人為踐踏對南京紫金山天然次生林土壤滲透性的影響

董一橋，劉倩倩，彭孝楠，翁澤宇，劉 鑫，徐海兵，戴康龍，董麗娜，張金池*

(1.南京林業(yè)大學(xué),南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037；2.南京中山陵園管理局，江蘇 南京 210014)

土壤是自然界的組成部分，其既是植物生長發(fā)育所需養(yǎng)分、水分的載體，也是反映土壤環(huán)境和水文狀況的重要指標(biāo)，而土壤作為被人為踐踏所影響的最主要環(huán)境因子，土壤環(huán)境的穩(wěn)定對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用[1-4]。

人為踐踏首先使得土壤結(jié)構(gòu)變得更加緊密結(jié)實(shí)[5]，減少了土壤的毛細(xì)孔空間，使得土壤的各孔隙度都降低[6]，導(dǎo)致土壤的通氣性變差，改變了土壤涵養(yǎng)水源的能力[7]，影響土壤滲透性[8]；由于水分的滲入能力降低，土壤表面徑流增加，從而導(dǎo)致土壤侵蝕增加，土壤環(huán)境遭到破壞，地被植物生長受到嚴(yán)重影響，不利于生態(tài)環(huán)境的良好發(fā)展[9-11]。目前國內(nèi)外學(xué)者在踐踏對土壤各種性質(zhì)的影響研究中已取得了一些成果，如高強(qiáng)度人為踐踏使得土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀及速效養(yǎng)分的含量降低[12-14]，一定程度人為踐踏會(huì)使得土壤中常見的酶活性降低[15-17]，而在人為踐踏對土壤涵養(yǎng)水源以及土壤滲透性方面的影響研究較少，部分學(xué)者只是對人為踐踏對土壤滲透的影響做過初步研究[5]，不同強(qiáng)度的人為踐踏對土壤滲透能力的影響情況鮮見報(bào)道。

南京紫金山國家森林公園是中國第一個(gè)城市國家森林公園，每年一次性進(jìn)山游客總量超過600萬人次。本研究以南京紫金山國家森林公園為研究對象，根據(jù)國家質(zhì)檢總局頒布的《天然草地退化、沙化鹽漬化的分級指標(biāo)》國家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)學(xué)者對退化草地分級標(biāo)準(zhǔn)的研究結(jié)果[18]，依據(jù)人為踐踏所造成的植被覆蓋率對紫金山森林公園中兩塊海拔不同的次生林樣地進(jìn)行研究，探討不同人為踐踏強(qiáng)度對土壤涵養(yǎng)水源功能及土壤滲透性等指標(biāo)的影響，以期為紫金山國家森林公園的生態(tài)旅游管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紫金山國家森林公園位于江蘇省南京市玄武區(qū)(118°48′24″～118°53′04″E，32°01′57″～32°16′15″N)，總面積為 2 970 hm2，其中森林面積為 2 107.6 hm2，郁閉度達(dá) 0.75～0.80。主峰最高海拔為 448.9 m[19]。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，降水充足，季節(jié)性變化明顯。年平均氣溫 15.4 ℃，年平均相對濕度 76%，年平均日照時(shí)長 2 213 h，無霜期 237 d。土壤主要為黃棕壤，成土母質(zhì)為砂巖坡積物[20]，土壤主要呈微酸性，且土質(zhì)較為黏重[21]。紫金山林型為常綠針闊葉林與落葉闊葉林，植物資源豐富，以麻櫟(Quercusacutissima)、樸樹(Celtissinensis)、石楠(Photiniaserratifolia)、雪松(Cedrusdeodara)和杉木(Cunninghamialanceolata)等喬木為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

參照GB 19377—2003《天然草地退化、沙化鹽漬化的分級指標(biāo)》，依據(jù)人為踐踏所造成的植被覆蓋率減少后的相對百分?jǐn)?shù)(CR)，設(shè)置無踐踏(CK，CR≥90%)、輕度踐踏(LT，70%≤CR<90%)、中度踐踏(MT，50%≤CR<70%)、中重度踐踏(MST，30%≤CR<50%)、重度踐踏(ST，10%≤CR<30%)、極度踐踏(ET，0%≤CR<10%)等6種處理。

在南京紫金山國家森林公園內(nèi)的頭陀嶺和蔣王廟兩個(gè)主要天然次生林區(qū)域設(shè)置兩塊試驗(yàn)區(qū)，頭陀嶺試驗(yàn)區(qū)海拔為300～450 m，蔣王廟試驗(yàn)區(qū)海拔為0～150 m，共選取10條寬度約為2 m的人為踐踏小徑，每條小徑上設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的小樣方用于植被覆蓋度調(diào)查。選取的10條小徑共分為5個(gè)踐踏強(qiáng)度，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各設(shè)一處1 m×1 m未受人為踐踏小樣方作為對照，試驗(yàn)區(qū)樣點(diǎn)分布如圖1所示，各樣點(diǎn)的基本情況見表1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)位圖

表1 不同踐踏強(qiáng)度各樣點(diǎn)基本情況

在每個(gè)樣方中對0～10 cm表層土進(jìn)行5點(diǎn)取樣，在每個(gè)樣方的四角以及樣方的中心位置取樣，每個(gè)樣點(diǎn)用2個(gè)體積為100 cm3的環(huán)刀采集土壤樣品，一個(gè)用來測量土壤容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)，另一個(gè)用來測量土壤滲透性等指標(biāo)。取樣時(shí)先將選取樣點(diǎn)處雜物清理干凈，然后用環(huán)刀進(jìn)行土壤樣品采集，采集后的環(huán)刀外層用保鮮膜封好，防止水分蒸發(fā)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確；封好后帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行樣品處理與實(shí)驗(yàn)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

參考《森林土壤分析方法》[22]進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定與計(jì)算：土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量、毛管持水量和田間持水量均采用環(huán)刀法測定；土壤初始滲透速率、穩(wěn)定滲透速率、平均滲透速率與滲透總量均采用雙環(huán)刀法測定。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間(取入滲過程前2 min計(jì)算初滲率)；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率；平均入滲率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間。

因所有土樣滲透速率均在 60 min 前達(dá)到穩(wěn)定，因此滲透總量統(tǒng)一取前 60 min 內(nèi)的滲透量。

采用 Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對不同踩踏強(qiáng)度下土壤的容重與各孔隙度指標(biāo)、各持水量指標(biāo)以及各滲透指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One way ANOVA)，采用最小二乘法(LSD)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，顯著性水平為P<0.05，并建立結(jié)構(gòu)平衡方程模型進(jìn)行分析。所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均用SPSS 26.0、AMOS 26.0 軟件完成，圖片均用Origin 2017 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 踐踏強(qiáng)度對土壤涵養(yǎng)水源功能的影響

2.1.1 土壤容重和孔隙狀況

不同踐踏強(qiáng)度對土壤容重、孔隙度與水分狀況的影響見表2，兩塊試驗(yàn)區(qū)中土壤容重都隨著踐踏強(qiáng)度的增強(qiáng)而逐漸變大，無踐踏區(qū)域容重顯著低于各級踐踏區(qū)域(P<0.05)，且重度和極度踐踏區(qū)域容重顯著高于輕度和中度踐踏區(qū)域(P<0.05)。此外，隨著踐踏強(qiáng)度增強(qiáng)，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，極度踐踏區(qū)域土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均顯著低于無踐踏區(qū)域(P<0.05)。對比兩處試驗(yàn)區(qū)可以看出，低海拔的蔣王廟樣地土壤容重受踐踏影響的變化比高海拔的頭陀嶺樣地更加明顯。

2.1.2 土壤水分狀況

總體來看，隨著踐踏程度的增強(qiáng)，各含水量均呈現(xiàn)降低的變化趨勢(表2)，兩塊試驗(yàn)區(qū)中無踐踏區(qū)域土壤飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均顯著高于中度踐踏強(qiáng)度以上的區(qū)域(P<0.05)。

表2 踐踏強(qiáng)度對土壤容重、孔隙度與水分狀況的影響

2.2 踐踏強(qiáng)度對土壤入滲過程的影響

兩處試驗(yàn)區(qū)中各踐踏強(qiáng)度下土壤滲透速率均在前10 min內(nèi)降幅最大，10 min后入滲速率緩慢下降，在40 min以后相差不大，達(dá)到穩(wěn)滲速率(圖2)。對比無踐踏條件下滲透過程曲線，人為踐踏條件下土壤的滲透能力下降顯著(P<0.05)，輕度踐踏條件下的初滲率比無踐踏條件下降40%以上。兩試驗(yàn)區(qū)不同的是在蔣王廟輕度踐踏、中度踐踏與中重度踐踏間滲透能力相差不大，大致在一個(gè)比較接近的范圍；而在頭陀嶺中度踐踏比輕度踐踏條件下滲透能力下降顯著(P<0.05)。兩樣地中重度踐踏與極度踐踏下相比無踐踏區(qū)域滲透能力下降更為明顯。

圖2 不同踐踏強(qiáng)度下土壤滲透過程曲線

2.3 踐踏強(qiáng)度對土壤入滲指標(biāo)的影響

不同人為踐踏強(qiáng)度土壤滲透性變化規(guī)律幾乎相同，隨著人為踐踏程度的增強(qiáng)，土壤滲透總量、初滲率、平均入滲率、穩(wěn)滲率4個(gè)指標(biāo)均呈遞減趨勢(圖3)。由圖3還可以得出輕度踐踏、中度踐踏、中重度踐踏3種踐踏強(qiáng)度下各滲透指標(biāo)隨踐踏強(qiáng)度增加呈降低趨勢但并不顯著(P>0.05)，重度踐踏和極度踐踏兩種踐踏強(qiáng)度下各滲透指標(biāo)呈降低趨勢但并不顯著(P>0.05)。4個(gè)指標(biāo)中重度踐踏和極度踐踏與其他踐踏強(qiáng)度的土壤均差異顯著(P<0.05)，頭陀嶺試驗(yàn)區(qū)中ET與CK相比土壤初滲率降低72.5%，穩(wěn)滲率降低81.6%，平均入滲率降低82.2%，滲透總量降低87.5%；蔣王廟試驗(yàn)區(qū)中ET與CK相比土壤初滲率降低78.5%，穩(wěn)滲率降低87.6%，平均入滲率降低88.2%，滲透總量降低89.5%；可以看出低海拔的蔣王廟試驗(yàn)區(qū)土壤滲透能力受踐踏的影響更加明顯。

圖3 不同踐踏強(qiáng)度對土壤滲透速率及滲透總量的影響

2.4 土壤滲透性影響因子的SEM分析

使用 AMOS 26.0建立結(jié)構(gòu)平衡方程模型(SEM)，不同評價(jià)指標(biāo)因子對土壤滲透性影響的SEM分析見圖4。圖4中每一個(gè)矩形代表一個(gè)測定指標(biāo)，通過對各模型參數(shù)進(jìn)行篩選，得出人為踐踏對土壤滲透性影響的結(jié)構(gòu)平衡方程模型，可更直觀地表現(xiàn)出各指標(biāo)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。卡方檢驗(yàn)P值為0.293(>0.050)，近似誤差均方根(RESEA)值為0.072(<0.08)，擬合優(yōu)度指數(shù)(GFI)值為0.958(>0.95)，模型各參數(shù)均符合要求。

直線箭頭上數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)路徑系數(shù)，直線箭頭的粗細(xì)表示影響的強(qiáng)弱。Numbers on arrows are standardized path coefficients.The width of arrows indicates the strength of the causal influence.**.P<0.01.

結(jié)構(gòu)方程中各因子與土壤滲透性之間相關(guān)性見表3，土壤滲透能力主要是由踐踏強(qiáng)度、土壤容重、總孔隙度直接影響，其中土壤容重僅通過直接效應(yīng)影響土壤滲透能力；此外，踐踏強(qiáng)度通過影響土壤容重和總孔隙度間接影響土壤的滲透能力，其中，踐踏強(qiáng)度、總孔隙度對土壤滲透能力的綜合影響系數(shù)最大，分別為-0.823和0.466。

表3 結(jié)構(gòu)方程中各因子與土壤滲透性之間的相關(guān)性

3 討 論

土壤滲透是由多個(gè)因子共同作用后的結(jié)果，相關(guān)學(xué)者研究表明土壤的質(zhì)地、植被細(xì)根以及土壤孔隙等都會(huì)顯著影響土壤滲透能力[23-25]，表層土壤則是土壤滲透過程的重要介質(zhì)[5]，因此本研究對紫金山森林公園0～10 cm的表層土進(jìn)行了取樣與實(shí)驗(yàn)，用以探究人為踐踏對表層土壤滲透能力的影響。

土壤容重指自然狀態(tài)下單位體積內(nèi)干土的質(zhì)量，也稱作干密度[26]。已有研究表明土壤容重小，則土壤較為疏松，通透性好，肥力高；土壤容重大，則土體緊密，結(jié)構(gòu)性和通透性差[27]。土壤孔隙度是反映土壤持水能力與通透性的重要指標(biāo)[28]。土壤質(zhì)量含水量、飽和含水量以及毛管含水量的高低可以反映出土壤的保水與供水能力的強(qiáng)弱，含水量的不同可以影響凋落物分解速率以及土壤鹽基養(yǎng)分淋溶程度[29]，因此，高含水量的土壤有利于土壤養(yǎng)分積累，更適宜植物生長發(fā)育。

通過研究不同人為踐踏強(qiáng)度下的土壤各指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)人為踐踏導(dǎo)致土壤容重增加、土壤總孔隙度降低，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度的人為踐踏會(huì)使得土壤壓縮變得緊實(shí)，從而導(dǎo)致土壤的容重變大、孔隙度變小[1]，而未受人為踐踏的區(qū)域由于植被覆蓋度高，常年有大量枯落物分解，使得無踐踏區(qū)域的土壤變得松散，從而導(dǎo)致土壤的容重較小，孔隙度較大[12]，這與大部分學(xué)者的研究結(jié)果大致相同[5-6]。由于人為踐踏的原因?qū)е轮参锎罅克劳?，土壤中根系生物量降低，同時(shí)土壤中的微生物群落與多樣性降低[30-32]，使得人為踐踏區(qū)域中的土壤由于失去了根系的互穿和交織作用，導(dǎo)致土壤中孔隙度降低[33]，因此土壤通氣性降低，土壤的滲透能力也隨之下降。

土壤入滲是水分滲入土壤的過程，是土壤水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[34]；地表水分及時(shí)通過土壤入滲到地下可以使土壤及時(shí)保存水分，涵養(yǎng)水源，有利于減小因徑流產(chǎn)生而導(dǎo)致的土壤侵蝕，由土壤保持的水分可以被植物吸收利用，有利于植物生長發(fā)育，對生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展有著重要作用。不同人為踐踏條件下土壤的滲透性存在一定的差異，各樣地中3個(gè)反映水分入滲特征值之間的關(guān)系表現(xiàn)為：初始滲透速率>平均滲透速率>穩(wěn)定滲透速率；各項(xiàng)參數(shù)都是隨著人為踐踏強(qiáng)度的增加而減小，這與大部分相關(guān)研究結(jié)果基本一致[6,35]；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，輕度踐踏與中度踐踏條件之間土壤滲透能力差異并不顯著，重度踐踏、極度踐踏兩種條件之間土壤滲透能力差異也不顯著，這可能是由于土壤滲透能力的改變與踐踏強(qiáng)度之間會(huì)有一個(gè)臨界值，踐踏強(qiáng)度到達(dá)某個(gè)臨界值時(shí)，土壤中的某些因子會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，從而導(dǎo)致土壤滲透能力也會(huì)明顯變化。

通過使用 AMOS 26.0建立結(jié)構(gòu)平衡方程模型(SEM)進(jìn)行分析，結(jié)果表明人為踐踏除了直接影響土壤的滲透能力，還可以通過影響土壤容重間接影響土壤的滲透能力，踐踏強(qiáng)度、土壤總孔隙度對土壤滲透能力的綜合影響系數(shù)較大，分別為-0.823和0.466。因此，分析研究土壤滲透能力不可局限于某一影響因子，還應(yīng)進(jìn)行更全面地分析研究。

土壤滲透涵養(yǎng)水源是一個(gè)深入的過程，水源通過表層土壤滲透貯存在深層土壤中[36]，為了更深入地了解人為踐踏對土壤入滲的影響，建議繼續(xù)研究深層的土層滲透變化。人為踐踏會(huì)對土壤一系列環(huán)境造成影響，如：踐踏可以減少森林土壤中的酶活性，改變土壤養(yǎng)分的組成[37]；踐踏可以降低土壤中微生物活性[38]，導(dǎo)致土壤中的微生物群落與多樣性降低[31]；踐踏使得植物多樣性與豐富度降低[39-40]；踐踏會(huì)導(dǎo)致土壤動(dòng)物活性降低與總?cè)簻p少[41]。這些都是可能造成土壤滲透性變差的原因。

4 結(jié) 論

1)土壤容重會(huì)隨著人為踐踏強(qiáng)度的增加而增加，總孔隙度會(huì)隨著人為踐踏強(qiáng)度的增加而減少，毛管孔隙度與非毛管孔隙度都變化明顯，研究結(jié)果表明人為踐踏可以降低土壤的毛管孔隙度與非毛管孔隙度。對土壤的飽和含水量、毛管持水量以及田間持水量研究表明，高強(qiáng)度的人為踐踏會(huì)降低土壤的各含水量指標(biāo)，降低土壤的持水能力，且低海拔處土壤容重受踐踏影響比高海拔處更為明顯。

2)不同強(qiáng)度人為踐踏對土壤滲透性有不同影響，對土壤的滲透過程、初滲率、穩(wěn)滲率、平均入滲率以及滲透總量等指標(biāo)研究表明，人為踐踏條件下的土壤滲透能力會(huì)顯著降低(P<0.05)。兩處試驗(yàn)區(qū)域輕度踐踏條件下的初滲率都比無踐踏條件下降35%以上，由此可以得出人為踐踏對于土壤滲透性的影響是顯著的(P<0.05)，且低海拔處土壤滲透能力受踐踏影響比高海拔處更為明顯。

3)結(jié)構(gòu)平衡方程模型分析表明，土壤滲透能力主要是由踐踏強(qiáng)度和土壤總孔隙度直接影響；此外，踐踏強(qiáng)度還通過影響土壤容重間接影響土壤的滲透能力。其中，踐踏強(qiáng)度對土壤滲透能力的影響系數(shù)最大。