不同竹林土壤抗蚀性指标对比分析研究

陈晓冰，王克勤

(西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明650224)

森林具有涵养水源保持水土的作用，林下植被、地表覆盖的多少直接影响到自然降雨下地表产流产沙的多少。土壤的抗侵蚀能力是指土壤承受风力、水力、重力、冻融等外营力破坏、分离(散)、搬运和沉积的能力。土壤结构的稳定性与土壤侵蚀之间的关系很早就受到国内外学者的关注，将其作为水土保持学科研究的重要内容之一，并提出了不同的土壤抗侵蚀评价指标。国外对土壤抗蚀性的研究较早，Middleton 1930年建立了以分散率(dispersion ratio)为土壤可蚀性的指标，进而又提出侵蚀率概念;Bouyoucos在1935年提出了用黏粒率(clayratio)作为可蚀性指标;Woodburn等人1956年用团聚体的稳定性和分散率作为土壤可蚀性指标，指出大于0.5 mm的水稳性团聚体含量与土壤溅蚀量具有良好的负相关关系［1－2］;Bernard Barthès等［3］研究了人工降雨和自然降雨条件下地中海地区和一些热带地区的径流深和侵蚀量与土壤表层团聚体含量的关系，分析得出团聚体稳定性是衡量土壤对侵蚀和径流的敏感性的一个重要指标。我国许多学者也把土壤的水稳性团聚体数量、非毛管孔隙度视为表征土壤抗侵蚀能力的重要指标［4］。王玉杰等［5］对重庆缙云山典型林分的林地土壤抗蚀性能的研究表明，林地土壤抗蚀指数与其相关因子非毛管孔隙度、毛管孔隙度、稳渗率、有机质含量关系最密切;郭培才等［6］通过对不同土壤剖面层次(0—10、20—30、40—50 cm)的草地、林地、农地的采样分析得出，水稳性团聚体含量是反映土壤抗蚀性的最佳指标;王佑民等［7］以腐殖质和水稳性团聚体含量作为土壤抗蚀性指标，据此将黄土高原的土壤抗蚀性分为极弱、弱、中等、较强、强和极强6个等级。

竹子作为重要的森林资源之一，具有生长迅速、耐旱、抗性强、多年生的特点，同时竹林有美化环境、涵养水源、保持水土的功能和很高的开发利用价值，在西南地区退耕还林中起着重要的作用。陈三雄等［8］在对黄浦江源区主要植被类型土壤水土保持功能的研究中发现，毛竹林的抗蚀性远高于茶园、草地、松林等植被类型;姜培坤等［9］对商品林地土壤抗蚀性能进行研究后发现，早竹和毛竹土壤抗侵蚀能力超过了天然马尾松林、人工杉木林和青梅林;王晶等［10］对三峡库区撑绿竹护岸林土壤抗蚀性能的研究发现，撑绿竹林密度与枯落物厚度对抗蚀性指标影响较大。目前的研究者对竹林与其他植被类型土壤抗蚀性的差别或对单一竹林土壤抗蚀性的研究较多，而对不同竹林之间土壤抗蚀性的差异研究较少。

本研究通过对竹林土壤的有机质含量、水稳性团聚体风干率、水稳性指数、分散性指数、容重、孔隙度和地表径流泥沙含量7个土壤抗蚀性指标进行测定和分析，来反映不同竹林下土壤抗蚀性能的大小，为竹林在水土保持生态建设中的应用提供参考，为森林水文过程的预测和评价提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区自然概况

研究区西山位于云南省昆明市西郊滇池西岸，地理位置东经102°42'、北纬 25°04'，北起碧鸡关，南至海口，绵延 35 km，由华亭山、太华山、罗汉山等组成，海拔1800—2511 m，属高原亚热带季风气候地区，年平均气温14.5℃，年降水量约1031 mm，距市区15 km。

1.2 样地选择

研究样地选择在西山海拔相近，坡向、坡度、土壤类型相同，枯落物厚度、林分密度、郁闭度相近的灰金竹(Phyllostachys sulphurea)、慈竹(Neosinocalamus affinis)、实心竹(Fargesia fractiflexa Yi)3种典型竹林中，具体情况见表1。

表1 研究点基本情况

1.3 研究方法

1.3.1 土壤样品采集

2012年4月5—6日在昆明市西山的灰金竹林、慈竹林、实心竹林3种竹林地各选择3块具有代表性且有稳定的土壤发育同时人为扰动极少的20 m×5 m的试验小区，在小区内采用蛇形取样法取0—15 cm的表层土壤，每小区取26个样点，然后将土样混合均匀，采用四分法分样，直至每个试验小区保留1 kg土样，共计9 kg土样。同时使用环刀在每个样点土壤表层中部取样，带回实验室用作土壤容重及孔隙度的测定，总计234个土样。

1.3.2 土壤样品测定方法

土壤容重的测定采用环刀法［11］;土壤孔隙度一般都不直接测定，而是由土粒密度和容重计算求得［11］;土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾法［11］。

水稳性团聚体有大有小，日本的川村秋男等［12－13］从溅蚀角度研究侵蚀度与团聚体含水量的关系，发现团聚体处于毛管饱和水状态时水稳性最高，风干状态时水稳性最低，并从试验得知，粒径0.5和0.25 mm以上的水稳性团聚体风干率与土壤抗蚀性呈正相关，因而风干率成为衡量抗蚀性的又一指标。其测定方法如下:①测土壤水稳性团聚体含量。用Yoder湿筛法，使用土壤团粒分析仪测定风干土水稳性团聚体含量。②测毛管饱和水土壤水稳性团聚体含量。采用将海绵置于容器中，使下部浸水，上放滤纸，将土样置无底筒内，使土样吸水达饱和含水量为止，然后进行水稳性团聚体分析。③分别计算0.5和0.25 mm以上团聚体风干率，公式为

式中:A为某粒级毛管饱和水土壤水稳性团聚体含量;B为某粒级风干土水稳性团聚体含量。

土壤团聚体的水稳性与土壤侵蚀呈线性相关，水稳性指数K值愈大，则侵蚀愈弱。而分散性指数D是水稳性指数的倒数。本研究采用浸水崩解法［14］测定土壤团聚体水稳性指数。

利用TSJY－07型人工模拟降雨器，在所要研究的3种竹林研究地进行人工模拟降雨试验，测定地表径流泥沙含量。人工模拟降雨有效面积为3～9 m2(3 m×1 m到3 m×3 m)，在每种竹林试验小区的模拟降雨器下布设1个人工降雨径流小样方(长1 m×宽1 m×高25 cm)，面积为1 m2，同时在小样方的出口收集地表径流1000 mL，重复进行3次，测定径流含沙量。

2 结果与分析

2.1 土壤容重及孔隙度

测定在研究地所采集的土壤样品，不同竹林地土壤容重及孔隙度测定结果见表2。

表2 不同竹林地土壤容重及孔隙度

从表2可看出，3种竹林按土壤容重大小排序为慈竹林＞灰金竹林＞实心竹林;而按孔隙度排序与土壤容重刚好相反，为实心竹林＞灰金竹林＞慈竹林。3种竹林都位于西山森林公园，土壤扰动较少，由于实心竹须根系较多且分布较浅，细孔隙较多，因此土壤孔隙度较大，容重较小;而慈竹林根系较粗，根系生长较深，粗孔隙较多，因此土壤孔隙度较小，容重较大。

2.2 水稳性团聚体风干率

水稳性团聚体是由有机质胶结而形成的团粒结构，它可以改善土壤结构，而且被水浸湿后不易解体，具有较高的稳定性。我们对研究区竹林地的土样进行了土壤水稳性团聚体风干率的测定，结果见表3。

表3 水稳性团聚体风干率

从表3可以看出，3种竹林按粒径＞0.5 mm的土壤水稳性团聚体风干率排序为灰金竹林＞实心竹林＞慈竹林，按粒径＞0.25 mm的土壤水稳性团聚体风干率排序也为灰金竹林＞实心竹林＞慈竹林，两种粒径的土壤水稳性团聚体风干率排序保持一致。

2.3 水稳性指数(K)、分散性指数(D)与土壤有机质含量

土壤团聚体结构可以用水稳性指数(K)和分散性指数(D)来反映，土壤团聚体水稳性决定了土壤抵抗雨滴直接冲击和对径流分散及悬浮的能力。而分散性指数是水稳性指数的倒数，其值越小则土壤团聚体结构越良好。土壤有机质是水稳性团聚体的主要胶结剂，能够促进土壤中团聚体结构的形成，增加土壤的疏松性、通气性和透水性，对于提高土壤的抗蚀能力具有重要作用。我们对研究区竹林地的土样进行了土壤水稳性指数(K)、分散性指数(D)和有机质含量的测定，结果见表4。)

表4 水稳性指数(K)、分散性指数(D)与土壤有机质含量

从表4可以看出，3种竹林地按土壤有机质含量大小排序为灰金竹林＞实心竹林＞慈竹林。灰金竹林地表枯落物丰富，林地土壤有机质含量最高，水稳性指数最大，土壤抵抗雨滴冲击的能力较强，实心竹林地土壤抵抗雨滴冲击的能力次之，慈竹林地土壤抵抗雨滴冲击的能力最弱。

2.4 地表径流泥沙含量

地表径流泥沙含量能直接反映出土壤抗蚀性能的大小，也是在水动力侵蚀影响下产生的直接结果。在径流量相同的情况下，含沙量越大抗蚀性越弱。本研究采用人工模拟降雨的方法来测定竹林地地表径流泥沙含量，测定结果如表5所示。

表5 地表径流泥沙含量

从表5可以看出，3种竹林地按地表径流泥沙含量大小排序为:慈竹林＞实心竹林＞灰金竹林。灰金竹林地表枯枝落叶较多，土壤有机质含量最高，地表径流泥沙含量最少;慈竹虽长势较好，但叶片稀疏，枯枝落叶较少，土壤有机质含量最低，地表径流泥沙含量最多。

2.5 统计分析

分别通过Excel进行数据统计、SPSS进行方差分析，结果如表6所示。

表6 方差分析结果

由表6可以看出，相伴概率为0.061，大于显著性水平0.05，所得各指标之间差异不显著，说明本研究所选择的抗蚀性指标均能反映竹林的抗蚀性能，不能筛选出反映竹林土壤抗蚀性的最佳指标。

由于土壤容重、孔隙度、有机质含量、水稳性团聚体风干率、水稳性指数及分散性指数对土壤的抗蚀性能最终都是由地表径流中泥沙的含量直接反映出来的，因此地表径流泥沙含量能最直接地反映出土壤的抗蚀性。选取以上的指标为自变量X，再选取泥沙含量为因变量Y，使用SPSS进行主成分分析，分析结果如表7所示。

两个主成分与8个指标之间可以得出以下两个方程:

从方程(2)可以看出:X1、X2、X3的系数最大，即土壤的物理性质所占的成分比较大。从方程(3)可以看出:X6、X7、X8的系数最大，即土壤的紧实程度所占成分比较大。

表7 旋转成分矩阵

从生成的碎石图(图1)来看，＞0.5 mm水稳性团聚体风干率与土壤有机质含量所占比例最大，最能表现出土壤的抗蚀性。

通过以上分析可以知道，灰金竹林地＞0.5 mm水稳性团聚体风干率为7.32%，实心竹林地为3.32%，慈竹林地为2.36%;灰金竹林地土壤有机质含量为10.71%，实心竹林地为5.92%，慈竹林地为4.18%。从两个最佳抗蚀性指标来判断，3种典型竹林地土壤的抗蚀性强弱排序为:灰金竹林＞实心竹林＞慈竹林。

3 结论

(1)本研究选择在昆明市西山的森林公园，人为扰动较少，能较好地反应竹林的抗蚀性。通过分析土壤容重、孔隙度、水稳性团聚体风干率、土壤有机质含量、水稳性指数、分散性指数以及地表径流含沙量等7个土壤抗蚀性指标来评价灰金竹林、慈竹林、实心竹林的土壤抗蚀性能，将地表径流泥沙含量与其他指标分别进行方差分析和主成分分析，方差分析结果不显著，说明所选抗蚀性指标均能反应竹林的土壤抗蚀性能。通过主成分分析可以看出，＞0.5 mm水稳性团聚体风干率和土壤有机质含量这两个指标占的比例最大，最能表现出土壤的抗蚀性，是表现竹林土壤抗蚀性的最佳指标。

(2)从主成分分析所得出的最能表现土壤抗蚀性的指标来看，3种竹林土壤抗蚀性强弱排序为:灰金竹林＞实心竹林＞慈竹林。灰金竹林土壤有机质含量最高，并且＞0.5 mm水稳性团聚体风干率最大，抗蚀性相对最强;实心竹林抗蚀性居中;慈竹林土壤有机质含量最低，＞0.5 mm水稳性团聚体风干率最小，因此抗蚀性相对最弱。

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