談正鑫, 萬福緒, 張 波

(南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院, 南京 210000)

?

盱眙火山巖丘陵區(qū)不同林地土壤抗蝕性評價

談正鑫, 萬福緒, 張 波

(南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院, 南京 210000)

以盱眙火山巖丘陵區(qū)5種不同的人工林(楊樹林、楊梅林、樸樹林、墨西哥柏林、桃樹林)為研究對象，通過對土壤水穩(wěn)性團聚體特征、有機質(zhì)含量等指標的測定與分析，研究了人工林對土壤可蝕性的影響。對林地土壤的抗蝕性指標進行主成分分析和相關(guān)性分析將10個抗蝕指標降到了4個：>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、團聚體穩(wěn)定性指數(shù)、有機質(zhì)含量。并運用回歸分析建立了不同林分下土壤抗蝕性綜合評價模型Y=0.073X4+1.066X5+9.261X9+0.554X10-64.939。結(jié)果表明楊樹林地土壤的抗蝕性在5種林分中是最好的。

土壤抗蝕性； 主成分分析； 評價模型

土壤抗蝕性是評定土壤抵抗侵蝕能力的重要參數(shù)之一，土壤抗蝕性是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力，其大小不僅與土壤內(nèi)在的理化性質(zhì)密切相關(guān)，受到受各種自然和人為活動的影響[1]。但是由于土壤抗蝕性并不是一個簡單的物理或化學的定量可直接測定指標，而是一個綜合性因子，關(guān)于土壤抗蝕性因的評價還未找到較普遍試用的指標。因此，只能在一定的控制條件下通過實際測定土壤流失量或測定土壤某些性質(zhì)作為土壤抗蝕性指標，從而達到估價土壤可蝕性的目的[2-4]。目前國內(nèi)主要從土壤抗蝕性機理，影響因素和指標體系等方面進行了研究，對土壤抗蝕性研究指標的選取上，大多學者以土壤的顆粒組成、有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性指數(shù)，以及表征土壤團聚體特征的分散系數(shù)、分散率、團聚狀況、團聚度等指標為主，也有學者研究土壤抗蝕性能與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，來綜合分析土壤的抗蝕性能。但由于土壤抗蝕性受土壤類型、植被、氣候、地形等多因子的影響較大，且時空變異性較大，至今仍未取得普遍適用的指標[4-5]。國內(nèi)關(guān)于土壤抗蝕性的研究主要集中在黃土高原地區(qū)，許多研究認為土壤有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性團聚體含量和黏粒含量是反映黃土高原土壤抗蝕性的最佳指標[6-7]。但是火山巖地區(qū)與其它地區(qū)相比有著土壤土層薄，土壤粘重，表層土疏松，容重小，保水持水能力差的特點，容易受到侵蝕[8]。目前對于蘇南火山巖丘陵山區(qū)不同植被類型下土壤抗蝕性的研究鮮見報道，能夠反映火山巖地區(qū)土壤抗蝕性的最佳指標無從得知。本文對盱眙火山巖丘陵山區(qū)典型林地土壤抗蝕性進行了研究，以期選出合適當?shù)赝寥揽刮g性評價的指標體系，分析當?shù)刂饕脖活愋偷耐寥揽刮g性，為水土流失的防治提供科學依據(jù)和理論指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省盱眙縣月亮山，地處北亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)域，屬季風性濕潤氣候。四季分明，季際、年際變異性突出，年平均日照總量2 222.4 h，平均氣14.7℃，無霜期215 d，年平均降水量1 005.4 mm。溫差0.4℃，土壤由火山巖發(fā)育形成，以地帶性土壤黃棕色壤面積最大，占36.2%，其次是火山灰土和水稻土以及部分潮土和沙姜土。盱眙全縣現(xiàn)有成片林11 867萬hm2，農(nóng)田林網(wǎng)2 169萬hm2，“四旁”樹木保存1 058萬株，森林覆蓋率18.3%?；盍⒛究傂罘e量90.3萬m3，年生長量16.85萬m3。

該研究區(qū)主要樹種為桃樹(AmygdaluspersicaL.)、楊梅(MyricarubraLour. S. et Zucc)、枇杷(EriobotryajaponicaThunb. L)、櫸樹(ZelkovaserrataThunb. Makinoz)、楊樹(PopulusL)、樸樹(CeltissinensisPers)和墨西哥柏(Cupressuslusitanica)。樣地基本狀況見表1。

表1 試驗地基本情況

2 試驗材料與方法

2.1 樣品采集和分析

1) 樣地的選擇：本研究選擇5種在盱眙縣月亮山具有代表性的人工林類型，每個林地建立3個20 m×20 m 樣方進行常規(guī)調(diào)查。

2) 用S形采樣法從樣方中選取3個取樣點，分別采取0—20，20—40 cm原狀土(該地區(qū)土層較薄)，每層取三個土樣，樣品帶回室內(nèi)，揀去石礫、植物根系和碎屑，風干。

3) 土壤機械組成采用Microtrac S3500激光粒度儀測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀加熱法[9]；采用干篩法和濕篩法測定>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量[10]；

4) 采用SPSS分析軟件，使用主成分分析和聚類分析的方法對數(shù)據(jù)進行分析。

2.2 評價指標的選擇

衡量的土壤抗蝕性的指標很多，挑選出3類與土壤抗蝕性密切相關(guān)的抗蝕性指標[11]，各項指標具體如下：

2.2.1 無機黏粒類指標，可以反映出土壤的結(jié)構(gòu)狀況，與土壤的滲透性和蓄水能力有很大聯(lián)系[12]。

1) <0.05 mm 粉黏粒含量(%)(X1)；

2) <0.01 mm 物理性黏粒含量(%)(X2)；

3) <0.001 mm 膠粒含量(%)(X3)；

2.2.2 水穩(wěn)性團聚體類指標，能夠體現(xiàn)出土壤的團聚度和穩(wěn)定性[13]。

4) >0.5 mm 水穩(wěn)性團聚體(%)(X4)

5) >0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體(%)(X5)

6) 結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)(X6)結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)=黏粒含量(<0.001 mm)/細粉粒、中粉粒、粗粉粒含量之和(<0.001～0.05 mm)

7) 團聚體分散率(X7)團聚體分散率(%)≥0.25 mm 團粒含量(干篩—濕篩)/>0.25 mm 干篩團粒含量×100

8) 團聚體分形維數(shù)水穩(wěn)性指數(shù)D(X8)

式中：dmax——最大粒徑的平均直徑，W(Ddmax)=0[14-15]。

9) 團聚體穩(wěn)定性指數(shù)ASI(X9)采用轉(zhuǎn)移矩陣法計算[16]。

2.2.3 有機質(zhì)類指標，有機質(zhì)可以提高土粒之間的黏結(jié)力，與土壤的團聚狀況有密切關(guān)系。

10) 有機質(zhì)(g/kg)(X10)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤抗蝕性主成分分析

用于衡量土壤抗蝕性的指標體系盡管比較全面，但是由于研究的區(qū)域以及其它各種條件的差異，對抗蝕性指標的選用也多種多樣，且一些指標之間信息重疊，相互之間有一定的關(guān)聯(lián)性。因此，根據(jù)各指標測定值對各樣地土壤抗蝕性指標進行主成分分析，以優(yōu)化表征該區(qū)土壤抗蝕性的指標[17-18]。

本文選取<0.05 mm粉黏粒含量(X1)；<0.01 mm物理性黏粒含量(X2)；<0.001 mm膠粒含量(X3)；>0.5 mm水穩(wěn)性大團聚體含量(X4)；>0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量(X5)；結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)(X6)；團聚體分散率(X7)；水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)(X8)；團聚體穩(wěn)定指數(shù)(X9)；有機質(zhì)含量(X10)10個有關(guān)土壤抗蝕性的指標(表2)對盱眙火山巖丘陵山區(qū)五種典型林分林地土壤的抗蝕性進行主成分分析。

從表2可以看出前兩個主成分Y1，Y2的累計貢獻率已經(jīng)達到百分之86.161%，信息量只損失13.839%，且前2個主成分的特征值均大于1，符合主成分分析對信息損失量的要求，故抗蝕性指標由原來的10維降到了2維，選用前2個主成分來衡量土壤抗蝕性，這樣在損失很少信息量的前提下把多個指標轉(zhuǎn)化成了兩個綜合指標。為了便于因子的意義的解釋和因子命名，使用最大方差法對矩陣進行旋轉(zhuǎn)，使各系數(shù)向0和1兩級分化，未旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)后的主成分矩陣見表3。

表2 不同林地土壤抗蝕性指標

表3 不同林地土壤抗蝕性總方差分析結(jié)果

從表3 可以看出貢獻率為55.019%第一個主成分中，>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體，水穩(wěn)性團聚分形維數(shù)這3個指標因子負荷較大，故可稱為水穩(wěn)性團粒類因子；在貢獻率為31.143%第二主成分中，<0.001 mm 膠粒含量、結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)這2個指標因子負荷較大，故可稱為無機黏粒類因子。

3.2 抗蝕效應分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，從表4中未旋轉(zhuǎn)的分系數(shù)矩陣，可以得到第一、二主成分的函數(shù)表達式為：

Y1=0.286X1+0.605X2+0.140X3+0.900X4+0.978X5-0.032X6-0.948X7-0.978X8+0.909X9+0.766X10；

Y2=-0.909X1-0.549X2+0.894X3+0.357X4+0.034X5+0.983X6+0.035X7-0.012X8+0.278X9-0.114X10。

表4 不同林地抗蝕性分析成分矩陣

由表3可知，第一、二主成分貢獻率分別為55.019%和31.143%，根據(jù)主成分提供信息量所占權(quán)重可以得到土壤綜合抗蝕指數(shù)Y=0.639Y1+0.361Y2(Y1為水穩(wěn)性團粒因子，Y2為無機黏粒類因子)，通過計算可以得出各林地下土壤的綜合抗蝕指數(shù)，見表5，綜合土壤抗蝕平均綜合指數(shù)從小到大依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>墨西哥柏林>楊梅林，闊葉落葉林下土壤綜合抗蝕指數(shù)普遍比常綠林的大，綜合表1可以發(fā)現(xiàn)闊葉林下>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體和>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量都比較大，可以在很大程度上提高土壤的抗蝕性，并且落葉林下枯落物豐富，一方面可以緩沖雨水動能，避免雨水濺擊而導致土壤結(jié)構(gòu)破壞，分解后的有機質(zhì)也可以有效的改良土壤的團聚狀況，提到土壤團聚體的穩(wěn)定性。兩種經(jīng)濟作物林下的土壤抗蝕性都比較低，這可能是由于經(jīng)濟林下人為擾動較大，導致土壤結(jié)構(gòu)受到人為的破壞，土壤團聚體穩(wěn)定性下降，抗蝕性降低。

3.3 土壤抗蝕性指標相關(guān)關(guān)系

通過對10個土壤抗蝕指標之間的相關(guān)分析以及與土壤抗蝕綜合指數(shù)之間的相關(guān)性分析(表6)可以發(fā)現(xiàn)：團聚體類指標和有機質(zhì)含量均與土壤抗蝕性綜合指數(shù)顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)；其中>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，團聚體穩(wěn)定性指數(shù)呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.924，0.986，0.930)，說明>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量越高，團聚體穩(wěn)定性越強，土壤抗蝕性能越好。團聚體分散率和水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)與土壤抗蝕性綜合指數(shù)呈負相關(guān)(-0.946，-0.980)，說明團聚體分散率和分形維數(shù)越低，土壤的團聚狀況越好，團聚體越穩(wěn)定，抗蝕性越強。有機質(zhì)含量與土壤抗蝕性綜合指數(shù)呈正相關(guān)(0.736)，土壤的有機質(zhì)含量越高，越有利于土壤團聚體的形成，這是由于它們有助于提高土粒之間的黏結(jié)力，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，改良土壤理化性質(zhì)，從而間從而間接地影響著土壤的抗蝕性。

表5 不同林地綜合抗蝕指數(shù)

表6 土壤抗蝕性指標及其與土壤抗蝕性綜合指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

根據(jù)上述分析，這6個指標都能在一定程度上反映土壤的綜合抗蝕性，但是團聚體穩(wěn)定性指數(shù)、團聚體分散率、水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)這3項指標反映的都是團聚體的穩(wěn)定性，為了避免重復，綜合前人的研究結(jié)果，只選取團聚體穩(wěn)定性指數(shù)這一項。因此可以以>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、團聚體穩(wěn)定性指數(shù)、有機質(zhì)含量作為評價該地區(qū)抗蝕性綜合指數(shù)的最佳指標。

3.4 抗蝕模型的建立

為了更好地反映各指標與土壤抗蝕性之間的關(guān)系，以上述的4個反映土壤抗蝕性的最佳評價指標X4(>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量)、X5(>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量)、X9(團聚體穩(wěn)定性指數(shù))、X10(有機質(zhì)含量)為自變量，以土壤的抗蝕性綜合指數(shù)Y為因變量進行回歸分析，可得出該火山巖丘陵山區(qū)土壤抗蝕性綜合評價方程：

Y=0.073X4+1.066X5+9.261X9+0.557X10-64.939

因子決定系數(shù)R2=0.998，方程擬合較好，由此可以看出，這4項指標可以較好地反映盱眙縣火山巖丘陵山區(qū)典型林地土壤的抗蝕性。

4 結(jié)論與討論

1) 通過對10種土壤抗蝕指標進行主成分分析發(fā)現(xiàn)，第一、二主成分能夠反映特征值的大部分信息，第一主成分為水穩(wěn)性團粒類因子，>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，水穩(wěn)性團聚分形維數(shù)負荷較大。第二主成分為無機黏粒類因子，<0.001 mm膠粒含量、結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)負荷較大。

2) 根據(jù)兩個主成分的所占權(quán)重，可以推導出抗蝕綜合指標模型Y=0.639Y1+0.361Y2。綜合土壤抗蝕指數(shù)從小到大依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>墨西哥柏林>楊梅林。楊樹林下土壤抗蝕性最強，這是由于楊樹林下枯落物豐富，土壤有機質(zhì)含量高，促進團聚體的形成，并且人為干擾較少，較好地保存了土壤結(jié)構(gòu)。

3) 通過對10個土壤抗蝕指標之間的相關(guān)分析以及與土壤抗蝕綜合指數(shù)之間的相關(guān)性分析，得到>0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、團聚體穩(wěn)定性指數(shù)、有機質(zhì)含量與土壤抗蝕性綜合指數(shù)呈顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)，可以作為評價該地區(qū)抗蝕性綜合指數(shù)的最佳指標。以這4個指標建立抗蝕模型Y=0.073X4+1.066X5+9.261X9+0.557X10-64.939，可為構(gòu)建盱眙火山巖丘陵山區(qū)土壤抗蝕性評價指標體系提供依據(jù)。樹木的根系、地表的枯落物都會增加土壤的有機質(zhì)含量，由于自然、人為等多方面因素的作用,火山巖丘陵區(qū)較大范圍的土壤侵蝕已成為生態(tài)環(huán)境退化的顯著標志，并成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要限制因子之一。人工林對于土壤抗蝕性具有非常重要的作用，地表既有林冠層的避護，也有地表枯落物層的覆蓋，同時枯落物的分解還會給原有土壤源源不斷地輸入大量有機膠結(jié)物質(zhì)，進而緩解林地壤抗蝕性降低，而且也有研究表明，植物根系能將附近較小的團聚體粘聚形成較大的團聚體，且根系還能促進微生物活性，使有機質(zhì)在微生物作用下分解，產(chǎn)生有機酸，防止團聚體消散，從而增加團聚體的穩(wěn)定性[19]，提高土壤抗蝕能力。楊樹林厚實的林冠、豐富的枯落物和強大的根系組織，使得楊樹在改良土壤，提高土壤抗蝕性的能力優(yōu)于其他人工林，與其他人工林相比有更為重要的水土保持意義。所以，對該地區(qū)現(xiàn)有楊樹林地進行科學的管理，結(jié)合經(jīng)濟作物林加強對楊樹林的營造可進一步發(fā)揮其保持水土的效應，提高該地區(qū)土壤的抗蝕性。

但是本研究主要從土壤物理性質(zhì)指標評價土壤的抗蝕性，結(jié)果還不足以完整地解釋土壤在降雨及徑流沖刷下土壤的崩解及抗蝕機制。雖然確定了影響該地區(qū)土壤抗蝕性的主要因子，以及各因子對土壤抗蝕性的影響，但是未能考慮土壤化學性質(zhì)指標。馬海龍[20]等人的研究表明土壤中的全氮、速效磷、速效鉀等化學性質(zhì)與土壤微團聚體含量、容重有密切關(guān)系，也在一定程度上影響土壤的抗蝕性。今后在進行土壤抗蝕性評價時，可結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況引入土壤化學性質(zhì)指標，做出更全面的評價。

[1] 喻武,杜珊,萬丹,等.色季拉山川滇高山櫟林下土壤抗蝕性分析[J].林業(yè)科技開發(fā),2013,27(4)：37-41.

[2] 張金池,陳三雄,劉道平,等.浙江安吉主要植被類型土壤抗蝕性指標篩選及評價模型構(gòu)建[J].亞熱帶水土保持,2006,18(2):1-5.

[3] 張東旭,程金花,張友焱,等.山西省土石山區(qū)典型防護林土壤抗蝕性研究[J].水土保持通報,2013,33(6)：24-27.

[4] 叢日亮,黃進,張金池,等.蘇南丘陵區(qū)主要林分類型土壤抗蝕性分析[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19(8):1862-1867.

[5] 石薇,龔偉,胡庭興,等.天然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性變[J].四川林業(yè)科技.2011,32(3):10-14.

[6] 張振國,范變娥,白文娟,等.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植物群落土壤抗蝕性研究[J].中國水土保持科學,2007,5(1):7-13.

[7] 鄭子成,楊玉梅,李廷軒.不同退耕模式下土壤抗蝕性差異及其評價模型[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(10):199-205.

[8] 王佳躍.盱眙火山巖山地土壤理化性質(zhì)分析及土壤質(zhì)量評價[D].南京：南京林業(yè)大學,2006.

[9] 南京農(nóng)業(yè)大學.土壤農(nóng)化分析[M].2版.北京：農(nóng)業(yè)出版社,1988.

[10] 中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上?？瓶茖W技術(shù)出版社,1978.

[11] 石薇,龔偉,胡庭興,等.天然林及坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫掼窳趾笸寥揽刮g性變化[J].四川林業(yè)技,2011,32(3)：18-22.

[12] 高維森,王佑民.黃土丘陵區(qū)檸條林地土壤抗蝕性規(guī)律研究[J].西北林學院學報,1991,6(3):70-78.

[13] 付允,賈亞男,藍家程.巖溶區(qū)不同土地利用方式土壤抗蝕性分析[J].水土保持研究,2011,18(5):5-9.

[14] Katz A J,Thompson A H.Fractal Sandstone Pores:implications for conductivity and pore formation[J]. Physical Revive Letters,1985,54(12):1325-1328.

[15] 楊培嶺,羅遠培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學通報,1993,38(20):1896-1899.

[16] 石輝,轉(zhuǎn)移矩陣法評價土壤團聚體的穩(wěn)定性[J].水土保持通報,2006,26(3):91-95.

[17] 胡建忠,張偉華,李文忠，等.北川河流域退耕地植物群落土壤抗蝕性研究[J].土壤學報,2004,41(6):854-863.

[18] 史曉梅,史東梅,文卓立,等.紫色土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤抗蝕性特征研究[J].水土保持學報,2007,21(4):63-66.

[19] 熊燕梅,夏漢平,李志安.植物根系固坡抗蝕的效應與機理研究進展[J].應用生態(tài)學報,2007,18(4):895-904.

[20] 馬海龍,金曉琴,劉國彬，等.黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類型土壤抗蝕性分異研究[J].水土保持研究,2013,20(2):5-8.

Evaluation of Soil Antierodibility of Different Forests in Volcanic Hilly Land of Xuyi County

TAN Zhengxin, WAN Fuxu, ZHANG Bo

(CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestUniversity,Nanjing210000,China)

The soil erodibility of five artificial forestlands in volcanic hilly land of Xuyi County, such asPopulusL,AmygdaluspersicaL,Myricarubra(Lour) S. et Zucc,CeltissinensisPers,Cupressuslusitanica, were investigated by measuring and analyzing the characters of soil water-stable aggregates and organic matter contents. Principal component analysis (PCA) and correlation analysis were used to examine the anti-erodibility of forest soils in 5 different types of forestlands. The result shows that 10 indexes can be reduced to the 4 ones, which are >0.25 mm and >0.5 mm water-stable aggregates, soil aggregate stability index, content of soil organic matter. Then we can build the comprehensive evaluation model of different forests, anti-erodibility, the comprehensive antierodibility(Y=0.073X4+1.066X5+9.261X9+0.557X10-64.939).It is suggested that the antierodibility ofPopulusL forestland is the best.

soil antierodibility; principal component analysis; evaluation model

2014-05-28

2014-07-18

江蘇省林業(yè)三新工程(LYSX[2012]10);PAPD

談正鑫(1990—),男,安徽宣城人,碩士研究生,研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:773560611@qq.com

萬福緒(1952—),男,江蘇贛榆人,教授,研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:fxwan@njfu.edu.cn

S157

1005-3409(2015)02-0007-05