湖南紫鵲界梯田區森林改良土壤作用研究

段興鳳,宋維峰,曾 珣,高松奇

(1.西南林業大學環境科學與工程系,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。這些梯田內無塘無庫,無任何人工水利設施,長久以來卻能年年旱澇保收,經查勘,這都源于梯田區上方茂密的森林。紫鵲界梯田區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],以滿足梯田生產需水。本文對梯田區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,探討紫鵲界梯田區森林改良土壤作用,旨在為梯田的可持續發展服務。

1 研究區概況

研究區位于湖南省新化縣西南部水車鎮金龍村林區和梯田區(110°55′50.4″-110°56′03″E,27°41′26″-27°41′28.4″N)。本區屬中低山丘陵地貌,海拔557～708 m。氣候屬中亞熱帶季風氣候,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。土壤為花崗巖風化發育的紅壤,砂性質地,山地土壤剖面完整,土層厚度100 cm以上。本區天然林森林茂密,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上布設20 m×20 m標準林地3塊,在該林區下方梯田內上下兩個部位布設典型田塊2塊(面積不小于300 m2),分別調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按0-20,20-40 cm 2個層次用環刀取原狀土樣供物理性質分析,每層取3個重復樣。按0-20,20-40 cm 2個層次用土袋取混合土樣供化學性質分析,每層取3個重復樣。

表 1 樣地基本情況

2.3 樣品分析

2.3.1 土壤基本理化性質的測定 土壤基本理化性質按常規分析方法測定[3-5]：土壤容重、孔隙度測定采用環刀法;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;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 數據的統計分析

數據采用Excel 2003和SPSS 11.5進行整理、分析。

3 結果與分析

3.1 土壤機械組成狀況

成土母質及土壤的機械組成指的是成土母質及土壤中礦物質顆粒的大小和它們組合的比例[6]。土壤黏粒含量愈高,土壤結構體愈牢固[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。分析結果表明：紫鵲界梯田區森林土壤膠體含量較高,膠結能力強,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,有利于良好土體結構的形成。

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構好壞的主要指標。測定結果表明：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,結構狀況較梯田或荒坡都要好;由圖2可知,在紫鵲界梯田區森林土壤中,容重從表層向下層呈現增加的趨勢,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。

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、鈣是基本的膠結物,土粒易膠結而形成有結構良好的土壤,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,導致不同類型水分含量的相應變化。

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;在紫鵲界梯田區森林土壤中,含水率從表層向深層呈現減少的趨勢,這主要是由于深層土壤較表層土壤板結,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

3.4 土壤養分含量

由于樹木種類、組成結構及林下植被及凋落物數量、質量等方面的差異,直接影響土壤養分貯藏及供應狀況[8]。由表4可以看出,紫鵲界梯田區森林、梯田、荒坡土壤(0-40 cm)土層的p H值在4.59～5.67之間變動,紫鵲界梯田區都為酸性土壤。該區土壤有機質、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、氮、磷、鉀養分含量各不相同;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分產生差異的原因是多方面共同作用的結果,包括土壤質地差異、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、數量各不相同,這勢必造成養分之間的差異。該區林地土壤有機質、全氮、全鉀、水解氮含量均比荒坡高,這是因為紫鵲界梯田區林地表面凋落物的數量多,同時其凋落物分解速度快,以此來增加土壤養分,促進林地養分的良性循環。該區林地土壤速效鉀、速效性磷含量均比荒坡低,這與不同森林植被對養分的選擇吸收特性有關[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、全鉀含量

表4 土壤主要化學性質和養分含量

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土層土壤速效養分

4 結論

湖南紫鵲界梯田區森林對土壤物理化學性質有很大的影響,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。表明紫鵲界梯田區內天然林的存在,大大改變了土壤結構狀況,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,調節土壤水、氣的相應變化,從而改良了土壤物理性狀,增強了土壤抗蝕性能。

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

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