巨桉人工林下土壤團(tuán)聚體對(duì)水分入滲的影響

蔣德明，李小梅，丁 揚(yáng)

（云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南省地理研究所，云南 昆明650091）

巨桉（Eucalyptus grandis）是桃金娘科桉樹屬雙蒴蓋亞屬橫脈組柳桉系中的樹種，原生地為澳洲大陸及附近島嶼［1］。近年來(lái)，因巨桉人工林的快速發(fā)展及其伐木周期較短的特點(diǎn)，大大緩解了我國(guó)木材和林產(chǎn)品的需求。但由于巨桉林的大面積栽種，也帶來(lái)了如“抽肥機(jī)”“綠色沙漠”“降低鄉(xiāng)土植被的多樣性”等 一 系 列 環(huán) 境 問(wèn) 題［2－3］。時(shí) 忠 杰 等［4］指 出，由于巨桉的種植破壞了區(qū)域水量平衡，減少了流域產(chǎn)流量或地下水補(bǔ)給；謝賢健等［5］在巨桉人工林下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及分形特征研究中發(fā)現(xiàn)，巨桉林地的覆蓋增強(qiáng)了土壤的緊實(shí)度；石薇等［6］研究發(fā)現(xiàn)，自然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植巨桉林后，土壤出現(xiàn)抗地力衰退、抗蝕性下降、生物多樣性降低、水土保持能力下降等多種問(wèn)題。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，各粒徑的團(tuán)聚體在土壤中的空間分布以及排序，決定了土壤空隙的分布［7］。水分進(jìn)入土壤后成為土壤水的過(guò)程就是土壤水分入滲［8］，其本質(zhì)是水分進(jìn)入土壤后流動(dòng)并且不斷下滲的過(guò)程，其流動(dòng)的速率在很大程度上受土壤孔隙的影響。土壤水分入滲速度越快，地表徑流量相對(duì)減少，土壤對(duì)水分的貯藏能力越強(qiáng)，越有利于減少水土流失。土壤的水分入滲能力對(duì)水土流失、土壤水分含量的多少以及生態(tài)環(huán)境的水土保持能力具有重要作用。土壤團(tuán)聚體在土壤水分入滲過(guò)程中起著很大的作用。目前，對(duì)土壤水分入滲研究的相關(guān)文獻(xiàn)很多［9－12］，而關(guān)于土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤水分入滲的影響少有研究。此外，從土壤層面，研究生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，也是區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不可忽視的一部分，以之彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的生態(tài)效應(yīng)評(píng)估。為此，筆者選取川中丘陵地區(qū)，研究巨桉人工林地土壤的水分入滲特性，以期為巨桉人工林的栽種培育及生態(tài)效應(yīng)的綜合評(píng)估提供理論參考。

1 材料與方法

1．1 材料

1．1．1 土壤樣品 在川中丘陵地區(qū)，選擇4 年生的巨桉純林（CL）、巨桉＋果樹（LG）、巨桉＋糧食作物（LL）土壤，以棄耕地（QG）土壤為對(duì)照（CK），共計(jì)采集土壤樣品20個(gè)及土壤原狀土若干，樣地選擇情況詳見(jiàn)表1。

1．1．2 儀器 TTF－100型土壤團(tuán)粒分析儀，浙江省上虞市舜龍實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1．2 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要在內(nèi)江市東興區(qū)，位于四川盆地中部的長(zhǎng)江以北以及沱江、涪江和嘉陵江的中下游沱江流域［13］，是我國(guó)最典型的方山丘陵區(qū)。經(jīng)緯度為29°29′～29°48′N、105°04′～105°20′E，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫15～28℃，1 月均溫6～8℃，7月均溫26～28℃；年降雨量1 000mm 以下，多分布在夏季，約占全年雨量的60%，高溫期與多雨季基本一致，春季約占17%，冬季僅占4%，春夏旱出現(xiàn)頻率高。主要土壤類型：紫色土，占耕地面積的54．24%，以泥巖和砂巖為主，大部分為鈣質(zhì)膠結(jié)，一般含有數(shù)量不等的碳酸鈣；水稻土類，占耕地面積的41．21%；黃壤，占耕地面積的3．20%，母質(zhì)有砂巖、頁(yè)巖和花崗巖等風(fēng)化物；新積土類，占耕地面積的0．92%；黑色石灰土類，占耕地面積的0．15%。

1．3 土樣采集方法

于2013年8月，在野外確定采集樣地后，去除土壤表層覆蓋層，每種樣地內(nèi)設(shè)置20m×20 m 采樣單元，每個(gè)單元內(nèi)按照S型，避開(kāi)河邊，林邊，特殊位置設(shè)定5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣地在0～20cm 深度內(nèi)采集土樣約1kg，共采集20個(gè)樣品，樣品采集好后，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定；同時(shí)使用環(huán)刀采集土壤原狀土，用于水分入滲試驗(yàn)。

1．3 室內(nèi)測(cè)定方法

1．3．1 理化性質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤團(tuán)聚體采用機(jī)械干篩法（分別過(guò)5mm，2mm，1mm，0．5mm，0．25mm 篩）和濕篩法（TTF－100型土壤團(tuán)粒分析儀）分別進(jìn)行測(cè)定。

1．3．2 水分入滲力 將環(huán)刀上、下蓋取下后在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將環(huán)刀取出，在取土環(huán)刀上端增加一個(gè)空環(huán)刀，先用醫(yī)用膠布封好接口處，再通過(guò)透明膠布外封，嚴(yán)防從接口處漏水，將結(jié)合的環(huán)刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下放置一燒杯。往上面的空環(huán)刀中加水，保持水面比上部的環(huán)刀口低1mm，加水后從漏斗滴第1 滴水時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)開(kāi)始后的前5min內(nèi)，每1min更換燒杯1次，分別量出滲入量。此后每間隔5min更換燒杯1次，每更換一次燒杯要將上面環(huán)刀中水面加至原來(lái)的高度，以連續(xù)5次更換的燒杯內(nèi)水量相同時(shí)即為穩(wěn)滲。最后測(cè)得水分入滲速率［14］。

1．4 研究方法

1．4．1 不同樣地類型中土壤粒徑的分布 通過(guò)機(jī)械干篩法和土壤團(tuán)粒分析儀，分別測(cè)得土壤干篩團(tuán)聚體和濕篩團(tuán)聚體的百分比含量。

1．4．2 不同林地下土壤團(tuán)聚體與容重的多重比較

選取干篩和濕篩得出的2個(gè)粒徑指標(biāo)，另選取土壤容重指標(biāo)，利用Duncan法對(duì)4 種樣地類型下的土壤團(tuán)聚體、容重進(jìn)行多重比較。

1．4．3 不同林地下土壤水分入滲速率 設(shè)0min、5min、15min、30min和45min 5個(gè)時(shí)段，測(cè)定不同時(shí)間段的水分入滲速率（mm／min）。

1．4．4 土壤干（濕）篩團(tuán)聚體與容重和土壤水分入滲速率的相關(guān)性 選取土壤的干（濕）篩團(tuán)聚體、容重以及水分入滲速率幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出其相關(guān)系數(shù)的矩陣結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同樣地類型中土壤粒徑的分布

從表2看出，4種不同樣地類型的土壤粒徑，干篩和濕篩組成主要集中在＞5mm 和2～5mm 粒徑范圍內(nèi)，以＞5mm 粒徑含量最高，土壤大團(tuán)聚體含量較多。＞5 mm 粒徑，巨桉純林（CL）和棄耕地（QG）的含量較高。土壤干篩團(tuán)聚體大小依次為棄耕地（QG）＞巨桉純林（CL）＞巨桉＋果樹（LG）＞巨桉＋糧食作物（LL），其占比分別為75．84%、67．90%、44．91%和42．62%；土壤濕篩團(tuán)聚體大小依次為巨桉純林（CL）＞棄耕地（QG）＞巨桉＋糧食作物（LL）＞巨桉＋果樹（LG），其占比分別為63．32%、53．49%、23．47%以及12．79%。另外，在干篩和濕篩各粒徑含量中，粒徑大小占比最少的主要集中在0．25～0．5 mm；在＞5 mm、2～5mm、和1～2mm 3個(gè)粒徑范圍，干篩團(tuán)聚體占比均高于濕篩；而0．5～1 mm、0．25～0．5 mm和＜0．25mm 3個(gè)粒徑范圍，干篩團(tuán)聚體占比均小于濕篩。經(jīng)對(duì)不同林地土壤粒徑進(jìn)行單因素方差分析，得出干篩粒徑在0．05 顯著水平的臨界值F＝30．410＞F0．05（5，18）＝2．772，濕篩土壤粒徑在0．05顯著 水 平 的 臨 界 值F ＝3．870＞F0．05（5，18）＝2．772。表明，不同林地對(duì)土壤粒徑形成的影響差異顯著。

表2 不同樣地類型土壤各粒徑的含量分布Table 2 Content distribution of different soil aggregates from different land utilization patterns

2．2 不同林地土壤團(tuán)聚體與容重的多重比較

從表3可見(jiàn)，＞5mm 和2～5mm 干篩土壤團(tuán)聚體，巨桉＋果樹（LG）和巨桉＋糧食作物（LL）與巨桉純林（CL）和棄耕地（QG）差異顯著。＞5mm濕篩干篩團(tuán)聚體，各種樣地類型差異均較為顯著，且巨桉純林與巨桉＋糧食作物2種樣地類型之間呈極顯著差異；2～5mm 濕篩團(tuán)聚體無(wú)明顯差異。土壤容重，巨桉＋果樹最大，為1．55；其次為巨桉＋糧食作物，為1．53；巨桉純林和棄耕地最小，為1．51；且4種樣地類型無(wú)顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)，各土地利用類型差異較顯著，巨桉＋果樹和巨桉＋糧食作物2種樣地類型呈極顯著差異，各樣地類型依次為巨桉＋果樹＞巨桉純林＞棄耕地＞巨桉＋糧食作物。

總體上，棄耕地和巨桉純林2個(gè)樣地類型的水分入滲能力較強(qiáng)，其次為巨桉＋糧食作物，巨桉＋果樹水分入滲能力最弱。Duncan法得出各土壤的大團(tuán)聚體含量的不同，4種樣地類型的差異較明顯。

表3 4種樣地類型土壤干（濕）篩團(tuán)聚體、容重的差異顯著性比較Table 3 Volume weight of soil aggregates of four land utilization patterns under dry and wet screening conditions

2．3 不同林地土壤水分的入滲速率

從表4 看出，4 種樣地類型初始入滲速率、5min、45min和穩(wěn)滲時(shí)4個(gè)時(shí)間段的入滲速率都呈現(xiàn)出棄耕地（QG）＞巨桉純林（CL）＞巨桉＋糧食作物（LL）＞巨桉＋果樹（LG）。其中，開(kāi)始5min時(shí)入滲速率最大，巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄 耕 地 分 別 為41．68 mm／min、13．84mm／min、41．36mm／min、和51．75mm／min。45min時(shí)入滲速率值最小，巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄耕地分別為15．76 mm／min、11．74 mm／min、12．28 mm／min 和15．80 mm／min；而15 min 和30min，水分入滲速率依次為巨桉純林棄耕地＞巨桉＋糧食作物＞巨桉＋果樹；4個(gè)樣地類型的平均入滲速率大小與穩(wěn)滲入滲速率相同，而巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄耕地達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間分別為60min、45min、55min和50min。

表4 不同樣地類型土壤的水分入滲速率Table 4 Water infiltration rate of soils of different land utilization patterns

表5 土壤團(tuán)聚體與水分入滲的相關(guān)性Table 5 Correlation between soil aggregate and water infiltration

2．4 土壤干（濕）篩團(tuán)聚體與容重和土壤水分入滲速率的相關(guān)性

土壤的物理性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體含量及大小有密切的關(guān)系，土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤質(zhì)量、水分入滲以及抗侵蝕能力的強(qiáng)弱有較大關(guān)系。由表5可知，土壤平均水分入滲速率與＞5mm 干篩團(tuán)聚體、＞5mm 濕篩團(tuán)聚體、2～5 mm 濕篩團(tuán)聚體表現(xiàn)為正相關(guān)趨勢(shì)。其中，與＞5mm 干篩團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)，與2～5mm 干篩團(tuán)聚體以及容重呈顯著負(fù)相關(guān)。

相關(guān)分析結(jié)果表明，＞5mm 干篩團(tuán)聚體、濕篩團(tuán)聚體和2～5mm 濕篩團(tuán)聚含量越大土壤平均水分入滲能力越強(qiáng)。這是由于選取研究的不同樣地類型中，土壤團(tuán)聚體主要集中在＞5mm、2～5mm 粒徑范圍內(nèi)，土壤大團(tuán)聚體含量較高，而隨著土壤大團(tuán)聚體含量增多，土壤孔隙度在土壤中所占百分比得到提高，水分入滲能力相應(yīng)增強(qiáng)，容重與平均水分入滲速率為負(fù)相關(guān)關(guān)系。整體上看，土壤團(tuán)聚體在一定程度上可以反映水分入滲速率的大小，即土壤團(tuán)聚體含量特別是大團(tuán)聚體含量越高，土壤水分入滲速率越快。

3 結(jié)論與討論

1）研究結(jié)果表明，不同樣地類型的水分入滲速率各不相同，依次為棄耕地＞巨桉純林＞巨桉＋糧食作物＞巨桉＋果樹。不同樣地類型的土壤團(tuán)聚體差異顯著，且團(tuán)聚體含量主要集中于＞5mm 和2～5mm 粒徑范圍內(nèi)，大團(tuán)聚體含量較高。＞5mm 團(tuán)聚體含量中棄耕地與巨桉純林的干（濕）篩團(tuán)聚體均大于巨桉＋果樹和巨桉＋糧食作物。經(jīng)方差分析，干 篩和濕 篩 團(tuán) 聚 體 在0．05 顯 著 水 平（F＞F0．05＝2．772）下4種不同用地類型對(duì)土壤粒徑形成的影響差異較顯著。

2）水分入滲速率隨時(shí)間的變化而變化，即開(kāi)始入滲速率較小，隨時(shí)間的延長(zhǎng)水分入滲速率開(kāi)始增高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，降低速率慢慢趨于穩(wěn)滲。研究結(jié)果表明，棄耕地＞巨桉純林＞巨桉＋果樹＞巨桉＋糧食作物。經(jīng)相關(guān)分析，土壤水分入滲速率與團(tuán)聚體之間呈正相關(guān)，且差異顯著。說(shuō)明，土壤團(tuán)聚體含量對(duì)水分入滲影響較大，即土壤團(tuán)聚體含量特別是大團(tuán)聚體含量的增加，水分入滲也隨之增強(qiáng)?？傊?，棄耕地和巨桉純林的水分入滲速率較快，相比另外2個(gè)樣地類型的水分入滲速率較慢。另外，穩(wěn)滲時(shí)間也以棄耕地和巨桉純林兩地較長(zhǎng)，證明其總的水分入滲量較大，更加有利于減少水土流失，水土保持能力較好。

3）土壤粒徑的分布對(duì)土壤持水力、土壤肥力具有重要的影響，同時(shí)與土壤退化和侵蝕有著直接的關(guān)系［15］。土壤中大團(tuán)聚體含量越多，能有效改善土壤的入滲能力、土壤持水量以及土壤的孔隙度［16］。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)與土壤容重有較大的關(guān)系，隨著土壤容重的增加，在一定程度上會(huì)破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少土壤的大空隙，增加土壤的緊實(shí)度，降低土壤水分入滲能力。土壤容重的含量越小其水分入滲能力越強(qiáng)［17］。

4）不同林地土壤團(tuán)聚體含量的分布有很大的差異。巨桉＋糧食作物和巨桉＋果樹2 個(gè)樣地類型＞5mm土壤團(tuán)聚體含量小于另外2個(gè)樣地類型，這是由于人為對(duì)土壤進(jìn)行耕作、翻挖減少了土壤大團(tuán)聚體含量，使土壤小粒徑的團(tuán)聚體增多，降低了土壤的孔隙度；另一方面，棄耕地和巨桉純林2個(gè)樣地類型大團(tuán)聚體含量較高，因人為擾動(dòng)減少和容重含量較小有很大的關(guān)系。

5）在區(qū)域尺度內(nèi)，農(nóng)業(yè)各部門產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林種的選擇，都將對(duì)當(dāng)?shù)氐拇髿?、土壤環(huán)境造成不同的影響。而通過(guò)生態(tài)服務(wù)價(jià)值測(cè)算出來(lái)的林地生態(tài)效應(yīng)，則忽略了土壤層面的因素，對(duì)區(qū)域生態(tài)效應(yīng)的評(píng)估也顯得片面。對(duì)林地土壤水滲透的研究，可以彌補(bǔ)以上不足，更全面地研究林業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，合理地對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

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