文章信息
- 范川, 周义贵, 李贤伟, 张健, 廖洪流, 李凤汀, 冯茂松
- Fan Chuan, Zhou Yigui, Li Xianwei, Zhang Jian, Liao Hongliu, Li Fengting, Feng Maosong
- 柏木低效林改造不同模式土壤抗蚀性对比
- Comparison of Soil Anti-Erodibility of Different Modes for Reforming Low Efficiency Stands of Cupressus funebris
- 林业科学, 2014, 50(6): 107-114
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(6): 107-114.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140614
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文章历史
- 收稿日期:2013-02-07
- 修回日期:2014-03-17
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作者相关文章
2. 德阳市林业局 德阳 618000;
3. 雅安市林业局 雅安 625000
2. Forestry Bureau of Deyang Deyang 618000;
3. Forestry Bureau of Ya'an Ya'an 625000
土壤抗蚀性是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力。在土壤抗蚀性的研究中,不同研究者在理论、方法、试验装置、评价指标等方面均存在较大差异(牛德奎等,2004),但大部分研究是在一定的控制条件下通过测定土壤流失量或以土壤的某些性质作为土壤抗蚀性指标,进而对土壤抗蚀性进行评价(黄进等,2010)。关于土壤抗蚀性的评价,国内外还没形成统一的评价体系,对各指标的权重及作用也没有一致的结论,影响了土壤抗蚀性评价的客观性。常见的评价指标有抗蚀指数、有机质、水稳性团聚体、团聚度、团聚状况、分散率、分散系数等(赵洋毅等,2008;周刚等,2008)。抗蚀性大小不仅与土壤内在的理化性质密切相关(任改等,2009;董慧霞等,2008),还与植被因素有着十分密切的关系,同时植被也会影响土壤理化性质。相关研究表明:无林地土壤抗蚀性小于有林地(吴鹏等,2012;黄进等,2010),而不同植被下的土壤抗蚀性有明显的差异(任改等,2009;丛日亮等,2010)。阔叶林地抗蚀性>灌木林地>草地(赵洋毅等,2007)。林地土壤抗蚀性青冈(Cyclobalanopsis glauca)林>香樟(Cinnamomum camphora)林>杉木(Cunninghamia lanceolata)林>马尾松(Pinus massoniana)林>毛竹(Phyllostachys edulis)林>板栗(Castanea mollissima)林(黄进等,2010)。植被主要通过植物根系(卢喜平等,2004;董慧霞等,2007;许文远等,2011)、凋落物及其分解速率(任改等,2009;黄进等,2010;吴鹏等,2012)以及由植被引起的环境因子的变化等影响土壤的抗蚀性。
四川盆地川中丘陵区是水土流失严重的典型生态脆弱区。柏木(Cupressus funebris)林是四川盆地丘陵区的主要森林类型,在20世纪80年代的长江防护林工程建设中营建的柏木人工林因种种原因形成低效林分,其生境质量较差,林相残败,树种单一,结构简单,林地土壤侵蚀严重,生态系统服务功能低下。严重的土壤侵蚀极大地影响着长江中下游经济社会的可持续发展和相关重大水利工程效益的长久发挥。因此,本研究以四川省德阳市旌阳区柏木低效林改造不同模式为研究对象,通过对土壤抗蚀性众多指标进行分析,筛选影响土壤抗蚀性的主要因素,评价不同模式下林地土壤抗蚀性,以期为低效林分改造、提高人工林生态系统服务功能提供模式选择与理论基础。
1 研究区域与研究方法 1.1 研究区概况试验地设置在德阳市旌阳区(104°15′—104°35′E,31°1′—31°19′N)旌阳水库。旌阳区位于四川盆地成都平原边缘,旌阳水库位于德阳市中心东北的旌阳乡水库村。该区属中亚热带湿润型气候,海拔460~561 m,常年平均气温16.0 ℃,最高气温36.5 ℃,最低气温-6.7 ℃; 土壤为紫色土; 年平均日照时数1 215.4 h,年平均降雨量893.4 mm,其中夏季降雨量达536 mm,占年平均降雨量的60%,无霜期长达276天; 四季分明,气候温和,雨量充沛,日照较少,但易发生低温冻害、干旱、洪涝等自然灾害。
1.2 研究方法 1.2.1 样地设置在改造前的2002年,柏木平均胸径为5 cm,平均树高6 m,郁闭度0.6,整个林分的生境质量较差,树种单一,生物多样性低,林地土壤侵蚀严重。当年结合四川省林业厅“双百工程”项目实施计划,对柏木低效人工林进行改造,采取乔木层全砍重造、林隙造林和林下补植方式建立改造试验示范基地113 hm2,即: 麻栎(Quercus acutissima)+撑绿杂交竹(Bambusa pervariabilis× Dendrocalamopsis daii)模式(栎竹)、撑绿杂交竹模式、柏木+桤木(Alnus cremastogyne)+撑绿杂交竹模式(柏竹桤)、柏木+麻栎模式(柏栎)、柏木+撑绿杂交竹模式(柏竹)。改造后对水库周围林地建立围栏,实施封育管理。2010年12月选取经过改造、立地基本一致的5种模式及柏木纯林(对照)进行研究,每个模式分别布设20 m×20 m的样地3个,作为固定样地,样地基本情况见表 1。
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每样地按照“S”型确定3个采样点单独采样,每点采集20 cm×20 cm×20 cm的原状土块,共采集54块。土壤样品用铝制方形盒子包装并及时运回实验室。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动,以免破坏土壤结构。土壤密度及孔隙度用环刀法(陈立新,2005)。土壤抗蚀性采用静水崩解法测定(王忠林等,2000)。水稳性团聚体采用沙维诺夫湿筛法测定(董慧霞等,2008)。取大团聚体中>5 mm土粒,用直径5 mm孔的筛子选取直径5~7 mm的土壤团粒体150 粒,进行水浸试验,每次30 粒,5 次重复,取平均值。每隔1 min记录崩塌的土粒数,连续记录10 min,然后计算抗蚀指数。有机质的测定采用硫酸-重铬酸钾加热法(陈立新,2005)。20 cm×20 cm×20 cm的原状土块取完土样后,将根系放在0.5 mm细筛网中反复冲洗,获取干净植株根,将直径≤2 mm的细根在80 ℃恒温烘干至恒重,测其生物量。
1.2.3 数据处理与统计分析选取与抗蚀性密切相关的水稳性团聚体、土壤物理性质、有机质、细根含量4类14个指标: 水稳性指数X1; 抗蚀指数X2; >5 mm水稳性团聚体数量X3;0.5~5 mm水稳性团聚体数量X4; 0.25~0.5 mm水稳性团聚体数量X5; 有机质含量X6; 非毛管孔隙度X7; 毛管孔隙度X8; 总孔隙度X9; 结构性颗粒指数X10; 土壤密度X11; 水稳性团聚体平均质量直径X12; <0.01 mm物理性黏粒含量X13,0~20 cm土壤根系含量X14。
其中,X1=(∑Pi Ki+Pj)/A: Pi表示第i 分钟分散的土粒数,Ki表示第i 分钟的校正系数,Pj表示j分钟内没有分散的土粒数,A表示试验的土粒总数; j,i—1,2,3,…,10;
X2=(总土粒数-崩塌土粒数)/土粒总数×100%;
X10=黏粒(<0.001 mm)含量/粉粒(0.001~0.05 mm)含量;
X12=∑xiwi: xi为任一粒级范围内水稳性团聚体的平均直径,wi为对应于xi的团聚体百分含量;
其他指标采用常规方法进行计算。
数据统计及图表生成分别采用Microsoft office 2007和Origin 8.0软件进行,运用统计软件SPSS 19.0采用one-way ANOVA来分析模式对各指标的影响,采用Duncan法(P<0.05)评价差异显著性。用Pearson相关系数法评价指标间的关系。
2 结果与分析 2.1 不同改造模式对土壤水稳性团聚体的影响从图 1可以看出,不同模式中水稳性团聚体指标具有显著性差异(P<0.05)。其中,柏竹桤模式水稳性团聚体指标相对较高,但从各粒级来看并不都是最大的:水稳性指数、0.5~5 mm水稳性团聚体、0.25~0.5 mm水稳性团聚体、水稳性团聚体平均质量直径都是最大的,而>5 mm的水稳性团聚体却排在第2,表明柏竹桤模式下的较小粒级团聚体含量明显高于其他模式。柏栎则次之,只有>5 mm水稳性团聚体最大,其他的指标都是第2,表明柏栎模式中大粒级团聚体含量明显较高。栎竹模式中水稳性团聚体指标最小,其中水稳性指数、0.5~5 mm水稳性团聚体、0.25~0.5 mm水稳性团聚体、水稳性团聚体平均质量直径在几种模式中都是最小的。柏竹桤、柏栎、柏竹3种模式的水稳性团聚体指标基本上都大于柏木模式,但是栎竹、撑绿杂交竹则小于柏木,说明柏竹桤、柏栎、柏竹3种改造模式有助于提高团聚体含量,但柏竹桤中明显提高的是较小粒级团聚体,柏栎模式中明显提高的是大粒级团聚体,而栎竹、撑绿杂交竹林地团聚体含量则显著降低。
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图 1 不同模式下的水稳性团聚体特征 Fig. 1 Water stable aggregates among different patterns X1:水稳性指数Water stable index; X3 :>5 mm水稳性团聚体>5 mm water stable aggregates; X4 : 0.5~5 mm水稳性团聚体0.5~5 mm water stable aggregates; X5 : 0.25~0.5 mm水稳性团聚体0.25~0.5 mm water stable aggregates; X12:水稳性团聚体平均质量直径Mean weight diameter of water stable aggregates. 不同小写字母表示某一指标在模式间差异显著(P<0.05),下同。 Different small letters mean significant difference among different patterns(P<0.05),the same below. |
从图 2可以看出不同改造模式中土壤物理性质有显著性差异(P<0.05),其中柏竹桤、撑绿杂交竹模式的土壤抗蚀指数最大,柏竹桤模式非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度最大(图 2A),相应地土壤密度最小(图 2B)。撑绿杂交竹模式的土壤密度和<0.01 mm物理性黏粒含量最大,同时与土壤密度相适应的毛管孔隙度、总孔隙度最小。栎竹的土壤抗蚀指数最低,毛管孔隙度却是最大的,但非毛管孔隙度最低,因此,总孔隙度较小。结构性颗粒指数柏栎模式最大且和其他模式间差异显著,而其他模式间差异不显著。综上可以看出,柏竹桤模式土壤物理性质的改善效果显著,而撑绿杂交竹不但未改善,反而有所降低。
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图 2 不同改造模式下土壤物理性质 Fig. 2 Soil physical properties of different patterns X2:抗蚀指数Index of soil anti-scouring; X7:非毛管孔隙度Noncapillary porosity; X8:毛管孔隙度Capillary porosity; X9:总孔隙度 Total porosity; X10:结构性颗粒指数Index of structural particle; X11:土壤密度Density; X13 : <0.01 mm物理性黏粒含量 <0.01 mm physical clay content. |
有机质是水稳性团粒的主要胶结剂,有机质及其他养分含量的增加,能够促进土壤中团粒结构的形成。土壤有机质含量依次为柏竹桤>柏竹>柏栎>柏木>栎竹>撑绿杂交竹(图 3A)。柏竹桤模式有机质含量最高(35.09 g·kg-1),撑绿杂交竹最低(16.83 g·kg-1),还不足柏竹桤有机质含量的50%; 撑绿杂交竹与含量倒数第2的栎竹相比,也只有栎竹的67%。可见撑绿杂交竹有机质含量与其他模式有较大差距,其他模式间差距相对较小,但都达到了5%的显著水平。柏竹桤、柏竹、柏栎3种改造模式的土壤有机质含量均显著大于对照的柏木(P<0.05),栎竹、撑绿杂交竹2种模式中的土壤有机质显著小于柏木,表明柏竹桤、柏竹、柏栎模式土壤有机质明显提高,栎竹、撑绿杂交竹2种模式有机质含量相对柏木模式显著下降。
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图 3 不同改造模式下土壤有机质及细根含量 Fig. 3 Soil organic matter and fine root content of different patterns |
从图 3B看出各模式中0~20 cm细根含量差异显著(P<0.05),其大小顺序为撑绿杂交竹>柏竹桤>柏竹>柏木>柏栎>栎竹,只有柏栎、栎竹模式间细根含量差异不显著(P>0.05)。在几个改造模式中撑绿杂交竹模式细根含量最高(17.26 t·hm-2),远高于其他模式,柏竹桤模式次之(6.49 t·hm-2),还不足撑绿杂交竹的50%,最低的是栎竹(2.66 t·hm-2)。撑绿杂交竹、柏竹桤、柏竹3种模式细根含量对于柏木来说有增产效应,柏栎、栎竹模式则有减产效应。
2.5 土壤抗蚀性能的综合评价与分析为了更充分准确地反映林地抗蚀性大小, 对4大类14个抗蚀性指标进行主成分分析。由表 2可知,前3个主成分的特征值均大于1,主成分分析累计贡献率为91.95%(分别为58.93%,24.06%,8.96%),包含了绝大部分原始数据的足够信息,满足主成分分析的要求。因此,可选择提取前3个主成分来分析柏木低产林不同改造模式的土壤抗蚀性。
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从表 2可以看出,在第1主成分(Y1)中>5 mm水稳性团聚体X3、0.5~5 mm水稳性团聚体X4、0.25~0.5 mm水稳性团聚体X5、非毛管孔隙度X7、水稳性团聚体平均质量直径X12等贡献率最大,第1主成分以水稳性团聚体为主,由于主成分1的贡献率最大(58.93%),说明以水稳性团聚体为基础的指标能较好地衡量土壤抗蚀性,表明土壤水稳性团聚体含量、非毛管孔隙度、水稳性团聚体平均质量直径越高,土壤抗蚀性能越强。第2主成分(Y2)中抗蚀指数X2、 <0.01 mm物理性黏粒含量X13、0~10 cm土壤根系含量X14贡献率最大。主成分2的贡献率为24.06%,说明以黏粒含量为基础的指标也能在一定程度上表现土壤抗蚀性能,黏粒含量、抗蚀性指数越高,根系含量越大,抗蚀性就越强。第3主成分(Y3)以结构性颗粒指数X10贡献率最大,但主成分3的贡献率最小,为8.96%,说明以结构性颗粒表示抗蚀性能时具有一定局限性。
根据表 2中各主成分的权重得出抗蚀性综合评价值Y=0.64Y1+0.26Y2+0.10Y3,由表 3中因子得分与各模式14个指标的标准化值计算得出栎竹、柏木、撑绿杂交竹、柏竹桤、柏栎、柏竹的综合评价值分别为-6.78,0.41,-5.49,7.32,4.07,0.46,由此可知几种模式抗蚀性大小为柏竹桤>柏栎>柏竹>柏木>撑绿杂交竹>栎竹。
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物种多样性是影响人工林、次生林及原始林土壤有机质的主导因素(宋敏等,2012),与郭曼等(2010)认为地上植物丰富度和多样性与土壤有机碳成正相关的结论基本一致。植物多样性的增加不仅导致林地凋落物量的增加(黄承才等,2006),同时也使得凋落物分解速率加快(林德喜等,2005)。由于凋落物量及其分解速率的增加,导致林地输入性增加,从而提高了土壤有机质的含量。从本文来看柏竹桤的有机质含量最高,其他依次为柏竹>柏栎>柏木>栎竹>撑绿杂交竹,顺序与改造模式中物种多样性基本一致(范川等,2013)。杨晓娟等(2012)认为混交林对土壤的改良作用要优于树种单一的纯林,从本文看优于柏木的几种模式都是混交林,但小于柏木的既有纯林撑绿杂交竹又有混交林栎竹,或许与物种不同有关。在改造中应注意营建柏木混交林并提高植物多样性。
水稳性团聚体可以改善土壤结构,并在水浸湿后不易解体,具有较高的稳定性,常被作为抗蚀性的一个评价指标(王忠林等,2000; 杨玉盛等,1999)。在几种模式中水稳性团聚体含量柏竹桤>柏栎>柏竹>柏木>撑绿杂交竹>栎竹。抗蚀性相对大小与水稳性团聚体一致,表明水稳性团聚体在柏木低效林改造模式的土壤抗蚀性评价中的决定作用。经分析>5 mm水稳性团聚体X3、0.5~5 mm水稳性团聚体X4、0.25~0.5 mm水稳性团聚体X5、水稳性团聚体平均质量直径X12均与有机质X6和非毛管孔隙度X7间有显著的相关性(P<0.05),而有机质与土壤密度呈显著的负相关。有机质含量对土壤水稳性团聚体粒级分布也有重要的影响,当有机质含量较高时,小粒径团聚体在有机质的胶结作用下团聚成大粒径团聚体; 而有机质含量下降后,大粒径团聚体破碎,分解成小粒径团聚体,即粒径越大的团聚体受有机质的影响越明显(Tisdall et al.,1982)。但从本文来看,柏竹桤有机质含量最高,团聚体含量最大的反而是0.25~0.5 mm水稳性团聚体,但从水稳性团聚体平均质量直径最大来看,有机质的增加也显著增加了团聚体的粒径(P<0.05,R=0.873)。从表 4可以看出,随着有机质的增加各种粒级的团聚体含量均在增加,只不过小粒径水稳性团聚体增加的量大于大粒级的团聚体,但大粒级团聚体的增加使得水稳性团聚体平均质量直径有所增加,稳定性更好。
细根是森林生态系统主要的结构和功能部分,可为地下生态系统输入大量的有机质(Cairns et al.,1997; Xiao et al.,2008)。细根还通过缠绕固结的直接作用和增加土壤中有机质和团聚体含量等的间接作用影响土壤的抗蚀性。相关研究表明,≤1 mm细根在提高>5 mm及3~5 mm水稳性团聚体方面有显著效果(董慧霞等,2007),根密度与土壤抗蚀性及渗透性都有很好的相关性(Wu et al.,2000)。本文中撑绿杂交竹的细根生物量为17.26 t·hm-2,在所有模式中是最高的,柏竹桤次之,仅为6.49 t·hm-2,还不到撑绿杂交竹的50%,但从抗蚀性来看,柏竹桤最高,而撑绿杂交竹却很低,表明在柏木低效林改造模式中细根生物量对土壤抗蚀性的影响并不是决定性的。Zhou等(2005)也认为根表面积密度与土壤抗蚀性有密切关系,但不同树种有差异。冯发堂等(2011)研究表明,细根分解能显著提高土壤总有机碳与活性有机碳含量,而从几种模式中土壤有机质与细根含量间无显著关系可以看出,不同细根养分归还对土壤有机质的影响并不一致。这可能是不同物种根系不仅在根土界面行为方式不同,而且根系内的物质含量及根系周转也不尽相同,就导致了不同物种细根对抗蚀性及其有机质的贡献率的差异。这与许文远等(2011)的研究有相似的结论。
影响土壤抗蚀性的因素很多,不仅有水稳性团聚体、有机质、土壤物理性质,还有根系等众多因子共同作用的结果,通常是采用主成分分析来确定其中的主导因子。相关研究显示,抗蚀性的主导因子主要有>0.25 mm水稳性团聚体(吴鹏等,2012)、毛管孔隙度、总孔隙度(丛日亮等,2010)、根系含量(包括总长度、根系表面积、根系总生物量)(卢喜平等,2004)。从本文的研究来看,抗蚀性的主导因子是水稳性团聚体,其中0.25~0.5 mm水稳性团聚体的影响尤其重要。之所以会出现不同的结论,可能与研究区气候条件、土壤类型、植被类型有关。
4 结论在几种改造模式中土壤物理性质、有机质及细根含量、水稳性团聚体4类指标,柏竹桤表现较好,而撑绿杂交竹、栎竹较差。各指标经主成分分析,水稳性团聚体对抗蚀性贡献最大,贡献率为58.93%。综合考虑,在几种模式中生态功能的提升效果最好的是柏竹桤,而撑绿杂交竹、栎竹则较差,可能与撑绿杂交竹属于引进物种,在川中丘陵区容易遭受低温和冰冻雨雪灾害的危害有关,特别是在纯林状态危害尤为严重,在混交林分中,可能有乔木树种的庇护作用,在柏竹桤中表现尚可。柏木本来是川中丘陵区的适生树种,对该区域的绿化做出了重要的贡献,只是由于其生长的紫色土瘠薄,环境承载力低,加之该区域明显的旱涝季以及不合理的经营利用,导致林分生产力和生态功能低下,但经过众多学者大量的研究,迄今仍未找到一种可以完全替代柏木的树种。因此,在柏木低效林改造过程中,应适当保持林地上一定的柏木数量,选择合适的模式营造柏木混交林,对于全砍重造要慎重,尤其是对外来物种的引进要引起高度的重视,防止出现逆向改造而加剧水土流失。
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