楠桿自然保護區(qū)不同植被類型土壤物理特性及涵養(yǎng)水源功能分析

王 勇, 楊 瑞, 瞿 爽, 劉 志, 裴儀岱

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

土壤蓄水量是森林涵養(yǎng)水源的主體，占林地蓄水量的99%以上[1]。森林土壤涵養(yǎng)水源的能力，不僅受母巖的影響，還與土壤本身質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)系。森林涵養(yǎng)水源的能力，除森林形成的龐大樹冠有吸水能力外，其林下的枯枝落葉層也有相當?shù)奈芰?，而更多的還在于土壤對降水的吸納；因此森林又被叫作“天然的蓄水庫”[2]。土壤入滲特性影響著土壤將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流和地下徑流的能力，對森林水源涵養(yǎng)功能有重要影響[3]；入滲性能不僅與土壤質(zhì)地、組成、結(jié)構(gòu)等自然因素密切有關(guān)，人為活動干擾下還受到土地利用和耕作方式等因素的影響[4-7]。所以對土壤物理性質(zhì)的研究也越來越多。在土壤物理性質(zhì)中；土壤孔隙度和土壤容重能夠直接影響著土壤蓄水量和通氣性，也是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)[8]。土壤容重、自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量等都是體現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的指標；但是某些指標功能好的林分在其他指標上卻不一定好，甚至很差[9-10]。目前，對于森林涵養(yǎng)水源功能的評價研究較多的是灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法、主成分分析法[11-13]，且在楠桿自然保護區(qū)的森林土壤涵養(yǎng)水源功能方面的研究甚少，因此，本文通過對楠桿自然保護區(qū)不同植被類型的土壤涵養(yǎng)水源功能進行研究分析，并應(yīng)用坐標綜合評定法對楠桿自然保護區(qū)土壤涵養(yǎng)水源功能進行定量分析，探討該地區(qū)不同植被類型對土壤涵養(yǎng)水源能力的大小，以期為楠桿自然保護區(qū)水源涵養(yǎng)林的保護、森林土壤涵養(yǎng)水源功能以及森林資源的合理經(jīng)營和保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗將楠桿自然保護區(qū)不同植被類型土壤作為供試土壤。經(jīng)華中農(nóng)學院編制的標準土色卡48種顏色作為土壤的顏色比較，6種不同植被類型下土壤都是黃壤。

1.2 研究區(qū)概況

貴州楠桿自然保護區(qū)位于貴州省東北部德江縣境內(nèi)，處于貴州四大山脈之大婁山脈與武陵山脈的接合部。保護區(qū)包括“楠桿—黃河溪保護單元”和“馬耳河保護單元”2個片區(qū)。其中，楠桿—黃河溪片區(qū)位于東經(jīng)108°05′10″—107°50′46″，北緯28°09′42″—28°22′42″，海拔800～1 200 m；馬耳河片區(qū)位于東經(jīng)108°04′48″—108°06′12″，北緯28°33′27″—28°37′50″，海拔1 100～1 400 m。保護區(qū)屬于中亞熱季風氣候區(qū)，年平均溫度13.6℃，≥0℃的活動積溫為5 300℃/d，熱量資源主要集中在6，7，8，9這4個月，屬貴州溫度較高、熱量較好的區(qū)域之一。區(qū)內(nèi)年降雨量約1 200 mm；主要集中在春、夏、秋三季，其中6月份降水量最多。保護區(qū)內(nèi)巖溶地貌與常態(tài)地貌交錯，河谷地貌特征明顯，具有良好的水文地質(zhì)條件。該地區(qū)碳酸鹽巖石出露廣泛，常與砂頁巖、碎屑巖交錯分布，發(fā)育有多種土壤類型，主要土壤為黃壤、山地黃壤和石灰土。主要植被類型為：落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、灌木林、竹林和草坡。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣地設(shè)置 在研究區(qū)，選擇植被類型分別為落葉闊葉林：楓香(Liquidambarformosana)、山胡椒(Linderaglauca)、圓果花香(Platycaryalongipes)、樸樹(Celtissinensis)、八角楓(Alangiumchinense)、板栗(Castaneamollissima)、青檀(Pteroceltistatarinowii)、楊樹(PopulusL.)；針闊混交林：麻櫟(Quercusacutissima)、馬尾松(Rhoipteleachiliantha)、油桐(Verniciafordii)、山胡椒(Linderaglauca)、火棘(Pyracanthafortuneana)；針葉林：杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)、華山松(Pinusarmandii)；灌木林：圓果化香(Platycaryalongipes)、火棘(Pyracanthafortuneana)、香葉樹(Linderacommunis)、大葉木姜子(Zanthoxylumscandens)、白果(Ginkgo Seed)、拔葜(Smilaxchina)；竹林：竹子(Heteropogoncontortus)、鳶尾(Iristectorum)、水麻(Debregeasiaorientalis)；草坡：黃茅、狗尾草(Setariaviridis)、山螞蝗(Desmodiumracemosum)、車前草(Plantagodepressa)共6種植被類型，在樣地的調(diào)查中，采用樹冠投影法測定森林樣地的郁閉度[14]；對樣地進行群落概況測定，樣地概況見表1。

表1 不同植被概況

1.3.2 試驗樣品采集 試驗于2016年8月2—12日在研究區(qū)域內(nèi)，選擇不同植被類型，并在不同植被類型下設(shè)置20 m×20 m的樣方，記錄其植被基本概況，并在樣方內(nèi)選取3個點挖取土壤坡面，采用環(huán)刀法分別在0—20，20—40，40—60 cm的土層深度取土，在野外稱其重量，每個土層3次重復；用鋁盒分別取每層的土樣，也3次重復；再用滲透筒取土，3個重復；所有樣品帶回室內(nèi)進行測定。

1.3.3 樣品測定方法 土壤物理性質(zhì)用鋁盒燃燒法和環(huán)刀法測定，測定方法用森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定法(《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準》)；土壤滲透速率用森林土壤滲濾率的測定法(《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準》)；在野外取樣然后把土樣帶回室內(nèi)做浸泡試驗測定土樣含水量、自然含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量和穩(wěn)滲速率等各指標。在飽和水分的土壤中，土壤滲濾系數(shù)是根據(jù)達西(Henri Darcy)定律測定。表示如下:

(1)

式中：K為滲透系數(shù)(cm/s)；Q為流量，即滲濾過一定斷面積S(cm2)的水量(ml)；l為飽和土層厚度滲濾經(jīng)過的距離(cm)；S為滲濾筒的橫斷面積(cm2)；t為滲濾過水量Q時所需的時間(s)；h為試驗中水層厚度，即水位差(cm)。

(2)

式中：v為滲透速率；10為由cm換算成mm所乘倍數(shù)；tn為每次滲濾所間隔的時間(min)。

1.4 研究方法

(3)

式中：dij為原始數(shù)據(jù)的相對值;aij為原始數(shù)據(jù)；mj為每個指標中的最優(yōu)值。

(4)

式中：Pi為第i個處理到標準點的距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤的物理性質(zhì)

從表2中可以看出，土壤第一層密度大小順序依次是：草坡(1.37 g/cm3)、灌木林(1.35 g/cm3)、針闊混交林(1.22 g/cm3)、落葉闊葉林(1.13 g/cm3)、竹林(1.10 g/cm3)、針葉林(0.97 g/cm3)；由于楠桿自然保護區(qū)屬于喀斯特地貌，在針闊混交林下土層較薄，20 cm以下都是碎石和巖石，因此在野外取土只有第一層；土壤第二層密度順序大小依次是：灌木林(1.40 g/cm3)、草坡(1.33 g/cm3)、竹林(1.24 g/cm3)、針葉林(1.19 g/cm3)、落葉闊葉林(1.18 g/cm3)；土壤第三層密度大小順序依次是：灌木林(1.55 g/cm3)、草坡(1.50 g/cm3)、竹林(1.29 g/cm3)、針葉林(1.25 g/cm3)、落葉闊葉林(1.13 g/cm3)。

土壤第一層非毛管孔隙度大小順序是：草坡(5.43%)、針葉林(3.56%)、竹林(3.30%)、針闊混交林(2.63%)、落葉闊葉林(1.99%)、灌木林(1.68%)；第二層非毛管孔隙度大小順序是：針葉林(3.69%)、草坡(3.48%)、落葉闊葉林(3.03%)、灌木林(1.50%)、竹林(1.43%)；第三層非毛管孔隙度大小順序是：落葉闊葉林(3.60%)、針葉林(3.55%)、草坡≈灌木林(2.40%)、竹林(1.72%)。

從毛管孔隙度可以看出，第一層土壤毛管孔隙度大小依次是：竹林(65.95%)、落葉闊葉林(58.94%)、針葉林(55.86%)、針闊混交林(54.33%)、灌木林(40.38%)、草坡(36.28%)；第二層土壤毛管孔隙度大小順序依次是：竹林(60.19%)、落葉闊葉林(58.67%)、針葉林(54.22%)、草坡(44.75%)、灌木林(40.07%)；第三層土壤毛管孔隙度大小順序依次是：竹林(59.22%)、落葉闊葉林(56.70%)、針葉林(51.77)、草坡(34.70%)、灌木林(33.33%)。

從總孔隙度可以看出，土壤第一層總孔隙度大小順序依次是：竹林(69.25%)、落葉闊葉林(60.94%)、針葉林(59.42%)、針闊混交林(56.42%)、灌木林(42.07%)、草坡(41.71%)；第二層總孔隙度大小順序依次是：落葉闊葉林(61.70%)、竹林(61.63%)、針葉林(57.91%)、草坡(48.23%)、灌木林(41.57%)；第三層總孔隙度依次大小順序是：竹林(60.93%)、落葉闊葉林(60.30%)、針葉林(55.32%)、草坡(37.10%)、灌木林(35.73%)。

表2 不同植被類型土壤物理性質(zhì)

注：不同字母a，b，c表示不同植被類型中各指標(土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)在同一土層厚度中相同指標比較，p<0.05差異顯著。

2.2 不同植被類型涵養(yǎng)水源能力

從表3可以看出，土壤自然含水率第一層大小依次是：落葉闊葉林(45.75%)、針葉林(45.74%)、竹林(44.49%)、針闊混交林(35.70%)、灌木林(22.78%)、草坡(16.37%)；土壤自然含水率第二層大小依次是：竹林(37.55%)、落葉闊葉林(37.54%)、針葉林(30.52%)、草坡(23.92%)、灌木林(23.22%)；土壤自然含水率第三層大小依次是：落葉闊葉林(41.89%)、竹林(34.94%)、針葉林(27.63%)、灌木林(19.01%)、草坡(16.06%)。最大持水量第一層大小順序依次是：竹林(692.33 g/kg)、落葉闊葉林(609.35 g/kg)、針葉林(594.2 g/kg)、針闊混交林(569.64 g/kg)、灌木林(420.67 g/kg)、草坡(417.13 g/kg)；最大持水量第二層大小順序依次是：落葉闊葉林(617.03 g/kg)、竹林(616.27 g/kg)、針葉林(579.10 g/kg)、草坡(482.35 g/kg)、灌木林(357.32 g/kg)；最大持水量第三層大小順序依次是：竹林(609.33 g/kg)、落葉闊葉林(602.96 g/kg)、針葉林(553.17 g/kg)、草坡(370.98 g/kg)、灌木林(357.32 g/kg)；毛管持水量第一層大小順序是：竹林(659.45 g/kg)、落葉闊葉林(589.41 g/kg)、針葉林(558.59 g/kg)、針闊混交林(543.31 g/kg)、灌木林(403.83 g/kg)、草坡(362.79 g/kg)；毛管持水量第二層大小順序是：竹林(601.94 g/kg)、落葉闊葉林(586.69 g/kg)、針葉林(542.20 g/kg)、草坡(447.51 g/kg)、灌木林(400.72 g/kg)；毛管持水量第三層大小順序是：竹林(592.17 g/kg)、落葉闊葉林(566.96 g/kg)、針葉林(517.71 g/kg)、草坡(346.98 g/kg)、灌木林(333.32 g/kg)；非毛管持水量第一層大小順序是：草坡(54.33 g/kg)、針葉林(35.63 g/kg)、竹林(14.33 g/kg)、針闊混交林(26.33 g/kg)、落葉闊葉林(19.94 g/kg)、灌木林(16.83 g/kg)；非毛管持水量第二層大小順序是：針葉林(36.92 g/kg)、草坡(34.83 g/kg)、落葉闊葉林(30.33 g/kg)、灌木林(15.00 g/kg)、竹林(14.33 g/kg)；非毛管持水量第三層大小順序是：落葉闊葉林(36.00 g/kg)、草坡(24.00 g/kg)和灌木林(24.00 g/kg)、竹林(17.17 g/kg)、針葉林(16.83 g/kg)。

2.3 不同植被類型土壤的滲透性能

從表4可以看出，不同植被類型下常溫土壤穩(wěn)滲速度和10℃情況下滲透各不相同，針闊混交林穩(wěn)滲速度(12.04 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.94)最大，其次是針葉林穩(wěn)滲速度(7.73 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.61)，灌木林穩(wěn)滲速度(5.68 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.45)第三，竹林穩(wěn)滲速度(4.00 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.31)第四，落葉闊葉林穩(wěn)滲速度(1.38 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.11)相對較小第五，草坡穩(wěn)滲速度(0.45 mm/min)和穩(wěn)滲系數(shù)(0.04)最小。

表3 不同植被類型土壤持水能力

注：不同字母a，b，c表示不同植被類型中各指標(自然含水率、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量)在同一土層厚度中相同指標比較，p<0.05差異顯著。

表4 不同植被類型土壤滲透能力

注：不同字母a，b，c，d表示不同植被類型中相同指標比較，p<0.05差異顯著，K1表示做滲透試驗時水溫的滲透系數(shù)，K10表示10℃的滲透系數(shù)。

2.4 綜合評定不同植被類型土壤涵養(yǎng)水源功能

如表5所示，根據(jù)坐標綜合評定法：P值越大，性能越好，土壤物理性質(zhì)最好的是落葉闊葉林(P1=0.059)，其次是竹林(P1=0.173)，針葉林(P1=0.245)第三，灌木林(P1=0.246)第四，針闊混交林(P1=0.25)第五，草坡(P1=0.452)最差；土壤蓄水能力是落葉闊葉林(P2=0.053)最好，其次是竹林(P2=0.203)，針葉林(P2=0.334)第三，針闊混交林(P2=0.345)第四，灌木林(P2=0.349)第五，草坡(P2=0.488)相對最差；滲透能力最大的是針闊混交林(P3=0.319)，第二是落葉闊葉林(P3=0.356)，針葉林(P3=0.405)第三，竹林(P3=0.408)第四，灌木林(P3=0.410)第五，草坡(P3=0.49)最弱；從土壤涵養(yǎng)水源的綜合能力來看，落葉闊葉林(∑Pi=0.468)最好，竹林(∑Pi=0.784)第二，針闊混交林(∑Pi=0.914)第三，針葉林(∑Pi=0.984)第四，灌木林(∑Pi=1.005)第五，草坡(∑Pi=1.431)最差。

表5 土壤涵養(yǎng)水源的綜合能力

注:P1為土壤物理性質(zhì)，P2為土壤蓄水能力，P3為土壤滲透能力，∑Pi是不同植被類型土壤涵養(yǎng)水源功能的綜合表現(xiàn)。

3 討 論

由結(jié)果分析可知，竹林與落葉闊葉林物理性質(zhì)比較，竹林土壤密度第一層相對比落葉闊葉林小，竹林第二層和第三層都比落葉闊葉林大，竹林總孔隙度第一層和第三層都大于落葉闊葉林，但經(jīng)坐標綜合評價，落葉闊葉林比竹林土壤物理性質(zhì)好，說明土壤物理性質(zhì)的好與差不只是單方面決定的，還與非毛管孔隙度大小有相關(guān)性；不同植被土壤蓄水能力強弱可知，不是受最大持水量單方面因素決定的，還與自然含水率、毛管持水量和非毛管持水量的綜合相關(guān)；從滲透能力來看，落葉闊葉林滲透速度比針葉林、灌木林和竹林都要小，但綜合能力卻比它們大，說明了滲透速度的差異只是影響滲透能力的一個方面，滲透能力不能只用滲透速度來評定；與滲透系數(shù)及溫度也是有關(guān)系的。通過有林地和草坡的各方面比較，有林地在各方面性質(zhì)都相對比草坡好，說明植被對水源涵養(yǎng)功能的影響是顯著相關(guān)的；在李阿瑾[17]、王鵬程[18]的研究中，都研究了林冠層、枯落物層和土壤層3個方面涵養(yǎng)水源的綜合能力，而本文只從不同植被類型土壤物理性質(zhì)和土壤蓄水能力方面分析土壤層間的涵養(yǎng)水源功能，其相同之處是土壤的涵養(yǎng)水源功能與植被都密切相關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 通過綜合評價，楠桿自然保護區(qū)不同植被類型的土壤物理性質(zhì)是：落葉闊葉林(P1=0.059)>竹林(P1=0.173)>針葉林(P1=0.245)>灌木林(P1=0.246)>針闊混交林(P1=0.25)>草坡(P1=0.452)；楠桿自然保護區(qū)不同植被類型的土壤物理性質(zhì)是受土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土層厚度等多方面影響的；不同植被類型土壤物理特性也因不同植被的林冠截留大小、枯枝落葉層厚度及樹根對土壤的松緊度的影響等而導致其土壤的物理性質(zhì)具有一定的差異，因此，土壤物理性質(zhì)與植被具有相關(guān)性。

(2) 楠桿自然保護區(qū)不同植被類型的土壤蓄水能力受土壤自然含水率、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量和土層影響，其各項指標綜合能力(P2值越小)越大，其蓄水能力也越強，因植被類型不同而導致蓄水能力具有一定的差異；不同植被類型土壤蓄水能力大小順序是：落葉闊葉林(P2=0.053)>竹林(P2=0.203)>針葉林(P2=0.334)>針闊混交林(P2=0.345)>灌木林(P2=0.349)>草坡(P2=0.488)。

(3) 從6種不同植被類型的土壤物理性質(zhì)、土壤蓄水能力和滲透能力的綜合分析來看，土壤物理性質(zhì)綜合能力(P1值越小)越好，土壤蓄水能力(P2值越小)越大，土壤滲透能力(P3值越小)相對較大，因此其植被類型的水源涵養(yǎng)功能就越強。楠桿不同植被類型土壤水源涵養(yǎng)綜合能力大小順序是：落葉闊葉林(∑Pi=0.468)>竹林(∑Pi=0.784)>針闊混交林(∑Pi=0.914)>針葉林(∑Pi=0.984)>灌木林(∑Pi=1.005)>草坡(∑Pi=1.431)。

(4) 在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植被類型、土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度等指標與土壤的持水、保水及滲水能力直接相關(guān)，因此對減少地表徑流、涵養(yǎng)水源和削弱水土流失具有重要作用。由于草坡物理性狀最差，因此建議在草坡上種植植物以提高土壤的物理性狀來增強其土壤的涵養(yǎng)水源功能。