川中丘陵區(qū)榿木、柏木對紫色土風化與養(yǎng)分特征的影響

陸傳豪, 鄧利梅, 崔榮陽, 汪 璇, 周 濤, 劉剛才

(1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

植物是影響風化的主要因素之一，根系的根劈作用能有效促進物理風化，凋落物分解與根系分泌產(chǎn)生的有機酸會腐蝕巖石和土壤中的礦物，加速化學風化[1]。土壤表層是受植物凋落物和根系影響最為集中的區(qū)域，對植物帶來的影響敏感度最高[2]；而在表層以下，植物主要通過根系對剖面的風化狀況產(chǎn)生影響。在山地區(qū)域許多暴露的垂直剖面中，可以觀察到植物根系穿越土層，而后沿著裂隙進入巖層向下生長，并使得剖面變得較為破碎，風化層厚度顯著提升的現(xiàn)象[3]。在植物對風化影響方面的研究已有較長的歷史，早在1949年Jackson和Sheldon[4]首次研究了樹木根系在石灰?guī)r崩解過程中所起的作用；而后Almeida等[5]分析了高等植物在促進風化成土方面的能力；李勇等[6]2005年在黃土高原的研究表明，不同剖面的風化差異，主要受直徑≤1 mm須根在剖面中的纏繞分布特征影響。Hasenmueller等[1]2017年在賓夕法尼亞州的研究表明，植物根系在頁巖風化成土過程中，對礦物成分轉(zhuǎn)變、元素遷移等均有顯著的促進作用。但迄今為止，受制于根系作用周期長、野外挖掘觀測困難等，研究進展一直較為緩慢，許多問題尚不明晰。養(yǎng)分是形成土壤肥力的物質(zhì)基礎，養(yǎng)分積累與肥力形成也是風化成土過程中土壤開始發(fā)育并顯著區(qū)別于母質(zhì)的主要特征之一。植物在改變剖面風化進程的同時，對土壤乃至整個剖面的養(yǎng)分特征也產(chǎn)生著顯著的影響。植物在生長過程中不斷從地下環(huán)境中吸取必要的營養(yǎng)元素，而其凋落物、根系等的腐敗又將養(yǎng)分元素歸還于土壤，這一系列過程影響了養(yǎng)分的積累和分布[7]。在植物對土壤養(yǎng)分影響方面已有較為悠久的研究歷史，研究方法包括了單項指標評價、主成分分析法[8]、內(nèi)梅羅指數(shù)法等[9]，近年來，將地統(tǒng)計學與GIS等數(shù)字化技術(shù)進行結(jié)合的研究方法，逐步成為了該領(lǐng)域的研究熱點[10]。已有研究[11]表明植物生長能顯著提升土壤養(yǎng)分含量，但截止目前，在喬木對剖面養(yǎng)分特征的影響方面尚研究較少。川中丘陵區(qū)是紫色土的主要分布區(qū)域，面積約1.20×105km2，區(qū)內(nèi)人口承載量大，農(nóng)耕活動密集，是四川省社會經(jīng)濟的核心區(qū)[12]。20世紀50年代后，該區(qū)原生林地在人口壓力下，被大量轉(zhuǎn)化為耕地，林地面積占比一度降至9%，致使水土流失加劇，耕地肥力下降等[13]。20世紀70年代起，該區(qū)開始大量營造榿柏混交林，至20世紀末，榿柏混交林面積已占到全區(qū)林地面積的近1/3。目前，榿柏混交林及其演替而成的柏木純林已成為川中丘陵區(qū)主要林地類型[14]。但至今為止，在榿木、柏木對紫色土風化成土影響方面的研究尚未見報道，對榿木、柏木影響下紫色土的養(yǎng)分特征尚缺乏基本了解。為此，本研究選擇川中丘陵區(qū)鹽亭縣境內(nèi)的萬安小流域為研究區(qū)，以榿木、柏木為研究對象，通過野外調(diào)查、剖面挖掘采樣等，分析榿木、柏木對紫色土風化和養(yǎng)分特征的影響。研究有利于提升對紫色土的了解，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，維持區(qū)域的生態(tài)安全以及水土保持措施的有效性等，并可為同類研究的開展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本次研究選擇川中丘陵區(qū)鹽亭縣萬安小流域(31°16′N，105°27′E)為研究區(qū)，該小流域為典型的川中紫色土丘陵地貌，地處涪江支流彌江、湍江分水嶺附近，流域面積1 236 hm2。該地為亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.3 ℃，無霜期294 d，多年平均降雨量826 mm，降雨年內(nèi)分布不均，大部分降雨集中在5—9月[15]。流域海拔400～600 m，地形以中深丘陵為主，坡度介于3°～15°之間。小流域?qū)缏兜貙訛橘_系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上部，與白堊系下統(tǒng)城墻巖群下部，兩組呈假整合接觸，砂泥巖互層，裂隙發(fā)育強烈。主要土壤類型為鈣質(zhì)紫色土和水稻土。小流域土地利用類型中林地面積占比56.3%，林地植被類型中柏木為優(yōu)勢樹種，同時分布有榿木、松樹等喬木，以及馬桑等灌木[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 基于前期調(diào)查，于2019年6月在萬安小流域內(nèi)林齡在50 a左右的成熟林地中，選擇位于不同坡向、不同坡位的20 m×20 m樣區(qū)6個，每個樣區(qū)中選擇生長高度和直徑接近、生長健康、干形通直的成年榿木、柏木植株各3～5株，進行剖面挖掘。挖掘前記錄GPS坐標、海拔等，并測定樹高和胸徑。而后按照剖面挖掘方法[1]，沿樹木根系往下挖掘剖面，并在相鄰的無植物生長區(qū)域挖掘?qū)φ掌拭妗Ｍ诰蛲瓿珊?，首先沿坑壁在橫向和縱向放置1 m×1 m的刻度尺，進行剖面觀測并記錄，而后從表層往下按照0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm分層采樣。指標測定前將樣品按四分法取出1 kg，挑出雜物，風干，過篩確定顆粒組成，并研磨過篩備用。本次試驗分別挖掘榿木、柏木下土壤剖面19個和30個。

1.2.2 樣品分析測定 顆粒篩分方面，由于剖面中粗細顆?；祀s，故充分參考謝賢健[17]、張丹[18]在同類研究中基于土工規(guī)程與土壤粒徑分級標準設置的粒徑梯度，將自然風干樣過60，40，20，10，5，2，1，0.5，0.25 mm標準篩，統(tǒng)計每一組粒徑的質(zhì)量百分含量，并進行分形維數(shù)的計算。指標測定方面，pH值采用pHS-3E酸度計測定；有機質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀容量法測定；總N利用干燥燃燒元素分析儀測定；堿解N利用氫氧化鈉堿解擴散法測定；有效P利用碳酸氫鈉法測定；速效K利用乙酸銨提取法測定。K2O，Na2O，CaO，MgO均采用火焰原子吸收分光光度法測定；Al2O3采用氟化物取代絡合滴定法測定[19]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

(1) 分形維數(shù)計算方法。已有研究表明，巖石崩解后顆粒存在很高的統(tǒng)計自相似性，符合分形特征，因此部分研究者從分形幾何理論出發(fā)，運用分形維數(shù)來衡量巖石的物理風化程度[20]，并將該方法應用于剖面分型特征研究中[17]。通常提到的分維是立足于自相似的，對于分形描述，可采用關(guān)聯(lián)分數(shù)維，其表達式為：

(1)

式中：x為標度；N(x)為在該標度下所得的量度值；D為分維數(shù)值。

已有研究多采用Gate-Gaudin-Schuhmann分布函數(shù)來表征巖石破碎后的分布特征。設崩解后碎石的總質(zhì)量為M，篩孔直徑為ε，通過該孔徑ε的碎石質(zhì)量為M(ε)，σ為碎石平均尺寸。則該分布函數(shù)表達式為：

M(ε)/M=(ε/σ)b

(2)

對其求導則可獲得dM(ε)∝εb-1dε。

與此同時，根據(jù)分維數(shù)概念N(ε)∝ε-D，求導可獲得dN(ε)∝ε-D-1dε。

根據(jù)前人對分形維數(shù)中碎石巖塊數(shù)增量與巖塊體增量之間關(guān)系的相關(guān)研究[21]，二者關(guān)系為dM∝ε3dN，故可以獲得如下關(guān)系式：

εb-1dε∝ε3ε-D-1dε

(3)

通過整理，即可將分形維數(shù)D表述為：

D=3-b

(4)

式中：b為在lgε為橫軸,lg〔M(ε)/M〕為縱軸情況下一元線性回歸的斜率值;M(ε)/M是直徑小于ε的碎石的質(zhì)量百分含量[22]。

(2) 化學風化指數(shù)計算方法?；瘜W蝕變指數(shù)CIA是判斷化學風化程度的重要指標，能有效指示風化剖面中長石風化成黏土礦物的程度，其值越大，化學風化程度越高。CIA的計算方法為：

CIA=〔Al2O3/(Al2O3+K2O+

Na2O+CaO)〕×100

(5)

式中：氧化物均以分子摩爾數(shù)表示[23]。

風化淋溶系數(shù)BA可表征鹽基元素的淋失程度，其計算方式為：

BA=(K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3

(6)

式中：均為分子摩爾數(shù),風化淋溶系數(shù)BA越小,鹽基元素淋失越多,化學風化越強烈[24]。

(3) 綜合肥力指數(shù)計算方法。

①利用全國第二次土壤普查結(jié)果，對各土壤養(yǎng)分指標進行分級標準化，分別計算各項指標的分肥力系數(shù)[25]。分肥力系數(shù)計算公式為：

(7)

式中：IFIi為分肥力系數(shù);X為養(yǎng)分含量;Xa,Xb,Xc分別為表1中各項指標的分級標準。

表1 土壤養(yǎng)分指標分級標準

②采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算綜合肥力指數(shù)。內(nèi)梅羅指數(shù)法是當前綜合肥力指數(shù)計算中的較為通用的方法之一，且在西南紫色土區(qū)已有一定應用[26]。

〔(n-1)/n〕

(8)

式中：IFIi·Avg為分肥力系數(shù)的均值; IFIi·min為分肥力系數(shù)最小值;n為指標個數(shù)。IFI值越大,則綜合肥力越高。

(4) 統(tǒng)計分析方法。本文利用SPSS 11.5進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析；運用Sigmaplot 10.0進行制圖；數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用Duncan法；相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 榿木、柏木根系分布特征

由于榿木、柏木根系較為龐大，故本次基于剖面挖掘法，對剖面進行數(shù)字化，進而確定剖面中根系暴露面積占總面積的比例，即根系截面積比率，來表征根系在剖面中的分布狀況[27]。由圖1可知，榿木下土壤剖面根系截面積比率為13.57%，其中0—20 cm層為32.65%，20—40 cm層為10.83%，深度40 cm以下根系截面積比率較低。柏木下土壤剖面根系截面積比率達到了21.91%，較榿木下土壤剖面偏高8.34%，其中0—20 cm層為40.74%，20—40 cm層為20.76%，深度40 cm以下根系迅速減少，根系截面積比率同樣較低。在垂直分布上，榿木根系在剖面中相比柏木更趨向于表層，其62.65%的根系分布于0—20 cm土層中，根系截面積比率隨深度下降的速度較快。柏木根系截面積比率隨深度下降的速度顯著慢于榿木，其0—20 cm層根系占剖面總量的50.52%，在各層分布也更為均勻。總體而言，相較于榿木根系，柏木根系密度更大，粗根和細根數(shù)量均顯著偏多，呈現(xiàn)出更強的競爭力。

圖1 不同樹種下土壤剖面根系截面積比率特征

2.2 物理風化特征

2.2.1 剖面顆粒級配特征 顆粒級配反映了各級粒度組成所占的比例，是較為通用的物理風化程度衡量方法。通常認為紫色土顆粒粒徑<2 mm即為成土，而粒徑≥2 mm的礫石含量是物理風化的主要表征指標之一，礫石含量越少，物理風化程度越高[12]。各剖面的顆粒級配如圖2所示，表層0—20 cm均以<2 mm的成土顆粒為主，榿木、柏木、對照剖面表層成土顆粒占比分別達到了86.06%，78.19%和72.19%，而粒徑>10 mm的大顆粒占比均極低，其中榿木下土壤剖面表層質(zhì)地最細。

圖2 不同樹種下土壤剖面土壤顆粒級配特征

自表層往下，細顆粒占比減少，粗顆粒含量迅速增加，其中柏木下土壤剖面顆粒組成變化最慢，對照剖面變化最快。80—100 cm深度范圍多為完整的母巖或剛開始崩解的大顆粒母質(zhì)，榿木、柏木、對照剖面80—100 cm層粒徑>60 mm顆粒質(zhì)量百分數(shù)分別占到了88.35%，74.44%，93.01%。總體上榿木、柏木下土壤剖面的破碎程度較之對照均有明顯提升，說明根系在一定程度上促進了剖面的物理崩解。

2.2.2 剖面分形維數(shù)特征 分形維數(shù)將巖石崩解過程中大小不一的粒徑組分，統(tǒng)一到分形維數(shù)中進行衡量。根據(jù)分形維數(shù)計算方法，獲得不同剖面的分形維數(shù)(表2)。結(jié)果表明，研究區(qū)榿木、柏木下土壤剖面分形維數(shù)分別為2.07和2.13，二者較之對照提升幅度分別達到了6.47%和9.03%，其中柏木下土壤剖面崩解程度最高，物理風化最強烈。垂直深度上，各剖面分形維數(shù)均呈現(xiàn)自表層往下迅速遞減的變化態(tài)勢；其中表層0—20 cm區(qū)間上，榿木下土壤剖面分維數(shù)最高為2.72，對照剖面最低為2.60；底層80—100 cm區(qū)間分形維數(shù)均較低。不同剖面方面，榿木、柏木下土壤剖面0—20，20—40 cm深度分形維數(shù)在0.05水平上差異均不顯著，60—80，80—100 cm區(qū)間差異同樣不顯著，而40—60 cm與其余各層均呈顯著性差異(p<0.05)，表明榿木、柏木下土壤剖面的物理風化程度均在40—60 cm深度區(qū)間發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變。而對照剖面除了60—80 cm與80—100 cm深度區(qū)間呈現(xiàn)差異不顯著，其余各層的分形維數(shù)之間均呈顯著性差異(p<0.05)。可見榿木、柏木根系的生長，一定程度上提升了剖面中上各層的分形維數(shù)，并減小了層間差異。

表2 不同樹種下土壤剖面土壤分形維數(shù)特征

2.3 化學風化特征

本研究選用化學蝕變指數(shù)CIA，Na/K摩爾比、風化淋溶系數(shù)BA來表征紫色土剖面的風化強度特征。根據(jù)公式計算獲得各剖面的化學風化指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。榿木、柏木樹種下土壤剖面化學蝕變指數(shù)CIA分別為51.72和52.15，較之對照剖面分別小幅偏高了1.14和1.57。根據(jù)化學蝕變指數(shù)分級標準，各剖面均處于低等化學風化水平，化學風化程度較弱。Na/K摩爾比方面，榿木下土壤剖面為0.62，柏木下土壤剖面為0.60，二者較之對照剖面分別偏低了0.02，0.04。風化淋溶系數(shù)BA方面，榿木、柏木下土壤剖面分別為1.24和1.21，較對照分別偏低了0.03與0.06，各剖面鹽基元素的淋失均較少，風化強度均較低。在垂直深度上風化強度隨深度小幅減弱。總體而言，榿木、柏木生長對紫色土剖面化學風化的影響較小，各剖面化學風化程度均較低，且剖面間差異不顯著。

圖3 不同樹種下土壤剖面的化學蝕變指數(shù)CIA，Na/K摩爾比，風化淋溶系數(shù)BA特征

2.4 養(yǎng)分特征

2.4.1 剖面養(yǎng)分指標特征 基于同類研究中的指標選取方法，選擇有機質(zhì)，全N，全P等構(gòu)成衡量養(yǎng)分狀況的指標體系，該指標體系已得到較為廣泛的應用與驗證，可有效表征紫色土剖面的養(yǎng)分特征[2,25]。由圖4—5可知，榿木、柏木下土壤剖面除全K外各項養(yǎng)分指標均顯著高于對照剖面。

圖4 不同樹種下土壤剖面有機質(zhì)特征

不同指標方面，剖面有機質(zhì)，全N，堿解N，速效K表現(xiàn)為：榿木>柏木>對照；其中榿木下土壤剖面有機質(zhì)，全N，堿解N，速效K平均含量分別達到了5.14 g/kg，0.35 g/kg，45.25 mg/kg和46.35 mg/kg，較之對照剖面分別提高了67.20%，28.68%，32.79%，24.38%。有效P表現(xiàn)為：柏木>榿木>對照，柏木下土壤剖面有效P平均含量達到了2.86 mg/kg，較之對照剖面提高了45.51%，提升幅度非常顯著。在垂直分布上，有機質(zhì)，全N，堿解N，有效P，速效K均隨深度增加而迅速降低，上述指標在各剖面80—100 cm層的平均含量僅分別為表層0—20 cm區(qū)間的10.29%，20.37%，22.29%，28.78%，23.06%。全P含量在各層之間差異并不顯著。而全K含量受淋溶作用影響，隨深度呈現(xiàn)小幅上升的變化態(tài)勢，但各層差異同樣不顯著。總體而言，榿木、柏木生長對紫色土剖面有機質(zhì)，全N，堿解N，速效K等的提升非常顯著，其中榿木的提升效果優(yōu)于柏木。

圖5 不同樹種下土壤剖面養(yǎng)分指標特征

表聚系數(shù)指的是指表層元素含量占整個剖面總含量的比值，表聚系數(shù)越大，表聚性就越強[2]。本次研究將剖面分為5層，且每層厚度相同，因此當表聚系數(shù)大于0.20，即認為產(chǎn)生了表聚現(xiàn)象。由圖6可知，榿木、柏木下土壤剖面除全K和全P外各項養(yǎng)分指標的表聚系數(shù)相較于對照剖面均有顯著提升。其中榿木下土壤剖面在堿解N和速效K方面的表聚系數(shù)要顯著高于其余剖面；而柏木下土壤剖面在有機質(zhì)、全N上的表聚系數(shù)最高。

圖6 不同樹種下土壤剖面養(yǎng)分的表聚系數(shù)

不同養(yǎng)分指標方面，有機質(zhì)，全N，堿解N，有效P，速效K的表聚系數(shù)均顯著大于0.20，表現(xiàn)出明顯的表聚特征。其中有機質(zhì)的表聚效應最為顯著，其在榿木、柏木、對照土壤剖面中的表聚系數(shù)分別達到了0.57，0.61，0.48。

2.4.2 剖面綜合肥力指數(shù) 綜合肥力指數(shù)將眾多養(yǎng)分指標統(tǒng)一到同一個評價指數(shù)中，有助于更好的了解肥力的總體變化特征?；趦?nèi)梅羅綜合肥力指數(shù)法，獲得各剖面的綜合肥力指數(shù)(圖7)。結(jié)果表明，榿木、柏木下土壤剖面的綜合肥力指數(shù)分別為0.81，0.79，二者較之對照剖面提升幅度分別達到了14.08%和11.27%，提升較為顯著，其中榿木生長的提升效果優(yōu)于柏木。垂直深度上，各剖面綜合肥力指數(shù)均隨深度呈下降趨勢，其中榿木、柏木下土壤剖面的下降速度顯著快于對照剖面，60 cm深度以下，各剖面的綜合肥力指數(shù)均較低，且值均介于0.60～0.66之間。總體而言，各剖面之間的綜合肥力指數(shù)差異主要體現(xiàn)在0—40 cm深度區(qū)間，榿木、柏木對剖面中上層的綜合肥力指數(shù)起到了顯著的提升作用。

圖7 不同樹種下土壤剖面綜合肥力指數(shù)特征

2.5 根系分布、風化指標、養(yǎng)分指標之間相關(guān)性分析

榿木、柏木的生長與其所處環(huán)境時刻處于密切的互相作用過程中，單一指標的變化影響著其余指標的演變進程與速度，使得指標間往往存在一定的相關(guān)性。由表3—4可知，榿木、柏木根系截面積比率與所在剖面分形維數(shù)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與綜合肥力指數(shù)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，與化學蝕變數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系均不顯著(p>0.05)，說明榿木、柏木下土壤根系生長主要提升了剖面的物理崩解程度與養(yǎng)分特征。榿木、柏木下土壤剖面分形維數(shù)與綜合肥力指數(shù)之間同樣均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，紫色土剖面物理崩解的進行，也在一定程度為養(yǎng)分積累提供了條件。但其與化學風化指數(shù)之間的關(guān)系在不同剖面中有所差異，其中柏木下土壤剖面分形維數(shù)與化學蝕變數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，而在榿木下土壤剖面中二者相關(guān)性并不顯著(p>0.05)。

表3 榿木下土壤剖面各項指標間相關(guān)性分析

表4 柏木下土壤剖面各項指標間相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 榿木、柏木對風化的影響

本次研究結(jié)果表明榿木、柏木生長顯著促進了紫色土剖面的物理崩解，二者較之無植物對照，分形維數(shù)分別提高了6.47%和9.03%。紫色土區(qū)土層較淺，朱波等[13]研究結(jié)果表明川中丘陵區(qū)73%的坡地土層厚度在20—60 cm之間，而本次野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)林地土層平均厚度僅為27 cm。淺薄的土層使得根系在作用于上層土壤的同時，與中下層基巖發(fā)生接觸的狀況非常頻繁。與此同時，由于紫色母巖裂隙發(fā)育強烈，平均裂隙率能達到4%左右[12]，這一特征為植物細根進入巖體生長提供了充足的條件。野外調(diào)查研究過程中對剖面1 m×1 m面積上，穿透土層并通過裂隙進入巖層生長的根系進行了一個初步的測定和統(tǒng)計，其中單個剖面中進入巖層生長的柏木粗根數(shù)量最多達9根，榿木粗根數(shù)量則平均在3根左右。另一方面，調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)林地邊緣、山間道路旁等曝露邊坡上，柏木、榿木根系進入甚至穿透巖層生長，并導致巖層變得較為破碎的現(xiàn)象非常普遍。這些狀況均表明榿木、柏木根系對整個剖面物理風化產(chǎn)生著非常強烈的影響。研究區(qū)榿木、柏木根系的持續(xù)生長，產(chǎn)生了顯著的根劈作用，加速了紫色土剖面的物理崩解，這其中柏木根系由于根系密度與數(shù)量均高于榿木，在剖面中展現(xiàn)出來更為顯著的破壞能力。榿木、柏木生長對紫色土風化成土速率的促進，可在一定程度上彌補紫色土較容易發(fā)生侵蝕而流失的不足，維持了風化成土速率與土壤侵蝕速率之間的平衡。但值得注意的是，在部分邊坡區(qū)域，植物根系的作用有可能導致邊坡穩(wěn)定性降低，造成邊坡垮塌等危害。

3.2 榿木、柏木對養(yǎng)分特征的影響

榿木、柏木生長對紫色土剖面的綜合肥力指數(shù)有較為顯著的提升，其提升幅度分別達到了14.08%和11.27%，其中對有機質(zhì)，全N，堿解N，有效P，速效K的提升尤為明顯。在地表，榿木、柏木凋落物中的有機質(zhì)以及N，P等養(yǎng)分元素向下輸移過程往往受到各類因素的阻隔，最終富集于表層，使得有機質(zhì)，全N，堿解N，有效P，速效K等產(chǎn)生了明顯的表聚效應，從而顯著提升了表層的養(yǎng)分，這一特征與相關(guān)研究結(jié)果基本一致[7,11]。而在地表以下，本次研究結(jié)果表明剖面根系分布密度與綜合肥力指數(shù)呈現(xiàn)較強的正向相關(guān)性(p<0.05)，表明根系活動在一定程度上影響了剖面養(yǎng)分。植物根系的衰亡給土壤提供了有機質(zhì)以及原本富集于根系的N，P等養(yǎng)分元素，同時根系在生長過程中會向根際輸入由含C有機物構(gòu)成的根系分泌物，也在一定程度上提升了剖面的養(yǎng)分條件。不同植物之間，榿木對剖面養(yǎng)分的提升效果總體上優(yōu)于柏木，尤其在有機質(zhì)，全N，堿解N，速效K方面最為典型。研究過程中對榿木、柏木不同器官組織的養(yǎng)分狀況進行測定，結(jié)果表明兩種植物除了在全K含量方面差異較小，在其他指標方面，榿木均顯著高于柏木，其中榿木樹葉的全N，全P，全K含量分別為20.85，4.32和8.75 g/kg，較之柏木分別偏高了2.01，2.23和1.01 g/kg。與此同時，榿木作為落葉闊葉植物，其凋落物歸還量要顯著高于柏木。在上述兩方面因素的共同影響下，使得榿木對剖面綜合肥力的提升作用優(yōu)于柏木?？傮w而言，川中丘陵區(qū)榿柏混交林營造至今，在提升土壤肥力，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及防治水土流失等方面均起到了明顯的作用。但值得注意的是隨著研究區(qū)榿柏混交林逐步向柏木純林演變，林分結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)向單一，而柏木對紫色土養(yǎng)分的促進作用要低于榿木，這可能導致研究區(qū)林地植被對養(yǎng)分的提升效果會有所降低。因此需進一步關(guān)注研究區(qū)林地類型的演變方向，改善林地植被組成，提高林分結(jié)構(gòu)的豐富度和抗干擾能力，以期發(fā)揮更大的生態(tài)和經(jīng)濟效益。

3.3 植物、風化和養(yǎng)分間的關(guān)系

榿木、柏木根系截面積比率與所在剖面分形維數(shù)、綜合肥力指數(shù)均呈現(xiàn)較為顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，但與化學蝕變數(shù)CIA均呈現(xiàn)不顯著的正相關(guān)關(guān)系(p>0.05)。說明榿木、柏木根系的生長，在一定程度上促進了剖面的物理崩解以及養(yǎng)分積累，這與研究過程中觀察到的狀況基本相符，與相關(guān)研究結(jié)果基本一致[17]。與此同時，盡管有研究表明，植物根系分泌的低分子有機酸等，可加速對礦物的腐蝕溶解，在一定程度上提升剖面的化學風化程度[1]。但本研究結(jié)果表明榿木、柏木根系生長對紫色土剖面化學風化的影響較為有限，這可能是由于紫色土作為初育土，化學風化程度較淺，加之侵蝕速率較快，使得剖面各層之間并未呈現(xiàn)較大的差異。在物理風化與化學風化間的關(guān)系方面，柏木下土壤剖面分形維數(shù)與化學風化指數(shù)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，而榿木下土壤剖面中二者的相關(guān)性并不顯著(p>0.05)。這可能是受柏木根系在各層分布較為均勻的影響，各層分形維數(shù)均較高，破碎度的增加也為化學風化提供了更多的反應面積和入滲水分，一定程度上提升了化學風化程度，進而使得分形維數(shù)和化學風化指數(shù)之間呈現(xiàn)一定的相關(guān)性；另一方面，由于榿木根系分布更趨于表層，導致榿木下土壤剖面分形維數(shù)隨深度遞減的速率較快，并未給剖面中下層的化學風化產(chǎn)生足夠影響，使得二者并未呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系。此外，榿木、柏木下土壤剖面中物理崩解速率與養(yǎng)分條件均呈現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系。這主要是因為根劈作用的進行使得巖層崩解速率加快，為礦質(zhì)元素的釋放，植物根系的進一步生長，低等生物的附著等提供了條件，進而促進了養(yǎng)分的積累。因而川中丘陵區(qū)榿柏混交林的營造，除了起到了水土保持的效果，還在一定程度上改善了養(yǎng)分條件，提升了紫色土成土速率，發(fā)揮了良好的生態(tài)效益。這可為其他地區(qū)人工林的營造，以及為相關(guān)研究的開展提供借鑒。

4 結(jié) 論

(1) 榿木、柏木根系在剖面中的分布特征方面，柏木根系在垂直截面上的根系截面積比率較榿木根系偏高8.34%，其在根系密度與根系數(shù)量上均顯著高于榿木，呈現(xiàn)出更強的競爭力。

(2) 對物理風化影響方面，榿木、柏木下土壤剖面的分形維數(shù)均高于對照剖面，兩種喬木的生長顯著促進了紫色土剖面的物理崩解程度，提升了成土速率，其中柏木的促進作用高于榿木。

(3) 對化學風化影響方面，榿木、柏木、對照剖面之間化學風化程度差異并不顯著，各剖面表層化學風化程度略高于底層，但各層之間差異同樣不顯著。

(4) 對養(yǎng)分影響方面，榿木、柏木下土壤剖面綜合肥力指數(shù)均顯著高于對照剖面，兩種植物的生長顯著提升了紫色土剖面的養(yǎng)分特征。其中榿木的提升效果優(yōu)于柏木，其對有機質(zhì)，全N，堿解N，速效K的提升尤為顯著。