasslands >grasslands> arbor-grasslands >arbor，the order of fractal dimension was arbor > arbor-grasslands > grasslands> arbor-shrub-grasslands， the order of average weight diameter was grasslands> arbor-shrub-grasslands>arbor> arbor-grasslands，the order of soil water stability index was arbor-grasslands > arbor-shrub-grasslands>grasslands>arbor， the order of soil anti-erodibility index was arbor-shrub-grasslands >arbors and grass>grassland>arbors. The soil anti-erodibility index of arbor-shrub-grasslands was the largest， which indicated that it was the best slope protection vegetation pattern for highway slope. ［Conclusion］The research results can provide reference for improving soil structure and enhancing its soil anti-erodibility of highway slope.

Key words Vegetation cover;Soil mechanical composition;Anti-erodibility;Entropy method;Highway slope

土壤机械组成也称为土壤质地，是指土壤中矿物颗粒的大小及组成比例，其比例变化将会影响土壤其他理化性质［1］。近年来，诸多学者研究了不同植被覆盖对土壤机械组成及其他理化性质的影响。唐炎林等［2］研究了西双版纳热带季节雨林与橡胶林在土壤机械组成、全氮、全磷和全钾方面的差异，表明不同林分下土壤机械组成差异较大；罗歆等［3］研究表明缙云山不同植被类型覆盖下土壤养分含量及物理性质差异均较大；谭长强等［4］利用方差分析法研究了广西都安地区5种典型森林类型土壤的机械组成；谢贤健等［5］以自然坡面为对照，研究了沱江流域护岸植被中的草地、灌木、乔草和乔灌草模式下土壤理化指标的差异。以上研究表明，不同类型植被及其组合模式覆盖下土壤的机械组成及理化性质均存在差异，其研究有助于科学栽培植被，改善生态环境。土壤抗蚀性是指土壤对水分散和悬移作用的抵抗能力，其强弱是衡量土壤是否容易受侵蚀营力破坏的重要参数［6-7］。土壤抗蚀性大小受土壤内在理化性质和外界环境的综合影响，植被类型及其覆盖模式的差异均显著影响其抗蚀性［8］。肖盛杨等［9］研究表明喀斯特高原峡谷区不同植被类型的土壤抗蚀性差异显著，楸树林的增加能有效增加土壤抗蚀性；刘宽梅等［10］研究了灌丛、针叶林、阔叶林3种植被类型土壤抗蚀性能力的差异，结果表明在喀斯特地区阔叶树种更有利于提高土壤抗蚀性；谢贤健等［5］利用主成分分析方法综合评价了不同护岸植被土壤抗蚀性，其中乔草模式更有利于改善坡面土壤结构、提高抗蚀能力。总的来说，不同植被类型及其组合是影响区域土壤抗蚀性的主要因素之一，因此，分析不同植被覆盖土壤抗蚀性，为区域水土保持及改善生态环境具有重要意义。

公路边坡土壤为原始土壤进行填挖、修整之后产生的裸露土壤，其土壤理化特征及抗蚀性受人为因素和自然修复的影响，其特征与其他土壤具有较大差异，同时，有关公路边坡土壤机械组成及抗蚀性的研究鲜有报道。笔者以内江市东兴区与市中区的部分公路为例，选取乔木、乔草、乔灌草和草地模式土壤为研究对象，分析不同植被覆盖土壤理化特征与机械组成，在利用土壤团聚体水稳性、颗粒分形维数、平均重量直径和水稳性指数分析其抗蚀性的基础之上，构建抗蚀性评价指标体系，利用熵权法计算土壤抗蚀性综合指数，评价其土壤抗蚀性，以期为选取护坡植被模式及提高其土壤抗蚀性提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于四川省内江市东兴区与市中区，地理位置为104°04′～105°24′E、29°25′～29°50′N，地势平缓，平坝与浅丘相间，属于典型的川中丘陵地貌。全区属于亚热带季风气候，全年平均气温15～28 ℃，年降水量在1 000 mm以下，高温期与多雨期基本一致，年日照时数在1 100～1 300 h，无霜期310 d左右。研究区大部分地区的土壤类型为紫色土，其森林植被类型为针叶林、阔叶林、竹林和灌木林等。内江处于川渝主干线中间地带，是川东南及西南各省的交通交汇点，境内有内宜、成渝等重要高速公路，并有省道资泸路、隆雅路等干线公路通过。

1.2 样地选择

试验区属于206省道与321国道的内江段，为了探究公路边坡不同植被类型土壤机械组成及抗蚀性差异，通过现场勘查，选取筑土方式和植被修复措施基本一致的公路边坡路段，以乔木、乔草、乔灌草和草地4类植被类型的公路边坡作为调查样地，并综合考虑地形、植被的典型性和年限等因素，试验区植被平均恢复年限为5年，获取样地的经纬度、坡度、坡向、主要植物种类，各样地基本概况如表1所示。

1.3 样品采集

在野外调查的基础上，2017年7—8月进行野外采集土样，依据每个样地边坡地形特征，对每个样地按上、中、下坡位共设置9个1 m×1 m的采样点，每个样点按照“四分法”采集1～20 cm的表层土壤，将相同坡位土壤进行均匀混合，即每个样地采集土壤样品3个，共采集12个有效样品，去除石块、杂草，将土壤样品混合均匀，经过自然风干，封装入袋，同时每个样地按上、中、下坡位使用环刀采集原状土3份，共12份，用于测定土壤容重等指标。

1.4 土壤理化指标的测定方法

土壤容重、土壤比重、最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度采用环刀法和比重瓶法及其计算获得［11］，土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用火焰发射光谱法测定［12］。土壤水稳性团聚体采用团聚体湿筛法测定，土壤机械组成采用比重计速测法。每个土壤混合样品重复试验3次，然后取平均值，作为其土壤理化指标的测定值。

1.5 数据分析

参考前人研究［13］，采用平均重量直径（MWD）表示团聚体的稳定性，其计算公式如下：

MWD=n+1i=1ri-1+ri2×mi（1）

式中，ri表示第i个筛子孔径（mm），r0=r1，rn=rn+1，mi为第i个筛子的破碎团聚体重量百分比。

水稳性指数是表征土壤抗蚀性的重要指标之一，其值越大，表示土壤颗粒遇雨水难分解，抗蚀性越强，其计算公式如下：

K=（PiKi）+PjA（2）

式中，K为水稳性指数，Pi为第i分钟分散的土粒数量，i=1，2，3，…，10，Pj为10 min内没有分散的土粒数，Ki为第i分钟校正系数，A为供试验的土粒总数。

土壤是具有分形特征的系统，土壤团粒结构的分形维数一定程度可以反映土壤抗蚀性的强弱，该研究采用参考文献［14］中的分形模型计算公路边坡土壤团聚体的分形维数。

熵权法是一种客观赋权法，依据每个评价指标的变异性客观确定其在评价体系中的权重，与主观因素较多的层次分析法、损失信息较多的主成分分析法相比，其具有显著优越性［15］，熵权法不仅客观反映各抗蚀性指标在综合抗蚀性的地位和作用，减小人为因素引起的误差，且能够反映各评价数据间的隐含信息。基于熵权法计算土壤抗蚀性指数的过程如下：