黔中杠寨小流域不同植被类型土壤抗蚀性研究

吴 鹏，朱 军，崔迎春，丁访军，周 玮

黔中杠寨小流域不同植被类型土壤抗蚀性研究

吴 鹏，朱 军，崔迎春，丁访军，周 玮

（贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005）

为全面评价黔中杠寨小流域主要植被类型的水土保持功能，以小流域主要的5种植被类型下的表层土壤为研究对象，并以无林地为对照，选取了多个与土壤抗蚀性相关的指标，分析其不同植被类型下土壤抗蚀性的差异，并采用主成分分析法筛选出了评价土壤抗蚀性强弱的最佳指标，计算了土壤抗蚀性综合指数。结果表明：(1) 5种不同植被类型的土壤抗蚀性均要优于无林地（少数几个指标除外），麻栎灌木林在各抗蚀性指标上表现最好，马尾松+华山松混交林幼林次之；(2) 不同植被类型下评价土壤抗蚀性的最佳五指标分别是：＞0.25 mm水稳性团聚体含量、结构破坏率、分散系数、团聚状况和团聚度；(3) 根据土壤抗蚀性综合指数，5种不同植被类型及无林地表层土壤的抗蚀性由强到弱依次为：麻栎灌木林（1.302）、马尾松+华山松混交林幼林（1.073）、柳杉幼林（0.190）、杉木+柳杉混交林幼林（-0.145）、柏木幼林（-0.428）、无林地（-1.992）。建议该小流域在石漠化综合治理和生态恢复过程中，应加强对麻栎天然次生林的人为管护措施，以提高其群落整体生态效应；把马尾松+华山松混交林作为重要生态公益林加以营造。

杠寨小流域；植被类型；土壤抗蚀性

水土流失是世界第1号环境问题，是我国的第1大隐患，我国因水土流失每年造成的直接经济损失达400多亿元[1]。目前，国家正在西部地区实施的退耕还林还草工程，其目的就是解决我国严重的水土流失问题[2]。国内外学者一直把土壤抗蚀性研究作为水土保持学科研究的重要内容之一[3]，提高土壤抗蚀性是防治水土流失、促进生态恢复的有效途径之一。土壤抗蚀性(soil anti-erodibility)是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力[4]，是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏的标准[5]。关于土壤抗蚀性国内外都有不少研究报道[1-14,16-18,20-22]，在我国，黄土高原地区的土壤抗蚀性研究取得了较大进展[7-10,18]；但是针对喀斯特地区的研究还比较少，赵洋毅等[11-13]比较了黔中花溪地区4种岩性土壤抗蚀性的强弱，同时探讨了4种自然植被下土壤抗蚀性差异；胡宁等[14]研究了岩溶石漠化山地不同退耕模式土壤抗蚀性及其与结构体分形关系；陈佳等[3]研究了桂西北喀斯特地区不同土地利用类型的土壤抗蚀性。但是由于地形地貌的复杂多变，不同类型喀斯特区土壤抗蚀性有很大差异；另外由于不同植被类型固持土壤、改良土壤作用的差异，使得不同植被下土壤抗蚀性也有一定差异。因此，本文以黔中杠寨典型喀斯特小流域在退耕还林工程中营造的主要植被类型（柏木幼林、柳杉幼林、马尾松+华山松混交林幼林和杉木+柳杉混交林幼林）以及麻栎灌木林和用以对照的无林地为研究对象，选取了多个与土壤抗蚀性相关的指标，对比探讨了不同植被类型下土壤抗蚀性的特征和差异，并采用主成分分析法，筛选出了评价该小流域不同植被类型下土壤抗蚀性强弱的最佳指标，计算出了土壤抗蚀性综合指数，旨在能为该区域土壤侵蚀和水土保持研究提供一些基础数据，同时为该区域石漠化综合治理、生态恢复、退耕还林工程中林分结构的调整及适宜树种的筛选提供一定的理论依据。

1 研究区概况

研究地位于贵州省开阳县高寨苗族布依族乡杠寨小流域，流域面积3 020.15 hm2，属乌江水系的支流清水江流域，清水江是乌江中游右岸的大支流之一，发源于苗岭山脉北麓的平坝县活龙冷水冲；地处开阳县南面，地理位置东经107º70′～ 117º00′，北纬 26º51′～ 26º55′，平均海拔 600～1 350 m；岩溶地貌类型以丘原山地为主，主要出露岩石为石灰岩、白云岩、灰质白云岩、砂页岩；石漠化以轻度、中度为主，以及部分强度石漠化；冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温11.6℃～15.3℃，年无霜期250 d左右，常年降雨量约为1 200 mm，雨热同期，雨量充沛且多集中在夏季6、7、8三个月，占降雨量50%左右；森林覆盖率为35%，植被属亚热带常绿阔叶林和常绿针叶阔叶混交林，森林树种有马尾松、杉、柏等，经济林树种主要有核桃、桃子、李子等；土壤主要为地带性黄壤。林地植被主要有白栎Quercus fabri Hance、毛栗Castanea seguinii 、小果南烛Lyonia ovalifolia var.elliptica、小果蔷薇Rosa cymosa Tratt.、杜鹃Rhododendron simsii & R.spp.、 火 棘Pyracantha fortuneana、山胡椒Lindera glauca.、石生鼠李Rhamnus davurica Pall.、 盐 肤 木Rhus chinensis Mill、 芒 Miscanthus、 菜 蕨 Callipteris esculenta、盖蕨Athyrium minimum Ching、狗脊蕨Woodwardia japonica、金星蕨Parathelypteris nipponica.、蝴蝶花Herba Iridis Japonicae、苔草Carex tristachya、茅草Imperata cylindrica。

2 研究方法

2.1 样地的设置

于2010年12月在黔中腹地杠寨小流域内，在全面的踏查的基础上,选择了柳杉Cryptomeria fortunei幼林（CF1）、柏木Cupressus funebris幼林(CF2)、麻栎Quercus acutissima灌木林（QA）、杉木Chinese Fir+柳杉混交林幼林（CFF）以及马尾松Pinus massoniana+华山松Pinus armandii混交林幼林（PMA）等5种不同植被类型，并以无林地（CK）为对照，分别建立20 m×20 m 的样方进行常规调查，记录其坡度、坡向、冠幅等常规指标，其样地具体情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Information of investigation plots

2.2 样品的采集

分别在5种不同植被类型的样地及作为对照的无林地内，沿坡面从左到右等间距布设3个重复采样点，在土壤表层0～20 cm内，用环刀取原状土以测定土壤水分-物理性质；用大铝盒取原状土，带回实验室风干后干筛以测定水稳性团聚体、抗蚀指数等指标；另外在每个采样点按S形布点，取表层(0～20 cm)土壤进行混合，然后采用四分法分取样品1 kg左右，带回室内风干后，以测定土壤的有机质含量、机械组成、微团聚体等理化性质。

2.3 样品的分析方法

土壤容重和土壤水分-物理性质的测定采用环刀法《LY/T1215-1999》；土壤渗透率的测定采用环刀法《LY/T1218-1999》；土壤有机质采用外加热重铬酸钾-浓硫酸氧化-容量法《LY/T1237-1999》；土壤颗粒组成（机械组成）和微团聚体的测定采用吸管法《LY/T1225-1999》；土壤大团聚体的测定采用机械筛分法（干筛法和湿筛法）《LY/T1227-1999》[15]。土壤抗蚀指数测定参照文献[11]。

2.4 评价指标

衡量土壤抗蚀性强弱的指标很多，不同学者对抗蚀性指标的选用也不尽相同。由于研究区域及其它条件的差异，选用指标取决于多种因素，单一性指标只能反映土壤对侵蚀营力的相对敏感性，无法定量求取已知侵蚀营力下的土壤侵蚀量，选用多种指标组合则更能全面地反应土壤的实际抗蚀能力[16-18]。该文选用了以下10个指标：

(1) 有机质含量 (g/kg)；

(2) ＞0.25 mm团聚体含量(%)；

(3) ＞0.25 mm水稳性团聚体含量(%)；

(4) 结构破坏率(%) = ＞0.25 mm 团聚体分析值(干筛-湿筛) / ＞0.25 mm团聚体干筛分析值×100%；

(5) 水稳性团聚体平均重量直径EMWD=（式中：Xi为第i级的平均直径，i=1,2,…,N；Wi为第i级的土壤质量；Wt为供试土壤总质量）；

(6) 土壤团聚状况 = ＞0.05 mm微团聚体分析值 - ＞0.05 mm土壤机械组成分析值；

(7) 团聚度(%) = 团聚状况 / ＞0.05 mm微团聚体分析值×100%；

(8) 分散率(%) = ＜0.05 mm微团聚体分析值 /＜0.05 mm机械组成分析值×100%；

(9) 分散系数(%) = ＜0.001 mm微团聚体分析值 / ＜0.001 mm机械组成分析值×100%；

(10) 抗蚀指数 = (土粒总数-崩解土粒数) / 土粒总数。

2.5 数据处理方法

相关数据处理均应用Excel和SPSS统计分析软件[19]中的相关程序完成。

3 结果与分析

3.1 有机质含量

土壤有机质是水稳性团粒的主要胶结剂，能够促进土壤中团粒结构的形成，增加土壤的疏松性、通气性和透水性，对改善土壤结构和提高土壤抗蚀性具有重要作用，而国内外已有大量研究采用土壤有机质含量变化作为土壤抗蚀性指标之一[17]。由图1可知，不同植被类型下表层土中（0～20 cm）土壤有机质含量的表现为：麻栎灌木林（QA）(51.86 g/kg)＞马尾松+华山松混交林幼林(PMA)(40.75 g/kg)＞柳杉幼林（CF1）(39.41 g/kg)＞杉木+柳杉混交林幼林(CFF)(32.45 g/kg)＞柏木幼林(CF2)(25.62 g/kg)＞无林地(CK)(18.60 g/kg)；通过方差分析的结果表明，不同植被类型表层土壤有机质含量之间的差异达到极显著水平（F=8.75**）；采用最小显著差法（LSD法）进行多重比较：除马尾松+华山松混交林幼林外，有机质含量最高的麻栎灌木林同其它不同植被类型间均存在显著差异；除柏木幼林外，对照的无林地同其它不同植被类型间也存在显著差异；所以仅从有机质含量这一指标来看，麻栎灌木林的抗蚀能力最强，马尾松+华山松混交林幼林、柳杉幼林和杉木+柳杉混交林幼林抗蚀能力次之，柏木幼林和无林地则最差。

图1 不同植被类型表层土壤有机质含量Fig.1 Topsoil organic matter content of different vegetation types

3.2 土壤团聚性能

土壤团聚体具有一定的机械稳定性和水稳定性，它是由土壤颗粒凝聚、胶结和黏结而相互联结组成的，它的数量和稳定性是衡量土壤抗蚀性的重要指标，土壤大团聚体含量增加使得土壤孔隙度、入渗能力和土壤持水量均得到有效改善[20]。由表1可知，不同植被类型土壤干筛团聚体的结构组成多以＞7mm以上的为主，其中麻栎灌木林、杉木+柳杉混交林幼林和马尾松+华山松混交林幼林＞7mm的团聚体含量都在80%以上，柏木幼林＞7mm的团聚体含量为59.43%，所占比例最低；＞0.25mm土壤干筛团聚体含量的排序为：麻栎灌木林(98.25%)＞杉木+柳杉混交林幼林(97.83%)＞马尾松+华山松混交林幼林(96.24%)＞柳杉幼林(94.78%)＞无林地(92.55%)＞柏木幼林(91.64%)；方差分析的结果表明，不同植被类型＞0.25mm土壤干筛团聚体含量之间的差异达到极显著水平（F=5.61**）；采用最小显著差法（LSD法）进行多重比较：无林地和柏木幼林同麻栎灌木林、杉木+柳杉混交林幼林和马尾松+华山松混交林之间均存在显著或极显著差异，但是无林地同柏木幼林之间差异不显著，柳杉幼林同其它不同植被类型间差异不显著。

表2 不同植被类型表层土壤团聚体( 干筛) 组成Table 2 Composition of topsoil aggregate in different vegetation types

3.3 水稳性团聚体含量、平均重量直径和结构破坏率

水稳性团聚体是由有机质胶结而成的团粒结构，可以改善土壤结构，而且被水浸湿后不易解体，具有较高的稳定性[12]。因此，土壤水稳性团聚体含量可以作为抗蚀性的评价指标。由表3可知，不同植被类型＞0.25 mm水稳性团聚体含量为：麻栎灌木林(80.47%)＞马尾松+华山松混交林幼林(78.18%)＞柳杉幼林(76.21%)＞杉木+柳杉混交林幼林(75.31%)＞柏木幼林(66.70%)＞无林地(54.67%)，分别比无林地高出25.80%、23.51%、21.54%、20.65%和12.03%；方差分析结果：不同植被类型＞0.25 mm水稳性团聚体含量之间的差异达到显著水平（F=3.36*）；采用最小显著差法（LSD法）进行多重比较：5种不同植被类型相互之间差异不显著；除了柏木幼林外，其它不同植被类型与无林地之间差异显著。一般而言，用有机质含量和土壤水稳性团聚体含量作指标来评价土壤的抗蚀性时，二者之间的变化基本是一致的[12,21]；本文两者之间的关系亦是如此。相关分析结果表明：＞0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量之间呈显著的正相关关系（r=0.914*, n=6）。不同植被类型土壤表层的结构破坏率为：麻栎灌木林(18.10%)＜马尾松+华山松混交林幼林(18.77%)＜柳杉幼林(19.59%)＜杉木+柳杉混交林幼林(23.02%)＜柏木幼林(27.22%)＜无林地(40.94%)，相关分析结果表明：土壤表层的结构破坏率和土壤有机质含量之间呈显著的负相关关系（r=-0.880*,n=6）。从不同植被类型的水稳性团聚体平均重量直径（EMWD）来看，麻栎灌木林、马尾松+华山松混交林幼林、柳杉幼林、柏木幼林和杉木+柳杉混交林幼林分别比无林地高了2.30 mm、2.18 mm、2.03 mm、2.01 mm和1.68 mm，且不同植被类型同无林地之间差异显著（F=4.96*）。

表3 不同植被类型表层土壤水稳性团聚体含量、平均重量直径和结构破坏率Table 3 The content of water-stable topsoil aggregate, mean weight diameter and structural damage rate of different vegetation types

综合水稳性团聚体含量、结构破坏率和水稳性团聚体平均重量直径这几个指标分析可知：植被在改良土壤结构、增强土壤抗蚀性能方面有着显著的作用；不同植被类型土壤表层的抗蚀能力从强到弱依次为：麻栎灌木林＞马尾松+华山松混交林幼林＞柳杉幼林＞杉木+柳杉混交林幼林＞柏木幼林＞无林地。

3.4 以微团聚体含量为基础的土壤抗蚀性指标

团聚状况表示土壤颗粒的团聚程度，其值大则土壤抗蚀性强。团聚度以＞0.05mm微团聚体分析值占土壤相应粒级的百分比来表示土壤抗蚀性强弱，团聚度越大则土壤抗蚀性越强[21]。由表4可知，不同植被类型表层土壤团聚状况排序为：马尾松+华山松混交林幼林(24.07%)＞麻栎灌木林(19.45%)＞柏木幼林(16.25%)＞柳杉幼林(8.37%)＞杉木+柳杉混交林幼林(6.79%)＞无林地(6.31%)；团聚度表现为：马尾松+华山松混交林幼林(58.16%)＞麻栎灌木林(44.50%)＞柏木幼林(28.89%)＞柳杉幼林(28.40%)＞无林地(21.60%)＞杉木+柳杉混交林幼林(18.04%)。

表4 不同植被类型表层土壤的团聚状况、团聚度、分散率及分散系数Table 4 Aggregation situations, aggregation degree,dispersion rate and dispersion coefficient of different vegetation types

分散率和分散系数均以分析中低于规定粒级的颗粒，视为完全分离的颗粒，用完全分离的颗粒与机械组成分析值来表示土壤抗蚀性，分散率和分散系数越大，土壤抗蚀性越弱[3,21]。由表4可知，不同植被类型表层土壤的分散率和分散系数均以麻栎灌木林和马尾松+华山松混交林幼林最小，杉木+柳杉混交林幼林和柳杉幼林居中，无林地和柏木幼林为最大。

3.5 土壤抗蚀指数

土壤的抗蚀性是指土壤抵抗水分散和悬浮的能力，它是影响土壤侵蚀的重要因子，土粒在水中的稳定性越强，崩解的速度越慢，抗蚀性能就越强，抗蚀指数就越大 ；水浸检验是检验土壤抗蚀性能强弱的内在指标[13]。从抗蚀指数来看（图2），不同植被类型土壤表层的抗蚀能力强弱顺序为：麻栎灌木林(90.67%)＞柏木幼林(86.00%)＞柳杉幼林(84.00%)＞马尾松+华山松混交林幼林(82.67%)＞杉木+柳杉混交林幼林(74.00%)＞无林地(44.67%)，有林地的抗蚀性能均远高于无林地，由此也可说明植被对土壤抗侵蚀能力的影响很大，增加植被覆盖率能增加土壤的抗蚀性。

图2 不同植被类型表层土壤抗蚀指数Fig. 2 Topsoil anti-erosion indexes of different vegetation types

3.6 土壤抗蚀性各指标的主成分分析

为了进一步了解不同植被类型的土壤综合抗蚀性能以及各土壤抗蚀性因子对土壤抗蚀性的贡献，选取了有机质含量（X1）、＞0.25 mm团聚体含量(X2)、＞0.25 mm水稳性团聚体含量(X3)、结构破坏率(X4)、水稳性团聚体平均重量直径EMWD(X5)、土壤团聚状况(X6)、团聚度(X7)、分散率(X8)、分散系数(X9)、抗蚀指数(X10) 等以上10个与土壤抗蚀性较为密切的指标，考虑到各指标间的信息重叠和相互间的关联性，因此对其进行了主成分分析法，以较少的公因子代替原有指标，并尽可能保留原有指标的信息量，以最佳评价指标综合评价不同植被类型的土壤抗蚀性强弱。为了使因子载荷矩阵中的系数更加显著，在因子分析过程中对初始因子载荷矩阵进行旋转，对因子和原始变量间的关系进行重新分配，使相关系数向0～1分化，从而使公因子更加容易解释[23]（表5）。

由表5可知，主成分1贡献率达76.51%，主成分2贡献率达12.63%，二者累计贡献率达89.14%（＞85.00%），占总变异的绝大部分，信息损失量仅10.86%，可以满足主成分分析对信息损失量的要求，表明选用前2个主成分基本上能反映该小流域不同植被类型的土壤抗蚀性能。对主成分1贡献率最大的是X3、X4和X9，其中X3为正向贡献，X4和X9为负向贡献，说明＞0.25 mm水稳性团聚体含量越高，结构破坏率和分散系数

表5 不同植物类型表层土壤抗蚀性指标因子旋转后的载荷、特征根和累积贡献率Table 5 Loading factor, characteristic parameter, and cumulative contribution rate of topsoil anti-erodibility index of different vegetation types after factor rotation

越小，土壤的抗蚀性越强；对主成分2贡献率最大的是X6和X7，均为正向贡献，说明土壤团聚状况和团聚度越好，土壤的抗蚀性能越强。

由经标准化处理的各变量与特征向量之间的线性组合和每一主成分占总主成分之和的比例计算得到不同植被类型综合主成分分值（F综）。计算方法如下：

式中：Fi—第i主成分值，aij—第i主成分对应的特征向量，x*—变量标准化后的值，λi—为第i个特征根 ,λ总=λ1+λ2，F综—综合主成分分值 (简称综合分值)，计算结果见（表6）。

表6 不同植物类型表层土壤抗蚀性综合指数Table 6 Comprehensive index of topsoil anti-erodibility of different vegetation types

从表6可以看出，不同植被类型表层土壤抗蚀性综合指数由强到弱排序为：麻栎灌木林＞马尾松+华山松混交林幼林＞柳杉幼林＞杉木+柳杉混交林幼林＞柏木幼林＞无林地，其中麻栎灌木林、马尾松+华山松混交林幼林和柳杉幼林综合主成分值为正值，其余均为负值，差异明显。

4 结论与讨论

(1) 通过对黔中杠寨小流域5种不同植被类型表层土壤的有机质含量、团聚体指标和抗蚀指数等表征土壤抗蚀性指标的测定，并与无林地进行对比分析，发现除了少数几个指标外，各植被类型的土壤抗蚀性均要优于无林地，无林地对应的各抗蚀性指标的实测值基本上也都是最差的，表明植被在与土壤相互作用过程中，对土壤持水固土性能有一定的改善促进作用。麻栎灌木林在各抗蚀性指标上表现最好，其改良土壤结构和提高土壤抗蚀性的作用最为明显，其原因可能是因为麻栎灌木林作为落叶阔叶林，不仅生物量归还量大，而且凋落物易分解转化等造成的；马尾松+华山松混交林幼林在各抗蚀性指标上表现稍差与麻栎灌木林，但要优于其他几种植被类型；建议该小流域在以后石漠化综合治理和生态恢复过程中，对麻栎天然次生林应进行适当的人为管护措施，以提高其群落整体生态效应；可以把马尾松+华山松混交林作为重要生态公益林加以选择和营造。

(2) 通过对选取的10个与土壤抗蚀性较为密切的指标，进行主成分分析，所的结果与各个指标单独分析结果基本一致；＞0.25 mm水稳性团聚体含量、结构破坏率、分散系数、团聚状况和团聚度是评价该小流域不同植被类型土壤抗蚀性强弱的最佳五指标；该小流域不同植被类型表层土壤抗蚀性综合指数由强到弱排序为：麻栎灌木林＞马尾松+华山松混交林幼林＞柳杉幼林＞杉木+柳杉混交林幼林＞柏木幼林＞无林地。

致谢：贵州大学林学院程富东、张旭贤等在成文过程中给予的支持和帮助，特此致谢！

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Study on soil anti-erodibility of different vegetation types in Gangzhai small watershed of central Guizhou Province

WU Peng, ZHU jun, CUI Ying-chun, DING Fang-jun , ZHOU Wei
(Guizhou Forestry Academy, Guiyang 550005, Guizhou, China)

In order to evaluate the function of soil and water conservation about the major vegetation types in Gangzhai small watershed of central Guizhou, the top soil under the five vegetation types and the bare land were chosen as the research objective, and the soil anti-erodibility related indicators were selected, the erodibility differences in the different vegetation types were analyzed, and the principal component analysis was used to screen the best indicator of the evaluation of soil erosion resistance strength, the corrosion resistance of composite index was calculated, The results show that (1) the erodibility of five different vegetation types were superior to non-forest land (except for a few indicators), Quercus acutissima was the best in the performance of corrosion resistance index,mixed Forest of Pinus massoniana and Pinus armandii were in the second place; (2) the best evaluation five indicators under different vegetation types in the erodibility were more than 0.25 mm water-stable aggregate content, the rate of structural damage, the dispersion coefficient, aggregation situations and aggregation degree; (3) according to soil anti-erodibility comprehensive index, five different types of vegetation and woodland top soil erodibility index corrosion resistance were from strong to weak: acutissima shrub (1.302), young mixed forest of Pinus massoniana and Armand Pine (1.073), young Cryptomeria (0.190), mixed young forest of China fir and Chinese cryptomeria, Cryptomeria (-0.145), young cypress plantation (-0.428), bare land (-1.992). It is suggested that the small watershed in after rocky desertification and ecological recovery processacutissima natural secondary forest should be the appropriate human management and protection measures, in order to improve the community overall ecological effects select and create mixed forest of pine masson and armand as an important ecological public welfare .

Gangzhai small watershed; vegetation types; soil anti-erodibility

2012-01-24

贵州喀斯特地区石漠化综合治理监测评价指标体系与监测示范（黔科合0Z字[2009]2）；贵州省林业厅重大项目：贵州森林生态效益监测与评价（黔林科合[2010]）重大01号；《贵州省公益林可持续经营技术研究创新能力建设》（黔科合院所创能[2009]4002）

吴 鹏（1983—），男，山西高平人，助理研究员，从事森林培育及喀斯特森林生态系统定位观测研究；

E-mail:zuishaoxu@163.com

朱 军，研究员，从事森林土壤及“3S”技术研究，E-mail: zhujun8821@vip.163.com

S741.7

A

1673-923X(2012)08-0064-07

[本文编校：吴 彬]