中國南方紅壤丘陵馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性

汪邦穩, 夏小林, 段 劍

〔1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230088;2.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029〕

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中國南方紅壤丘陵馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性

汪邦穩1, 夏小林1, 段 劍2

〔1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230088;2.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029〕

摘要：[目的] 探清土壤侵蝕對土壤分布與特性的影響機制,為防治該地區的林下水土流失和土地退化提供科學依據。[方法] 基于調查取樣和分析測試獲取的數據,采用統計和灰色關聯度等方法分析紅壤丘陵區馬尾松林地侵蝕坡面的土壤特性。[結果] 紅壤丘陵區馬尾松林地侵蝕坡面土壤養分相對較低,理化指標基本處于4級以下水平;紅壤丘陵區馬尾松林地侵蝕溝的土壤指標與坡面土壤的相應指標存在顯著性差異,18個土壤指標中,侵蝕溝的土壤有10個指標顯著優于坡面土壤的相應指標,侵蝕溝與土壤特性關聯度更高,侵蝕溝土壤指標間的顯著相關數量更少。[結論] 紅壤丘陵區馬尾松林地的土壤侵蝕對林下土壤特性和分布產生了顯著的影響,但侵蝕溝對土壤特性的影響機制尚需進一步研究。

關鍵詞：土壤侵蝕; 紅壤丘陵區; 土壤; 馬尾松林

文獻參數： 汪邦穩, 夏小林, 段劍.中國南方紅壤丘陵馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性[J].水土保持通報，2016,36(3)：13-17.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.004

水土流失是中國生態環境問題的集中體現[1-2]，在南方紅壤丘陵區尤為明顯[3]。南方紅壤丘陵區是中國水土流失嚴重的區域之一[4]，該區的林下水土流失問題日益突出[5-6]。馬尾松林是南方紅壤丘陵區的主要次生林，約占林地面積的30.5%[7]，其林下土壤侵蝕模數達到2 700～6 000 t/(km2·a)[8]，嚴重威脅著當地的生態安全[5]。目前，南方紅壤丘陵區馬尾松林下水土流失和植被恢復逐漸得到關注，林下水土流失規律[9]、影響因素[10]、植被特征[11]、植被恢復限制性因子[12-14]及恢復途徑[15]都得到了不同程度的研究；但林下土壤侵蝕對土壤特性及分布的影響與機制研究彰顯不足。

土壤作為植被生長的重要物質基礎，不僅影響土壤侵蝕[16]，同時，其分布和發育也受土壤侵蝕的影響。紅壤丘陵區的降雨徑流對土壤進行剝離、搬運、沉積的過程，不僅改變了原有土壤的物質組成，同時也改變了土壤的分布特征[17]。紅壤丘陵區馬尾松林分布面積廣，林下植被稀少，水土流失和土地退化嚴重[6,11]。因此，探清該地區馬尾松林下土壤侵蝕對土壤理化性質、微生物和土壤酶活性及其分布的影響，探尋植被恢復潛在的土壤條件，對該地區的植被重建和生態恢復具有重要的意義。本研究擬針對南方紅壤丘陵區馬尾松林下的侵蝕坡面，基于野外調查取樣和室內分析測試獲取的數據，利用統計分析方法，探析坡面土壤與侵蝕溝(淺溝或細溝)土壤的特性差異，探討坡面、侵蝕溝土壤特性指標間的相關性，以及土壤特性與坡面、侵蝕溝的關聯度，從而揭示侵蝕對土壤特性及分布的影響，以期為防治該地區的林下水土流失和土地退化提供科學依據。

1研究區概況

研究區選擇在江西贛縣大田鄉(25°52′—25°52′N，115°06′—115°06′)的低山丘陵區，土壤為花崗巖發育的磚紅壤，海拔150～186 m，坡度8～30°；氣候為亞熱帶丘陵季風氣候，年均降水量1 423.4 mm，年均溫度19.4 ℃，≥10 ℃積溫為5 528 ℃，年均無霜期289 d[17]。研究區馬尾松林為20世紀80年代末飛播造林，林齡約20 a，>2 m的馬尾松平均樹高在2.9～5 m[11]。林地退化明顯；林下草被稀疏[18]，陽坡半陽坡植被蓋度僅為36.9%[11]，灌木稀少，草被植物主要為芒萁(Dicranopterisdichotoma)和白茅(Imperatacylindrica)[17]；林下土壤侵蝕嚴重，細溝、淺溝密度>20 km/km2，侵蝕坡面的侵蝕溝面積占20.9%，侵蝕溝造成的坡面流失的土壤厚度就達71.2 mm[11]。

2材料與方法

2.1調查和取樣方法

調查和采樣時間為2013年4月中下旬和10月中旬。在樣地區選擇5個具有代表性的坡面，分別沿坡面方向隨機布設1條樣帶，分上、中、下坡位各設1個面積10 m×10 m樣地。為盡可能的做到采樣條件一致，采樣時確保研究區2個星期沒有下雨[18]。在布設的樣地里，土壤水分數據利用便攜式土壤水分探測儀隨機對9個點的表層土壤(0—15 cm)進行探測獲取，土壤樣品是對表層土壤(0—15 cm)隨機采集5點組成的混合樣。如果坡面樣地有侵蝕溝(細溝或淺溝)[11]，采用與上述相同的方法，另外采集土壤水分數據和土壤樣品。土壤樣品采集后，去除較大的石礫和植物根葉等，每個樣品分成2份，一份放于冰箱4 ℃冷藏，另一份避光風干，過篩后備用。

2.2土壤特性的測定

依照魯如坤[19]版的《土壤農業化學分析方法》測定土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和土壤顆粒組，采用環刀法測土壤容重。依照關松蔭[20]和周禮凱[21]的分析方法測蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶的土壤酶活性。依據稀釋平板法測土壤微生物數量[20, 22]：細菌、真菌和放線菌的測定分別選用牛肉膏蛋白胨培養基、PDA培養基和高氏Ⅰ號培養基，每一濃度梯度設置3個重復。

2.3數據處理

坡面和侵蝕溝的土壤特性差異評價采用配對樣本t檢驗方法，各指標間的相關性分析采用簡單相關分析(Pearson)法，土壤特性與坡面和侵蝕溝的關聯度采用灰色關聯度分析法[23-24]。所有數據統計在SPSS 19.0和Excel 2007中完成。

3結果與分析

3.1侵蝕坡面的土壤特性

3.1.1土壤理化特性如表1所示，除全磷、速效鉀和土壤顆粒組成外，侵蝕溝的其他各土壤理化指標與坡面的相應指標存在著顯著性的差異。侵蝕溝的有機碳、全氮、全鉀、堿解氮和速效磷顯著高于坡面，分別高30.9%，58.3%，13.2%，39.6%和123.1%；侵蝕溝的土壤容重和水分顯著低于坡面，分別低6.1%和28.6%。

依據全國第二次土壤普查推薦的土壤養分含量分級標準(表2)，研究區的馬尾松林下侵蝕坡面的土壤養分等級都較低。土壤有機質都<10 g/kg，處于5級水平；土壤全氮都<0.5 g/kg，處于6級水平；侵蝕溝的速效氮>60 mg/kg，處于4級水平，坡面的速效氮為43.99，處于5級水平；速效磷都<3 mg/kg，處于6級水平；速效鉀都<30 mg/kg，處于6級水平。說明紅壤丘陵區馬尾松林侵蝕坡面的土壤養分貧瘠，土壤肥力較差。

表1　侵蝕坡面的土壤理化性質

注：同列不同字母表示p<0.05水平差異顯著，平均值±標準誤。下同。

表2　土壤養分分級標準

3.1.2土壤微生物特性土壤微生物與土壤肥力和植物營養關系密切[22]。土壤中的細菌、真菌和放線菌通常作為森林土壤生物活性高低的重要標志，其分布與數量直接影響土壤的肥力，進而影響植被的生長[25]。

如表3所示，除放線菌外，侵蝕溝的土壤細菌、真菌和微生物總量顯著大于坡面土壤的相應指標，侵蝕溝的土壤細菌、真菌和微生物總數分別比坡面土壤相應指標高186.2%，110.4%和90.2%。說明相對坡面，侵蝕溝的微生物狀況要好于坡面。

表3　侵蝕坡面的土壤微生物特征　104 CFU/g

3.1.3土壤酶特性土壤酶活性是表征土壤質量的重要指標，它參與土壤的所有生化反應[20]。蔗糖酶是指示土壤生物活性的一種重要水解酶，促進有機質的轉化，反映土壤的肥力狀況；脲酶是水解尿素轉化為氨的水解酶，表征土壤的氮素狀況；酸性磷酸酶能夠促進有機磷轉化為植物可以吸收的無機磷；過氧化氫酶可以分解土壤中對植物有害的過氧化氫，能夠反映土壤腐殖質的再合成強度[20,22]。

如表4所示，測定的4種土壤酶在侵蝕溝土壤中的活性要明顯高于在坡面土壤中，但只有脲酶達到顯著水平。侵蝕溝的土壤脲酶活性比坡面脲酶酶活性高83.3%。說明侵蝕溝的土壤環境更有利氮的轉化。

表4　侵蝕坡面的土壤酶活性

3.2侵蝕坡面的土壤理化性質與土壤微生物和酶活性之間的關系

土壤理化性質與土壤微生物和酶活性關系密切[17,20]，分析坡面和侵蝕溝的土壤理化性質與土壤微生物和酶活性的關系，可以闡明相應環境的土壤特性狀況；同時，通過比較坡面和侵蝕溝土壤特性狀況，可以揭示坡面和侵蝕溝兩種侵蝕環境對土壤特性的影響。

3.2.1坡面土壤理化性質與土壤酶和微生物的相關性如表5所示，在坡面的土壤中，只有全磷、堿解氮和土壤水分與土壤酶或微生物顯著相關。全磷與細菌、真菌、放線菌及微生物總量極顯著正相關，相關系數分別為0.819，0.730，0.875，0.888，這與微生物具有解磷作用相一致[22]。說明坡面全磷雖然含量較低，但對微生物的種類和數量極其重要。堿解氮與土壤脲酶極顯著正相關，這與脲酶具有分解氮素作用相一致[20]。土壤水分與土壤酶和微生物呈負相關關系，其中與脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶極顯著或顯著負相關，相關系數分別為-0.698，-0.548和-0.574。這主要是坡面的土壤水分低，導致生長有植被的土壤比地表裸露的土壤水分更低[11]，所以，坡面的土壤水分相對較高的都是地表裸露處，而裸露的地表因沒有植被生長使得土壤微生物較少，土壤酶活性較低[13]。

3.2.2蝕溝土壤理化性質與土壤酶和微生物的相關性如表6所示，侵蝕溝土壤中只有速效磷與真菌顯著性相關，相關系數為0.617。與坡面相比，侵蝕溝的土壤理化性質與土壤微生物和酶活性的顯著相關性指標明顯減少，說明侵蝕溝的形成影響了土壤指標間的相互作用關系。

表5　坡面土壤理化性質與土壤酶和微生物的相關性

注：*表示相關性達到顯示水平(p<0.05)；**表示相關性達到極顯著水平(p<0.01)。

表6　侵蝕溝土壤理化性質與土壤酶和微生物的相關性

3.3侵蝕坡面與土壤特性的關系

為進一步分析土壤特性對侵蝕的響應，選取研究區土壤特性指標中的最優指標作為參比序列，坡面和侵蝕溝的土壤特性指標作為比較序列，采用灰色關聯度分析法分析土壤特性與侵蝕坡面的關聯度，結果見表7。從表7可以看出，土壤特性與坡面的關聯度為0.373，與侵蝕溝的關聯度為0.456。說明相比坡面，侵蝕溝對紅壤丘陵區馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性影響更大。

表7　土壤特性指標與坡面和侵蝕溝的關聯度

4討論與結論

4.1討 論

紅壤丘陵侵蝕區馬尾松林下侵蝕坡面的土壤養分相對貧瘠，這主要是歷史和人為的原因造成的，尤其在20世紀50—60年代，原有植被遭到毀滅性破壞，加劇了水土流失發生，導致表土流失殆盡，心土層甚至母質層裸露，生態環境惡化[5]。盡管相對貧瘠，但侵蝕溝與坡面的土壤理化特征表現出了顯著性差異，主要原因是侵蝕剝離、搬運和沉積作用，形成了侵蝕溝，侵蝕溝的形成又影響著泥沙過程，從而影響著土壤的特征與分布[26-27]。主要表現在侵蝕溝的大部分土壤指標顯著優于坡面的相應指標，例如，土壤理化性質指標中的有機碳、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷、土壤容重6個指標，土壤微生物的細菌、真菌、微生物總量3個指標，以及土壤酶中的脲酶指標；侵蝕溝與土壤特性的關聯度(0.456)明顯大于坡面與土壤特性的關聯度(0.373)。說明在因水土流失造成母質層裸露的紅壤丘陵侵蝕區種植的馬尾松林，侵蝕溝的形成改變了水土流失過程，影響了光熱條件，促進了局部地形處的土壤形成，從而為植被恢復創造了有利的條件[11,19]。但是，侵蝕溝土壤特性指標間的顯著相關數量明顯低于坡面，進一步說明侵蝕溝對土壤特性狀況產生了明顯的影響，但其原因和機制尚需進一步的研究。

4.2結 論

(1) 紅壤丘陵區馬尾松林下侵蝕坡面土壤養分相對較低，理化指標基本處于4級及以下水平；但侵蝕溝土壤的大部分指標顯著優于坡面土壤的相應指標。

(2) 紅壤丘陵區馬尾松林下的侵蝕溝對侵蝕坡面的土壤特性和分布產生了明顯的影響。主要表現在18個土壤指標中，侵蝕溝的土壤有10個指標顯著優于坡面土壤的相應指標，侵蝕溝與土壤特性的關聯度更高，侵蝕溝土壤指標間的顯著相關數量更少；但侵蝕溝對紅壤丘陵區馬尾松林下侵蝕坡面的土壤特性影響原因和機制尚需進一步的研究。

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收稿日期：2015-07-01修回日期：2015-09-26

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0013-05

中圖分類號：S714.2

Soil Properties of Eroded Slope UnderPinusMassonianaForest in Hilly Red Soil Area of Southern China

WANG Bangwen1, XIA Xiaolin1, DUAN Jian2

(1.AnhuiandHuaiheRiverInstituteofHydraulicResearch,AnhuiProvinceKeyLaboratoryofWaterConservancyandWaterResources,Hefei,Anhui230088,China; 2.JiangxiInstituteofSoilandWaterConversation,KeyLaboratoryforSoilErosionandPrevention,Nanchang,Jiangxi330029,China)

Abstract：[Objective] To investigate the influences of soil erosion on the distribution and properties of soil in order to provide scientific basis for controlling soil erosion and land degradation in Pinus massoniana forestry. [Methods] Soil properties of eroded slope in P. massoniana forestry in the hilly red soil area of Southern China were studied based on statistics and the grey relational degree methods. The data was obtained by field surveying and sampling. [Results] Soil nutrients of the eroded slope were poor. Most of the soil physical and chemical indices were at or below level 4. There were significant differences in the soil index between soil on the slope and soil in the erosion gully. Among eighteen soil indices, ten soil indices of soil erosion gully were better than the corresponding indicators of soil on the slope. Compared with slope, the correlation between erosion gully and soil properties was higher, and the number of significant correlation indices of soil was less in erosion gully. [Conclusion] Soil erosion had a significant impact on the properties and distribution of soil on eroded slope in P. massoniana forest in the hilly red soil area of Southern China. Nevertheless, the mechanisms of the effect of erosion on soil properties needs to be further studied.

Keywords:soil erosion; the hilly red soil area of Southern China; soil; Pinus massoniana forest

資助項目：國家自然科學基金項目“南方紅壤區馬尾松林下植被恢復格局與恢復潛力的土壤侵蝕解釋”(41201276)

第一作者：汪邦穩(1981—),男(漢族),安徽省合肥市人,博士,工程師,主要從事土壤侵蝕與環境研究。 E-mail:bangwenbest@126.com。