兩種巨桉人工林地土壤抗蝕性的比較研究

余曉章， 魏 鵬， 范 川， 王 謝， 張騰飛， 沈 衛

(四川農業大學 林學院， 四川 雅安 625014)

兩種巨桉人工林地土壤抗蝕性的比較研究

余曉章， 魏 鵬， 范 川， 王 謝， 張騰飛， 沈 衛

(四川農業大學 林學院， 四川 雅安 625014)

摘要：[目的] 揭示巨桉人工林組培苗和實生苗兩種起源對土壤抗蝕性的影響。[方法] 利用S形采樣法在樣地內采集多個樣點，按上(0—10 cm)，中(10—20 cm)，下(20—30 cm)三層分別利用環刀和塑料盒采集原狀土壤，測定不同層次土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、滲透速率、水穩性團聚體含量等。[結果] (1) 隨著土壤深度增加，兩種巨桉林地土壤容重呈現遞增趨勢，而總孔隙度和通氣孔隙度呈遞減趨勢。組培巨桉林土壤容重低于實生苗巨桉林地，而土壤總孔隙度、通氣孔隙度高于顯著實生苗巨桉林地(p<0.05)； (2) 隨著土壤深度增加，兩種巨桉林地土壤水穩性指數、抗蝕指數、團聚狀況、團聚度和結構系數呈現下降趨勢，水穩性指數和抗蝕指數達到顯著水平(p<0.05)，而分散率和分散系數呈現升高趨勢。組培巨桉林地不同土層的抗蝕指數和結構系數均高于實生苗巨桉林地，但分散系數均顯著低于實生苗巨桉林地(p<0.05)； (3) 隨著土壤深度增加，兩種巨桉林地土壤各粒徑水穩性團聚體含量和平均重量直徑(MWD)呈現出下降趨勢，土壤結構體破壞率呈現上升趨勢。組培苗巨桉林地不同土層各粒徑(>5 mm;5~2 mm;0.5~0.25 mm;>0.5 mm;>0.25 mm)水穩性團聚體含量和MWD均高于實生苗林地，而結構體破壞率、2~1 mm和1~0.5 mm水穩性團聚體含量均低于實生苗巨桉林地。[結論] 組培巨桉人工林的土壤抗蝕性更佳。

關鍵詞：土壤抗蝕性； 巨桉人工林； 組培苗； 實生苗

土壤抗蝕性是指土壤抵抗侵蝕營力對其分散和搬運作用的能力，它是評價土壤抵抗侵蝕能力的重要參數之一[1]。土壤抗蝕性強弱主要由土粒與水分子間的親和力和土粒間的膠結力決定，一般親和力越小，土壤越不易分散懸浮，團粒結構也越不易受到破壞而解體[2]。有研究[3-4]表明，土壤抗蝕性大小不僅與土壤顆粒組成、團聚體穩定性、有機質含量、滲透率、緊實度、黏土礦物等理化性質密切相關，還與林下枯落物和土壤中根系有著緊密聯系。通常枯落物能對土壤形成機械保護，從而減弱降水的侵蝕能力，而植物根系通過穿插、盤繞和固結等減弱了流水沖刷和重力侵蝕作用，增強了土壤抗侵蝕能力[5]。同時，植被類型差異也會影響土壤抗蝕性。植被能顯著改善土壤理化性質，進而提高林地土壤抗蝕性[6]，通常無林地土壤抗蝕性小于有林地[7-8]。不同林分類型的土壤抗蝕性也有明顯差異[3,9]，黃進等[7]研究發現，不同林分類型的土壤抗蝕性強弱順序為：青岡林>香樟林>杉木林>馬尾松林>毛竹林>板栗林。但是，不同起源的同一樹種林地土壤抗蝕性是否存在差異，至今尚不清楚。

巨桉(Eucalyptusgrandis)是優良的速生樹種，具有抵御土壤侵蝕，穩定土壤結構和很強的碳固定能力[10]。林亞麗[11]等對組培與實生苗巨桉的對比研究發現，巨桉組培苗總體生長量好于實生苗，無論是從胸徑抑或樹高上均表現出顯著的優勢[12]，而對不同起源巨桉林地的土壤抗蝕性研究尚未見報道。因此，本研究選取位于四川省丹陵縣楊場鎮的不同起源巨桉林(組培苗林與實生苗林)為研究對象，通過對不同巨桉林土壤物理性質及土壤水穩性團聚體等土壤抗蝕性指標進行研究，比較不同巨桉林下土壤抗蝕性能，為四川盆地丘陵區生態恢復的樹種選擇和水土保持工作提供理論依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于四川省丹陵縣楊場鎮退耕還林后2009年營造的巨桉林區(102°57′—103°04′E，29°55′—29°59′N)，海拔570～590 m，該地區處于四川盆地西南邊緣，屬于亞熱帶氣候，年平均氣溫16.6 ℃，最冷月(1月)平均溫度為6.7 ℃，最熱月(7月)平均溫為28.0 ℃。冬干春旱，夏洪秋雨，陰天偏多，日照偏少。年平均降水量1 233 mm，年平均相對濕度82%，土壤為老沖擊黃壤，pH值為4.3～6.8。

1.2　研究方法

1.2.1樣地設置及樣品采集2012年9月，根據典型性和代表性的原則，在組培苗巨桉人工林和實生苗巨桉人工林，分別選取3塊面積為20 m×20 m的樣地，試驗地基本情況詳見表1。

在樣地內按S形布點，采集多個樣點，每個樣點均按上(0—10 cm)，中(10—20 cm)，下(20—30 cm)3層分別利用環刀和塑料飯盒采集原狀土壤，帶回實驗室測定不同層次土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、滲透速率、水穩性團聚體含量等物理性質。層次的劃分和采樣是結合前人的研究以及實際樣地土壤深度而定[13]。同時再分別采集0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm土層約2 kg的混合土樣，帶回室內自然風干，供土壤機械組成、微團聚體組成等各指標的測定。

表1　巨桉人工林的基本概況

1.2.2測定方法

(1) 水穩性指數測定方法。土樣均勻放在孔徑0.5 cm的金屬網格上，置于靜水中進行觀測，以1 min為間隔分別記取0.7～1.0 cm直徑的風干土粒50顆，記下分散土粒數，連續進行10 min 觀測，每1 min間隔乘以不同的校正系數，計算出水穩性指數。

(2) 水穩性團聚體及風干率的測定。用土壤團粒分析儀測定風干土水穩性團聚體含量[14]。參照日本川村秋男的方法測定毛管飽和水土樣水穩性團聚體的含量[15]，即把風干土土樣放在已浸入水中的海綿上，讓其均勻吸水，經過48 h使其飽和,然后用土壤團粒分析儀進行分析[16]。

(3) 結構體破壞率等的測定。采用干濕篩法，土壤有機質的測定采用硫酸重鉻酸鉀法，土壤機械組成與微團聚體組成測定采用比重計法，土壤理化性質的測定均參照國標測定。

1.2.3數據處理與統計分析抗蝕指數、有機質、水穩性團聚體、團聚度、團聚狀況、分散率、分散系數等常用指標計算方法為：

水穩性指數：K==(∑PiKi+P10)/A

式中：i——1，2，3，…，10；P10——10 min內沒有分散的土粒數；Pi——第i分鐘分散的土粒數；Ki——第i分鐘的校正系數；A——試驗的土粒總數(50粒)。

抗蝕指數=(總土粒—崩塌土粒)/土粒總數×100%

團聚狀況=(>0.05 mm微團聚體分析值)-

(>0.05 mm機械組成分析值)

團聚度=團聚狀況/>0.05 mm微團聚體分析值×100%

分散率=(<0.05 mm微團聚體分析值/<0.05 mm機械組成分析值)×100%

分散系數=(<0.001 mm微團聚體分析值/<0.001 mm機械組成分析值)×100%

結構系數=100%-分散系數(%)

結構性顆粒指數=黏粒含量(<0.001 mm)/

粉粒含量(0.001～0.05 mm)

式中：xi——任一粒級范圍內水穩性團聚體的平均直徑； wi——對應于xi的團聚體百分含量(以小數表示)。

小于0.01mm物理性黏粒含量=(<0.01顆粒的校正讀數/總烘干土重)×100%

數據處理和圖表生成采用Excel軟件，采用SPSS16.0軟件進行統計和分析。

2結果與分析

2.1　兩種起源巨桉人工林土壤物理性質

由表2可以看出，隨著土壤深度的增加，土壤容重呈現遞增趨勢，而總孔隙度和通氣孔隙度呈現遞減趨勢。

不同巨桉人工林同一層次間的土壤容重均表現出組培巨桉林低于實生苗巨桉林的趨勢。而土壤總孔隙度、通氣孔隙度均表現為組培巨桉林高于實生苗巨桉林。

方差分析顯示，組培巨桉人工林不同土層間土壤容重差異不顯著(p>0.05)，而總孔隙度和通氣孔隙度差異顯著(p<0.05)；實生苗巨桉林3個指標在不同層次上均差異顯著(p<0.05)。

表2　兩種巨桉人工林土壤物理性質

注：不同小寫字母表示同一土層的同一指標在兩種巨桉人工林間差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一指標在相同的巨桉人工林不同土層間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2　水穩性指數、抗蝕指數及微團聚體含量為基礎的土壤抗蝕性指標

由表3可知，隨著土層深度的增加，組培和實生苗巨桉林人工林的土壤水穩性指數和抗蝕指數均呈現出下降趨勢，團聚狀況、團聚度和結構系數呈現出下降趨勢，分散率和分散系數呈現升高趨勢。方差分析顯示，兩種巨桉人工林各層次的水穩性指數、抗蝕指數均表現出顯著差異性(p<0.05)。

對上層而言，組培巨桉林的水穩性指數、抗蝕指數、團聚狀況、團聚度、結構系數均高于實生苗巨桉人工林，分別高出3.06%，12.08%，16.95%，26.29%，3.01%；而組培巨桉林的分散率、分散系數分別低于實生苗巨桉人工林0.91%，14.45%。方差分析顯示，兩種巨桉人工林間除土壤分散率差異不顯著外(p>0.05)，其余指標均差異顯著(p<0.05)。

對中層而言，組培巨桉林的抗蝕指數、團聚狀況、團聚度、分散率、結構系數均高于實生苗巨桉人工林，分別高出4.05%，13.01%，17.46%，5.11%，13.59%；而組培巨桉林的水穩性指數、分散系數分別低于實生苗巨桉人工林1.07%，26.32%。方差分析顯示，兩種巨桉人工林間除土壤水穩性指數、分散率差異不顯著外(p>0.05)，其余指標均差異顯著(p<0.05)。

對下層而言，組培巨桉林的水穩性指數、抗蝕指數、分散率、結構系數均高于實生苗巨桉人工林，分別高出2.52%，12.63%，0.98%，0.02%；而組培巨桉林的團聚狀況、團聚度、分散系數分別低于實生苗巨桉人工林5.36%，37.42%，4.06%。方差分析顯示，兩種巨桉人工林間除分散率、結構系數、分散系數差異不顯著外(p>0.05)，其余指標均差異顯著(p<0.05)。

表3　兩種巨桉人工林水穩性指數、抗蝕指數及微團聚體含量為等土壤抗蝕性指標

2.3　水穩性團聚體為基礎的土壤抗蝕性指標

由表4可知，同一層次不同巨桉人工林的土壤>5 mm水穩性團聚體差異不顯著，其他各粒徑水穩性團聚體含量、結構體破壞率和水穩性團聚體平均重量直徑MWD均差異顯著(p<0.05)。隨著土層深度的增加，2種人工林土壤各粒徑水穩性團聚體含量和MWD從上到下大致呈現出下降趨勢。各模式土壤結構體破壞率從上到下層呈現出逐漸上升的趨勢。

對上層而言，組培巨桉人工林土壤>5 mm，5～2 mm，0.5～0.25 mm，>0.5 mm和>0.25 mm水穩性團聚體含量和MWD均高于實生苗巨桉人工林，分別高出7.49%，59.03%，50.96%,37.00%,37.63%,25.23%；而2～1 mm和1～0.5 mm水穩性團聚體含量，結構體破壞率均低于實生苗巨桉人工林,分別低出19.08%，40.26%，19.10%。中層和下層表現出與上層相同的變化規律。組培巨桉林土壤中層各粒徑(>5 mm，5～2 mm，0.5～0.25 mm，>0.5 mm，>0.25 mm)水穩性團聚體含量和MWD分別高出實生苗巨桉林6.43%，72.03%，2.79%，44.78%，43.36%，27.71%；而2～1 mm和1～0.5 mm水穩性團聚體含量，結構體破壞率分別低出實生苗巨桉林100.72%，12.80%，14.54%。組培巨桉林土壤下層各粒徑(>5 mm，5～2 mm，0.5～0.25 mm，>0.5 mm，>0.25 mm)水穩性團聚體含量和MWD分別高出24.78%，90.34%，16.34%，6.18%，64.41%，41.30%；2～1 mm和1～0.5 mm水穩性團聚體含量，結構體破壞率分別低出52.02%，172.50%，15.05%。分析結果表明，組培巨桉人工林的抗蝕性相對較高，實生苗巨桉林下土壤的抗蝕性相對較低。

2.4　不同人工林土壤結構與土壤抗蝕性能的關系

以抗蝕指數表征不同人工林土壤的抗蝕性能，以土壤容重、總孔隙度、通氣孔隙度和結構破壞率表征土壤結構，經定量指標分析，土壤結構與土壤抗蝕性呈明顯的函數非線性關系。

表4　兩種巨桉人工林水穩性團聚體為基礎的土壤抗蝕性指標

土壤容重、總孔隙度、通氣孔隙度和結構體破換率與土壤抗蝕性指數的相關系數分別為-0.885，0.961，0.89和-0.916，達到了極顯著性水平。通過回歸擬合發現，其定量關系以二次函數模擬效果最好，通過F檢驗達到極顯著水平。土壤容重、總孔隙度、通氣孔隙度和結構體破換率分別在低于1.22～1.36 g/cm3，30%～47%，16.27%～20.83%和50.56%～146.67%內，均與土壤抗蝕性能成顯著正相關，當超過1.36 g/cm3，47%，20.83%和146.67%，均與土壤抗蝕性呈負相關關系(表5)。

表5　土壤抗蝕性能與土壤結構關系模型

注：Y為土壤抗蝕性指數；X1為容重：X2為總孔隙度；X3為通氣孔隙度；X4為結構破壞率。**表示相關性極顯著(p<0.05)。

3結論與討論

土壤物理性質是影響土壤抗蝕性能的主要因素之一。土壤容重是土壤緊實度的反應指標，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤入滲速率和蓄水量越大[17]。本研究中組培巨桉人工林土壤容重低于實生苗巨桉林地，而土壤總孔隙度、通氣孔隙度高于顯著實生苗巨桉林地(p<0.05)。可見組培巨桉人工林土壤容重和土壤孔隙分布水平更好，有利于土壤透水和保水，土壤發生侵蝕的可能性和程度明顯減弱[17]，從而提高了組培巨桉人工林土壤抗蝕性能。另外，土壤物理性質得到改善后，地下根系生長更旺盛，分布更廣，有利于根系的盤繞和固結，降低水流對地表的沖刷作用，從而提高土壤抗侵蝕能力[5]。

水穩性指數能綜合反映土壤抵抗降雨和徑流分散以及懸浮作用，抗蝕指數和結構體破壞率也是反映土壤抗蝕性的較好指標[9]。本研究中組培巨桉人工林不同層次土壤的水穩性指數和抗蝕指數均顯著高于實生苗巨桉人工林，而結構體破壞率顯著低于實生苗巨桉人工林。由此可見，組培巨桉人工林土壤水穩性較實生苗巨桉人工林好，主要是因為水穩性指數與土壤物理性質關系密切，組培巨桉人工林土壤水穩性指數高，極大程度地降低了水土流失潛在危險性[17]。同時，組培巨桉林地上和地下生長均優于實生苗，具較大的生長潛力，使組培巨桉人工林植被覆蓋率較實生苗巨桉人工林高[11]，具有較好的保持水土能力，能夠減弱降水侵蝕，從而增加土壤水穩性。水穩性團聚體是由有機質膠結而成的團粒結構，具有較高的穩定性，不僅能改善土壤結構，而且被水浸濕后不易解體[18]。本研究中組培巨桉人工林土壤的水穩性團聚體含量高于實生苗巨桉人工林，這主要是因為與實生苗相比，組培苗有自身的優點，比如根系較發達，活躍，定植后迅速恢復，造林成活率高[19]，能夠保持優樹原株的優勢，生長速度較實生苗快，生物量的積累較多[20]，林下枯枝落葉層較厚，能夠為土壤提供機械保護作用，減弱降雨的沖蝕程度。同時，林下枯落物不斷的分解和轉化，使土壤中腐殖質含量增加，從而促進土壤團聚體形成良好的具有大量孔隙和不易破碎的團粒結構[21]。團粒結構的積累不僅能防止地表徑流的發生，而且能減緩地表徑流的流速，進一步防止地表徑流的集中[22]。此外，有研究[4]表明，當水穩性團粒含量相同時，團粒結構的顆粒越大，其抗蝕性越強。本研究中組培巨桉人工林土壤的大粒級水穩性團聚體含量明顯高于實生苗巨桉人工林。在土壤3個層次中>5 mm的水穩性團聚體含量分別比實生苗巨桉人工林高出7.49%，6.43%和24.78%。這有可能是因為組培苗巨桉人工林地下根系生長旺盛，活根分泌物較多，死亡細根不斷分解提供有機質作為土壤團粒的膠結劑，加上根系的穿插和纏繞，使土壤中大粒級水穩性團聚體增加。進一步改善土壤團粒結構，增強了對降水沖擊和徑流沖刷的抵抗能力，從而也提高了土壤抗沖擊能力[23]。由此可見，組培巨桉人工林土壤抗侵蝕能力更強。

綜合分析可知，巨桉組培苗比實生苗有更強的生存能力和適應環境的能力，不僅能夠改良土壤結構和減弱降水侵蝕程度，而且還能增強林地土壤水穩性，提高土壤抗侵蝕能力，在保持水土方面有著較大優勢。

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Comparative Study of Soil Anti-erodibility Between Two Kinds ofEucalyptusGrandisPlantations

YU Xiaozhang， WEI Peng， FAN Chuan， WANG Xie， ZHANG Tengfei， SHEN Wei

(CollegeofForestry,SichuanAgricultureUniversity,Ya’an,Sichuan625014,China)

Abstract：[Objective] To research the effects of two seedlings〔tissue culture seedling(P1) and seed seedling(P2)〕 of Eucalyptus grandis plantation on soil anti-erodibility. [Methods] Soil samples of 0—10c m, 10—20 cm and 20—30 cm were collected with ring-knife and plastic box to determine the index as soil bulk density, non-capillary porosity, capillary porosity, total porosity, soil aeration porosity and water stable aggregates content, etc. [Results] The soil bulk density in the two seedling plantation lands increased at the downward soil profiles, while total porosity and soil aeration porosity decreased with the increase of soil depth. The soil bulk density in P1was significantly lower than that in P2. The total porosity and soil aeration porosity in P1were significantly higher than those in P2. Water stable index, soil erosion resistance, aggregate condition, aggregate degree and structure coefficient in the two kinds of plantations decreased with the increase of soil depth, while the soil dispersion rate and dispersion coefficient increased. The water stability and resistance to corrosion index were both significantly different at the 0.05 level. Soil erosion resistance and structure coefficient in P1were higher than those in P2, while the dispersion coefficient was lower than that in P2. Contents of water-stable aggregate in all size and MWD(mean weight diameter) in both plantations decreased with the increase of soil depth, while soil structure damage rate increased. Contents of water-stable aggregate in different size(>5 mm, 5~2 mm, 0.5~0.25 mm, >0.5 mm, >0.25 mm) and MWDS in P1were higher than those in P2, while the structure damage rate, and water-stable aggregate in sizes of 2~1 mm and 1~0.5 mm in P1were lower than those in P2.[Conclusion] Soil anti-erodibility in P1was higher than that in P2, in the present study condition.

Keywords:soil anti-erodibility; Eucalyptus grandis plantation; tissue culture seedling; seed seedling

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0058-06

中圖分類號：S714.7， S157.1

通信作者：范川(1973—),男(漢族),四川省渠縣人,博士,副教授,主要從事人工造林理論及技術研究。E-mail:fanchuan01@163.com。

收稿日期：2014-03-06修回日期：2014-04-04
資助項目：國家“十二五”科技支撐項目“長江上游低山丘陵區生態綜合整治技術與示范”(2011BAC09B05); 四川省科技支撐計劃項目(2010NZ0049)
第一作者：余曉章(1959—),男(漢族),四川省成都市人,實驗師,主要從事人工造林理論與技術研究。E-mail:yuxz0825@163.com。