上闊下竹混交林對土壤物理性質(zhì)的影響

徐愛珍 ，楊 寬 ，王福升，劉國華，劉新華

（1．南京林業(yè)大學 竹類研究所，江蘇 南京 210037； 2．遂川縣林業(yè)局衙前林業(yè)站，江西 遂川343903）

上闊下竹混交林對土壤物理性質(zhì)的影響

徐愛珍1，楊 寬1，王福升1，劉國華1，劉新華2

（1．南京林業(yè)大學 竹類研究所，江蘇 南京 210037； 2．遂川縣林業(yè)局衙前林業(yè)站，江西 遂川343903）

以遂川縣不同比例的上闊下竹混交林Ⅰ(18.6%)、Ⅱ（25%）、Ⅲ（27.5%）和毛竹純林（Ⅳ）為研究對象，對不同深度（0～60 cm）的土壤物理性質(zhì)分析。結(jié)果表明：土壤容重的排列順序為Ⅳ(1.04 g·cm-3)＜Ⅲ(1.11 g·cm-3)＜Ⅱ(1.12 g·cm-3)＜Ⅰ(1.13 g·cm-3)，且差異顯著；土壤總孔隙度大小為Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ；土壤有機質(zhì)由大到小依次為Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ，土壤有機質(zhì)與土壤容重存在顯著負相關，與土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等存在顯著或極顯著關系；土壤最大蓄水量和蓄水深度均表現(xiàn)為Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。采用TOPSIS法對不同類型毛竹林土壤物理結(jié)構(gòu)綜合評價，土壤物理結(jié)構(gòu)優(yōu)劣順序為Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ，表明較大比例的上位闊葉林對下位毛竹純林土壤結(jié)構(gòu)有一定的改善作用。

上闊下竹混交林；土壤物理性質(zhì)；TOPSIS優(yōu)劣解距離法

毛竹Phyllostachys edulis又名“楠竹”，是中國特有的經(jīng)濟竹種，其分布區(qū)域廣、栽培面積大、觀賞性好[1]、利用價值高，在我國竹產(chǎn)業(yè)中具有重要的地位。毛竹林培育方式較多，根據(jù)林分類型分毛竹純林，毛竹混交林等；根據(jù)用途分為毛竹筍用林，毛竹材用林及毛竹筍材兩用林等。隨著毛竹純林面積的迅速擴大，出現(xiàn)病蟲害嚴重、土壤肥力下降、抵抗力弱等現(xiàn)狀，有學者[2-3]指出切忌推廣一種固定經(jīng)營模式，應合理組建竹林生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化功能和結(jié)構(gòu)體系。近年來，毛竹混交林的研究較多，主要以竹闊混交林和竹杉混交林為主[4-7]，毛竹與泡桐[8-9]、毛竹與光皮樺[10]及毛竹與油桐[11]等混交林的物理性質(zhì)研究也均有報道。

本研究提出的上闊下竹混交林即為毛竹林斑塊混交中的一種，是指山頂闊葉林或針葉林和山體中下部毛竹純林所構(gòu)成的上闊下竹復合生態(tài)系統(tǒng)，其上位闊葉林多為自然生存的鄉(xiāng)土樹種，適應性強，在涵養(yǎng)水源方面具有重要的生態(tài)功能。一般的毛竹林混交林的經(jīng)營方式為株間混交不便于竹農(nóng)的經(jīng)營，且毛竹純林的經(jīng)營海拔不宜過高，上闊下竹復合系統(tǒng)不但可避免這些不足，而且留有部分的闊葉林可以保存部分珍貴物種，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，因此，上闊下竹復合生態(tài)系統(tǒng)是毛竹林可持續(xù)經(jīng)營的較好方式。本研究主要比較上闊下竹混交林與毛竹純林土壤物理性質(zhì)和有機質(zhì)等方面的差異性，為毛竹林生態(tài)經(jīng)營、長期生產(chǎn)力保持提供科學依據(jù)。

1 研究地概況

遂川縣位于江西省西南邊境，東經(jīng)114°3′，北緯26°20′?？h境屬中亞熱帶濕潤季風區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，陽光充足，四季分明。年平均氣溫在15.1～18.1 ℃之間，年平均降水量1 421.2 mm，年平均無霜期284 d。該縣最高海拔2 120.4 m，最低海拔只有82 m，相對海拔2 038 m，山地以紅壤類為主。遂川縣自然資源豐富，全縣有林地面積2.46×105hm2，森林覆蓋率達75.8%，活立木蓄積量達1.003×107m3，立竹4 000余萬根，是江西省重點林業(yè)縣。

2 研究方法

2.1 樣地的調(diào)研和樣品的采集

2.1.1 樣地的設置和調(diào)查

選擇立地條件基本一致的上闊下竹混交林和毛竹純林，根據(jù)闊葉林占整個坡面投影面積的比例不同選擇3座上闊下竹混交林，編號分別為類型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，純林編號為Ⅳ，共4座山體。首先在類型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ闊葉林內(nèi)隨機設置3個10 m×10 m樣方；然后在中下部毛竹林根據(jù)海拔高度按3等分設置為上坡、中坡和下坡，每個坡位設3個10 m×10 m樣方；最后，用羅盤儀測坡度、坡向，皮尺測量水平距(林地坡度大于5°時，應將斜距改為水平距)，GPS儀測定各樣方的海拔，并在樣方內(nèi)進行每木檢尺，測定指標包括胸徑，枝下高，全高，立竹度等，基本信息詳見表1。

表1 樣地基本情況?Table 1 Basic situation of the simples

2.1.2 樣品的采集

在已設置好的樣方內(nèi)，沿對角線按上中下取樣點挖取坡面，用環(huán)刀和鋁盒分別在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層取樣，每個樣品約500 g。將采集的樣品用自封袋裝好密封，并記錄采集地點、采集時間等。

2.2 實驗分析

土壤機械組成采用比重計法，土壤質(zhì)地的劃分用美國制劃分標準，將土壤劃分為砂粒（2～0.05 mm），粉粒（0.05～0.002 mm）和粘粒（＜0.002 mm）。土壤含水量的測定采用烘干恒重法。土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等物理指標的測定參照GB7835-87。土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

闊葉林所占的投影面積比例采用山體地形圖在CAD軟件中計算；其他數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft office Excel軟件整理后，采用SPSS13.0版統(tǒng)計軟件分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多范圍檢驗法(α=0.05)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。評價4種類型毛竹林土壤物理結(jié)構(gòu)優(yōu)劣采用TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)優(yōu)劣解距離法[12]，為避免專家打分法存在較大的主觀因素，本研究采用變異系數(shù)法來評價各指標的權重。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型毛竹林土壤容重分析

由圖1可知：不同類型毛竹林在竹林中土壤密度變化范圍為（1.01±0.04）～（1.15±0.02）g·cm-3，土壤密度的大小依次為Ⅳ(1.04 g·cm-3)＜Ⅲ(1.11 g·cm-3) ＜ Ⅱ(1.12 g·cm-3) ＜Ⅰ (1.13 g·cm-3)，上闊下竹混交林與毛竹純林差異性顯著（p＜0.05），這可能由于Ⅳ集約型毛竹純林相對于其他三種類型毛竹林海拔相對較低，相對濕度較大，土質(zhì)較疏松，根系發(fā)達，有利于林下植物生長，因而土壤密度較小。類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相比，闊葉林面積所占比例越大毛竹林中土壤密度越小，差異性不顯著，這可能由于3種闊葉林面積所占比例差異性不夠明顯。在0～60 cm土層中，不同類型毛竹林在同一土層上土壤密度差異不顯著（p＞0.05），但垂直方向上隨著土層的加深密度變大（見圖2）；Ⅳ毛竹純林中0～40 cm土層差異不顯著，40～60 cm差異顯著（p＜0.05），而Ⅰ，Ⅱ類型土層則表現(xiàn)為20～60 cm差異不顯著，但與0～20 cm差異顯著（p＜0.05），類型Ⅲ為0～60 cm土層土壤密度差異都不顯著。

3.2 不同類型毛竹林土壤孔隙狀況分析

圖1 不同類型毛竹林土壤密度隨坡位變化?Fig.1 Changes of soil density with slope position in different types of bamboo forests? 同一行中不同大寫字母和同一列中不同小寫字母表示差異顯著(p≤0.05)，下同。

圖2 不同類型毛竹林土壤密度隨深度變化Fig.2 Changes of soil density with depth in different types of bamboo forests

由表2可知，類型Ⅰ闊葉林所占面積較少，闊葉林土壤總孔隙度較小，表現(xiàn)為中下坡土壤總孔隙度稍大于上坡，分別高出1.24%，1.74%，與類型Ⅳ毛竹純林的變化趨勢相同。類型Ⅲ闊葉林所占面積較大，闊葉林土壤疏松，總孔隙度大，表現(xiàn)為上坡（51.21%）大于中坡（44.24%），說明較大面積比例闊葉林對毛竹林上坡土壤水分保持方面有一定的作用。表中的非毛比是指非毛管孔隙度與毛管孔隙度的比值表征土壤通氣性、滲透性和保水性，4種類型毛竹林中表現(xiàn)為Ⅲ(0.37)＞Ⅱ(0.33)=Ⅳ(0.33)＞Ⅰ(0.31)，有機質(zhì)含量方面也以類型Ⅲ（73.73 g·kg-1）較高，土壤肥力較好。這充分表明較大面積比例闊葉林對毛竹林土壤通氣性，持水性方面有一定的效果。

表2 不同類型毛竹林土壤孔隙組成Table 2 Porosity of different types of bamboo forests

3.3 不同類型毛竹林土壤有機質(zhì)與孔隙度的關系

由表2可知，3種類型的上闊下竹復合生態(tài)系統(tǒng)毛竹林內(nèi)土壤有機質(zhì)均大于毛竹純林。對不同類型毛竹林內(nèi)土壤有機質(zhì)與土壤密度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度相關分析（表3）表明：有機質(zhì)與土壤密度呈負顯著相關（p＜0.01），與非毛管孔隙度、毛管孔隙度等都呈極顯著相關（p＜0.01）。另外，各物理指標之間也存在顯著或極顯著相關性。

表3 不同毛竹林土壤有機質(zhì)與各物理指標間的相關性分析?Table 3 Correlation analysis among different soil organic matters and physical indexes in different bamboo forests

3.4 不同類型毛竹林土壤蓄水能力分析

土壤的蓄水性能與土壤的前期含水量密切相關，因此，把土壤的飽和蓄水量與土壤平均含水量之差作為衡量土壤涵蓄降水的指標，稱為土壤涵蓄降水量[13]。用非毛管孔隙度來反映土壤的蓄水特性，稱其為有效涵蓄量，是用來評價不同森林類型林地土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個重要指標[13-16]。林地蓄水量計算公式為：

式(1)中，s為土壤貯水能力(t·hm-2)，h為土層厚度(m)，p為非毛管孔隙度(%).

水源涵養(yǎng)功能等級分為2個等級，一級＞1 000 t·hm-2，二級 650～1 000 t·hm-2

表4 不同類型毛竹林土壤蓄水能力Table 4 Soil water storage ability of different bamboo forests

分析表明，類型Ⅲ、Ⅳ毛竹林水源涵養(yǎng)功能等級為一級，都優(yōu)于類型Ⅰ和Ⅱ。類型Ⅲ、Ⅳ毛竹林貯水量分別為1 016.77 t/hm2，1 045.54 t/hm2，具有較大的貯水能力，為毛竹鞭根的生長及筍的良好發(fā)育提供保障。

3.5 不同類型毛竹林土壤涵養(yǎng)水源綜合評價

為客觀科學地比較不同類型毛竹林土壤涵養(yǎng)水源的優(yōu)劣狀況，選用土壤密度，非毛管孔隙度，毛管孔隙度，非毛管孔隙度與毛管孔隙度比，總孔隙度，有機質(zhì)，最大蓄水量7個評價指標，采用Topsis優(yōu)劣解距離法將各指標歸一化后，運用變異系數(shù)法計算權重系數(shù)依次為0.095，0.184，0.108，0.097，0.195，0.172，0.184，然后確定正理想解向量和負理想解向量，評價各指標與最優(yōu)值相對接近度。由表5可知，4種類型毛竹林土壤水分物理結(jié)構(gòu)優(yōu)劣順序為Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。

表5 不同類型毛竹林土壤物理結(jié)構(gòu)的評價Table 5 Evaluation of soil physical structure in different bamboo forests

4 討 論

(1)從不同類型毛竹林土壤密度研究結(jié)果可知土壤密度變化范圍為（1.01±0.04）～（1.15±0.02）g·cm-3。有研究[16]表明毛竹鞭根在垂直方向上與土壤密度大小呈負相關，鞭根在各層次中土壤密度一般在0.8～1.15 g·cm-3之間，土壤密度達1.38 g·cm-3則很少有鞭根分布，從竹林內(nèi)均值來看，4種類型的毛竹林均利于毛竹鞭根的生長。在坡位方面，類型Ⅳ毛竹純林土壤密度表現(xiàn)為上坡（1.07 g·cm-3）＞中坡（1.04 g·cm-3＞下坡（1.02 g·cm-3），這與其他類型林地研究相同[17]，這由于上坡和下坡相對于下坡土層較薄、石礫多、密度較大，而類型Ⅲ在竹林上坡土壤密度卻較小，這可能上位闊葉林對毛竹林上坡土壤有改善作用。

(2)林地的土壤孔隙狀況是評價土壤通透性和水源涵養(yǎng)能力的重要指標，土壤孔隙的大小直接影響到土壤中的水分狀況，從而影響了林木的生長[18]。土壤的總孔隙度大，則土壤結(jié)構(gòu)疏松，通氣性好，利于植物根系的生長。研究表明，土壤總孔隙度一般在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5時，土壤的通透性、透水性和持水性比較協(xié)調(diào)[19]，4種類型毛竹林土壤總孔隙度變化范圍為48.1%～52.54%，排列順序為Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ；非毛比為0.27～0.44，協(xié)調(diào)性較好。

(3)影響土壤持水性的因素很多，特別是標志土壤肥力的有機質(zhì)，因其粘結(jié)及吸附作用與土壤水分蓄水性有很大的關系[20]。土壤有機質(zhì)提高不但改善土壤結(jié)構(gòu)，使密度減小，孔隙度增加，而且改變了土壤的膠體狀況，使土壤的吸附作用增強，增大吸附水分的能力。本研究有機質(zhì)含量為Ⅲ(73.73 g·kg-1)＞Ⅰ(72.24 g·kg-1) ＞Ⅱ (71.11 g·kg-1)＞Ⅳ(63.33 g·kg-1)，有機質(zhì)與土壤密度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等相關性明顯，從而進一步說明了有機質(zhì)對改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤保水性能具有重要作用，這一結(jié)果與前人研究報道一致[21-22]。Ⅳ中土壤有機質(zhì)含量較小土壤密度應該相對較大，總孔隙度較少，而本研究結(jié)果卻與其相反，可能原因為Ⅳ為毛竹純林經(jīng)營，人工施肥，墾復也較多，再加上海拔相對較低，土壤濕度大，有利于改良土壤通透性。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種類型中最大蓄水能力為類型Ⅲ優(yōu)于類型Ⅱ，類型Ⅰ最弱，結(jié)合以上4種類型毛竹林孔隙度和蓄水能力分析，運用TOPSIS法綜合分析排名可知闊葉林所占投影面積比例越大，越益于毛竹林的生長，上闊下竹混交林優(yōu)于毛竹純林，這與侯慧峰和吳正強[23-24]研究上闊下竹復合生態(tài)系統(tǒng)基本一致，與其它混交林研究結(jié)論也相同[25-26]。本研究研究的類型Ⅳ毛竹純林在土壤蓄水方面優(yōu)于其他三種類型的上闊下竹復合生態(tài)系統(tǒng)，主要原因是類型Ⅳ毛竹純林海拔較低，濕度大，土層厚，土質(zhì)較疏松，而有機質(zhì)含量方面以上闊下竹混交林較好。因此，對于相對海拔較高的山體，可以選擇山頂留有部分的闊葉林或針葉林，闊葉林所占比例30%以上效果較明顯，而對于海拔較低的毛竹純林本身蓄水能力較好，人工集約經(jīng)營也方便，則可以選擇毛竹純林經(jīng)營方式。

[1] 劉永紅,張艷峰,周 圍,等.竹林景觀美學價值研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2011,31(3):187-190.

[2] 陳存及.福建毛竹林生態(tài)培育與生態(tài)系統(tǒng)管理[J].竹子研究會刊,2004,23(2):1-4.

[3] 吳炳生,謝 華,譚 淑.毛竹林群落類型水源涵養(yǎng)功能的初步研究[J].竹子研究匯刊,1992,11(4):18-25.

[4] 張昌順.閩北不同類型毛竹林生態(tài)功能研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院,2008.

[5] 丁新新,洪 偉,陳建忠,等.不同經(jīng)營模式下毛竹林土壤水分物理性質(zhì)比較[J].水土保持研究,2009,16(3):74-78.

[6] 洪 偉,胡喜生,吳承禎,等.福建省毛竹混交林群落結(jié)構(gòu)特征比較[J].植物資源與環(huán)境學報,2004,13(1):37-42.

[7] 黃秀美.杉木毛竹混交造林效果研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學學報,2000,22(1):41-45.

[8] 麻文禮.泡桐混交林混交模式試驗研究[J].林業(yè)勘察設計，2008(1):145-147.

[9] 陳慈祿.泡桐毛竹混交林混交效果試驗研究[J].西南林學院學報,2003,23(2):31-33.

[10] 張銀田.光皮樺與毛竹混交林的營建[J].安徽林業(yè)科技,2009(3):48.

[11] 曹祖寧.毛竹油桐混交林生物量及其生態(tài)效益研究[J].四川林勘設計,2008,(2):17-18.

[12] 黃 進,張金池,陶寶先.江寧小流域主要森林類型水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學報,2009,23(1):182-186.

[13] 宋吉紅,張洪江,姜廣翔.縉云山自然保護4種森林類型林地土壤的持水特性研究[J].西部林業(yè)科學,2007,36(4):26-33.

[14] 馬雪華.森林水文學[M].北京:中國林業(yè)出版社,1993:118-132.

[15] 邱治軍,曾震軍,周光益.流溪河小流域3種林分的土壤水分物理性質(zhì)[J].南京林業(yè)大學,2010,34(3):62-66.

[16] 湯騰方,易賢軍.會同毛竹林土壤水源涵養(yǎng)功能研究[J].中國水土保持,2010(5):45-47.

[17] 周 萍,劉國彬,侯喜祿.黃土丘陵區(qū)侵蝕環(huán)境不同剖面及坡位土壤理化特征研究[J].水土保持學報,2008,22(1):8-12.

[18] 吳炳生.毛竹林地下結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量初析[J].竹子研究匯刊,1984,3(1):49-58.

[19] 潘明亮,丁訪軍,譚 偉,等.貴州西部四種典型林地土壤水文特性研究[J].水土保持研究,2011,18(5):139-143.

[20] 黃昌勇.土壤學[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2005．

[21] 周印東,吳金水,趙世偉,等.子午嶺植被演替過程中土壤剖面有機質(zhì)與持水性能變化[J].西北植物學報,2003,23(6):895-900.

[22] 潘忠松,丁訪軍,戴全厚,等.黔南馬尾松人工林土壤有機碳的研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2012,32(2):75-80.

[23] 侯慧峰.閩北山地上位闊葉林對毛竹林生產(chǎn)力的影響[D].南京:南京林業(yè)大學,2007(6).

[24] 吳正強.上位闊葉林對毛竹林土水分影響研究[D].南京:南京林業(yè)大學,2008(6).

[25] 劉蔚漪,范少輝,漆良華,等.閩北不同類型毛竹林水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學報,2011,25(2):92-96.

[26] 鄭郁善,洪 偉.毛竹經(jīng)營學[M].廈門:廈門大學出版社，1998:52-64.

Effects of Phyllostachys edulis and broad-leaved mixed forest on soil physical properties

XU Ai-zhen1, YANG Kuan1, WANG Fu-sheng1, LIU Guo-hua1, LIU Xin-hua2
(1.Institute of Bamboo, Nanjing Forest University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;2. Yaqian Forest Station of Suichuan County, Suichuan 343903, Jiangxi, China )

∶ By taking the different proportions moso bamboo and broad-leaved mixed forests [Ⅰ (18.6%),Ⅱ (25%),Ⅲ (27.5%)] and moso bamboo pure forest (Ⅳ) in Suichuan county as studying objectives, the soil physical properties of the forests in different depths (0～ 60 cm) have been analyzed. The results indicate that the order of soil bulk density from large to small was plot Ⅳ (1.04 g·cm-3)＜ plotⅢ (1.11g·cm-3) ＜ plotⅡ (1.12g·cm-3) ＜Ⅰ (1.13g·cm-3), of them there were significant differences; the soil total porosity sequenced by magnitude plot Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ; the order of soil organic matter order was plot Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ, which was negatively correlated with soil bulk density, but significantly or highly significant correlated with soil total porosity, capillary porosity and non-capillary porosity et al; the soil maximum water volume and water depth were in the order plot Ⅳ＞ Ⅲ＞Ⅱ＞I. Evaluating with the method of TOPSIS, the advantages and disadvantages of the soil physical structure in different types of moso bamboo forests ranked in magnitude order plot Ⅲ＞ Ⅳ＞Ⅱ＞I, which show that the upper broad-leaves forests with a significant proportion had some improvements on the soil structure of the lower moso bamboo pure forest.

∶ Phyllostachys edulis and broad-leaved mixed forest; soil physical property; TOPSIS method

S714.2

A

1673-923X(2012)06-0067-05

2012-03-13

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201204106）；江蘇省林業(yè)三項工程項目[lysx(2009)43]

徐愛珍（1986—），女，江西吉安人，碩士研究生，主要從事竹林生態(tài)研究；E-mail：xazjgsdx@126.com

王福升（1962—），男，山東煙臺人，副教授，主要從事竹林生態(tài)與竹林培育等研究；E- mail：fswang@njfu.com.cn

[本文編校：文鳳鳴]