銀杏林下植物配置對林分水土保持效果的影響

黎　舒, 蘭思仁, 鄭巧巧, 王　哲, 陳世品, 曹光球

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

福建省長汀縣是我國紅壤區(qū)水土流失較為嚴(yán)重的縣份，水土流失面積達(dá)975.154 km2，危害嚴(yán)重[1,2].長期以來，由于當(dāng)?shù)厣种脖黄茐膰?yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣，因此，如何恢復(fù)森林植被、提高森林的水土保持功能成為目前亟需解決的技術(shù)難題.與其它水土流失治理方式相比，植物治理措施投資少、見效快.研究[3-5]表明，禾本科草本植物種類復(fù)雜多樣，適應(yīng)性廣，能夠在較短的時間內(nèi)形成大面積地被覆蓋，可有效地保持水土，涵養(yǎng)水源.林下配置植被均能不同程度地減輕水土流失，改善土壤理化性狀，由此，它成為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在改良土壤性質(zhì)、促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、保持水土、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、增加森林小氣候等方面具有獨特的功能和作用[6,7].

銀杏(Ginkgobiloba)，又名白果，素有“活化石”之稱，其葉、果、根皮均具有藥用價值[8].桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)耐干旱、貧瘠，在肥厚疏松的酸性山地紅壤及光照充足的環(huán)境生長最為茂盛，是我國華南區(qū)域荒山綠化、水土保持和涵養(yǎng)水源的優(yōu)良樹種[9,10].臺灣黃花菜(Hemerocalliscitrina)是百合科萱草屬多年生宿根草本植物，種植、管理簡單，耐瘠薄，少病蟲害，是食、藥用和觀賞集一身的經(jīng)濟(jì)作物[11,12].本文通過對銀杏林下不同植物配置模式的水土保持效果進(jìn)行定量評價，篩選出可有效降低土壤養(yǎng)分，減少泥沙、徑流的流失，并改良土壤的優(yōu)良配置模式，以期為銀杏林的生態(tài)化經(jīng)營提供技術(shù)指導(dǎo).

1　試驗地概況

研究區(qū)位于福建省龍巖市長汀縣策武鎮(zhèn)，北緯25°18′—26°02′，東經(jīng)116°00′—116°39′.該地屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降雨集中.地貌以低山和丘陵為主，海拔300～500 m，年平均氣溫17～19 ℃,年平均降雨量1 700 mm，且分布不均勻，5、6、7和8月是降水集中的月份，占全年降水總量的55.6%[13-15].該區(qū)土壤主要為粗晶花崗巖風(fēng)化發(fā)育而成的山地紅壤，表層土質(zhì)疏松且較薄，抗侵蝕性差，地上植被被破壞后，土壤持水性差，在一些土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域母質(zhì)層和基巖層已露出，極易發(fā)生水土流失.選擇福建省長汀縣策武鎮(zhèn)南坑村18年生銀杏園作為試驗地(表1)，選擇臺灣黃花菜、桃金娘這兩種植物作為林下阻控帶栽植植物.

表1　試驗地基本概況1)Table 1　Basic survey of test ground

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤.

2　方法

2.1　植物阻控帶設(shè)置

針對銀杏園立地條件的差異，選擇臺灣黃花菜和桃金娘作為阻控植物，以林下無阻控植物作為對照，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，在保證臺面面積統(tǒng)一的前提下，在銀杏林下選擇3個徑流小區(qū)設(shè)置為1.2 m×5 m的試驗區(qū)，周圍用水泥板砌墻.在每個徑流小區(qū)坡底部設(shè)置2個1 m×0.5 m×2 m的徑流池，用于收集徑流.2個徑流池由通水管相連，池子底部安裝排水閥門，每月測定徑流量和泥沙流失量后，開閘放水，并清洗徑流池.

兩種植物阻控帶栽種于2015年12月，3個徑流小區(qū)坡向相同，坡度相同，撫育管理措施一致.試驗地A:銀杏林單種模式，作為空白對照.試驗地B:銀杏+臺灣黃花菜阻控帶，在徑流小區(qū)內(nèi)由坡高處向坡低處栽種，行距50 cm.試驗地C:銀杏+桃金娘阻控帶，在徑流小區(qū)內(nèi)由坡高處向坡低處栽種，行距50 cm.在栽種林下阻控植物之前，清除雜草，翻耕林地.阻控植物距離試驗樹種根部20 cm左右，栽種密度以各植物生長之后能覆蓋地表為宜，試驗期間采用正常的撫育管理措施.

2.2　土壤養(yǎng)分測定

2016年1—12月，在不同小區(qū)，按“S”型布點，去除地表凋落物層，按照隨機(jī)、等量、多點混合的原則，分別采集5個點的表層(0～20 cm)土樣將其混合，然后采用四分法分取樣品帶回實驗室.各小區(qū)采集3個樣品，進(jìn)行重復(fù)試驗，用土鏟和土鉆分別采集0～20 cm和20～40 cm的土壤樣品，裝于標(biāo)記好的自封袋低溫冷藏，備用.去除細(xì)根、雜物后待土樣自然風(fēng)干，用研磨儀粉碎過0.149 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測定[16,17].速效鉀養(yǎng)分測定采用乙酸銨浸提—火焰光度法；水解性氮養(yǎng)分測定采用堿解—擴(kuò)散法；速效磷測定采用氟化銨—鹽酸浸提法；全碳和全氮含量采用碳氮元素分析儀測定；利用攪拌徑流池水樣測定泥沙、徑流的流失量；土壤含水率采用烘干法測定.

2.3　數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2003軟件處理原始數(shù)據(jù)，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析[18-22]，處理間差異顯著性分析采用Duncan檢驗法和主成分分析法.

3　結(jié)果與分析

3.1　泥沙和徑流的流失量對比

從圖1、2可知：試驗地A、B、C的泥沙流失量和徑流流失量表現(xiàn)為試驗地A>試驗地B>試驗地C；試驗地A、B、C在6、7、8月的泥沙流失量和徑流流失量均高于其它月份，原因是該地區(qū)6—8月份降雨量較大，對土壤侵蝕程度加重.與試驗地A相比，試驗地B在4月份泥沙流失量下降了94.68%，2月份徑流流失量下降了67.74%；平均12個月泥沙流失量下降了22.30%，徑流流失量下降了26.27%.與試驗地A相比，試驗地C在3月份泥沙流失量下降了173.01%，1月份徑流流失量下降了158.17%；平均12個月泥沙流失量降低了53.95%，徑流流失量降低了54.57%.與試驗地B相比，試驗地C在1月份泥沙流失量下降了66.89%，徑流流失量降低了62.58%.結(jié)果表明，銀杏林下栽植臺灣黃花菜和桃金娘可有效減少泥沙流失和徑流流失.在林下栽植花卉，增加環(huán)境小氣候，提高郁閉度，減緩了雨水對土壤的直接沖刷，加速水分下滲，能夠有效減少土壤侵蝕，土壤泥沙流失較為輕微；植物根系分布淺，可有效固結(jié)土壤，涵養(yǎng)水源，減少泥沙流失，提高了土體的穩(wěn)定性和緩沖能力，有利于水土保持.

圖1　泥沙流失量對比Fig.1　Contrast of sediment loss

圖2　徑流流失量對比Fig.2　Contrast of runoff loss

3.2　土壤性狀分析

從表2～5可知，在3、6、9、12月份，試驗地A、B、C在0～20 cm土層土壤水解性氮、速效磷、速效鉀、全碳、全氮含量均高于20～40 cm土層土壤，3、6、12月份試驗地A、B、C在20～40 cm土層的土壤含水率稍高于0～20 cm土層土壤.4個月的試驗結(jié)果顯示，在0～20 cm土層土壤和20～40 cm土層土壤中，試驗地A土壤的總體性狀均低于試驗地B、C，說明林下種植臺灣黃花菜和桃金娘后，土壤養(yǎng)分含量流失減少，表明林下套種有利于水土流失的治理.

從表5可知：12月份林下種植花卉1 a后，不同植物造林模式減緩?fù)寥懒魇Р顒e較大；0～20 cm土層，試驗地B、C土壤速效養(yǎng)分含量和含水率，及全碳、全氮含量均高于試驗地A.表明林下套種植物能有效減少氮磷鉀養(yǎng)分的流失，保持土壤肥力.試驗地B相比于試驗地A，水解性氮含量提高了47.76%，速效磷含量提高了3.33%，速效鉀含量提高了27.02%，含水率提高了28.11%，全碳含量提高了10.08%，全氮含量提高了64.63%.與試驗地A相比，試驗地C水解性氮含量提高了36.28%，速效磷含量提高了42.33%，速效鉀含量提高了38.30%，含水率提高了37.51%，全碳含量提高了12.57%，全氮含量提高了57.01%.與試驗地C相比，試驗地B水解性氮含量提高了8.43%，速效磷含量下降了27.41%，速效鉀含量提高了8.15%，含水率下降了6.84%，全碳全氮含量略有變化.

表2　3月份不同植物阻控帶土壤養(yǎng)分含量及含水率1)Table 2　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in March

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤.

表3　6月份不同植物阻控帶土壤養(yǎng)分、含水率特征1)Table 3　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in June

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤.

表4　9月份不同植物阻控帶土壤養(yǎng)分、含水率特征1)Table 4　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in September

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤.

表5　12月份不同植物阻控帶土壤養(yǎng)分、含水率特征1)Table 5　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in December

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤.

20～40 cm土層中，試驗地B、C土壤水解性氮、速效磷含量和含水率、全碳、全氮含量均高于試驗地A，表明林下套種植物能有效減少氮磷養(yǎng)分的流失，保持土壤肥力.試驗地B相比于試驗地A，水解性氮含量提高了56.69%，速效磷含量提高了20.49%，速效鉀含量下降了6.61%，含水率提高了50.80%，表明林下套種植物起到保持水土的作用；全碳含量提高了25.26%，全氮含量提高了52.44%，總體均高于試驗地A.與試驗地A相比，試驗地C水解性氮含量提高了66.40%，速效磷含量提高了9.61%，速效鉀含量提高了11.38%，含水率提高了57.14%，全碳含量提高了38.53%，全氮含量提高了62.67%，養(yǎng)分含量和含水率有明顯的上升趨勢.與試驗地C相比，試驗地B水解性氮含量下降了5.83%，速效磷含量提高了9.92%，速效鉀含量下降了15.80%，含水率下降了4.04%，全碳、全氮含量略有變化.由此可知，在林下套種臺灣黃花菜和桃金娘后，不同土層土壤的速效養(yǎng)分含量、含水率均比無套種植物高，說明林下種植能有效保持土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力.

綜合比較12月份試驗地A、B、C的養(yǎng)分含量和含水率，3塊試驗地的0～20 cm土層土壤水解性氮、速效磷、速效鉀、全碳、全氮含量均高于20～40 cm土層土壤，原因是銀杏、臺灣黃花菜、桃金娘和禾本科植物的枯枝落葉等凋落物在0～20 cm土層堆積腐爛，在沒有完全進(jìn)入土壤時，表層土壤的養(yǎng)分含量高于其他土層，產(chǎn)生養(yǎng)分富集的現(xiàn)象.20～40 cm土層含水率高于0～20 cm土層.在0～20 cm土層土壤和20～40 cm土層土壤中，試驗地A的養(yǎng)分含量和含水率低于試驗地B、C，表明林下種植臺灣黃花菜和桃金娘有利于水土流失的治理.試驗地B的水解性氮含量在0～20 cm土層中較高，試驗地C的水解性氮含量在20～40 cm土層中較高，說明兩種植物對降低水解性氮養(yǎng)分的流失起到一定作用.試驗地C的速效磷含量在0～20 cm土層中較高，試驗地B的速效磷含量在20～40 cm土層中略高，說明兩種植物對減少水解性氮養(yǎng)分流失起到一定作用.速效鉀含量在0～40 cm土層土壤中表現(xiàn)為試驗地C>試驗地B>試驗地A，說明栽植桃金娘能有效減少速效鉀養(yǎng)分的流失.含水率在0～40 cm土層土壤中表現(xiàn)為試驗地C>試驗地B>試驗地A，說明桃金娘持水功能較好.全碳含量在0～40 cm土層土壤中表現(xiàn)為試驗地C>試驗地B>試驗地A，說明栽植桃金娘能有效保持全碳含量.全氮含量在0～20 cm土層土壤中以試驗地B較高，在20～40 cm土層土壤中以試驗地C略高，說明栽植兩種植物對保持全氮含量能起到一定作用.綜上所述，桃金娘試驗地的養(yǎng)分元素含量和含水率比臺灣黃花菜和空白對照試驗地高，對中輕度水土流失區(qū)的水土保持作用更好.

3.3　土壤相關(guān)性分析

從表6～8可知，0～20 cm土層的6個指標(biāo)中水解性氮、速效磷、速效鉀的含量差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，含水率差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，全碳含量差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，全氮含量差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).20～40 cm土層的6個指標(biāo)中水解性氮、速效鉀含量及含水率差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，速效磷含量差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，全碳含量差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，全氮含量差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).

表6　土壤單因素方差分析Table 6　Variance analysis of soil single factor

表7　0～20 cm土層土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析1)Table 7　Correlation analysis of nutrients in 0-20 cm soil layer

1)**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)；*表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05).

表8　20～40 cm土層土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析1)Table 8　Correlation analysis of nutrients in 20-40 cm soil layer

1)**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)；*表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05).

3.4　主成分分析

根據(jù)20～40 cm土層土壤水解性氮、速效磷、速效鉀含量、含水率、全碳、全氮含量6個指標(biāo)建立評價體系，選取12月份的3個試驗地為研究對象分別進(jìn)行研究.對各植被水土保持功能指標(biāo)進(jìn)行計算和比較，得出各植被水土保持功能的綜合值.主成分分析法是按照方差貢獻(xiàn)率大于85%的原則選取主成分個數(shù).從表9可知，20～40 cm土層土壤成分1、2的貢獻(xiàn)率是86.33%(>85%)，并以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)計算綜合主成分得分，對養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)的定量化評價值.由于影響?zhàn)B分含量水平的因素比較多，本文采用主成分法對各含量進(jìn)行評價，利用主成分分析法計算的權(quán)重與各項指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行累乘，進(jìn)而相加，計算出指標(biāo)的綜合評價指數(shù).對成分矩陣進(jìn)行因子分析，表10中選取2個主因子，相應(yīng)地劃分為2個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)中包括6個指標(biāo).通過比較20～40 cm土層土壤水解性氮、速效磷、速效鉀含量及含水率，全碳、全氮含量6個指標(biāo)，由表11可知，試驗地C的綜合水平較高，各種元素含量和含水率均較高.因此，可將桃金娘作為水土保持的首選植物.

表9　方差分析主成分提取Table 9　Principal component extraction table for the analysis of variance

表10　主成分值的方差分析Table 10　Variance analysis of principal component values

表11　綜合主成分值Table 11　Synthetic principal scores

4　討論

本研究結(jié)果表明：在銀杏林下栽植臺灣黃花菜、桃金娘均能提高土壤養(yǎng)分含量、含水率，減少泥沙流失量和徑流流失量；通過分析對比可知，桃金娘保持水土的作用最好，可將其作為中輕度水土流失區(qū)集成示范的首選植物.臺灣黃花菜和桃金娘的適應(yīng)性廣，生長迅速，莖葉繁茂，覆蓋效果好，莖葉吸水率高，可有效減輕雨水對地表的濺蝕作用；根系分布淺，可有效固結(jié)土壤，其枯枝落葉和老化的根系腐爛后可有效改善土壤的物理性狀，增加土壤孔隙度，提高滲透速率，從而提高土壤的蓄水保水能力，有效保持水土.本試驗研究結(jié)果同王齊瑞等[23]、謝云等[24]的研究結(jié)果基本一致.通過套種可提高土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分含量和增加土壤孔隙度，改良土壤理化性質(zhì).表明經(jīng)濟(jì)林下栽種水土保持植物，能夠充分利用自然空間資源，使退化的生態(tài)系統(tǒng)得到較好的恢復(fù).

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