杉木連栽地營造米老排林后的土壤物理性質(zhì)

張紅梅

(福建省南平葫蘆山國有林場，福建 南平 353015)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)作為中國南方和閩北山區(qū)最重要的速生用材樹種，其多代連栽導致的產(chǎn)量逐代衰退、土壤理化性質(zhì)惡化、水源涵養(yǎng)能力下降、山體滑坡頻發(fā)等環(huán)境和生態(tài)問題日益突出，已對山區(qū)人工林的可持續(xù)經(jīng)營產(chǎn)生嚴重影響。已有的研究表明，營造闊葉林是改善土壤性質(zhì)、延緩地力衰退的有效途徑之一。

米老排(Mytilarialaosensis)又名殼菜果，是一種原產(chǎn)于我國南亞熱帶的樹種，引種到福建等中國南方多個地區(qū)生長表現(xiàn)良好[1～13]。福建省南平葫蘆山國有林場峽陽分場(原福建省南平峽陽國有林場)有一片于1993年2月份在二代杉木連栽地上營造的多樹種闊葉樹純林與杉木純林(對照)的試驗林，筆者2021年底對米老排與杉木純林的土壤物理性質(zhì)進行了測定和比較，為杉木人工林科學、合理地選擇輪作樹種提供參考。

2 試驗地概況

試驗地位于福建省南平市延平區(qū)峽陽鎮(zhèn)(26°47.8′N，117°59.3′E)，平均海拔230 m，平均坡度32°。該地區(qū)多年平均氣溫19.9 ℃、降水量1640 mm、相對濕度75%。該區(qū)為杉木中心產(chǎn)區(qū)，土壤為土層深厚、質(zhì)地粘重的山地紅壤，十分適宜營造杉木用材林，但由于長期連栽杉木，林地已出現(xiàn)土壤板結(jié)、杉木林產(chǎn)量明顯下降等土壤退化現(xiàn)象，山體滑坡等地質(zhì)災害頻發(fā)。試驗林前身為第2代杉木林，于1992年底采伐、煉山后翌年2月份營造米老排、醉香含笑(Micheliamacclurei)、赤楊葉(Alniphyllumfortunei)、杉木(對照)等樹種的純林試驗林。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，區(qū)組(重復)3個，同一個區(qū)組的海拔、土壤母質(zhì)、坡位、坡向和坡度等立地因子基本一致。造林株行距均為2 m×2 m(初植密度2500株/hm2)，造林后撫育3年，每年撫育2次。2021年底試驗林的林齡為29年生，林分生長狀況見表1。米老排人工林由于林分郁閉度高、樹冠濃密，林下植物稀少，主要有粗葉榕(Ficushirta)、山礬(Symplocossumuntia)、狗脊(Woodwardiajaponica)等，植被總蓋度為8%；杉木人工林林分郁閉度相對較小，林冠稀疏，林下植物發(fā)育較好，主要有狗脊、福建觀音座蓮(Angiopterisfokiensis)、楊桐(Adinandramillettii)、毛柄雙蓋蕨(Diplaziumdilatatum)、南五味子(Kadsuralongipedunculata)等，植被總蓋度為35%。

表1 米老排與杉木人工林生長狀況

3 研究方法

3.1 林分調(diào)查

分別在米老排和杉木林中各設置3個面積為400 m2(20 m×20 m)的標準地。對標準地內(nèi)的喬木層植物進行胸徑和樹高每木調(diào)查，計算平均胸徑、平均樹高、單位面積木材蓄積量。杉木單株材積采用福建省杉木人工林二元立木材積公式(V=0.000 0872D1.785388607H0.9313923697)計算，米老排單株材積采用福建省闊葉樹人工林二元立木材積公式(V=0.00005276D1.882161H1.009317)計算。

3.2 土壤調(diào)查與取樣

在每個標準地中按照“之”字形線路隨機選擇5個點，每個點挖掘?qū)?0 cm、深80 cm的垂直土壤剖面，采用體積為100 cm3(內(nèi)徑50.46 mm、高50 mm)的環(huán)刀采集土壤物理性質(zhì)樣品(環(huán)刀內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)不能受到破壞)。每個剖面按照從上到下的順序分別在2.5 cm、12.5 cm、27.5 cm和47.5 cm深度的位置往下取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層中間位置的原狀土壤。

取樣的方法[14,15]：用土壤刀在土壤剖面2.5 cm深度位置削一個10 cm寬的平臺，將環(huán)刀的刀口朝下置于平臺上，環(huán)刀頂部套上環(huán)刀套，用橡皮錘垂直慢慢敲入土中，敲入時注意觀察環(huán)刀頂部土壤的位置。環(huán)刀頂部與環(huán)刀套之間有間隙，環(huán)刀中土壤略微超過環(huán)刀頂部但還未超過環(huán)刀套間隙應停止敲擊，不要敲入太深導致土壤被壓縮，用土壤刀挖出環(huán)刀，用鋒利的土壤刀削平露出環(huán)刀表面的土壤，蓋好上下底蓋(上底蓋為普通鋁蓋，下底蓋為一墊有直徑為50 mm的圓形濾紙的帶網(wǎng)眼的底蓋)，并用膠帶固定好底蓋防止底蓋脫落，記錄環(huán)刀編號和土樣信息，裝入自封袋。取完0～10 cm土層的土樣，按照上述方法繼續(xù)往下取10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的土樣。土壤樣品帶回室內(nèi)測定物理性質(zhì)。

3.3 土壤容重、孔隙度與持水量測定

將帶土的環(huán)刀揭去膠帶和上底蓋，保留帶有網(wǎng)眼的下底蓋，用0.1 g精度的電子天平測定帶土環(huán)刀(包括濕土、環(huán)刀、下底蓋和濾紙)的重量(m1)，此時的含水量為自然含水量，隨后放入平底盆(或盤)中，在盆中加水至環(huán)刀上沿為止，保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面，放置12 h后取出，立即測定重量(m2)，此時的土壤持水量為最大持水量(飽和持水量)。將上述測定完重量的帶土環(huán)刀放置在鋪有干砂的平底盤中2 h后立即測定重量(m3)，此時非毛管水已流出，土壤持水量為毛管持水量。

再將上述測定完重量的帶土環(huán)刀，繼續(xù)放置在鋪有干砂的平底盤中，保持三晝夜后測定重量(m4)，此時環(huán)刀中土壤的持水量為最小持水量(田間持水量)。

將上述測定重量后的環(huán)刀中的濕土與環(huán)刀、下底蓋(含濾紙)分離，分別放入大鋁盒中，置于105 ℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重，測定烘干后的干土重(m5)和烘干后的環(huán)刀加底蓋和濾紙重(m0)。各物理性質(zhì)的計算公式：

自然含水量(重量%)=(m1-m0-m5)/m5×100%

(1)

容重(g/cm3)=m5/環(huán)刀體積

(2)

總孔隙度(體積%)=(m2-m0-m5)/環(huán)刀體積/水的密度×100%

(3)

非毛管孔隙度(體積%)=(m2-m3)/環(huán)刀體積/水的密度×100%

(4)

毛管孔隙度(體積%)=總孔隙度(體積%)-非毛管孔隙度(體積%)

(5)

通氣度=(體積%)=(m2-m1)/環(huán)刀體積/水的密度×100%

(6)

最大持水量(重量%)=(m2-m0-m5)/m5×100%

(7)

田間持水量(重量%)=(m4-m0-m5)/m5×100%

(8)

土壤排水能力(mm)=10×土層厚度(cm) ×(m2-m4)/環(huán)刀體積/水的密度

(9)

式(1)～式(9)中：m1為濕土+環(huán)刀+底蓋+濾紙重(g)，m2為浸水12 h后的濕土+環(huán)刀+底蓋+濾紙重(g)，m3為置沙2 h后的濕土+環(huán)刀+底蓋+濾紙重(g)，m4為置沙3晝夜后濕土+環(huán)刀+底蓋+濾紙重(g)，m5為環(huán)刀中的烘干土重(g)，m0為烘干的環(huán)刀加底蓋加濾紙重(g)，環(huán)刀體積=100 cm3，水的密度=1 g/cm3。

3.4 土壤滲透性能測定

將帶土的環(huán)刀揭去膠帶和上底蓋(保留帶有網(wǎng)眼的下底蓋)放入平底盆(或盤)中，在盆中加水至環(huán)刀上沿為止，放置12 h后取出，上面套上一個空環(huán)刀，接口處先用膠布封好，再用熔蠟粘合，嚴防從接口處漏水，然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面承接有燒杯，往上面的空環(huán)刀中加水，水面與環(huán)刀上沿一致，即水層厚5 cm。

加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時開始計時，以后每隔2 min更換漏斗下面的燒杯，并分別量岀第1次至第n次的滲岀水量Q1、Q2、Q3、……、Qn-1、Qn，每更換一次燒杯要將上面環(huán)刀水面加至原來高度，同時記錄水溫(℃)，當Qn=Qn-1時，滲出水量達到穩(wěn)定。

每次滲出水量一般在30～60 min即開始穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定，應繼續(xù)延長到單位時間內(nèi)滲出水量相等時為止。土壤滲濾系數(shù)計算公式：

土壤滲濾系數(shù)(mm/min)=10×Qn×L/S/t/(H+L)

(10)

式(10)中：Qn為滲出水量達到穩(wěn)定時的滲岀水量(cm3)，S為環(huán)刀橫斷面積=20 cm2，t為每次滲濾的間隔時間=2 min，L為土層厚度=5 cm，H為水層厚度=5 cm。

3.5 數(shù)據(jù)處理

采用獨立樣本T檢驗的方法分析不同林分類型土壤物理性質(zhì)的差異顯著性，計算工具為SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件。

4 結(jié)果與分析

4.1 土壤容重與孔隙狀況

容重是單位體積的原狀干土質(zhì)量，作為土壤中最容易測定的也是最基本的物理性質(zhì)之一，它的數(shù)值大小與土壤的質(zhì)地、有機質(zhì)含量、緊實度、孔隙度、持水性能、抗蝕性等指標有關(guān)。容重小的土壤，往往土壤疏松多孔、通氣性、持水性能、滲透性等水源涵養(yǎng)能力強，植物根系伸展的阻力小，土壤物理性質(zhì)優(yōu)良；相反，容重大的土壤，往往土壤較板結(jié)、孔隙度低、通氣性、持水性和滲透性等水源涵養(yǎng)能力弱，植物根系伸展的阻力大，土壤物理性質(zhì)差。

從表2可見，米老排和杉木人工林各層次土壤容重均隨著土層深度的增加而增加，總孔隙度和非毛管孔隙度隨著土層深度的增加而降低，而毛管孔隙度隨土層深度的變化沒有明顯的規(guī)律性。

米老排人工林各層次土壤容重與杉木人工林相比都有不同程度的降低，而總孔隙度、非毛管孔隙度和通氣度也有不同程度的提高，在表層(0～10 cm)土壤表現(xiàn)得更為明顯，這說明杉木多代連栽地輪作米老排能降低土壤容重和改善土壤孔隙狀況。

米老排人工林0～10 cm土層土壤容重為0.893 g/cm3，比杉木人工林降低了5.80%，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤容重則分別比杉木人工林降低了3.85%、1.70%和1.86%；0～10 cm土層土壤總孔隙度為63.50%，是杉木人工林的1.056倍，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤總孔隙度分別是杉木人工林的1.020倍、1.040倍和1.037倍；0～10 cm土層土壤非毛管孔隙度為19.77%，是杉木人工林的1.509倍，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤非毛管孔隙度分別是杉木人工林的1.277倍、1.162倍和1.292倍；0～10 cm和10～20 cm土壤毛管孔隙度分別是杉木人工林的0.929倍和0.977倍，20～40 cm和40～60 cm土層土壤毛管孔隙度分別是杉木人工林的1.023倍和1.013倍；0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤通氣度分別是杉木人工的1.055倍、1.27倍、1.081倍和1.312倍(表2)。方差分析結(jié)果表明，米老排人工林的容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和通氣度與相同土層的杉木人工林沒有顯著差異(P>0.05)。

表2 米老排與杉木人工林土壤容重與孔隙度

4.2 土壤持水能力

土壤是森林水源涵養(yǎng)功能的主要場所，它是通過調(diào)節(jié)土壤水分的儲蓄和滲透來實現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能的。土壤持水能力是衡量森林土壤水源涵養(yǎng)能力的主要指標之一。土壤持水能力取決于土壤質(zhì)地、容重和孔隙度等指標，土壤有機質(zhì)和孔隙度高的土壤其水源涵養(yǎng)能力也較強。土壤最大持水量，又稱為“飽和持水量”，是土壤持水能力的重要指標之一。從表3可見，米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和20～40 cm土層土壤最大持水量分別為71.23%、53.87%、42.84%和37.68%，分別是杉木人工林的1.119倍、1.061倍、1.059倍和1.057倍。田間持水量是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，即懸著水的最大含量，是表示土壤保持水分能力的指標之一，它主要與土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)有關(guān)。米老排人工林0～10 cm和10～20 cm土層土壤田間持水量分別為杉木人工林的0.960倍和0.979倍，20～40 cm和40～60 cm土層土壤田間持水量分別是杉木人工林提高的1.067倍和1.074倍。

土壤排水能力(mm)是由最大持水量(%)與田間持水量(%)的差值、土壤容重和土層厚度決定的。米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤排水能力分別為36.91 mm、28.50 mm、48.91 mm和45.45 mm，分別比杉木人工林提高19.64%、11.59%、2.95%和1.86%。

土壤滲濾系數(shù)也是反映土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標之一。土壤滲濾系數(shù)高表明降水可以較快滲入并儲存在土壤中，起到較大的攔蓄地表徑流、減少水土流失的作用。米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤滲濾系數(shù)分別為11.79 mm/min、8.36 mm/min、2.38 mm/min和0.66 mm/min，分別比杉木人工林提高32.17%、22.22%、14.42%和4.76%。

方差分析結(jié)果表明，米老排人工林表層土壤的排水能力、表層和10～20 cm土層土壤滲濾系數(shù)顯著高于杉木林(P<0.05)，但其余物理性質(zhì)的差異未達顯著水平(P>0.05)。

表3 米老排與杉木人工林土壤持水能力

5 結(jié)論與討論

對福建省南平市延平區(qū)杉木2代采伐跡地營造的29年生米老排人工林和杉木人工林進行土壤物理性質(zhì)比較研究表明：

兩種人工林土壤容重均表現(xiàn)為表層(0～10 cm)較低、深層(10 cm以下)較高。米老排人工林各土層土壤容重與杉木人工林相比降低了1.70%～5.80%，其中表層(0～10 cm)土壤容重(0.893 g/cm3)下降幅度最大。

兩種人工林土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均為表層較高而深層較低，但毛管孔隙度隨土層深度的變化沒有表現(xiàn)出規(guī)律性。米老排人工林各土層的土壤總孔隙度和非毛管孔隙度與杉木人工林相比均有不同程度的提高。米老排人工林各土層土壤總孔隙度是杉木人工林的1.020～1.056倍，其中表層土壤總孔隙度(63.50%)與杉木人工林的差異最大，各土層土壤非毛管孔隙度是杉木人工林的1.162～1.509倍，其中表層土壤非毛管孔隙度(19.77%)與杉木人工林的差異最大。

兩種人工林土壤通氣度均為表層較高而深層較低。米老排人工林各土層土壤通氣度是杉木人工林的1.055～1.312倍。

米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤排水能力分別比杉木人工林提高19.64%、11.59%、2.95%和1.86%。

米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤滲濾系數(shù)分別比杉木人工林提高32.17%、22.22%、14.42%和4.76%。

方差分析結(jié)果表明，米老排人工林表層土壤的排水能力、表層和10～20 cm土層土壤滲濾系數(shù)顯著高于杉木林(P<0.05)，但其余物理性質(zhì)的差異未達顯著水平(P>0.05)。

前人的研究表明，森林的水源涵養(yǎng)能力主要取決于森林土壤的水源涵養(yǎng)能力，森林土壤的飽和持水量占整個森林生態(tài)系統(tǒng)飽和持水量的97%以上[10]，而土壤容重和孔隙度等物理性質(zhì)是影響森林水源涵養(yǎng)能力的關(guān)鍵因子。杉木多代連栽后輪作米老排可改善土壤孔隙狀況，降低土壤容重，可使更多的降水滲入土壤轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅?，從而減輕地表徑流對土壤的侵蝕，減輕滑坡、泥石流和旱澇災害，有利于森林生態(tài)環(huán)境的改善和人工林的可持續(xù)經(jīng)營。