攸县3种不同水土保持林土壤抗侵蚀性能

郑 茂， 吴立潮， 徐 杰， 何介南， 康文星，2 (.中南林业科技大学， 湖南 长沙 40004； 2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 40004)

攸县3种不同水土保持林土壤抗侵蚀性能

郑 茂1， 吴立潮1， 徐 杰1， 何介南1， 康文星1，2
(1.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004； 2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004)

为了研究湖南省攸县境内的不同水土保持林对土壤抗侵蚀性能的影响，本文从林地土壤的物理性状、土壤抗蚀性能和土壤抗冲性能3个方面来进行对比研究。测定其林地0～20 cm层土壤的容重、孔隙度、水稳定指数、渗透系数、土壤团聚体占土样百分比和抗冲指数几个指标，进而分析不同林分类型之间的林地土壤抗侵蚀性能的差异。结果表明：从土壤的物理性状来看，楠+桤木+枫香混交林的容重和孔隙度均比其他两种林分要好；从土壤的抗蚀性能来看，3种不同林分的水稳性指数大小按照大小顺序为楠+桤木+枫香混交林>枫香+栾树+桤木混交林>杉木+柏木+马尾松混交林，楠+桤木+枫香混交林的渗透性能优于杉木+柏木+马尾松混交林和枫香+栾树+桤木混交林，且3种林分的水稳性指数与渗透系数均大于荒坡地；从土壤抗冲性能来看，土壤总团聚体占土样百分比和土壤抗冲指数按照楠+桤木+枫香混交林>枫香+栾树+桤木混交林>杉木+柏木+马尾松混交林的大小排列顺序，且指标均大于荒坡地。

石灰岩红壤； 土壤抗冲性能； 土壤抗蚀性能； 水土保持林

水土保持是生态环境建设最重要的内容之一，水土保持林的建设是治理水土流失最重要的生物措施，水土保持林对于改善土壤属性特征的性状，提高土壤的抗侵蚀性能具有非常重要的作用[1，2]。湘中红壤丘陵区是湖南省水土流失状况较严重的地区[3]。21世纪初，湖南省开展了一系列的水土保持林建设工程，水土保持林的建设综合效益显著，但目前还存在着林分结构优化配置与水土保持功能充分发挥相结合的问题[4-5]。水土保持林的土壤抗侵蚀性能是不同地区选择水土保持林营造的重要指标，现有研究主要是对长江流域以及黄土高原等地区的土壤抗侵蚀性能的研究[6-8]，湖南省关于不同林分类型对于土壤的抗侵蚀性能影响的研究还不多见。本文研究了湖南省攸县的3种水土保持林地土壤的物理性状与抗侵蚀性能，以期为湖南省石灰岩红壤地区的水土保持林建设提供科学的理论依据。

土壤的抗侵蚀性能可以分为土壤的抗蚀性能和土壤的抗冲性能两个方面。土壤的抗蚀性能是指土壤抵御水的悬浮和分散的能力[9-10]，抗冲性能是指抵抗水分对土壤中土粒的机械破坏的能力，这主要与土壤本身的紧实度和地表植物根系有关[11-12]。

1 研究区概况

研究地位于湖南省攸县黄丰桥镇，该区地处湖南省东南部，罗霄山脉中段，地理坐标为东经113°09′09″—113°51′30″，北纬26°46′34″—27°26′30″。属中亚热带季风湿润气候，年平均气温17.8℃，年平均降雨量在1410 mm左右，无霜期为292天。以2004年营造的水土保持林为研究样地，林地内的土壤均是以石灰岩为母质形成的红壤。选取地形、坡位、海拔、坡度、坡向等生态因子均相近的3种不同水土保持林作为研究对象，分别为楠(PhoebezhennanS.Lee)+桤木(AlnuscremastogyneBurk)+枫香(LiquidambarformosanaHance)混交林、杉木(Cunninghamialanceolata)+柏木(CupressusfunebrisEndl.)+马尾松(Pinusmassoniana)混交林、枫香(LiquidambarformosanaHance)+栾树(Koelreuteriaelegans)+桤木(AlnuscremastogyneBurk)混交林。3种不同水土保持林的主要立地条件见表1。

表1 3种不同水土保持林林分的基本情况Tab 1 Basicinformationontheresearchstands类型母岩土壤类型混交比林龄(a)平均树高(m)平均胸径(cm)部位坡面形状坡度(°)坡向海拨(m)楠+桤木+枫香石灰岩红壤5∶2∶311 9 77 9坡中部直线型23西南172杉木+柏木+马尾松石灰岩红壤4∶3∶311 8 37 8坡中部直线型25南152枫香+栾树+桤木石灰岩红壤3∶4∶31110 58 1坡中部直线型21西南160荒坡地石灰岩红壤————坡中部直线型28西南175

2 研究方法

2.1取样方法

分别在3个不同水土保持林(楠+桤木+枫香、杉木+柏木+马尾松、枫香+栾树+桤木)内各设立一个20 m×20 m的标准样方，并设置一块荒坡地，除树种不同外，母质、地形、气候、经营方式均一致。在每个小样方内开挖一个土壤剖面，深度为0～20 cm，在土壤剖面用200 cm3的环刀取样，测定各不同水土保持林分内土壤的物理性能与抗侵蚀性能(大多数学者在分析不同水土保持林的物理性能和抗侵蚀性能时，都是取样地内0～20 cm深土层的土壤研究，为了与他们所研究的结果对比，本文也只选取0～20 cm深土层土壤研究其物理性能和抗侵蚀性能)。

2.2土壤的物理性能研究

用环刀取0～20 cm层的土壤，取3个环刀，用铝盒取出土样。将取到的土样带回实验室，用《土壤物理性质测定方法》[13](中国科学院南京土壤研究所土壤物理室编)进行测定，用环刀浸水法测定其土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度等指标。

2.3土壤团聚体的测定

将取样的原状土按照土壤自然断裂分开成10 mm左右的土壤团粒，风干、再用干筛法测定其土壤大团聚体的组成，筛孔的孔径分别是0.25、0.5、1、2、3、5、7、10 mm[14]。

2.4土壤抗冲指数的测定

采用改进的原状土冲刷水槽测试法[15]，水槽的坡度设定为不同水土保持林样地内获取到的土壤坡度，实验前除去土壤上植被的地上部分、地表枯落物以及地衣等植被。实验的过程中，以12.5 mm/min 的强度冲击1 min，保持同一个大气压冲刷土壤，喷水针头距地面10 cm，记录准确的产流时间，做3次重复。冲刷结束后，记录产生的地表径流量和泥沙产量，取1 min 内冲刷的土壤重量的负值(kg/(m2·min))来作为土壤的抗冲指数，体现土壤抗冲性能的强弱[16]。

2.5土壤水稳性指数的测定

取用浸水崩解法[17]筛好6～10 mm的土壤团粒50颗，均匀地放在孔径为5 mm的筛子上，置于静水中浸泡。以1 min时间为间隔，分别记录分散的土壤颗粒数量，持续观测10 min，计算其水稳性指数。

2.6土壤渗透性能的测定

土壤渗透性能采用同心环法测定，根据张万儒[18]及中国科学院南京土壤研究所土壤物理室编[13]的渗透系数测定方法测定。

3 结果与分析

3.1不同林地土壤的物理性状

林地内土壤的各项物理性状指标，均可以反映林地土壤抗侵蚀性能的强弱。包括土壤的容重、总孔隙度、毛管孔隙度与非毛管孔隙度。这些物理性状的优劣会直接影响到土壤的渗透能力和抗蚀能力。容重越小、孔隙度越高，表明土壤的渗透能力越强，水土保持功能越强，反之越弱。

由表2可知，杉木+柏木+马尾松混交林的土壤容重(1.35 g/cm3)最大，其次是枫香+栾树+桤木(1.34 g/cm3)，楠+桤木+枫香混交林(1.36 g/cm3)最小；枫香+栾树+桤木与楠+桤木+枫香混交林之间差异不显著(P≥0.05)，但这两种林分与杉木+柏木+马尾松混交林之间差异显著(P<0.05)。另外还可看出，荒坡地(1.37 g/cm3)均高于3种水土保持林。并且，荒坡地容重与3种林分之间的差异极为显著(P<0.01)。

从孔隙度来看，3种不同水土保持林的土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度均呈现为：楠+桤木+枫香混交林>枫香+栾树+桤木>杉木+柏木+马尾松。与荒坡地相比，3种林分的孔隙度都与荒坡地存在极显著差别(P<0.01)。(不同林分孔隙度之间的差异见表2)

因此，由上述分析可以看出，种植水土保持林可以有效地改善土壤的容重与孔隙度等物理性状，进而能够提高林地土壤的抗侵蚀性能。在3种不同林分中，对它们之间的土壤物理性状进行比较可得出，楠+桤木+枫香混交林的物理性状较好，表明楠+桤木+枫香混交林在改善土壤物理性状，提高土壤抗侵蚀能力与水土保持功能方面优于其他两种水土保持林。

表2 不同林地的0～20cm土壤的物理性能Tab 2 The0～20cmsoilphysicalpropertiesofdifferentwoodland林地类型土壤类型坡度土壤容重(g/cm3)毛管孔隙度(%)非毛管孔隙度(%)总孔隙度(%)楠+桤木+枫香红壤221 32±0 06a31 64±1 71a9 77±0 07a41 41a杉木+柏木+马尾松红壤241 35±0 08b28 58±1 44b9 35±0 04a37 93b枫香+栾树+桤木红壤261 34±0 06a29 47±1 52a9 54±0 05a39 01a荒坡地红壤251 37±0 10∗∗27 68±1 32∗∗7 67±0 04∗∗35 35∗∗ 注：同一列小字母相同表示它们之间差异不显著(P≥0 05)，不相同表示它们之间差异显著(P<0 05)，∗∗表示它们之间差异极显著(P<0 01)

3.2不同水土保持林的抗蚀性能

3.2.1 不同水土保持林的水稳性指数比较 由表3可知，水稳性指数按照从大到小的顺序排列为楠+桤木+枫香混交林(0.748 0)>枫香+栾树+桤木混交林(0.730 6)>杉木+柏木+马尾松混交林(0.687 6)。3种不同林分分别高于荒坡地(0.463 6)61.35%、57.59%和48.32%(它们之间的差异性程度见表3)。

土壤的有机质是土壤团聚体的水稳性结构的胶结剂，有机质越丰富，形成的团粒结构就越良好，越能增强土壤的抗蚀能力。有机质胶结形成的团粒结构就是水稳性团聚体，其具有改良土壤结构，提高土壤稳定性的特征，它的强弱很大程度上决定了土壤的抗冲、抗蚀能力。土壤的团聚体水稳性越大，团聚体遇水后更不易崩解破碎；土壤的团聚体水稳性越小，遇水更容易破碎变成单个土粒被径流冲走。由此可见，3种不同林分的水稳性指数均比荒坡地大，说明水土保持林的种植提高了土壤的抗侵蚀能力；根据3种不同林分的水稳性指数大小也可以看出其抗侵蚀性能的大小顺序为楠+桤木+枫香混交林>枫香+栾树+桤木混交林>杉木+柏木+马尾松混交林。

3.2.2 不同水土保持林的渗透系数比较 从表3可看出，楠+桤木+枫香混交林土壤渗透系数为3.970，杉木+柏木+马尾松混交林为3.843 5，经过检验，它们二者之间的差异不显著(P≥0.05)。枫香+栾树+桤木混交林土壤渗透系数为3.727，小于楠+桤木+枫香混交林和杉木+柏木+马尾松混交林，经检验发现，枫香+栾树+桤木混交林与其它二者之间差异显著(P<0.05)。同时还可以看出对照样地荒坡地的渗透系数仅0.143，只是水土保持林的3.83%～3.61%。所以，荒坡地的土壤渗透系数与3种林分具有极显著的差异(P<0.01)。

土壤的渗透性能是土壤水文物理特性的重要组成部分，对土壤的抗蚀能力有很大的影响。渗透性能越强，就会有更多的雨水可以渗透到土壤，反之渗透性能越弱，雨水则不易进入土壤，停留在土壤表面，聚集而形成地表径流，形成的地表径流会将因为雨水冲刷而冲散的土粒带走，形成沟蚀。综合表3的数据可得，3种不同林分的渗透系数是荒坡地的几十倍，这说明水土保持林的种植极大程度上提高了林地土壤的渗透性能；3种林分之间相比较，可以看出楠+桤木+枫香混交林的渗透性能优于杉木+柏木+马尾松混交林和枫香+栾树+桤木混交林。

表3 不同林地0～20cm土壤水稳性指数和渗透系数Tab 3 The0～20cmsoilwaterstableindexandpermeabilitycoefficientofdifferentwoodland林地类型土壤类型水稳性指数渗透系数楠+桤木+枫香红壤0 7480±0 0464a3 970±0 2543a杉木+柏木+马尾松红壤0 6876±0 0383b3 8435±0 0174b枫香+栾树+桤木红壤0 7306±0 0412a3 727±0 0231a荒坡地红壤0 4636±0 0256∗∗0 143±0 0075∗∗ 注：同一列小字母相同表示它们之间差异不显著(P≥0 05)，不相同表示它们之间差异显著(P<0 05)，∗∗表示它们之间差异显著(P<0 01)

3.3不同水土保持林的抗冲性能

3.3.1 不同水土保持林土壤总团聚体占土样百分比比较 从土壤总团聚体占土样百分比的数值来看(见表4)，楠+桤木+枫香混交林(95.95%)最大，其次是枫香+栾树+桤木混交林(95.05%)，杉木+柏木+马尾松混交林(92.66%)最小。经差异性检验，楠+桤木+枫香混交林和枫香+栾树+桤木混交林之间的差异不显著(P≥0.05)，杉木+柏木+马尾松混交林与楠+桤木+枫香混交林和枫香+栾树+桤木混交林之间差异显著的(P<0.05)。从对照样地来看土壤总团聚体占土样百分比为84.24%，分别比楠+桤木+枫香混交林、枫香+栾树+桤木混交林、杉木+柏木+马尾松混交林低13.9%、12.8%、9.99%，从差异性检验结果来看，荒坡地与3种水土保持林之间存在极显著差异(P<0.01)。

表4 不同林地的0～20cm土壤总团聚体占土样百分比和抗冲指数Tab 4 The0～20cmsoilsamplesrepresentingatotalaggregatepercentageandimpactindexofdifferentwoodland林地类型土壤类型土壤总团聚体占土样百分比(%)抗冲指数楠+桤木+枫香红壤95 95±5 47a-0 3676±0 0155a杉木+柏木+马尾松红壤92 66±4 17b-0 4112±0 0167b枫香+栾树+桤木红壤95 05±4 73a-0 3885±0 0154a荒坡地红壤84 24±4 31∗∗-0 6044±0 0232∗∗ 注：同一列小字母相同表示它们之间差异不显著(P≥0 05)，不相同表示它们之间差异显著(P<0 05)，∗∗表示它们之间差异显著(P<0 01)

3.3.2 不同水土保持林抗冲指数比较 根据表4可知，楠+桤木+枫香混交林的土壤抗冲指数为-0.367 6，枫香+栾树+桤木混交林土壤抗冲指数为-0.388 5，经差异性检验，它们二者之间的差异不显著(P≥0.05)，杉木+柏木+马尾松的抗冲指数为-0.411 2，经差异性检验，它与另外两种林分的差异性显著(P<0.05)。从荒坡地来看，其抗冲指数为-0.604 4，分别比楠+桤木+枫香混交林、楠+桤木+枫香混交林、马尾松+樟树混交林低39.18%、35.72%、31.96%，且经差异性检验表明，荒坡地与3种水土保持林之间差异极显著(P<0.01)。

在研究土壤的抗冲性能中，将土壤总团聚体占土样百分比的大小和抗冲指数的大小作为指标来表示土壤抗冲能力强弱。其中，土壤团聚体占土样百分比数值越大、抗冲指数越大表明其土壤的抗冲能力就越强；反之土壤团聚体占土样百分比数值越少、抗冲指数越小，说明其土壤的抗冲能力就越弱。所以，经过以上的分析表明，水土保持林的种植大大的提高了其土壤的抗冲能力，同时根据3种不同林分之间相互比较，楠+桤木+枫香混交林表现最优。

4 结论与讨论

4.1结论

(1)湖南攸县石灰岩红壤区的3种不同水土保持林有效地改良了土壤的物理性状，有效地促进了土壤的发育，水土保持林地土壤的物理性能明显的优于荒坡地。根据3种不同林分林地土壤物理性能的比较得出，楠+桤木+枫香混交林在改善土壤物理性状，提高土壤抗侵蚀能力与水土保持功能方面优于其他两种水土保持林。

(2)土壤的抗蚀性能研究表明，3种不同水土保持林有效的提高了土壤地渗透性能，3种不同林分的水稳性指数分别大于荒坡地(0.463 6)61.35%、57.59%和48.32%、荒坡地的渗透系数(0.143)仅为水土保持林的3.83%～3.61%。根据3种林分之间的比较，水稳性指数按照从大到小的顺序排列为楠+桤木+枫香混交林(0.748 0)>枫香+栾树+桤木混交林(0.730 6)>杉木+柏木+马尾松混交林(0.687 6)；渗透系数按照从大到小的顺序排列为楠+桤木+枫香混交林(3.970)>杉木+柏木+马尾松混交林(3.843 5)>枫香+栾树+桤木混交林(3.727)，可见楠+桤木+枫香混交林在3种林分中抗蚀性能表现最优。

(3)土壤的抗冲性能研究表明，水土保持林的种植大大地提高了其土壤的抗冲能力，荒坡地的土壤总团聚体占土样百分比分别比楠+桤木+枫香混交林、楠+桤木+枫香混交林、马尾松+樟树混交林低13.9%、12.8%、9.99%；荒坡地的抗冲指数分别比楠+桤木+枫香混交林、楠+桤木+枫香混交林、马尾松+樟树混交林低39.18%、35.72%、31.96%。同时根据3种不同林分之间相互比较，土壤总团聚体占土样百分比数值是楠+桤木+枫香混交林>枫香+栾树+桤木混交林>杉木+柏木+马尾松混交林；抗冲指数是楠+桤木+枫香>枫香+栾树+桤木混交林>杉木+柏木+马尾松，可见3种不同水土保持林中，楠+桤木+枫香混交林表现最优。

4.2讨论

水土保持林林分发育到一定程度后能够改善并提高土壤的物理性状。是由于林分的枯落物和林分根系能够较大程度地对土壤孔隙度产生影响，枯落物的分解会增加林地土壤表层的腐殖质，林分的根系在土壤中不断伸展、穿插使得土壤的孔隙度得到扩张，进而提高林地土壤通气透水能力，改善土壤结构。

水土保持林提高了土壤的抗蚀能力。一方面林分提高了土壤团聚体的水稳性，因为林分的种植使林地土壤的有机质多于无林地，有机质越丰富，土壤的胶结力就越大，土壤团聚体就越不容易因为径流的冲刷而崩散；另一方面林分提高了土壤的渗透能力，土壤的紧实度越大、土层越容易趋于板结、在雨滴落到土壤表面的时候越不容易进入土壤而累积于土壤表层，就可能形成径流侵蚀土壤。林分的种植相对于荒坡地来说，林分的林冠层能够起到降雨截留的作用，枯枝落叶层能够阻碍雨水对于土壤的冲击，改善了土壤的疏松程度，使雨水进入土壤内，提高土壤的渗透性能。

水土保持林有效地提高了土壤的抗冲性能。林分种植后，其根系的生长可以大大地提高土壤的抗冲性能，因为不同林分根系的互相交错，能够非常有效将土体缠绕起来，进而形成抗冲性较强的土体构型，起到很好的固土增强效应，根系的密度越大，抗冲性能的表现越强。另外，林分枯枝落叶层分解产生的腐殖质也能成为不同土壤团聚体之间的粘合剂，使得土粒不易被径流和雨滴冲散。

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Comparisonofsoilanti-erodibilityof3typessoilandwaterconservationforestinYouxianCounty

ZHENG Mao1， WU Lichao1， XU Jie1， HE Jienan1， KANG Wenxing1，2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China；2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China， Changsha 410004, China)

This article studied soil anti-erodibility of different soil and water conservation forest in Youxian County，Hunan Province by comparing physical character of forestry soil ，soil anti-scourability and soil anti-erodibility.To analysis the differences of soil anti-erodibility of three types forestry，we measured soil bulk density，soil proosity，water stable index，soil permeability coefficient，soil aggregate of 0～20 cm forestry soil .The results showed that，the soil bulk density and soil proosity ofPhoebezhennanS.Lee+AlnuscremastogyneBurk+LiquidambarformosanaHance mixed forests were better than the other two stands；water stable index of three types forestry decreased in this order：PhoebezhennanS.Lee+AlnuscremastogyneBurk+LiquidambarformosanaHance mixed forests >LiquidambarformosanaHance+Koelreuteriaelegans+AlnuscremastogyneBurk mixed forests >Cunninghamialanceolata+CupressusfunebrisEndl.+Pinusmassonianamixed forests，soil permeability coefficient ofPhoebezhennanS.Lee+AlnuscremastogyneBurk+LiquidambarformosanaHance mixed forests was better than the others.What’s more，water stable index and soil permeability coefficient of the three types forestry were better than bare slope land.From the performance point of view of soil anti-scourability，soil total aggregate percentage accounted for soil samples and soil anti-scourability index decreased in this order：PhoebezhennanS.Lee+AlnuscremastogyneBurk+LiquidambarformosanaHance mixed forests >LiquidambarformosanaHance+Koelreuteriaelegans+AlnuscremastogyneBurk mixed forests >Cunninghamialanceolata+CupressusfunebrisEndl.+Pinusmassonianamixed forests ，and they were greater than bare slope land.

limestone red-soil； soil anti-scourability； soil anti-erodibility； soil and water conservation forest

2016-03-27

湖南省水利厅科技计划项目([2011]237-20)“典型红壤丘陵区水土保持生物调控机制研究”资助。

吴立潮，博士，教授，博导；E-mail：wulichao@sina.com。

S 714.7

A

1003 — 5710(2016)03 — 0037 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 03. 007

(文字编校：龚玉子)