徐 慧，管 蓓

（南京市環(huán)境保護科學研究院，江蘇 南京 210013）

南京老山國家森林公園4種林分類型土壤的抗侵蝕性能評價

徐 慧，管 蓓

（南京市環(huán)境保護科學研究院，江蘇 南京 210013）

2015年，以江蘇省南京老山國家森林公園的杜仲Eucommia ulmoides林，麻櫟Quercus acutissima林，毛竹Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens林’，黑松Pinus thunbergii林4種林分類型為研究對象，建立樣方對其不同層次土壤進行測定。選取土壤容重、有機質含量、團聚體特征、抗剪切強度等15個指標來評估不同林分土壤的抗侵蝕性能。結果表明，相比其他3種林型，麻櫟林在諸多指標上均表現最優(yōu)；基于主成分分析法對15個指標進行篩選，其中有機質含量、內摩擦角、粉粒含量、砂粒含量可以作為評價研究區(qū)土壤抗侵蝕性能的最優(yōu)指標；基于最優(yōu)指標和加權平均法對各林分土壤抗侵蝕性能進行綜合評價，結果表明麻櫟林表層土壤的抗侵蝕性能最強，其次為杜仲林，再次為黑松林，毛竹林最弱。

南京；老山；林分類型；土壤抗侵蝕性能；主成分分析

水土流失是全世界面臨的環(huán)境問題，也是威脅中國生態(tài)環(huán)境現狀的重大隱患之一[1]。森林作為陸地最重要的生態(tài)系統(tǒng)，其繁茂的林冠層、茂密的林下灌草層、豐富的枯枝落葉層以及肥厚的土壤層有機耦合，在減輕削弱地表水力侵蝕過程中發(fā)揮著重要作用[2]。因此客觀評價土壤抗侵蝕性能是全面評估森林保持水土功能的重要環(huán)節(jié)之一[3]。土壤抗侵蝕性能通常是指土體抵抗水體（如天然降水和地表徑流）擊濺、分散、懸浮和沖刷的綜合能力，其性能的高低除了與土壤理化性質等內在因素有關外，還受植被類型等外部因素的影響[4]。由于土壤抗侵蝕性能受諸多因素的影響，且空間差異性較大，因而探究不同區(qū)域不同土地利用方式下土壤的抗侵蝕性能已成為各地水土保持科研工作者的重要任務。

江蘇省南京老山國家森林公園是南京城市森林網絡的重要組成部分，是該市名副其實的“綠肺”和“景觀陽臺”，成為重要的綠色生態(tài)屏障[5]。當前，森林公園所在南京浦口區(qū)已正式成立國家級江北新區(qū)，將評估老山地區(qū)的森林生態(tài)服務功能，作為新區(qū)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃及建設保護的重要依據?，F有的研究多集中于南京老山國家森林公園的景觀格局和植物資源[5-7]，而森林水土保持功能的相關研究還鮮有報道。因此，探討了南京老山國家森林公園主要森林類型的土壤抗侵蝕性能，以期為合理評估森林生態(tài)效益及林相改造提供一定的參考依據。

1 研究區(qū)概況

南京老山國家森林公園于1991年在南京市浦口區(qū)老山林場基礎上建立，橫貫浦口區(qū)境內，素有“江北明珠”之美譽。該森林公園東起浦口高新區(qū)，南臨長江，北枕滁河，西達安徽和縣，總面積80 km2。上世紀七十年代至今，老山林場營造了大面積的針葉林和落葉闊葉林，森林覆蓋率高達80%，林區(qū)內近80%的森林植被起源于人工林，少數為天然次生林[5]。林區(qū)以黃棕壤為主要土壤類型，氣候溫和，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.3℃，無霜期228 d，年降水量1 000 mm左右。

2 材料與方法

2.1 樣地的選擇

杜仲Eucommia ulmoides林，麻櫟Quercus acutissima林，毛竹Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens’林，黑松Pinus thunbergii林是老山地區(qū)最典型的4種人工林，其種植面積分別占林區(qū)面積的5%，33%，3%，22%。鑒于此，本研究以各林型中長勢優(yōu)良的林分為研究對象，分別建立1個20 m×20 m的樣方進行常規(guī)調查，各樣方基本情況見表1。

表1 4種林分概況Table 1 Information of sampled forest stand

2.2 土壤樣品采集及測試

本研究于2015年5月在各林分的樣方中以“品”字型挖掘3個土壤剖面，在每個剖面采集0 ～ 10 cm，＞10 ～ 20 cm，＞20 ～ 30 cm，＞30 ～ 40 cm的原狀土樣。依據土壤理化分析國家標準中的環(huán)刀法、比重計法、重鉻酸鉀氧化法、濕篩法等規(guī)范分別測定容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、黏粒含量、粉粒含量 、砂粒含量、有機質含量、團聚度、分散率、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、＞0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量；采用靜水崩解法測定土壤水穩(wěn)性指數、采用原裝土槽（30 cm×10 cm×10 cm）沖刷法測定土壤沖刷指數，設計沖刷坡度為20°，沖刷流量為3.5L/min，以1，2，4，8，10 mi n為時間點收集沖刷水樣并烘干稱重；采用《土木試驗方法標準》（GB/T50123－1999）測定含水率為25%土樣的土壤粘聚力、內摩擦角。

2.3 數據處理

采用SPSS19.0 中主成分分析模塊、相關分析模塊對相關數據進行處理分析；采用多指標加權平均法評估各林分土壤的綜合抗侵蝕性能，具體見公式（1）：

式中，FZ為土壤抗侵蝕性能綜合指數；Wi為各土壤因子的權重，反映各評價指標的重要性；F（Xi）為各土壤因子的隸屬度值，反映各評價指標的優(yōu)劣，具體見公式（2）和（3）：

式中，Xij為第i項因子的樣品實測值；Ximax為第i項因子實測值中的最大值；Ximin為第i項因子實測值中的最小值[8]。公式（2）用于正效應指標的評分，公式（3）用于負效應指標的評價。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質比較

從土壤理化性質以及土壤抵御水體剝離能力等方面構建多指標體系進行相關測試分析是目前評估土壤抗侵蝕性能的主要手段。本研究15個土壤指標的測定值見圖1。

土壤容重是土壤緊實度的反應指標，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤入滲速率和蓄水量越大。從圖1中可看出，以0 ～ 10 cm表層X1來看，麻櫟林（1.12 g·cm-3）＜杜仲林（1.21 g·cm-3）＜黑松林（1.37 g·cm-3）＜毛竹林（1.45 g·cm-3）。土壤有機質能夠促進土壤中團粒結構的形成，增加土壤疏松性、通氣性和透水性，對改善土壤結構和提高土壤抗蝕性具有重要作用，已成為國內外常用土壤抗侵蝕性能評價指標之一[9]。以0 ～ 10 cm土壤X7來看，黑松林（27.77 g·kg-1）＜毛竹林（28.03 g·kg-1）＜杜仲林（30.94 g·kg-1）＜麻櫟林（35.62g·kg-1）。土壤水穩(wěn)性團聚體是由有機質膠結而成的良好團粒結構，在浸水條件下不易解體并有較高的穩(wěn)定性，因此土壤水穩(wěn)性團聚體特征也是描述土壤抗侵蝕性能的重要指標。以X9，X10，X11的結果來看，表層土壤以麻櫟林最優(yōu)，其次為毛竹林，再次為杜仲林，黑松林最差。X12是通過測定土粒在靜水中發(fā)生分散、破碎、塌落等過程來衡量土壤抗水蝕性能的指標[10-11]。就表層土壤而言，黑松林（57.11%）＜毛竹林（62.76 %）＜杜仲林（79.15%）＜麻櫟林（87.30%）。土壤抗剪強度最能體現水土流失過程中土壤抵抗徑流沖刷剪切能力的力學指標[12]。從X14和X15來看，表層土壤以麻櫟林最優(yōu)，其次為黑松林，再次為杜仲林，毛竹林最差。

3.2 土壤指標主成分分析

由圖1的分析可知，單一指標的比較可以在一定程度上反映不同林分土壤抗侵蝕性能的相對差異?？傮w而言，麻櫟林在多項指標上表現優(yōu)越，其他3種林分的表現則各有優(yōu)劣、較難區(qū)分。此外，15個指標構建的評價體系難免繁冗復雜，部分指標間的內涵信息可能存在著線性重疊與關聯，不利于在典型區(qū)域推廣使用。因此，為了使用較少的指標對土壤抗侵蝕性能精確評估，對各林分土壤不同層次所測定的15項指標實測值進行主成分分析（表2）。

由表2可知，第一主成分的方差貢獻率最大（40.11%），加上第二和第三主成分的，其累積貢獻率超過85%，且這3個主成分的特征值均大于1，達到了主成分分析的要求。依據表3中不同指標在各主成分上載荷值，第一主成分主要綜合了X3，X7，X13，X14和X15的變異信息。其中，X3，X7，X14和X15對第一主成分有正向效應，其值越大，第一主成分值越大，則抗侵蝕性能越強。第二主成分中X1和X5的載荷較大，且荷載系數為負，說明其值越大，土壤抗侵蝕性能就越弱。第三主成分中X6的貢獻較大，且為負向關系，對土壤抗侵蝕性能有著負效應。根據對主成分的貢獻率大?。ㄒ暂d荷系數的絕對值超過0.9為閾值），可以確定表征研究區(qū)域土壤抗侵蝕性能的最優(yōu)指標分別為X7，X15，X5 和X6。其中X7和X15為正效應指標，X5和X6為負效應指標。

表 2 土壤抗蝕性能指標的總方差分析結果Table 2 ANOVA on the indicators for soil anti-erosion

圖1 4種林分不同層次土壤抗侵蝕性能實測值Figure 1 Determination of indicators for soil anti-erosion of different layers in sampled stands

表3 土壤抗侵蝕性指標主成分分析的因子載荷矩陣Table 3 Component matrix of principal component analysis for the indices of soil anti-erosion

3.3 土壤抗侵蝕性能評價

在篩選出研究區(qū)土壤抗侵蝕性能優(yōu)化指標的基礎上，采用計算簡單快捷的加權平均法對不同林分不同層次土壤的抗侵蝕性能進行綜合評價。各指標的權重由相關系數法[13]確定，具體見表4。結合各林分X7，X15，X5和X6的實測值，依托加權平均法對不同層次土壤的抗侵蝕性能進行綜合評價，結果見表5。

表4 各評價指標間的相關系數及權重系數Table 4 Correlation and weight coefficient of indicators

表5 各林分土壤抗侵蝕綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation of soil anti-erosion of sampled stands

從表5可知，各林分土壤抗侵蝕性能的綜合評分值均呈現出明顯的層次梯度，均隨著土壤深度的增加，呈減小的趨勢。以各林分表層FZ看，麻櫟林（0.967）最強，其次為杜仲林（0.831），再次為黑松林（0.707），毛竹林最弱（0.670）。麻櫟林作為高大型落葉闊葉林，其地表枯落物層更厚，枯落物的分解轉化更為活躍，對土壤的改良優(yōu)化效應更為明顯，進而使得其表層土壤的抗侵蝕性能優(yōu)于其他幾種森林類型。因此，在老山林區(qū)加強對麻櫟林的撫育更新有利于提高該區(qū)域森林的水土保持效益及生態(tài)服務功能。

4 結論

（1）本研究選取土壤容重、有機質含量、團聚體特征、抗剪切強度等共計15個指標來測定分析南京老山森林公園杜仲林，麻櫟林，毛竹林，黑松林的土壤的抗侵蝕性能。從單一指標來看，麻櫟林土壤抗侵蝕性能優(yōu)于其他3種林型。

（2）以主成分分析法為依托，對原有土壤抗侵蝕性能評價指標體系進行降維精簡，其中土壤有機質含量、土壤內摩擦角、土壤粉粒含量、土壤砂粒含量對指標總體信息貢獻較大，可以作為該地區(qū)土壤抗侵蝕性能評價的最優(yōu)指標。

（3）基于四個最優(yōu)指標，以多指標加權平均法為評價載體，對研究區(qū)四種主要森林類型的土壤抗侵蝕性能進行綜合評價，結果表明麻櫟林最強，其次為杜仲林，再次為黑松林，而毛竹林最弱。

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Evaluation on Soil Anti-erosion of Four Forest Types in Laoshan National Forest Park in Nanjing

XU Hui，GUAN Bei
（Nanjing Research Institute of Environmental Protection, Nanjing 210013, China）

Sample plots were established in Eucommia uloides, Quercus acutissima, Phyllostachys heterocycla ‘Pubescens’ and Pinus thunbergii stands of Laoshan National Forest Park in Nanjing, Jiangsu province in 2015. Determinations were carried out on 15 soil indicators at different layers of the stands. Soil anti-erosion of different types of forest was evaluated by 15 measured indicators, such as bulk density, organic matter content, aggregate properties, etc. The results demonstrated that Q. acutissima forest had better performance than the other three forests. Principal component analysis on 15 indicators indicated that organic matter content, internal friction angle, fines content and sand content could be selected for evaluation indicators for soil anti-erosion. Comprehensive evaluation on soil anti-erosion of sampled stands by selected indicators and method of weighted mean resulted that the surface soil anti-erosion at Q. acutissima forest was the best, followed by E. uloides, P. thunbergii and Ph. heterocycla ‘Pubescens’.

Nanjing; Laoshan; forest type; soil anti-erosion property; principal component analysis

S759.91；S714

：A

：1001-3776（2017）03-0017-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.003

2016-12-17；

2017-03-22

南京市重金屬污染現狀及防治對策研究（201104）

徐慧，碩士，工程師，從事環(huán)境生態(tài)、氣象生態(tài)研究；E-mail：xuhuisafe@sina.com。