第一作者:郭晓朦(1989-),女,黑龙江哈尔滨人,在读硕士生,主要从事城市水土保持研究。E-mail:[email protected]
为了研究林草措施对于三峡库区内水土流失的改善效果,提高三峡库区内土壤性能,本研究采用灰色关联系数法对三峡库区内不同林草措施下土壤理化性质进行综合分析,结果显示,以裸地作为对照,其它林草措施对土壤理化性质起到了一定的改善作用,但是改善效果及程度不同。栾树( Koelreuteria bipinnata) +黄花槐( Sophora xanthantha)措施土壤总孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、土壤C/N为最大值。不同林草措施下改善土壤理化性质效果表现为栾树+黄花槐>植物篱>封山育林>自然恢复>经济林>传统农作>裸地。结果表明,栾树+黄花槐这一林草措施对于改善研究区内水土流失现象的效果最好,因此,该研究对三峡库区生态文明的建设与水土流失的治理有着重要意义。
In order to prevent soil and water loss and improve the soil properties in Three Gorges Reservoir Region, the effects of different biological measures on soil physicochemical properties under different soil and water conservation biological measures were comprehensively evaluated by grey correlation coefficient analysis to select better measures. The result showed that all different biological measures improved soil physicochemical property compared with control——bare land although the effects varied with measures. Under different biological measures, the tested indices including soil bulk density, total porosity, soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium and soil C/N were the significantly different ( P<0.05) or extremely significantly different ( P<0.01). The soil total porosity, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, alkaline hydrolysis nitrogen, available potassium and soil C/N were the highest under treatment with Koelreuteria bipinnata+Sophora xanthantha. The improved effects of soil physicochemical properties decreased in the following order: K. bipinnata+S. xanthantha>hedgerows>closed forest>natural restoration>economic forest>traditional planting>bare land. The measure with K. bipinnata+S. xanthantha had great effects for preventing soil and water loss which could be applied further. These results had an important significance for ecological civilization construction and the management of soil and water loss in Three Gorges Reservoir Region
三峡库区是长江上游四大重点水土流失区之一, 地貌类型复杂。水土流失面积占库区总土地面积的 66.1%, 年均土壤侵蚀量高达1.5× 108 t[1]。近年来, 由于自然因素和人为因素使得三峡库区水土流失现象愈加严重, 造成土壤质量和水源涵养能力下降, 土壤养分流失, 生产能力降低, 已成为严重危害流域生态环境和阻碍社会经济发展的一个重要因素[2]。所以, 对于提高三峡库区土壤养分, 改善土壤理化性质, 减缓水土流失, 从而加强三峡库区生态文明建设, 采取水土流失综合治理措施是十分必要的。许多专家学者针对三峡库区的土壤侵蚀机制和监测及库区内退耕还林的效果等方面进行了研究[3, 4, 5, 6]。但是, 对于三峡库区内水土保持措施研究很少, 所以研究水土保持措施对三峡库区水土流失的改善程度是有必要的。林草措施作为水土流失综合治理措施之一, 它可以减缓土壤侵蚀, 能有效地减少水土流失, 也是提高土壤养分行之有效的方法[7], 研究表明, 草地植被对于调控土壤水蚀起到一定的作用[8]。林草措施的生态服务功能对维持、改良和保护自然环境条件有着综合效用[9], 也是小流域综合治理措施的组成部分[10]。从客观方面讲灰色是绝对的, 而灰色系统分析能比较真实和全面地反映人们对客观系统的实际认识程度, 既能给出质的定性解释, 也能给出量的确切描述[11], 同时灰色关联度分析法是在数据信息缺乏的情况下解决系统问题的新途径[12]。本研究用灰色关联度分析法定量综合分析土壤理化性质12个指标, 探讨以裸地为对照的6种水土保持林草措施对三峡库区土壤性能的改善效果, 进而选择出最佳林草措施模式, 旨为三峡库区内采取林草调控措施提供理论依据。
研究区位于重庆市东北部的开县汉丰镇南山桥沟小流域(30° 49'30″-31° 41'30″ N, 107° 55'48″-108° 54'36″ E), 地处长江支流小江的上段, 地形南高北低, 以低山为主, 地势起伏较大, 海拔高度在280~797 m; 多年平均年降水量为1 006 mm; 无霜期为180~306 d; 气候温和, 四季分明, 具有冬暖、春早、夏热、秋凉等特点。土壤类型主要是自流井组泥、页岩和须家河组沙岩等形成的紫色土, 土层浅薄, 石砾含量高, 土壤肥力较低, 且保土蓄水功能差, 水土流失严重。
从2004年开始, 在裸露荒坡地采取不同林草措施进行植被恢复, 主要采取自然封禁、自然恢复、人工栽培等技术措施, 对水土流失严重的退化土地进行植被恢复与重建。其中封山育林与自然恢复的不同之处在于封山育林要定期封山, 但都要禁止垦荒、放牧、砍柴等人为的破坏活动, 主要利用的是森林的自身更新能力。水土保持措施采用的技术方法不同, 即在前期技术处理不同, 后期的看管栽培也不相同。对配置植物的选择, 从调查规划到措施设计的过程中, 在考虑到研究区土地属性的基础上, 选择水土保持能力及适应性强并且兼顾经济效益的树种。在当地有工人负责管理, 并在每月定期进行考察, 对径流小区内植物进行管理等(表1)。
共建7个长20 m、宽5 m的标准径流小区, 水平投影面积100 m2。包括以下措施:
1)栾树(Koelreuteria bipinnata)+黄花槐(Sophora xanthantha):栾树、黄花槐混交, 栾树株行距2 m× 3 m, 黄花槐株行距2 m× 2 m;
2)植物篱:是指由木本植物或一些茎秆坚挺、直立的草本植物组成并且无间断式或接近连续的狭窄带状植物群。本研究中对坡耕地坡长比较大的地块, 在地块中平行于等高线的位置种植黄花菜(Hemerocallis citrine), 植物篱间距0.5 m, 篱间种植西瓜(Citrullus lanatus)或白菜(Brassica pekinensis);
3)封山育林:对已有的马尾松(Pinus massoniana)疏林地进行封育, 按2 m× 3 m的株行距补植, 并封育;
4)自然恢复:按2 m× 3 m的株行距种植马尾松, 抚育过程中进行补植;
5)经济林:是指可以直接获得经济效益的森林。本研究结合当地经济及土壤属性选择枇杷(Eriobotrya japonica)这一经济作物, 并且按照3 m× 4 m的株行距种植枇杷;
6)传统农作:胡豆(Scutellaria sessilifolia)、甘薯(Ipomoea batatas)、四季豆(Phaseolus vulgaris)轮作;
7)对照:裸地。
本试验根据研究区地形、不同林草措施(栾树+黄花槐、植物篱、封山育林、自然恢复、经济林、传统农作)等特点, 考虑样点分布的代表性, 选择具有代表性的样点, 在小区内以S形设3~5个土壤样点, 采集0-30 cm土层土壤1 kg左右。
土壤容重及土壤孔隙度采用环刀法测定, 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定; 全氮采用半微量凯氏蒸馏法测定; 全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定; 全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定; 碱解氮采用碱解扩散法测定; 有效磷采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定; 速效钾采用NH4OAc-火焰光度法测定[13, 14]。
采用SPSS 18.0及Excel 2010对试验数据进行分析。对不同的林草措施的土壤理化性质进行灰色关联分析[15, 16], 并按照关联度的大小顺序进行比较分析。
设参考数列为X0={X0(k), k=1, 2, ..., 12}, 其中X0为各项指标中的最大值所组成的数列, X0(k)则表示不同林草措施下土壤理化性质分析指标中的第k个指标的最大值; 设比较数列为Xi={Xi(k), k=1, 2, ..., 12}, (i=1, 2, ..., 7), 其中Xi(k)表示第i种林草措施下土壤理化指标中的第k个指标的测定; 无量纲化采用直线型标准化法:Xi(k)=Xi(k)/X0(k); 关联系数通过以下公式计算[17]:
r[x0(k), xi(k)]=
关联度r(X0, Xi)=
栾树+黄花槐和裸地措施间土壤容重、总孔隙度及毛管孔隙度呈极显著差异(P< 0.01)。裸地的土壤容重最大, 比栾树+黄花槐高12.59%, 其中植物篱、封山育林、自然恢复、经济林和传统农作措施的土壤容重在1.38~1.46 g· cm-3, 比裸地土壤容重分别低9.21%、7.89%、7.24%、5.92%和3.95%。不同林草措施间土壤总孔隙度大小顺序为栾树+黄花槐> 植物篱> 封山育林> 自然恢复> 经济林> 传统农作> 裸地, 说明采取一定的林草措施会提高土壤的总孔隙度。自然恢复措施下土壤毛管孔隙度最大, 比栾树+黄花槐、植物篱、封山育林、经济林、传统农作和裸地下分别高出5.61%、13.52%、7.00%、11.54%、15.17%和18.87%, 与其它措施间差异显著(P< 0.05)。各措施下土壤非毛管孔隙度在14.79%~19.72%, 植物篱最大, 比裸地高20.10%(表2)。
栾树+黄花槐措施下土壤有机质含量最高, 为17.50 g· kg-1。栾树+黄花槐、植物篱、封山育林、自然恢复、经济林和传统农作措施下土壤有机质分别比裸地高213.06%、170.13%、105.90%、34.88%、23.61%和35.24%(表3)。栾树+黄花槐和植物篱的土壤有机质显著高于除封山育林以外的其它措施(P< 0.05)。除裸地外, 经济林措施下土壤有机质含量最低。
土壤全氮大小顺序为栾树+黄花槐> 植物篱=封山育林> 自然恢复> 经济林> 传统农作> 裸地(表3), 不同林草措施分别比裸地高142.31%、119.23%、119.23%、88.46%、50.00%和3.85%。结果表明, 栾树+黄花槐、植物篱和封山育林措施的土壤全氮含量较高, 对于帮助三峡库区内土壤固氮有很大作用。
栾树+黄花槐土壤全磷含量最高, 分别比植物篱、封山育林、自然恢复、经济林、传统农作和裸地高5.13%、14.63%、17.07%、36.59%、41.46%和53.66%。林草措施的土壤全磷含量均比裸地高, 说明林草措施对提高土壤全磷含量有一定的效果, 其中以栾树+黄花槐和植物篱措施的效果最好。
土壤全钾含量的大小顺序为栾树+黄花槐> 封山育林> 植物篱> 自然恢复> 经济林> 传统农作> 裸地。栾树+黄花槐、植物篱、封山育林间差异不显著(P> 0.05), 但栾树+黄花槐显著高于其它措施(P< 0.05)(表3)。各林草措施比裸地的土壤全钾含量分别高87.81%、78.02%、84.87%、69.26%、49.52%和7.96%。可知, 传统农作对于土壤全钾的固持效果稍差, 而栾树+黄花槐和封山育林措施效果十分显著, 可以有效减少土壤钾元素的流失。
栾树+黄花槐和植物篱措施的土壤碱解氮含量较高(表3)。栾树+黄花槐、植物篱、封山育林、自然恢复、经济林和传统农作比裸地分别高79.35%、72.64%、48.18%、39.16%、25.16%和9.53%, 表明栾树+黄花槐和植物篱措施对于提高土壤碱解氮含量效果最好。传统农作土壤有效磷含量最低, 植物篱最高, 说明植物篱对提高土壤有效磷的效果最好。栾树+黄花槐土壤速效钾含量最高, 封山育林措施次之, 分别比裸地高70.71%和62.60%。表明林草措施能够有效提高土壤中速效钾含量, 栾树+黄花槐措施效果最为显著。
不同林草措施间土壤C/N在7.07~21.61变化, 栾树+黄花槐的C/N最大。土壤C/N的最佳值为25∶ 1, 可知栾树+黄花槐土壤C/N更加接近最佳值, 其土壤质量也相对较好。不同林草措施下土壤C/N比裸地分别高205.66%、134.37%、87.55%、30.13%、77.93%和15.98%, 说明林草措施对改善土壤质量有一定效果。
通过从不同林草措施的土壤容重、孔隙度、有机质、全量养分、速效养分含量的分析结论, 可以看出物理与化学指标的变化趋势与林草措施之间的对比相关性不明显, 为了定量评价不同林草措施改善土壤物理性质, 提高土壤养分含量的效果, 对土壤容重取倒数进行正相关处理后, 选取土壤容重、孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等12个指标中的最大值作为参考数列, 土壤C/N为25∶ 1作为参考数列, 以不同林草措施的土壤容重、孔隙度、有机质、全量养分、速效养分等指标测定值作为比较数列, 进行无量纲化处理, 然后采用灰色关联分析法, 计算各林草措施的关联系数(ξ =0.5)及关联度(表4), 关联度越大, 表示比较数列与参考数列的变化趋势越接近, 即表明该措施对于提高土壤养分含量, 并且能够改善土壤的质量的效果更好。
各林草措施的关联度大小顺序为栾树+黄花槐(0.894 2)> 植物篱(0.758 0)> 封山育林(0.623 0)> 自然恢复(0.563 0)> 经济林(0.462 4)> 传统农作(0.396 9)> 裸地(0.353 4)。
通过对不同林草措施下的土壤理化性质的测定, 分析比较了三峡库区内土壤理化特征, 并用灰色关联分析法定量比较不同林草措施对土壤理化性质的改善效果, 结合当地经济现状, 筛选出改善土壤物理性质, 提高土壤养分效果显著的林草措施, 减缓三峡库区内的水土流失。
不同林草措施下土壤容重均小于裸地, 可能是农林复合模式下植物根系分布比单一模式复杂, 根系在土壤中穿插、挤压以及死亡形成通道, 同样使得土壤变得疏松, 土壤容重减小, 孔隙增多[18]。林草措施下土壤总孔隙度及毛管孔隙度高于裸地, 说明采取林草措施会提高土壤的总孔隙度及毛管孔隙度, 其原因可能是不同林草措施均在不同程度上增加了土壤中枯落物的含量, 但是草本和灌木植被的凋落物中含有灰分元素, 所形成的腐殖质则是土壤颗粒的胶结层, 这在一定程度上增大了土壤孔隙, 另外植被的种类, 土壤内根系分布位置和植物的特性也在一定程度上影响着土壤孔隙度的变化。植物篱措施下土壤非毛管孔隙最大, 栾树+黄花槐措施次之。采取一定的林草措施可以改善土壤的通气度, 林草措施可提高土壤孔隙度, 对于三峡库区内坡耕地而言, 林草措施可以减缓降水时产生的地表径流, 不仅可以减少携沙量, 也可以减少农业面源污染。不同林草措施下土壤比较疏松, 透水性和通气性能较好, 持水能力强, 不仅有利于植物的生长, 还有利于雨水下渗, 减少径流。采取一定的林草措施可以改善土壤的通气度。
土壤有机质是评价土壤质量的重要指标之一, 能显著影响化学物质的运移和利用行为, 是土壤肥力的重要标志[19], 也是农业生态系统中作物速效养分的来源[20]。综合来看, 同裸地相比林草措施可显著提高土壤有机质, 其中栾树+黄花槐、植物篱和封山育林措施下的土壤有机质提高的效果则更加明显, 主要原因可能这3种措施主要种植是林木, 枝叶较为繁茂, 会产生较多的枯枝落叶, 形成枯枝落叶层, 随后逐渐转变成腐殖质, 再由土壤中的微生物将其合成为有机质, 所以其有机质含量要高一些; 另一方面植物根系的分泌物对土壤有机质的转化起着非常重要的最用。植物篱措施下土壤有效磷含量最高, 传统农作土壤有效磷含量最低, 呈现出不同规律, 其原因可能是由于作物长势过快, 土壤中有效磷含量不足以供应其生长, 另外每种林草措施的种植植物各不相同, 所以其根系特征及分布不同, 生物学特性也不同, 造成了土壤中有效磷含量存在差异。土壤C/N比指土壤有机质中的有机碳总量和氮素总量之比, 其差异能够反映土壤有机碳组成的差异[21], 可以评判土壤质量好坏, 并衡量土壤 C、N 营养平衡状况, 其趋势对土壤碳、氮循环有显著影响[22]。土壤的最佳 C/N 比约为25∶ 1, 当土壤碳氮比大于这一值时, 有机物分解矿化速度缓慢, 相反当小于这一值时, 土壤有机质分解矿化速度快[23]。栾树+黄花槐措施下土壤C/N更加接近最佳值, 故土壤质量比较好。植物篱、封山育林、经济林和自然恢复措施土壤C/N同栾树+黄花槐措施下土壤C/N还存在一定的差距, 可能是由于各林草措施下种植植物不同、生物学特性不同这一内在原因, 以及不同林草措施所在的径流小区的海拔、坡度、植被覆盖度各不相同这一外在原因, 从而造成了这种差异。
不同林草措施下, 土壤全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、碱解氮及土壤C/N呈现不同的规律, 但是从整体趋势上分析林草措施的土壤养分含量比裸地的土壤养分含量高。不同林草措施的植被覆盖度、坡向、坡度以及海拔不同可能会使土壤理化性质产生差异, 而且不同植物的生物学特性也决定了土壤理化性质的差异。
从土壤理化性质的整体变化趋势来看, 林草措施有助于提高土壤养分含量和生态恢复能力, 这与其它研究结果相似[24, 25, 26]。灰色关联分析结果表明, 林草措施下关联度要大于传统农作和裸地, 其中栾树+黄花槐措施关联度最大, 可以看出其改善土壤物理性质是效果最好的, 并且能够有效地提高土壤养分含量。
The authors have declared that no competing interests exist.
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