湖南紫鵲界梯田區(qū)森林改良土壤作用研究

段興鳳,宋維峰,曾 珣,高松奇

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,昆明650224;2.湖南新化縣水保局,湖南新化417600;3.中國東方航空公司云南分公司,昆明650200)

紫鵲界梯田起源于秦漢,盛于唐宋,至今已有兩千余年的歷史[1],是當今世界開墾最早的梯田之一。紫鵲界梯田區(qū)總面積115.5 km2,從500 m的山坡向上有500多級梯田,約10多萬丘,共計約4 000 hm2。這些梯田內(nèi)無塘無庫,無任何人工水利設(shè)施,長久以來卻能年年旱澇保收,經(jīng)查勘,這都源于梯田區(qū)上方茂密的森林。紫鵲界梯田區(qū)為獨特的天然自流灌溉,水儲藏于土壤,出自巖石裂隙和土壤孔隙,山頂森林植被蓄水和土壤儲水形成了巨大的地下水庫[2],以滿足梯田生產(chǎn)需水。本文對梯田區(qū)3塊標準林地、2塊典型梯田田塊及荒坡土壤理化特性進行分析,探討紫鵲界梯田區(qū)森林改良土壤作用,旨在為梯田的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省新化縣西南部水車鎮(zhèn)金龍村林區(qū)和梯田區(qū)(110°55′50.4″-110°56′03″E,27°41′26″-27°41′28.4″N)。本區(qū)屬中低山丘陵地貌,海拔557～708 m。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均氣溫13.7℃,最高氣溫 39℃,最低氣溫-5℃;年降雨量為1 650～1 700 mm;初霜一般在11月15日前后,終霜一般在2月30日左右,年均無霜期為260 d,年均日照1 488 h。土壤為花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤,砂性質(zhì)地,山地土壤剖面完整,土層厚度100 cm以上。本區(qū)天然林森林茂密,植物種類繁多,主要喬木樹種有楠竹、杉木等,雜生各種灌草本植物,草本以蕨類居多。

2 研究方法

2.1 樣地及土壤剖面選擇

在全面踏勘天然林群落基礎(chǔ)上布設(shè)20 m×20 m標準林地3塊,在該林區(qū)下方梯田內(nèi)上下兩個部位布設(shè)典型田塊2塊(面積不小于300 m2),分別調(diào)查各樣地的海拔高度、坡度、坡位、坡向、坡形等立地因子,各樣地基本情況見表1。在每塊樣地的代表性地段挖掘土壤剖面,并調(diào)查土壤因子。樣地和土壤剖面從上方天然林至下方梯田按序號命名,分別為：1-5,荒坡為6。

2.2 樣品采集

在挖掘好的土壤剖面內(nèi)按0-20,20-40 cm 2個層次用環(huán)刀取原狀土樣供物理性質(zhì)分析,每層取3個重復(fù)樣。按0-20,20-40 cm 2個層次用土袋取混合土樣供化學(xué)性質(zhì)分析,每層取3個重復(fù)樣。

表 1 樣地基本情況

2.3 樣品分析

2.3.1 土壤基本理化性質(zhì)的測定 土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)分析方法測定[3-5]：土壤容重、孔隙度測定采用環(huán)刀法;土壤水分測定采用恒溫箱烘干法。土壤pH值用酸度計電位法測定;硫酸重鉻酸鉀法測定有機質(zhì);全氮用濃硫酸消化,半微量開氏蒸餾法測定;堿解擴散法測定水解氮;堿熔融-鉬銻抗比色法測定全磷;鉬銻抗比色法(0.03 mol/L NH 4F-0.025 mol/L HCl浸提)測定速效磷;堿熔融-火焰光度計法測定全鉀;火焰光度法(1 mol/L NH4AC浸提)測定速效鉀。

2.3.2 土壤通氣性的計算 土壤通氣性(%)=總孔隙度(%)-[自然含水率(%)×容重(g/cm3)]

2.3.3 土壤持水量的計算

式中：V——土壤最大毛管持水量(t/hm2);D——土層深度(m);P——土壤總毛管孔隙度(%)。

2.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 11.5進行整理、分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機械組成狀況

成土母質(zhì)及土壤的機械組成指的是成土母質(zhì)及土壤中礦物質(zhì)顆粒的大小和它們組合的比例[6]。土壤黏粒含量愈高,土壤結(jié)構(gòu)體愈牢固[7],同時,土壤黏粒(＜0.001 mm)是土壤的活動中心。不同土地利用方式土壤機械組成狀況見表2。

從表2可知,紫鵲界梯田區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的物理性黏粒含量36.48%～56.19%;梯田田塊(0-20 cm)物理性黏粒23.73%～36.07%;荒坡土壤(0-20 cm)物理性黏粒41.33%。該區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的粗粉粒含量 30.61%～46.10%;梯田田塊(0-20 cm)粗粉粒38.38%～40.58%;荒坡土壤(0-20 cm)粗粉粒30.75%。該區(qū)森林土壤(0-40 cm)土層的砂粒含量13.20%～27.86%;梯田田塊(0-20 cm)砂粒 23.35%～37.89%;荒坡土壤(0-20 cm)砂粒27.92%。

表2 土壤機械組成狀況 %

從圖1可以看出,物理性黏粒含量：林地＞荒坡＞梯田;粉砂粒和砂粒含量：林地＜荒坡＜梯田。分析結(jié)果表明：紫鵲界梯田區(qū)森林土壤膠體含量較高,膠結(jié)能力強,也由于其樹冠削弱了降雨侵蝕力,防止地表直接受侵蝕,從而使黏粒得到保持,有利于良好土體結(jié)構(gòu)的形成。

圖1 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤機械組成狀況

3.2 土壤孔隙組成狀況

容重和孔隙度是判定土壤結(jié)構(gòu)好壞的主要指標。測定結(jié)果表明：林地、梯田、荒坡3種土地利用方式0-20 cm土層土壤容重為林地(0.90～1.00 g/cm3)＜梯田(1.08～1.24 g/cm3)＜荒坡(1.42 g/cm3)。說明林地土壤疏松,結(jié)構(gòu)狀況較梯田或荒坡都要好;由圖2可知,在紫鵲界梯田區(qū)森林土壤中,容重從表層向下層呈現(xiàn)增加的趨勢,說明表層土壤較深層土壤疏松,這與林地表面枯枝落葉累積量及其分解速度有關(guān)。

從土壤孔隙度和通氣性來看(圖3),總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣性都呈現(xiàn)出林地＞梯田＞荒坡的特征。土壤孔隙度越大,土壤的持水量也越大,紫鵲界梯田區(qū)森林土壤表面凋落物較多,喬灌草等凋落物富含灰分元素,所形成的腐殖質(zhì)、鈣是基本的膠結(jié)物,土粒易膠結(jié)而形成有結(jié)構(gòu)良好的土壤,增加了土壤的孔隙度,進而增強了土壤的蓄水和通透能力。

3.3 土壤水分狀況

土壤水分是土壤肥力的基本因素,不同的土壤水分類型均受其相應(yīng)土壤孔隙組成的影響,不同土地利用方式土壤孔隙組成的變化,導(dǎo)致不同類型水分含量的相應(yīng)變化。

從表3可以看出,林地、梯田、荒坡3種土地利用方式0-20 cm土層土壤自然含水率、飽和含水率、毛管含水率：林地＞梯田＞荒坡;在紫鵲界梯田區(qū)森林土壤中,含水率從表層向深層呈現(xiàn)減少的趨勢,這主要是由于深層土壤較表層土壤板結(jié),孔隙度小。由不同土地利用方式土壤持水量狀況(圖4)可知,土壤最大持水量、毛管持水量變化趨勢：林地＞荒坡＞梯田,紫鵲界梯田區(qū)天然林植被茂密,喬灌草層次豐富,枯落物較多,對比荒坡或梯田蓄水、保水能力增強。

圖2 林地土壤不同土層深度容重變化

圖3 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤孔隙組成狀況

表3 土壤水分物理性質(zhì)

3.4 土壤養(yǎng)分含量

由于樹木種類、組成結(jié)構(gòu)及林下植被及凋落物數(shù)量、質(zhì)量等方面的差異,直接影響土壤養(yǎng)分貯藏及供應(yīng)狀況[8]。由表4可以看出,紫鵲界梯田區(qū)森林、梯田、荒坡土壤(0-40 cm)土層的p H值在4.59～5.67之間變動,紫鵲界梯田區(qū)都為酸性土壤。該區(qū)土壤有機質(zhì)、水解氮隨土層深度的增加而遞減;全氮、全磷、速效磷含量垂直變化不明顯;全鉀、速效鉀含量隨土層深度變化各異,有增有減。

圖5-7顯示了不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量變化,由圖可知,天然林、梯田、荒坡三種土地利用方式下,土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀養(yǎng)分含量各不相同;而相同土地利用方式,天然林剖面之間、梯田田塊間則差異不顯著。其有機質(zhì)含量、氮素含量變化趨勢：林地＞梯田＞荒坡;全鉀含量變化趨勢：梯田≥林地＞荒坡;全磷含量三者相差不大;速效磷含量變化趨勢：梯田＞荒坡＞林地;速效鉀含量荒坡＞林地＞梯田。不同土地利用方式養(yǎng)分產(chǎn)生差異的原因是多方面共同作用的結(jié)果,包括土壤質(zhì)地差異、施肥作用、人為干擾、土壤侵蝕等的不同,其中以施肥作用和人為干擾最為嚴重。不同利用方式施肥、撫育程度參差不齊,施肥的種類、數(shù)量各不相同,這勢必造成養(yǎng)分之間的差異。該區(qū)林地土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、水解氮含量均比荒坡高,這是因為紫鵲界梯田區(qū)林地表面凋落物的數(shù)量多,同時其凋落物分解速度快,以此來增加土壤養(yǎng)分,促進林地養(yǎng)分的良性循環(huán)。該區(qū)林地土壤速效鉀、速效性磷含量均比荒坡低,這與不同森林植被對養(yǎng)分的選擇吸收特性有關(guān)[9-10]。

圖4 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤持水量

圖5 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤有機質(zhì)、全鉀含量

表4 土壤主要化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量

圖6 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤全氮、全磷含量

圖7 不同土地利用方式0-20 cm土層土壤速效養(yǎng)分

4 結(jié)論

湖南紫鵲界梯田區(qū)森林對土壤物理化學(xué)性質(zhì)有很大的影響,能較好地改良土壤理化特性：

(1)紫鵲界梯田區(qū)森林表層土壤物理性黏粒(＜0.01 mm)含量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、通氣性、最大持水量和毛管持水量均比梯田田塊或荒坡高,林地土壤容重較梯田或荒坡低。表明紫鵲界梯田區(qū)內(nèi)天然林的存在,大大改變了土壤結(jié)構(gòu)狀況,使得土壤疏松,增加了土壤的孔隙度,提高了土壤的持水、貯水能力,調(diào)節(jié)土壤水、氣的相應(yīng)變化,從而改良了土壤物理性狀,增強了土壤抗蝕性能。

(2)該區(qū)林地表層土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、水解氮等營養(yǎng)元素貯量及速效性養(yǎng)分供應(yīng)狀況亦比荒坡高。由于林下植被及枯枝落葉較多,土壤有機質(zhì)高,土壤肥力水平高,說明紫鵲界梯田區(qū)天然林覆蓋下的土壤具有良好的自我培肥功能。該區(qū)林地土壤速效鉀、速效磷含量均比荒坡低,這可能與不同森林植被對養(yǎng)分的選擇吸收特性有關(guān)。

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