海拔對毛竹林土壤水分物理性質(zhì)及葉SPAD值的影響

廖 琪，劉 險(xiǎn)，張 旭，王玲玲

(湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072)

海拔對毛竹林土壤水分物理性質(zhì)及葉SPAD值的影響

廖 琪，劉 險(xiǎn)，張 旭，王玲玲*

(湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072)

【目的】為了解海拔對毛竹林土壤水分物理性質(zhì)及竹葉SPAD的影響?！痉椒ā吭诤颖笔〕珀柨h選擇2個(gè)海拔梯度的毛竹林進(jìn)行了對比研究，分析其土壤容重、空隙狀況、持水性能和葉片SPAD的差異。【結(jié)果】隨著海拔的升高，土壤容重呈下降的趨勢，而土壤孔隙狀況(非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度)和持水性能(最大持水量、毛管持水量和最小持水量)均呈增加的趨勢。隨著土層的加深，土壤容重增加，而土壤孔隙狀況和持水性能下降。海拔對容重、毛管持水量和最小持水量影響顯著；土層對容重、最大持水量影響顯著。I度竹SPAD值表現(xiàn)為低海拔<高海拔，而II度和III度竹則表現(xiàn)為低海拔>高海拔；土壤水分物理性質(zhì)中，容重、毛管持水量和非毛管孔隙度對毛竹葉片SPAD值的影響較大?！窘Y(jié)論】海拔梯度造成了土壤水分物理性狀的差異，對毛竹生長有一定影響。本研究區(qū)高海拔土壤水分物理性質(zhì)較低海拔可能更適合毛竹分布。

水分物理性質(zhì)；容重；SPAD值；海拔

毛竹[Phyllostachysedulis(Carr.)H. de Lehaie]為原產(chǎn)我國的單軸散生、多年生常綠竹種，是竹類植物中分布區(qū)最廣、面積最大、價(jià)值最高的優(yōu)良竹種[1]，是中國南方重要的森林資源[2]?！狙芯恳饬x】毛竹林生長受自身結(jié)構(gòu)及生境因子的影響[3-4]。海拔是重要的山地地形因子之一[5]，直接影響植物群落生境的環(huán)境因子，改變土壤性狀[6]。對海拔梯度下毛竹林土壤理化性質(zhì)和毛竹生長的研究能夠?yàn)橹贫癜l(fā)展規(guī)劃提供有效的參考數(shù)據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】毛竹林海拔升高100 m，氣溫下降0.61～0.69 ℃，相對濕度增加1.42 %～2.47 %，光合有效輻射增加23.61～60.36 μmol·m-2·s-1[7]。土壤物理性質(zhì)影響土壤水、熱、氣和肥狀況，是反映土壤肥力的重要指標(biāo)和影響植物生長發(fā)育的重要因素[8]。王憲帥等對慈竹研究表明土壤容重是影響粗生長和高生長的主要因子，最小持水量是影響出筍率的主要因子[9]；土壤容重和總孔隙度對硬頭黃竹枝下高生長具有重要影響[10]；土壤容重是影響毛竹鞭根分布的限制因子[11]。因此，研究土壤物理性質(zhì)變化，對了解植物群落的分布、生長和生態(tài)效益具有重要的意義?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤物理性質(zhì)受到海拔的影響，然而不同地區(qū)毛竹林土壤理化性質(zhì)隨著海拔的變化結(jié)果不盡一致[6, 12-14]。SPAD(Soil and Plant Analyzer Development，日本農(nóng)林水產(chǎn)省農(nóng)產(chǎn)園藝局“土壤、作物分析儀器開發(fā)”)值是相對葉綠素含量讀數(shù)，能較好地反映樹木葉綠素含量變化[15]。對估測植物葉片光合能力和生長具有重要的參考價(jià)值，已在毛竹光合能力方面上開展了一定的研究[16-18]。不同地區(qū)由于環(huán)境和土壤差異，海拔對土壤物理性質(zhì)及毛竹林生長影響不同，為了了解海拔的影響，需要針對不同地區(qū)開展研究。而關(guān)于湖北崇陽縣區(qū)域關(guān)于此方面的研究未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文研究海拔梯度對湖北省崇陽縣桂花林場毛竹林土壤物理性質(zhì)及生長的潛在影響，旨在為該區(qū)毛竹林生產(chǎn)經(jīng)營提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

崇陽縣位于湖北省南陲(29°12′～29°41′N，113°43′～114°21′E)，地處低山丘陵與江漢平原的過渡地帶。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.7 ℃，年降水量1460～1570 mm。桂花林場位于崇陽縣桂花泉鎮(zhèn)，離縣城約16 km。屬低山丘陵地貌，氣候溫暖，四季分明，雨量充沛，濕熱同步。林場內(nèi)土壤深厚，土壤肥沃，適宜眾多植物生長和繁衍。林場主要喬木有檫木、南酸棗、杉木、馬尾松、楓香、毛竹等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2013年10月在崇陽縣桂花林場內(nèi)選擇不同海拔梯度的成片毛竹林作為研究對象，并分別隨機(jī)設(shè)置6塊20 m×20 m的樣地，樣地間距>50 m，不同海拔毛竹林樣地情況如下。

低海拔：海拔約200 m；毛竹林生長良好，無施肥等經(jīng)營措施，但存在一定的挖筍行為。坡向東南，坡位中坡，坡度15～30°。

高海拔：海拔約450 m；毛竹生長良好，無人為經(jīng)營措施，受到人為干擾較小。坡向西南，坡位下坡，坡度10～20°。

在每個(gè)樣地內(nèi)沿對角線取3個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)分0～10、10～20 cm土層分別進(jìn)行環(huán)刀取樣，供土壤水分—物理性質(zhì)的測定。同時(shí)在各樣地內(nèi)進(jìn)行竹林調(diào)查，包括竹胸徑、竹高以及竹子年齡，統(tǒng)計(jì)各齡竹的平均胸徑，在林地選擇各齡標(biāo)準(zhǔn)竹(林地內(nèi)沒有符合的在靠近林地邊界處進(jìn)行選擇)3株，采集東南西北方向葉片各10片，進(jìn)行SPAD測定。

1.3 研究方法

土壤水分—物理性質(zhì)(包括容重、持水性能和孔隙狀況等)測定參照《森林土壤分析方法》LY/T 1215-1999。SPAD值采用 SPAD-502型葉綠素計(jì)測定

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布。采用雙因素方差分析檢驗(yàn)海拔、土層及其交互作用對土壤水分—物理性質(zhì)的影響。統(tǒng)計(jì)分析和制圖分別采用Spss 17.0和Origin 8.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔和土層對土壤水分—物理性質(zhì)的影響

海拔和土層對不同土壤水分—物理性質(zhì)有不同程度的影響(表1)。其中海拔和土層對容重均有顯著影響。持水性能中，土層對最大持水量影響顯著，而海拔對毛管持水量和最小持水量影響顯著?？紫稜顩r在不同海拔和土層間差異不顯著。海拔和土層的交互作用對土壤水分—物理性質(zhì)均無顯著影響。

表1 海拔和土層對土壤水分—物理性質(zhì)的影響

注：NCP 非毛管孔隙度；CP 毛管孔隙度；TP 總孔隙度；MaxMC 最大持水量；CMC 毛管持水量；MinMC最小持水量。表中數(shù)據(jù)為方差分析F值，*表示差異顯著(P<0.05)。

Notes: NCP. non-capillary porosity; CP. capillary porosity; TP. total porosity; MaxMC. maximum moisture capacity; CMC. capillary moisture capacity; MinMC. minimum moisture capacity. Data in the table wereFvalue of variance analysis, * indicate significant difference (P<0.05).

2.2 土壤容重

土壤容重反映了土壤的透水、通氣性和根系生長阻力等，是土壤熟化程度的指標(biāo)之一[6]。對不同海拔和土層容重分析(圖1)可知，隨著土層深度的加深，土壤容重呈現(xiàn)增加的變化趨勢；而隨著海拔的升高，土壤容重呈下降的趨勢。低海拔和高海拔0～20 cm平均土壤容重分別為1.07和0.85 g/cm3。0～10、10～20 cm土層低海拔比高海拔分別高出0.18、0.27 g/cm3；低海拔0～10 cm土壤容重比10～20 cm低0.23 g/cm3，高海拔則為0.15 g/cm3。

2.3 土壤孔隙狀況

土壤孔隙狀況是土壤物理性質(zhì)的重要方面。對不同海拔毛竹林土壤孔隙狀況(圖2)分析可知，隨著海拔增加，土壤孔隙狀況(非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度)總體呈現(xiàn)增加的趨勢(非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度)。低海拔0～20 cm

土層非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度分別為3.96 %、45.37 %、49.34 %，高海拔則為4.30 %、52.33 %、56.63 %。0～10 cm土層低海拔非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度分別比高海拔分別低0.42 %、4.70 %、5.12 %，10～20 cm則分別低0.26 %、9.21 %、9.47 %。

圖2 不同海拔、土層土壤孔隙狀況Fig.2 Soil porosity conditions of different altitudes and soil layers

圖3 不同海拔、土層土壤持水性能Fig.3 Water holding capacities of different altitudes and soil layers

圖4 不同海拔毛竹葉片SPAD值Fig.4 Leaf SPAD value of different altitudes

隨著土層深度的增加，土壤孔隙狀況總體呈下降趨勢。低海拔0～10 cm非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度比10～20 cm分別高0.40 %、4.71 %、5.11 %；高海拔則分別高出0.56 %、0.21 %、0.77 %

2.4 土壤持水性能

土壤持水性能隨著土層和海拔的變化趨勢與土壤孔隙狀況相同。隨著海拔的升高，最大持水量、毛管持水量和最小持水量均有一定程度的增加，0～20 cm土層平均分別增加了223.61、197.75、160.75 g/kg；其中，0～10 cm土層高海拔分別是低海拔的1.42、1.38、1.38倍，10～20 cm則分別為1.52、1.54、1.49倍，由此可見，下層土壤孔隙狀況在海拔間的增加幅度較大于上層土壤。隨著土層深度的增加，土壤孔隙狀況有一定程度的下降，低海拔0～10 cm土層土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量較10～20 cm，分別增加了33.98 %、33.86 %、28.45%；高海拔則分別增加了25.12、19.91、19.53 %。

2.5 葉片SPAD值

對不同海拔I～I(xiàn)II度竹葉片葉綠度SPAD值(圖4)進(jìn)行分析可指，低海拔I度竹葉片SPAD值小于高海拔，分別為32.00和35.94，II、III度竹則為低海拔>高海拔，分別高出2.99和5.75。隨著年齡的增加，葉片SPAD值在不同海拔間均表現(xiàn)為隨著年齡的減小呈現(xiàn)下降的變化趨勢。

2.6 土壤物理性質(zhì)對SPAD的影響

對不同年齡毛竹葉片SPAD值與土壤物理性質(zhì)進(jìn)行多元回歸分析，得到方程如下：

I度：y=21.896+0.159x1+0.003x2-0.004x3-0.001x4-0.397x5+0.028x6-0.036x7R2=0.89

II度：y=39.121+0.047x1+0.002x2+0.011x3-0.015x4-1.540x5+0.103x6-0.087x7R2=0.92

III度：y=23.046+0.212x1+0.008x2-0.035x3+0.025x4+0.341x5+0.162x6-0.177x7R2=0.62

式中：y為SPAD值，x1～x7分別為容重、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和最小孔隙度。

通過回歸分析可以看出，土壤容重、持水性能中毛管持水量以及孔隙狀況中的非毛管孔隙度對毛竹葉片SPAD值的影響較大。

3 討 論

森林土壤物理性質(zhì)主要反映在固、液、氣相等方面，三者之間相互協(xié)調(diào)、比例適當(dāng)，才最適合林木生長[19]。土壤容重是反映土壤物理性狀和質(zhì)量的重要指標(biāo)，關(guān)系到土壤水分、孔隙等影響植物生長的土壤性狀[20]。隨著海拔升高，0～20 cm土壤容重由1.07 g/cm3下降至0.85 g/cm3。這與陳雙林等[6]對福建華安縣毛竹林研究結(jié)果一致，并認(rèn)為主要是因?yàn)殡S著海拔升高，生境更適合毛竹生長，地上、地下大量的有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化，降低了土壤容重；林振清等[21]對福建建甌市毛竹林研究也顯示，海拔447 m土壤容重高于761 m；而趙超等[13]對江西大崗山毛竹林研究表明，從海拔300～700 m土壤容重先下降后上升，以500 m處最小；由此可以看出，不同地區(qū)毛竹林土壤隨著海拔梯度的變化不盡相同，主要與研究區(qū)氣候、毛竹生長狀況等相關(guān)。隨著土層深度的增加，土壤容重呈增加的趨勢，主要是由于表層土壤由于地表凋落物的養(yǎng)分輸入，腐殖質(zhì)較多，土壤較疏松。

土壤容重與總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)，土壤疏松透氣，利于毛竹鞭根生長和對養(yǎng)分、水分的吸收[22]。本研究得出了相同的結(jié)論，即隨著海拔的升高，土壤容重下降，土壤孔隙狀況均呈現(xiàn)增大趨勢。這可能與毛竹生長有關(guān)，隨著海拔升高、容重降低，更有利于毛竹地下鞭根生長，促進(jìn)了土壤孔隙狀況的改善。而這種改善又反饋到竹鞭根生長上，促進(jìn)其生長。土壤持水性能反映了土壤對水分的保留能力。隨著海拔的升高，土壤持水性能呈增加的趨勢，這與土壤容重和孔隙狀況密切相關(guān)。毛管孔隙是土壤孔隙的主體，決定了土壤持水能力，非毛管孔隙是最大持水量中重力水的貯存主體[12]，因此持水性能與孔隙狀況具有較一致的變化趨勢。

隨著海拔升高，I度竹葉片SPAD升高，而II度和III度竹有一定程度的下降。I度竹低海拔較低，可能與環(huán)境和竹林結(jié)構(gòu)對新生竹生長影響有關(guān)。隨著海拔升高后，光合有效輻射增強(qiáng)，植物通過降低葉綠素減少對光的大量吸收來保護(hù)其免受光損傷。隨著年齡增加，葉片SPAD值有升高的趨勢，這與竹子生長有關(guān)，新生竹處于剛發(fā)育階段，III度竹生長勢較強(qiáng)。毛竹葉片的SPAD值與土壤物理性質(zhì)有一定的關(guān)系，其中土壤容重、持水性能中毛管持水量以及孔隙狀況中的非毛管孔隙度對毛竹葉片SPAD值的影響較大。

通過對土壤水分—物理性質(zhì)分析可知，高海拔土壤較低海拔可能更適合毛竹分布。鄭成洋等[23]對福建武夷山自然保護(hù)區(qū)研究也得出海拔500～700 m范圍內(nèi)毛竹林面積最大。海拔引起的土壤水分—性狀不同對毛竹生長有一定的影響。而海拔造成毛竹生長分異的影響因素，除了考慮土壤狀況，還有考慮氣候等多方面因素的綜合作用。

4 結(jié) 論

研究區(qū)毛竹林土壤容重隨著海拔的升高呈下降的趨勢，而土壤孔隙狀況(非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度)和持水性能(最大持水量、毛管持水量和最小持水量)均呈增加的趨勢。隨著土層的加深，土壤容重增加，而土壤孔隙狀況和持水性能下降。海拔對容重、毛管持水量和最小持水量影響顯著；土層對容重、最大持水量影響顯著。I度竹SPAD值表現(xiàn)為低海拔<高海拔，而II度和III度竹則表現(xiàn)為低海拔>高海拔；土壤水分物理性質(zhì)中，容重、毛管持水量和非毛管孔隙度對毛竹葉片SPAD值的影響較大。海拔梯度造成了土壤水分物理性狀的差異，對毛竹生長有一定影響。本研究區(qū)高海拔土壤水分物理性質(zhì)較低海拔可能更適合毛竹分布。

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EffectsofAltitudeonSoilWater-physicalPropertiesandSPADValueofPhyllostachysedulis

LIAO Qi, LIU Xian, ZHANG Xu, WANG Ling-ling*

(Hubei Academy of Environmental Sciences,Hubei Wuhan 430072, China)

【Objective】 The study aims to understand the effect of altitude on soil-water physical properties and leaf SPAD value inPhyllostachyedulisforest. 【Method】TwoPhyllostachysedulisforests in Chongyang county of Hubei Province were selected and their soil bulk density, porosity conditions, water holding capacities and leaf SPAD value were analyzed. 【Result】With the increase of altitude, soil bulk density decreased, while soil porosity conditions and soil water holding capacities increased. Along the soil depth, soil bulk density increased, while soil porosity conditions and soil water holding capacities showed contrary trend. Altitude had significant effect on bulk density, capillary moisture capacity and minimum moisture capacity; and soil layer had significant effect on bulk density and maximum moisture capacity. SPAD value of I degree bamboo were bigger at high altitude, however, that of II and III degree were opposite. Bulk density, capillary moisture capacity and non-capillary porosity had greater influence on SPAD value than others. 【Conclusion】Altitude caused the difference of soil water-physical properties and had a certain effect on growth of bamboo. Compared with low altitude, the soil water-physical properties may more sustainable forP.edulisdistribution in this research region.

Water-physical properties; Bulk density; SPAD value; Altitude

1001-4829(2017)5-1132-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.026

2016-06-16

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104058)

廖 琪(1983-)，男，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)管理與環(huán)境評價(jià)，E-mail: liaoqiaes@163.com,*為通訊作者：王玲玲(1979-)，女，高級工程師，博士，研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境管理，E-mail: 363455589@qq.com。

S714.2

A

(責(zé)任編輯 李山云)