银杏林下植物配置对林分水土保持效果的影响

黎　舒, 兰思仁, 郑巧巧, 王　哲, 陈世品, 曹光球

(福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

福建省长汀县是我国红壤区水土流失较为严重的县份，水土流失面积达975.154 km2，危害严重[1,2].长期以来，由于当地森林植被破坏严重，生态环境恶劣，因此，如何恢复森林植被、提高森林的水土保持功能成为目前亟需解决的技术难题.与其它水土流失治理方式相比，植物治理措施投资少、见效快.研究[3-5]表明，禾本科草本植物种类复杂多样，适应性广，能够在较短的时间内形成大面积地被覆盖，可有效地保持水土，涵养水源.林下配置植被均能不同程度地减轻水土流失，改善土壤理化性状，由此，它成为森林生态系统的重要组成部分，在改良土壤性质、促进土壤养分循环、保持水土、涵养水源、净化空气、增加森林小气候等方面具有独特的功能和作用[6,7].

银杏(Ginkgobiloba)，又名白果，素有“活化石”之称，其叶、果、根皮均具有药用价值[8].桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)耐干旱、贫瘠，在肥厚疏松的酸性山地红壤及光照充足的环境生长最为茂盛，是我国华南区域荒山绿化、水土保持和涵养水源的优良树种[9,10].台湾黄花菜(Hemerocalliscitrina)是百合科萱草属多年生宿根草本植物，种植、管理简单，耐瘠薄，少病虫害，是食、药用和观赏集一身的经济作物[11,12].本文通过对银杏林下不同植物配置模式的水土保持效果进行定量评价，筛选出可有效降低土壤养分，减少泥沙、径流的流失，并改良土壤的优良配置模式，以期为银杏林的生态化经营提供技术指导.

1　试验地概况

研究区位于福建省龙岩市长汀县策武镇，北纬25°18′—26°02′，东经116°00′—116°39′.该地属于亚热带海洋性季风气候，降雨集中.地貌以低山和丘陵为主，海拔300～500 m，年平均气温17～19 ℃,年平均降雨量1 700 mm，且分布不均匀，5、6、7和8月是降水集中的月份，占全年降水总量的55.6%[13-15].该区土壤主要为粗晶花岗岩风化发育而成的山地红壤，表层土质疏松且较薄，抗侵蚀性差，地上植被被破坏后，土壤持水性差，在一些土壤侵蚀严重的区域母质层和基岩层已露出，极易发生水土流失.选择福建省长汀县策武镇南坑村18年生银杏园作为试验地(表1)，选择台湾黄花菜、桃金娘这两种植物作为林下阻控带栽植植物.

表1　试验地基本概况1)Table 1　Basic survey of test ground

1)数据为平均值±标准误.

2　方法

2.1　植物阻控带设置

针对银杏园立地条件的差异，选择台湾黄花菜和桃金娘作为阻控植物，以林下无阻控植物作为对照，采用单因素随机区组设计，在保证台面面积统一的前提下，在银杏林下选择3个径流小区设置为1.2 m×5 m的试验区，周围用水泥板砌墙.在每个径流小区坡底部设置2个1 m×0.5 m×2 m的径流池，用于收集径流.2个径流池由通水管相连，池子底部安装排水阀门，每月测定径流量和泥沙流失量后，开闸放水，并清洗径流池.

两种植物阻控带栽种于2015年12月，3个径流小区坡向相同，坡度相同，抚育管理措施一致.试验地A:银杏林单种模式，作为空白对照.试验地B:银杏+台湾黄花菜阻控带，在径流小区内由坡高处向坡低处栽种，行距50 cm.试验地C:银杏+桃金娘阻控带，在径流小区内由坡高处向坡低处栽种，行距50 cm.在栽种林下阻控植物之前，清除杂草，翻耕林地.阻控植物距离试验树种根部20 cm左右，栽种密度以各植物生长之后能覆盖地表为宜，试验期间采用正常的抚育管理措施.

2.2　土壤养分测定

2016年1—12月，在不同小区，按“S”型布点，去除地表凋落物层，按照随机、等量、多点混合的原则，分别采集5个点的表层(0～20 cm)土样将其混合，然后采用四分法分取样品带回实验室.各小区采集3个样品，进行重复试验，用土铲和土钻分别采集0～20 cm和20～40 cm的土壤样品，装于标记好的自封袋低温冷藏，备用.去除细根、杂物后待土样自然风干，用研磨仪粉碎过0.149 mm筛，用于土壤养分的测定[16,17].速效钾养分测定采用乙酸铵浸提—火焰光度法；水解性氮养分测定采用碱解—扩散法；速效磷测定采用氟化铵—盐酸浸提法；全碳和全氮含量采用碳氮元素分析仪测定；利用搅拌径流池水样测定泥沙、径流的流失量；土壤含水率采用烘干法测定.

2.3　数据分析与处理

采用Excel 2003软件处理原始数据，用SPSS 13.0软件进行方差分析[18-22]，处理间差异显著性分析采用Duncan检验法和主成分分析法.

3　结果与分析

3.1　泥沙和径流的流失量对比

从图1、2可知：试验地A、B、C的泥沙流失量和径流流失量表现为试验地A>试验地B>试验地C；试验地A、B、C在6、7、8月的泥沙流失量和径流流失量均高于其它月份，原因是该地区6—8月份降雨量较大，对土壤侵蚀程度加重.与试验地A相比，试验地B在4月份泥沙流失量下降了94.68%，2月份径流流失量下降了67.74%；平均12个月泥沙流失量下降了22.30%，径流流失量下降了26.27%.与试验地A相比，试验地C在3月份泥沙流失量下降了173.01%，1月份径流流失量下降了158.17%；平均12个月泥沙流失量降低了53.95%，径流流失量降低了54.57%.与试验地B相比，试验地C在1月份泥沙流失量下降了66.89%，径流流失量降低了62.58%.结果表明，银杏林下栽植台湾黄花菜和桃金娘可有效减少泥沙流失和径流流失.在林下栽植花卉，增加环境小气候，提高郁闭度，减缓了雨水对土壤的直接冲刷，加速水分下渗，能够有效减少土壤侵蚀，土壤泥沙流失较为轻微；植物根系分布浅，可有效固结土壤，涵养水源，减少泥沙流失，提高了土体的稳定性和缓冲能力，有利于水土保持.

图1　泥沙流失量对比Fig.1　Contrast of sediment loss

图2　径流流失量对比Fig.2　Contrast of runoff loss

3.2　土壤性状分析

从表2～5可知，在3、6、9、12月份，试验地A、B、C在0～20 cm土层土壤水解性氮、速效磷、速效钾、全碳、全氮含量均高于20～40 cm土层土壤，3、6、12月份试验地A、B、C在20～40 cm土层的土壤含水率稍高于0～20 cm土层土壤.4个月的试验结果显示，在0～20 cm土层土壤和20～40 cm土层土壤中，试验地A土壤的总体性状均低于试验地B、C，说明林下种植台湾黄花菜和桃金娘后，土壤养分含量流失减少，表明林下套种有利于水土流失的治理.

从表5可知：12月份林下种植花卉1 a后，不同植物造林模式减缓土壤流失差别较大；0～20 cm土层，试验地B、C土壤速效养分含量和含水率，及全碳、全氮含量均高于试验地A.表明林下套种植物能有效减少氮磷钾养分的流失，保持土壤肥力.试验地B相比于试验地A，水解性氮含量提高了47.76%，速效磷含量提高了3.33%，速效钾含量提高了27.02%，含水率提高了28.11%，全碳含量提高了10.08%，全氮含量提高了64.63%.与试验地A相比，试验地C水解性氮含量提高了36.28%，速效磷含量提高了42.33%，速效钾含量提高了38.30%，含水率提高了37.51%，全碳含量提高了12.57%，全氮含量提高了57.01%.与试验地C相比，试验地B水解性氮含量提高了8.43%，速效磷含量下降了27.41%，速效钾含量提高了8.15%，含水率下降了6.84%，全碳全氮含量略有变化.

表2　3月份不同植物阻控带土壤养分含量及含水率1)Table 2　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in March

1)数据为平均值±标准误.

表3　6月份不同植物阻控带土壤养分、含水率特征1)Table 3　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in June

1)数据为平均值±标准误.

表4　9月份不同植物阻控带土壤养分、含水率特征1)Table 4　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in September

1)数据为平均值±标准误.

表5　12月份不同植物阻控带土壤养分、含水率特征1)Table 5　Characteristics of soil nutrients and water content in different plant control zones in December

1)数据为平均值±标准误.

20～40 cm土层中，试验地B、C土壤水解性氮、速效磷含量和含水率、全碳、全氮含量均高于试验地A，表明林下套种植物能有效减少氮磷养分的流失，保持土壤肥力.试验地B相比于试验地A，水解性氮含量提高了56.69%，速效磷含量提高了20.49%，速效钾含量下降了6.61%，含水率提高了50.80%，表明林下套种植物起到保持水土的作用；全碳含量提高了25.26%，全氮含量提高了52.44%，总体均高于试验地A.与试验地A相比，试验地C水解性氮含量提高了66.40%，速效磷含量提高了9.61%，速效钾含量提高了11.38%，含水率提高了57.14%，全碳含量提高了38.53%，全氮含量提高了62.67%，养分含量和含水率有明显的上升趋势.与试验地C相比，试验地B水解性氮含量下降了5.83%，速效磷含量提高了9.92%，速效钾含量下降了15.80%，含水率下降了4.04%，全碳、全氮含量略有变化.由此可知，在林下套种台湾黄花菜和桃金娘后，不同土层土壤的速效养分含量、含水率均比无套种植物高，说明林下种植能有效保持土壤养分，提高土壤肥力.

综合比较12月份试验地A、B、C的养分含量和含水率，3块试验地的0～20 cm土层土壤水解性氮、速效磷、速效钾、全碳、全氮含量均高于20～40 cm土层土壤，原因是银杏、台湾黄花菜、桃金娘和禾本科植物的枯枝落叶等凋落物在0～20 cm土层堆积腐烂，在没有完全进入土壤时，表层土壤的养分含量高于其他土层，产生养分富集的现象.20～40 cm土层含水率高于0～20 cm土层.在0～20 cm土层土壤和20～40 cm土层土壤中，试验地A的养分含量和含水率低于试验地B、C，表明林下种植台湾黄花菜和桃金娘有利于水土流失的治理.试验地B的水解性氮含量在0～20 cm土层中较高，试验地C的水解性氮含量在20～40 cm土层中较高，说明两种植物对降低水解性氮养分的流失起到一定作用.试验地C的速效磷含量在0～20 cm土层中较高，试验地B的速效磷含量在20～40 cm土层中略高，说明两种植物对减少水解性氮养分流失起到一定作用.速效钾含量在0～40 cm土层土壤中表现为试验地C>试验地B>试验地A，说明栽植桃金娘能有效减少速效钾养分的流失.含水率在0～40 cm土层土壤中表现为试验地C>试验地B>试验地A，说明桃金娘持水功能较好.全碳含量在0～40 cm土层土壤中表现为试验地C>试验地B>试验地A，说明栽植桃金娘能有效保持全碳含量.全氮含量在0～20 cm土层土壤中以试验地B较高，在20～40 cm土层土壤中以试验地C略高，说明栽植两种植物对保持全氮含量能起到一定作用.综上所述，桃金娘试验地的养分元素含量和含水率比台湾黄花菜和空白对照试验地高，对中轻度水土流失区的水土保持作用更好.

3.3　土壤相关性分析

从表6～8可知，0～20 cm土层的6个指标中水解性氮、速效磷、速效钾的含量差异有统计学意义(P<0.01)，含水率差异有统计学意义(P<0.01)，全碳含量差异有统计学意义(P<0.01)，全氮含量差异有统计学意义(P<0.05).20～40 cm土层的6个指标中水解性氮、速效钾含量及含水率差异有统计学意义(P<0.01)，速效磷含量差异有统计学意义(P<0.05)，全碳含量差异无统计学意义(P>0.05)，全氮含量差异有统计学意义(P<0.05).

表6　土壤单因素方差分析Table 6　Variance analysis of soil single factor

表7　0～20 cm土层土壤养分相关性分析1)Table 7　Correlation analysis of nutrients in 0-20 cm soil layer

1)**表示差异达极显著水平(P<0.01)；*表示差异达显著水平(P<0.05).

表8　20～40 cm土层土壤养分相关性分析1)Table 8　Correlation analysis of nutrients in 20-40 cm soil layer

1)**表示差异达极显著水平(P<0.01)；*表示差异达显著水平(P<0.05).

3.4　主成分分析

根据20～40 cm土层土壤水解性氮、速效磷、速效钾含量、含水率、全碳、全氮含量6个指标建立评价体系，选取12月份的3个试验地为研究对象分别进行研究.对各植被水土保持功能指标进行计算和比较，得出各植被水土保持功能的综合值.主成分分析法是按照方差贡献率大于85%的原则选取主成分个数.从表9可知，20～40 cm土层土壤成分1、2的贡献率是86.33%(>85%)，并以方差贡献率为权数计算综合主成分得分，对养分含量数据的定量化评价值.由于影响养分含量水平的因素比较多，本文采用主成分法对各含量进行评价，利用主成分分析法计算的权重与各项指标的数值进行累乘，进而相加，计算出指标的综合评价指数.对成分矩阵进行因子分析，表10中选取2个主因子，相应地划分为2个子系统，每个子系统中包括6个指标.通过比较20～40 cm土层土壤水解性氮、速效磷、速效钾含量及含水率，全碳、全氮含量6个指标，由表11可知，试验地C的综合水平较高，各种元素含量和含水率均较高.因此，可将桃金娘作为水土保持的首选植物.

表9　方差分析主成分提取Table 9　Principal component extraction table for the analysis of variance

表10　主成分值的方差分析Table 10　Variance analysis of principal component values

表11　综合主成分值Table 11　Synthetic principal scores

4　讨论

本研究结果表明：在银杏林下栽植台湾黄花菜、桃金娘均能提高土壤养分含量、含水率，减少泥沙流失量和径流流失量；通过分析对比可知，桃金娘保持水土的作用最好，可将其作为中轻度水土流失区集成示范的首选植物.台湾黄花菜和桃金娘的适应性广，生长迅速，茎叶繁茂，覆盖效果好，茎叶吸水率高，可有效减轻雨水对地表的溅蚀作用；根系分布浅，可有效固结土壤，其枯枝落叶和老化的根系腐烂后可有效改善土壤的物理性状，增加土壤孔隙度，提高渗透速率，从而提高土壤的蓄水保水能力，有效保持水土.本试验研究结果同王齐瑞等[23]、谢云等[24]的研究结果基本一致.通过套种可提高土壤含水量、土壤有机质养分含量和增加土壤孔隙度，改良土壤理化性质.表明经济林下栽种水土保持植物，能够充分利用自然空间资源，使退化的生态系统得到较好的恢复.

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