南京老山國家森林公園4種林分類型土壤的抗侵蝕性能評(píng)價(jià)

徐 慧，管 蓓

（南京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210013）

南京老山國家森林公園4種林分類型土壤的抗侵蝕性能評(píng)價(jià)

徐 慧，管 蓓

（南京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210013）

2015年，以江蘇省南京老山國家森林公園的杜仲Eucommia ulmoides林，麻櫟Quercus acutissima林，毛竹Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens林’，黑松Pinus thunbergii林4種林分類型為研究對(duì)象，建立樣方對(duì)其不同層次土壤進(jìn)行測(cè)定。選取土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體特征、抗剪切強(qiáng)度等15個(gè)指標(biāo)來評(píng)估不同林分土壤的抗侵蝕性能。結(jié)果表明，相比其他3種林型，麻櫟林在諸多指標(biāo)上均表現(xiàn)最優(yōu)；基于主成分分析法對(duì)15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選，其中有機(jī)質(zhì)含量、內(nèi)摩擦角、粉粒含量、砂粒含量可以作為評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤抗侵蝕性能的最優(yōu)指標(biāo)；基于最優(yōu)指標(biāo)和加權(quán)平均法對(duì)各林分土壤抗侵蝕性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明麻櫟林表層土壤的抗侵蝕性能最強(qiáng)，其次為杜仲林，再次為黑松林，毛竹林最弱。

南京；老山；林分類型；土壤抗侵蝕性能；主成分分析

水土流失是全世界面臨的環(huán)境問題，也是威脅中國生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的重大隱患之一[1]。森林作為陸地最重要的生態(tài)系統(tǒng)，其繁茂的林冠層、茂密的林下灌草層、豐富的枯枝落葉層以及肥厚的土壤層有機(jī)耦合，在減輕削弱地表水力侵蝕過程中發(fā)揮著重要作用[2]。因此客觀評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕性能是全面評(píng)估森林保持水土功能的重要環(huán)節(jié)之一[3]。土壤抗侵蝕性能通常是指土體抵抗水體（如天然降水和地表徑流）擊濺、分散、懸浮和沖刷的綜合能力，其性能的高低除了與土壤理化性質(zhì)等內(nèi)在因素有關(guān)外，還受植被類型等外部因素的影響[4]。由于土壤抗侵蝕性能受諸多因素的影響，且空間差異性較大，因而探究不同區(qū)域不同土地利用方式下土壤的抗侵蝕性能已成為各地水土保持科研工作者的重要任務(wù)。

江蘇省南京老山國家森林公園是南京城市森林網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是該市名副其實(shí)的“綠肺”和“景觀陽臺(tái)”，成為重要的綠色生態(tài)屏障[5]。當(dāng)前，森林公園所在南京浦口區(qū)已正式成立國家級(jí)江北新區(qū)，將評(píng)估老山地區(qū)的森林生態(tài)服務(wù)功能，作為新區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃及建設(shè)保護(hù)的重要依據(jù)?，F(xiàn)有的研究多集中于南京老山國家森林公園的景觀格局和植物資源[5-7]，而森林水土保持功能的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。因此，探討了南京老山國家森林公園主要森林類型的土壤抗侵蝕性能，以期為合理評(píng)估森林生態(tài)效益及林相改造提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南京老山國家森林公園于1991年在南京市浦口區(qū)老山林場(chǎng)基礎(chǔ)上建立，橫貫浦口區(qū)境內(nèi)，素有“江北明珠”之美譽(yù)。該森林公園東起浦口高新區(qū)，南臨長(zhǎng)江，北枕滁河，西達(dá)安徽和縣，總面積80 km2。上世紀(jì)七十年代至今，老山林場(chǎng)營(yíng)造了大面積的針葉林和落葉闊葉林，森林覆蓋率高達(dá)80%，林區(qū)內(nèi)近80%的森林植被起源于人工林，少數(shù)為天然次生林[5]。林區(qū)以黃棕壤為主要土壤類型，氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.3℃，無霜期228 d，年降水量1 000 mm左右。

2 材料與方法

2.1 樣地的選擇

杜仲Eucommia ulmoides林，麻櫟Quercus acutissima林，毛竹Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens’林，黑松Pinus thunbergii林是老山地區(qū)最典型的4種人工林，其種植面積分別占林區(qū)面積的5%，33%，3%，22%。鑒于此，本研究以各林型中長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良的林分為研究對(duì)象，分別建立1個(gè)20 m×20 m的樣方進(jìn)行常規(guī)調(diào)查，各樣方基本情況見表1。

表1 4種林分概況Table 1 Information of sampled forest stand

2.2 土壤樣品采集及測(cè)試

本研究于2015年5月在各林分的樣方中以“品”字型挖掘3個(gè)土壤剖面，在每個(gè)剖面采集0 ～ 10 cm，＞10 ～ 20 cm，＞20 ～ 30 cm，＞30 ～ 40 cm的原狀土樣。依據(jù)土壤理化分析國家標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)刀法、比重計(jì)法、重鉻酸鉀氧化法、濕篩法等規(guī)范分別測(cè)定容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、黏粒含量、粉粒含量 、砂粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚度、分散率、＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、＞0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；采用靜水崩解法測(cè)定土壤水穩(wěn)性指數(shù)、采用原裝土槽（30 cm×10 cm×10 cm）沖刷法測(cè)定土壤沖刷指數(shù)，設(shè)計(jì)沖刷坡度為20°，沖刷流量為3.5L/min，以1，2，4，8，10 mi n為時(shí)間點(diǎn)收集沖刷水樣并烘干稱重；采用《土木試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123－1999）測(cè)定含水率為25%土樣的土壤粘聚力、內(nèi)摩擦角。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS19.0 中主成分分析模塊、相關(guān)分析模塊對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；采用多指標(biāo)加權(quán)平均法評(píng)估各林分土壤的綜合抗侵蝕性能，具體見公式（1）：

式中，F(xiàn)Z為土壤抗侵蝕性能綜合指數(shù)；Wi為各土壤因子的權(quán)重，反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性；F（Xi）為各土壤因子的隸屬度值，反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣，具體見公式（2）和（3）：

式中，Xij為第i項(xiàng)因子的樣品實(shí)測(cè)值；Ximax為第i項(xiàng)因子實(shí)測(cè)值中的最大值；Ximin為第i項(xiàng)因子實(shí)測(cè)值中的最小值[8]。公式（2）用于正效應(yīng)指標(biāo)的評(píng)分，公式（3）用于負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)比較

從土壤理化性質(zhì)以及土壤抵御水體剝離能力等方面構(gòu)建多指標(biāo)體系進(jìn)行相關(guān)測(cè)試分析是目前評(píng)估土壤抗侵蝕性能的主要手段。本研究15個(gè)土壤指標(biāo)的測(cè)定值見圖1。

土壤容重是土壤緊實(shí)度的反應(yīng)指標(biāo)，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤入滲速率和蓄水量越大。從圖1中可看出，以0 ～ 10 cm表層X1來看，麻櫟林（1.12 g·cm-3）＜杜仲林（1.21 g·cm-3）＜黑松林（1.37 g·cm-3）＜毛竹林（1.45 g·cm-3）。土壤有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤疏松性、通氣性和透水性，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤抗蝕性具有重要作用，已成為國內(nèi)外常用土壤抗侵蝕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[9]。以0 ～ 10 cm土壤X7來看，黑松林（27.77 g·kg-1）＜毛竹林（28.03 g·kg-1）＜杜仲林（30.94 g·kg-1）＜麻櫟林（35.62g·kg-1）。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是由有機(jī)質(zhì)膠結(jié)而成的良好團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，在浸水條件下不易解體并有較高的穩(wěn)定性，因此土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征也是描述土壤抗侵蝕性能的重要指標(biāo)。以X9，X10，X11的結(jié)果來看，表層土壤以麻櫟林最優(yōu)，其次為毛竹林，再次為杜仲林，黑松林最差。X12是通過測(cè)定土粒在靜水中發(fā)生分散、破碎、塌落等過程來衡量土壤抗水蝕性能的指標(biāo)[10-11]。就表層土壤而言，黑松林（57.11%）＜毛竹林（62.76 %）＜杜仲林（79.15%）＜麻櫟林（87.30%）。土壤抗剪強(qiáng)度最能體現(xiàn)水土流失過程中土壤抵抗徑流沖刷剪切能力的力學(xué)指標(biāo)[12]。從X14和X15來看，表層土壤以麻櫟林最優(yōu)，其次為黑松林，再次為杜仲林，毛竹林最差。

3.2 土壤指標(biāo)主成分分析

由圖1的分析可知，單一指標(biāo)的比較可以在一定程度上反映不同林分土壤抗侵蝕性能的相對(duì)差異?？傮w而言，麻櫟林在多項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)越，其他3種林分的表現(xiàn)則各有優(yōu)劣、較難區(qū)分。此外，15個(gè)指標(biāo)構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系難免繁冗復(fù)雜，部分指標(biāo)間的內(nèi)涵信息可能存在著線性重疊與關(guān)聯(lián)，不利于在典型區(qū)域推廣使用。因此，為了使用較少的指標(biāo)對(duì)土壤抗侵蝕性能精確評(píng)估，對(duì)各林分土壤不同層次所測(cè)定的15項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值進(jìn)行主成分分析（表2）。

由表2可知，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大（40.11%），加上第二和第三主成分的，其累積貢獻(xiàn)率超過85%，且這3個(gè)主成分的特征值均大于1，達(dá)到了主成分分析的要求。依據(jù)表3中不同指標(biāo)在各主成分上載荷值，第一主成分主要綜合了X3，X7，X13，X14和X15的變異信息。其中，X3，X7，X14和X15對(duì)第一主成分有正向效應(yīng)，其值越大，第一主成分值越大，則抗侵蝕性能越強(qiáng)。第二主成分中X1和X5的載荷較大，且荷載系數(shù)為負(fù)，說明其值越大，土壤抗侵蝕性能就越弱。第三主成分中X6的貢獻(xiàn)較大，且為負(fù)向關(guān)系，對(duì)土壤抗侵蝕性能有著負(fù)效應(yīng)。根據(jù)對(duì)主成分的貢獻(xiàn)率大小（以載荷系數(shù)的絕對(duì)值超過0.9為閾值），可以確定表征研究區(qū)域土壤抗侵蝕性能的最優(yōu)指標(biāo)分別為X7，X15，X5 和X6。其中X7和X15為正效應(yīng)指標(biāo)，X5和X6為負(fù)效應(yīng)指標(biāo)。

表 2 土壤抗蝕性能指標(biāo)的總方差分析結(jié)果Table 2 ANOVA on the indicators for soil anti-erosion

圖1 4種林分不同層次土壤抗侵蝕性能實(shí)測(cè)值Figure 1 Determination of indicators for soil anti-erosion of different layers in sampled stands

表3 土壤抗侵蝕性指標(biāo)主成分分析的因子載荷矩陣Table 3 Component matrix of principal component analysis for the indices of soil anti-erosion

3.3 土壤抗侵蝕性能評(píng)價(jià)

在篩選出研究區(qū)土壤抗侵蝕性能優(yōu)化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算簡(jiǎn)單快捷的加權(quán)平均法對(duì)不同林分不同層次土壤的抗侵蝕性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。各指標(biāo)的權(quán)重由相關(guān)系數(shù)法[13]確定，具體見表4。結(jié)合各林分X7，X15，X5和X6的實(shí)測(cè)值，依托加權(quán)平均法對(duì)不同層次土壤的抗侵蝕性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重系數(shù)Table 4 Correlation and weight coefficient of indicators

表5 各林分土壤抗侵蝕綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation of soil anti-erosion of sampled stands

從表5可知，各林分土壤抗侵蝕性能的綜合評(píng)分值均呈現(xiàn)出明顯的層次梯度，均隨著土壤深度的增加，呈減小的趨勢(shì)。以各林分表層FZ看，麻櫟林（0.967）最強(qiáng)，其次為杜仲林（0.831），再次為黑松林（0.707），毛竹林最弱（0.670）。麻櫟林作為高大型落葉闊葉林，其地表枯落物層更厚，枯落物的分解轉(zhuǎn)化更為活躍，對(duì)土壤的改良優(yōu)化效應(yīng)更為明顯，進(jìn)而使得其表層土壤的抗侵蝕性能優(yōu)于其他幾種森林類型。因此，在老山林區(qū)加強(qiáng)對(duì)麻櫟林的撫育更新有利于提高該區(qū)域森林的水土保持效益及生態(tài)服務(wù)功能。

4 結(jié)論

（1）本研究選取土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體特征、抗剪切強(qiáng)度等共計(jì)15個(gè)指標(biāo)來測(cè)定分析南京老山森林公園杜仲林，麻櫟林，毛竹林，黑松林的土壤的抗侵蝕性能。從單一指標(biāo)來看，麻櫟林土壤抗侵蝕性能優(yōu)于其他3種林型。

（2）以主成分分析法為依托，對(duì)原有土壤抗侵蝕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行降維精簡(jiǎn)，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤內(nèi)摩擦角、土壤粉粒含量、土壤砂粒含量對(duì)指標(biāo)總體信息貢獻(xiàn)較大，可以作為該地區(qū)土壤抗侵蝕性能評(píng)價(jià)的最優(yōu)指標(biāo)。

（3）基于四個(gè)最優(yōu)指標(biāo)，以多指標(biāo)加權(quán)平均法為評(píng)價(jià)載體，對(duì)研究區(qū)四種主要森林類型的土壤抗侵蝕性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明麻櫟林最強(qiáng)，其次為杜仲林，再次為黑松林，而毛竹林最弱。

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Evaluation on Soil Anti-erosion of Four Forest Types in Laoshan National Forest Park in Nanjing

XU Hui，GUAN Bei
（Nanjing Research Institute of Environmental Protection, Nanjing 210013, China）

Sample plots were established in Eucommia uloides, Quercus acutissima, Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens’ and Pinus thunbergii stands of Laoshan National Forest Park in Nanjing, Jiangsu province in 2015. Determinations were carried out on 15 soil indicators at different layers of the stands. Soil anti-erosion of different types of forest was evaluated by 15 measured indicators, such as bulk density, organic matter content, aggregate properties, etc. The results demonstrated that Q. acutissima forest had better performance than the other three forests. Principal component analysis on 15 indicators indicated that organic matter content, internal friction angle, fines content and sand content could be selected for evaluation indicators for soil anti-erosion. Comprehensive evaluation on soil anti-erosion of sampled stands by selected indicators and method of weighted mean resulted that the surface soil anti-erosion at Q. acutissima forest was the best, followed by E. uloides, P. thunbergii and Ph. heterocycla ‘Pubescens’.

Nanjing; Laoshan; forest type; soil anti-erosion property; principal component analysis

S759.91；S714

：A

：1001-3776（2017）03-0017-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.003

2016-12-17；

2017-03-22

南京市重金屬污染現(xiàn)狀及防治對(duì)策研究（201104）

徐慧，碩士，工程師，從事環(huán)境生態(tài)、氣象生態(tài)研究；E-mail：xuhuisafe@sina.com。