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经过长期植树造林,近年来四川省东部地区植被得以恢复,不同林分构成的植被和土壤生态系统功能受到广泛关注[1]。华蓥市的人工林多为同龄纯林,结构和功能单一,易退化成脆弱和不稳定的生态系统。同时,因土层薄,肥力差,水土资源空间不匹配,当地土地退化,生态防护效果不够显著[2]。土壤团聚体作为土壤颗粒的聚合体和土壤肥力的物质基础,对提高林地土壤抗蚀能力具有重要作用[3]。良好的团聚体能充分协调土壤水、气、热和养分的循环,为植被生长创造良好的条件[4]。土壤团聚体的组成和稳定性是衡量土壤结构和品质的主要指标[5],水稳定性团聚体的数量则是判定土壤品质好坏的重要指标之一[6]。通过测定土壤团聚体的稳定性及粒径组成可以间接量化土壤的可蚀性能力[7]。目前,关于不同林分团聚体稳定性的影响因素方面已经有大量研究,LARS等[8]和CHUKWUEBUKA等[9]指出:土壤有机碳能够将直径较小的土壤颗粒粘结成较大的土壤颗粒。有研究[10-12]表明:土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的减少会显著增加土壤团聚体的稳定性,土壤有机碳含量能够促进土壤团聚过程及其稳定性。而谢贤健等[1]研究发现:土壤容重增加会恶化土壤团聚体稳定性,减弱土壤抗蚀能力,土壤中的速效钾含量对团聚体水稳性的保持、供应和转化能力具有重要作用。总体来说,土壤理化性质与团聚体稳定性密切相关,不同土壤类型决定其成土母质和土壤质地有所差异,使得这些研究结果不尽相同。此外,有关于渠江东岸川东平行岭谷区传统的人工经济林与近自然经营模式林分下土壤理化性质差异、土壤团聚体稳定性和土壤抗蚀性的关系的研究相对较少,无法满足提升该地区植被恢复和土壤保持服务功能的需要。研究林地水稳性团聚体稳定性及其影响因素对于调节林地土壤抗蚀能力,提升土壤服务功能具有重要价值。本研究选取该地区5种典型林分(柏木Cupressus funebris纯林、杉木Cunninghamia lanceolata纯林、马尾松Pinus massoniana -檵木Loropetalum chinense混交林、马尾松-杉木混交林、近自然经营杉木纯林),探究不同林分下土壤理化性质对团聚体稳定性和抗蚀能力的影响,有助于了解该地区土壤理化性质和土壤团聚体稳定性规律,为当地植被合理利用和水土流失治理提供参考依据。
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研究区处于四川省华蓥市(30°25′21″N,106°50′02″E),地处四川盆地东缘,属于亚热带湿润性季风气候,四季分明,夏长雨多,年降水量1 200.0 mm,热量充足,年平均气温15.0~23.0 ℃,市内海拔为206.7~1 704.0 m。华蓥市西部地势偏低,多为丘陵,又以低丘为主,深丘较少,其间散布着一些平坝、台地。土壤肥沃,灌溉便利,是主要的农耕区。土壤类型以紫色土为主,土壤层发育完整,人为干扰较少。植被资源丰富,主要植被类型有亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔叶混交林、常绿针叶林、针叶混交林、竹林、灌丛及人工植被。以马尾松、杉木、柏木、湿地松Pinus elliottii、柳杉Cryptomeria fortunei等树种组成的针叶林占华蓥市森林面积的96.9%,成为华蓥市典型的人工林。
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2019年7−9月,在华蓥市天池国有林场狮子垴管护区,选取具有代表性的5种典型林分:柏木纯林(BM)、马尾松-杉木混交林(MS)、马尾松-檵木混交林(MJ)、杉木纯林(SC)、近自然经营杉木纯林(SCZ)。近自然经营是以森林的整个生命周期为时间设计单元,以目标树的标记和择伐,以及天然更新为主要技术特征,以永久性森林覆盖、多功能经营和多种产品生产为目标的森林经营体系。近自然经营的具体经营措施包括①间伐:至少2次间伐,第1次间伐年龄为10 a,强度为10~15 m3·hm−2;第2次间伐强度为25~40 m3·hm−2。②择伐:选择大约 400~600株,平均间距4~5 m,包括潜在的阔叶树。③皆伐和补植:皆伐 20 m×20 m 区域,补植枫香Liquidambar formosana、樟树Cinnamomum camphora、盐肤木Rhus chinensis等阔叶树,保留下层和中间层,促进阔叶树生长。本研究中除近自然经营杉木纯林外,其他4种林分均为以人工更新为主中国传统的森林抚育经营模式。样地调查和土壤样品采集时,每种林分设置3个重复样地(20 m×20 m),每个样地内按“S”形选择5个土壤采集样点,除去土壤表层覆盖的枯枝落叶层,挖取0~15、15~30 cm层土壤,装入塑料饭盒中,带回实验室,挑除其中的杂草、石块,风干后用于测量土壤团聚体和化学性质。使用环刀采取原状土壤,每层沿土壤剖面均匀采集3份,取其平均值作为该土壤层指标测定值,共选取90份土样,带回实验室称量烘干,测定土壤孔隙度、含水量等物理指标。环刀的容积为100 cm3,高为5.0 cm,直径为5.5 cm。样地基本情况见表1。
林分类型 纬度(N) 经度(E) 海拔/m 坡度/(°) 坡向/(°) 树高/m 胸径/cm 郁闭度 柏木纯林(BM) 30°25′17″ 106°49′59″ 518 25 西偏北10 1.80 1.98 未郁闭 马尾松-杉木混交林(MS) 30°26′15″ 106°50′43″ 1 100 31 东偏南10 15.60 31.38 0.76 近自然经营杉木纯林(SCZ) 30°18′06″ 106°47′45″ 1 409 33 北偏西10 14.30 20.51 0.85 马尾松-檵木混交林(MJ) 30°26′12″ 106°50′47″ 575 33 东偏南10 16.40 19.21 0.83 杉木纯林(SC) 30°18′28″ 106°47′47″ 1 133 33 东偏南70 15.80 32.37 0.72 Table 1. Basic situation of the sample plot
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土壤有机碳采用重铬酸钾外加热氧化法测定,土壤速效磷采用0.5 mol·L−1碳酸氢钠浸提、钼锑抗比色法测定,土壤速效钾采用四苯硼钠比浊法测定;土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等采用环刀法测定[13]。土壤大团聚体质量百分比(WSA,粒径>0.25 mm)、平均质量直径(MWD,单位为mm,用湿筛团聚体粒级计算)和土壤可蚀性因子K值参照文献[14-15]计算。
不同的平均质量直径对应不同的团聚体稳定性等级。平均质量直径大于2.00 mm代表团聚体非常稳定,为1.30~2.00 mm代表团聚体稳定,为0.80~1.30 mm代表团聚体中度稳定,为0.40~0.80 m代表不稳定,为0~0.40 mm代表团聚体非常不稳定[16]。
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利用Excel 2010和SPSS 24.0进行数据统计分析,采用Origin 9.0软件作图。冗余分析(RDA)采用的是Canoco 5.0软件。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)及多重比较LSD(least-significant difference)进行差异性分析。显著性水平均为0.05。
1.1. 研究区概况
1.2. 样地调查及样品采集
1.3. 指标测定
1.4. 数据分析
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图1A表明:在0~15 cm土层,柏木纯林和近自然经营杉木纯林中粒径大于5.00 mm的团聚体质量百分比最大,分别为23.56%和22.80%,马尾松-檵木混交林中最低,为8.49%。马尾松-杉木混交林和杉木纯林粒径大于5.00 mm团聚体质量百分比分别为14.94%和13.67%。粒径大于5.00、2.00~1.00、1.00~0.50 mm的团聚体质量百分比,不同林分之间无显著差异。柏木纯林、马尾松-杉木混交林和近自然经营杉木纯林的团聚体质量百分比,随粒径减小总体变化趋势为先增加后减少再增加,马尾松-檵木混交林变化趋势为先增加后减少。在15~30 cm土层中(图1B),5种林分团聚体质量百分比随粒径减小总体变化趋势与0~15 cm土层基本相同。柏木纯林和近自然经营杉木纯林水稳性团聚体质量百分比显著高于其他3种林分(P<0.05)。2个土层中,柏木纯林、杉木纯林和近自然经营杉木纯林团聚体质量百分比最大值均在2.00~5.00 mm粒级内,最小值出现在0.25~0.50 mm。马尾松-檵木混交林最大值则出现在0.25~0.50 mm粒级内,最小值出现在大于5.00 mm。相关研究表明:直径小于0.25 mm的微团聚体是构成大团聚体的基础,在很大程度上决定了土壤团聚体的数量,土壤微团聚体的质量百分比和分布对土壤物理性质具有重要影响。由图1可知:在0~15 cm土层中,马尾松-檵木混交林小于0.25 mm团聚体粒级的质量百分比大于其他4种林分,为22.93%,近自然经营杉木纯林的质量百分比最低,为9.88%。15~30 cm土层中,小于0.25 mm的团聚体质量百分比马尾松-檵木混交林最高,为22.70%,柏木纯林最低,为9.77%。说明相比于柏木纯林、杉木纯林和马尾松-杉木混交林,马尾松-檵木混交林不利于土壤水稳性大团聚体的形成。
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由表2可知:2个土层中,大团聚体质量百分比基本在77%以上,在0~15 cm土层的平均质量直径(MWD)分布状况表现为柏木纯林最大,马尾松-檵木混交林最小。根据团聚体稳定性分级,柏木纯林和近自然经营杉木纯林为非常稳定,马尾松-檵木混交林为稳定,马尾松-杉木混交林、马尾松-檵木混交林和杉木纯林三者之间差异不显著。15~30 cm土层内平均质量直径表现为杉木纯林最大,表明杉木纯林土壤团聚体非常稳定,马尾松-檵木混交林土壤团聚体最小,表明马尾松-檵木混交林团聚体稳定。综合2个土层,马尾松-檵木混交林土壤水稳性团聚体稳定性最差,柏木纯林土壤水稳性团聚体最稳定,各林分表层和亚表层土壤水稳性团聚体平均质量直径变化规律不明显。
土层深
度/cm林分类型 平均质量
直径/mm大团聚体
质量百分比/%土层深
度/cm林分类型 平均质量
直径/mm大团聚体
质量百分比/%0~15 柏木纯林 2.60±0.41 a 89.43±3.63 b 15~30 柏木纯林 2.06±0.12 a 88.14±4.65 a 马尾松-杉木混交林 1.43±0.56 b 80.75±7.98 a 马尾松-杉木混交林 2.37±0.13 b 85.19±3.78 a 马尾松-檵木混交林 1.29±0.09 b 77.09±4.28 a 马尾松-檵木混交林 1.77±0.11 a 81.24±1.40 ab 杉木纯林 1.70±0.32 b 82.93±7.27 ab 杉木纯林 2.49±0.19 b 93.72±1.44 a 近自然经营杉木纯林 2.51±0.68 a 90.12±3.51 b 近自然经营杉木纯林 1.81±0.12 a 87.54±5.34 a 说明:不同小写字母表示同一土层不同林分间差异显著(P<0.05) Table 2. Stability of soil water-stable aggregates of different forest types
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土壤可蚀性(K值)是土壤抗蚀能力大小的一个相对综合的指标。土壤可蚀性越大,土壤抗蚀能力越弱;土壤可蚀性越小,抗蚀能力越强。由图2可知:表层土壤的抗蚀能力均比亚表层强,且不同林分上下层土壤的变化趋势基本相同。2个土层中近自然经营杉木纯林和马尾松-杉木混交林的土壤可蚀性显著高于其他林分(P<0.05)。0~15 cm土层中,近自然经营杉木纯林土壤抗蚀能力最强,土壤可蚀性为0.023,马尾松-檵木混交林土壤抗蚀能力最弱,为0.048;15~30 cm土层中,近自然经营杉木纯林土壤可蚀性最小,为0.026,近自然经营杉木纯林土壤可蚀性最大,为0.050。综合2个土层可知:土壤抗蚀能力从大到小依次为近自然经营杉木纯林、柏木纯林、杉木纯林、马尾松-杉木混交林、马尾松-檵木混交林,这说明近自然经营模式能够提高林地土壤抗蚀性能。调查发现,柏木纯林林下灌草和苔藓植物丰富,密集的植被根系产生的胶结物质能够把小颗粒的土壤粘结成较大的土壤颗粒,从而使得柏木纯林比其他林分更有利于提高土壤抗蚀能力。
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表3可见:在0~15 cm土层不同林分土壤容重表现为近自然经营杉木纯林显著小于其他4种林分(P<0.05),而近自然经营杉木纯林的非毛管孔隙度显著大于另外4种林分,土壤有机碳质量分数在不同林分间表现为近自然经营杉木纯林显著大于柏木纯林、马尾松-杉木混交林和马尾松-檵木混交林(P<0.05),而近自然经营杉木纯林和杉木纯林之间无明显差异;不同林分速效钾质量分数从大到小依次为近自然经营杉木纯林、柏木纯林、杉木纯林、马尾松-檵木混交林、马尾松-杉木混交林,其中近自然经营杉木纯林和马尾松-杉木混交林差异显著(P<0.05)。15~30 cm土层内,近自然经营杉木纯林和杉木纯林的非毛管孔隙度显著大于其他3种林分(P<0.05),毛管孔隙度和总孔隙度表现为近自然经营杉木纯林显著大于柏木纯林(P<0.05),土壤有机碳质量分数表现为近自然经营杉木纯林显著大于马尾松-杉木混交林和马尾松-檵木混交林(P<0.05)。马尾松-杉木混交林的速效钾质量分数显著小于其他林分类型。毛管持水量在2个土层中表现为近自然经营杉木纯林显著大于其他4种林分类型,而速效磷质量分数在不同林分间差异不显著。
土层/
cm林分 容重/
(g·cm−3)非毛管孔
隙度/%毛管孔
隙度/%总孔
隙度/%毛管持水量/
(g·kg−1)土壤有机碳/
(g·kg−1)速效磷/
(mg·kg−1)速效钾/
(mg·kg−1)0~15 柏木纯林 1.30 a 3.00 b 44.89 a 47.89 a 345.98 b 32.38 b 31.30 a 97.56 ac 马尾松-杉木混交林 1.44 ab 3.76 b 34.48 a 38.23 a 255.31 b 29.76 b 35.01 a 70.94 b 马尾松-檵木混交林 1.46 a 4.96 b 33.42 a 38.38 a 230.80 b 30.17 b 29.88 a 76.84 ab 杉木纯林 1.20 a 4.37 b 38.93 a 43.31 a 313.08 b 40.74 ab 37.56 a 91.55 abc 近自然经营杉木纯林 0.93 b 7.61 a 47.25 a 54.85 a 505.79 a 52.74 a 25.37 a 117.65 a 15~30 柏木纯林 1.44 a 2.60 b 42.87 b 45.47 b 302.63 a 37.16 ab 29.00 a 92.92 a 马尾松-杉木混交林 1.45 a 3.69 b 38.30 ab 42.01 b 282.42 a 31.39 b 30.13 a 77.81 b 马尾松-檵木混交林 1.40 a 4.05 b 40.63 ab 44.68 b 290.84 a 33.20 b 28.51 a 89.58 a 杉木纯林 1.26 a 6.31 a 40.93 ab 47.24 b 331.51 a 43.13 ab 36.22 a 94.89 a 近自然经营杉木纯林 0.99 b 7.59 a 57.78 a 55.38 a 601.41 b 54.18 a 41.41 a 109.81 a 说明:不同小写字母表示同一土层不同林分间差异显著(P<0.05) Table 3. Basic physical and chemical properties of soil
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图3冗余分析(RDA)结果表明:研究区土壤理化性质对团聚体稳定性的累积解释量达95.64%。轴1土壤理化性质对团聚体稳定性的累积解释量为52.97%,前2个轴(轴1和轴2)土壤理化性质对团聚体稳定性的累积解释量为83.85%。土壤理化性质与团聚体稳定性的相关度累积解释量为99.89%。土壤有机碳、毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量和速效钾与团聚体平均质量直径(MWD)之间呈显著正相关(P<0.05)。土壤容重与平均质量直径之间呈显著负相关(P<0.05)。土壤可蚀性因子与土壤容重呈显著正相关(P<0.05),与毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量和速效钾显著负相关(P<0.05)。土壤有机碳、总孔隙度和速效磷相比其他土壤理化性质对土壤团聚体的影响更重要。水稳性团聚体稳定性指标平均质量直径与土壤可蚀性因子显著负相关(P<0.05)。土壤有机碳、总孔隙度和速效钾越大,土壤容重越小,土壤水稳性团聚体越稳定,土壤抗蚀能力越强。