東北近天然林土壤可蝕性K值研究

李 旭，王海燕，楊曉娟，劉 玲，李衛(wèi)松，王 岳

（1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083；2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)主要在外營力作用下的破壞、分離和移動過程［1］。隨著人為活動對自然生態(tài)平衡影響的加劇，土壤侵蝕已成為當(dāng)今世界關(guān)注的重大環(huán)境問題之一，同時它也造成許多其它的環(huán)境問題。對土壤可蝕性的研究是進(jìn)行土壤侵蝕定量評價的重要途徑。Middleton［2］在1930年首先對土壤可蝕性進(jìn)行了定義，它是指土壤在雨滴打擊、徑流沖刷等外營力作用下被分散、搬運(yùn)的難易程度。1965年美國學(xué)者 Wischmeier［3］在定義了標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)長期的觀測實(shí)驗(yàn)資料總結(jié)出了土壤流失方程（USLE），并從中提出了土壤可蝕性因子K，即標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力所引起的土壤侵蝕量。由于準(zhǔn)確地估算土壤可蝕性因子K值是建立土壤侵蝕模型中重要的一步，各國學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。經(jīng)過多年的研究，學(xué)者們總結(jié)出了計算K值的方法，主要包括：土壤流失方程（USLE）法［4］、諾謨（NOMO）計算模型法［4］、修正土壤流失方程（RUSLE）法［5］、WEPP（water erosion prediction project）模型法［6］和 EPIC（erosion productivity impact calculator）計算模型法［7］。其中，USLE法和RUSLE法計算較為精確，但是需要建立徑流小區(qū)，所需時間較長，花費(fèi)較高，國外大多數(shù)研究都采用這兩種方法［8－9］；NOMO法和EPIC法調(diào)查取樣相對簡單，適用于大規(guī)模土壤可蝕性研究，但是精度略低于前兩種［10］；WEEP法能夠?qū)螆鼋涤晁a(chǎn)生的土壤流失量、侵蝕過程等進(jìn)行預(yù)測，但是模型太多，實(shí)用性不強(qiáng)［11］。本研究主要利用EPIC法對東北近天然林土壤可蝕性因子K值進(jìn)行估算，為建立該地區(qū)土壤侵蝕模型及土壤侵蝕防治提供幫助，并研究其與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性，為研究林地土壤侵蝕對土壤養(yǎng)分流失的影響奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)立在位于吉林省延邊朝鮮族自治州東北部的汪清林業(yè)局所轄林場 （43°06′—44°03′N，129°51′—130°56′E）。該區(qū)域?qū)儆诩质|部山區(qū)長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，海拔高度550～1 100m，陽坡較陡，陰坡平緩，自然坡度10～25°。屬溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，年平均氣溫約為4℃，最冷月份為1月，平均氣溫－32℃，最熱月份為7月，平均氣溫32℃；年降水量600～700mm，主要集中在7月份。土壤類型主要以暗棕壤為主。調(diào)查樣地內(nèi)主要樹種有長白落葉松（Larix olgensis），云杉（Picea jezoensis var.microsperma），冷杉（Abies nephrolepis），紅松（Pinus koraiensis），色 木（Acer mono），水 曲 柳（Fraxinus mandshurica），白樺（Betula platyphylla），椴樹（Tilia amurensis），楓樺（Betula platyphylla），榆樹（Ulmus pumila）［12］。

2 研究方法

2.1 土樣采集和測定

2012年9—10月，在研究區(qū)內(nèi)建立了10塊面積為0.025hm2的樣地，包括7塊針闊混交林和3塊闊葉混交林，樣地概況詳見表1。在樣地內(nèi)以S形路線選取5～7個采樣點(diǎn)，用土鉆分層（0—20cm，20—40cm和40—60cm）采集土樣，將各層土樣混勻后用四分法取約1kg的待測土樣，裝入布袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

將各層土樣剔除植物根系、石礫等雜物后，風(fēng)干、研磨、過篩（2，1和0.25mm）后進(jìn)行土壤粒徑分析和土壤養(yǎng)分含量的測定（有機(jī)質(zhì)和全量元素分析樣品過0.25mm篩，有效養(yǎng)分過1mm篩）。土壤粒徑分析采用吸管法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法；全氮采用硫酸—高氯酸消煮—凱氏定氮儀法；全磷采用濃硫酸—高氯酸—鉬銻抗比色法［13］。

表1 試驗(yàn)樣地概況

2.2 EPIC模型

土壤侵蝕和生產(chǎn)力影響的估算模型EPIC又稱為環(huán)境政策綜合氣候模型［7］，它是美國研制的定量評價“氣候—土壤—作物—管理”綜合連續(xù)系統(tǒng)的動力學(xué)模型。EPIC模型作為一種多作物通用型生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型，得到了學(xué)者們的廣泛試驗(yàn)驗(yàn)證和大量研究應(yīng)用，成為較有影響的土壤可蝕性因子估算模型之一［14］。EPIC模型計算公式為：

式中：Sa——砂粒（0.05～2mm）含量；Si——粉粒 （0.002～0.05mm）含量；Cl——黏粒（＜0.002mm）含量；C——有機(jī)碳含量，SN1＝1－Sa／100。計算的 K值單位為t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）［15］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤可蝕性因子K值的計算利用Excel進(jìn)行，K值與土壤養(yǎng)分之間相關(guān)性的研究采用統(tǒng)計軟件SPSS 20.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤可蝕性K值

土壤可蝕性因子K可以用來表示土壤抗蝕能力，K值越大，抗蝕能力越小，K值越小，抗蝕能力越大。表2為土壤粒徑分析、有機(jī)碳含量及K值的計算結(jié)果。由表2可以看出，該區(qū)域土壤可蝕性K值平均為0.060 7t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）；上層土壤的K值比下層土壤大，這主要是因?yàn)樯蠈痈刀?，土壤較為疏松，抗蝕能力低，容易發(fā)生土壤侵蝕，而下層根系少，土壤較為緊實(shí)不易發(fā)生土壤侵蝕。區(qū)域內(nèi)不同樣地之間K值有一定差異，比較林分密度和郁閉度與K值之間的關(guān)系，分析圖1后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)林分密度小于1 200株／hm2，郁閉度小于0.75時，K值會隨著林分密度和郁閉度的增大而變小，這是由于林冠對雨水有截留作用，可以減少降雨對地面的直接打擊，同時森林的枯枝落葉層可以吸收一定的降水，在腐爛后參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，能有效增加土壤的空隙度［16］。但是當(dāng)林分密度和郁閉度超出這個范圍后，K值反而隨著林分密度的增大而增大，這主要是因?yàn)榱址诌_(dá)到一定密度后郁閉度變化不大，但是過大的林分密度會影響林下植被的生長，從而造成K值增大。在該區(qū)域林分密度為750～1 200株／hm2時土壤抗蝕能力較強(qiáng)。對比針闊混交林和闊葉混交林兩種林分類型后發(fā)現(xiàn)，針闊混交林的K值平均值﹝0.060 9t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）﹞比闊葉混交林﹝0.060 3t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）﹞的大，這可能是因?yàn)殚熑~樹種的林冠較大且枯落物較多，對土壤保護(hù)作用比針葉樹種強(qiáng)。

表2 樣地土壤可蝕性K值

圖1 試驗(yàn)樣地不同林分密度與郁閉度下土壤可蝕性K值趨勢變化

3.2 土壤養(yǎng)分特征

由表3可以看出，在垂直剖面上土壤全氮和全磷呈規(guī)律性分布，均隨著土壤深度的增加而降低，這符合一般規(guī)律。由于樣地為近天然林，基本沒有外來的干擾，植被及生態(tài)環(huán)境均處于自然演替狀態(tài)，土壤養(yǎng)分主要來源于枯枝落葉的分解，而土壤養(yǎng)分會隨著降雨的淋溶和水分的垂直運(yùn)動向下層土壤遷移［17］，因此表層土壤養(yǎng)分含量比下層高。但土壤有效磷和速效鉀在垂直剖面上的規(guī)律性不明顯，這主要是由于在調(diào)查取樣期間研究區(qū)內(nèi)有幾次較大程度的降水過程，而土壤有效養(yǎng)分容易隨著降雨流失或向下層遷移。

土壤養(yǎng)分主要受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響，由于研究區(qū)為近天然林，人為干擾較少，土壤養(yǎng)分含量主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響?？葜β淙~分解是土壤養(yǎng)分的主要來源，林分密度的影響在結(jié)構(gòu)性因素中占了很大比例。由圖2可以看出，在研究區(qū)內(nèi)土壤全氮和速效鉀含量整體上隨著林分密度的增加而增加，都在1 200株／hm2左右時達(dá)到最大值，而土壤有效磷和全磷含量隨林分密度增加呈波動狀態(tài)，均在林分密度為750株／hm2左右時最大。雖然土壤養(yǎng)分主要來源于枯枝落葉的分解，理論上土壤養(yǎng)分含量應(yīng)該隨著林分密度的增加而增加，但隨著林分密度的增加，樹木從土壤中吸收帶走的養(yǎng)分也在增加，同時枯枝落葉分解成不同的土壤養(yǎng)分元素所需時間不同，可能會使森林對土壤養(yǎng)分吸收的速度大于養(yǎng)分補(bǔ)償?shù)乃俣?，這就造成了土壤養(yǎng)分含量與林分密度之間復(fù)雜的關(guān)系。綜合分析后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域林分密度在750～1 200株／hm2時土壤養(yǎng)分狀況較好。

3.3 土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

對土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表4），其相關(guān)性由高到低依次為土壤全氮、速效鉀、有效磷和全磷，除全氮與K值呈正相關(guān)外，其它土壤養(yǎng)分均與K值呈負(fù)相關(guān)，K值與土壤全氮相關(guān)程度和顯著性水平都較高，說明全氮受土壤可蝕性的影響較大。負(fù)相關(guān)關(guān)系說明隨著K值的增加，土壤養(yǎng)分含量降低，即易發(fā)生土壤水蝕的區(qū)域土壤養(yǎng)分流失量也越大；相關(guān)系數(shù)越高，土壤養(yǎng)分流失量越大。

表3 試驗(yàn)樣地土壤養(yǎng)分含量

圖2 試驗(yàn)樣地不同林分密度下土壤養(yǎng)分趨勢變化

表4 試驗(yàn)樣地土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

當(dāng)前關(guān)于土壤可蝕性K值的研究主要集中在大范圍的土壤調(diào)查、K值的分布特征和K 值圖的編制［18－19］，對K 值與土壤養(yǎng)分之間內(nèi)在聯(lián)系的研究關(guān)注較少，同時在對土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的相關(guān)研究中主要運(yùn)用了137Cs法［20］或徑流小區(qū)人工降雨法［21］，方法較為復(fù)雜，所需要的時間較長。本研究主要利用東北近天然林樣地，對土壤可蝕性K值與林分密度及土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了探討，希望找到一種簡單的方法研究土壤侵蝕對養(yǎng)分流失的影響。

研究區(qū)土壤可蝕性K值平均為0.060 7t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）。上層土壤的可蝕性K值比下層大，這主要是因?yàn)樵诹謪^(qū)內(nèi)植被覆蓋率大，根系較多，使得表層土壤較為疏松，再加上地表植被的保護(hù)，下層土壤受到的侵蝕程度較低。高敏的研究表明，K值與土壤粒徑和有機(jī)質(zhì)含量有很大的相關(guān)性，K值在很大程度上取決于顆粒和有機(jī)質(zhì)的共同耦合作用，而在這一耦合作用中顆粒的貢獻(xiàn)率可能更為明顯［15］。當(dāng)林分密度小于1 200株／hm2、郁閉度小于0.75時，K值隨林分密度和郁閉度的增加而減小，這是由于森林在一定程度上能夠保護(hù)土壤，減緩降雨對土壤的侵蝕。同時針闊混交林的平均K值比闊葉混交林的大。朱立安等［22］和周璟等［23］都對土壤可蝕性K 值的影響因素進(jìn)行了研究，得出結(jié)論是成土母質(zhì)、耕作情況及不同土地利用類型度都會對K值產(chǎn)生影響，而本研究則將關(guān)注點(diǎn)放在了林分密度和郁閉度的影響。

在垂直剖面上，土壤全氮和全磷均隨著土壤深度的增加而降低，由于降雨的影響，有效磷和速效鉀的分布規(guī)律性不強(qiáng)。綜合分析不同林分密度下土壤養(yǎng)分的含量，適宜的林分密度有利于土壤養(yǎng)分的積累，較小或過大的林分密度下土壤養(yǎng)分含量減小，這是由于林分密度過大，會導(dǎo)致林地植株的單株生長空間減小，加速對土壤養(yǎng)分的吸收。同時研究表明該區(qū)域適宜的林分密度是750～1 200株／hm2，這與劉玲等［24］研究的長白落葉松天然林適宜密度為800～880株／hm2的結(jié)果相近。

土壤可蝕性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析結(jié)果表明，K值與土壤各養(yǎng)分之間存在密切關(guān)系。其中只有全氮與K值呈正相關(guān)，這主要是因?yàn)镋PIC模型中有機(jī)碳的含量參與了K值的計算，而土壤中的氮素絕大多數(shù)是儲藏在土壤有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)態(tài)含氮化合物［25］，因此全氮與K值呈正相關(guān)性且相關(guān)程度較高，但本研究并不能說明土壤水蝕越大的區(qū)域全氮含量越高，對全氮含量與土壤侵蝕之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。與K值的相關(guān)性由高到低依次為速效鉀、有效磷和全磷，且均為負(fù)相關(guān)，說明隨著土壤侵蝕的加劇，土壤養(yǎng)分的流失量也在增加，這與劉旦旦等［26］所研究的土壤養(yǎng)分流失量隨土壤侵蝕強(qiáng)度增加而增加的結(jié)果相似。其中速效鉀更容易隨著侵蝕而流失，這主要是因?yàn)殁浽卮蟛糠忠栽V物形態(tài)分布在土壤粗粒部分，更容易隨著降雨等水蝕過程而流失。

之前研究土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分流失之間的關(guān)系時，大多采用了人工降雨或137Cs示蹤的方法［27－28］，雖然研究結(jié)果很精確，但方法比較復(fù)雜，耗費(fèi)的時間和精力較大。本研究主要利用土壤可蝕性K值來代表土壤侵蝕量，研究其與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，從而推斷出土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分流失量之間的關(guān)系，野外操作比較簡便，研究結(jié)果較為準(zhǔn)確。

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