水土保持措施對板栗林土壤特性的影響

黃石德，李建民，林 捷，陳 楨，丁 珌，陳 杰，卓 輝

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州350012;2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210037;3.福建農(nóng)林大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州350002)

長汀縣河田鎮(zhèn)屬山地紅壤，成土母巖屬粗晶花崗巖，雖然土層深厚，但結(jié)構(gòu)疏松，含砂量大，結(jié)構(gòu)不良，土壤抗蝕能力差，是我國南方丘陵紅壤地帶典型的強(qiáng)度土壤侵蝕區(qū)，早在20 世紀(jì)40年代初就與陜西長安、甘肅天水一起被列為全國3 個重點(diǎn)水土保持試驗區(qū)［1-3］。由于長期遭受人為活動的嚴(yán)重干擾，長汀縣河田鎮(zhèn)地帶性植被常綠闊葉林已破壞殆盡。由于板栗(Castanea mollissima)喜光，且對土壤要求不嚴(yán)，適合在當(dāng)?shù)赝寥狼治g嚴(yán)重的地區(qū)發(fā)展，因此，板栗林作為當(dāng)?shù)剡M(jìn)行植被恢復(fù)的重要措施以及特色產(chǎn)業(yè)而被廣泛推廣。目前該地區(qū)板栗林種植面積已超過7000 hm2，然而由于林農(nóng)多強(qiáng)調(diào)板栗林的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，忽略其在水保措施上的投入，使得部分板栗林地水土保持措施缺失，或單純使用工程措施，致使林下土壤侵蝕劇烈，土壤養(yǎng)分大量流失，土壤結(jié)構(gòu)變差，影響板栗的果實產(chǎn)量和品質(zhì)［4］，從而嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亓洲r(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入。張錦娟等［5］研究認(rèn)為，要從根本上改善經(jīng)濟(jì)林土壤的特性，僅采取工程措施是不夠的，還需結(jié)合植物措施的生物改良作用。鑒于此，本研究分析了不同水保措施對長汀縣河田鎮(zhèn)板栗林地土壤養(yǎng)分、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布特征及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，旨在揭示工程措施和植物措施對土壤特性影響的差異，為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)林水土流失綜合治理供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)(E116°18＇ -116°31＇，N25°33＇ -25°48＇)，屬中亞熱帶氣候區(qū)，年均氣溫17.5 -18.8 ℃，年均降雨量1737 mm，平均無霜期260 d。

本研究選擇4 個不同處理的板栗林作為供試樣地，所調(diào)查現(xiàn)存板栗林于2003年種植，保留密度均為390 株·hm-2左右。其中，處理Ⅰ和Ⅱ板栗林樣地采取未種草處理，處理Ⅰ順坡種植，處理Ⅱ則在種植板栗當(dāng)年采用前埂后溝的工程措施;處理Ⅲ和Ⅳ板栗林樣地采取種草處理，處理Ⅲ順坡種植，處理Ⅳ則在種植板栗當(dāng)年采用前埂后溝的工程措施。4 個供試板栗林具體特征如表1 所示。

表1 4 個供試板栗林試驗地的基本概況Table 1 Basic status of sample sites in four C.mollissima plantations

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

于2011年11月，在每種類型板栗林樣地內(nèi)按“S”形設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣深度為0 -10 cm，用塑料盒采集原狀土，每份土樣取樣1 kg，重復(fù)5 次，共采集20 份土樣。在土樣采集過程中，盡量避免擠壓，保持原狀土壤結(jié)構(gòu)。土樣運(yùn)回實驗室后，沿自然結(jié)構(gòu)掰成10 mm 左右的團(tuán)粒，在陰涼處風(fēng)干。在采集原狀土樣的同時，采取土壤環(huán)刀，測定土壤容重［6］。

2.2 測定方法與數(shù)據(jù)分析

按四分法將風(fēng)干后的土樣分成2 份，一份用于測定分析土樣的C、N、水解性N 含量以及pH 值［6］，另一份土樣用于測定土壤團(tuán)聚體含量。土壤團(tuán)聚體具體做法為:將風(fēng)干后的土樣通過孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 mm 的套篩，分別稱重計算出各徑級干篩團(tuán)聚體占土壤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并按干篩的比例配成50 g 風(fēng)干土樣。將配好的風(fēng)干土樣放在套篩上，在水中浸泡5 min 后用振蕩式機(jī)械篩分儀(振蕩頻率為30 次·min-1)篩5 min，分離出＞5 mm、2 -5 mm、1 -2 mm、0.5 -1 mm、0.25 -0.5 mm、＜0.25 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，置于烘箱內(nèi)烘至恒重［7］。計算＞0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)含量、＞0.25 mm 團(tuán)聚體的破壞率(PAD)以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)［8］。

采用Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并作圖，運(yùn)用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行Duncan 多重比較、雙因素方差分析和Person 相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水保措施對板栗林土壤養(yǎng)分的影響

如表2 所示，順坡種植的板栗林施加前埂后溝的工程措施后，只有土壤容重和水解性N 達(dá)到顯著差異(P ＜0.01)，土壤C、N 含量和pH 值均未達(dá)到顯著差異(P ＞0.05)?？梢姽こ檀胧┑氖┯貌⒉荒苁贡韺油寥赖酿B(yǎng)分含量得到明顯的改善，這可能是由于前埂后溝的工程措施雖能將坡面泥沙匯集在溝道內(nèi)，但并不能阻止坡面養(yǎng)分的流失［5］。然而，板栗林施加種草的植物措施后，土壤容重、C、N 和水解性N 含量以及pH 值均達(dá)到顯著差異(P ＜0.05)?？梢娭参锎胧┑氖┯脤ν寥辣韺羽B(yǎng)分的影響比工程措施更明顯。研究表明，采取工程和植物綜合措施的處理Ⅳ，對土壤特性的改良作用最明顯，這可能是由于植物根系的穿插作用以及枯死物的歸還促進(jìn)了表層土壤養(yǎng)分的累積［9］。可見，要改善板栗林的土壤養(yǎng)分，結(jié)合采取工程和植物綜合措施是最為理想的。

表2 不同水保措施板栗林的土壤養(yǎng)分1)Table 2 Soil nutrient in the different soil and water conservation C.mollissima plantations

3.2 水保措施對＜0.25 mm WSA 分布的影響

如表3 所示，不同水保措施均表現(xiàn)為＜0.25 mm WSA 含量最高，其中處理Ⅰ和Ⅲ中＜0.25 mm WSA含量分別為54.17%和47.61%，板栗林采取前埂后溝的工程措施后，＜0.25 mm 的WSA 均表現(xiàn)為顯著減少(P ＜0.01)，而1 -2 mm 和2 -5 mm 的團(tuán)聚體則表現(xiàn)為顯著增加(P ＜0.05);Ⅰ和Ⅱ處理中＜0.25 mm WSA 含量分別為54.17%和45.56%，板栗林采取種草植物措施后，＜0.25 mm WSA 均表現(xiàn)為顯著減少(P ＜0.01)，而0.25 -0.5 mm、0.5 -1 mm、和＞5 mm 的團(tuán)聚體則表現(xiàn)為顯著增加(P ＜0.01)。這表明由于工程或植物措施的施用，＜0.25mm 微團(tuán)聚體向＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，可能是上述所述由于土壤有機(jī)質(zhì)的增加，形成的膠結(jié)劑促進(jìn)土壤顆粒粘結(jié)成大團(tuán)聚體［10，11］。

表3 不同水保措施板栗林WSA 分布特征1)Table 3 Distribution characteristic of water-stable aggregates in the different soil and water conservation C.mollissima plantations %

3.3 水保措施對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

＞0.25 mm WSA 含量、＞0.25mm PAD 以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 是表示土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的主要指標(biāo)。由表4 可知，無論是工程還是植物措施的施用，均顯著提高了＞0.25 mm WSA 含量(P ＜0.01)，而顯著降低＞0.25 mm PAD(P ＜0.01)。工程措施的施用未顯著增加(P =0.066)水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，而植物措施的施用顯著增加(P ＜0.01)。如圖1 所示，＞0.25 mm PAD 與＞0.25 mm WSA 呈顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.01，R2=0.9982)，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD 與＞0.25 mm WSA 呈顯著正相關(guān)(P ＜0.05，R2=0.8877)。＞0.25 mm PAD 與土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性成反比［10］，而本研究中＞0.25 mm WSA 含量越高，＞0.25 mm PAD 則越低，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 越高，土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體就越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，這與張錦娟等［5］得出的結(jié)論相一致?？梢?，采用＞0.25 mm WSA 含量、＞0.25 mm PAD 以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 來表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的結(jié)論是一致的。綜上所述，不同水保措施處理團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化趨勢為:處理Ⅳ＞處理Ⅱ＞處理Ⅲ＞處理Ⅰ。

表4 不同水保措施板栗林水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性1)Table 4 Water-stable aggregates stability in the different soil and water conservation C.mollissima plantations

圖1 ＞0.25 mm WSA 含量與＞0.25mm PAD(a)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD(b)的關(guān)系Fig.1 The relationship between ＞0.25mm WSA content and ＞0.25 mm PAD (a)and water-stable aggregates MWD (b)

3.4 土壤特性與WSA 含量的關(guān)系

如表5 所示，不同水土保持措施土壤容重與＜0.25 mm 的WSA 含量顯著正相關(guān)(P ＜0.05)，而與＞0.25mm 不同徑級的WSA 含量負(fù)相關(guān)，其中0.5 -1 mm 達(dá)到顯著水平(P ＜0.05)。不同水保措施土壤C、N 含量與＜0.25 mm 的WSA 顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.05)，而與＞0.25 mm 不同徑級WSA 含量正相關(guān)，其中C 含量與＞5 mm 的WSA 含量達(dá)到顯著水平(P ＜0.05)，表明土壤養(yǎng)分含量對土壤團(tuán)聚體的形成有明顯的促進(jìn)作用［12］。

表5 土壤特性與WSA 相關(guān)性1)Table 5 The correlation between soil property and water-stable aggregates

4 小結(jié)

綜上所述，僅采用工程措施并不能明顯改善表層土壤的養(yǎng)分含量，而施用種草的植物措施后，土壤容重、C、N 和水解性N 含量以及pH 值均達(dá)到顯著差異(P ＜0.05)，表明植物措施的施用對土壤表層養(yǎng)分的影響比工程措施更明顯。不同水保措施處理均表現(xiàn)為＜0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高，施用工程或植物措施后，＜0.25 mm 微團(tuán)聚體趨于向＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變。無論是工程還是植物措施的施用，均顯著提高了＞0.25 mm WSA 含量(P ＜0.01)，而顯著降低＞0.25 mm PAD(P ＜0.01)。工程措施的施用未顯著增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，而植物措施的施用顯著增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD。不同水保措施處理團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化趨勢為:結(jié)合采用工程和植物措施＞僅采用工程措施＞僅采用植物措施＞未采取措施。因此，要改善板栗林的土壤特性，結(jié)合采用工程和植物綜合措施最為理想。

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