关帝山不同植被恢复类型土壤抗蚀性研究

关帝山不同植被恢复类型土壤抗蚀性研究

关帝山林区位于山西省西部。文峪河是汾河支流的发源地。该地区是中国北方高海拔地区的代表性森林植被。这里的森林植被发挥着一定的土壤保持和水源涵养功能［１］,但是区内的部分人工林由于树种组成单一,林下植被稀少,长期生长或多代连栽后导致林地土壤性质存在一定的退化危险［２］,加之人为樵伐、采药、放牧等活动的影响,存在着不同程度的土壤侵蚀现象,给当地农业生产和生态环境带来了一定的负面影响［３］。在土壤侵蚀过程中,土壤性质对土壤侵蚀的发生和强度有着重要的影响,而不同的气候条件、土地利用方式、林木经营方式等影响着土壤的性质特征,进而也影响着土壤的抗侵蚀性能［４］。土壤抗蚀性是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力,是控制土壤承受降雨和径流分离及输移等过程的综合效应,它是评价土壤抵抗侵蚀营力破坏性能和土壤质量的重要指标之一。土壤抗蚀性的大小主要取决于土粒与水的亲和力及土粒间的胶结力,与土壤内在的理化性质关系密切。不同的植被恢复类型,由于其地上覆盖状况、地下根系条件及土壤有机质含量等方面存在差异,从而导致土壤具有不同的抗蚀能力。目前,植被恢复后对黄土区侵蚀环境下的土壤质量演变已有部分研究［５－８］,但大都集中在植被恢复后土壤理化性质的演变方面［９，１０］,而对土壤抗侵蚀性的演变的报道较少。所以,本文选用土壤有机质含量、土壤颗粒组成、水稳性指数、分散系数、团聚度等评价土壤抗蚀性的指标,研究关帝山林区不同植被恢复类型下土壤抗蚀性能,并分析影响土壤抗蚀性的内在因素,以期为该区林木经营及土壤侵蚀与水土保持研究提供一定的理论依据。1材料和方法1.1试验区优势树种及立地条件关帝山位于山西省西部吕梁山脉中段,地理坐标(111°21′-111°37′E,37°45′-37°59′N),海拔1600~2830m,该区属暖温带大陆性山地气候区,春季干燥少雨,夏季短暂多雨,秋季阴雨潮湿,冬季寒冷干燥。年平均气温4.3℃。年平均降水量822.6mm,降雨多集中在7-9月份,该时段降水量为全年降水量的83%以上。同时,该区也是山西省的暴雨多发区。试验区选在关帝山林区的八道沟,区内恢复的优势乔木树种为华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(包括青杄(Piceameyeri)和白杄(P.wilsonii))、辽东栎(Quercusliaotungensis)以及白桦(Betulaplatyphlla)、红桦(B.albo-sinensis)和山杨(P.davidiana)等,林相较为整齐,郁闭度0.6~0.7,林龄40~60a。灌木丛主要有沙棘(Hippophaerhamnoides)、箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等。草本主要有紫花苜蓿(Medica-gosativa)、鹿蹄草(Pyrolarotundifolia)、毛茛(Ranunculusjaponicus)等。试验区内土壤类型主要为山地褐土和山地淋溶褐土,林下灌草植被因乔木层林冠郁闭度的差异而不同。本实验选取八道沟内具有代表性的恢复植被华北落叶松人工林、天然次生杨桦阔叶林、天然次生云杉-华北落叶松-杨桦针阔混交林(下文中简称针阔混交林)、人工沙棘灌木林等4种类型,并在各植被类型内选取坡向、坡度、坡位基本一致的地段设立标准样地(20m×20m),并选择在该区分布较多的撂荒地(2005年弃耕)为对照,对各标准地土壤抗蚀性进行研究。各标准地基本特征见表1。1.2土壤有机碳及微生物特征2012年6月中旬,分别在各个标准样地内随机选取有代表性的5个采样点,划出30cm×30cm的小样方,在每一小样方内用环刀采集0-20cm深原状土,测定土壤容重;同时用硬质塑料盒采集该深度原状土带回实验室处理,分两份,一份用于测定土壤团聚体;另一份磨细后过筛(孔径0.25mm),分别测定土壤有机碳含量、微团聚体含量及机械组成。土壤风干团聚体含量测定采用沙维诺夫干筛法;水稳性团聚体含量采用Yoder［１１］湿筛法;土壤机械组成和微团聚体采用吸管法测定;有机碳的测定采用重铬酸钾氧化外加热法。1.3土壤团聚体平均重量直径mwd共选择了11个土壤抗蚀性评价指标,分别为:(1)土壤有机碳含量(g/kg);(2)>0.25mm团聚体含量(%);(3)>0.25mm水稳性团聚体含量(%);(4)湿筛团聚体平均重量直径(MWD湿)(mm),计算采用邱莉萍［１２］等推导的公式:MWD湿=∑XｉWｉ(i=0,1,2,…,n),式中MWD湿为湿筛团聚体平均重量直径,Xｉ为湿筛每一级别团聚体的平均直径(mm),Wｉ为湿筛每一级别团聚体的重量百分数;(5)团聚体结构破坏率(%)=>0.25mm团聚体分析值(干筛-湿筛)/>0.25mm团聚体干筛分析值×100%;(6)团聚体水稳性指数(%);(7)分散率(%)=<0.001mm微团聚体分析值/<0.001mm机械组成分析值×100%;(8)土壤团聚状况(%)=>0.05mm微团聚体分析值->0.05mm土壤机械组成分析值;(9)团聚度(%)=团聚状况/>0.05mm微团聚体分析值×100%;(10)<0.01mm黏粒含量(%);(11)土壤容重(g/cm３)。采用Excel软件进行数据初期处理,使用SPSS13.0进行统计分析,采用LSD法进行差异显著性检验。2结果与分析2.1土壤团聚体质量变化干筛土壤团聚体含量反映团聚体的机械稳定性,即团聚体抵抗外力免被压碎或抵抗外部环境变化而保持原有形态的能力。从表2可知,不同林地与撂荒地相比较,0-20cm土层>0.25mm土壤团聚体含量均表现出显著差异(P<0.05),针阔混交林、杨桦阔叶林、沙棘灌木林、华北落叶松林分别较撂荒地提高了45%,37%,25%,20%;针阔混交林的团聚体含量最高,达到93.10%,这表明,植被恢复均对土壤结构有改善作用,均能提高土壤大团聚体含量,能不同程度的增强土壤团聚体的机械稳定性。风干土壤团聚体含量由大到小顺序为:针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林>撂荒地。林地土壤团聚体破坏率范围为32.89%~36.21%,均显著低于撂荒地(42.90%)(P<0.05)。华北落叶松林与杨桦阔叶林、针阔混交林之间差异均不显著,而华北落叶松林和杨桦阔叶林与沙棘灌木林之间差异显著。用团聚体结构破坏率评价,土壤抗蚀性强弱顺序为:沙棘灌木林>针阔混交林>华北落叶松>杨桦阔叶林>撂荒地,林地的抗蚀性能显著优于撂荒地。用土壤水稳性团聚体平均重量直径(MWD湿)来作为反映土壤团聚体大小分布状况的综合指标。MWD湿值越大,表示团聚体的平均粒径团聚度越高,稳定性越强,抵抗雨滴、径流分散能力越强。MWD湿大小变化为:针阔混交林>杨桦阔叶林=沙棘灌木林>华北落叶松>撂荒地。分别取不同样地0-20cm土层3~5mm风干团聚体50粒用浸水崩解法［１１］测定土壤团聚体水稳性指数,水稳性指数越大,说明土壤团聚体在水的浸泡下破碎所用时间越长,团聚体水稳定性越好,抗蚀能力越强。针阔混交林的水稳性最大(33.51%),撂荒地最小(10.73%),针阔混交林较撂荒地增加了212%,针阔混交林和其他3种林地之间以及各林地和撂荒地之间差异显著(P<0.05)。华北落叶松、杨桦阔叶林和沙棘灌木林之间差异不显著,但较撂荒地均有显著提高,其水稳性指数分别比撂荒地提高159%,134%,163%。2.2种林分样品有机碳含量与土壤容重的关系土壤有机碳是植物所需养分和土壤微生物生命活动的能量来源,同时土壤有机碳能改善土壤理化性状,增强土壤抗蚀性能。从表2中不同植被类型土壤有机碳含量分析得出,针阔混交林的有机碳含量与其它林地及撂荒地之间有显著差异(P<0.05),其他3种林地间差异不显著,但与撂荒地间均存在差异显著。4种林地有机碳含量顺序为:针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林,分别比撂荒地提高了162%,110%,84%,64%。分析其原因,主要是由于本研究中的针阔混交林和杨桦阔叶林为天然次生林,其林分结构完整,环境较稳定,地表植物丰富,林下枯落物多,腐殖质层较厚,碳积蓄丰富;而人工华北落叶松林群落结构比较简单,灌木较少,枯落物分解程度低,其有机碳含量较低。土壤容重是表征土壤紧实度的指标,也是表征土壤质量的重要参数。土壤容重越小,表明土壤越疏松,孔隙愈多;反之,则表明土壤土体紧实,结构性差,孔隙少。分析不同植被类型土壤容重的变化(见表2)得出,针阔混交林和杨桦阔叶林的容重较小,与其他林地及撂荒地间差异显著;撂荒地的容重值最大,说明其土壤的孔隙性及结构性最差,抗蚀能力也最差。2.3土壤团聚、土壤分散率与有机碳含量、全氮、全磷、全磷的关系影响土壤微团聚体特性的因素很多,有研究表明［１３］土壤团聚状况、团聚度与有机碳含量、全氮、全磷呈显著正相关;分散率与全氮、碱解氮、全磷、速效磷呈显著负相关。其他因素对微团聚体特性的影响还有待以后作进一步的研究。2.4土壤理化性质与土壤抗蚀性的关系选取土壤有机碳含量(X１)、>0.25mm团聚体含量(X２)、>0.25mm水稳性团聚体含量(X３)、水稳性团聚体平均重量直径(MWD湿)(X４)、结构破坏率(X５)、水稳性指数(X６)、分散率(X７)、土壤团聚状况(X８)、团聚度(X９)、<0.01mm物理性黏粒含量(X１０)、土壤容重(X１１)等11个与土壤抗蚀性较为密切的指标进行相关性分析(见表4)。分析表明,土壤有机碳含量与各抗蚀性指标间关系密切,尤其是与>0.25mm团聚体含量(r=0.989＊＊)、>0.25mm水稳性团聚体含量(r=0.969＊＊)和MWD湿(r=0.978＊＊)之间均存在极显著正相关关系,与土壤水稳性指数间(r=0.885＊)是显著正相关关系,表明土壤有机碳含量的增加有助于提高土壤大团聚含量及其稳定性。>0.25mm水稳性团聚体含量及水稳性指数也是影响土壤抗蚀性的很重要的两个指标,>0.25mm水稳性团聚体含量与MWD湿间显著正相关(r=0.940＊),与土壤水稳性指数间显著正相关关系(r=0.937＊),水稳性指数和团聚体结构破坏率之间是显著负相关关系(r=-0.921＊)。另外,其它各个指标间也都有不同程度的相关性。2.5土壤有机碳的信息来源由于各个抗蚀性指标间信息重叠,相互间又有一定的关联性,因此用主成分分析法,在不会损失很多信息的基础上以较少主成分来代替原有指标,构建土壤抗蚀性评价模型,并计算综合主成分值,来评价不同植被类型土壤抗蚀性能。本研究选取了与2.3节中相关性分析一致的11个土壤抗蚀性指标进行主成分分析。提炼出3个主成分(见表5),其特征值分别为7.746,1.797和1.244,三者累积方差贡献率达98.07%,占总变异的绝大部分,信息量损失仅1.93%,可以满足主成分分析对信息损失量的要求。第1主成分主要解释了土壤有机碳(X１)、>0.25mm团聚体(X２)、>0.25mm水稳性团聚体(X３)、MWD湿(X４)、水稳性指数(X６)、土壤团聚状况(X８)、团聚度(X９)、土壤容重(X１１)等信息,表明土壤有机碳含量、>0.25mm团聚体含量、>0.25mm水稳性团聚体含量、MWD湿、水稳性指数和微团聚体团聚状况和团聚度越大,土壤的抗蚀性能越强,而土壤容重大,土壤抗蚀性能越弱;第2主成分主要解释了土壤分散率(X７)的信息;第3主成分主要解释了<0.01mm物理性黏粒含量(X１０)的信息。据主成分分析结果,可得到成分得分系数矩阵,结合标准化处理的各变量可得出第一、第二、第三主成分表达式分别为: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。据此计算各个主成分值(见表6)。3不同植被恢复的土壤抗蚀性(1)研究结果表明,不同植被恢复类型下,0-20cm土层>0.25mm的风干及水稳性团聚体含量均显著增加,土壤MWD湿和水稳性指数均显著增大,团聚体结构破坏率和土壤容重减小,同时植被恢复也改善了土壤微团聚状况,使微团聚体的分散率降低,团聚度增加。和撂荒地相比,土壤结构得到了大大改善,土壤抗蚀性能显著增强。(2)不同植被类型的土壤抗蚀性能存在着一定的差异。由于针阔混交林林型复杂,林下又有较多灌草覆盖,土壤表层根系发达,枯落物输入量多,土壤有机碳、总氮和微生物总量较高,土壤有机物质的分解和转化较快［１４］,利于土壤良好结构体的形成,因而针阔混交林在增加土壤抗蚀性方面有明显的优势。华北落叶松林土壤团聚体含量最少,主要是由于华北落叶松人工林样地郁闭度较高,林下植被主要以一些耐阴的草本为主,林型相对单一,地表枯落物输入量少且多含难以分解的木质素、单宁、树脂和蜡质等物质,使得该植被类型下的土壤有机碳和总氮含量较少且分解转化较慢［１５］,不利于较多水稳性团聚体和非水稳性团聚体的形成,所以其抗蚀性在所选林地中是最差的。杨桦阔叶林郁闭度较小,虽然林地枯落物量和华北落叶松人工林相比较少(见表1),但其林下灌草植被丰富,植物根系分布较多,土壤有机质的总归还量较大,并且杨桦阔叶林地土壤有机残体较华北落叶松林易于分解转化,致使土壤中的腐殖质含量较多［１６］,所以杨桦阔叶林地土壤团聚体含量较华北落叶松林多且团聚体的稳定性也较强,抗蚀性能也较强。沙棘灌木林地和其他林地相比较,在同等郁闭度下虽然其枯落物量最少,但其表层土壤内根系分布较多,根系腐烂物和分泌物较多,且其根系有很好的固氮作用,能对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团聚体的含量及稳定性,增强了其抗蚀性能。(3)通过选取土壤有机碳、>0.25mm团聚体含量等11个与土壤抗蚀性密切相关的指标进行主成分分析,提炼出3个主成分,三者累积方差贡献率达98.07%,可以较全面地描述土壤的抗蚀性能,并确定了土壤抗蚀性的综合评价模型,即Y=0.718Y１+0.167Y２+0.115Y３,据此计算综合性主成分值,得出不同植被恢复类型土壤抗蚀性强弱顺序为:针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林>撂荒地。总之,林地土壤抗蚀性优于撂荒地,天然次生混交林优于人工纯林,人工营造的华北落叶松林的土壤抗蚀性能较差,建议在该区为促进生态恢复的营林过程中,应加强对人工林的管护措施,以提高其群落整体生态效应,增强其水源涵养和水土保持功能。湿筛法得到的是土壤水稳性团聚体,>0.25mm水稳性团聚体含量对保持土壤结构的稳定性有重要作用。因其具有一定的抵抗雨滴冲击、径流分散及悬浮能力,是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一。从表2可知,不同类型林地0-20cm土层>0.25mm水稳性团聚体含量均较高(49.92%~60.67%),和撂荒地相比差异都达