涪江中游不同林分土壤水分-物理性質(zhì)研究

林 浩，吳麗君，曾 艷，李衛(wèi)忠，劉 謠，楊玉蓮，吳慶貴,*

(1.綿陽師范學(xué)院生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621006；2.四川省環(huán)境政策研究與規(guī)劃院，四川成都 610000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100)

0 引言

水分是土壤肥力中最活躍的因素，土壤水分物理性質(zhì)不僅反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)狀況和養(yǎng)分狀況[1]，也是定量研究土壤水源涵養(yǎng)能力的關(guān)鍵因素[2-3].通常認(rèn)為，闊葉林土壤水源涵養(yǎng)功能優(yōu)于針葉林[4-5]；但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，針葉純林[6]、針闊混交林[7]土壤的持蓄水能力優(yōu)于闊葉純林.這與研究區(qū)域的氣候與土壤差異以及代表性樹種選擇、造林密度和經(jīng)營管理[8]等有關(guān)，尚難得出一致的結(jié)論.一方面，樹種選擇影響森林對(duì)土壤水分-物理性質(zhì)的調(diào)控過程，不同林分下樹種生物學(xué)特性和林分結(jié)構(gòu)差異影響物質(zhì)周轉(zhuǎn)與養(yǎng)分歸還過程，對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能控制效應(yīng)不同[9-10].其次區(qū)域氣候和地形等也是影響土壤水分-物理性質(zhì)的重要因素，同一樹種在不同環(huán)境下林下土壤性質(zhì)也不同[11-13].另一方面，造林密度和森林的經(jīng)營管理也會(huì)對(duì)林下土壤造成差異，不合理造林和經(jīng)營都會(huì)造成土壤肥力下降[14-15].但是，在局域范圍內(nèi)，樹種本身生物學(xué)特性以及林分結(jié)構(gòu)是影響土壤水分-物理性質(zhì)的關(guān)鍵因素.因此，研究固定區(qū)域森林土壤水分-物理性質(zhì)對(duì)評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源功能具有重要指導(dǎo)意義，可以為該森林的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

涪江是嘉陵江右岸最大支流，發(fā)源于四川省松潘縣黃龍鄉(xiāng)岷山雪寶頂，是川西北地區(qū)一條重要河流，為當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活提供寶貴的水源[16].涪江作為長(zhǎng)江流域的重要組成部分，是庇護(hù)川西北地區(qū)天然的重要生態(tài)屏障[17-18].涪江中游作為涪江流域重要組成部分，在植被的水源涵養(yǎng)和水土保持、淤沙固岸方面發(fā)揮著重要作用，具有重要的生態(tài)功能[19].受退耕還林和天然林保護(hù)等生態(tài)工程實(shí)施的影響，區(qū)域內(nèi)森林面積不斷增加[20-21]，但對(duì)于典型林分土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能仍不清晰，而有關(guān)于涪江中游不同森林土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能一直缺乏應(yīng)有的關(guān)注.

鑒于此,本文以涪江中游7種不同林分為研究對(duì)象，測(cè)定不同林分下土壤容重、孔隙度與持水量等水分-物理性質(zhì)，揭示不同林分下土壤結(jié)構(gòu)及持水能力差異狀況，以期為該區(qū)域內(nèi)的水土保持和森林水源涵養(yǎng)提供科學(xué)參考.

1 研究地區(qū)自然概況和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省綿陽市(103°45′～105°43′E, 30°42′～33°03′N)，涪江中上游地帶，平均海拔為400～600 m，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū).多年平均氣溫在攝氏14.7 ℃～17.3 ℃之間，域內(nèi)氣候溫和、濕度大、雨量豐沛，無霜期長(zhǎng)平均為253 d～301 d，年平均降水量為826 ～1 417 mm，主要集中在6～8月.土壤類型主要為黃壤.植被類型豐富，以闊葉林、針葉林和低矮灌叢為主[18].

1.2 樣方設(shè)置和樣品采集

基于前期實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，選擇石橋鋪、仙海以及磨家鎮(zhèn)等林齡相近，林相整齊的7種林分.采用典型樣地法，每個(gè)林地隨機(jī)布設(shè)3個(gè)20 m×20 m的樣方(樣方之間的距離大于50 m)，測(cè)定樣方基本特征(表1).在樹干距地面1.3 m處，采用皮尺量取樹木胸徑，如1.3 m處樹干異常，往上找離其最近的正常部位量取.如樹木分枝點(diǎn)在1.3 m以下，則在分枝點(diǎn)下方量取[22].

采集土壤樣品時(shí)，在各樣方內(nèi)按五點(diǎn)取樣選定采樣點(diǎn)，用鐵鍬挖開土層，用環(huán)刀(體積為100 cm3)依次按20～40 cm (M2)、0～20 cm (M1)分層采集原始土樣，分裝編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤物理性質(zhì)及持水量.

1.3 土壤物理性質(zhì)和持水性能測(cè)定

用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度與最大持水量等指標(biāo)，用烘干法測(cè)定土壤含水量，具體的操作及計(jì)算方法參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定》(LY/T1215—1999).

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

不同土層深度間土壤物理性質(zhì)比較采用t-檢驗(yàn)，采用單因素方差分析(One-way ANOVA) 比較不同林分間土壤物理性質(zhì).方差分析之前采用正態(tài)直方圖法粗略檢測(cè)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對(duì)不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用取對(duì)數(shù)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用S-W方法檢驗(yàn)方差齊性，一旦達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著性采用Duncan法進(jìn)行多重比較.采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析不同林分和土層對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的顯著性，在分析之前分別采用K-S檢驗(yàn)和方差同質(zhì)性檢測(cè)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布和方差齊性.土壤持水能力與土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)分析采用Person相關(guān)分析法.所有統(tǒng)計(jì)分析均采用Excel(2016)和SPSS 24.0進(jìn)行，并運(yùn)用Origin9.0軟件完成作圖.

表1 樣地概況Tab.1 Introduction to the study site

續(xù)表1：

2 結(jié)果分析

2.1 不同林分下土壤容重比較

由表2可知，林分和土層深度顯著影響土壤容重(P<0.05)，二者交互作用對(duì)容重影響不顯著(P=0.234).不同林分土壤容重均值為1.35～1.85 g·cm-3，各林分中土壤容重隨土層深度的增加而增加(圖1)，不同林分相同土層間土壤容重變化規(guī)律不一致.M1土層的土壤容重由大到小依次是榿木×洋槐混交林>構(gòu)樹林>桉樹林>柏木林>馬尾松林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林；M2土層的土壤容重由大到小依次是榿木×洋槐混交林>榿木×女貞混交林>構(gòu)樹林>柏木林>桉樹林>馬尾松林>柏木×青岡混交林.從0～40 cm層來看，榿木×洋槐混交林(1.73 g·cm-3)土壤容重最大，顯著高于其他林分(P<0.05)，其次是構(gòu)樹林、桉樹林、柏木林、榿木×女貞混交林與馬尾松林，柏木×青岡混交林最小.

圖1 不同林分對(duì)土壤容重的影響Fig.1 The effect of variations in forest on soil bulk densitya. M1：表示0～20 cm的土層，M2表示20～40 cm的土層；b. 不同大寫字母表示同一土層不同林分間差異顯著(P<0.05)；不同的小寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著(P<0.05)(下同).

2.2 不同林分下土壤孔隙度比較

由表2可知，林分和土層深度顯著影響土壤總孔隙度、毛管孔隙度(P<0.05)，二者交互作用對(duì)土壤總孔隙度(P=0.788)、毛管孔隙度(P=0.848)無顯著影響，土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小(圖2).各林分土壤總孔隙度、毛管孔隙度分別介于30.82%～42.18%和29.58%～40.78%之間.M1土層總孔隙度由大到小依次為：柏木林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>構(gòu)樹林>馬尾松林>桉樹林>榿木×洋槐混交林.M1土層毛管孔隙度為：榿木×女貞混交林>柏木林>柏木×青岡混交林>構(gòu)樹林>桉樹林>馬尾松林>榿木×洋槐混交林；M2層毛管孔隙度和總孔隙度大小變化一致，均為：柏木林>構(gòu)樹林>馬尾松林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林.從0～40 cm層來看，柏木林的總孔隙度和毛管孔隙都最大，榿木×洋槐混交林最小.

同一土層不同林分間間非毛管孔隙度存在顯著差異(P<0.05，圖3)，其中柏木林顯著高于其他林分.M1土層非毛管孔隙度由大到小依次為柏木林>馬尾松林、榿木×女貞混交林>桉樹林>榿木×洋槐混交林>柏木×青岡混交林>構(gòu)樹林；M2土層為柏木林>榿木×洋槐混交林>桉樹林>構(gòu)樹林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>馬尾松林.其中柏木林、柏木×青岡混交林、榿木×女貞混交林和馬尾松林非孔隙度隨土層的增加而減小，而榿木×洋槐混交林、桉樹林和構(gòu)樹林則隨土層的增加而增加.

圖2 不同林分對(duì)土壤孔隙度的影響Fig.2 The effect of variations in forest on soil capillary porosity圖3 不同林分對(duì)土壤持水能力的影響Fig.3 The effect of variations in forest on soil moisture capacity

2.3 不同林分下土壤持水能力比較

林分和土層深度顯著影響土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量(P<0.05，表2).不同林分間土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量變化范圍分別為215.87 ～304.73 g·kg-1、161.13～297.16 g·kg-1、158.20 ～287.04 g·kg-1.在M1土層中，最大持水量和毛管持水量由大到小均為：榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>柏木林>馬尾松林>構(gòu)樹林>桉樹林>榿木×洋槐混交林，田間持水量為：榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>柏木林>桉樹林>構(gòu)樹林>馬尾松林>榿木×洋槐混交林；在M2土層中，最大持水量和毛管持水量表現(xiàn)為：柏木林>構(gòu)樹林>柏木×青岡混交林>馬尾松林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林，田間持水量為：柏木林>馬尾松林>柏木×青岡混交林>構(gòu)樹林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林.在0～40 cm土層間土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì).其中，柏木×青岡混交林最大，其次依次為柏木林、榿木×女貞混交林、構(gòu)樹林、馬尾松林、桉樹林與榿木×洋槐混交林.隨著土層深度的增加土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量減小(圖2).

2.4 林分對(duì)土壤持水能力與容重和孔隙度相關(guān)性的影響

土壤持水能力與容重和孔隙度的相關(guān)關(guān)系受林分類型的影響(表3).土壤持水量與容重均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01, 除馬尾松林和構(gòu)樹林外)，土壤持水量與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01, 除馬尾松林外).馬尾松林的土壤毛管持水量、田間持水量與總孔隙度之間均呈顯著正相關(guān)(P<0.05).構(gòu)樹林最大持水量和毛管持水量與容重，以及最大持水量與非毛管孔隙度均呈顯著正相關(guān)(P<0.05).

表3 不同林分類型條件下土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation matrix showing the correlation coefficients among studied variables across forest

3 討論

土壤水分-物理性質(zhì)反應(yīng)了土壤的結(jié)構(gòu)狀況、持水能力等，是林分結(jié)構(gòu)與功能的綜合體現(xiàn)[23-24].不同林分因其群落結(jié)構(gòu)和樹種差異，對(duì)凋落物的形成與分解、微生物群落等產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變了土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)能力[25-26].本研究結(jié)果表明，林分類型和土層深度都顯著影響了土壤容重、孔隙度和持水量，土壤持水能力與容重和孔隙度的相關(guān)關(guān)系也受林分類型的影響.不同林分間土壤水分-物理性質(zhì)存在顯著差異，土壤容重隨土層深度的增加而增加，土壤持水量和孔隙度則隨土層深度的增加而減小，其中青岡×柏木混交林的土壤持水量明顯優(yōu)于其他林分，說明針闊混交林在一定程度上可以改善土壤水分-物理性質(zhì)，提高土壤水源涵養(yǎng)能力[27].

3.1 不同林分對(duì)土壤容重的影響

土壤容重作為土壤主要結(jié)構(gòu)特性之一，綜合反映了土壤孔隙狀況、通透性和持水能力等土壤物理性質(zhì)[28-29].土壤容重越小，表明土壤比較疏松，透氣性好.反之，表明土壤比較緊實(shí)，結(jié)構(gòu)性差[30].土壤容重一般介于1.0～1.5 g·cm-3，結(jié)構(gòu)良好的土壤在1.25～1.35 g·cm-3[31].與之相比，本研究中土壤容重值變動(dòng)范圍在1.35～1.85 g·cm-3，其中柏木×青岡混交林(1.39 g·cm-3)的土壤容重最小，土壤結(jié)構(gòu)良好，其次是馬尾松林和柏木林.桉樹林與構(gòu)樹林土壤容重大于1.50 g·cm-3，可能引起土壤板結(jié)、肥力下降[32]，說明相對(duì)于單一林分，針闊混交林有利于改善土壤物理性狀，明顯優(yōu)于單一林分針葉林和闊葉林[33].其原因可能是不同林分混交改變了林內(nèi)小環(huán)境，調(diào)節(jié)了林內(nèi)光和熱的分配，從而促進(jìn)凋落物的分解，降低土壤堅(jiān)實(shí)度[34].榿木×洋槐混交林、榿木×女貞混交林兩者同為闊葉混交林，但土壤容重差異顯著，一方面可能是因不同樹種間因其生物學(xué)特征的不同存在化感作用而影響其他樹種生長(zhǎng)[35]，另一方面可能是林齡的限制，森林植被對(duì)土壤的改善作用是由淺入深的過程，隨著林齡的增加，其對(duì)土壤的改善逐漸深入到下層[36].

3.2 不同林分對(duì)土壤孔隙度的影響

土壤孔隙是土壤中養(yǎng)分、水分等的運(yùn)輸通道，主要分為毛管孔隙度和非毛管孔隙度，土壤孔隙度越大其潛在涵養(yǎng)水源能力越強(qiáng)[1,11].研究表明土壤總孔隙度在40%～60%之間，非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例在1/5～2/5的土壤結(jié)構(gòu)性良好，土壤通氣性和持水能力較好[37].本研究中只有柏木林土壤總孔隙度大于40%，其余林分土壤總孔隙度介于33%～39%之間，而非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例均在1/5下，說明土壤非孔隙數(shù)量少，土壤滯留水分能力較差.不同林分土壤孔隙度存在顯著差異，柏木林孔隙度高，其次依次為柏木×青岡混交林、榿木×女貞混交林、構(gòu)樹林、桉樹林、馬尾松林、榿木×洋槐混交林.導(dǎo)致這種差異的原因可能是：首先，由于不同林分優(yōu)勢(shì)樹種的差異使其林內(nèi)小環(huán)境、凋落物的數(shù)量及分解速率不同，進(jìn)而影響土壤孔隙度[38-39].其次是植物根系的分布，不同林分土壤根系生物量分布規(guī)律不同.地下細(xì)根越多越有利于毛管孔隙度的形成，此外根系在土壤中穿插擠壓產(chǎn)生的機(jī)械力可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度[40-41].

3.3 不同林分對(duì)持水能力的影響

土壤持水能力是評(píng)價(jià)土壤水分調(diào)節(jié)能力和涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)[16]，受土壤容重和孔隙度的影響[17]，土壤容重越小，土壤孔隙度越大就意味著土壤潛在的水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)[14].本研究中土壤持水量與孔隙度均隨著土層的增加而下降，這可能與土壤有機(jī)質(zhì)、植物根系隨土壤深度降低有關(guān)[42].不同林分土壤持水量存在顯著差異，其中柏木×青岡混交林最大持水量、毛管持水量與田間持水量均最大，說明柏木×青岡混交林的持水能力明顯大于針葉林和闊葉林[33].

綜上所述，綜合比較涪江中游7種林分水分-物理性質(zhì)，不同林分間土壤水分-物理性質(zhì)存在差異顯著，土壤持水量與孔隙度和容重的相關(guān)性受林分類型的影響.土壤容重隨土層的增加而減小，最大持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度與毛管孔隙度隨土層深度的增加而減小.柏木×青岡混交林土壤具有較高的持水能力，因此在進(jìn)行林地設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮引入有助于土壤結(jié)構(gòu)改良的樹種進(jìn)行混交從而改善其土壤結(jié)構(gòu)，提高森林水源涵養(yǎng)的能力.