汪邦穩(wěn), 夏小林, 段 劍

〔1.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230088;2.江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330029〕

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中國(guó)南方紅壤丘陵馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性

汪邦穩(wěn)1, 夏小林1, 段 劍2

〔1.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230088;2.江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330029〕

摘要：[目的] 探清土壤侵蝕對(duì)土壤分布與特性的影響機(jī)制,為防治該地區(qū)的林下水土流失和土地退化提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 基于調(diào)查取樣和分析測(cè)試獲取的數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)度等方法分析紅壤丘陵區(qū)馬尾松林地侵蝕坡面的土壤特性。[結(jié)果] 紅壤丘陵區(qū)馬尾松林地侵蝕坡面土壤養(yǎng)分相對(duì)較低,理化指標(biāo)基本處于4級(jí)以下水平;紅壤丘陵區(qū)馬尾松林地侵蝕溝的土壤指標(biāo)與坡面土壤的相應(yīng)指標(biāo)存在顯著性差異,18個(gè)土壤指標(biāo)中,侵蝕溝的土壤有10個(gè)指標(biāo)顯著優(yōu)于坡面土壤的相應(yīng)指標(biāo),侵蝕溝與土壤特性關(guān)聯(lián)度更高,侵蝕溝土壤指標(biāo)間的顯著相關(guān)數(shù)量更少。[結(jié)論] 紅壤丘陵區(qū)馬尾松林地的土壤侵蝕對(duì)林下土壤特性和分布產(chǎn)生了顯著的影響,但侵蝕溝對(duì)土壤特性的影響機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕; 紅壤丘陵區(qū); 土壤; 馬尾松林

文獻(xiàn)參數(shù)： 汪邦穩(wěn), 夏小林, 段劍.中國(guó)南方紅壤丘陵馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：13-17.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.004

水土流失是中國(guó)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的集中體現(xiàn)[1-2]，在南方紅壤丘陵區(qū)尤為明顯[3]。南方紅壤丘陵區(qū)是中國(guó)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域之一[4]，該區(qū)的林下水土流失問(wèn)題日益突出[5-6]。馬尾松林是南方紅壤丘陵區(qū)的主要次生林，約占林地面積的30.5%[7]，其林下土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到2 700～6 000 t/(km2·a)[8]，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全[5]。目前，南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下水土流失和植被恢復(fù)逐漸得到關(guān)注，林下水土流失規(guī)律[9]、影響因素[10]、植被特征[11]、植被恢復(fù)限制性因子[12-14]及恢復(fù)途徑[15]都得到了不同程度的研究；但林下土壤侵蝕對(duì)土壤特性及分布的影響與機(jī)制研究彰顯不足。

土壤作為植被生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅影響土壤侵蝕[16]，同時(shí)，其分布和發(fā)育也受土壤侵蝕的影響。紅壤丘陵區(qū)的降雨徑流對(duì)土壤進(jìn)行剝離、搬運(yùn)、沉積的過(guò)程，不僅改變了原有土壤的物質(zhì)組成，同時(shí)也改變了土壤的分布特征[17]。紅壤丘陵區(qū)馬尾松林分布面積廣，林下植被稀少，水土流失和土地退化嚴(yán)重[6,11]。因此，探清該地區(qū)馬尾松林下土壤侵蝕對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物和土壤酶活性及其分布的影響，探尋植被恢復(fù)潛在的土壤條件，對(duì)該地區(qū)的植被重建和生態(tài)恢復(fù)具有重要的意義。本研究擬針對(duì)南方紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下的侵蝕坡面，基于野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析測(cè)試獲取的數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析方法，探析坡面土壤與侵蝕溝(淺溝或細(xì)溝)土壤的特性差異，探討坡面、侵蝕溝土壤特性指標(biāo)間的相關(guān)性，以及土壤特性與坡面、侵蝕溝的關(guān)聯(lián)度，從而揭示侵蝕對(duì)土壤特性及分布的影響，以期為防治該地區(qū)的林下水土流失和土地退化提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在江西贛縣大田鄉(xiāng)(25°52′—25°52′N，115°06′—115°06′)的低山丘陵區(qū)，土壤為花崗巖發(fā)育的磚紅壤，海拔150～186 m，坡度8～30°；氣候?yàn)閬啛釒鹆昙撅L(fēng)氣候，年均降水量1 423.4 mm，年均溫度19.4 ℃，≥10 ℃積溫為5 528 ℃，年均無(wú)霜期289 d[17]。研究區(qū)馬尾松林為20世紀(jì)80年代末飛播造林，林齡約20 a，>2 m的馬尾松平均樹(shù)高在2.9～5 m[11]。林地退化明顯；林下草被稀疏[18]，陽(yáng)坡半陽(yáng)坡植被蓋度僅為36.9%[11]，灌木稀少，草被植物主要為芒萁(Dicranopterisdichotoma)和白茅(Imperatacylindrica)[17]；林下土壤侵蝕嚴(yán)重，細(xì)溝、淺溝密度>20 km/km2，侵蝕坡面的侵蝕溝面積占20.9%，侵蝕溝造成的坡面流失的土壤厚度就達(dá)71.2 mm[11]。

2材料與方法

2.1調(diào)查和取樣方法

調(diào)查和采樣時(shí)間為2013年4月中下旬和10月中旬。在樣地區(qū)選擇5個(gè)具有代表性的坡面，分別沿坡面方向隨機(jī)布設(shè)1條樣帶，分上、中、下坡位各設(shè)1個(gè)面積10 m×10 m樣地。為盡可能的做到采樣條件一致，采樣時(shí)確保研究區(qū)2個(gè)星期沒(méi)有下雨[18]。在布設(shè)的樣地里，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)利用便攜式土壤水分探測(cè)儀隨機(jī)對(duì)9個(gè)點(diǎn)的表層土壤(0—15 cm)進(jìn)行探測(cè)獲取，土壤樣品是對(duì)表層土壤(0—15 cm)隨機(jī)采集5點(diǎn)組成的混合樣。如果坡面樣地有侵蝕溝(細(xì)溝或淺溝)[11]，采用與上述相同的方法，另外采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和土壤樣品。土壤樣品采集后，去除較大的石礫和植物根葉等，每個(gè)樣品分成2份，一份放于冰箱4 ℃冷藏，另一份避光風(fēng)干，過(guò)篩后備用。

2.2土壤特性的測(cè)定

依照魯如坤[19]版的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和土壤顆粒組，采用環(huán)刀法測(cè)土壤容重。依照關(guān)松蔭[20]和周禮凱[21]的分析方法測(cè)蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的土壤酶活性。依據(jù)稀釋平板法測(cè)土壤微生物數(shù)量[20, 22]：細(xì)菌、真菌和放線菌的測(cè)定分別選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、PDA培養(yǎng)基和高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基，每一濃度梯度設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

2.3數(shù)據(jù)處理

坡面和侵蝕溝的土壤特性差異評(píng)價(jià)采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)方法，各指標(biāo)間的相關(guān)性分析采用簡(jiǎn)單相關(guān)分析(Pearson)法，土壤特性與坡面和侵蝕溝的關(guān)聯(lián)度采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法[23-24]。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在SPSS 19.0和Excel 2007中完成。

3結(jié)果與分析

3.1侵蝕坡面的土壤特性

3.1.1土壤理化特性如表1所示，除全磷、速效鉀和土壤顆粒組成外，侵蝕溝的其他各土壤理化指標(biāo)與坡面的相應(yīng)指標(biāo)存在著顯著性的差異。侵蝕溝的有機(jī)碳、全氮、全鉀、堿解氮和速效磷顯著高于坡面，分別高30.9%，58.3%，13.2%，39.6%和123.1%；侵蝕溝的土壤容重和水分顯著低于坡面，分別低6.1%和28.6%。

依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查推薦的土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，研究區(qū)的馬尾松林下侵蝕坡面的土壤養(yǎng)分等級(jí)都較低。土壤有機(jī)質(zhì)都<10 g/kg，處于5級(jí)水平；土壤全氮都<0.5 g/kg，處于6級(jí)水平；侵蝕溝的速效氮>60 mg/kg，處于4級(jí)水平，坡面的速效氮為43.99，處于5級(jí)水平；速效磷都<3 mg/kg，處于6級(jí)水平；速效鉀都<30 mg/kg，處于6級(jí)水平。說(shuō)明紅壤丘陵區(qū)馬尾松林侵蝕坡面的土壤養(yǎng)分貧瘠，土壤肥力較差。

表1　侵蝕坡面的土壤理化性質(zhì)

注：同列不同字母表示p<0.05水平差異顯著，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。下同。

表2　土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.2土壤微生物特性土壤微生物與土壤肥力和植物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系密切[22]。土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌通常作為森林土壤生物活性高低的重要標(biāo)志，其分布與數(shù)量直接影響土壤的肥力，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)[25]。

如表3所示，除放線菌外，侵蝕溝的土壤細(xì)菌、真菌和微生物總量顯著大于坡面土壤的相應(yīng)指標(biāo)，侵蝕溝的土壤細(xì)菌、真菌和微生物總數(shù)分別比坡面土壤相應(yīng)指標(biāo)高186.2%，110.4%和90.2%。說(shuō)明相對(duì)坡面，侵蝕溝的微生物狀況要好于坡面。

表3　侵蝕坡面的土壤微生物特征　104 CFU/g

3.1.3土壤酶特性土壤酶活性是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它參與土壤的所有生化反應(yīng)[20]。蔗糖酶是指示土壤生物活性的一種重要水解酶，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，反映土壤的肥力狀況；脲酶是水解尿素轉(zhuǎn)化為氨的水解酶，表征土壤的氮素狀況；酸性磷酸酶能夠促進(jìn)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為植物可以吸收的無(wú)機(jī)磷；過(guò)氧化氫酶可以分解土壤中對(duì)植物有害的過(guò)氧化氫，能夠反映土壤腐殖質(zhì)的再合成強(qiáng)度[20,22]。

如表4所示，測(cè)定的4種土壤酶在侵蝕溝土壤中的活性要明顯高于在坡面土壤中，但只有脲酶達(dá)到顯著水平。侵蝕溝的土壤脲酶活性比坡面脲酶酶活性高83.3%。說(shuō)明侵蝕溝的土壤環(huán)境更有利氮的轉(zhuǎn)化。

表4　侵蝕坡面的土壤酶活性

3.2侵蝕坡面的土壤理化性質(zhì)與土壤微生物和酶活性之間的關(guān)系

土壤理化性質(zhì)與土壤微生物和酶活性關(guān)系密切[17,20]，分析坡面和侵蝕溝的土壤理化性質(zhì)與土壤微生物和酶活性的關(guān)系，可以闡明相應(yīng)環(huán)境的土壤特性狀況；同時(shí)，通過(guò)比較坡面和侵蝕溝土壤特性狀況，可以揭示坡面和侵蝕溝兩種侵蝕環(huán)境對(duì)土壤特性的影響。

3.2.1坡面土壤理化性質(zhì)與土壤酶和微生物的相關(guān)性如表5所示，在坡面的土壤中，只有全磷、堿解氮和土壤水分與土壤酶或微生物顯著相關(guān)。全磷與細(xì)菌、真菌、放線菌及微生物總量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.819，0.730，0.875，0.888，這與微生物具有解磷作用相一致[22]。說(shuō)明坡面全磷雖然含量較低，但對(duì)微生物的種類和數(shù)量極其重要。堿解氮與土壤脲酶極顯著正相關(guān)，這與脲酶具有分解氮素作用相一致[20]。土壤水分與土壤酶和微生物呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與脲酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.698，-0.548和-0.574。這主要是坡面的土壤水分低，導(dǎo)致生長(zhǎng)有植被的土壤比地表裸露的土壤水分更低[11]，所以，坡面的土壤水分相對(duì)較高的都是地表裸露處，而裸露的地表因沒(méi)有植被生長(zhǎng)使得土壤微生物較少，土壤酶活性較低[13]。

3.2.2蝕溝土壤理化性質(zhì)與土壤酶和微生物的相關(guān)性如表6所示，侵蝕溝土壤中只有速效磷與真菌顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.617。與坡面相比，侵蝕溝的土壤理化性質(zhì)與土壤微生物和酶活性的顯著相關(guān)性指標(biāo)明顯減少，說(shuō)明侵蝕溝的形成影響了土壤指標(biāo)間的相互作用關(guān)系。

表5　坡面土壤理化性質(zhì)與土壤酶和微生物的相關(guān)性

注：*表示相關(guān)性達(dá)到顯示水平(p<0.05)；**表示相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

表6　侵蝕溝土壤理化性質(zhì)與土壤酶和微生物的相關(guān)性

3.3侵蝕坡面與土壤特性的關(guān)系

為進(jìn)一步分析土壤特性對(duì)侵蝕的響應(yīng)，選取研究區(qū)土壤特性指標(biāo)中的最優(yōu)指標(biāo)作為參比序列，坡面和侵蝕溝的土壤特性指標(biāo)作為比較序列，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析土壤特性與侵蝕坡面的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出，土壤特性與坡面的關(guān)聯(lián)度為0.373，與侵蝕溝的關(guān)聯(lián)度為0.456。說(shuō)明相比坡面，侵蝕溝對(duì)紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性影響更大。

表7　土壤特性指標(biāo)與坡面和侵蝕溝的關(guān)聯(lián)度

4討論與結(jié)論

4.1討 論

紅壤丘陵侵蝕區(qū)馬尾松林下侵蝕坡面的土壤養(yǎng)分相對(duì)貧瘠，這主要是歷史和人為的原因造成的，尤其在20世紀(jì)50—60年代，原有植被遭到毀滅性破壞，加劇了水土流失發(fā)生，導(dǎo)致表土流失殆盡，心土層甚至母質(zhì)層裸露，生態(tài)環(huán)境惡化[5]。盡管相對(duì)貧瘠，但侵蝕溝與坡面的土壤理化特征表現(xiàn)出了顯著性差異，主要原因是侵蝕剝離、搬運(yùn)和沉積作用，形成了侵蝕溝，侵蝕溝的形成又影響著泥沙過(guò)程，從而影響著土壤的特征與分布[26-27]。主要表現(xiàn)在侵蝕溝的大部分土壤指標(biāo)顯著優(yōu)于坡面的相應(yīng)指標(biāo)，例如，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)中的有機(jī)碳、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷、土壤容重6個(gè)指標(biāo)，土壤微生物的細(xì)菌、真菌、微生物總量3個(gè)指標(biāo)，以及土壤酶中的脲酶指標(biāo)；侵蝕溝與土壤特性的關(guān)聯(lián)度(0.456)明顯大于坡面與土壤特性的關(guān)聯(lián)度(0.373)。說(shuō)明在因水土流失造成母質(zhì)層裸露的紅壤丘陵侵蝕區(qū)種植的馬尾松林，侵蝕溝的形成改變了水土流失過(guò)程，影響了光熱條件，促進(jìn)了局部地形處的土壤形成，從而為植被恢復(fù)創(chuàng)造了有利的條件[11,19]。但是，侵蝕溝土壤特性指標(biāo)間的顯著相關(guān)數(shù)量明顯低于坡面，進(jìn)一步說(shuō)明侵蝕溝對(duì)土壤特性狀況產(chǎn)生了明顯的影響，但其原因和機(jī)制尚需進(jìn)一步的研究。

4.2結(jié) 論

(1) 紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下侵蝕坡面土壤養(yǎng)分相對(duì)較低，理化指標(biāo)基本處于4級(jí)及以下水平；但侵蝕溝土壤的大部分指標(biāo)顯著優(yōu)于坡面土壤的相應(yīng)指標(biāo)。

(2) 紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下的侵蝕溝對(duì)侵蝕坡面的土壤特性和分布產(chǎn)生了明顯的影響。主要表現(xiàn)在18個(gè)土壤指標(biāo)中，侵蝕溝的土壤有10個(gè)指標(biāo)顯著優(yōu)于坡面土壤的相應(yīng)指標(biāo)，侵蝕溝與土壤特性的關(guān)聯(lián)度更高，侵蝕溝土壤指標(biāo)間的顯著相關(guān)數(shù)量更少；但侵蝕溝對(duì)紅壤丘陵區(qū)馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性影響原因和機(jī)制尚需進(jìn)一步的研究。

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收稿日期：2015-07-01修回日期：2015-09-26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0013-05

中圖分類號(hào)：S714.2

Soil Properties of Eroded Slope UnderPinusMassonianaForest in Hilly Red Soil Area of Southern China

WANG Bangwen1, XIA Xiaolin1, DUAN Jian2

(1.AnhuiandHuaiheRiverInstituteofHydraulicResearch,AnhuiProvinceKeyLaboratoryofWaterConservancyandWaterResources,Hefei,Anhui230088,China; 2.JiangxiInstituteofSoilandWaterConversation,KeyLaboratoryforSoilErosionandPrevention,Nanchang,Jiangxi330029,China)

Abstract：[Objective] To investigate the influences of soil erosion on the distribution and properties of soil in order to provide scientific basis for controlling soil erosion and land degradation in Pinus massoniana forestry. [Methods] Soil properties of eroded slope in P. massoniana forestry in the hilly red soil area of Southern China were studied based on statistics and the grey relational degree methods. The data was obtained by field surveying and sampling. [Results] Soil nutrients of the eroded slope were poor. Most of the soil physical and chemical indices were at or below level 4. There were significant differences in the soil index between soil on the slope and soil in the erosion gully. Among eighteen soil indices, ten soil indices of soil erosion gully were better than the corresponding indicators of soil on the slope. Compared with slope, the correlation between erosion gully and soil properties was higher, and the number of significant correlation indices of soil was less in erosion gully. [Conclusion] Soil erosion had a significant impact on the properties and distribution of soil on eroded slope in P. massoniana forest in the hilly red soil area of Southern China. Nevertheless, the mechanisms of the effect of erosion on soil properties needs to be further studied.

Keywords:soil erosion; the hilly red soil area of Southern China; soil; Pinus massoniana forest

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“南方紅壤區(qū)馬尾松林下植被恢復(fù)格局與恢復(fù)潛力的土壤侵蝕解釋”(41201276)

第一作者：汪邦穩(wěn)(1981—),男(漢族),安徽省合肥市人,博士,工程師,主要從事土壤侵蝕與環(huán)境研究。 E-mail:bangwenbest@126.com。