天然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性變化*

石 薇，龔 偉，胡庭興，周 勝，耿東梅，李天陽，鄧麗瑤，呂向楠

(四川農(nóng)業(yè)大學生態(tài)林業(yè)工程省級重點實驗室，四川雅安 6250l4)

環(huán)境問題是當今國際社會普遍關注的熱點問題，而水土流失是世界第l號環(huán)境問題、是中國的第l大隱患［l］。我國是世界上水土流失較為嚴重的國家之一，全國水土流失面積達367×l04km2，占國土面積的38%，每年因水土流失造成的直接經(jīng)濟損失達400多億元［2］。土壤抗蝕性指土壤抵抗水(包括降水和徑流)的分散及懸浮能力大小，不僅受土壤類型、氣候、地形等自然因子的影響，還受到土地利用類型，即土壤的管理方式和植被覆蓋等人為活動的影響［3］。天然林在保障國家生態(tài)安全、維護生態(tài)平衡、提高環(huán)境質(zhì)量及保護生物多樣性等方面具有不可替代的作用。但是長期的過量采伐和大面積皆伐，我國天然林資源已收到嚴重破壞，從而導致生態(tài)環(huán)境的嚴重惡化等問題［4］。植被建設是水土保持和生態(tài)建設的根本措施，同時人工林是植被建設的重要內(nèi)容，已有的研究表明人工林不僅能顯著改善土壤的理化性質(zhì)，而且能夠提高土壤抗蝕性［5］。目前，國家正在西部地區(qū)實施的退耕還林還草工程，其目的就是解決我國大江大河中上游地區(qū)嚴重的水土流失問題，從而減輕下游防汛負擔［6］。桉樹(Eucalyptus)是世界三大速生樹種之一，具有速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應性強、用途廣泛等優(yōu)點，是南方速生豐產(chǎn)林的戰(zhàn)略性樹種。近年來，隨著桉樹速生豐產(chǎn)林面積的不斷擴大，出現(xiàn)了一系列生態(tài)問題，如使種植地地力衰退、水土保持能力下降、生物多樣性降低等［7］，引起了越來越多研究者的關注。因此，本文以川西低山區(qū)天然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼?Eucalyptus grandis)林為對象，研究土地利用變化后土壤抗蝕性變化，以期為保護天然林，科學合理地經(jīng)營巨桉人工林提供科學資料，以及為退耕還林中造林樹種選擇提供參考。

l 材料與方法

l.l 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于丹棱縣張場鎮(zhèn)三合村(30°03'E，l03°l8'N)，地處四川盆地西南邊緣。屬亞熱帶濕潤季風氣候，地帶性植被屬亞熱帶常綠闊葉林。根據(jù)丹棱縣氣象站(海拔496.2 m)歷年氣象觀測資料統(tǒng)計，全年日平均氣溫 l6.6℃，最熱月均溫25.6℃，最冷月均溫6.3℃，全年降水量l 232.8 mm，年降雨天數(shù)l70.2 d，降雨多集中于5月 ～8月，年蒸發(fā)量l 002.6 mm。供試土壤為紫色土。研究區(qū)天然常綠闊葉林(簡稱天然林)主要樹種包括栲樹(Castanopsis fargesii)、潤楠(Machilus pingii)、木荷(Schima superba)、四川大頭茶(Gordonia szechwanensis)、石櫟(Lithocarpus Synbalanos)等，郁閉度為0.8，平均樹高l5.2 m，平均直徑l8.5 cm;坡耕地為小麥 -玉米輪作;巨桉林株行距為2 m×4 m。

l.2 研究方法

在調(diào)查實驗地的基礎上，根據(jù)典型性和代表性的原則建立l0 m×l0 m標準地各3個。標準地包括天然林及其人工更新形成的l a生(Ⅰl)、2 a生(Ⅰ2)和3 a生(Ⅰ3)巨桉林，坡耕地及其退耕形成的l a生(Ⅱl)、2 a生(Ⅱ2)和3 a生(Ⅱ3)巨桉林。由于土壤抗蝕能力主要決定于表層土壤性質(zhì)［8］，因而于2009年l0月，在每個標準地內(nèi)采用蛇形5點取樣法用環(huán)刀采集表層(0～20 cm)土壤樣品測定土壤水分物理性質(zhì)［8］，同時取表層土壤混合樣測定土壤有機質(zhì)、團聚體、微團聚體和顆粒組成。土壤團聚體組成采用機械篩分法［8］，微團聚體和顆粒組成采用吸管法［9］。土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)參見文獻［l0］。根據(jù)以上測定結果計算土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(EMWD)、不穩(wěn)定團粒指數(shù)、結構性顆粒指數(shù)、團聚狀況、團聚度、分散率、侵蝕系數(shù)和受蝕性指數(shù)。數(shù)據(jù)計算方法如下:

水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(EMWD，mm)

式中ˉxi為第i級的平均直徑(mm);Wi為第i級的土壤重量(mg);WT為供試土壤總重量(mg)［ll，l2］;

式中 WT為供試土壤總重量(mg);W0.25為 ＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體重量(mg)［l2］;

結構性顆粒指數(shù)=

團聚狀況=＞0.05 mm微團聚體-＞0.05 mm機械組成［ll，l2］;

式中 WSA＞0.5為＞0.5 mm水穩(wěn)性團粒重量百分數(shù)［l2］。

文中數(shù)據(jù)采用SPSS l6.0軟件進行統(tǒng)計和分析，表中數(shù)據(jù)均為平均值，土壤養(yǎng)分各變量之間的顯著性檢驗采用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著極差法(SSR)。

2 結果與分析

2.l 土壤水穩(wěn)性團聚體組成

水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結構的穩(wěn)定性和抗侵蝕的能力［l4］。由表l可知，天然林轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾螅?.25 mm及＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量和EMWD降低，而ELT升高，與NF相比較，Ⅰl、Ⅰ2和Ⅰ3的＞0.25 mm團聚體含量分別降低3.l%、8.2% 和 6.3%，＞ 0.5 mm 團聚體含量分別降低 3.7%、l0.6% 和 8.5%，EMWD分別降低 0.5%、l.0%和 0.7%，ELT分別增加 3.l%、8.2% 和 6.3%;相反，農(nóng)耕地退耕成巨桉林后 ＞0.25 mm及 ＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量和EMWD增加，而ELT降低，與FL相比，Ⅱl、Ⅱ2和Ⅱ3的 ＞0.25 mm 團聚體含量分別增加3.l%、5.9%和l0.5%，＞0.5 mm 團聚體含量分別增加 5.2%、9.7%和 l4.9%，EMWD分別增加0.3%、0.6% 和 0.8%，而 ELT分別降低 3.l%、5.9%和l0.5%。由此可見，在天然林改巨桉林初期土壤水穩(wěn)性團聚體含量降低和不穩(wěn)定團粒指數(shù)增加，隨其種植年限的增加對原土壤水穩(wěn)性團聚體含量降低和不穩(wěn)定團粒指數(shù)增加有一定的緩解作用;而坡耕地退耕成巨桉林后土壤水穩(wěn)性團聚體含量和不穩(wěn)定團粒指數(shù)隨其種植年限的增加分別呈增加和降低趨勢。

表l 不同土地利用類型土壤水穩(wěn)性團聚體組成(g·kg–l)Table l Composition of soilwater-stable aggregates under different land-use types

2.2 土壤顆粒分散特性

土壤顆粒是土壤結構形成的重要物質(zhì)基礎之一，不同土壤結構構成不同的土壤質(zhì)地類型，進而影響土壤的物理、化學和生物學過程，影響土壤性質(zhì)和抗蝕性能［l5］。團聚狀況表示土壤顆粒的團聚程度，其值大則土壤抗蝕性強，分散率和分散系數(shù)表示土壤的分散性，其值越大，土壤抗蝕性越弱［l6］。由表2可知，天然林轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥澜Y構性顆粒指數(shù)、團聚狀況和團聚度降低，而分散率、侵蝕系數(shù)和受蝕性指數(shù)增加，與NF相比，Ⅰl、Ⅰ2和Ⅰ3土壤結構性顆粒指數(shù)分別降低l.2%、2.3%和l.9%，團聚狀況分別降低 38.8%、82.8%和 66.l%，團聚度分別降低5.2%、l l.l%和8.8%，分散率分別增加5.8%、l3.6%和 l0.5%，侵蝕系數(shù)分別增加 9.3%、l3.7%和 l0.4%，受蝕性指數(shù)分別增加 0.4%、l.4%和l.0%;相反，坡耕地退耕成巨桉林后土壤結構性顆粒指數(shù)、團聚狀況和團聚度增加，而分散率、侵蝕系數(shù)和受蝕性指數(shù)降低，與FL相比，Ⅱl、Ⅱ2和Ⅱ3土壤結構性顆粒指數(shù)分別增加2.6%、3.0%和 3.9%，團聚狀況分別增加 26.6%、5l.5%和79.0%，團聚度分別增加3.5%、6.8%和l0.2%，分散率分別減少6.5%、l2.0%和l8.0%，侵蝕系數(shù)分別降低0.6%、4.9%和l2.3%，受蝕性指數(shù)分別降低2.0%、2.9和3.7%。結果說明，天然林轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳殖跗谕寥揽狗稚⒛芰档停S其種植年限的增加對原土壤抗分散能力的降低有一定的緩解作用;而坡耕地退耕成巨桉林后土壤抗分散能力隨 其種植年限的增加一直呈降低趨勢。

表2 不同土地利用類型土壤顆粒組成(g·kg–l)Table 2 Composition of soil particle under different land-use types

2.3 土壤抗蝕性主成分分析

為了揭示不同土地利用類型土壤抗蝕性差異及土壤各因子對抗蝕性的貢獻，選用＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(Xl)、＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量(X2)、水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(X3)、不穩(wěn)定團粒指數(shù)(X4)、有機質(zhì)(X5)、容重(X6)、總孔隙(X7)、毛管孔隙(X8)、非毛管孔隙(X9)、＜0.00l粘粒含量(Xl0)、結構性顆粒指數(shù)(Xll)、團聚狀況(Xl2)、團聚度(Xl3)、分散率(Xl4)、侵蝕系數(shù)(Xl5)和受蝕性指數(shù)(Xl6)等l6個與土壤抗蝕性較為密切的變量，進行主成分分析，結果見表3、表4和表5。由表3可知，主成分l貢獻率達89.686%，主成分2貢獻率達9.47l%，兩者累計貢獻率達99.l57%，表明選用前2個主成分基本能反應土壤抗蝕性能。由表4可知，對第l主成分貢獻最大的是＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和不穩(wěn)定團粒指數(shù)，其次為＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑、侵蝕系數(shù)、容重、＜0.00l粘粒含量、有機質(zhì)和總孔隙等，對第2主成分貢獻最大的為分散率，其次是毛管孔隙等，用以上指標在一定程度上能表征不同模式土壤抗蝕性。將經(jīng)SPSS軟件獲得主成分矩陣(表4)中每列除以相應的特征根的開方后得主成分向量，并根據(jù)特征向量計算第l(Fl)、第2(F2)主成分及綜合(F)主成分值［l7］，結果見表3。通過表3的綜合主成分結果可以看出，天然林轉(zhuǎn)變化為巨桉林初期土壤抗蝕性急劇下降，2 a生巨桉林土壤抗蝕性下降到最低值，3 a生巨桉林與2 a生巨桉林相比綜合主成分值增加3.2;坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性隨林分年齡的增加一直呈增加趨勢。這說明天然林轉(zhuǎn)變化巨桉林初期會導致潛在的嚴重水土流失，但隨林齡的增加會趨于緩解，而坡地退耕成巨桉林對土壤抗蝕性的提高巨有較好的提高作用。

表3 主成分及綜合主成分值Table 3 Principal component and synthetic principal component score value

3 討論

桉樹是l9世紀引入我國的一種外來樹種，現(xiàn)已成為我國南方地區(qū)營造工業(yè)人工林的重要樹種，然而，桉樹人工林的生態(tài)退化嚴重影響區(qū)域環(huán)境健康與可持續(xù)發(fā)展已是一個不爭的事實［l8］。本研究分析了天然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性的變化，發(fā)現(xiàn)將天然林改為巨桉林后，土壤的抗侵蝕能力會有所下降，其中2 a生巨桉林土壤抗蝕性能下降最大。導致這一現(xiàn)象的原因主要在于，天然林是具有較好水源涵養(yǎng)功能且結構穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)［l9］，故具有較高的土壤抗蝕性;另外，天然林原有土壤肥力較高，其皆伐后原有林地地上部分被清理，并進行了煉山［l0］，導致土壤表層理化性質(zhì)遭到破壞，同時也使得天然林皆伐后及巨桉林栽植初期相當一段時間內(nèi)，林地表面沒有植被和枯落物層覆蓋，從而導致土壤抗蝕性降低。由于巨桉生長較為迅速，l a之后林分就郁閉，且2 a～3 a時地表就能形成一層厚厚的枯落物層，這就使得原有林地既有林冠層的避護，也有地表枯落物層的覆蓋，同時枯落物的分解還會給原有土壤源源不斷地輸入大量有機膠結物質(zhì)，進而緩解原有林地壤抗蝕性降低。在天然林轉(zhuǎn)變?yōu)閘 a生巨桉林時，由于種植地土壤性能優(yōu)良，所以土壤的抗蝕性能較2 a生高;3 a生巨桉林土壤抗蝕性雖也是下降，但同2 a生相比卻有所提高，這進一步說明隨著種植年限的增加巨桉林冠層對土壤的避護作用增強且枯落物回歸土壤量增加，原有土壤抗蝕性降低得到緩解。

有研究表明，在退耕還林后地上部分枯落物的分解和轉(zhuǎn)化以及地下林木根系的周轉(zhuǎn)，有助于土壤中大粒級水穩(wěn)性團聚體的形成［l6］。也有研究表明，植物根系能將附近較小的團聚體粘聚形成較大的團聚體，且根系還能促進微生物活性，使有機質(zhì)在微生物作用下分解，產(chǎn)生有機酸，防止團聚體消散，從而增加團聚體的穩(wěn)定性［20］。本研究中，將坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性能呈現(xiàn)一直增加的趨勢。這主要在于研究區(qū)降雨豐沛，長期不合理的坡地耕地導致土壤貧瘠和嚴重水土流失，而且長期的耕作擾動會使土壤團聚體穩(wěn)定性均較低［2l］，土壤抗蝕性下降且土壤質(zhì)量較低，將坡耕地改為巨桉林后，隨著巨桉林分的生長，其枯落物形成和根系的轉(zhuǎn)化有利于土壤質(zhì)量改善，同時坡耕地退耕還林后減少了土壤擾動有利于原有土壤中大粒級團聚體的形成。

4 結論

天然林轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼袢斯ち謺斐赏寥揽刮g性下降，但隨著種植年限的增加，其抗蝕性能有所緩解，土壤抗蝕性綜合主成分值大小依次為:天然林＞Ⅰl＞Ⅰ3＞Ⅰ2。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性能隨種栽年限的增加逐步提高。因此，在天然林轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳殖跗?，應對林地進行科學的管理，盡量保持原有林地枯落物層和避免煉山，維持原有林地良好的土壤理化性質(zhì)和抗蝕性能;而坡耕地退耕成巨桉林能較好的提高原有土壤抗蝕性能。

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