南京紫金山靈谷寺不同林地土壤抗蝕性研究

姜愛國, 萬福緒, 胡 菲

(南京林業(yè)大學 林學院, 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，而且對生態(tài)環(huán)境有著極大的破壞作用，嚴重影響了當?shù)亟?jīng)濟文化的可持續(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)密切相關的評價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防治土壤侵蝕有著十分關鍵的作用，幾十年來國內(nèi)外研究者一直關注著土壤抗蝕性研究的進展[3-6]。雖然對土壤抗蝕性的評價指標還沒有形成統(tǒng)一的共識，各指標的權重也沒有相同的標準，但結論仍然大體一致[7-9]。各研究選取的指標總體上是相同的，包括土壤的基本理化性質(zhì)、團聚體的特征和土壤根系指標等[10-13]。不同的是各位研究者對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柏木低效林改造不同模式的土壤抗蝕能力進行分析[14]；趙錦梅運用灰色關聯(lián)度對東祁連山不同高寒灌叢草地土壤的抗蝕能力進行研究[15]；張超對影響黃土丘陵區(qū)不同林齡人工刺槐林土壤抗蝕性的各種因素進行相關性分析[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。

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象，基于試驗數(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、合理種植提供科學依據(jù)和理論指導。

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，相對高差420 m，屬亞熱帶季風氣候，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130 hm2。試驗地林分以麻櫟(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，試驗地基本情況見表1。

表1 試驗地基本情況

2 研究內(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20 m×20 m的樣方進行常規(guī)調(diào)查，記錄其海拔、坡度、坡向、胸徑等常規(guī)指標，見表1。

2.2 土壤基本理化性質(zhì)的測定

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

2.3 土壤抗蝕指數(shù)測定

從各土層風干土樣中選取直徑5～7 mm土粒50顆，使用靜水崩解法測定其抗蝕指數(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)沒有分散的土粒數(shù)；A為試驗的總土粒數(shù)。

2.4 土壤團聚體等指標測定

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

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行處理分析；使用主成分分析法分析不同樣地土壤。

3 結果分與析

3.1 不同林分土壤抗蝕性變化特征

采用靜水崩解法測定和計算的抗蝕指數(shù)是反映土體抗水蝕的重要指標[19]。對研究區(qū)的四種林下土壤進行分層測驗，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，見表3。從三層土壤的抗蝕指數(shù)對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質(zhì)含量較高，對土壤的改良較好，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。其原因是枯落物對土壤表層有保護和改良的效果，增加土壤有機質(zhì)，全面改善土壤結構，使得表層土壤不易被侵蝕。深層土壤無法得到和表層土壤一樣的改善效果，所以對比表層表現(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)隨浸水時間的變化趨勢見圖1，隨著浸水時間的增加，各林分土壤的抗蝕指數(shù)均有著下降的趨勢。說明隨著降雨時間的延長，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)要高于其他樹種。

利用統(tǒng)計軟件SPSS 22.0對四種樹種林下土壤抗蝕指數(shù)S隨浸水時間t的動態(tài)變化過程進行擬合，發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)的相關系數(shù)最高，因此采用二次多項式

S=at2+bt+c

式中：a，b為常數(shù)，0

3.2 不同林地土壤團聚體特征

土壤的物理性質(zhì)與團聚體的含量及其直徑大小有密切關系，團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)性團聚體含量下降，有一定的規(guī)律性，見表5。以平均值進行對比，發(fā)現(xiàn)其>0.25 mm的水穩(wěn)性團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

這主要是因為林地土壤的有機質(zhì)較高，而有機質(zhì)對土壤團聚體的形成有著促進作用，所以桂花林下土壤團聚體含量較高。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%)。因為桂花林下土壤的土壤膠結性較好，使得其團聚度較高、分散率低。綜合分析幾種林分的水穩(wěn)性團聚體，發(fā)現(xiàn)桂花林下土壤>0.25 mm和>0.5 mm的團聚體含量高于其他林分，并且其團聚度最高，分散率最少。使用SPSS 22.0對土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤團聚體特征進行Pearson相關分析，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)性團聚體含量在0.01水平上呈極顯著正相關，與>0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體在0.05水平上呈顯著相關，與其他性質(zhì)特征也有一定的相關性，但相關性較低。說明隨著土壤水穩(wěn)性團聚體含量的增加，土壤的結構會更好，會更加穩(wěn)定。

圖1 四種林分各層土壤抗蝕指數(shù)隨時間的變化

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(團聚度)、X9(分散率)、X10(>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量)、X11(>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量)、X12(有機質(zhì))、X13(全氮)、X14(有效磷)、X15(速效鉀)、X16(pH值)共16個指標進行主成分分析。從表6可以看出前三個主成分特征值均大于1，累計貢獻率達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)，滿足主成分分析對損失量的要求，所以可以選取前三個主要成分來進行抗蝕綜合性分析，從而確定最佳抗蝕指標。

表4 不同林分土壤抗蝕指數(shù)與浸水時間擬合方程

表5 研究區(qū)不同林分土壤團聚體特征

從表6中可以看出，第一主成分的貢獻率為64.658%，說明它對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(團聚度)、X11(>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體)、X12(有機質(zhì))、X13(全氮)等貢獻率最大。說明土壤總孔隙度越大，有機質(zhì)含量越高，全氮含量越高，團聚度越高，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量越高，Y1的值就越大，土壤抗蝕能力就越強。第二主成分的貢獻率為15.415%，說明它對土壤的抗蝕性有一定影響，其中X4(砂粒含量)與X5(粉粒含量)貢獻率最大，說明砂粒與粉粒含量指標也會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。第三主成分的貢獻率只有10.532%，其中X14(有效磷)與X15(速效鉀)會在一定程度上提升土壤的抗蝕能力。

根據(jù)主成分權重得出抗蝕性綜合評價指數(shù)：Y=0.714Y1+0.17Y2+0.116Y3。經(jīng)過計算得到麻櫟林、楓香林、桂花林和白櫟林的綜合評價值，見表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，這表明表層土壤的抗蝕能力要強于深層土壤。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 論

(1) 試驗區(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。對林地土壤的抗蝕指數(shù)S隨浸水時間t變化的過程進行擬合，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)與浸水時間呈二次多項式函數(shù)關系，其通式為S=at2+bt+c。說明隨著降雨時間的延長，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，與>0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體在0.05水平上呈顯著相關。團聚體含量越多則土壤的結構性越好，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)性團聚體含量明顯高于其他樹種，說明桂花林下土壤結構比其他樹種更好。

(3) 對土壤基本理化性質(zhì)、土壤團聚體特征共16個指標進行主成分分析發(fā)現(xiàn)總孔隙度、水穩(wěn)性指數(shù)、團聚度、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、有機質(zhì)、全氮對土壤抗蝕能力影響較強。通過計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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