廣東省蕉嶺長潭省級自然保護區(qū)森林土壤持水性的垂直空間格局研究

林義輝，張?zhí)K峻

(廣東省林業(yè)局，廣東廣州 510173）

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其持水性能決定了土壤抗蝕性和土壤水分供給的有效性，成為地表植被生長和發(fā)育的主導因子，也是森林水土保持作用發(fā)揮的基礎，是森林涵養(yǎng)水源的主體，對于改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用.森林土壤水分是森林植物養(yǎng)分運轉的載體和溶劑、通氣性的調(diào)節(jié)劑以及土壤中有毒物質(zhì)的稀釋劑，也是土壤徑流的供源.了解土壤的水分物理性質(zhì)是認識上述作用的前提和基礎.土壤水分物理性質(zhì)不僅決定土壤中水、氣、熱和生物狀況，而且影響土壤中植物營養(yǎng)元素的有效性和供應能力.當前，森林土壤持水特征及其影響因素成為國內(nèi)外森林生態(tài)研究的重要內(nèi)容［1－6］，而國內(nèi)對南亞熱帶流域體系的森林土壤持水量的研究卻很少系統(tǒng)報道.本文采用軟件DMAP(Distribution mapping software)附帶的Digitizer功能將長潭自然保護區(qū)數(shù)字化，然后利用該軟件生成1 km×1 km的網(wǎng)格，通過區(qū)域網(wǎng)格化的采樣方法研究長潭自然保護區(qū)森林土壤持水性能的分布規(guī)律及森林土壤持水在垂直分布上的變化，為揭示韓江流域森林土壤涵養(yǎng)水源效能提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于廣東省蕉嶺長潭省級自然保護區(qū)(以下稱“保護區(qū)”)，地處廣東省東北部，蕉嶺縣西北部，距縣城約10 km.地理位置為東經(jīng)116°03'～116°08'，北緯 24°41'～ 24°49'，形成南北直線長 16 km，南端和北端寬6 km，中間峽谷寬1 km的雙頭棒錘狀.東連長潭、文福、廣福3個鎮(zhèn)，西鄰平遠縣及蕉嶺縣長潭鎮(zhèn)的百美村，北靠福建省插花山，南包括長潭水庫的全部山林，總面積為5585.7 hm2.

保護區(qū)地勢由東北向西南傾斜，屬武夷山余脈的延伸，地形以丘陵山地為主，山地坡度多在25°～45°，個別地段在60°以上.區(qū)內(nèi)地帶性土壤主要以紅壤為主，北部為中土層紅壤，南部為厚層紅壤，石窟河兩岸為沖積土.土壤腐殖質(zhì)中至厚，土壤較肥沃.

保護區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，夏長冬短，高溫多雨.平均溫度為19℃，平均最高氣溫為28.5℃(7月)，平均最低氣溫為11.9℃(1月);年降水量為1730～1916 mm，降水量全年分布不均，多集中在春末秋初，雨熱同季，3—9月份降水量占全年降水量的 84%［7］.

2 研究方法

2.1 樣地設置、外業(yè)調(diào)查與樣品采集

采用DMAP Digitizer將長潭自然保護區(qū)地形圖進行數(shù)字化處理，生成66個1 km×1 km UTM網(wǎng)格系統(tǒng).

采樣剖面設置在每個網(wǎng)格中心，采用100 cm3環(huán)刀于土層0～25、25～50、50～75和75～100 cm 4個層次取樣，每層3個重復，共采環(huán)刀樣品792個.

2.2 室內(nèi)分析

根據(jù)國標《LY/T 1215—1999森林土壤水分 －物理性質(zhì)的測定》［8］進行土壤自然含水量、土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣孔隙度、最大持水量、最小持水量、非毛管持水量、毛管持水量和土壤總孔隙持水量的測試與計算.

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用統(tǒng)計軟件STATISTICS 5.5的Duncan’s多重比較方法進行土壤持水能力及垂直分布特征分析.

3 結果與分析

3.1 不同土層土壤持水性能的方差分析

土壤容重表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而增加.0～25和25～50 cm層的土壤容重均極顯著低于下層土壤(P＜0.0001).50～75和75～100 cm土層之間容重差異不顯著(P=0.276)(圖1A).

土壤自然含水量表現(xiàn)為隨土壤深度增加而先減少后增加(圖1B)，0～25、25～50 cm層自然含水量顯著低于50～75和75～100 cm層(P=0.0276).且0～25 cm層高于25～50 cm層，但增幅較小(P=0.8);50～75和75～100 cm層則無顯著差異.

土壤通氣孔隙度、最小持水量、最大持水量和在不同土層中分布規(guī)律一致(圖1C～1E)，均表現(xiàn)出隨土層深度的增加逐漸減小，且0～25 cm土層極顯著大于下層土壤(P＜0.0001)，而25～50、50～75和75～100 cm 3個層次間的差異不顯著(P＞0.1).

土壤毛管水可以為植物的根毛和土壤中的細菌所利用，是植物生存的重要水文基礎.圖1F顯示，土壤毛管持水量隨土層加深表現(xiàn)出0～25 cm ＞25～50 cm ＞50～75 cm ＞75～100 cm，但相互間的變化極小(變幅92.93～95.76 mm)，無顯著差異(P＞0.1).

非毛管孔隙中的水分則主要受重力的作用，向深層下滲，使土壤水分不斷補充到地下水或注入河流，其貯蓄和運動速度快，在林地削減洪水、調(diào)節(jié)水分運動中起重要作用［9－10］.土壤非毛管持水量隨土層加深而迅速降低，表層0～25 cm最高，極顯著高于其他3層(P＜0.00001);25～50 cm層極顯著高于50～75和75～100 cm層(P＜0.001);而50～75和75～100 cm層差異不顯著(P=0.227)(圖1G).

土壤總孔隙貯水量隨土層加深呈下降趨勢(圖1H)，0～25 cm層極顯著高于其他3層(P＜0.0001)，25～50 cm層極顯著高于50～75和75～100 cm層(P＜0.001)，而50～75和75～100 cm 層間差異不顯著(P=0.108).

以上分析表明，森林土壤水源涵養(yǎng)和蓄水調(diào)洪能力主要體現(xiàn)在0～25和25～50 cm層，而50～100 cm層的土壤持水能力較差，這與王燕等［11］的研究結果相同.由于林地表層土壤長期積累凋落物，凋落物腐爛形成較厚的腐殖質(zhì)層［12］，且根系在地表的密集分布以及林下植被的覆蓋均對表土物理性質(zhì)具有顯著的改善作用，因此，表層土壤物理結構、孔隙性等優(yōu)于下層土壤，貯水量也就顯著高于深層土壤;而下層土壤，受到林分類型及人為干擾的影響較小，貯水性能相對穩(wěn)定.

圖1 不同土層土壤持水特性的比較Fig.1 Soil water－h(huán)olding capacity under different soil layers

3.2 土壤持水性能垂直分布特征

0～25、25～50、50～75和75～10 cm 層的土壤容重分別為 1.11、1.28、1.36 和 1.40 g·cm－3;通氣孔隙度分別為 27.81%、21.28%、15.94%和14.59%;自然含水量分別為 77.62、77.00、83.10 和82.29 mm;最小持水量分別為91.09、84.88、89.88和86.88 mm;最大持水量分別為121.08、111.86、111.23和109.57 mm;非毛管持水量分別為51.73、37.17、28.58和25.60 mm;毛管持水量分別為95.76、92.93、94.93和93.00 mm;土壤總孔隙貯水量分別為147.49、130.10、123.51 和118.59 mm(圖1).

在垂直方向上，土壤持水受成土過程、土壤類型、結構、顆粒大小、疏松情況等影響.圖2、圖3顯示不同深度的土壤持水特征存在差異:土壤容重、土壤自然含水量總趨勢是隨著土層深度的增加而增加;而土壤通氣孔隙度、最大持水量、土壤總孔隙貯水量及非毛管持水量則隨土層深度的增加而降低;最小持水量和毛管持水量則表現(xiàn)出先降低再上升.可見，長潭自然保護區(qū)森林表層土壤具有較好的涵養(yǎng)水源效能.對森林土壤的大量研究［10－13］表明，森林土壤是森林水分儲蓄的主要場所，其貯蓄量和貯蓄方式受物理性質(zhì)影響極大，而林地土壤的發(fā)育程度，林分類型、表層枯落物組成和數(shù)量以及地下根系的生長發(fā)育也各異，綜上所述造成土壤物理性質(zhì)的差異，引起各生態(tài)系統(tǒng)不同土層土壤蓄水能力的不同.

圖2 土壤通氣孔隙度、土壤容重的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of ventilation porosity and bulk density

圖3 不同深度土壤持水特征變化規(guī)律Fig.3 Hydro－physical soil properties in different soil depths

4 結論

廣東省蕉嶺長潭省級自然保護區(qū)森林土壤持水性能在0～100 cm深度的土層中的垂直變異結構及其分布格局表明:土壤自然含水量、最大持水量、最小持水量、土壤通氣孔隙度、土壤總孔隙貯水量、非毛管持水量等6個指標隨土壤加深不斷減小，表層0～25 cm與下層土壤具有極顯著的差異.相反，土壤容重則表現(xiàn)出隨土壤深度增加而極顯著增大.多重比較的分析表明，50～100 cm深度內(nèi)土壤貯水能力變異很小，差異不顯著.由于林地表層土壤長期積累凋落物并腐爛形成較厚腐殖質(zhì)層，因此，土壤表層貯水量要極顯著高于深層土壤，土壤物理結構、孔隙性和數(shù)量特征優(yōu)于下層土壤.

森林土壤水源涵養(yǎng)林和理水調(diào)洪能力主要體現(xiàn)在上層土壤，下層土壤尤其是50～75和75～100 cm這兩個層次土壤持水性能穩(wěn)定.大量的研究［12－13］表明，影響土壤持水性能在垂直空間上的分布因素很多，如林分類型、林木生長情況、根系分布、枯落物數(shù)量和種類、母巖、地形地貌等環(huán)境因子和生物因子，需要進一步的研究和分析.

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