姜愛(ài)國(guó), 萬(wàn)福緒, 胡 菲

(南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 南京 210000)

土壤侵蝕不僅降低了土壤肥力，造成土壤質(zhì)量退化，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境有著極大的破壞作用，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)文化的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力，是與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)的評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)之一[2]。研究土壤的抗蝕性對(duì)防治土壤侵蝕有著十分關(guān)鍵的作用，幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者一直關(guān)注著土壤抗蝕性研究的進(jìn)展[3-6]。雖然對(duì)土壤抗蝕性的評(píng)價(jià)指標(biāo)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的共識(shí)，各指標(biāo)的權(quán)重也沒(méi)有相同的標(biāo)準(zhǔn)，但結(jié)論仍然大體一致[7-9]。各研究選取的指標(biāo)總體上是相同的，包括土壤的基本理化性質(zhì)、團(tuán)聚體的特征和土壤根系指標(biāo)等[10-13]。不同的是各位研究者對(duì)土壤抗蝕性研究采取的分析方法有所不同。比如:范川使用主成分分析法對(duì)柏木低效林改造不同模式的土壤抗蝕能力進(jìn)行分析[14]；趙錦梅運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)東祁連山不同高寒灌叢草地土壤的抗蝕能力進(jìn)行研究[15]；張超對(duì)影響黃土丘陵區(qū)不同林齡人工刺槐林土壤抗蝕性的各種因素進(jìn)行相關(guān)性分析[16]。但都成功的用自己的研究方法揭示了土壤抗蝕性的變化特點(diǎn)。

為研究南京紫金山靈谷寺不同林分林下土壤的抗蝕性，以該區(qū)域內(nèi)幾種主要林地的土壤為研究對(duì)象，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析其抗蝕特性以及影響因素，希望能為該區(qū)水土保持、合理種植提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

靈谷寺位于紫金山南麓(32°01′57″—32°06′15″N,118°48′00″—118°53′04″E)。紫金山最高海拔448.9 m，相對(duì)高差420 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，寒暑變化明顯，四季分明，年降水量1 000～1 050 mm，干燥度為0.97，年均溫15.4℃，最高溫39.7℃，最低溫為-13.1℃。土壤類型以山地黃棕壤和黃褐土為主。地勢(shì)大體上由北向南、自東往西呈緩慢下降。目前，靈谷寺主要森林植被位于南京中山陵園管理局所轄的靈谷公園景區(qū)范圍內(nèi)，面積達(dá)130 hm2。試驗(yàn)地林分以麻櫟(QuercusacutissimaCarr.)、楓香(LiquidambarformosanaHance)、白櫟(QuercusfabriHance)、桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.)Lour.)為主。林下植被包括枸骨(IlexcornutaLindl.et Paxt.)、三角楓(AcermaximowicziiPax)、女貞(LigustrumlucidumAit.)、野薔薇(RosamultifloraThunb.)等，試驗(yàn)地基本情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地基本情況

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 樣地選擇

本研究選擇麻櫟林、楓香林、白櫟林、桂花林4種典型林型，分別建立3個(gè)20 m×20 m的樣方進(jìn)行常規(guī)調(diào)查，記錄其海拔、坡度、坡向、胸徑等常規(guī)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.2 土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定

2016年4—5月，在各樣方中隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)挖土壤剖面，以20 cm為厚度挖三層。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析，使用環(huán)刀法測(cè)定土粒密度和土壤孔隙狀況；用浸提法測(cè)定土壤有效磷；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用燒失量法測(cè)定；土壤全氮采用硒粉—硫酸銅—硫酸鉀消煮—蒸餾法測(cè)定；土壤速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定[17]；采用pH值計(jì)測(cè)定土壤pH值；采用MicrotracS350激光粒徑分析儀測(cè)定土壤機(jī)械組成。土壤各理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

2.3 土壤抗蝕指數(shù)測(cè)定

從各土層風(fēng)干土樣中選取直徑5～7 mm土粒50顆，使用靜水崩解法測(cè)定其抗蝕指數(shù)，抗蝕指數(shù)=(總土粒數(shù)-崩塌土粒數(shù))/總土粒數(shù)×100%；水穩(wěn)性指數(shù)K=(∑Pi×Ki+Pj)/A。式中：i為1，2，3，…，10；Pi為第i分鐘分散的土粒數(shù)；Ki為第i分鐘的校正系數(shù)；Pj為10 min內(nèi)沒(méi)有分散的土粒數(shù)；A為試驗(yàn)的總土粒數(shù)。

2.4 土壤團(tuán)聚體等指標(biāo)測(cè)定

采用干、濕篩法測(cè)定土壤團(tuán)聚體含量[18]；采用吸管法測(cè)定土壤微團(tuán)聚體特征。并計(jì)算分散率、團(tuán)聚度，分散率=<0.05 mm微團(tuán)聚體分析值/<0.05 mm機(jī)械組成分析值，其中團(tuán)聚度=(>0.05 mm微團(tuán)聚體分析值->0.05 mm機(jī)械組成分析值)/>0.05 mm微團(tuán)聚體分析值。

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；使用主成分分析法分析不同樣地土壤。

3 結(jié)果分與析

3.1 不同林分土壤抗蝕性變化特征

采用靜水崩解法測(cè)定和計(jì)算的抗蝕指數(shù)是反映土體抗水蝕的重要指標(biāo)[19]。對(duì)研究區(qū)的四種林下土壤進(jìn)行分層測(cè)驗(yàn)，0—20 cm的土層，土壤抗蝕指數(shù)大小依次為桂花>白櫟>楓香>麻櫟；20—40 cm的土層，土壤抗蝕指數(shù)大小依次為楓香>桂花>麻櫟>白櫟；40—60 cm的土層，土壤抗蝕指數(shù)大小依次為楓香>桂花>麻櫟>白櫟，見(jiàn)表3。從三層土壤的抗蝕指數(shù)對(duì)比可以看出楓香和桂花的抗蝕指數(shù)都排在一、二的位置，抗蝕指數(shù)較高。這是由于桂花林下土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)土壤的改良較好，土壤孔隙度較大，土壤質(zhì)地變好，抗蝕性得到提升。隨著土層深度的加深，各林分抗蝕指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其原因是枯落物對(duì)土壤表層有保護(hù)和改良的效果，增加土壤有機(jī)質(zhì)，全面改善土壤結(jié)構(gòu)，使得表層土壤不易被侵蝕。深層土壤無(wú)法得到和表層土壤一樣的改善效果，所以對(duì)比表層表現(xiàn)出土壤抗蝕性較低現(xiàn)象，深層土壤抗蝕性較低。因此，保護(hù)好表層土壤可以有效地減少土壤侵蝕。

表2 研究區(qū)四種林分土壤基本理化性質(zhì)

四種林下土壤的抗蝕指數(shù)隨浸水時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1，隨著浸水時(shí)間的增加，各林分土壤的抗蝕指數(shù)均有著下降的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，地表水也增加，土壤顆粒崩解量增多，堵塞了土壤孔隙，影響雨水下滲，形成地表徑流，增加土壤水土流失。從圖中還可以看出在前6分鐘，四種林分土壤的抗蝕指數(shù)下降較多，十分明顯，6 min后則趨于平緩。隨土層的加深，其抗蝕指數(shù)也下降，有一定的規(guī)律性。并且四種林分土壤的抗蝕指數(shù)折線分布較為明顯，大體趨勢(shì)為：最上層是桂花，第二是楓香，其次是麻櫟，最后是白櫟。所以，桂花林下土壤的抗蝕指數(shù)要高于其他樹(shù)種。

利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 22.0對(duì)四種樹(shù)種林下土壤抗蝕指數(shù)S隨浸水時(shí)間t的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，因此采用二次多項(xiàng)式

S=at2+bt+c

式中：a，b為常數(shù)，0

3.2 不同林地土壤團(tuán)聚體特征

土壤的物理性質(zhì)與團(tuán)聚體的含量及其直徑大小有密切關(guān)系，團(tuán)聚體影響到土壤的抗蝕能力。發(fā)現(xiàn)隨著土層的加深，土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量下降，有一定的規(guī)律性，見(jiàn)表5。以平均值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量由大到小分別是：桂花(82.80%)、楓香(81.94%)、麻櫟(77.94%)、白櫟(76.82%)；>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量由大到小依次為：桂花(77.88%)、楓香(76.35%)、白櫟(68.63%)、麻櫟(63.75%)。

表3 不同林分土壤各層次抗蝕指數(shù)比較

這主要是因?yàn)榱值赝寥赖挠袡C(jī)質(zhì)較高，而有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成有著促進(jìn)作用，所以桂花林下土壤團(tuán)聚體含量較高。分散率由大到小依次為：白櫟(37.61%)、楓香(29.60%)、麻櫟(29.51%)、桂花(28.29%)；團(tuán)聚度由大到小分別為：桂花(62.84%)、楓香(61.73%)、麻櫟(53.66%)、白櫟(51.99%)。因?yàn)楣鸹窒峦寥赖耐寥滥z結(jié)性較好，使得其團(tuán)聚度較高、分散率低。綜合分析幾種林分的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，發(fā)現(xiàn)桂花林下土壤>0.25 mm和>0.5 mm的團(tuán)聚體含量高于其他林分，并且其團(tuán)聚度最高，分散率最少。使用SPSS 22.0對(duì)土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤團(tuán)聚體特征進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)四種林分土壤中土壤水穩(wěn)性指數(shù)與>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，與>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體在0.05水平上呈顯著相關(guān)，與其他性質(zhì)特征也有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性較低。說(shuō)明隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，土壤的結(jié)構(gòu)會(huì)更好，會(huì)更加穩(wěn)定。

圖1 四種林分各層土壤抗蝕指數(shù)隨時(shí)間的變化

3.3 不同林地土壤抗蝕性能主要成分分析

為了更加深入地了解不同林地的土壤綜合抗蝕能力，對(duì)X1(土壤容重)、X2(總孔隙度)、X3(毛管孔隙度)、X4(砂礫含量)、X5(粉粒含量)、X6(黏粒含量)、X7(水穩(wěn)性指數(shù))、X8(團(tuán)聚度)、X9(分散率)、X10(>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量)、X11(>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量)、X12(有機(jī)質(zhì))、X13(全氮)、X14(有效磷)、X15(速效鉀)、X16(pH值)共16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。從表6可以看出前三個(gè)主成分特征值均大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)90.605%(分別為64.658%，15.415%，10.532%)，信息損失量較小，包含了大部分的數(shù)據(jù)，滿足主成分分析對(duì)損失量的要求，所以可以選取前三個(gè)主要成分來(lái)進(jìn)行抗蝕綜合性分析，從而確定最佳抗蝕指標(biāo)。

表4 不同林分土壤抗蝕指數(shù)與浸水時(shí)間擬合方程

表5 研究區(qū)不同林分土壤團(tuán)聚體特征

從表6中可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率為64.658%，說(shuō)明它對(duì)土壤的抗蝕能力有很大的影響，其中X2(總孔隙度)、X7(水穩(wěn)性指數(shù))、X8(團(tuán)聚度)、X11(>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體)、X12(有機(jī)質(zhì))、X13(全氮)等貢獻(xiàn)率最大。說(shuō)明土壤總孔隙度越大，有機(jī)質(zhì)含量越高，全氮含量越高，團(tuán)聚度越高，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，Y1的值就越大，土壤抗蝕能力就越強(qiáng)。第二主成分的貢獻(xiàn)率為15.415%，說(shuō)明它對(duì)土壤的抗蝕性有一定影響，其中X4(砂粒含量)與X5(粉粒含量)貢獻(xiàn)率最大，說(shuō)明砂粒與粉粒含量指標(biāo)也會(huì)影響到土壤的抗蝕性，砂粒與粉粒含量越高，則土壤的抗蝕性越強(qiáng)。第三主成分的貢獻(xiàn)率只有10.532%，其中X14(有效磷)與X15(速效鉀)會(huì)在一定程度上提升土壤的抗蝕能力。

根據(jù)主成分權(quán)重得出抗蝕性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)：Y=0.714Y1+0.17Y2+0.116Y3。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到麻櫟林、楓香林、桂花林和白櫟林的綜合評(píng)價(jià)值，見(jiàn)表7。從表中可以看出，隨著土層的加深，四種林分的土壤抗蝕能力也有下降的趨勢(shì)，這表明表層土壤的抗蝕能力要強(qiáng)于深層土壤。麻櫟、楓香、白櫟、桂花的綜合抗蝕指數(shù)平均值分別為-0.13，0.08，-0.18，0.24，則四種林分的抗蝕能力大小為桂花>楓香>麻櫟>白櫟。

表6 土壤抗蝕性主成分分析

表7 林地各土層土壤抗蝕綜合指數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)四種林分平均土壤抗蝕指數(shù)由大到小依次為:桂花(64.3%)、楓香(62.6%)、麻櫟(56.0%)、白櫟(53.8%)。各林分土壤的抗蝕指數(shù)在垂直層面上的變化呈較明顯的規(guī)律性，隨著土層深度的增加，抗蝕指數(shù)呈減小的趨勢(shì)。對(duì)林地土壤的抗蝕指數(shù)S隨浸水時(shí)間t變化的過(guò)程進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)曲線的擬合度最高，因而本研究區(qū)內(nèi)土壤的抗蝕指數(shù)與浸水時(shí)間呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，其通式為S=at2+bt+c。說(shuō)明隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，地表水也隨著增加，土壤顆粒崩解量增多，堵塞了土壤孔隙，影響雨水下滲，形成地表徑流，增加了土壤水土流失。

(2) 發(fā)現(xiàn)土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤水穩(wěn)性指數(shù)在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，與>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體在0.05水平上呈顯著相關(guān)。團(tuán)聚體含量越多則土壤的結(jié)構(gòu)性越好，土壤更加穩(wěn)定。幾種林下土壤中，桂花的>0.25 mm和>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量明顯高于其他樹(shù)種，說(shuō)明桂花林下土壤結(jié)構(gòu)比其他樹(shù)種更好。

(3) 對(duì)土壤基本理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體特征共16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)總孔隙度、水穩(wěn)性指數(shù)、團(tuán)聚度、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)、全氮對(duì)土壤抗蝕能力影響較強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算各林地土壤的抗蝕性綜合指數(shù)，得出了各林地土壤抗蝕性由強(qiáng)到弱依次為：桂花(0.24)，楓香(0.08)，麻櫟(-0.13)，白櫟(-0.18)。

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