兩種人工林土壤物理性質(zhì)時空變異性1)

孟 春 羅 京 趙淑蘋 王 儉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

龐鳳艷

(哈爾濱市林業(yè)科學研究院)

土壤物理性質(zhì)是表征土壤結(jié)構(gòu)的一類重要指標，它不僅影響土壤中植物營養(yǎng)元素的有效性和供應能力，還決定了土壤中水、熱、氣和生物狀況。因此，對于土壤物理性質(zhì)及其異質(zhì)性的研究一直是眾多學者關(guān)注的焦點［1－5］。但是，前人的研究多集中在某一土壤類型的空間變異性或者不同土壤類型的變異性上，這些研究雖然有助于對土壤物理性質(zhì)的理解，但若要準確地掌握土壤不同時空的水、熱、氣交換情況，特別是對具有溫室效應的土壤CO2氣體排放情況的掌握，就需要對土壤物理性質(zhì)進行小尺度時空動態(tài)分析。因此，本文選取了兩個人工林分進行土壤物理性質(zhì)的小尺度動態(tài)觀測，以期揭示土壤物理性質(zhì)的時空變化特征。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗樣地為東北林業(yè)大學哈爾濱實驗林場。位于哈爾濱市區(qū)內(nèi)馬家溝河西岸(N45°43.463'～N45°43.464'，E126°37.457'～ E126°37.458')，地形平緩，土壤為地帶性黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風性氣候，年平均氣溫3.5℃，年積溫2 757℃，年降水量534 mm。

本次試驗選取該林場內(nèi)白樺(Betula platyphylla Suk.)人工林和落葉松(Larix gmelini Rupr.)人工林為研究樣地。樣地概況見表1。

1.2 觀測方法

在兩個觀測林地，分別于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日進行了5次取樣。每個樣地以對角線形隨機選取5個取樣點。在每個取樣點用鐵鍬挖出深約50 cm的剖面，在每個剖面上，從地表向下分別在5、15、30、45 cm處用環(huán)刀取樣，每個林地每次取樣20個。采用環(huán)刀法和烘干法測定毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、飽和持水量和土壤密度。

表1 樣地概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用經(jīng)典統(tǒng)計方法計算每個樣地每次取樣同層次各項指標的平均值、標準差。采用變異系數(shù)(CV)說明各項指標的變異程度:CV=S/(S為標準差;為均值)。CV≤0.1屬于弱變異性，0.1＜CV＜1屬于中等變異性，CV≥1屬于強變異性［6］。采用方差分析說明各指標時空差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤孔隙度與密度

2.1.1 非毛管孔隙度

白樺林和落葉松林地土壤非毛管孔隙度均值分別介于 5.20% ～12.80% 和 7.40% ～12.00%(表2)之間，均值分別為8.64%和7.33%。

表2 白樺林和落葉松林地土壤非毛管孔隙度 %

陳喜全［7］對該林場土壤顆粒組成研究的結(jié)果顯示，沿深度方向大于0.02 mm粒徑的百分組成差異不大，且無規(guī)律性變化。因此，在各次取樣中，除白樺林地第一次取樣和落葉松林地第三次取樣呈現(xiàn)規(guī)律性變化外(土壤深度由5 cm至45 cm的非毛管孔隙度均值呈增加趨勢，分別由5.20%和9.40%增至11.20%和12.00%)，其他各次取樣土壤非毛管孔隙度均值均無顯著規(guī)律性變化，且各土壤深度間非毛管孔隙度均值差異性并不顯著(p＞0.05)。

從時間序列上看，各次取樣間非毛管孔隙度差異性顯著(p＜0.05)，在各次取樣中，兩林地土壤非毛管孔隙度均在8月8日出現(xiàn)較大值。8月份為北方的雨季，土壤含水率較高，水分使土壤團聚體間間隙增大，導致該次觀測值明顯高于其他各次。

白樺林和落葉松林地土壤非毛管孔隙度變異性均屬于中等變異，變異系數(shù)分別介于0.13～0.89和0.10～0.52之間。不論在深度方向上還是在時間序列上，兩林地土壤非毛管孔隙度變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，兩林地土壤非毛管孔隙度變異性表現(xiàn)略有不同，白樺林地5 cm深處土壤非毛管孔隙度變異性較大，而落葉松林地則在15 cm和30 cm深度處變異性較大。造成這一差別的主要原因是白樺林地臨近主要通行道路，人為影響因素對土壤非毛管孔隙度的影響大于落葉松林地。

2.1.2 毛管孔隙度

白樺林和落葉松林地土壤毛管孔隙度分別介于35.60% ～46.00% 和 38.40% ～45.40%(表 3)之間，均值分別為42.60%和43.13%。

一般而言，土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)集中在土壤上層，隨著土壤深度的增加其含量逐漸減少［8］，因此，土壤毛管孔隙度地表較大、隨土層深度的增加呈逐漸減小的趨勢。研究樣地地處城市中心，由于人為踐踏的結(jié)果改變了土壤毛管孔隙度的一般變化規(guī)律，毛管孔隙度多數(shù)表現(xiàn)為15 cm和30 cm土層處較大或5 cm和45 cm土層處較小，但各深度間土壤毛管孔隙度差異性不顯著(p＞0.05)，這一結(jié)果與陳喜全［7］對該林場土壤顆粒小于0.02 mm粒徑的百分組成在深度方向的比例相一致。

表3 白樺林和落葉松林地土壤毛管孔隙度 %

從時間序列上看，各次取樣間毛管孔隙度差異性顯著(p＜0.05)，兩林地毛管孔隙度多數(shù)在8月8日取樣時出現(xiàn)較大值，其他各次較小，10月2日取樣最小，這一情況與土壤含水率的季節(jié)性變化相關(guān)。

白樺林和落葉松林地土壤毛管孔隙度變異性均屬于弱變異，變異系數(shù)分別介于0.02～0.09和0.03～0.09之間。無論從深度方向還是從時間序列上看，兩林地土壤毛管孔隙度變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，變異系數(shù)均未出現(xiàn)規(guī)律性變化。

2.1.3 總孔隙度

白樺林和落葉松林地土壤總孔隙度分別介于44.80% ～58.00% 和 46.60% ～55.80%(表 4)之間，均值分別為51.08%和52.30%。

表4 白樺林和落葉松林地土壤總孔隙度 %

總孔隙度決定于毛管孔隙度和非毛管孔隙度。雖然兩林地非毛管孔隙度未表現(xiàn)出顯著規(guī)律性變化，但由于毛管孔隙度在深度方向多數(shù)表現(xiàn)為15 cm和30 cm處較大、5 cm和45 cm處較小，且毛管孔隙度在總孔隙度中所占比例較大，使得總孔隙度呈現(xiàn)與毛管孔隙度相同的變化規(guī)律，但各深度間變化差異未達到顯著水平(p＞0.05)。從時間序列上看，總孔隙度的變化與毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化相一致，差異性顯著(p＜0.05)，即毛管孔隙度和非毛管孔隙度顯著的時間變化決定了總孔隙度的時間變化特點。

白樺林和落葉松林地土壤總孔隙度變異性均屬于弱變異，變異系數(shù)分別介于0.03～0.09和0.01～0.09之間。無論從深度方向還是從時間序列上看，兩林地土壤毛管孔隙度變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，變異系數(shù)均未出現(xiàn)規(guī)律性變化。

2.1.4 土壤密度

白樺林和落葉松林地土壤密度分別介于1.07～1.34 g·cm－3和 1.11 ～1.31 g·cm－3(表 5)之間，均值分別為 1.19 g·cm－3和 1.18 g·cm－3。

土壤密度決定于土壤孔隙度。土壤密度與總孔隙度變化趨勢相反，即總孔隙度越大，土壤密度越小。因此，土壤密度表現(xiàn)出與總孔隙度相反的變化規(guī)律，即土層15 cm和30 cm處較小、5 cm和45 cm處較大，但各深度間土壤密度差異未達到顯著水平(p＞0.05)。在時間序列上，兩林地各次取樣間土壤密度差異性顯著(p＜0.05)，8月份最低，與總孔隙度的季節(jié)變化趨勢相反。

白樺林和落葉松林地土壤密度變異系數(shù)分別介于0.02～0.08 和 0.01 ～0.08 之間，屬于弱變異。兩林地土壤密度變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

2.2 土壤水分

2.2.1 毛管持水量

白樺林和落葉松林地毛管持水量分別介于29.17% ～39.74% 和 30.63% ～39.65%(表 6)之間，均值分別為38.56%和36.44%。

表5 白樺林和落葉松林地土壤密度 g·cm－3

表6 白樺林和落葉松林地土壤毛管持水量 %

毛管持水量既取決于毛管的持水能力又取決于土壤層次的水勢，毛管持水量隨土層深度的增加而增加［9］。觀測結(jié)果與這一變化趨勢基本一致，但各深度間毛管持水量差異未達到顯著水平(p＞0.05)。

從時間序列上看，各次取樣間毛管持水量差異性顯著(p＜0.05)，與毛管孔隙度的季節(jié)變化相一致，8、9月份較高，其它月份較低。

白樺林和落葉松林地毛管持水量變異系數(shù)分別介于0.02～0.12 和 0.02 ～0.28 之間，既有弱變異也有中等變異。兩林地毛管持水量的變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

2.2.2 飽和持水量

白樺林和落葉松林地飽和持水量分別介于34.02% ～52.62% 和 35.61% ～47.59%(表 7)之間，均值分別為43.06%和44.20%。

表7 白樺林和落葉松林地土壤飽和持水量 %

土壤飽和持水量決定于土壤孔隙度。飽和持水量在深度方向上的變化與土壤總孔隙度的變化相一致，即隨土壤深度的增加飽和持水量亦增加，兩林地的觀測結(jié)果恰好符合這一變化趨勢，但與孔隙度相似，各深度間土壤飽和持水量差異未達到顯著水平(p＞0.05)。

從時間序列上看，各次取樣間飽和持水量差異性顯著(p＜0.05)，呈現(xiàn)季節(jié)性變化，8月份較高，其它月份較低，與總孔隙度的季節(jié)變化相一致。

白樺林和落葉松林地飽和持水量變異系數(shù)分別介于0.05～0.14 和 0.04 ～0.20 之間，既有弱變異也有中等變異。兩林地飽和持水量的變異系數(shù)存在差異，但均未達到顯著水平(p＞0.05)，未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

3 結(jié)論與討論

研究樣地地處城市中心，是經(jīng)由松花江、阿什河的長期侵蝕、搬運和堆積作用下形成的沖積平原［7］，植樹造林50余年后形成森林景觀，并成為周圍居民散步與健身的場所，使林地土壤物理指標的時空變化呈現(xiàn)出自然及人為因素共同作用的結(jié)果。

土壤孔隙度因土壤類型和利用方式的不同而有很大差別［10－15］。白樺林、落葉松林地非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度均值分別為8.64%和7.33%、42.60% 和 43.13%、51.08% 和 52.30%。研究樣地雖為黑土，但各項土壤孔隙指標卻低于同為黑土的裸地、草甸和農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的土壤［16］，高于同城市街道綠化地的各項孔隙指標［17］，從而導致土壤密度有與之相反的結(jié)果。土壤孔隙度的空間變化因研究樣地地表植物和地理位置的不同而有別于其他研究結(jié)果［16］。雖然非毛管孔隙度的空間變化與其他黑土基本相一致，但毛管孔隙度的空間變化與之卻有很大差別，土壤15 cm和30 cm深度處較大、5 cm和45 cm深度處較小。由于毛管孔隙度在總孔隙度中所占比例較大，從而導致總孔隙度與毛管孔隙度具有相同的空間變化特點。由于人為因素作用的差異，研究樣地與其他城市森林土壤物理指標的空間變化也不盡相同［18－19］。研究樣地總孔隙度超過或接近50%，表明研究樣地土壤通水、通氣性良好。在觀測年度內(nèi)，土壤孔隙指標呈現(xiàn)了顯著的時間變化，在8月份出現(xiàn)最大值，總孔隙度介于53.00% ～58.00%之間，表明8月份是土壤通水、通氣性最好的月份，而且，這是植物主要生長季節(jié)，非常有利于植物對養(yǎng)分的吸收。由于在研究深度內(nèi)均存在喬木及下木根系，使土壤孔隙指標的變異性降低，兩林地土壤孔隙指標的變異屬中等變異或弱變異，變異系數(shù)的差異不論在時間還是空間上差異均不顯著。

兩林地土壤密度均值分別為1.19g·cm－3和1.18 g·cm－3，高于同為黑土的裸地、草甸和農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的土壤［16］，低于同城市街道綠化地［17］。土壤質(zhì)地較為疏松，適合植物根系的生長和延伸。土壤密度的時空變化與土壤總孔隙度呈現(xiàn)出相反的變化特點。土壤密度變異屬于弱變異，變異系數(shù)不論在時間還是空間上差異均不顯著。

兩林地毛管持水量和飽和持水量均值分別為38.56%和 36.44%、43.06% 和 44.20%，低于同為黑土的裸地、草甸和農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的土壤［16］，高于同城市街道綠化地［17］。毛管持水量和飽和持水量在空間和時間上的變化均表現(xiàn)出了與總孔隙度一致的變化特點，兩林地土壤孔隙指標的變異屬中等變異或弱變異，變異系數(shù)不論在時間還是空間上差異均不顯著。

［1］任青山.西藏冷杉原始森林土壤物理性質(zhì)特征分析［J］.林業(yè)科學，2002，38(3):57 －62.

［2］何東進，洪偉，胡海清，等.武夷山風景區(qū)森林景觀土壤物理性質(zhì)異質(zhì)性及其分形特征［J］.林業(yè)科學，2005，41(5):175－179.

［3］Sparling G P，Schipper L A，Bettjeman W，et al.Soil quality monitoring in New Zealand:Practical lessons from a 6 year trial［J］.Agriculture，Ecosystems＆ Environment，2004，104(3):523 －534.

［4］Schoenholtza S H，Miegroetb H V，Burger J A.A review of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality:challenges and opportunities［J］.Forest Ecology and Management，2000，138(1/3)335 －356.

［5］Sotres F G，Cepeda C T，Leirós M C，et al.Different approaches to evaluating soil quality using biochemical properties［J］.Soil Biology and Biochemistry，2005，37(5):877 －887.

［6］劉淑娟，張偉，王克林，等.桂西北喀斯特峰叢洼地土壤物理性質(zhì)的時空分異及成因［J］.應用生態(tài)學報，2010，21(9):2249－2256.

［7］陳喜全.關(guān)于哈爾濱林場土壤發(fā)生分類的探討［J］.東北林學院學報，1983，11(3):12 －18.

［8］田野宏，屈遠強，滿秀玲，等.水土保持措施對黑土流失區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響［J］.東北林業(yè)大學學報，2011，39(11):84－88.

［9］王軼浩，王彥輝，謝雙喜，等.六盤山分水嶺溝土壤水文物理性質(zhì)空間變異［J］.中國水土保持科學，2008，6(4):33 －40.

［10］徐小牛，王勤，平田永二.亞熱帶常綠闊葉林的水文生態(tài)特征［J］.應用生態(tài)學報，2006，17(9):1570 －1574.

［11］曹鶴，薛立，謝騰芳，等.華南地區(qū)八種人工林的土壤物理性質(zhì)［J］.生態(tài)學雜志，2009，28(4):620 －625.

［12］聶立水，李吉躍，戴偉.北京西山油松栓皮櫟混交林的土壤水分特征［J］.林業(yè)科學，2007，43(增刊1):43 －47.

［13］薛立，梁麗麗，任向榮.華南典型人工林的土壤物理性質(zhì)及其水源涵養(yǎng)功能［J］.土壤通報，2008，39(5):986 －989.

［14］楊弘，李中，裴鐵帆.長白山北坡闊葉紅松林和暗針葉林的土壤水分物理性質(zhì)［J］.應用生態(tài)學報，2007，18(2):272 －276.

［15］張希彪，上官周平.人為干擾對黃土高原子午嶺油松人工林土壤物理性質(zhì)的影響［J］.生態(tài)學報，2006，26(11):3685－3695.

［16］王風，韓曉增，李海波，等.不同黑土生態(tài)系統(tǒng)土壤水分物理性質(zhì)研究［J］.水土保持學報，2006，20(6):67 －70.

［17］高玉娟.哈爾濱城市綠地土壤研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2002.

［18］高述超，田大倫，閆文德，等.長沙城市森林土壤理化性質(zhì)及碳儲量特征［J］.中南林業(yè)科技大學學報，2010，30(9):16 －22.

［19］劉為華，張桂蓮，徐飛，等.上海城市森林土壤理化性質(zhì)［J］.浙江林學院學報，2009，26(2):155 －163.