干熱河谷不同酸豆林土壤團(tuán)聚體特征分析

彭 輝，周紅敏*，徐肇友，瞿 虹，紀(jì)中華

（1. 浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 龍泉 323700；2. 浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650205）

干熱河谷不同酸豆林土壤團(tuán)聚體特征分析

彭 輝1，周紅敏1*，徐肇友1，瞿 虹2，紀(jì)中華3

（1. 浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 龍泉 323700；2. 浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650205）

采用干篩法對(duì)金沙江干熱河谷區(qū)酸豆林＋光板地（裸地）、酸豆林＋雜草、酸豆林＋百喜草、酸豆林＋余甘子、酸豆林＋木豆5種酸豆林地在0 ～ 10 cm、＞10 ～ 20 cm、＞20 ～ 40 cm的3個(gè)土層中的R0.25、MWD、GMD和分形維數(shù)D變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明：5種酸豆林模式中，酸豆林＋百喜草模式有利于土壤大團(tuán)聚體的保存，酸豆林＋雜草模式和酸豆林＋光板地模式提升土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，但是效果并不顯著，而酸豆林＋余甘子模式和酸豆林＋木豆模式則降低了土壤中大團(tuán)聚體的比例，使土壤中的微團(tuán)聚體含量增加；在干熱河谷實(shí)施保護(hù)性耕作有利于酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

干熱河谷；酸豆；干篩法；土壤；結(jié)構(gòu)；團(tuán)聚體；平均重量直徑；幾何平均直徑；分形維

土壤退化是全球普遍關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，位于長(zhǎng)江上游的金沙江干熱河谷區(qū)水土流失嚴(yán)重、土壤明顯退化，甚至形成“土林”景觀。土壤退化最顯著的特征之一就是土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞，土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器，對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的定量化描述可為土壤碳庫(kù)的科學(xué)管理、土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的提升提供科學(xué)依據(jù)。土壤是具有不規(guī)則和自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[1～2]。自1967年數(shù)學(xué)家Mandelbort在其論文“英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)”中提出了分形幾何（Fractal geometry）理論之后，分形理論在對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)研究中被各國(guó)科學(xué)家廣泛采用。Arya等人[3]以及Turcotte[4]首先對(duì)土壤顆粒的分形現(xiàn)象和分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但是上述方法難以利用常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。楊培嶺等[5]在Katz法的基礎(chǔ)上提出用粒徑的質(zhì)量分布取代粒徑的數(shù)量分布來(lái)描述土壤分形特征的模型，此方法因精確、簡(jiǎn)便而被廣泛采用[6～9]。

酸豆（Tamarindus indica）作為干熱河谷重要的經(jīng)濟(jì)林和植被恢復(fù)樹(shù)種，對(duì)其相關(guān)研究較多[10～12]，但對(duì)其林地土壤團(tuán)聚體特征的研究并不多見(jiàn)，本文采用分形理論對(duì)金沙江干熱河谷酸豆人工林的土壤團(tuán)聚體特征進(jìn)行研究，探討不同復(fù)合種植和耕作模式對(duì)酸豆林土壤團(tuán)聚體特征的影響，為酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)以及干熱河谷土壤結(jié)構(gòu)改良、土壤肥力提升等提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在云南省元謀縣境內(nèi)，該縣是云貴高原北緣金沙江一級(jí)支流——龍川江下游的干熱河谷地帶（101° 35′ ～ 102° 05′ E，25° 25′ ～ 26° 07′ N），該區(qū)光照資源豐富，年日照2 550 ～ 2 744 h，年均溫21.9℃，≥10℃積溫8 000℃，無(wú)霜期360 ～ 365 d，年均降水量611 mm，90%以上降雨量集中在6－10月的雨季，旱季長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，年蒸發(fā)量3 911 mm，為降水的5.8倍。本區(qū)域以燥紅土分布最為廣泛。植被主要有桉樹(shù)（Eucalyptus）類(lèi)、車(chē)桑子（Dodonaea viscosa）、黃茅（Heteropogon contortus）、孔穎草（Bothriochloa pertusa）等。

1.2 研究方法

試驗(yàn)地包括5種林地類(lèi)型，酸豆林＋光板地（裸地）（L＋G）作為對(duì)照（CK），酸豆林＋雜草（L＋Z），主要是扭黃茅和孔穎草，酸豆林＋百喜草（Paspalum no tatum）（L＋B），這3種模式均采用免耕管理，屬于保護(hù)性耕作，酸豆林＋余甘子（Phyllanthus emblica）（L＋Y），酸豆林＋木豆（Cajanus cajan）（L＋M），L＋Y模式是混交林模式，前期土壤翻耕攪動(dòng)較大，L＋M模式在林地郁閉前期種植木豆，采用常規(guī)翻耕，郁閉后林下未種植其他作物，采取免耕管理。酸豆林齡均在10 a以上，除光板地上的酸豆林長(zhǎng)勢(shì)較弱外，其他林地酸豆林生長(zhǎng)良好。

1.2.1 土壤團(tuán)聚體顆粒測(cè)定 土壤取樣按照典型性和代表性原則，在坡向、坡度、坡位和海拔相對(duì)一致的林地內(nèi)建立20 m×20 m的樣地，按照蛇形5點(diǎn)取樣，用環(huán)刀在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞20 ～ 40 cm分3層取土，用硬質(zhì)鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，按照不同層取土壤混合樣測(cè)定土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，分離出10 ～ 5、＜5 ～ 1、＜ 1 ～ 0.5、＜ 0.5 ～0.25和＜0.25 mm土壤團(tuán)聚體，土壤團(tuán)聚體分級(jí)的常用方法有干篩法和濕篩法，干篩法反映的是水穩(wěn)性和非水穩(wěn)性團(tuán)聚體的總體特征，濕篩法反映的是水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征，兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用干篩法，參照黃欠如[9]的方法略有改動(dòng)。

1.2.2 團(tuán)聚體特征分析 常用的土壤團(tuán)聚體描述指標(biāo)有平均重量直徑（mean weight diameter MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter GMD）、R0.25和分形維（fractal dimension D）等，其計(jì)算公式如下：

平均重量直徑（MWD）：

幾何平均直徑（GMD）：

R0.25表示＞0.25 mm團(tuán)聚體含量：

分形維（D）的計(jì)算采用楊培嶺等推導(dǎo)的公式：

W ＜δ 表示粒徑＜

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得到：

所有數(shù)據(jù)采用Excel2007和SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸豆林土壤團(tuán)聚體的數(shù)量

通常將土壤團(tuán)聚體分為＞0.25 mm的大團(tuán)聚體和＜0.25 mm的微團(tuán)聚體，＞0.25 mm的大團(tuán)聚體又稱(chēng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，其含量越高說(shuō)明其團(tuán)聚性越好，而小于＜0.25 mm的微團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較差，其含量越高土壤越分散，易影響水分入滲、產(chǎn)生地表徑流，是土壤侵蝕的重要來(lái)源[13]。由表1可知，5種林地3層土壤經(jīng)過(guò)干篩分級(jí)后R0.25的含量為 55.58 ～ 94.68，含量最大是L＋B，3層土壤R0.25均＞94，含量最少的是L＋M，其次是L＋Y。這說(shuō)明L＋B土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚性較好，降雨和灌溉的水分容易下滲，不易產(chǎn)生地表徑流。而L＋M和L＋Y的R0.25含量減少和L＋M模式中木豆耕種方式、L＋Y模式中余甘子的前期耕作方式有關(guān)，由于L＋M在種植木豆時(shí)經(jīng)常翻耕破碎土壤，破壞了土壤的大團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，余甘子林在種植初期對(duì)土壤擾動(dòng)較大，也破壞了部分大團(tuán)聚的結(jié)構(gòu)，Tisdall和Oades[14]研究發(fā)現(xiàn)，耕作會(huì)減少大團(tuán)聚體的數(shù)量，這與本文研究結(jié)果相似。相比對(duì)照L＋G，種草模式L＋B和L＋Z屬于保護(hù)性耕作（免耕）狀態(tài)，提升了土壤大團(tuán)聚體的比例，L＋Y和L＋M由于前期耕作的干擾，降低了土壤大團(tuán)聚體的比例。5種林地0 ～ 10、＞ 10 ～20、＞ 20 ～ 40 cm土層的R0.25均呈現(xiàn)L＋B＞L＋Z＞L＋G＞L＋Y＞L＋M，L＋G模式雖然處于免耕狀態(tài)，但由于地表裸露，水土流失量大，同樣導(dǎo)致大團(tuán)聚體遭到破壞，5種林地的總體情況說(shuō)明處于免耕狀態(tài)的林地模式更有利于形成大團(tuán)聚體，提升土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

表1 不同酸豆林地土壤團(tuán)聚體R0.25Table 1 R0.25under different tested forests

2.2 不同酸豆林土壤團(tuán)聚體大小

MWD和GWD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，其值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[2,6]。由圖1可知，5種林地的3個(gè)土層中L＋B的MWD的值均為最高，其次是L＋Z和對(duì)照L＋G，這3種模式在3層土壤中均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，L＋Y的MWD隨土層深度增加呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，而L＋M呈現(xiàn)隨土層深度增加而不斷下降的趨勢(shì)。相比對(duì)照L＋G，L＋B的MWD在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm分別提升了1.66倍、1.42倍和1.42倍。在圖2中，5種林地3個(gè)土層的GMD值L＋B最高，其次是L＋Z和L＋G，這3種模式在3層土壤中與MWD相似，均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，L＋Y和L＋M也呈現(xiàn)與MWD類(lèi)似的情況，隨土層的深度增加分別出現(xiàn)逐漸上升和不斷下降的趨勢(shì)。相比對(duì)照L＋G，L＋B的GMD在0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm分別提升了2.43倍、1.86倍和1.99倍。

圖1 不同酸豆林MWD比較Figure 1 MWD under different tested forests

圖2 不同酸豆林GMD比較Figure 2 MWD under different tested forests

圖1和圖2表明，在5種林地的3個(gè)土層中MWD和GMD的趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)為L(zhǎng)＋B最大，說(shuō)明L＋B的平均粒徑團(tuán)聚度最高，穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次是L＋Z和L＋G，L＋Y和L＋M的值較低且表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，尤其是L＋M，MWD和GMD均呈現(xiàn)一直下降趨勢(shì)，這也說(shuō)明免耕可以提升土壤團(tuán)聚度和穩(wěn)定性，而長(zhǎng)期耕作則會(huì)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

2.3 不同酸豆林土壤團(tuán)聚體分形維

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)能反映團(tuán)聚體含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響趨勢(shì)，吳承禎等[6]指出團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定則分形維數(shù)越小。在表2中D在5種林地呈現(xiàn)L＋M＞L＋Y＞L＋G＞L＋Z＞L＋B，最小的是L＋B，0 ～ 10、＞ 10 ～ 20、＞ 20 ～ 40 cm土層的D分別為2.26、2.29和2.28，D最大的是L＋M，3層土壤的D分別為2.77、2.76和2.80，L＋G和L＋Z的D差異不顯著。D在3個(gè)土層中的表現(xiàn)趨勢(shì)不同于MWD和GMD，L＋Z、L＋M和L＋G呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，L＋B是先升后降，L＋Y則是一直下降。這說(shuō)明L＋B的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好，而L＋M團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差，L＋G和L＋Z的分形維數(shù)差異不顯著，說(shuō)明L＋Z模式?jīng)]能表現(xiàn)出好于光板地的優(yōu)勢(shì)，而L＋B模式則優(yōu)勢(shì)顯著，這說(shuō)明人工種草和免耕經(jīng)營(yíng)相對(duì)與自然雜草群落和光板地模式對(duì)土壤大團(tuán)聚體的保存和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有明顯優(yōu)勢(shì)。L＋M模式由于前期連年耕作破壞土壤結(jié)構(gòu)，不利于土壤大團(tuán)聚體的保存。

表2 不同酸豆林土壤團(tuán)聚體組成Table 2 Soil aggregates composition under different tested forests

3 結(jié)論與討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量、組成比例等直接影響土壤物理性狀和肥力情況等。Six等[15]指出＞0.25 mm的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)，穩(wěn)定的土壤大團(tuán)聚體可有有效減少土壤有機(jī)碳C的釋放，還能減少水蝕和風(fēng)蝕，有利于水土保持。本研究通過(guò)分析酸豆林地在0 ～ 40 cm的3個(gè)土層中的R0.25、MWD、GMD和D，結(jié)果說(shuō)明：在干熱河谷區(qū)5種酸豆林模式中，大團(tuán)聚體的比例越高土壤的團(tuán)聚性、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好，不容易產(chǎn)生地表徑流從而減少水土流失，增強(qiáng)土壤抗蝕能力。

免耕和人工種草模式有利于土壤大團(tuán)聚體的保存，Elliott[16]認(rèn)為大團(tuán)聚體是由微團(tuán)聚體通過(guò)有機(jī)物質(zhì)連接而成，大團(tuán)聚體能夠保存更多有機(jī)碳，因此也有利于土壤肥力提升。免耕能顯著提高大團(tuán)聚體含量而減少微團(tuán)聚體的含量，自然雜草模式和光板地模式在免耕條件下提升了土壤大團(tuán)聚體含量，但是效果并不顯著，而混交林模式和林下種植木豆模式則降低了土壤中大團(tuán)聚體的比例，使土壤中的微團(tuán)聚體含量增加，這可能會(huì)增強(qiáng)水土流失，但是對(duì)于土壤有機(jī)碳的固持和土壤肥力提升的影響還需進(jìn)一步的研究說(shuō)明。

酸豆林模式中的光板地模式應(yīng)該增加地表覆蓋，如覆蓋秸稈、雜草等，可以逐步改善其土壤結(jié)構(gòu)，減少雨水沖刷對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響。

綜上所述，在干熱河谷區(qū)采用保護(hù)性耕作（免耕種植）明顯提升了酸豆林的土壤大團(tuán)聚體含量，提升了土壤穩(wěn)定性和土壤肥力。因此在干熱河谷區(qū)推廣免耕技術(shù)可以為酸豆林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，對(duì)土壤生態(tài)功能的保育等，都會(huì)起到良好的作用。

致謝：感謝云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所岳學(xué)文碩士、閆邦國(guó)碩士等人的大力支持!

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Soil Aggregate Features under Tamarindus indica Forest with Different Plant Compositions in Dry-hot Valley

PENG Hui1，ZHOU Hong-min1*，XU Zhao-you1，QU Hong2，JI Zhong-hua3
（1. Longquan Forestry Institute of Zhejiang, Longquan 323700, China; 2. Longquan Forestry Bureau of Zhejaing, Longquan 323700, China; 3. Yunnan Academy of Agricultural Science, Kunming 650205, China）

Experiments were conducted on the soil aggregates under Tamarindus indica forest with bared land(L+G)CK), with fireweed(L+Z), with Paspalum notatum (L+B), with Phyllanthus emblica (L+Y), and with Cajanus cajan (L+M) in dry-hot valley of Yunnan. R0.25(percentage of soil aggregates with diameter larger than 0.25mm), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD) and fractal dimension (D) were determined at 3 soil layers (0 - 10 cm, ＞10 - 20 cm, ＞20 – 40 cm). The results showed that L+B promoted the conservation of soil macro-aggregates, L+Z and L+G could improve the soil aggregate structure, L+Y and L+M forestlands reduced the proportion of macro-aggregates in the soil but increased micro-aggregates content. The experiment demonstrated that in dry-hot valley, conservation tillage was conducive to the sustainable management of T. indica.

dry-hot valley; Tamarindus indica; geometric mean diameter; fractal dimension

S714.6

A

1001-3776（2014）05-0021-05

2014-03-20；

2014-06-11

國(guó)家“十二五”支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAC09B05）；云南省社會(huì)發(fā)展科技計(jì)劃（2011CA009）

彭輝（1981－），男，河北滄州人，工程師，從事農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)研究；*通訊作者。