干熱河谷不同酸豆林土壤團聚體特征分析

彭 輝，周紅敏*，徐肇友，瞿 虹，紀中華

（1. 浙江省龍泉市林業(yè)科學研究院，浙江 龍泉 323700；2. 浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學院，云南 昆明 650205）

干熱河谷不同酸豆林土壤團聚體特征分析

彭 輝1，周紅敏1*，徐肇友1，瞿 虹2，紀中華3

（1. 浙江省龍泉市林業(yè)科學研究院，浙江 龍泉 323700；2. 浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學院，云南 昆明 650205）

采用干篩法對金沙江干熱河谷區(qū)酸豆林＋光板地（裸地）、酸豆林＋雜草、酸豆林＋百喜草、酸豆林＋余甘子、酸豆林＋木豆5種酸豆林地在0 ～ 10 cm、＞10 ～ 20 cm、＞20 ～ 40 cm的3個土層中的R0.25、MWD、GMD和分形維數(shù)D變化進行研究，結(jié)果表明：5種酸豆林模式中，酸豆林＋百喜草模式有利于土壤大團聚體的保存，酸豆林＋雜草模式和酸豆林＋光板地模式提升土壤團聚結(jié)構(gòu)，但是效果并不顯著，而酸豆林＋余甘子模式和酸豆林＋木豆模式則降低了土壤中大團聚體的比例，使土壤中的微團聚體含量增加；在干熱河谷實施保護性耕作有利于酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營。

干熱河谷；酸豆；干篩法；土壤；結(jié)構(gòu)；團聚體；平均重量直徑；幾何平均直徑；分形維

土壤退化是全球普遍關(guān)注的重點問題，位于長江上游的金沙江干熱河谷區(qū)水土流失嚴重、土壤明顯退化，甚至形成“土林”景觀。土壤退化最顯著的特征之一就是土壤團聚體結(jié)構(gòu)的破壞，土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器，對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的定量化描述可為土壤碳庫的科學管理、土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的提升提供科學依據(jù)。土壤是具有不規(guī)則和自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[1～2]。自1967年數(shù)學家Mandelbort在其論文“英國的海岸線有多長”中提出了分形幾何（Fractal geometry）理論之后，分形理論在對土壤團聚結(jié)構(gòu)研究中被各國科學家廣泛采用。Arya等人[3]以及Turcotte[4]首先對土壤顆粒的分形現(xiàn)象和分形維數(shù)進行計算，但是上述方法難以利用常規(guī)試驗數(shù)據(jù)進行計算。楊培嶺等[5]在Katz法的基礎(chǔ)上提出用粒徑的質(zhì)量分布取代粒徑的數(shù)量分布來描述土壤分形特征的模型，此方法因精確、簡便而被廣泛采用[6～9]。

酸豆（Tamarindus indica）作為干熱河谷重要的經(jīng)濟林和植被恢復樹種，對其相關(guān)研究較多[10～12]，但對其林地土壤團聚體特征的研究并不多見，本文采用分形理論對金沙江干熱河谷酸豆人工林的土壤團聚體特征進行研究，探討不同復合種植和耕作模式對酸豆林土壤團聚體特征的影響，為酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營以及干熱河谷土壤結(jié)構(gòu)改良、土壤肥力提升等提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)自然概況

試驗地點設(shè)在云南省元謀縣境內(nèi)，該縣是云貴高原北緣金沙江一級支流——龍川江下游的干熱河谷地帶（101° 35′ ～ 102° 05′ E，25° 25′ ～ 26° 07′ N），該區(qū)光照資源豐富，年日照2 550 ～ 2 744 h，年均溫21.9℃，≥10℃積溫8 000℃，無霜期360 ～ 365 d，年均降水量611 mm，90%以上降雨量集中在6－10月的雨季，旱季長達7個月，年蒸發(fā)量3 911 mm，為降水的5.8倍。本區(qū)域以燥紅土分布最為廣泛。植被主要有桉樹（Eucalyptus）類、車桑子（Dodonaea viscosa）、黃茅（Heteropogon contortus）、孔穎草（Bothriochloa pertusa）等。

1.2 研究方法

試驗地包括5種林地類型，酸豆林＋光板地（裸地）（L＋G）作為對照（CK），酸豆林＋雜草（L＋Z），主要是扭黃茅和孔穎草，酸豆林＋百喜草（Paspalum no tatum）（L＋B），這3種模式均采用免耕管理，屬于保護性耕作，酸豆林＋余甘子（Phyllanthus emblica）（L＋Y），酸豆林＋木豆（Cajanus cajan）（L＋M），L＋Y模式是混交林模式，前期土壤翻耕攪動較大，L＋M模式在林地郁閉前期種植木豆，采用常規(guī)翻耕，郁閉后林下未種植其他作物，采取免耕管理。酸豆林齡均在10 a以上，除光板地上的酸豆林長勢較弱外，其他林地酸豆林生長良好。

1.2.1 土壤團聚體顆粒測定 土壤取樣按照典型性和代表性原則，在坡向、坡度、坡位和海拔相對一致的林地內(nèi)建立20 m×20 m的樣地，按照蛇形5點取樣，用環(huán)刀在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞20 ～ 40 cm分3層取土，用硬質(zhì)鋁盒帶回實驗室風干，按照不同層取土壤混合樣測定土壤團聚體結(jié)構(gòu)，分離出10 ～ 5、＜5 ～ 1、＜ 1 ～ 0.5、＜ 0.5 ～0.25和＜0.25 mm土壤團聚體，土壤團聚體分級的常用方法有干篩法和濕篩法，干篩法反映的是水穩(wěn)性和非水穩(wěn)性團聚體的總體特征，濕篩法反映的是水穩(wěn)性團聚體特征，兩種方法各有其優(yōu)缺點，本文采用干篩法，參照黃欠如[9]的方法略有改動。

1.2.2 團聚體特征分析 常用的土壤團聚體描述指標有平均重量直徑（mean weight diameter MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter GMD）、R0.25和分形維（fractal dimension D）等，其計算公式如下：

平均重量直徑（MWD）：

幾何平均直徑（GMD）：

R0.25表示＞0.25 mm團聚體含量：

分形維（D）的計算采用楊培嶺等推導的公式：

W ＜δ 表示粒徑＜

對上式兩邊取對數(shù)得到：

所有數(shù)據(jù)采用Excel2007和SPSS16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸豆林土壤團聚體的數(shù)量

通常將土壤團聚體分為＞0.25 mm的大團聚體和＜0.25 mm的微團聚體，＞0.25 mm的大團聚體又稱土壤團粒結(jié)構(gòu)，其含量越高說明其團聚性越好，而小于＜0.25 mm的微團聚體機械穩(wěn)定性較差，其含量越高土壤越分散，易影響水分入滲、產(chǎn)生地表徑流，是土壤侵蝕的重要來源[13]。由表1可知，5種林地3層土壤經(jīng)過干篩分級后R0.25的含量為 55.58 ～ 94.68，含量最大是L＋B，3層土壤R0.25均＞94，含量最少的是L＋M，其次是L＋Y。這說明L＋B土壤團聚體的團聚性較好，降雨和灌溉的水分容易下滲，不易產(chǎn)生地表徑流。而L＋M和L＋Y的R0.25含量減少和L＋M模式中木豆耕種方式、L＋Y模式中余甘子的前期耕作方式有關(guān)，由于L＋M在種植木豆時經(jīng)常翻耕破碎土壤，破壞了土壤的大團聚結(jié)構(gòu)，余甘子林在種植初期對土壤擾動較大，也破壞了部分大團聚的結(jié)構(gòu)，Tisdall和Oades[14]研究發(fā)現(xiàn)，耕作會減少大團聚體的數(shù)量，這與本文研究結(jié)果相似。相比對照L＋G，種草模式L＋B和L＋Z屬于保護性耕作（免耕）狀態(tài)，提升了土壤大團聚體的比例，L＋Y和L＋M由于前期耕作的干擾，降低了土壤大團聚體的比例。5種林地0 ～ 10、＞ 10 ～20、＞ 20 ～ 40 cm土層的R0.25均呈現(xiàn)L＋B＞L＋Z＞L＋G＞L＋Y＞L＋M，L＋G模式雖然處于免耕狀態(tài)，但由于地表裸露，水土流失量大，同樣導致大團聚體遭到破壞，5種林地的總體情況說明處于免耕狀態(tài)的林地模式更有利于形成大團聚體，提升土壤團粒結(jié)構(gòu)。

表1 不同酸豆林地土壤團聚體R0.25Table 1 R0.25under different tested forests

2.2 不同酸豆林土壤團聚體大小

MWD和GWD是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標，其值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[2,6]。由圖1可知，5種林地的3個土層中L＋B的MWD的值均為最高，其次是L＋Z和對照L＋G，這3種模式在3層土壤中均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，L＋Y的MWD隨土層深度增加呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，而L＋M呈現(xiàn)隨土層深度增加而不斷下降的趨勢。相比對照L＋G，L＋B的MWD在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm分別提升了1.66倍、1.42倍和1.42倍。在圖2中，5種林地3個土層的GMD值L＋B最高，其次是L＋Z和L＋G，這3種模式在3層土壤中與MWD相似，均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，L＋Y和L＋M也呈現(xiàn)與MWD類似的情況，隨土層的深度增加分別出現(xiàn)逐漸上升和不斷下降的趨勢。相比對照L＋G，L＋B的GMD在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm分別提升了2.43倍、1.86倍和1.99倍。

圖1 不同酸豆林MWD比較Figure 1 MWD under different tested forests

圖2 不同酸豆林GMD比較Figure 2 MWD under different tested forests

圖1和圖2表明，在5種林地的3個土層中MWD和GMD的趨勢相同，均表現(xiàn)為L＋B最大，說明L＋B的平均粒徑團聚度最高，穩(wěn)定性最強，其次是L＋Z和L＋G，L＋Y和L＋M的值較低且表現(xiàn)出不同的變化趨勢，尤其是L＋M，MWD和GMD均呈現(xiàn)一直下降趨勢，這也說明免耕可以提升土壤團聚度和穩(wěn)定性，而長期耕作則會呈現(xiàn)相反的趨勢。

2.3 不同酸豆林土壤團聚體分形維

土壤團粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)能反映團聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響趨勢，吳承禎等[6]指出團粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定則分形維數(shù)越小。在表2中D在5種林地呈現(xiàn)L＋M＞L＋Y＞L＋G＞L＋Z＞L＋B，最小的是L＋B，0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm土層的D分別為2.26、2.29和2.28，D最大的是L＋M，3層土壤的D分別為2.77、2.76和2.80，L＋G和L＋Z的D差異不顯著。D在3個土層中的表現(xiàn)趨勢不同于MWD和GMD，L＋Z、L＋M和L＋G呈現(xiàn)先降后升的趨勢，L＋B是先升后降，L＋Y則是一直下降。這說明L＋B的團粒結(jié)構(gòu)較好，而L＋M團粒結(jié)構(gòu)較差，L＋G和L＋Z的分形維數(shù)差異不顯著，說明L＋Z模式?jīng)]能表現(xiàn)出好于光板地的優(yōu)勢，而L＋B模式則優(yōu)勢顯著，這說明人工種草和免耕經(jīng)營相對與自然雜草群落和光板地模式對土壤大團聚體的保存和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有明顯優(yōu)勢。L＋M模式由于前期連年耕作破壞土壤結(jié)構(gòu)，不利于土壤大團聚體的保存。

表2 不同酸豆林土壤團聚體組成Table 2 Soil aggregates composition under different tested forests

3 結(jié)論與討論

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量、組成比例等直接影響土壤物理性狀和肥力情況等。Six等[15]指出＞0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)，穩(wěn)定的土壤大團聚體可有有效減少土壤有機碳C的釋放，還能減少水蝕和風蝕，有利于水土保持。本研究通過分析酸豆林地在0 ～ 40 cm的3個土層中的R0.25、MWD、GMD和D，結(jié)果說明：在干熱河谷區(qū)5種酸豆林模式中，大團聚體的比例越高土壤的團聚性、團粒結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好，不容易產(chǎn)生地表徑流從而減少水土流失，增強土壤抗蝕能力。

免耕和人工種草模式有利于土壤大團聚體的保存，Elliott[16]認為大團聚體是由微團聚體通過有機物質(zhì)連接而成，大團聚體能夠保存更多有機碳，因此也有利于土壤肥力提升。免耕能顯著提高大團聚體含量而減少微團聚體的含量，自然雜草模式和光板地模式在免耕條件下提升了土壤大團聚體含量，但是效果并不顯著，而混交林模式和林下種植木豆模式則降低了土壤中大團聚體的比例，使土壤中的微團聚體含量增加，這可能會增強水土流失，但是對于土壤有機碳的固持和土壤肥力提升的影響還需進一步的研究說明。

酸豆林模式中的光板地模式應該增加地表覆蓋，如覆蓋秸稈、雜草等，可以逐步改善其土壤結(jié)構(gòu)，減少雨水沖刷對土壤結(jié)構(gòu)的影響。

綜上所述，在干熱河谷區(qū)采用保護性耕作（免耕種植）明顯提升了酸豆林的土壤大團聚體含量，提升了土壤穩(wěn)定性和土壤肥力。因此在干熱河谷區(qū)推廣免耕技術(shù)可以為酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營，對土壤生態(tài)功能的保育等，都會起到良好的作用。

致謝：感謝云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所岳學文碩士、閆邦國碩士等人的大力支持!

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Soil Aggregate Features under Tamarindus indica Forest with Different Plant Compositions in Dry-hot Valley

PENG Hui1，ZHOU Hong-min1*，XU Zhao-you1，QU Hong2，JI Zhong-hua3
（1. Longquan Forestry Institute of Zhejiang, Longquan 323700, China; 2. Longquan Forestry Bureau of Zhejaing, Longquan 323700, China; 3. Yunnan Academy of Agricultural Science, Kunming 650205, China）

Experiments were conducted on the soil aggregates under Tamarindus indica forest with bared land(L+G)CK), with fireweed(L+Z), with Paspalum notatum (L+B), with Phyllanthus emblica (L+Y), and with Cajanus cajan (L+M) in dry-hot valley of Yunnan. R0.25(percentage of soil aggregates with diameter larger than 0.25mm), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD) and fractal dimension (D) were determined at 3 soil layers (0 - 10 cm, ＞10 - 20 cm, ＞20 – 40 cm). The results showed that L+B promoted the conservation of soil macro-aggregates, L+Z and L+G could improve the soil aggregate structure, L+Y and L+M forestlands reduced the proportion of macro-aggregates in the soil but increased micro-aggregates content. The experiment demonstrated that in dry-hot valley, conservation tillage was conducive to the sustainable management of T. indica.

dry-hot valley; Tamarindus indica; geometric mean diameter; fractal dimension

S714.6

A

1001-3776（2014）05-0021-05

2014-03-20；

2014-06-11

國家“十二五”支撐計劃項目（2011BAC09B05）；云南省社會發(fā)展科技計劃（2011CA009）

彭輝（1981－），男，河北滄州人，工程師，從事農(nóng)林復合經(jīng)營研究；*通訊作者。