關(guān)帝山不同植被恢復(fù)類型土壤抗蝕性研究

關(guān)帝山不同植被恢復(fù)類型土壤抗蝕性研究

關(guān)帝山林區(qū)位于山西省西部。文峪河是汾河支流的發(fā)源地。該地區(qū)是中國北方高海拔地區(qū)的代表性森林植被。這里的森林植被發(fā)揮著一定的土壤保持和水源涵養(yǎng)功能［１］,但是區(qū)內(nèi)的部分人工林由于樹種組成單一,林下植被稀少,長期生長或多代連栽后導(dǎo)致林地土壤性質(zhì)存在一定的退化危險(xiǎn)［２］,加之人為樵伐、采藥、放牧等活動(dòng)的影響,存在著不同程度的土壤侵蝕現(xiàn)象,給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來了一定的負(fù)面影響［３］。在土壤侵蝕過程中,土壤性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的發(fā)生和強(qiáng)度有著重要的影響,而不同的氣候條件、土地利用方式、林木經(jīng)營方式等影響著土壤的性質(zhì)特征,進(jìn)而也影響著土壤的抗侵蝕性能［４］。土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力,是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應(yīng),它是評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕營力破壞性能和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。土壤抗蝕性的大小主要取決于土粒與水的親和力及土粒間的膠結(jié)力,與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)關(guān)系密切。不同的植被恢復(fù)類型,由于其地上覆蓋狀況、地下根系條件及土壤有機(jī)質(zhì)含量等方面存在差異,從而導(dǎo)致土壤具有不同的抗蝕能力。目前,植被恢復(fù)后對(duì)黃土區(qū)侵蝕環(huán)境下的土壤質(zhì)量演變已有部分研究［５－８］,但大都集中在植被恢復(fù)后土壤理化性質(zhì)的演變方面［９，１０］,而對(duì)土壤抗侵蝕性的演變的報(bào)道較少。所以,本文選用土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤顆粒組成、水穩(wěn)性指數(shù)、分散系數(shù)、團(tuán)聚度等評(píng)價(jià)土壤抗蝕性的指標(biāo),研究關(guān)帝山林區(qū)不同植被恢復(fù)類型下土壤抗蝕性能,并分析影響土壤抗蝕性的內(nèi)在因素,以期為該區(qū)林木經(jīng)營及土壤侵蝕與水土保持研究提供一定的理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種及立地條件關(guān)帝山位于山西省西部呂梁山脈中段,地理坐標(biāo)(111°21′-111°37′E,37°45′-37°59′N),海拔1600~2830m,該區(qū)屬暖溫帶大陸性山地氣候區(qū),春季干燥少雨,夏季短暫多雨,秋季陰雨潮濕,冬季寒冷干燥。年平均氣溫4.3℃。年平均降水量822.6mm,降雨多集中在7-9月份,該時(shí)段降水量為全年降水量的83%以上。同時(shí),該區(qū)也是山西省的暴雨多發(fā)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)選在關(guān)帝山林區(qū)的八道溝,區(qū)內(nèi)恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)喬木樹種為華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(包括青杄(Piceameyeri)和白杄(P.wilsonii))、遼東櫟(Quercusliaotungensis)以及白樺(Betulaplatyphlla)、紅樺(B.albo-sinensis)和山楊(P.davidiana)等,林相較為整齊,郁閉度0.6~0.7,林齡40~60a。灌木叢主要有沙棘(Hippophaerhamnoides)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等。草本主要有紫花苜蓿(Medica-gosativa)、鹿蹄草(Pyrolarotundifolia)、毛茛(Ranunculusjaponicus)等。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤類型主要為山地褐土和山地淋溶褐土,林下灌草植被因喬木層林冠郁閉度的差異而不同。本實(shí)驗(yàn)選取八道溝內(nèi)具有代表性的恢復(fù)植被華北落葉松人工林、天然次生楊樺闊葉林、天然次生云杉-華北落葉松-楊樺針闊混交林(下文中簡(jiǎn)稱針闊混交林)、人工沙棘灌木林等4種類型,并在各植被類型內(nèi)選取坡向、坡度、坡位基本一致的地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)樣地(20m×20m),并選擇在該區(qū)分布較多的撂荒地(2005年棄耕)為對(duì)照,對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地土壤抗蝕性進(jìn)行研究。各標(biāo)準(zhǔn)地基本特征見表1。1.2土壤有機(jī)碳及微生物特征2012年6月中旬,分別在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選取有代表性的5個(gè)采樣點(diǎn),劃出30cm×30cm的小樣方,在每一小樣方內(nèi)用環(huán)刀采集0-20cm深原狀土,測(cè)定土壤容重;同時(shí)用硬質(zhì)塑料盒采集該深度原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室處理,分兩份,一份用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體;另一份磨細(xì)后過篩(孔徑0.25mm),分別測(cè)定土壤有機(jī)碳含量、微團(tuán)聚體含量及機(jī)械組成。土壤風(fēng)干團(tuán)聚體含量測(cè)定采用沙維諾夫干篩法;水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用Yoder［１１］濕篩法;土壤機(jī)械組成和微團(tuán)聚體采用吸管法測(cè)定;有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法。1.3土壤團(tuán)聚體平均重量直徑mwd共選擇了11個(gè)土壤抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo),分別為:(1)土壤有機(jī)碳含量(g/kg);(2)>0.25mm團(tuán)聚體含量(%);(3)>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(%);(4)濕篩團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD濕)(mm),計(jì)算采用邱莉萍［１２］等推導(dǎo)的公式:MWD濕=∑XｉWｉ(i=0,1,2,…,n),式中MWD濕為濕篩團(tuán)聚體平均重量直徑,Xｉ為濕篩每一級(jí)別團(tuán)聚體的平均直徑(mm),Wｉ為濕篩每一級(jí)別團(tuán)聚體的重量百分?jǐn)?shù);(5)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(%)=>0.25mm團(tuán)聚體分析值(干篩-濕篩)/>0.25mm團(tuán)聚體干篩分析值×100%;(6)團(tuán)聚體水穩(wěn)性指數(shù)(%);(7)分散率(%)=<0.001mm微團(tuán)聚體分析值/<0.001mm機(jī)械組成分析值×100%;(8)土壤團(tuán)聚狀況(%)=>0.05mm微團(tuán)聚體分析值->0.05mm土壤機(jī)械組成分析值;(9)團(tuán)聚度(%)=團(tuán)聚狀況/>0.05mm微團(tuán)聚體分析值×100%;(10)<0.01mm黏粒含量(%);(11)土壤容重(g/cm３)。采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初期處理,使用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。2結(jié)果與分析2.1土壤團(tuán)聚體質(zhì)量變化干篩土壤團(tuán)聚體含量反映團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性,即團(tuán)聚體抵抗外力免被壓碎或抵抗外部環(huán)境變化而保持原有形態(tài)的能力。從表2可知,不同林地與撂荒地相比較,0-20cm土層>0.25mm土壤團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),針闊混交林、楊樺闊葉林、沙棘灌木林、華北落葉松林分別較撂荒地提高了45%,37%,25%,20%;針闊混交林的團(tuán)聚體含量最高,達(dá)到93.10%,這表明,植被恢復(fù)均對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有改善作用,均能提高土壤大團(tuán)聚體含量,能不同程度的增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性。風(fēng)干土壤團(tuán)聚體含量由大到小順序?yàn)?針闊混交林>楊樺闊葉林>沙棘灌木林>華北落葉松林>撂荒地。林地土壤團(tuán)聚體破壞率范圍為32.89%~36.21%,均顯著低于撂荒地(42.90%)(P<0.05)。華北落葉松林與楊樺闊葉林、針闊混交林之間差異均不顯著,而華北落葉松林和楊樺闊葉林與沙棘灌木林之間差異顯著。用團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率評(píng)價(jià),土壤抗蝕性強(qiáng)弱順序?yàn)?沙棘灌木林>針闊混交林>華北落葉松>楊樺闊葉林>撂荒地,林地的抗蝕性能顯著優(yōu)于撂荒地。用土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD濕)來作為反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的綜合指標(biāo)。MWD濕值越大,表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越強(qiáng),抵抗雨滴、徑流分散能力越強(qiáng)。MWD濕大小變化為:針闊混交林>楊樺闊葉林=沙棘灌木林>華北落葉松>撂荒地。分別取不同樣地0-20cm土層3~5mm風(fēng)干團(tuán)聚體50粒用浸水崩解法［１１］測(cè)定土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性指數(shù),水穩(wěn)性指數(shù)越大,說明土壤團(tuán)聚體在水的浸泡下破碎所用時(shí)間越長,團(tuán)聚體水穩(wěn)定性越好,抗蝕能力越強(qiáng)。針闊混交林的水穩(wěn)性最大(33.51%),撂荒地最小(10.73%),針闊混交林較撂荒地增加了212%,針闊混交林和其他3種林地之間以及各林地和撂荒地之間差異顯著(P<0.05)。華北落葉松、楊樺闊葉林和沙棘灌木林之間差異不顯著,但較撂荒地均有顯著提高,其水穩(wěn)性指數(shù)分別比撂荒地提高159%,134%,163%。2.2種林分樣品有機(jī)碳含量與土壤容重的關(guān)系土壤有機(jī)碳是植物所需養(yǎng)分和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來源,同時(shí)土壤有機(jī)碳能改善土壤理化性狀,增強(qiáng)土壤抗蝕性能。從表2中不同植被類型土壤有機(jī)碳含量分析得出,針闊混交林的有機(jī)碳含量與其它林地及撂荒地之間有顯著差異(P<0.05),其他3種林地間差異不顯著,但與撂荒地間均存在差異顯著。4種林地有機(jī)碳含量順序?yàn)?針闊混交林>楊樺闊葉林>沙棘灌木林>華北落葉松林,分別比撂荒地提高了162%,110%,84%,64%。分析其原因,主要是由于本研究中的針闊混交林和楊樺闊葉林為天然次生林,其林分結(jié)構(gòu)完整,環(huán)境較穩(wěn)定,地表植物豐富,林下枯落物多,腐殖質(zhì)層較厚,碳積蓄豐富;而人工華北落葉松林群落結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,灌木較少,枯落物分解程度低,其有機(jī)碳含量較低。土壤容重是表征土壤緊實(shí)度的指標(biāo),也是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。土壤容重越小,表明土壤越疏松,孔隙愈多;反之,則表明土壤土體緊實(shí),結(jié)構(gòu)性差,孔隙少。分析不同植被類型土壤容重的變化(見表2)得出,針闊混交林和楊樺闊葉林的容重較小,與其他林地及撂荒地間差異顯著;撂荒地的容重值最大,說明其土壤的孔隙性及結(jié)構(gòu)性最差,抗蝕能力也最差。2.3土壤團(tuán)聚、土壤分散率與有機(jī)碳含量、全氮、全磷、全磷的關(guān)系影響土壤微團(tuán)聚體特性的因素很多,有研究表明［１３］土壤團(tuán)聚狀況、團(tuán)聚度與有機(jī)碳含量、全氮、全磷呈顯著正相關(guān);分散率與全氮、堿解氮、全磷、速效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。其他因素對(duì)微團(tuán)聚體特性的影響還有待以后作進(jìn)一步的研究。2.4土壤理化性質(zhì)與土壤抗蝕性的關(guān)系選取土壤有機(jī)碳含量(X１)、>0.25mm團(tuán)聚體含量(X２)、>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X３)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD濕)(X４)、結(jié)構(gòu)破壞率(X５)、水穩(wěn)性指數(shù)(X６)、分散率(X７)、土壤團(tuán)聚狀況(X８)、團(tuán)聚度(X９)、<0.01mm物理性黏粒含量(X１０)、土壤容重(X１１)等11個(gè)與土壤抗蝕性較為密切的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(見表4)。分析表明,土壤有機(jī)碳含量與各抗蝕性指標(biāo)間關(guān)系密切,尤其是與>0.25mm團(tuán)聚體含量(r=0.989＊＊)、>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(r=0.969＊＊)和MWD濕(r=0.978＊＊)之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤水穩(wěn)性指數(shù)間(r=0.885＊)是顯著正相關(guān)關(guān)系,表明土壤有機(jī)碳含量的增加有助于提高土壤大團(tuán)聚含量及其穩(wěn)定性。>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及水穩(wěn)性指數(shù)也是影響土壤抗蝕性的很重要的兩個(gè)指標(biāo),>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與MWD濕間顯著正相關(guān)(r=0.940＊),與土壤水穩(wěn)性指數(shù)間顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.937＊),水穩(wěn)性指數(shù)和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率之間是顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.921＊)。另外,其它各個(gè)指標(biāo)間也都有不同程度的相關(guān)性。2.5土壤有機(jī)碳的信息來源由于各個(gè)抗蝕性指標(biāo)間信息重疊,相互間又有一定的關(guān)聯(lián)性,因此用主成分分析法,在不會(huì)損失很多信息的基礎(chǔ)上以較少主成分來代替原有指標(biāo),構(gòu)建土壤抗蝕性評(píng)價(jià)模型,并計(jì)算綜合主成分值,來評(píng)價(jià)不同植被類型土壤抗蝕性能。本研究選取了與2.3節(jié)中相關(guān)性分析一致的11個(gè)土壤抗蝕性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。提煉出3個(gè)主成分(見表5),其特征值分別為7.746,1.797和1.244,三者累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)98.07%,占總變異的絕大部分,信息量損失僅1.93%,可以滿足主成分分析對(duì)信息損失量的要求。第1主成分主要解釋了土壤有機(jī)碳(X１)、>0.25mm團(tuán)聚體(X２)、>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(X３)、MWD濕(X４)、水穩(wěn)性指數(shù)(X６)、土壤團(tuán)聚狀況(X８)、團(tuán)聚度(X９)、土壤容重(X１１)等信息,表明土壤有機(jī)碳含量、>0.25mm團(tuán)聚體含量、>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、MWD濕、水穩(wěn)性指數(shù)和微團(tuán)聚體團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度越大,土壤的抗蝕性能越強(qiáng),而土壤容重大,土壤抗蝕性能越弱;第2主成分主要解釋了土壤分散率(X７)的信息;第3主成分主要解釋了<0.01mm物理性黏粒含量(X１０)的信息。據(jù)主成分分析結(jié)果,可得到成分得分系數(shù)矩陣,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化處理的各變量可得出第一、第二、第三主成分表達(dá)式分別為:Y１=0.357ZX１+0.359ZX２+0.349ZX３+0.344ZX４-0.256ZX５+0.310ZX６-0.203ZX７+0.303ZX８+0.317ZX９+0.098ZX１０-0.316ZX１１;Y２=-0.011ZX１-0.031ZX２-0.165ZX３+0.018ZX４+0.496ZX５-0.348ZX６-0.611ZX７+0.167ZX８+0.310ZX９+0.328ZX１０+0.011ZX１１;Y３=0.084ZX１-0.018ZX２+0.048ZX３+0.259ZX４-0.157ZX５+0.110ZX６+0.051ZX７-0.407ZX８-0.119ZX９+0.768ZX１０+0.340ZX１１。據(jù)此計(jì)算各個(gè)主成分值(見表6)。3不同植被恢復(fù)的土壤抗蝕性(1)研究結(jié)果表明,不同植被恢復(fù)類型下,0-20cm土層>0.25mm的風(fēng)干及水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著增加,土壤MWD濕和水穩(wěn)性指數(shù)均顯著增大,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率和土壤容重減小,同時(shí)植被恢復(fù)也改善了土壤微團(tuán)聚狀況,使微團(tuán)聚體的分散率降低,團(tuán)聚度增加。和撂荒地相比,土壤結(jié)構(gòu)得到了大大改善,土壤抗蝕性能顯著增強(qiáng)。(2)不同植被類型的土壤抗蝕性能存在著一定的差異。由于針闊混交林林型復(fù)雜,林下又有較多灌草覆蓋,土壤表層根系發(fā)達(dá),枯落物輸入量多,土壤有機(jī)碳、總氮和微生物總量較高,土壤有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化較快［１４］,利于土壤良好結(jié)構(gòu)體的形成,因而針闊混交林在增加土壤抗蝕性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。華北落葉松林土壤團(tuán)聚體含量最少,主要是由于華北落葉松人工林樣地郁閉度較高,林下植被主要以一些耐陰的草本為主,林型相對(duì)單一,地表枯落物輸入量少且多含難以分解的木質(zhì)素、單寧、樹脂和蠟質(zhì)等物質(zhì),使得該植被類型下的土壤有機(jī)碳和總氮含量較少且分解轉(zhuǎn)化較慢［１５］,不利于較多水穩(wěn)性團(tuán)聚體和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,所以其抗蝕性在所選林地中是最差的。楊樺闊葉林郁閉度較小,雖然林地枯落物量和華北落葉松人工林相比較少(見表1),但其林下灌草植被豐富,植物根系分布較多,土壤有機(jī)質(zhì)的總歸還量較大,并且楊樺闊葉林地土壤有機(jī)殘?bào)w較華北落葉松林易于分解轉(zhuǎn)化,致使土壤中的腐殖質(zhì)含量較多［１６］,所以楊樺闊葉林地土壤團(tuán)聚體含量較華北落葉松林多且團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也較強(qiáng),抗蝕性能也較強(qiáng)。沙棘灌木林地和其他林地相比較,在同等郁閉度下雖然其枯落物量最少,但其表層土壤內(nèi)根系分布較多,根系腐爛物和分泌物較多,且其根系有很好的固氮作用,能對(duì)土壤起到很好的改良作用,所以和撂荒地相比能大大增加土壤團(tuán)聚體的含量及穩(wěn)定性,增強(qiáng)了其抗蝕性能。(3)通過選取土壤有機(jī)碳、>0.25mm團(tuán)聚體含量等11個(gè)與土壤抗蝕性密切相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,提煉出3個(gè)主成分,三者累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)98.07%,可以較全面地描述土壤的抗蝕性能,并確定了土壤抗蝕性的綜合評(píng)價(jià)模型,即Y=0.718Y１+0.167Y２+0.115Y３,據(jù)此計(jì)算綜合性主成分值,得出不同植被恢復(fù)類型土壤抗蝕性強(qiáng)弱順序?yàn)?針闊混交林>楊樺闊葉林>沙棘灌木林>華北落葉松林>撂荒地?？傊?林地土壤抗蝕性優(yōu)于撂荒地,天然次生混交林優(yōu)于人工純林,人工營造的華北落葉松林的土壤抗蝕性能較差,建議在該區(qū)為促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)的營林過程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人工林的管護(hù)措施,以提高其群落整體生態(tài)效應(yīng),增強(qiáng)其水源涵養(yǎng)和水土保持功能。濕篩法得到的是土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體,>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用。因其具有一定的抵抗雨滴沖擊、徑流分散及懸浮能力,是衡量土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)之一。從表2可知,不同類型林地0-20cm土層>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均較高(49.92%~60.67%),和撂荒地相比差異都達(dá)