毛竹林地不同植被恢復模式的土壤物理性質評價
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摘要：毛竹林地過度經營開發導致了林地生態系統的惡化，通過實施林下灌草植被恢復可以改善林地植被結構、增強水土保持功能和改善林地土壤性狀。因此，開展毛竹林下不同植被恢復模式的土壤物理性質評價，有利于指導毛竹林的經營與管理。采用灰色關聯分析法研究了毛竹純林下種植灌木和種植灌草兩種植被恢復模式對土壤持水能力和孔隙狀況的影響。研究結果表明：對過度開發毛竹林地進行植被恢復可以增加土壤非毛管孔隙數量，提高土壤持水能力11%～26%，土壤持水能力與孔隙數量有密切的關系。毛竹純林、毛竹林下種植灌木和種植灌草模式的灰色關聯度平均值分別為0.5273，0.6441和0.7652，說明毛竹純林下種植灌草植被模式的土壤物理性質最優，該模式可以顯著改善毛竹純林地的土壤物理性質。
關鍵詞：土壤性狀;毛竹林;植被恢復;灰色關聯分析
中圖法分類號：S157
文獻標志碼：A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.016
毛竹（Phyllostachys pubescens）在植物分類上是屬于禾本科（Gramineae）剛竹屬（Phyllostachy），是一種單軸散生型常綠喬木狀竹類植物。它是竹類植物中用途最廣泛的竹種，也是森林木竹中用途最多的植物品種之一。在毛竹林產業發展過程中，毛竹林地的經營管理技術也得到了發展。同時，由于毛竹林具有生產效益高，固碳能力強，生態功能好，產業發展前景廣闊的特點而受到政府的高度重視。在相應優惠政策和扶持措施的支持下，毛竹林地的生產經營成為了山地丘陵區農民增收的重要方式。在毛竹主產區，林農家庭經濟50%以上來源于毛竹相關產業。浙江省安吉縣是中國著名的毛竹之鄉，居全國十大“竹子之鄉”之首，竹類經濟成為了安吉的支柱產業和經濟增長點。但由于林農片面追求經濟利益最大化，過度地索取竹林資源，頻繁淺耕淺鋤，導致林下植被減少，水土流失嚴重，土壤理化性質惡化，水源涵養能力減弱，毛竹林地的水土保持功能銳減，嚴重制約了毛竹林資源的可持續發展。為了改善過度開發毛竹林地的生態環境狀況，開展毛竹林地的植被恢復模式及其對土壤物理性質的影響研究具有重要意義，可為過度開發毛竹林地的土壤功能保育和可持續發展提供實踐依據。
在土壤性質評價中，大多數學者采用了層次分析法、主成分分析法、神經網絡法、灰色關聯度法對土壤性質進行綜合評價。其中，灰色關聯分析法能夠很好處理信息不完整的問題，特別是在樣本數量少且規律不明顯的評價指標上，通過數據轉化與分析，可以篩選出與理想目標最接近的方案，并在電力、醫療、管理、林業、農業、環保，生態等領域得到廣泛應用和發展。在土壤綜合評價方面，灰色關聯分析法也得到了發展和應用。本文以過度開發毛竹林為研究對象，設置毛竹純林、林下種植灌木和林下種植灌草3種類型試驗小區，利用灰色關聯分析法對試驗小區的土壤物理性質進行綜合評價，探尋改善過度開發毛竹林地土壤物理性質的最佳恢復模式，旨在為南方低山區低質毛竹林改造提供參考和依據。
1 研究區概況
研究試驗點位于浙江省安吉縣杭垓鎮唐舍村毛竹現代科技示范園區內（119°20'27"E，30931'02"N），地處天目山主峰龍王山余脈，海拔270m，坡度在15°～20°之間。該區域屬于中亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，多年平均氣溫15.59C，多年平均相對濕度81%;多年平均降雨量1550mm，年最大降雨量1870mm，最小850mm。降雨在年內分布不均，主要集中在5～9月。研究試驗點土壤為山地紅壤，土層以中等厚度為主，沖積土層較厚，土質疏松，以輕壤質土為主，但毛竹林土壤礫石含量高。唐舍村擁有林木面積8.98km2，其中毛竹林面積6.79km2，占總林木面積比例高達75.6%。該村在竹林培育方面具有較悠久的歷史，積累了毛竹勾稍、竹山清理等方面的技術經驗。但由于林農的生態保護觀念不強，長期采取林下全清全墾，毛竹純林化趨勢越來越嚴重，導致竹林生態功能減弱，例如涵養水源、水土保持等功能下降，這些生態問題嚴重威脅了該區毛竹產業的可持續發展。
2 材料和方法
2.1 試驗小區設置
在研究區內選擇具有代表性的坡面建立試驗小區（長20m，寬5m），并于2009年設置了毛竹純林小區（I類）、毛竹林下種植楊桐（Adinandra millti）植物籬小區（II類，單一灌木模式，在毛竹林下等高帶狀種植楊桐，楊桐共種植16個條帶，條帶間距4m，每條帶2行楊桐，行距1m，株距1m）、毛竹林下種植大苞萱草（Hemerocallis midendorffi）+楊桐植物籬小區（II類，灌草恢復模式，楊桐種植方法同上，大苞萱草種植在2行楊桐之間，大苞萱草帶寬30cm），每種類型設置3個重復小區，共計9個試驗小區，詳見表1。研究對試驗小區內的每株毛竹進行測量，詳細記錄立竹胸徑、郁閉度、立竹密度等信息。
2.2 土壤樣品采集與測試
經過多年的毛竹林下植被恢復，于2015年3月，采用100cm3環刀對各試驗小區上、中、下3部位0～20cm土層的土壤進行了原狀土樣樣品采集，以供土壤指標測試，共計取得原狀土壤土樣27個。本次研究中的土壤密度、土壤含水率、土壤孔隙等指標參照衛茂榮[27]提出的方法測試與計算。
2.3 數據處理與統計分析
數據的整理計算在Excel中進行，采用SPSS 13.0進行數據統計分析。在關聯分析時，首先需對各類數據進行標準化處理，將其轉化為無量綱的純數值，使其落入一個小的特定區間，便于不同單位或量級的指標能夠進行比較和加權。不同的標準化方法，對系統的評價結果會產生不同的影響，因此本研究采用多種標準化方法進行共同比較分析。數據的標準化處理方法包括歸一準化法、標準差標準化法、離差標準化法、均值標準化法、模糊量化標準化法，具體計算公式見文獻。 2.4 土壤性狀健康評價
由于不同植被恢復后毛竹林土壤性狀指標的變化趨勢和狀態并不一致，本次研究采用灰色關聯分析方法對毛竹林不同植被模式的土壤性狀進行灰色關聯分析。土壤性狀正向指標越大表明越健康，負向指標越大表示越不健康。選擇各指標的最優數據作為參考序列（X，），求得比較序列或實測序列（X;）對應參考序列各點的關聯系數和關聯度，將關聯度進行排序，關聯度越大表明實測序列與參考序列關系越密切，反之則疏遠。關聯系數（ζ;”））和關聯度（γ;）分析計算方法如下：
公式
式中，ψ°為灰色分辨系數，取值范圍在0～1之間，通常取0.5。
3 結果分析
3.1 土壤物理性質比較分析
通過對不同植被恢復措施毛竹林地土壤密度的測定（表2）可以看出，試驗區3種類型毛竹林地土壤密度變化范圍在1.03～1.22g/cm3之間，土壤密度大小關系為I類>II類>類。對3種毛竹林地土壤密度進行方差分析，結果顯示I類毛竹林與II類和II類毛竹林地的密度存在顯著性差異（P<0.05），而II類和II類毛竹林地之間無顯著性差異。表明毛竹林地進行灌草植被恢復，一方面增加了土壤中植物根系密度;另一方面增加和攔截了枯落物，增加了林地土壤有機成分進而改善土壤密度。
在土壤水指標中土壤最大持水率、毛管持水率、田間持水率和吸濕含水率分別反映了土壤的最大容水能力、直接供水能力、土壤生產能力以及土壤膠體含量。對3種毛竹林地土壤的最大持水率、毛管持水率、田間持水率以及吸濕含水率進行測定的結果得出，4種持水率均以I類毛竹林地最高，相對于I類毛竹林地，最大持水率、毛管持水率和田間持水率提高了21%～26%，吸濕含水率提高了14.8%;II類毛竹林地前3項指標提高了11%～18%，吸濕含水率提高了5.9%。通過方差分析發現，I類毛竹林地的最大持水率顯著小于II類和II類毛竹林地，而II類和II類毛竹林地之間沒有顯著性差別;對于毛管持水率、田間持水率和吸濕含水率來講，I類和II類毛竹林地之間沒有顯著性差異，而與II類毛竹林地具有顯著性差異，亦即I類毛竹林地的毛管持水率、田間持水率和吸濕含水率顯著高于I類和II類毛竹林地。這表明在過度開發的毛竹純林地進行灌草植被恢復，增加了地表覆蓋和根系通道，在一定程度上改善了土壤物理性質，提高了土壤的持水能力;但灌草植被結合的恢復模式效果優于只有灌木的恢復模式。
土壤孔隙及其組成直接影響到土壤中的水、氣、熱等諸因素，也是表征土壤結構的重要指標。從3種類型毛竹林地的孔隙數量關系來看，不同類型毛竹林地3種孔隙數量關系均表現為I類>II類>I類;相比I類毛竹林地，II類和II類毛竹林地的總孔隙分別提升了11.2%和8.2%，毛管孔隙提升了7.6%和4.3%，非毛管孔隙提升了35.1%和33.9%。同時通過方差分析得出，3種毛竹林地的土壤總孔隙數量和土壤毛管孔隙數量沒有顯著性差異，但II類毛竹林地的非毛管孔隙數量顯著高于I類和II類。由此可見，過度開發毛竹林地通過林下灌草組合的植被恢復模式可以顯著改善林地土壤的孔隙數量和蓄水空間。
3.2 土壤物理性質相關分析
利用SPSS 13.0軟件對3種毛竹林地的土壤密度、土壤孔隙和土壤水分物理性質指標進行相關分析，不同物理性質指標之間的Pearson相關系數矩陣見表3。相關性分析結果表明，土壤密度與土壤孔隙、土壤水分指標總體上呈現顯著的負相關關系。在土壤孔隙中，非毛管孔隙和總空隙對土壤密度產生了重要影響。最大持水率和毛管持水率與土壤毛管孔隙和總孔隙的正相關性顯著，而田間持水率與總孔隙有顯著性正相關，吸濕含水率與非毛管孔隙有顯著性正相關。土壤水分指標之間也存在一定的相關性，其中最大持水率、毛管持水率和田間持水率之間正相關性顯著，吸濕含水率只與田間持水率的正相關性顯著。在土壤孔隙度中，總孔隙數量與毛管孔隙數量呈顯著正相關，這與毛管孔隙數量占總孔隙數量的比例有關，3種毛竹林地毛管孔隙占總孔隙的比例在83%～87%之間。
3.3 土壤物理性質綜合評價
土壤物理性質的優劣在一定程度上反映了土壤健康狀況水平。土壤物理性質直接或間接地制約著土壤中礦質養分轉化及其存在形態和供給，對土壤中微生物的活動也產生影響，進而對土壤肥力狀況產生間接影響。不同植被恢復模式對毛竹林地土壤物理性質指標的改善程度存在差異，3種類型毛竹林地土壤物理指標實測序列與參考序列的關聯度計算結果見表4。從表中可以看出，利用歸一化法、標準差法、離差法、均值法和模糊量化法處理的數據序列，3種類型毛竹林地土壤物理性質指標關聯度大小表現出明顯的梯度關系，不同類型毛竹林地關聯度系數平均值呈現為I類（0.74～0.84）>II類（0.57～0.73）>I類（0.40～0.66），而模糊量化法得出的關聯度系數差異不大，集中在0.65～0.68之間。從5種標準化處理方法的關聯度平均值來看，3種類型毛竹林地關聯度均值分別為0.53，0.64和0.77，表明II類毛竹林地的綜合土壤物理性質最接近參考序列，亦即土壤物理性質最優。
從3種毛竹林地不同標準化處理后的關聯度方差分析結果來看。歸一化法和離差法得到的關聯度方差分析顯示3種類型毛竹林地土壤物理性質兩兩之間在0.05水平上具有顯著差異，表明I類毛竹林地土壤物理性質顯著優于II類毛竹林地，II類毛竹林地顯著優于I類。標準差法得到的關聯度方差分析表明，在土壤物理性質方面，I類和II類毛竹林地之間沒有顯著性差異，而I類毛竹林地顯著優于I類和I1類。均值法處理的結果則表明，II類和II類毛竹林地的土壤物理性質沒有顯著差異，但它們顯著優于I類。模糊量化法處理結果顯示3種類型毛竹林地土壤物理性質沒有顯著性差異。對5種關聯度的均值分析得出，I類和I類、I類和I類毛竹林地土壤物理性質沒有顯著差異，而I類和II類毛竹林地土壤物理性質具有顯著性差異。因此，從土壤物理性質綜合評價來講，過度開發毛竹林地進行單一的灌木植被恢復模式對土壤物理性質的有一定的改善作用，而灌草結合的植被恢復模式可以顯著改善林地土壤物理性質。 3.4 土壤物理性質影響因子解析
表5反映了土壤物理性質單項指標與參考值之間的關聯系數。從表中可以得出，I類毛竹林地土壤密度X1、毛管孔隙Xs、總孔隙X，和吸濕含水率Xg的平均關聯系數在0.60～0.69之間，最大持水率X，、毛管持水率X;和田間持水率X4的平均關聯系數在0.52～0.55之間，而非毛管孔隙X。的平均關聯系數小于0.5?？梢姡^低度開發毛竹純林地土壤非毛管孔隙非常差，持水能力也非常弱。II類毛竹林地土壤密度和總孔隙的平均關聯系數在0.80以上，最大持水率、毛管孔隙、非毛管孔隙的平均關聯系數在0.72～0.75之間，毛管持水率、田間持水率和吸濕含水率的平均關聯系數在0.64～0.70之間，與I類毛竹林地相比，II類毛竹林地對非毛管空隙關聯系數的提高最大，其次是最大持水率。I類毛竹林地土壤密度的關聯系數在0.90以.上，最大持水率、毛管持水率、田間持水率、毛管孔隙、總孔隙吸濕含水率的平均關聯系數在0.80～0.89之間，非毛管孔隙的平均關聯系數為0.78。與I類毛竹林地相比，I類毛竹林地對最大持水率、毛管持水率、田間持水率和非毛管孔隙關聯系數的提高非常大。同時，I類毛竹林地的田間持水率和吸濕含水率關聯系數也比II類毛竹林地也有較大提高。
從3種類型毛竹林地土壤物理單項指標關聯系數的方差分析來看，3種類型毛竹林地的土壤密度關聯系數在0.05水平上存在顯著性差異，表明過度開發毛竹林地進行灌木或灌草結合的植被恢復可以顯著改善土壤密度。II類毛竹林地土壤的最大持水率、毛管持水率、田間持水率、非毛管孔隙和吸濕含水率關聯系數顯著大于I類和II類毛竹林，而I類和II類之間沒有顯著差異，說明過度開發毛竹林地進行灌草結合的植被恢復能夠顯著提高土壤的持水能力，而單一的灌木恢復模式對持水能力的改善作用不顯著。對于毛管孔隙和總孔隙兩個指標來講，在統計上，兩種植被恢復模式沒有顯著的改善作用。
4 結論與討論
經營方式對毛竹林生態系統的物種多樣性、毛竹林結構及其生產能力具有重要的影響，長期過度的不合理經營方式在很大程度上導致了毛竹林地土壤性質的惡化。本文對2009年實施植被恢復的過度開發毛竹林地進行土壤物理性質研究，結果表明相對于I類毛竹林地（過度開發毛竹純林），II類毛竹林地（林下套種單一灌木）和II類毛竹林地（林下套種灌草）均能改善土壤的物理性質，其中兩種恢復模式均能顯著改善土壤密度;II類毛竹林地提高土壤持水能力11%～18%，II類毛竹林地提高土壤持水能力21%～26%;植被恢復可以提升土壤蓄水空間，主要以提升非毛管孔隙數量為主。土壤物理性質指標之間也存在相關性，土壤密度與其他土壤物理指標呈負相關關系，土壤持水能力與孔隙數量的關系非常密切。運用灰色理論對不同毛竹林地的土壤物理性質進行評價得出，II類毛竹林地的土壤物理性質最優，可以顯著改善土壤的持水能力和非毛管孔隙數量。
毛竹林的純林化經營是許多毛竹主產區最主要的經營方式，樓一平等認為長期的純林化經營是導致毛竹林地退化的主要原因。劉廣路等[311的研究表明毛竹純林的集約化經營可以改善土壤的物理性質。本研究則表明毛竹林下植被恢復可以提高土壤物理性質，研究結果與多數結果較為一致。而范少輝等指出毛竹林種植密度對林地土壤性質也具有影響，合理的種植密度（2400株/hm2）有利于改善土壤質量。本研究設置的毛竹林種植密度接近該種植密度。同時，范少輝等還研究得出土壤質量與土壤層次有關，由于本研究只對表層土壤物理性質進行了研究，無法判斷植被恢復在改善深層土壤性質方面的作用。另外，植被恢復增加了林地的生物多樣性，而生物多樣性對土壤性狀的影響有待進一步研究。林地植被恢復對土壤環境的影響是一個長期的作用過程，也是各項因素綜合作用的結果。因此，開展毛竹林植被恢復的長期定位監測和系統評價可以為治理退化生態系統植被恢復提供技術。
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Assessment of soil physical properties under different undergrowth restoration patterns in phyllostachys pubescens forest
LI Gang'，LIU Xiangchao'，ZHANG Yousong'，SHI Xin'，WANG Ran'，LU Fangchun2
?。?. Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.，Ld.，Hangzhou 310020，China;2. Zhejiang Provincial Key Laboratoryof Hydraulics Disaster Prevention and Mitigation，Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）
Abstract：The overexploitation of the Phyllostachys pubescens forest leads to the deterioration of the forest ecosystem. Under-growth restoration in the Phyllostachys pubescens forest can improve undergrowth structure，enhance soil and water conservationfunction and improve soil properties. Therefore，the assessment of soil physical properties under different undergrowth restorationpatterns in the Phyllostachys pubescens forest is helpful to guide its operation and management. The grey correlation analysismethod was applied to study the effects of two patterns on soil water holding capacity and pore condition. One pattern was plantingshrub，the other one was planting shrub and grass. The results showed that the undergrowth restoration can increase the numberof soil noncapillary pores and improve soil water holding capacity by 11% ～ 26%. Soil water holding capacity was closely related to the amount of soil pores. The mean correlation degrees of net Phyllostachys pubescens forest，undergrowth of planting shruband undergrowth of planting shrub and grass were 0.5273，0. 6441 and 0.7652，respectively. It was indicated that the physical properties of the shrub-grass pattern was the best and can significantly improve the soil physical properties.
Key words：soil properties;Phyllostachys pubescens forest;undergrowth restoration;grey correlation analysis
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