岳麓山風(fēng)景區(qū)坡面林地土壤理化特征評析

王 玲,呂殿青,覃志斌,王 宏,侯旭磊,劉小梅

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,中國長沙 410081）

岳麓山風(fēng)景區(qū)坡面林地土壤理化特征評析

王 玲,呂殿青＊,覃志斌,王 宏,侯旭磊,劉小梅

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,中國長沙 410081）

以岳麓山林地坡面為研究區(qū)域,室內(nèi)試驗(yàn)確定不同坡位土壤的容重、孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)等方法分析5個理化性質(zhì)的坡面空間分異特征.結(jié)果表明,土壤容重在1.320～1.524 g·cm-3之間,坡下容重大于坡上坡中,孔隙度在44%～51%之間,小孔隙比例大,坡上坡中孔隙度大于坡下.岳麓山坡面土壤由于在持續(xù)降雨后表層含水量高達(dá)70%以上,土壤體積發(fā)生膨脹,膨脹系數(shù)為166%.土壤有機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2. 4%～4.2%之間,大小順序?yàn)槠律希酒轮校酒孪?pH值在4～4.34之間,岳麓山林地屬強(qiáng)酸性土壤,適宜酸性植物生長.有機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,坡面理化性質(zhì)空間變異不明顯.

岳麓山;容重;土壤含水量;有機(jī)質(zhì)

由于不同地區(qū)氣候、母巖、地形、植被和動物等方面存在差異就形成了多種土壤類型,導(dǎo)致土壤性質(zhì)各異.即使同一土壤類型,土壤的某些性質(zhì)在不同的空間位置仍存在著一定的差異[1],這種土壤特性在空間分布的非均一性被稱為土壤特性的空間變異性[2].在不同尺度上研究土壤空間變異性,對了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能[3]以及植物與土壤的關(guān)系[4-5]等方面具有重要的參考價(jià)值.自20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外學(xué)者對土壤特性的空間變異性作了大量的研究,取得了許多重要的進(jìn)展[6-10].近年來,對于土壤特性的研究大多集中在受人類活動影響較大、破壞較嚴(yán)重的地區(qū),如黃土高原區(qū).徐志友[11]和周萍[12]對黃土丘陵區(qū)不同坡面及坡位土壤理化性質(zhì)特征進(jìn)行研究;王云強(qiáng)[13]等對黃土區(qū)小尺度坡面土壤含水率進(jìn)行空間變異性研究;潘占兵[14]等研究了黃土丘陵區(qū)坡向坡位對苜蓿地土壤含水量影響.近年來由于旅游業(yè)的迅速發(fā)展,一些旅游風(fēng)景區(qū)受到人為活動的影響越來越多,景區(qū)生態(tài)也出現(xiàn)逐步退化.因此本文選擇岳麓山風(fēng)景區(qū)坡面為研究對象,通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論方法初步評析了岳麓山坡面尺度下林地土壤理化性質(zhì)的空間分布特征,以期為研究岳麓山土壤特性與植物分布規(guī)律及景區(qū)生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岳麓山風(fēng)景名勝區(qū)位于湖南省長沙市區(qū)之西,主要土類為山地紅壤,表土多為腐殖質(zhì)土,屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),夏季因海洋暖濕氣團(tuán)盤踞,高溫多雨,春夏之際陰濕多雨,秋末冬初雨量較少,冬季則受西伯利亞冷氣團(tuán)控制,氣候冷濕,年平均氣溫為17.2℃,年平均降水量1 200～1 400 mm[15].植物以典型的亞熱帶常綠闊葉林和亞熱帶暖性針葉林為主[16].本次研究區(qū)域?yàn)樵缆瓷綎|坡某一坡面,地理坐標(biāo)北緯28°23′,東經(jīng)112°46′,海拔128 m左右,坡度20°～35°,坡面長7 m,寬13 m,該區(qū)域森林垂直結(jié)構(gòu)為喬木、灌木和草本3個層次.喬木層以杉樹、馬尾松為主,灌木層以算盤子、大青葉為主,草本層以鱗毛蕨、淡竹葉等為主.坡下是一條大路,過往行人較多,同時坡面內(nèi)有一條小徑通往山上,兩條路周圍由于人為踐踏作用受人類活動影響較嚴(yán)重,其余地區(qū)植被生長良好.坡上坡中以喬木層和灌木層為主,坡下以根系較淺的草本植物居多.

1.2 樣品采集與測定

采樣時首先去除地表覆蓋物和3 cm表層土,以保持林地坡面的自然狀態(tài).沿坡長方向設(shè)置3個樣點(diǎn),沿坡寬方向設(shè)置5個樣點(diǎn),共采集15個樣點(diǎn),樣點(diǎn)分布如圖1所示.在每個樣點(diǎn)用環(huán)刀取2個樣,用鋁盒取3個樣.另外,每個樣點(diǎn)取500 g左右的土樣,風(fēng)干研磨,分別過2 mm、0.149 mm土壤篩,以待實(shí)驗(yàn)測定.

用烘干法和環(huán)刀法分別測定土壤的含水量和容重,土壤有機(jī)質(zhì)及pH值則分別采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法和電位法測定.

圖1 土壤樣點(diǎn)分布圖

2 結(jié)果分析

2.1 土壤容重和孔隙度分布狀況

土壤容重是指在自然狀態(tài)下單位體積干土與同體積水質(zhì)量之比,反映土壤顆粒和土壤孔隙的狀況,是一個重要的土壤物理指標(biāo).一般而言,容重小表明土壤比較疏松,孔隙度大,反之土壤則比較緊實(shí),孔隙度小.土壤容重大小也能反映土壤通氣性、透水性和根系伸展的阻力狀況.有研究表明,土壤容重值在1.0 g·cm-3時,任何含水量條件下,對作物根系的伸展都無機(jī)械抵抗力,但是大于1.4 g·cm-3時,除對通氣性和水分產(chǎn)生影響外,還會因土壤的機(jī)械抵抗力增加而阻礙根系的伸展.

岳麓山坡面各個樣點(diǎn)的土壤容重變化和分布如圖2所示.結(jié)果發(fā)現(xiàn),坡面表層容重在1.320～1.524 g·cm-3之間,平均值為1.427 g·cm-3,比一般肥沃耕作層的土壤容重稍大,表明土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí),對植物根系的機(jī)械阻抗力較強(qiáng).其中5號、9號和10號樣點(diǎn)容重在1.30～1.350 g·cm-3之間,通氣狀況好,土壤機(jī)械阻抗力低,有利于植物根系生長,而這3個樣點(diǎn)正位于坡面上、中位置的植被生勢良好,枯枝落葉較多的天然林地;而3號、8號和13號在各等高線上基本上是最大的,其所處的位置恰好是坡面內(nèi)的小徑,說明人為踐踏作用在一定程度上造成土壤緊實(shí)板結(jié).坡下樣地的容重基本上都大于對應(yīng)的坡上和坡中土壤容重,坡上坡中的喬木、灌木較多,而坡下根系較淺的草本植物居多,因此不同坡位上土壤容重的大小對坡面植被類型有一定的影響.

圖2 坡面土壤容重的變化

土壤孔隙是由于土壤中存在著不同形狀、大小的土粒和結(jié)構(gòu)體而形成了大小不一的空間,是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等遷移的通道、儲存庫和活動的場地,同時也是植物根系生長的場所.土壤孔隙組成直接影響到土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度,并對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能,是表征土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一.土壤孔隙度是反映土壤中所有孔隙的總量,通常根據(jù)土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土粒密度）×100%來計(jì)算[17].土壤孔隙度的大小由土壤的機(jī)械組成和結(jié)構(gòu)所決定,結(jié)構(gòu)性好則孔隙度高.

一般砂質(zhì)土壤的總孔隙度為30%～40%,大孔隙為主;壤土的總孔隙度為40%～50%,小孔隙占一半或多一點(diǎn);粘土的總孔隙度為50%～60%,以小孔隙為主[18].各個樣點(diǎn)的土壤孔隙度情況如圖3.從圖3可得,坡面土壤孔隙度較高,在42%～51%之間,小孔隙比例較大,粘粒含量較高,土壤質(zhì)地較粘重,坡下樣地孔隙度基本上都小于坡上坡中樣地孔隙度,這主要是因?yàn)橥寥里L(fēng)化強(qiáng)烈,土壤中的原始礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成次生粘土礦物質(zhì)比較徹底.土壤孔隙度高,通透性好,有利于植被的生長發(fā)育.

按照經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法分析,將研究區(qū)不同坡位土壤容重和孔隙度統(tǒng)計(jì)特征值列于表1.表1中可知,不同坡位土壤容重和土壤孔隙度的變異系數(shù)均小于10%.按照變異系數(shù)的劃分等級:弱變異性,CV＜10%;中等變異性,CV=10%～100%;強(qiáng)變異性,CV＞100%[19].可見,坡面尺度不同層次的土壤容重和土壤孔隙度存在弱變異性.不同坡位土壤容重的變異系數(shù)為坡上＞坡中＞坡下,土壤孔隙度變異系數(shù)為坡上＞坡下＞坡中.對不同層次土壤的容重和孔隙度的方差分析表明,二者差異性均未達(dá)到顯著水平.

圖3 坡面土壤孔隙度的變化

表1 土壤容重和土壤孔隙度描述性統(tǒng)計(jì)及方差分析

2.2 土壤含水量的分析

岳麓山土壤水分主要來源于大氣降水.同時,由于土壤孔隙度、植被密度和根系分布不同也有所差異,從而使得土壤水分的空間分布有所不同.岳麓山植被保護(hù)較好,地表蒸發(fā)較少,使得土壤具有良好的蓄水功能.

本次研究中的土壤樣品是在持續(xù)降雨20 d（累積降水量達(dá)196.6 mm）,天氣放晴后的2009年3月11日采得.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得各個樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量含水量情況如圖4所示.岳麓山紅壤的飽和體積含水量不超過50%,由此計(jì)算可知其飽和質(zhì)量含水量不超過40%,而圖4中表層土壤質(zhì)量含水量在71%～87%之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其飽和質(zhì)量含水量,這就表明紅壤具有吸水膨脹特點(diǎn).單位質(zhì)量土壤在持續(xù)吸水后,體積變大,則土壤孔隙變大,可存儲更多的水分.按照膨脹系數(shù)=（膨脹后體積/未膨脹體積）×100%=（（1/膨脹后的土壤容重）/（1/未膨脹的土壤容重））×100%的公式,經(jīng)計(jì)算,岳麓山紅壤表層土壤膨脹系數(shù)為166%.

圖4 表層土壤質(zhì)量含水量變化

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)和pH值的分析

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ),它包括各種動植物殘?bào)w以及微生物及其生命活動的各種有機(jī)產(chǎn)物.土壤有機(jī)質(zhì)不僅能為作物生長提供所需的各種營養(yǎng)元素,同時對土壤結(jié)構(gòu)的形成、土壤物理性狀的改善有決定性作用.

從圖5可見,坡面土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量在2.4%～4.2%之間,平均值為3.29%,有機(jī)質(zhì)含量較高.不同坡位土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為坡上＞坡中＞坡下,主要原因是坡下草本植物的生物量比坡上坡中的喬木、灌木少.其中6號、7號、11號和12號樣點(diǎn)處于該坡面的左下方,這個區(qū)域的坡度較陡,不利于枯枝落葉的積累,其有機(jī)質(zhì)含量在該坡面也是最低的區(qū)域.而5號、9號、10號樣點(diǎn)由于處于坡面上、中位置的天然林地,枯枝落葉較多,地勢較平坦,有機(jī)質(zhì)含量較高.

圖5 坡面土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

土壤酸堿度是土壤重要的基本性質(zhì),用pH值表示.土壤pH值除受土壤母質(zhì)、氣候和植被影響外,還受人為因素的影響.各種植物都有其適宜的酸堿度范圍,超出這個范圍時,植物生長受阻,土壤養(yǎng)分的生物有效性也受到影響.由圖6可知,坡面土壤pH值在4～4.34之間,平均值為4.16,屬于強(qiáng)酸性土壤.其中7號、8號、11號和12號樣點(diǎn)的pH值較高,而5號、10號和15號樣點(diǎn)pH值較低.在該區(qū)域內(nèi),發(fā)現(xiàn)一些酸性土壤指示植物,如杉樹、算盤子、鱗毛蕨等植物得以生長,亦表明該坡面土壤呈酸性.研究區(qū)域?yàn)槠旅娉叨?土壤母質(zhì)均一,所以土壤pH值主要是受植被及覆蓋物的影響.

土壤pH值通過影響微生物的活動而顯著影響著有機(jī)質(zhì)的空間分布,它是影響土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的環(huán)境因子之一.從以上分析可知,土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域恰是pH值較低區(qū)域,而有機(jī)質(zhì)較低區(qū)域是pH值較高區(qū)域.從圖7可知,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性達(dá)到了顯著水平（α=0.01）.由表2可得,坡面不同層次的土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)為12%～15%,屬于中等程度的變異性,且坡中＞坡上＞坡下.不同層次土壤pH值變異系數(shù)均小于5%,存在弱變異性,且坡中＞坡下＞坡上.不同層次土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值的方差分析表明,二者差異性均未達(dá)到顯著水平.

圖6 坡面土壤pH值變化

表2 土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤pH值描述性統(tǒng)計(jì)及方差分析

圖7 土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值的關(guān)系

3 結(jié)論

通過對岳麓山某一長13 m,寬7 m的坡面進(jìn)行土壤特性評析,結(jié)果表明:

（1）坡面土壤容重在1.320～1.524 g·cm-3之間,土壤結(jié)構(gòu)較緊實(shí),且坡下容重大于坡上坡中.土壤孔隙度較高,在44%～51%之間,小孔隙占的比例較大,土壤質(zhì)地較粘重,且坡上坡中孔隙度大于坡下.二者的方差分析,均未達(dá)到顯著水平.不同坡位土壤容重和孔隙度存在差異主要由植被分布狀況及受人類活動影響決定.

（2）在持續(xù)降水20 d后,岳麓山坡面土壤表層含水量很高,達(dá)70%以上,原因在于紅壤具有膨脹性.經(jīng)計(jì)算,岳麓山表層土壤膨脹系數(shù)為166%.

（3）土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,在2.4%～4.2%之間,且坡上＞坡中＞坡下;pH值在4～4.34之間,屬于強(qiáng)酸性土壤,坡中＞坡下＞坡上.有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性達(dá)到了顯著水平（α= 0.01）.對二者進(jìn)行方差分析,均未達(dá)到顯著水平.不同坡位土壤有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度不同主要由植被分布狀況決定.

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Review and Analysis of Soil Physical and Chem ical Characteristics on Woodland Slope in Yuelu Mountain

WANG L ing,LV D ian-qing＊,Q IN Zhi-bin,WANG Hong,HOU Xu-lei,L IU X iao-m ei（College of Resources and Environment Science,Hunan Nor malUniversity,Changsha 410081,China）

Woodland Slope in YueluMountain was chosen as studied area in thiswork.Soil bulk density,porosities,water content,organic matter and pH value were measured in the lab.Spatial heterogeneity in slope about the five soil physical and chemical characteristicswas studied by statisticalmethod.The results show that soil bulk densities change from 1.320 to 1.524 g·cm-3and are higher in the lower slope than that in upper slope and middle slope.The soil porosities are be tween 44%and 51%and are lower in the lower slope than that in upper slope and middle slope.Surface soilwatermass contents are more than 70%after continuous rainfall.Soil volume swells and swelling coefficient is 166%.Soilorganic matter isprobably between 2.4%and 4.2%and the orderof organic matter contents is upper slope,middle slope and lower slope.The pH values are from 4 to 4.34.It denominates that the soil of YueluMountain is the strongly acidic soil and suitable for acidic plants growing and developing.A negative correlation in significant level exists between organic matter contents and pH values.Spatial heterogeneity in slope about soil physical and chemical characteristics is no obvious difference.

YueluMountain;bulk density;soilwater content;organic matter

S152.7

A

1000-2537（2011）02-0084-05

2010-12-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40801083）;湖南省重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目（2008001）;湖南省教育廳青年項(xiàng)目（09B061）

＊通訊作者,E-mail:ldianqing@163.com

（編輯 王 健）