不同竹林土壤抗蝕性指標對比分析研究

陳曉冰，王克勤

(西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650224)

森林具有涵養(yǎng)水源保持水土的作用，林下植被、地表覆蓋的多少直接影響到自然降雨下地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的多少。土壤的抗侵蝕能力是指土壤承受風(fēng)力、水力、重力、凍融等外營力破壞、分離(散)、搬運和沉積的能力。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與土壤侵蝕之間的關(guān)系很早就受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，將其作為水土保持學(xué)科研究的重要內(nèi)容之一，并提出了不同的土壤抗侵蝕評價指標。國外對土壤抗蝕性的研究較早，Middleton 1930年建立了以分散率(dispersion ratio)為土壤可蝕性的指標，進而又提出侵蝕率概念;Bouyoucos在1935年提出了用黏粒率(clayratio)作為可蝕性指標;Woodburn等人1956年用團聚體的穩(wěn)定性和分散率作為土壤可蝕性指標，指出大于0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與土壤濺蝕量具有良好的負相關(guān)關(guān)系［1－2］;Bernard Barthès等［3］研究了人工降雨和自然降雨條件下地中海地區(qū)和一些熱帶地區(qū)的徑流深和侵蝕量與土壤表層團聚體含量的關(guān)系，分析得出團聚體穩(wěn)定性是衡量土壤對侵蝕和徑流的敏感性的一個重要指標。我國許多學(xué)者也把土壤的水穩(wěn)性團聚體數(shù)量、非毛管孔隙度視為表征土壤抗侵蝕能力的重要指標［4］。王玉杰等［5］對重慶縉云山典型林分的林地土壤抗蝕性能的研究表明，林地土壤抗蝕指數(shù)與其相關(guān)因子非毛管孔隙度、毛管孔隙度、穩(wěn)滲率、有機質(zhì)含量關(guān)系最密切;郭培才等［6］通過對不同土壤剖面層次(0—10、20—30、40—50 cm)的草地、林地、農(nóng)地的采樣分析得出，水穩(wěn)性團聚體含量是反映土壤抗蝕性的最佳指標;王佑民等［7］以腐殖質(zhì)和水穩(wěn)性團聚體含量作為土壤抗蝕性指標，據(jù)此將黃土高原的土壤抗蝕性分為極弱、弱、中等、較強、強和極強6個等級。

竹子作為重要的森林資源之一，具有生長迅速、耐旱、抗性強、多年生的特點，同時竹林有美化環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保持水土的功能和很高的開發(fā)利用價值，在西南地區(qū)退耕還林中起著重要的作用。陳三雄等［8］在對黃浦江源區(qū)主要植被類型土壤水土保持功能的研究中發(fā)現(xiàn)，毛竹林的抗蝕性遠高于茶園、草地、松林等植被類型;姜培坤等［9］對商品林地土壤抗蝕性能進行研究后發(fā)現(xiàn)，早竹和毛竹土壤抗侵蝕能力超過了天然馬尾松林、人工杉木林和青梅林;王晶等［10］對三峽庫區(qū)撐綠竹護岸林土壤抗蝕性能的研究發(fā)現(xiàn)，撐綠竹林密度與枯落物厚度對抗蝕性指標影響較大。目前的研究者對竹林與其他植被類型土壤抗蝕性的差別或?qū)我恢窳滞寥揽刮g性的研究較多，而對不同竹林之間土壤抗蝕性的差異研究較少。

本研究通過對竹林土壤的有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率、水穩(wěn)性指數(shù)、分散性指數(shù)、容重、孔隙度和地表徑流泥沙含量7個土壤抗蝕性指標進行測定和分析，來反映不同竹林下土壤抗蝕性能的大小，為竹林在水土保持生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用提供參考，為森林水文過程的預(yù)測和評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)西山位于云南省昆明市西郊滇池西岸，地理位置東經(jīng)102°42'、北緯 25°04'，北起碧雞關(guān)，南至海口，綿延 35 km，由華亭山、太華山、羅漢山等組成，海拔1800—2511 m，屬高原亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，年平均氣溫14.5℃，年降水量約1031 mm，距市區(qū)15 km。

1.2 樣地選擇

研究樣地選擇在西山海拔相近，坡向、坡度、土壤類型相同，枯落物厚度、林分密度、郁閉度相近的灰金竹(Phyllostachys sulphurea)、慈竹(Neosinocalamus affinis)、實心竹(Fargesia fractiflexa Yi)3種典型竹林中，具體情況見表1。

表1 研究點基本情況

1.3 研究方法

1.3.1 土壤樣品采集

2012年4月5—6日在昆明市西山的灰金竹林、慈竹林、實心竹林3種竹林地各選擇3塊具有代表性且有穩(wěn)定的土壤發(fā)育同時人為擾動極少的20 m×5 m的試驗小區(qū)，在小區(qū)內(nèi)采用蛇形取樣法取0—15 cm的表層土壤，每小區(qū)取26個樣點，然后將土樣混合均勻，采用四分法分樣，直至每個試驗小區(qū)保留1 kg土樣，共計9 kg土樣。同時使用環(huán)刀在每個樣點土壤表層中部取樣，帶回實驗室用作土壤容重及孔隙度的測定，總計234個土樣。

1.3.2 土壤樣品測定方法

土壤容重的測定采用環(huán)刀法［11］;土壤孔隙度一般都不直接測定，而是由土粒密度和容重計算求得［11］;土壤有機質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀法［11］。

水穩(wěn)性團聚體有大有小，日本的川村秋男等［12－13］從濺蝕角度研究侵蝕度與團聚體含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)團聚體處于毛管飽和水狀態(tài)時水穩(wěn)性最高，風(fēng)干狀態(tài)時水穩(wěn)性最低，并從試驗得知，粒徑0.5和0.25 mm以上的水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率與土壤抗蝕性呈正相關(guān)，因而風(fēng)干率成為衡量抗蝕性的又一指標。其測定方法如下:①測土壤水穩(wěn)性團聚體含量。用Yoder濕篩法，使用土壤團粒分析儀測定風(fēng)干土水穩(wěn)性團聚體含量。②測毛管飽和水土壤水穩(wěn)性團聚體含量。采用將海綿置于容器中，使下部浸水，上放濾紙，將土樣置無底筒內(nèi)，使土樣吸水達飽和含水量為止，然后進行水穩(wěn)性團聚體分析。③分別計算0.5和0.25 mm以上團聚體風(fēng)干率，公式為

式中:A為某粒級毛管飽和水土壤水穩(wěn)性團聚體含量;B為某粒級風(fēng)干土水穩(wěn)性團聚體含量。

土壤團聚體的水穩(wěn)性與土壤侵蝕呈線性相關(guān)，水穩(wěn)性指數(shù)K值愈大，則侵蝕愈弱。而分散性指數(shù)D是水穩(wěn)性指數(shù)的倒數(shù)。本研究采用浸水崩解法［14］測定土壤團聚體水穩(wěn)性指數(shù)。

利用TSJY－07型人工模擬降雨器，在所要研究的3種竹林研究地進行人工模擬降雨試驗，測定地表徑流泥沙含量。人工模擬降雨有效面積為3～9 m2(3 m×1 m到3 m×3 m)，在每種竹林試驗小區(qū)的模擬降雨器下布設(shè)1個人工降雨徑流小樣方(長1 m×寬1 m×高25 cm)，面積為1 m2，同時在小樣方的出口收集地表徑流1000 mL，重復(fù)進行3次，測定徑流含沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重及孔隙度

測定在研究地所采集的土壤樣品，不同竹林地土壤容重及孔隙度測定結(jié)果見表2。

表2 不同竹林地土壤容重及孔隙度

從表2可看出，3種竹林按土壤容重大小排序為慈竹林＞灰金竹林＞實心竹林;而按孔隙度排序與土壤容重剛好相反，為實心竹林＞灰金竹林＞慈竹林。3種竹林都位于西山森林公園，土壤擾動較少，由于實心竹須根系較多且分布較淺，細孔隙較多，因此土壤孔隙度較大，容重較小;而慈竹林根系較粗，根系生長較深，粗孔隙較多，因此土壤孔隙度較小，容重較大。

2.2 水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率

水穩(wěn)性團聚體是由有機質(zhì)膠結(jié)而形成的團粒結(jié)構(gòu)，它可以改善土壤結(jié)構(gòu)，而且被水浸濕后不易解體，具有較高的穩(wěn)定性。我們對研究區(qū)竹林地的土樣進行了土壤水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率的測定，結(jié)果見表3。

表3 水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率

從表3可以看出，3種竹林按粒徑＞0.5 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率排序為灰金竹林＞實心竹林＞慈竹林，按粒徑＞0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率排序也為灰金竹林＞實心竹林＞慈竹林，兩種粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率排序保持一致。

2.3 水穩(wěn)性指數(shù)(K)、分散性指數(shù)(D)與土壤有機質(zhì)含量

土壤團聚體結(jié)構(gòu)可以用水穩(wěn)性指數(shù)(K)和分散性指數(shù)(D)來反映，土壤團聚體水穩(wěn)性決定了土壤抵抗雨滴直接沖擊和對徑流分散及懸浮的能力。而分散性指數(shù)是水穩(wěn)性指數(shù)的倒數(shù)，其值越小則土壤團聚體結(jié)構(gòu)越良好。土壤有機質(zhì)是水穩(wěn)性團聚體的主要膠結(jié)劑，能夠促進土壤中團聚體結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤的疏松性、通氣性和透水性，對于提高土壤的抗蝕能力具有重要作用。我們對研究區(qū)竹林地的土樣進行了土壤水穩(wěn)性指數(shù)(K)、分散性指數(shù)(D)和有機質(zhì)含量的測定，結(jié)果見表4。)

表4 水穩(wěn)性指數(shù)(K)、分散性指數(shù)(D)與土壤有機質(zhì)含量

從表4可以看出，3種竹林地按土壤有機質(zhì)含量大小排序為灰金竹林＞實心竹林＞慈竹林?；医鹬窳值乇砜萋湮镓S富，林地土壤有機質(zhì)含量最高，水穩(wěn)性指數(shù)最大，土壤抵抗雨滴沖擊的能力較強，實心竹林地土壤抵抗雨滴沖擊的能力次之，慈竹林地土壤抵抗雨滴沖擊的能力最弱。

2.4 地表徑流泥沙含量

地表徑流泥沙含量能直接反映出土壤抗蝕性能的大小，也是在水動力侵蝕影響下產(chǎn)生的直接結(jié)果。在徑流量相同的情況下，含沙量越大抗蝕性越弱。本研究采用人工模擬降雨的方法來測定竹林地地表徑流泥沙含量，測定結(jié)果如表5所示。

表5 地表徑流泥沙含量

從表5可以看出，3種竹林地按地表徑流泥沙含量大小排序為:慈竹林＞實心竹林＞灰金竹林?；医鹬窳值乇砜葜β淙~較多，土壤有機質(zhì)含量最高，地表徑流泥沙含量最少;慈竹雖長勢較好，但葉片稀疏，枯枝落葉較少，土壤有機質(zhì)含量最低，地表徑流泥沙含量最多。

2.5 統(tǒng)計分析

分別通過Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、SPSS進行方差分析，結(jié)果如表6所示。

表6 方差分析結(jié)果

由表6可以看出，相伴概率為0.061，大于顯著性水平0.05，所得各指標之間差異不顯著，說明本研究所選擇的抗蝕性指標均能反映竹林的抗蝕性能，不能篩選出反映竹林土壤抗蝕性的最佳指標。

由于土壤容重、孔隙度、有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率、水穩(wěn)性指數(shù)及分散性指數(shù)對土壤的抗蝕性能最終都是由地表徑流中泥沙的含量直接反映出來的，因此地表徑流泥沙含量能最直接地反映出土壤的抗蝕性。選取以上的指標為自變量X，再選取泥沙含量為因變量Y，使用SPSS進行主成分分析，分析結(jié)果如表7所示。

兩個主成分與8個指標之間可以得出以下兩個方程:

從方程(2)可以看出:X1、X2、X3的系數(shù)最大，即土壤的物理性質(zhì)所占的成分比較大。從方程(3)可以看出:X6、X7、X8的系數(shù)最大，即土壤的緊實程度所占成分比較大。

表7 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

從生成的碎石圖(圖1)來看，＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率與土壤有機質(zhì)含量所占比例最大，最能表現(xiàn)出土壤的抗蝕性。

通過以上分析可以知道，灰金竹林地＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率為7.32%，實心竹林地為3.32%，慈竹林地為2.36%;灰金竹林地土壤有機質(zhì)含量為10.71%，實心竹林地為5.92%，慈竹林地為4.18%。從兩個最佳抗蝕性指標來判斷，3種典型竹林地土壤的抗蝕性強弱排序為:灰金竹林＞實心竹林＞慈竹林。

3 結(jié)論

(1)本研究選擇在昆明市西山的森林公園，人為擾動較少，能較好地反應(yīng)竹林的抗蝕性。通過分析土壤容重、孔隙度、水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率、土壤有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性指數(shù)、分散性指數(shù)以及地表徑流含沙量等7個土壤抗蝕性指標來評價灰金竹林、慈竹林、實心竹林的土壤抗蝕性能，將地表徑流泥沙含量與其他指標分別進行方差分析和主成分分析，方差分析結(jié)果不顯著，說明所選抗蝕性指標均能反應(yīng)竹林的土壤抗蝕性能。通過主成分分析可以看出，＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率和土壤有機質(zhì)含量這兩個指標占的比例最大，最能表現(xiàn)出土壤的抗蝕性，是表現(xiàn)竹林土壤抗蝕性的最佳指標。

(2)從主成分分析所得出的最能表現(xiàn)土壤抗蝕性的指標來看，3種竹林土壤抗蝕性強弱排序為:灰金竹林＞實心竹林＞慈竹林?；医鹬窳滞寥烙袡C質(zhì)含量最高，并且＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率最大，抗蝕性相對最強;實心竹林抗蝕性居中;慈竹林土壤有機質(zhì)含量最低，＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體風(fēng)干率最小，因此抗蝕性相對最弱。

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