天然林及坡耕地转变为巨桉林后土壤抗蚀性变化*

石 薇，龚 伟，胡庭兴，周 胜，耿东梅，李天阳，邓丽瑶，吕向楠

(四川农业大学生态林业工程省级重点实验室，四川雅安 6250l4)

环境问题是当今国际社会普遍关注的热点问题，而水土流失是世界第l号环境问题、是中国的第l大隐患［l］。我国是世界上水土流失较为严重的国家之一，全国水土流失面积达367×l04km2，占国土面积的38%，每年因水土流失造成的直接经济损失达400多亿元［2］。土壤抗蚀性指土壤抵抗水(包括降水和径流)的分散及悬浮能力大小，不仅受土壤类型、气候、地形等自然因子的影响，还受到土地利用类型，即土壤的管理方式和植被覆盖等人为活动的影响［3］。天然林在保障国家生态安全、维护生态平衡、提高环境质量及保护生物多样性等方面具有不可替代的作用。但是长期的过量采伐和大面积皆伐，我国天然林资源已收到严重破坏，从而导致生态环境的严重恶化等问题［4］。植被建设是水土保持和生态建设的根本措施，同时人工林是植被建设的重要内容，已有的研究表明人工林不仅能显著改善土壤的理化性质，而且能够提高土壤抗蚀性［5］。目前，国家正在西部地区实施的退耕还林还草工程，其目的就是解决我国大江大河中上游地区严重的水土流失问题，从而减轻下游防汛负担［6］。桉树(Eucalyptus)是世界三大速生树种之一，具有速生、丰产、优质、适应性强、用途广泛等优点，是南方速生丰产林的战略性树种。近年来，随着桉树速生丰产林面积的不断扩大，出现了一系列生态问题，如使种植地地力衰退、水土保持能力下降、生物多样性降低等［7］，引起了越来越多研究者的关注。因此，本文以川西低山区天然林及坡耕地转变为巨桉(Eucalyptus grandis)林为对象，研究土地利用变化后土壤抗蚀性变化，以期为保护天然林，科学合理地经营巨桉人工林提供科学资料，以及为退耕还林中造林树种选择提供参考。

l 材料与方法

l.l 研究区概况

试验区位于丹棱县张场镇三合村(30°03'E，l03°l8'N)，地处四川盆地西南边缘。属亚热带湿润季风气候，地带性植被属亚热带常绿阔叶林。根据丹棱县气象站(海拔496.2 m)历年气象观测资料统计，全年日平均气温 l6.6℃，最热月均温25.6℃，最冷月均温6.3℃，全年降水量l 232.8 mm，年降雨天数l70.2 d，降雨多集中于5月 ～8月，年蒸发量l 002.6 mm。供试土壤为紫色土。研究区天然常绿阔叶林(简称天然林)主要树种包括栲树(Castanopsis fargesii)、润楠(Machilus pingii)、木荷(Schima superba)、四川大头茶(Gordonia szechwanensis)、石栎(Lithocarpus Synbalanos)等，郁闭度为0.8，平均树高l5.2 m，平均直径l8.5 cm;坡耕地为小麦 -玉米轮作;巨桉林株行距为2 m×4 m。

l.2 研究方法

在调查实验地的基础上，根据典型性和代表性的原则建立l0 m×l0 m标准地各3个。标准地包括天然林及其人工更新形成的l a生(Ⅰl)、2 a生(Ⅰ2)和3 a生(Ⅰ3)巨桉林，坡耕地及其退耕形成的l a生(Ⅱl)、2 a生(Ⅱ2)和3 a生(Ⅱ3)巨桉林。由于土壤抗蚀能力主要决定于表层土壤性质［8］，因而于2009年l0月，在每个标准地内采用蛇形5点取样法用环刀采集表层(0～20 cm)土壤样品测定土壤水分物理性质［8］，同时取表层土壤混合样测定土壤有机质、团聚体、微团聚体和颗粒组成。土壤团聚体组成采用机械筛分法［8］，微团聚体和颗粒组成采用吸管法［9］。土壤有机质数据参见文献［l0］。根据以上测定结果计算土壤水稳性团聚体平均重量直径(EMWD)、不稳定团粒指数、结构性颗粒指数、团聚状况、团聚度、分散率、侵蚀系数和受蚀性指数。数据计算方法如下:

水稳性团聚体平均重量直径(EMWD，mm)

式中¯xi为第i级的平均直径(mm);Wi为第i级的土壤重量(mg);WT为供试土壤总重量(mg)［ll，l2］;

式中 WT为供试土壤总重量(mg);W0.25为 ＞0.25 mm 水稳性团聚体重量(mg)［l2］;

结构性颗粒指数=

团聚状况=＞0.05 mm微团聚体-＞0.05 mm机械组成［ll，l2］;

式中 WSA＞0.5为＞0.5 mm水稳性团粒重量百分数［l2］。

文中数据采用SPSS l6.0软件进行统计和分析，表中数据均为平均值，土壤养分各变量之间的显著性检验采用单因子方差分析(ANOVA)和最小显著极差法(SSR)。

2 结果与分析

2.l 土壤水稳性团聚体组成

水稳性团聚体的数量和分布状况反映了土壤结构的稳定性和抗侵蚀的能力［l4］。由表l可知，天然林转变为巨桉林后＞0.25 mm及＞0.5 mm水稳性团聚体含量和EMWD降低，而ELT升高，与NF相比较，Ⅰl、Ⅰ2和Ⅰ3的＞0.25 mm团聚体含量分别降低3.l%、8.2% 和 6.3%，＞ 0.5 mm 团聚体含量分别降低 3.7%、l0.6% 和 8.5%，EMWD分别降低 0.5%、l.0%和 0.7%，ELT分别增加 3.l%、8.2% 和 6.3%;相反，农耕地退耕成巨桉林后 ＞0.25 mm及 ＞0.5 mm水稳性团聚体含量和EMWD增加，而ELT降低，与FL相比，Ⅱl、Ⅱ2和Ⅱ3的 ＞0.25 mm 团聚体含量分别增加3.l%、5.9%和l0.5%，＞0.5 mm 团聚体含量分别增加 5.2%、9.7%和 l4.9%，EMWD分别增加0.3%、0.6% 和 0.8%，而 ELT分别降低 3.l%、5.9%和l0.5%。由此可见，在天然林改巨桉林初期土壤水稳性团聚体含量降低和不稳定团粒指数增加，随其种植年限的增加对原土壤水稳性团聚体含量降低和不稳定团粒指数增加有一定的缓解作用;而坡耕地退耕成巨桉林后土壤水稳性团聚体含量和不稳定团粒指数随其种植年限的增加分别呈增加和降低趋势。

表l 不同土地利用类型土壤水稳性团聚体组成(g·kg–l)Table l Composition of soilwater-stable aggregates under different land-use types

2.2 土壤颗粒分散特性

土壤颗粒是土壤结构形成的重要物质基础之一，不同土壤结构构成不同的土壤质地类型，进而影响土壤的物理、化学和生物学过程，影响土壤性质和抗蚀性能［l5］。团聚状况表示土壤颗粒的团聚程度，其值大则土壤抗蚀性强，分散率和分散系数表示土壤的分散性，其值越大，土壤抗蚀性越弱［l6］。由表2可知，天然林转变为巨桉林后土壤结构性颗粒指数、团聚状况和团聚度降低，而分散率、侵蚀系数和受蚀性指数增加，与NF相比，Ⅰl、Ⅰ2和Ⅰ3土壤结构性颗粒指数分别降低l.2%、2.3%和l.9%，团聚状况分别降低 38.8%、82.8%和 66.l%，团聚度分别降低5.2%、l l.l%和8.8%，分散率分别增加5.8%、l3.6%和 l0.5%，侵蚀系数分别增加 9.3%、l3.7%和 l0.4%，受蚀性指数分别增加 0.4%、l.4%和l.0%;相反，坡耕地退耕成巨桉林后土壤结构性颗粒指数、团聚状况和团聚度增加，而分散率、侵蚀系数和受蚀性指数降低，与FL相比，Ⅱl、Ⅱ2和Ⅱ3土壤结构性颗粒指数分别增加2.6%、3.0%和 3.9%，团聚状况分别增加 26.6%、5l.5%和79.0%，团聚度分别增加3.5%、6.8%和l0.2%，分散率分别减少6.5%、l2.0%和l8.0%，侵蚀系数分别降低0.6%、4.9%和l2.3%，受蚀性指数分别降低2.0%、2.9和3.7%。结果说明，天然林转变为巨桉林初期土壤抗分散能力降低，但随其种植年限的增加对原土壤抗分散能力的降低有一定的缓解作用;而坡耕地退耕成巨桉林后土壤抗分散能力随 其种植年限的增加一直呈降低趋势。

表2 不同土地利用类型土壤颗粒组成(g·kg–l)Table 2 Composition of soil particle under different land-use types

2.3 土壤抗蚀性主成分分析

为了揭示不同土地利用类型土壤抗蚀性差异及土壤各因子对抗蚀性的贡献，选用＞0.25 mm水稳性团聚体含量(Xl)、＞0.5 mm水稳性团聚体含量(X2)、水稳性团聚体平均重量直径(X3)、不稳定团粒指数(X4)、有机质(X5)、容重(X6)、总孔隙(X7)、毛管孔隙(X8)、非毛管孔隙(X9)、＜0.00l粘粒含量(Xl0)、结构性颗粒指数(Xll)、团聚状况(Xl2)、团聚度(Xl3)、分散率(Xl4)、侵蚀系数(Xl5)和受蚀性指数(Xl6)等l6个与土壤抗蚀性较为密切的变量，进行主成分分析，结果见表3、表4和表5。由表3可知，主成分l贡献率达89.686%，主成分2贡献率达9.47l%，两者累计贡献率达99.l57%，表明选用前2个主成分基本能反应土壤抗蚀性能。由表4可知，对第l主成分贡献最大的是＞0.25 mm水稳性团聚体含量和不稳定团粒指数，其次为＞0.5 mm水稳性团聚体含量、水稳性团聚体平均重量直径、侵蚀系数、容重、＜0.00l粘粒含量、有机质和总孔隙等，对第2主成分贡献最大的为分散率，其次是毛管孔隙等，用以上指标在一定程度上能表征不同模式土壤抗蚀性。将经SPSS软件获得主成分矩阵(表4)中每列除以相应的特征根的开方后得主成分向量，并根据特征向量计算第l(Fl)、第2(F2)主成分及综合(F)主成分值［l7］，结果见表3。通过表3的综合主成分结果可以看出，天然林转变化为巨桉林初期土壤抗蚀性急剧下降，2 a生巨桉林土壤抗蚀性下降到最低值，3 a生巨桉林与2 a生巨桉林相比综合主成分值增加3.2;坡耕地转变为巨桉林后土壤抗蚀性随林分年龄的增加一直呈增加趋势。这说明天然林转变化巨桉林初期会导致潜在的严重水土流失，但随林龄的增加会趋于缓解，而坡地退耕成巨桉林对土壤抗蚀性的提高巨有较好的提高作用。

表3 主成分及综合主成分值Table 3 Principal component and synthetic principal component score value

3 讨论

桉树是l9世纪引入我国的一种外来树种，现已成为我国南方地区营造工业人工林的重要树种，然而，桉树人工林的生态退化严重影响区域环境健康与可持续发展已是一个不争的事实［l8］。本研究分析了天然林及坡耕地转变为巨桉林后土壤抗蚀性的变化，发现将天然林改为巨桉林后，土壤的抗侵蚀能力会有所下降，其中2 a生巨桉林土壤抗蚀性能下降最大。导致这一现象的原因主要在于，天然林是具有较好水源涵养功能且结构稳定的森林生态系统［l9］，故具有较高的土壤抗蚀性;另外，天然林原有土壤肥力较高，其皆伐后原有林地地上部分被清理，并进行了炼山［l0］，导致土壤表层理化性质遭到破坏，同时也使得天然林皆伐后及巨桉林栽植初期相当一段时间内，林地表面没有植被和枯落物层覆盖，从而导致土壤抗蚀性降低。由于巨桉生长较为迅速，l a之后林分就郁闭，且2 a～3 a时地表就能形成一层厚厚的枯落物层，这就使得原有林地既有林冠层的避护，也有地表枯落物层的覆盖，同时枯落物的分解还会给原有土壤源源不断地输入大量有机胶结物质，进而缓解原有林地壤抗蚀性降低。在天然林转变为l a生巨桉林时，由于种植地土壤性能优良，所以土壤的抗蚀性能较2 a生高;3 a生巨桉林土壤抗蚀性虽也是下降，但同2 a生相比却有所提高，这进一步说明随着种植年限的增加巨桉林冠层对土壤的避护作用增强且枯落物回归土壤量增加，原有土壤抗蚀性降低得到缓解。

有研究表明，在退耕还林后地上部分枯落物的分解和转化以及地下林木根系的周转，有助于土壤中大粒级水稳性团聚体的形成［l6］。也有研究表明，植物根系能将附近较小的团聚体粘聚形成较大的团聚体，且根系还能促进微生物活性，使有机质在微生物作用下分解，产生有机酸，防止团聚体消散，从而增加团聚体的稳定性［20］。本研究中，将坡耕地转变为巨桉林后土壤抗蚀性能呈现一直增加的趋势。这主要在于研究区降雨丰沛，长期不合理的坡地耕地导致土壤贫瘠和严重水土流失，而且长期的耕作扰动会使土壤团聚体稳定性均较低［2l］，土壤抗蚀性下降且土壤质量较低，将坡耕地改为巨桉林后，随着巨桉林分的生长，其枯落物形成和根系的转化有利于土壤质量改善，同时坡耕地退耕还林后减少了土壤扰动有利于原有土壤中大粒级团聚体的形成。

4 结论

天然林转变为巨桉人工林会造成土壤抗蚀性下降，但随着种植年限的增加，其抗蚀性能有所缓解，土壤抗蚀性综合主成分值大小依次为:天然林＞Ⅰl＞Ⅰ3＞Ⅰ2。坡耕地转变为巨桉林后土壤抗蚀性能随种栽年限的增加逐步提高。因此，在天然林转变为巨桉林初期，应对林地进行科学的管理，尽量保持原有林地枯落物层和避免炼山，维持原有林地良好的土壤理化性质和抗蚀性能;而坡耕地退耕成巨桉林能较好的提高原有土壤抗蚀性能。

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