湖南紫鵲界梯田區(qū)森林改良土壤作用研究

段興鳳,宋維峰,曾 珣,高松奇

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,昆明650224;2.湖南新化縣水保局,湖南新化417600;3.中國(guó)東方航空公司云南分公司,昆明650200)

紫鵲界梯田起源于秦漢,盛于唐宋,至今已有兩千余年的歷史[1],是當(dāng)今世界開(kāi)墾最早的梯田之一。紫鵲界梯田區(qū)總面積115.5 km2,從500 m的山坡向上有500多級(jí)梯田,約10多萬(wàn)丘,共計(jì)約4 000 hm2。這些梯田內(nèi)無(wú)塘無(wú)庫(kù),無(wú)任何人工水利設(shè)施,長(zhǎng)久以來(lái)卻能年年旱澇保收,經(jīng)查勘,這都源于梯田區(qū)上方茂密的森林。紫鵲界梯田區(qū)為獨(dú)特的天然自流灌溉,水儲(chǔ)藏于土壤,出自巖石裂隙和土壤孔隙,山頂森林植被蓄水和土壤儲(chǔ)水形成了巨大的地下水庫(kù)[2],以滿(mǎn)足梯田生產(chǎn)需水。本文對(duì)梯田區(qū)3塊標(biāo)準(zhǔn)林地、2塊典型梯田田塊及荒坡土壤理化特性進(jìn)行分析,探討紫鵲界梯田區(qū)森林改良土壤作用,旨在為梯田的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省新化縣西南部水車(chē)鎮(zhèn)金龍村林區(qū)和梯田區(qū)(110°55′50.4″-110°56′03″E,27°41′26″-27°41′28.4″N)。本區(qū)屬中低山丘陵地貌,海拔557～708 m。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均氣溫13.7℃,最高氣溫 39℃,最低氣溫-5℃;年降雨量為1 650～1 700 mm;初霜一般在11月15日前后,終霜一般在2月30日左右,年均無(wú)霜期為260 d,年均日照1 488 h。土壤為花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤,砂性質(zhì)地,山地土壤剖面完整,土層厚度100 cm以上。本區(qū)天然林森林茂密,植物種類(lèi)繁多,主要喬木樹(shù)種有楠竹、杉木等,雜生各種灌草本植物,草本以蕨類(lèi)居多。

2 研究方法

2.1 樣地及土壤剖面選擇

在全面踏勘天然林群落基礎(chǔ)上布設(shè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)林地3塊,在該林區(qū)下方梯田內(nèi)上下兩個(gè)部位布設(shè)典型田塊2塊(面積不小于300 m2),分別調(diào)查各樣地的海拔高度、坡度、坡位、坡向、坡形等立地因子,各樣地基本情況見(jiàn)表1。在每塊樣地的代表性地段挖掘土壤剖面,并調(diào)查土壤因子。樣地和土壤剖面從上方天然林至下方梯田按序號(hào)命名,分別為：1-5,荒坡為6。

2.2 樣品采集

在挖掘好的土壤剖面內(nèi)按0-20,20-40 cm 2個(gè)層次用環(huán)刀取原狀土樣供物理性質(zhì)分析,每層取3個(gè)重復(fù)樣。按0-20,20-40 cm 2個(gè)層次用土袋取混合土樣供化學(xué)性質(zhì)分析,每層取3個(gè)重復(fù)樣。

表 1 樣地基本情況

2.3 樣品分析

2.3.1 土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定 土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)分析方法測(cè)定[3-5]：土壤容重、孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法;土壤水分測(cè)定采用恒溫箱烘干法。土壤pH值用酸度計(jì)電位法測(cè)定;硫酸重鉻酸鉀法測(cè)定有機(jī)質(zhì);全氮用濃硫酸消化,半微量開(kāi)氏蒸餾法測(cè)定;堿解擴(kuò)散法測(cè)定水解氮;堿熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷;鉬銻抗比色法(0.03 mol/L NH 4F-0.025 mol/L HCl浸提)測(cè)定速效磷;堿熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀;火焰光度法(1 mol/L NH4AC浸提)測(cè)定速效鉀。

2.3.2 土壤通氣性的計(jì)算 土壤通氣性(%)=總孔隙度(%)-[自然含水率(%)×容重(g/cm3)]

2.3.3 土壤持水量的計(jì)算

式中：V——土壤最大毛管持水量(t/hm2);D——土層深度(m);P——土壤總毛管孔隙度(%)。

2.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 11.5進(jìn)行整理、分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機(jī)械組成狀況

成土母質(zhì)及土壤的機(jī)械組成指的是成土母質(zhì)及土壤中礦物質(zhì)顆粒的大小和它們組合的比例[6]。土壤黏粒含量愈高,土壤結(jié)構(gòu)體愈牢固[7],同時(shí),土壤黏粒(＜0.001 mm)是土壤的活動(dòng)中心。不同土地利用方式土壤機(jī)械組成狀況見(jiàn)表2。

從表2可知,紫鵲界梯田區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的物理性黏粒含量36.48%～56.19%;梯田田塊(0-20 cm)物理性黏粒23.73%～36.07%;荒坡土壤(0-20 cm)物理性黏粒41.33%。該區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的粗粉粒含量 30.61%～46.10%;梯田田塊(0-20 cm)粗粉粒38.38%～40.58%;荒坡土壤(0-20 cm)粗粉粒30.75%。該區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的砂粒含量13.20%～27.86%;梯田田塊(0-20 cm)砂粒 23.35%～37.89%;荒坡土壤(0-20 cm)砂粒27.92%。

表2 土壤機(jī)械組成狀況 %

從圖1可以看出,物理性黏粒含量：林地＞荒坡＞梯田;粉砂粒和砂粒含量：林地＜荒坡＜梯田。分析結(jié)果表明：紫鵲界梯田區(qū)森林土壤膠體含量較高,膠結(jié)能力強(qiáng),也由于其樹(shù)冠削弱了降雨侵蝕力,防止地表直接受侵蝕,從而使黏粒得到保持,有利于良好土體結(jié)構(gòu)的形成。

圖1 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤機(jī)械組成狀況

3.2 土壤孔隙組成狀況

容重和孔隙度是判定土壤結(jié)構(gòu)好壞的主要指標(biāo)。測(cè)定結(jié)果表明：林地、梯田、荒坡3種土地利用方式0-20 cm土層土壤容重為林地(0.90～1.00 g/cm3)＜梯田(1.08～1.24 g/cm3)＜荒坡(1.42 g/cm3)。說(shuō)明林地土壤疏松,結(jié)構(gòu)狀況較梯田或荒坡都要好;由圖2可知,在紫鵲界梯田區(qū)森林土壤中,容重從表層向下層呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),說(shuō)明表層土壤較深層土壤疏松,這與林地表面枯枝落葉累積量及其分解速度有關(guān)。

從土壤孔隙度和通氣性來(lái)看(圖3),總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣性都呈現(xiàn)出林地＞梯田＞荒坡的特征。土壤孔隙度越大,土壤的持水量也越大,紫鵲界梯田區(qū)森林土壤表面凋落物較多,喬灌草等凋落物富含灰分元素,所形成的腐殖質(zhì)、鈣是基本的膠結(jié)物,土粒易膠結(jié)而形成有結(jié)構(gòu)良好的土壤,增加了土壤的孔隙度,進(jìn)而增強(qiáng)了土壤的蓄水和通透能力。

3.3 土壤水分狀況

土壤水分是土壤肥力的基本因素,不同的土壤水分類(lèi)型均受其相應(yīng)土壤孔隙組成的影響,不同土地利用方式土壤孔隙組成的變化,導(dǎo)致不同類(lèi)型水分含量的相應(yīng)變化。

從表3可以看出,林地、梯田、荒坡3種土地利用方式0-20 cm土層土壤自然含水率、飽和含水率、毛管含水率：林地＞梯田＞荒坡;在紫鵲界梯田區(qū)森林土壤中,含水率從表層向深層呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),這主要是由于深層土壤較表層土壤板結(jié),孔隙度小。由不同土地利用方式土壤持水量狀況(圖4)可知,土壤最大持水量、毛管持水量變化趨勢(shì)：林地＞荒坡＞梯田,紫鵲界梯田區(qū)天然林植被茂密,喬灌草層次豐富,枯落物較多,對(duì)比荒坡或梯田蓄水、保水能力增強(qiáng)。

圖2 林地土壤不同土層深度容重變化

圖3 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤孔隙組成狀況

表3 土壤水分物理性質(zhì)

3.4 土壤養(yǎng)分含量

由于樹(shù)木種類(lèi)、組成結(jié)構(gòu)及林下植被及凋落物數(shù)量、質(zhì)量等方面的差異,直接影響土壤養(yǎng)分貯藏及供應(yīng)狀況[8]。由表4可以看出,紫鵲界梯田區(qū)森林、梯田、荒坡土壤(0-40 cm)土層的p H值在4.59～5.67之間變動(dòng),紫鵲界梯田區(qū)都為酸性土壤。該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮隨土層深度的增加而遞減;全氮、全磷、速效磷含量垂直變化不明顯;全鉀、速效鉀含量隨土層深度變化各異,有增有減。

圖5-7顯示了不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量變化,由圖可知,天然林、梯田、荒坡三種土地利用方式下,土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀養(yǎng)分含量各不相同;而相同土地利用方式,天然林剖面之間、梯田田塊間則差異不顯著。其有機(jī)質(zhì)含量、氮素含量變化趨勢(shì)：林地＞梯田＞荒坡;全鉀含量變化趨勢(shì)：梯田≥林地＞荒坡;全磷含量三者相差不大;速效磷含量變化趨勢(shì)：梯田＞荒坡＞林地;速效鉀含量荒坡＞林地＞梯田。不同土地利用方式養(yǎng)分產(chǎn)生差異的原因是多方面共同作用的結(jié)果,包括土壤質(zhì)地差異、施肥作用、人為干擾、土壤侵蝕等的不同,其中以施肥作用和人為干擾最為嚴(yán)重。不同利用方式施肥、撫育程度參差不齊,施肥的種類(lèi)、數(shù)量各不相同,這勢(shì)必造成養(yǎng)分之間的差異。該區(qū)林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、水解氮含量均比荒坡高,這是因?yàn)樽嚣o界梯田區(qū)林地表面凋落物的數(shù)量多,同時(shí)其凋落物分解速度快,以此來(lái)增加土壤養(yǎng)分,促進(jìn)林地養(yǎng)分的良性循環(huán)。該區(qū)林地土壤速效鉀、速效性磷含量均比荒坡低,這與不同森林植被對(duì)養(yǎng)分的選擇吸收特性有關(guān)[9-10]。

圖4 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤持水量

圖5 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀含量

表4 土壤主要化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量

圖6 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤全氮、全磷含量

圖7 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤速效養(yǎng)分

4 結(jié)論

湖南紫鵲界梯田區(qū)森林對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)有很大的影響,能較好地改良土壤理化特性：

(1)紫鵲界梯田區(qū)森林表層土壤物理性黏粒(＜0.01 mm)含量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、通氣性、最大持水量和毛管持水量均比梯田田塊或荒坡高,林地土壤容重較梯田或荒坡低。表明紫鵲界梯田區(qū)內(nèi)天然林的存在,大大改變了土壤結(jié)構(gòu)狀況,使得土壤疏松,增加了土壤的孔隙度,提高了土壤的持水、貯水能力,調(diào)節(jié)土壤水、氣的相應(yīng)變化,從而改良了土壤物理性狀,增強(qiáng)了土壤抗蝕性能。

(2)該區(qū)林地表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、水解氮等營(yíng)養(yǎng)元素貯量及速效性養(yǎng)分供應(yīng)狀況亦比荒坡高。由于林下植被及枯枝落葉較多,土壤有機(jī)質(zhì)高,土壤肥力水平高,說(shuō)明紫鵲界梯田區(qū)天然林覆蓋下的土壤具有良好的自我培肥功能。該區(qū)林地土壤速效鉀、速效磷含量均比荒坡低,這可能與不同森林植被對(duì)養(yǎng)分的選擇吸收特性有關(guān)。

[1] 何麗芳.打造與哈尼梯田媲美的觀光勝號(hào)：論湖南紫鵲界梯田文化資源的旅游開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技,2006(3)：39-40.

[2] 許志方,聶芳容,張碩鋪,等.湖南紫鵲界梯田自流灌溉體系[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2006(4)：73-74.

[3] 嚴(yán)昶升.土壤肥力研究方法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,1987.

[4] 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室.土壤物理性質(zhì)測(cè)定法[M].北京：科學(xué)出版社,1978.

[5] 森林土壤全氮的測(cè)定.GB/7848-1987[S].

[6] 胡振宇,馬欽彥,王金錫.川中丘陵區(qū)防護(hù)林改良土壤作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(3)：15009-15013.

[7] 羅札諾夫 B F.土壤形態(tài)學(xué)[M].王浩清,鄭軍,譯.北京：科學(xué)出版社,1988.

[8] 楊玉盛,李振向,俞新妥,等.南平溪后杉木林取代雜木林后土壤肥力變化的研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),1994,18(3)：236-242.

[9] 康貽軍,胡健,楊小蘭,等.鹽堿地土壤微生物對(duì)不同改良方法的響應(yīng)[J].微生物學(xué)雜志,2008,28(5)：102-105.

[10] 楊海儒,宮偉光.不同土壤改良劑對(duì)松嫩平原鹽堿土理化性質(zhì)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(20)：8715-8716.