太原東山試驗林場土壤理化性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率的坡向分異規(guī)律研究

佘 波, 武曉紅

(山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 太原 030009)

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太原東山試驗林場土壤理化性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率的坡向分異規(guī)律研究

佘 波, 武曉紅

(山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 太原 030009)

為了探究太原東山試驗林場不同坡向條件土壤性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率變化的規(guī)律，選取東山林場無植被覆蓋裸地和油松林地的陽坡、陰坡、半陰半陽坡共6個樣地進(jìn)行土壤采樣，測定了土壤基本性質(zhì)及養(yǎng)分含量，并用環(huán)刀分層取土，測定土壤飽和導(dǎo)水率，對比分析了土壤性質(zhì)、養(yǎng)分及飽和導(dǎo)水率的坡向分異規(guī)律。結(jié)果表明：坡向?qū)ν寥烂芏葻o影響；裸地土壤含水率表現(xiàn)為陰坡>半陰半陽坡>陽坡；油松林地土壤含水率、土壤養(yǎng)分元素含量、土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，陽坡表層土壤(0—30 cm)石礫含量少于其他坡向，總孔隙度高于其他坡向。坡向?qū)ν寥佬再|(zhì)及飽和導(dǎo)水率的影響是通過植被產(chǎn)生作用。在今后對林地土壤性質(zhì)及水分入滲的研究中不能忽略坡向的影響。

坡向; 土壤養(yǎng)分; 土壤含水率; 石礫含量; 土壤飽和導(dǎo)水率

坡向會顯著影響光照條件，從而導(dǎo)致坡地?zé)崃考八謼l件差異[1]。坡向差異對植物的多樣性分布也有較明顯的影響[1]。劉佳鑫等[2]研究發(fā)現(xiàn)，不同坡向的土壤侵蝕表現(xiàn)出明顯差異。土壤飽和導(dǎo)水率是決定坡地降水入滲及坡面徑流的關(guān)鍵，是土壤侵蝕模型的重要參數(shù)[3-5]，對飽和導(dǎo)水率的研究對研究地表徑流調(diào)節(jié)和水土流失的防治具有重要意義[6]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行了諸多研究，發(fā)現(xiàn)土壤性質(zhì)、植被群落特征、微生物群落特征、營養(yǎng)元素含量均會對其產(chǎn)生影響[7-8]，但針對不同坡向條件土壤飽和導(dǎo)水率特征的研究相對較少。土壤密度、含水率等基本性質(zhì)會影響土壤的入滲特性，其決定了生態(tài)系統(tǒng)的安全與否[9]。研究發(fā)現(xiàn)坡向會對土壤含水率產(chǎn)生影響，但其規(guī)律在不同土地利用方式和土層深度條件下有很大差異[10-14]。土壤養(yǎng)分對林木生長有重要作用，從而對土壤水運移及生態(tài)環(huán)境變化有重要影響[15]。羅由林等[16]研究發(fā)現(xiàn)川中丘陵區(qū)土壤有機碳與全氮與坡向呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，表現(xiàn)陰坡的有機碳和全氮含量高于陽坡。劉旻霞等[10]發(fā)現(xiàn)土壤全氮、有機質(zhì)和速效氮的大小均為陰坡>陽坡>偏陰坡，趙彤等[17]發(fā)現(xiàn)不同土地利用區(qū)域土壤養(yǎng)分元素表現(xiàn)出不同的坡向差異響應(yīng)規(guī)律。因此，有必要在不同類型坡地土壤進(jìn)行對比研究，探討裸地和典型植被覆蓋區(qū)域的土壤性質(zhì)、養(yǎng)分元素及飽和導(dǎo)水率對坡向差異的響應(yīng)規(guī)律。

太原東山地區(qū)是太原及周邊市縣的重要生態(tài)屏障之一。本研究以東山試驗林場無植被覆蓋裸地及典型植被覆蓋林地為研究對象，對土壤分層取樣，測定土壤基本性質(zhì)、土壤養(yǎng)分及飽和導(dǎo)水率，對比分析不同坡地類型條件下土壤性質(zhì)及土壤飽和導(dǎo)水率的坡向分異規(guī)律，以期為此地區(qū)土壤性質(zhì)及水分運移能力的坡向響應(yīng)特征提供理論依據(jù)，為促進(jìn)此地區(qū)水土流失的防治、飲水安全以及植被的合理營造做出貢獻(xiàn)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省太原市東山試驗林場。太原市地理坐標(biāo)為37°27′—38°25′N，111°30′—113°09′E。東山試驗林場位于太原市東北面，系太行山脈，冬鄰壽陽縣，南鄰晉中市，西鄰陽曲縣。東山屬于太原市重要的生態(tài)屏障之一，其對改善太原及周邊市縣的生態(tài)及水資源環(huán)境有很大幫助。研究區(qū)地處大陸內(nèi)部，在全國氣候區(qū)劃中屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量達(dá)到442 mm，年蒸發(fā)量約為1 877 m，年均氣溫為9.5℃，研究區(qū)1月份溫度最低，平均溫度約-6.8℃；7月份達(dá)到最高溫度，平均溫度約23.5℃[18]。研究區(qū)主要地帶性土壤為褐土，土壤整體呈現(xiàn)微堿性或堿性反應(yīng)。試驗地林草植被豐富，有喬灌木120余種，其中油松(Pinustabuliformis)是主要的人工林，還有少量落葉松(Larixgmelinii)人工林，主要地帶性植被為油松及遼東櫟(Quercuswutaishanica)[19]。

1.2樣地選擇及土樣采集

試驗采樣于2014年7月在太原東山林場進(jìn)行。在林場相近海拔地區(qū)選擇2個坡度基本一致、陰陽坡分異明顯的坡地，在陰坡、陽坡、半陰半陽坡分別選擇有油松人工林地及無植被裸地各1個共6個樣地，為最小化油松生長狀況不同帶來的誤差影響，其中油松林齡均選取為20 a，郁閉度均為0.6，油松高度均在13～15 m范圍內(nèi)。坡向標(biāo)準(zhǔn)為陰坡(0°～45°，315°～360°)，半陰半陽坡(45°～135°，275°～315°)，陽坡(135°～275°)[20]。樣點基本情況如表1所示。

表1樣點基本情況

坡向植被群落海拔/m土厚/m枯落物厚度/cm空氣溫度/℃空氣相對濕度/%陰坡裸地13001.102265陽坡裸地13101.202160半陰半陽坡裸地13100.902165陰坡油松13201.11～22170陽坡油松13001.01～22060半陰半陽坡油松13100.91～22165

在每個樣地隨機選取3個樣點進(jìn)行土樣采集，采樣分5層(0—10，10—20，20—30，30—40，40—60 cm)，每層均用環(huán)刀取原狀土、鋁盒取樣以及自封袋取樣，其中環(huán)刀和鋁盒取樣每層設(shè)置3個重復(fù)，所有樣品帶回實驗室并立即進(jìn)行測定。

1.3試驗方法

土壤飽和導(dǎo)水率采用恒定水頭法[4]；土壤含水率采用烘干法；土壤密度采用比重瓶法；土壤養(yǎng)分元素測定參考鮑士旦主編的土壤農(nóng)化分析手冊[21]，其中土壤全氮采用開氏定氮法，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法，速效磷采用浸提—鉬銻抗比色法；土壤石礫含量采用排水法[22]；土壤總孔隙度采用氣壓平衡法[23]。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

將每層土壤的3個重復(fù)取平均值用于數(shù)據(jù)分析。利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)空間變異分析理論研究各坡地各土層不同坡向條件各土壤性質(zhì)的變異特征，用變異系數(shù)Cv進(jìn)行數(shù)據(jù)的變異性分析，變異系數(shù)計算公式為Cv=SD/M×100%，其中SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，M為平均值。變異程度具體分級為：Cv≤10%表明變異性弱，10%

2　結(jié)果與分析

2.1不同坡向條件土壤密度及含水率

如圖1所示，裸地及油松林地的土壤密度顯現(xiàn)出不同的坡向差異響應(yīng)規(guī)律。裸地土壤密度均表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡，且差異均較顯著(p<0.05)，除了30—40 cm土層外，均表現(xiàn)為陽坡>陰坡，陰坡與半陰半陽坡比較，看出除0—10 cm土層外，陰坡土壤密度均高于半陰半陽坡。裸地土壤密度總體表現(xiàn)為陽坡>陰坡>半陰半陽坡，但結(jié)合表2中土壤密度變異系數(shù)分析，其不同坡向的土壤密度差異不顯著。油松林地的土壤密度特征卻表現(xiàn)出不同的特征，0—20 cm土層油松林地土壤密度表現(xiàn)為半陰半陽坡>陽坡>陰坡，20—40 cm土層卻表現(xiàn)為陽坡>陰坡>半陰半陽坡，40—60 cm土層表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，總體來看油松林地的土壤密度沒有明顯的坡向差異響應(yīng)。可見，坡向?qū)ν寥烂芏葲]有明顯影響。

表2不同坡地類型分層土壤性質(zhì)、養(yǎng)分元素及飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)%

坡地類型土層/cm土壤密度含水率總孔隙度石礫含量全氮速效鉀速效磷飽和導(dǎo)水率0—103.1220.057.549.7317.473.069.0417.4010—205.6610.8315.879.4826.2212.346.9145.08裸地20—304.9014.178.9328.9228.4310.416.7915.7930—403.8923.686.8622.5018.8825.2312.5831.6140—605.8120.1610.1916.4716.4413.9511.2622.050—103.6325.6710.1926.9632.3410.275.6222.5410—204.4311.7910.2519.3837.7213.189.4323.78油松林地20—306.6415.635.6819.0138.6615.391.2332.8930—405.139.331.9811.8127.9514.773.7828.4840—605.9421.542.4216.6035.117.808.0733.27

圖1　不同坡向條件土壤密度

由圖2可見，裸地和油松林地的土壤含水率坡向響應(yīng)規(guī)律差異明顯。裸地0—60 cm土層土壤含水率均明顯表現(xiàn)出陰坡>陽坡的規(guī)律(p<0.05)，除10—20 cm土層半陰半陽坡土壤含水率約等于陽坡外，其余土層均表現(xiàn)出半陰半陽坡土壤含水率大于陽坡的規(guī)律，總體來看，裸地土壤含水率表現(xiàn)為陰坡>半陰半陽坡>陽坡。油松林地0—40 cm土層土壤含水率均表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，其中陽坡陰坡的差異性明顯，10—20，30—40 cm土層的半陰半陽坡與陽坡間土壤含水率的差異不明顯，40—60 cm土層土壤含水率表現(xiàn)為陰坡>半陰半陽坡>陽坡，結(jié)合表2各坡向土壤含水率的變異系數(shù)得出不同坡向的土壤含水率變異性很強，可見坡向?qū)ν寥篮视酗@著影響。由圖2還可以看出，隨著土層的深入，坡向之間的土壤含水率差異程度隨之降低，可以推測，坡向?qū)Ρ韺油寥篮实挠绊懘笥谏顚油寥馈?/p>

2.2不同坡向條件土壤養(yǎng)分特征

兩種坡地類型各坡向土壤全氮、速效鉀、速效磷測量結(jié)果如表3所示。土壤全氮表現(xiàn)為裸地油松林地陽坡>油松半陰半陽坡>油松陰坡>裸地半陰半陽坡>裸地陰坡>裸地陽坡，結(jié)合表2可知油松林地土壤全氮含量的坡向變異程度均極顯著(Cv>20%)，裸地的土壤全氮含量的坡向變異也較強烈。油松林地土壤全氮含量表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，而裸地土壤全氮含量表現(xiàn)為半陰半陽坡>陰坡>陽坡，這可能是由于陽坡的光熱條件更好，利于植被的生長，從而使得土壤全氮含量增多。

0—30 cm土層土壤速效鉀含量表現(xiàn)為油松陽坡>油松半陰半陽坡>油松陰坡>裸地陽坡≈裸地陰坡≈裸地半陰半陽坡，30—60 cm土壤速效鉀規(guī)律不明顯，結(jié)合表2可知，油松林地0—30 cm土層速效鉀含量的坡向差異響應(yīng)較強(10%半陰半陽坡>陰坡，但這種規(guī)律也僅存在于表層土(0—30 cm)；裸地20—60 cm土層速效鉀含量的坡向差異較顯著，但各層次土壤坡向規(guī)律有差異，因此裸地的土壤速效鉀含量沒有明顯的坡向差異響應(yīng)規(guī)律。

油松林地土壤速效磷含量表現(xiàn)為0—30 cm土層陽坡>半陰半陽坡>陰坡，但差異不顯著，30—60 cm土層無明顯規(guī)律；裸地土壤速效磷無明顯規(guī)律，結(jié)合表2變異系數(shù)分析得出，油松林地及裸地土壤速效磷含量均無明顯的坡向變異規(guī)律。

圖2　不同坡向條件土壤含水率

表3不同坡向土壤養(yǎng)分含量

樣地名稱土層/cm全氮/(g·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)0—100.162±0.01917.07±2.6884.816±0.45510—200.108±0.00713.149±0.6874.593±0.287裸地陽坡20—300.062±0.0207.541±2.2664.674±0.32430—400.028±0.0145.541±0.5484.554±0.23040—600.036±0.0238.275±3.1194.480±0.2010—100.230±0.04218.012±2.2845.690±0.280裸地半陰10—200.152±0.10611.327±2.0614.257±1.461半陽坡20—300.089±0.0319.276±2.1004.116±0.68730—400.035±0.0148.959±0.8764.554±0.32940—600.049±0.0366.250±1.7214.419±0.6960—100.213±0.03618.012±3.2725.622±0.34310—200.093±0.03010.327±2.2285.080±0.482裸地陰坡20—300.112±0.0398.276±1.6714.486±1.48930—400.024±0.0048.959±0.9434.448±2.01840—600.041±0.0257.250±1.9064.486±1.7490—100.484±0.17767.074±8.0557.028±1.68210—200.383±0.01153.491±1.7266.783±1.677油松陽坡20—300.350±0.00815.541±0.5245.622±0.45530—400.186±0.0075.541±0.5795.028±0.28040—600.172±0.0058.276±2.5485.486±0.5350—100.320±0.03459.724±8.8356.570±1.248油松半陰10—200.239±0.05748.003±5.6016.125±0.841半陽坡20—300.193±0.01920.581±1.3845.574±0.27430—400.170±0.0107.250±0.8445.419±0.42840—600.129±0.0127.250±0.6235.216±0.7210—100.263±0.11154.724±6.6826.290±0.62310—200.187±0.08841.003±7.3615.622±1.744油松陰坡20—300.184±0.03420.581±2.2985.486±0.45730—400.105±0.0257.250±1.6435.283±0.26540—600.082±0.0087.250±0.6984.674±0.978

注：表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3不同坡向條件土壤石礫及孔隙度

如圖3所示，裸地0—60 cm土層各坡向間石礫含量均表現(xiàn)為陽坡>陰坡>半陰半陽坡，但0—20 cm土層極不明顯，20—60 cm土層較明顯，結(jié)合表2石礫含量的變異系數(shù)可知裸地石礫含量總體表現(xiàn)為陽坡>陰坡>半陰半陽坡。油松林地0—30 cm土層表現(xiàn)為石礫含量陰坡>陽坡≈半陰半陽坡，且極顯著(p<0.05)，30—60 cm土層石礫含量表現(xiàn)為半陰半陽坡>陰坡>陽坡，但較不明顯，結(jié)合表2分析，不同坡向間土壤石礫含量有較明顯差異，但表層土壤和深層土壤的差異規(guī)律不一致，其中表層土壤(0—30 cm)表現(xiàn)為陰坡石礫含量遠(yuǎn)大于其他坡向土壤，但深層土壤(30—60 cm)土壤規(guī)律不明顯，這可能是由于表層土壤由于林木根系對土壤結(jié)構(gòu)的改良作用從而使石礫含量發(fā)生了改變，而陽坡由于光熱作用較好，更適宜林木的生長，從而對土壤結(jié)構(gòu)的改善作用更優(yōu)。

圖3　不同坡向條件土壤石礫含量

如圖4所示，裸地的土壤總孔隙度沒有明顯的坡向變異性，每層土壤的土壤孔隙度的坡向規(guī)律各不相同。但油松林地的0—30 cm土層土壤總孔隙度表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，且均較顯著(p<0.05)，30—60 cm土層無明顯規(guī)律，可見油松林地的表層土壤(0—30 cm)也表現(xiàn)出類似于石礫含量的坡向差異響應(yīng)規(guī)律，油松林地陽坡的土壤總孔隙度明顯大于其他坡向，這應(yīng)該是由于陽坡的林木根系發(fā)育更好，從而導(dǎo)致孔隙增多。從不同坡向的石礫含量和總孔隙度可以看出，林地表層土壤結(jié)構(gòu)存在坡向差異。

圖4　不同坡向條件土壤總孔隙度

2.4不同坡向條件土壤飽和導(dǎo)水率

如圖5所示，可見裸地每層土壤表現(xiàn)出不同的規(guī)律，可見坡向?qū)β愕氐耐寥里柡蛯?dǎo)水率無明顯影響，而其主要決定于土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。油松林地0—60 cm土層均表現(xiàn)為陽坡的土壤飽和導(dǎo)水率顯著大于其他坡向(p<0.05)，結(jié)合變異系數(shù)得知其變異程度極強，陰坡與半陰半陽坡的土壤飽和導(dǎo)水率差異不顯著，總體來看，不同坡向?qū)β愕赝寥里柡蛯?dǎo)水率的影響不明顯，但會較顯著影響油松林地土壤飽和導(dǎo)水率，表現(xiàn)為陽坡的土壤飽和導(dǎo)水率最高。

圖5　不同坡向土壤飽和導(dǎo)水率

3　結(jié)論與討論

(1) 坡向?qū)ν寥烂芏葻o明顯影響，但會顯著影響土壤含水率，其中裸地土壤含水率總體表現(xiàn)為陰坡>半陰半陽坡>陽坡，而油松林地土壤含水率總體表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，可見土地利用類型會對土壤含水率的坡向響應(yīng)有影響，這是由于林木具有水分涵養(yǎng)作用，而陽坡光熱條件更適林木生長，從而林地的陽坡土壤含水率反而高于陰坡。

(2) 坡向?qū)β愕赝寥鲤B(yǎng)分無明顯影響，但油松林地表層土壤(0—30 cm)全氮、速效鉀及速效磷表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，可見坡向會影響林地表層土壤營養(yǎng)元素含量，這是由于坡向差異導(dǎo)致林木生長差異，從而影響了植物葉片對土壤營養(yǎng)元素的返還及土壤的營養(yǎng)元素儲存能力。

(3) 裸地不同坡向的土壤石礫含量及總孔隙度規(guī)律不明顯，油松林地表現(xiàn)出陽坡石礫含量明顯低于其他坡向，土壤總孔隙度明顯高于其他坡向，可見林地坡向?qū)ν寥澜Y(jié)構(gòu)有明顯影響，這也是由于坡向影響了植被生長，從而影響了土壤結(jié)構(gòu)。

(4) 坡向?qū)β愕氐耐寥里柡蛯?dǎo)水率無明顯影響，但會顯著影響林地土壤飽和導(dǎo)水率，表現(xiàn)為陽坡>半陰半陽坡>陰坡，這與土壤結(jié)構(gòu)的坡向規(guī)律一致，可見坡向?qū)ν寥佬再|(zhì)及飽和導(dǎo)水率的影響是介于對植被的影響基礎(chǔ)上間接產(chǎn)生，因此在今后的林地土壤性質(zhì)及水分入滲研究中，不能忽略坡向這一間接環(huán)境因子對其的影響。

本研究在太原東山試驗林場兩種不同坡地類型不同坡向地區(qū)對土壤性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率進(jìn)行研究，結(jié)果表明坡向會直接影響土壤含水率，會通過影響植被的生長從而間接影響土壤含水率、土壤營養(yǎng)元素含量、土壤表層結(jié)構(gòu)及土壤導(dǎo)水能力。但本研究選取的6個樣地，不能確定其人為活動造成的差異，因研究區(qū)人為活動較多，其會對土壤表層性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。此外，無植被覆蓋裸地雖然沒有植被對其影響，但演替前的植被，周邊植被的根系仍會對其產(chǎn)生影響。不同坡向會對土壤微生物量產(chǎn)生影響，這也是影響土壤性質(zhì)的又一因素。因此在下一步研究中，要優(yōu)化人為干擾、植被干擾以及土壤微生物差異的干擾，以期得到更有說服力的結(jié)論。本文有林木覆蓋地區(qū)只選取了油松一種林地，而不同植被是否會產(chǎn)生不同的坡向響應(yīng)規(guī)律不得而知，在今后的研究中應(yīng)該考慮喬灌混交林、灌木純林、草本植被等多種林地類型進(jìn)行比較，從而得到更全面有效的結(jié)論。

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Slope-Aspect Driven Variation of Soil Physicochemical Properties and Saturated Hydraulic Conductivity in Dongshan Experimental Forest Farm of Taiyuan City

SHE Bo, WU Xiaohong

(ShanxiForestryVocationalCollege,Taiyuan030009,China)

In order to analyze the slope-aspect driven variation of soil physicochemical properties and saturated hydraulic conductivity in Dongshan experimental forest farm of Taiyuan City, we selected sunny-slope，half-sunny slope and shady-slope in bare area and forest lands to sample soils, and the basic properties of soil and nutrient contents were measured, we used the core to take soil samples in layers, and measured the soil saturated hydraulic conductivity, explored the characteristic of soil properties, soil nutrient and saturated hydraulic conductivity of samples taken in different aspects. The results showed that the slope aspects had no effect on soil density; soil moisture in bare area decreased in the order: shady-slope>half-sunny slope>sunny-slope; soil moisture, soil nutrients and soil saturated hydraulic conductivity in forest land decreased in the order: characterized by sunny-slope>half-sunny slope>shady-slope, sunny-slope gravel content of surface soil (0—30 cm) is less than the other aspect, and its total porosity is larger than other aspect. Influence of aspect on soil properties and saturated hydraulic conductivity is indirect, which is through its effects on forest. The future research for soil properties and water infiltration in forest land should not ignore the impact of slope aspect.

slope-aspect; soil nutrients; soil moisture; gravel content; soil saturated hydraulic conductivity

2015-08-05

2015-08-26

佘波(1976—),男,山西左云縣人,講師，碩士,主要從事生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:30896972@qq.com

S153.6； S152.7

A

1005-3409(2016)01-0056-06