上舍流域兩種林地土壤結(jié)構(gòu)與抗蝕性

吳胡強(qiáng), 張雅坤, 張金池, 張水鋒, 邵永昌, 莊家堯

(南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210037)

上舍流域兩種林地土壤結(jié)構(gòu)與抗蝕性

吳胡強(qiáng), 張雅坤, 張金池, 張水鋒, 邵永昌, 莊家堯

(南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210037)

摘要：[目的] 為了解土壤侵蝕的機(jī)理，探究土壤抗蝕性與土地利用類型、土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系。[方法] 以安徽省岳西縣毛尖山鄉(xiāng)上舍村典型小流域馬尾松林(Pinus massoniana Lamb)和桑樹林(Morus alba L)為研究對(duì)象，在0—40 cm土壤深度范圍內(nèi)，按照10 cm間隔分層取樣，室內(nèi)測(cè)定土壤孔徑、比表面積、崩解指數(shù)、不同徑別(<0.5，0.5～1.0，1.0～2.0和2.0～2.5 mm)根系長度特征。[結(jié)果] 土壤抗蝕性強(qiáng)弱表現(xiàn)為馬尾松林大于桑樹林。表層0—10 cm范圍內(nèi)，桑樹林地土壤根系小于馬尾松土壤根系，土壤的抗蝕性隨著土層深度的增加而減小；桑樹林和馬尾松林土壤根系主要分布在0—30 cm層次內(nèi)，而且<1 mm的根系長度由表層向深層遞減，土壤平均孔徑隨著深度的增加而減小，而比表面積隨著深度的增加而增大；在0—40 cm深度馬尾松各層次孔徑分布呈分層現(xiàn)象，而桑樹林各層次土壤孔徑分布差異不大。土壤孔隙度和土壤孔徑越大，土壤抗蝕性越強(qiáng)，而土壤顆粒比表面積越大土壤抗蝕性越小；通過SPSS分析得到桑樹林地土壤抗蝕性與土壤根系質(zhì)量在0.01水平上顯著相關(guān)，馬尾松土壤平均孔徑與土壤根系質(zhì)量在0.05水平上顯著相關(guān)。[結(jié)論] 降雨時(shí),由于馬尾松林地地表覆蓋均勻，坡面產(chǎn)生壤中流下滲，土壤20 cm以下分化明顯，不易透水，導(dǎo)致下坡壤中流蓄滿流出地表帶出土壤顆粒。而桑樹林地原為耕地?zé)o地表覆蓋，人為翻種活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致土壤層次性質(zhì)相似，表層土壤顆粒流失嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：小流域； 土壤抗蝕性； 土壤孔徑； 土壤比表面積； 土壤根系質(zhì)量

環(huán)境問題是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，而水土流失是目前人類面臨的重要環(huán)境問題之一，是影響中國生態(tài)環(huán)境的第一大隱患[1]。土壤侵蝕是世界上主要災(zāi)害之一。它破壞國土資源，造成干旱、洪澇，是土地退化的主要表現(xiàn)形式之一，是全球的生態(tài)問題。土壤抗蝕性是指土壤對(duì)侵蝕營力分散和搬運(yùn)作用的抵抗能力，是評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)。土壤抗蝕性隨著土壤的不同而變化[2-4]。不同的土地利用方式反映了人與自然的一種相互關(guān)系，對(duì)地表徑流，土壤通透性、地表植被蓋度、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均有一定的影響[5-8]。因此研究不同土地利用類型土壤性質(zhì)的差異性，對(duì)合理配置土地資源，優(yōu)化土地模式，開展可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。不同的氣候條件、土地利用方式、林木經(jīng)營方式等影響著土壤的性質(zhì)特征，進(jìn)而也影響著土壤的抗侵蝕性能[9]。在土壤侵蝕過程中，土壤性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的發(fā)生和強(qiáng)度有著重要的影響，尤其在山區(qū)森林發(fā)揮著一定的水源涵養(yǎng)和土壤保持作用[10-11]。在大別山區(qū)由于土地利用不當(dāng)，其獨(dú)有的土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而導(dǎo)致了土壤滲透性和抗侵蝕性下降。加之近年來村民過度地開墾，人為樵伐、采藥、放牧等活動(dòng)的影響，存在著不同程度的土壤侵蝕現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一定的負(fù)面影響。目前有關(guān)大別山不同土地利用類型地區(qū)的土壤性質(zhì)研究較少。本文通過野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研究大別山地區(qū)桑樹林地和馬尾松林地土壤4個(gè)層次，分析對(duì)比2種類型土壤的崩解指數(shù)、土壤孔徑、土壤比表面積、土壤孔隙度、根系直徑和根系長度，以此來對(duì)桑樹林和馬尾松林土壤類型進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和資源利用提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)上舍小流域位于安徽省岳西縣毛尖山鄉(xiāng)上舍村境內(nèi)。地理位置E116°，N34°，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。氣溫和降水的地域分布變化很小，年平均氣溫14.6 ℃，極端低溫-8 ℃，最高氣溫30 ℃。年平均日照時(shí)間1 200 h，年平均降水量1 400 mm，年平均無霜期212 d。土壤為片麻巖發(fā)育的山地黃棕壤，平均有效土層厚度60 cm，森林覆蓋率69%，多為原生植被遭破壞后形成的天然次生林和人工林，主要喬木植被類型有馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(CunninghamialanceolataLamb.)、毛竹(PhyllostachysedulisH.)等。根據(jù)岳西縣林業(yè)局提供的1∶10 000森林普查地圖資料,上舍村各植被類型如下：馬尾松林293.8 hm2，占小流域總面積的55%；水稻田78.4 hm2，占小流域總面積的14.8%；坡耕地、杉木林(包括毛竹林)和茶樹(CamalliasinensisLamb.)面積分別為44.1，45.9和65.8 hm2，分別占小流域總面積的8.4%，8.7%和12.5%。

1.2　樣品采集

(1) 土壤樣品采集。在上舍小流域內(nèi)，選取成熟的馬尾松林、桑樹林作為研究對(duì)象。在各標(biāo)準(zhǔn)樣地隨機(jī)設(shè)定5個(gè)點(diǎn)，分別于0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層取樣，重復(fù)3次。在室內(nèi)分析各個(gè)土層土壤孔徑、比表面積等指標(biāo)。

(2) 根系樣品采集。在各樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)定5個(gè)點(diǎn)，按照0—10，10—20，20—30以及30—40 cm的土層挖取20 cm×20 cm×10 cm的土壤樣品。把根系從中揀出洗干凈，室內(nèi)測(cè)量各個(gè)土層植物根系的平均長度、質(zhì)量等指標(biāo)。

1.3　測(cè)定方法

(1) 土壤測(cè)定。按照國家標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定孔隙度。利用V-Sorb X800比表面積及孔徑測(cè)試儀測(cè)量0—10，10—20，20—30，30—40 cm的風(fēng)干土樣的比表面積、孔徑參數(shù)。

(2) 土壤抗蝕性測(cè)定。本次試驗(yàn)利用崩解指數(shù)這一指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤抗蝕性。

崩解指數(shù)：

式中：Pi——第i分鐘的分散土粒數(shù)(i=1,2,…)； A——試驗(yàn)的土?？倲?shù)。

(3) 根系測(cè)定。利用根系掃描儀與WinRHIZODemoImages2004軟件對(duì)洗凈后的各樣品根系進(jìn)行處理，得出各樣品根系的表面積、平均直徑、每立方根總長度、總體積、根尖、直徑在區(qū)域內(nèi)的總長度等參數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤孔徑、比表面積特征分析

由圖1可以明顯看出，馬尾松土壤孔徑大于100nm孔隙隨著土壤層次的加深在各土壤各層次所占比例下降，20—30與30—40cm層次的土壤孔徑分布基本一致。在0—5和5—10cm層次土壤和徑流場(chǎng)土壤孔徑大于100nm孔隙所占比例最大，分別為49.98%，31.29%和30%，而10—20和20—30cm層次土壤為50～100nm孔隙所占比例最大，分別為28.81%和28.71%。由于馬尾松土壤20cm以下土壤層次分化明顯，為黏土層，透水性低，坡面壤中流在下層蓄滿，帶出土壤顆粒導(dǎo)致馬尾松徑流場(chǎng)土壤和10—20cm層次土壤大孔徑分布完全吻合。

由圖1可以明顯發(fā)現(xiàn)，桑樹林和徑流場(chǎng)土壤孔徑分布十分相似，徑流場(chǎng)土壤和桑樹林0—10，10—20，20—30和30—40cm層次土壤，土壤孔徑0~100nm所占比例都是依次增大，在孔徑為50～100nm時(shí)達(dá)到最大，分別是31.19%，30.46%，29.30%，28.87%和29.56%。在桑樹林0—40cm層次中土壤孔徑大于100nm者所占比例差異很小，最大和最小的孔徑分別為14.96%和13.12%。

圖1　馬尾松林和桑樹林土壤孔徑分布特征

在桑樹林0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層和徑流場(chǎng)土壤顆?？讖椒植记€相似，可以推出以上土壤質(zhì)地相似，可能是人為采?；顒?dòng)頻繁因素，導(dǎo)致地面腐殖質(zhì)少，從而影響各層次顆粒粒徑差異不明顯，與母質(zhì)相似；而馬尾松各層次土壤孔徑分布差異性很大，且分層現(xiàn)象明顯，說明馬尾松對(duì)土壤性質(zhì)改造性顯著。圖2可以明顯地發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型土壤性質(zhì)之間有著密切關(guān)系，土壤平均孔徑隨著土層深度的增加而越小[12]，而比表面積隨著土層深度的增加而越大。

圖2　桑樹林和馬尾松林土壤平均孔徑和比表面積分布

2.2　土壤抗蝕性與植被根系關(guān)系

朱顯謨[13]將土壤抗侵蝕性區(qū)分為土壤抗沖性和抗蝕性，肯定了植物根系對(duì)增強(qiáng)土壤抗蝕性的作用。而不同林區(qū)根系在土壤中的分布特征不同，進(jìn)而對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生顯著地影響，而林區(qū)根系隨著土壤土層加深而減少[14]。

由圖3可以明顯地看出，馬尾松10—20 cm層次土壤根系直徑1~2 mm的范圍，根系長度顯著高于表層和20—30 cm層次，可能是因?yàn)轳R尾松林在該層次滋生雜根的緣故。

由圖3看出，各樣地的根系主要分布在0—30 cm層次內(nèi)，而且在根徑<1 mm的根系長度由表層向深層遞減。桑樹林和馬尾松0—10和20—30 cm土壤根系長度和根系直徑呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在表土層(0—10 cm)范圍內(nèi)，根長的排列順序?yàn)椋荷淞值?馬尾松林地。

圖3　桑樹林和馬尾松林根系垂直分布特征

2.3　土壤孔隙度、孔徑、比表面積、根系質(zhì)量對(duì)抗蝕性的影響

對(duì)桑樹林、馬尾松林地的崩解指數(shù)(X1)，比表面積(X2)，平均孔徑(X3)，土壤孔隙度(X4)，根系質(zhì)量(X5)共5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果見表1—2。

表1　馬尾松土壤物理性質(zhì)與抗蝕性相關(guān)性分析

注：*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； **在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。下同。

表2　桑樹林土壤物理性質(zhì)與抗蝕性相關(guān)性分析

得到馬尾松林地和桑樹林地崩解指數(shù)與平均孔徑(X3)、土壤孔隙度(X4)和根系質(zhì)量(X5)呈負(fù)相關(guān)，即抗蝕性與其呈正相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯觯淞滞寥揽刮g性與根系質(zhì)量在0.01水平上顯著相關(guān)，馬尾松林地土壤平均孔徑與根系質(zhì)量在0.05水平上顯著相關(guān)。

馬尾松崩解指數(shù)與比表面積、土壤孔隙度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.884和-0.842，而桑樹林土壤崩解指數(shù)與土壤比表面積、土壤孔隙度的相關(guān)系數(shù)只有0.789和-0.762，說明不同土地利用類型比表面積、土壤孔隙度對(duì)抗蝕性的影響存在差異性。

2.4　土壤抗蝕性特征分析

土壤可蝕性是指土壤是否易受侵蝕破壞的性能，是綜合性因子，只能通過在一定的控制條件下測(cè)定的土壤流失量或土壤性質(zhì)的某些參數(shù)作為土壤可蝕性指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤可蝕性。土壤抗蝕性的大小主要取決于土粒與水的親和力及土粒間的膠結(jié)力，與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)關(guān)系緊密[15]。

由圖4表明，在0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層桑樹林地的土壤崩解指數(shù)顯著高于馬尾松林地。在20—30 cm層次桑樹林的土壤顆粒崩解指數(shù)是馬尾松林地的11倍。這與吳淑安等[16]研究認(rèn)為具有植物根系的土壤，其崩解速率遠(yuǎn)比少根系的土壤的觀點(diǎn)慢相符合。馬尾松林0—30 cm層次土壤顆粒崩解均小于1，表明馬尾松林對(duì)該層次土壤影響顯著。

圖4　桑樹林和馬尾松林崩解系數(shù)比較

兩種樣地土壤崩解指數(shù)在垂直層面上隨著土層深度的增加，崩解指數(shù)呈增大趨勢(shì)，與劉旦旦等[17]、周利軍等[18]的研究一致，說明隨著深度的增加，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性愈來愈弱，抗蝕性越來越弱。通過比較桑樹林與馬尾松林地各土層的土壤顆粒崩解指數(shù)發(fā)現(xiàn)：桑樹林地的土壤顆粒崩解指數(shù)顯著高于馬尾松林地，說明馬尾松林地土壤抗蝕性強(qiáng)于桑樹林地土壤。這與劉旦旦等[17]認(rèn)為林地能夠有效地增加土壤團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)等具有膠結(jié)作用的物質(zhì)，從而減少土壤的崩解量，有效地增強(qiáng)土壤的抗蝕性的觀點(diǎn)相一致。

3結(jié) 論

(1) 土壤抗蝕性強(qiáng)弱表現(xiàn)為：馬尾松林地>桑樹林地。表層(0—10 cm)土壤范圍內(nèi)，根長的排列順序?yàn)椋荷淞值?馬尾松林地。各樣地土壤抗蝕性在垂直層面上的變化呈較明顯的規(guī)律性，即隨著土層深度的增加，抗蝕性呈減小趨勢(shì)；兩種土地利用類型根系主要分布在0—30 cm層次內(nèi)，而且在<1 mm的根系長度由表層向深層遞減，土壤平均孔徑隨著深度的增加而減小，而土壤比表面積隨著深度的增加而增大。

(2) 在0—40 cm層次馬尾松對(duì)土壤孔徑影響顯著，各層次孔徑分布呈分層現(xiàn)象，而桑樹林地各層次土壤孔徑差異不大。土壤孔徑越大，土壤抗蝕性越強(qiáng)，土壤比表面積越大，土壤抗蝕性越小。

(3) 桑樹林土壤抗蝕性與土壤土壤根系質(zhì)量在0.01水平上顯著相關(guān)，馬尾松土壤平均孔徑與土壤根系質(zhì)量在0.05水平上顯著相關(guān)。

(4) 降雨時(shí)馬尾松林地坡面壤中流在下坡蓄滿流出地表帶出顆粒，導(dǎo)致馬尾松徑流場(chǎng)土壤和10—20 cm層次土壤大孔徑分布完全吻合，而桑樹林地人為翻種頻繁，導(dǎo)致土壤層次性質(zhì)相似，降雨時(shí)表層土壤顆粒流失嚴(yán)重。

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Relationship Between Soil Structure and Soil Anti-erodibility Under Two Forest Types in Shangshe Catchment

WU Huqiang, ZHANG Yakun, ZHANG Jinchi, ZHANG Shuifeng, SHAO Yongchang, ZHUANG Jiayao

(CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing,Jiangsu210037,China)

Abstract：[Objective] To understand the mechanism and characteristics of soil erosion, and the relationship between soil anti-erodibility and land use type.[Methods] Taking mulberry (Morus alba) garden and masson pines (Pinus massoniana) forest which are in Shangshe village, Yuexi County, Anhui Province as study objects. Collecting the soil at 0—40 cm level every 10 cm, measuring their porosity, specific surface area, disintegration index, root system characteristics.[Results] The soil anti-erodibility of masson pine forest was stronger than that of mulberry garden, and that in the range of 0—10 cm, mulberry soil root

Keywords:small watershed; soil anti-erodibility; soil pore size; specific surface area; roots quality

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)01-0009-05

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：莊家堯(1969—),男(漢族)，安徽省滁州市人,博士,副教授，主要從事森林水文學(xué)研究。E-mail:nlzjiayao@njfu.edu.cn。

收稿日期：2014-06-10修回日期：2014-07-09

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“安徽大別山區(qū)GIS支持下的土壤侵蝕模型研究”(31170663), “長三角水源區(qū)面源污染林業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究”(201104055-1)； 江蘇省林學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科資助項(xiàng)目； 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助

第一作者：吳胡強(qiáng)(1990—),男(漢族),安徽省安慶市人,碩士,研究方向?yàn)樗帘３?。E-mail:1048757625@qq.com。