東北近天然林土壤可蝕性K值研究

李 旭，王海燕，楊曉娟，劉 玲，李衛松，王 岳

（1.北京林業大學 林學院，北京100083；2.北京林業大學 水土保持學院，北京100083）

土壤侵蝕是指土壤及其母質主要在外營力作用下的破壞、分離和移動過程［1］。隨著人為活動對自然生態平衡影響的加劇，土壤侵蝕已成為當今世界關注的重大環境問題之一，同時它也造成許多其它的環境問題。對土壤可蝕性的研究是進行土壤侵蝕定量評價的重要途徑。Middleton［2］在1930年首先對土壤可蝕性進行了定義，它是指土壤在雨滴打擊、徑流沖刷等外營力作用下被分散、搬運的難易程度。1965年美國學者 Wischmeier［3］在定義了標準小區的基礎上，根據長期的觀測實驗資料總結出了土壤流失方程（USLE），并從中提出了土壤可蝕性因子K，即標準小區上單位降雨侵蝕力所引起的土壤侵蝕量。由于準確地估算土壤可蝕性因子K值是建立土壤侵蝕模型中重要的一步，各國學者對其進行了大量的研究。經過多年的研究，學者們總結出了計算K值的方法，主要包括：土壤流失方程（USLE）法［4］、諾謨（NOMO）計算模型法［4］、修正土壤流失方程（RUSLE）法［5］、WEPP（water erosion prediction project）模型法［6］和 EPIC（erosion productivity impact calculator）計算模型法［7］。其中，USLE法和RUSLE法計算較為精確，但是需要建立徑流小區，所需時間較長，花費較高，國外大多數研究都采用這兩種方法［8－9］；NOMO法和EPIC法調查取樣相對簡單，適用于大規模土壤可蝕性研究，但是精度略低于前兩種［10］；WEEP法能夠對單場降雨所產生的土壤流失量、侵蝕過程等進行預測，但是模型太多，實用性不強［11］。本研究主要利用EPIC法對東北近天然林土壤可蝕性因子K值進行估算，為建立該地區土壤侵蝕模型及土壤侵蝕防治提供幫助，并研究其與土壤養分之間的相關性，為研究林地土壤侵蝕對土壤養分流失的影響奠定基礎。

1 研究區概況

研究區設立在位于吉林省延邊朝鮮族自治州東北部的汪清林業局所轄林場 （43°06′—44°03′N，129°51′—130°56′E）。該區域屬于吉林省東部山區長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，海拔高度550～1 100m，陽坡較陡，陰坡平緩，自然坡度10～25°。屬溫帶大陸性季風型氣候，年平均氣溫約為4℃，最冷月份為1月，平均氣溫－32℃，最熱月份為7月，平均氣溫32℃；年降水量600～700mm，主要集中在7月份。土壤類型主要以暗棕壤為主。調查樣地內主要樹種有長白落葉松（Larix olgensis），云杉（Picea jezoensis var.microsperma），冷杉（Abies nephrolepis），紅松（Pinus koraiensis），色 木（Acer mono），水 曲 柳（Fraxinus mandshurica），白樺（Betula platyphylla），椴樹（Tilia amurensis），楓樺（Betula platyphylla），榆樹（Ulmus pumila）［12］。

2 研究方法

2.1 土樣采集和測定

2012年9—10月，在研究區內建立了10塊面積為0.025hm2的樣地，包括7塊針闊混交林和3塊闊葉混交林，樣地概況詳見表1。在樣地內以S形路線選取5～7個采樣點，用土鉆分層（0—20cm，20—40cm和40—60cm）采集土樣，將各層土樣混勻后用四分法取約1kg的待測土樣，裝入布袋內帶回實驗室分析。

將各層土樣剔除植物根系、石礫等雜物后，風干、研磨、過篩（2，1和0.25mm）后進行土壤粒徑分析和土壤養分含量的測定（有機質和全量元素分析樣品過0.25mm篩，有效養分過1mm篩）。土壤粒徑分析采用吸管法；有機質采用重鉻酸鉀外加熱法；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法；全氮采用硫酸—高氯酸消煮—凱氏定氮儀法；全磷采用濃硫酸—高氯酸—鉬銻抗比色法［13］。

表1 試驗樣地概況

2.2 EPIC模型

土壤侵蝕和生產力影響的估算模型EPIC又稱為環境政策綜合氣候模型［7］，它是美國研制的定量評價“氣候—土壤—作物—管理”綜合連續系統的動力學模型。EPIC模型作為一種多作物通用型生產系統模擬模型，得到了學者們的廣泛試驗驗證和大量研究應用，成為較有影響的土壤可蝕性因子估算模型之一［14］。EPIC模型計算公式為：

式中：Sa——砂粒（0.05～2mm）含量；Si——粉粒 （0.002～0.05mm）含量；Cl——黏粒（＜0.002mm）含量；C——有機碳含量，SN1＝1－Sa／100。計算的 K值單位為t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）［15］。

2.3 數據處理

土壤可蝕性因子K值的計算利用Excel進行，K值與土壤養分之間相關性的研究采用統計軟件SPSS 20.0。

3 結果與分析

3.1 土壤可蝕性K值

土壤可蝕性因子K可以用來表示土壤抗蝕能力，K值越大，抗蝕能力越小，K值越小，抗蝕能力越大。表2為土壤粒徑分析、有機碳含量及K值的計算結果。由表2可以看出，該區域土壤可蝕性K值平均為0.060 7t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）；上層土壤的K值比下層土壤大，這主要是因為上層根系多，土壤較為疏松，抗蝕能力低，容易發生土壤侵蝕，而下層根系少，土壤較為緊實不易發生土壤侵蝕。區域內不同樣地之間K值有一定差異，比較林分密度和郁閉度與K值之間的關系，分析圖1后發現，當林分密度小于1 200株／hm2，郁閉度小于0.75時，K值會隨著林分密度和郁閉度的增大而變小，這是由于林冠對雨水有截留作用，可以減少降雨對地面的直接打擊，同時森林的枯枝落葉層可以吸收一定的降水，在腐爛后參與土壤團粒結構的形成，能有效增加土壤的空隙度［16］。但是當林分密度和郁閉度超出這個范圍后，K值反而隨著林分密度的增大而增大，這主要是因為林分達到一定密度后郁閉度變化不大，但是過大的林分密度會影響林下植被的生長，從而造成K值增大。在該區域林分密度為750～1 200株／hm2時土壤抗蝕能力較強。對比針闊混交林和闊葉混交林兩種林分類型后發現，針闊混交林的K值平均值﹝0.060 9t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）﹞比闊葉混交林﹝0.060 3t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）﹞的大，這可能是因為闊葉樹種的林冠較大且枯落物較多，對土壤保護作用比針葉樹種強。

表2 樣地土壤可蝕性K值

圖1 試驗樣地不同林分密度與郁閉度下土壤可蝕性K值趨勢變化

3.2 土壤養分特征

由表3可以看出，在垂直剖面上土壤全氮和全磷呈規律性分布，均隨著土壤深度的增加而降低，這符合一般規律。由于樣地為近天然林，基本沒有外來的干擾，植被及生態環境均處于自然演替狀態，土壤養分主要來源于枯枝落葉的分解，而土壤養分會隨著降雨的淋溶和水分的垂直運動向下層土壤遷移［17］，因此表層土壤養分含量比下層高。但土壤有效磷和速效鉀在垂直剖面上的規律性不明顯，這主要是由于在調查取樣期間研究區內有幾次較大程度的降水過程，而土壤有效養分容易隨著降雨流失或向下層遷移。

土壤養分主要受結構性因素和隨機性因素共同影響，由于研究區為近天然林，人為干擾較少，土壤養分含量主要受結構性因素的影響。枯枝落葉分解是土壤養分的主要來源，林分密度的影響在結構性因素中占了很大比例。由圖2可以看出，在研究區內土壤全氮和速效鉀含量整體上隨著林分密度的增加而增加，都在1 200株／hm2左右時達到最大值，而土壤有效磷和全磷含量隨林分密度增加呈波動狀態，均在林分密度為750株／hm2左右時最大。雖然土壤養分主要來源于枯枝落葉的分解，理論上土壤養分含量應該隨著林分密度的增加而增加，但隨著林分密度的增加，樹木從土壤中吸收帶走的養分也在增加，同時枯枝落葉分解成不同的土壤養分元素所需時間不同，可能會使森林對土壤養分吸收的速度大于養分補償的速度，這就造成了土壤養分含量與林分密度之間復雜的關系。綜合分析后發現，該區域林分密度在750～1 200株／hm2時土壤養分狀況較好。

3.3 土壤可蝕性與土壤養分相關性分析

對土壤可蝕性與土壤養分含量進行相關性分析發現（表4），其相關性由高到低依次為土壤全氮、速效鉀、有效磷和全磷，除全氮與K值呈正相關外，其它土壤養分均與K值呈負相關，K值與土壤全氮相關程度和顯著性水平都較高，說明全氮受土壤可蝕性的影響較大。負相關關系說明隨著K值的增加，土壤養分含量降低，即易發生土壤水蝕的區域土壤養分流失量也越大；相關系數越高，土壤養分流失量越大。

表3 試驗樣地土壤養分含量

圖2 試驗樣地不同林分密度下土壤養分趨勢變化

表4 試驗樣地土壤可蝕性與土壤養分相關系數

4 結論

當前關于土壤可蝕性K值的研究主要集中在大范圍的土壤調查、K值的分布特征和K 值圖的編制［18－19］，對K 值與土壤養分之間內在聯系的研究關注較少，同時在對土壤侵蝕和養分流失的相關研究中主要運用了137Cs法［20］或徑流小區人工降雨法［21］，方法較為復雜，所需要的時間較長。本研究主要利用東北近天然林樣地，對土壤可蝕性K值與林分密度及土壤養分的相關關系進行了探討，希望找到一種簡單的方法研究土壤侵蝕對養分流失的影響。

研究區土壤可蝕性K值平均為0.060 7t·hm2·h／（MJ·mm·hm2）。上層土壤的可蝕性K值比下層大，這主要是因為在林區內植被覆蓋率大，根系較多，使得表層土壤較為疏松，再加上地表植被的保護，下層土壤受到的侵蝕程度較低。高敏的研究表明，K值與土壤粒徑和有機質含量有很大的相關性，K值在很大程度上取決于顆粒和有機質的共同耦合作用，而在這一耦合作用中顆粒的貢獻率可能更為明顯［15］。當林分密度小于1 200株／hm2、郁閉度小于0.75時，K值隨林分密度和郁閉度的增加而減小，這是由于森林在一定程度上能夠保護土壤，減緩降雨對土壤的侵蝕。同時針闊混交林的平均K值比闊葉混交林的大。朱立安等［22］和周璟等［23］都對土壤可蝕性K 值的影響因素進行了研究，得出結論是成土母質、耕作情況及不同土地利用類型度都會對K值產生影響，而本研究則將關注點放在了林分密度和郁閉度的影響。

在垂直剖面上，土壤全氮和全磷均隨著土壤深度的增加而降低，由于降雨的影響，有效磷和速效鉀的分布規律性不強。綜合分析不同林分密度下土壤養分的含量，適宜的林分密度有利于土壤養分的積累，較小或過大的林分密度下土壤養分含量減小，這是由于林分密度過大，會導致林地植株的單株生長空間減小，加速對土壤養分的吸收。同時研究表明該區域適宜的林分密度是750～1 200株／hm2，這與劉玲等［24］研究的長白落葉松天然林適宜密度為800～880株／hm2的結果相近。

土壤可蝕性與土壤養分相關性分析結果表明，K值與土壤各養分之間存在密切關系。其中只有全氮與K值呈正相關，這主要是因為EPIC模型中有機碳的含量參與了K值的計算，而土壤中的氮素絕大多數是儲藏在土壤有機質中的有機態含氮化合物［25］，因此全氮與K值呈正相關性且相關程度較高，但本研究并不能說明土壤水蝕越大的區域全氮含量越高，對全氮含量與土壤侵蝕之間的關系還需要進一步研究。與K值的相關性由高到低依次為速效鉀、有效磷和全磷，且均為負相關，說明隨著土壤侵蝕的加劇，土壤養分的流失量也在增加，這與劉旦旦等［26］所研究的土壤養分流失量隨土壤侵蝕強度增加而增加的結果相似。其中速效鉀更容易隨著侵蝕而流失，這主要是因為鉀元素大部分以原生礦物形態分布在土壤粗粒部分，更容易隨著降雨等水蝕過程而流失。

之前研究土壤侵蝕與土壤養分流失之間的關系時，大多采用了人工降雨或137Cs示蹤的方法［27－28］，雖然研究結果很精確，但方法比較復雜，耗費的時間和精力較大。本研究主要利用土壤可蝕性K值來代表土壤侵蝕量，研究其與土壤養分之間的關系，從而推斷出土壤侵蝕與土壤養分流失量之間的關系，野外操作比較簡便，研究結果較為準確。

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