錢塘江源頭地區(qū)主要植被類型土壤抗蝕性研究

田 剛，張曉勉，張金池，高智慧，岳春雷，李奕劍，李 鋼

（1. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310020）

錢塘江源頭地區(qū)主要植被類型土壤抗蝕性研究

田 剛1，張曉勉2*，張金池3，高智慧4，岳春雷2，李奕劍1，李 鋼1

（1. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 杭州 310020）

對(duì)錢塘江源頭地區(qū)8種不同植被類型不同土層深度土壤抗蝕性、土壤理化性質(zhì)和土壤根系特性進(jìn)行了測(cè)定。經(jīng)主成分分析，從8個(gè)用于表征土壤抗蝕性的指標(biāo)中，篩選出反映研究區(qū)土壤抗蝕性的3個(gè)最佳指標(biāo)為：水穩(wěn)性指數(shù)、﹥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒、﹥0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒；對(duì)植物根系特性與土壤抗蝕性的關(guān)系進(jìn)行了研究，≤1 mm細(xì)根能有效提高土壤抗蝕性，在表征根系的參數(shù)中，根體積和根表面積能更好反映根系提高土壤抗蝕性能的效應(yīng)。

土壤抗蝕性；土壤理化性質(zhì)；根系特性；主要植被類型；錢塘江源頭地區(qū)

土壤抗蝕性（Soil anti-erodibility）是指土壤對(duì)侵蝕營力分散和搬運(yùn)作用的抵抗能力，即土壤對(duì)侵蝕的易損性或敏感性的倒數(shù)。它是控制土壤承受降雨和徑流分離及輸移等過程的綜合效應(yīng)[1]。研究表明，土壤抗蝕能力成為認(rèn)識(shí)降雨侵蝕過程機(jī)制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)它還是建立各種土壤流失方程和坡面侵蝕模型必不可少的重要參數(shù)[2]。目前，對(duì)土壤抗蝕性的研究主要集中在抗蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及與土壤理化性質(zhì)和植物根系之間的關(guān)系這三個(gè)方面，且主要以土壤抗蝕指數(shù)等參數(shù)表征其大小[3～5]。其中植物根系與土壤抗蝕性有重要影響，有研究表明植物根系與土壤抗蝕性呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[6]，植被的生長對(duì)土壤抗蝕性具有較大的增強(qiáng)效應(yīng)，徐文遠(yuǎn)等指出≤1mm根系對(duì)土壤抗蝕性的提高起主導(dǎo)作用[7～10]。

錢塘江是浙江境內(nèi)第一大河，橫貫西東流域，面積占全省八大水系的 47.8%，徑流量占全省八大水系的50.4%[11]。加強(qiáng)錢塘江流域特別是源頭地區(qū)植被恢復(fù)和水土保持工作，對(duì)于浙江省乃至整個(gè)長三角地區(qū)的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全都具有重要意義。本研究通過對(duì)錢塘江源頭地區(qū)主要植被類型土壤抗蝕性、土壤理化性質(zhì)、植物根系特性等的研究，以期為錢塘江流域水土保持和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于錢塘江源頭的開化縣，118° 23′ E，29° 07′ N，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量1 762.1 mm，森林覆蓋率79.2%[7]。全縣土壤分為5個(gè)土類、9個(gè)亞類、21個(gè)土屬、45個(gè)土種。低山丘陵以紅壤土為主，谷地平畈多水稻土。土層厚度薄至中，質(zhì)地輕壤至重壤，pH值平均7.5。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)選取馬尾松林、針闊混交林（馬尾松、木荷、香樟混交）、毛竹林、麻櫟林、杉木林、灌木林，以及當(dāng)?shù)胤植急容^廣的茶園、農(nóng)田8種植被類型為研究對(duì)象。選擇能夠反映區(qū)內(nèi)林分基本特征，具有代表性的地段，盡量選擇坡向一致，坡度、坡位大致相似的地段設(shè)置樣地，每個(gè)類型各設(shè)3個(gè)樣地。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地情況Table 1 Sample plots

2.2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

在各植被類型樣地內(nèi)選擇典型地段（離道路、橋梁、林緣較遠(yuǎn)，人為干擾較少的地方），設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行調(diào)查。在每一種植被類型的典型地段挖取土壤剖面2個(gè)，分別在0 ～ 10 cm、>10 ～ 20 cm、>20 ～30 cm、>30 ～ 40 cm土層取樣。

土壤抗蝕性測(cè)定采用靜水崩解法[12]。從各土層風(fēng)干土樣中選取直徑0.5 ～ 0.7 cm土粒50顆，均勻放在孔徑5 mm金屬網(wǎng)上，然后置靜水中，以1 min為間隔，記錄分散的土粒數(shù)，持續(xù)10 min，最后計(jì)算土壤的水穩(wěn)性指數(shù)。

細(xì)根調(diào)查采用土柱法，根系帶回室內(nèi)浸泡清洗后風(fēng)干，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)定各徑級(jí)細(xì)根根長、根表面積、根體積，再將風(fēng)干根系置于烘箱6 h（90℃）烘干后稱量，并計(jì)算各徑級(jí)根質(zhì)量(各徑級(jí)根體積/根樣總體積與根樣總質(zhì)量之積)。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[13]。顆粒分析采用甲種比重計(jì)法[13]。有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法[14]。

3 結(jié)果分析

3.1 不同植被類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)分布規(guī)律

由于影響土壤抗蝕性的因素比較多而且比較復(fù)雜，目前對(duì)土壤抗蝕性的一些認(rèn)識(shí)還局限于表象，其作用機(jī)理還遠(yuǎn)未研究清楚，關(guān)于土壤抗蝕性的評(píng)價(jià)也尚未找到普遍適用的指標(biāo)[15]。有大量學(xué)者對(duì)土壤抗蝕性進(jìn)行了廣泛研究[4,6～10]，其中張金池、胡海波等[16]通過測(cè)定土壤水穩(wěn)性指數(shù)，對(duì)蘇北淤泥質(zhì)海岸防護(hù)林土壤抗蝕性進(jìn)行了研究，取得了較為滿意的效果。

本研究選取8種不同植被類型0 ～ 10 cm、>10 ～ 20 cm、>20 ～ 30cm、>30 ～ 40 cm土層水穩(wěn)性指數(shù)進(jìn)行研究結(jié)果見圖1。

圖1 不同植被類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)分布Figure 1 Distribution of water soluble index of soil under different vegetation types

由圖1可以看出：各植被類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)隨著土層的增加逐漸減小，0 ～ 10 cm水穩(wěn)性指數(shù)最大，各植被類型平均值為0.979；>30 ～ 40 cm水穩(wěn)性指數(shù)最小，平均值為0.680。特別是針闊混交林、麻櫟林、杉木林、灌木林和馬尾松林這5種類型減小趨勢(shì)更明顯，0 ～ 10cm土層水穩(wěn)性指數(shù)比>30 ～ 40 cm土層平均減小了47%；而茶園、農(nóng)田、毛竹林減小幅度較小，平均減小了3.7%。綜合各土層情況后進(jìn)行分析，可以看出在8種植被類型中，茶園、農(nóng)田和毛竹林水穩(wěn)性指數(shù)最高，4個(gè)土層平均值分別為 0.994、0.981、0.983，馬尾松林、灌木林居中分別為0.818、0.819，針闊混交林、杉木林、麻櫟林較低，分別為0.696、0.694和0.664，。

茶園、農(nóng)田、毛竹林這3個(gè)類型主要為人工經(jīng)營，土層較厚，土壤肥沃，因施肥、撫育等措施，土壤N、P、K以及有機(jī)質(zhì)含量豐富，有機(jī)膠體含量高，40 cm以上土層土壤理化性質(zhì)接近，而且都比較好，所以水穩(wěn)性指數(shù)在8種類型中最高，且各土層變化不大。毛竹林根系發(fā)達(dá)，竹鞭竹根交錯(cuò)縱橫，分布面積廣，固持網(wǎng)絡(luò)土壤能力強(qiáng)，而且根表面分泌有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，使土壤團(tuán)聚度增高，毛竹林這種特殊的根系特性，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)產(chǎn)生了不同影響，提高了土壤的抗侵蝕能力。針闊混交林、麻櫟林、杉木林、灌木林和馬尾松林這5種類型基本為山林地，立地條件差，土壤石粒含量高，土壤貧瘠，土層很薄，一般只有20 cm左右，表層以下往往夾雜大量的石粒，有機(jī)質(zhì)含量缺乏，特別是針闊混交林、杉木林、麻櫟林甚至有些土層還保留有成土母質(zhì)的特性，算不上成熟土，因此土壤抗侵蝕能力較弱，而且土層越深，土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)越差，土壤抗侵蝕能力越弱。

3.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤抗蝕性的影響

表2 主成分貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rate of principle components

表3 各主成分特征向量Table 3 Characteristic vector of each principle component

衡量土壤抗蝕性的指標(biāo)很多，歸納起來主要有 4大類，即土壤的化學(xué)性質(zhì)、土壤顆粒成分、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量、土壤分散性和持水特性等[17]。本研究選取水穩(wěn)性指數(shù)（X1）、土壤粉粒含量（X2）、粘粒含量（X3）、﹥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒（X4）、﹥0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒（X5）、結(jié)構(gòu)性指數(shù)（X6）、土壤容重（X7）、有機(jī)質(zhì)（X8）8個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤抗蝕性的影響因素進(jìn)行分析。由于上述指標(biāo)較多且有重復(fù)，因此進(jìn)行主成分分析，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類篩選。

由表 2可以看出前 3主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.99%，已包含大部分信息。從表3可以看出，這些指標(biāo)可以分為3類。第一特征向量X1、X4、X5得分較高，可以認(rèn)為是反映土壤水穩(wěn)特征的因子；第二特征向量X6、X7得分較高，可以看做是反映土壤結(jié)構(gòu)的因子；第三特征向量X2得分較高，可以看做土壤粉粒特性的因子。通過對(duì)3個(gè)特征向量的分析，可得到研究區(qū)反映土壤抗蝕性的3個(gè)最佳指標(biāo)為：X1、X4、X5。

3.3 植物根系對(duì)土壤抗蝕性的影響

研究表明，植物根系對(duì)土壤抗蝕性有重要影響[18]。為了深入研究錢塘江源頭地區(qū)植物根系與土壤抗蝕性的關(guān)系，選擇≤1 mm細(xì)根長（A1）、≤1 mm細(xì)根表面積（A2）、≤1 mm細(xì)根體積（A3）、≤1 mm細(xì)根量（A4）與表征土壤抗蝕性的主要指標(biāo)水穩(wěn)性指數(shù)（B1）、> 0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒（B2）、>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒（B3）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

由表4可以看出，植物≤1 mm根系特性與3個(gè)抗蝕性指標(biāo)相關(guān)性顯著，其中A3和A2與B1、B2相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。說明≤1mm細(xì)根特別是根體積和根表面積，能更好的反映植物根系對(duì)土壤抗蝕性的影響。植物根系在土壤中生長、穿插，死亡、腐爛，與周圍土壤不斷相互作用，特別是死亡細(xì)根的分解產(chǎn)物，以及活細(xì)根周圍所產(chǎn)生的糖類、有機(jī)酸等根系分泌物，是土粒之間團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)，極大地促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，增加了土壤有機(jī)質(zhì)，大大提高了土壤的抗蝕性能。而根體積和根表面積集中體現(xiàn)了根系與土壤系統(tǒng)作用面積的大小，在一定程度上反映了細(xì)根生物量的多少及作用[19～21]。

表4 根系特性與抗蝕性指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of root system properties and anti-erodibility index

3 結(jié)論

（1）各植被類型土壤水穩(wěn)性指數(shù)隨著土層的增加逐漸減小，0 ～ 10 cm水穩(wěn)性指數(shù)最大，>30 ～ 40 cm水穩(wěn)性指數(shù)最小。綜合各土層情況可以看出，在8種植被類型中，茶園、農(nóng)田和毛竹林水穩(wěn)性指數(shù)最高。

（2）采用主成分分析，將8個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤抗蝕性的影響進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，篩選出反映研究區(qū)土壤抗蝕性的3個(gè)最佳指標(biāo)為：水穩(wěn)性指數(shù)、﹥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒、﹥0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒，3個(gè)指標(biāo)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.99%，能較好反映當(dāng)?shù)刂饕脖活愋屯寥赖目刮g性。

（3）通過相關(guān)分析研究植物根系特性與土壤抗蝕性的關(guān)系，可以看出≤1 mm根系特性與3個(gè)抗蝕性指標(biāo)相關(guān)性顯著，其中根體積和根表面積與水穩(wěn)性指數(shù)、﹥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，能更好的反映植物根系對(duì)土壤抗蝕性的影響。

（4）土壤水土流失是一系列因素造成的綜合效應(yīng)。本研究采用靜水崩解法對(duì)土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)及植物根系的關(guān)系等方面進(jìn)行了初步研究，為了對(duì)錢塘江源頭地區(qū)土壤水土流失機(jī)理及影響因素進(jìn)行深入綜合研究，將在以后的研究中引入其他水土保持指標(biāo)和更多土壤理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行深入分析。

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Soil Anti-erodibility under Different Vegetation Types in Kaihua

TIAN Gang1，ZHANG Xiao-Mian2*，ZHANG Jin-Chi3，GAO Zhi-Hui4，YUE Chun-Lei2，LI Yi-Jian1，LI Gang1
（1. Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co., Ltd, Hangzhou 310020, China; 2. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 3. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 4. Zhejiang Forestry Extension Station, Hangzhou 310020, China）

Determinations were made on soil anti-erodibility, physiochemical properties and root system characters at different soil layers under 8 vegetation types in Kaihua county, the source of Qiantang river, Zhejiang province. Principal component analysis on the determination data showed that 3 best indicators (water stable index, >0.25mm water stable aggregates, >0.5mm water stable aggregates) were selected from total eight anti-erodibility indexes. The experiment showed that fine roots less than 1mm in diameter could effectively improve soil anti-erodibility. Among the parameters of root system, root volume and root surface area could better indicate anti-erodibility of root system．

soil anti-erodibility; soil physical and chemical property; root characteristics; vegetation types; source of Qiantang River

S714.2

A

1001-3776（2015）03-0031-05

2015-02-01；

2015-04-12

浙江省水利河口研究院院長基金資金項(xiàng)目“錢塘江流域降雨侵蝕力模型研究”（水保A10003）

田剛（1982-），男，山東萊蕪人，工程師，從事水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；*通訊作者。