縉云山水源涵養(yǎng)林保育土壤的功能

張向峰，王玉杰，王云琦，劉春霞，郭 平

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

土壤不僅是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和寶貴財富，又是人類最早開發(fā)利用的生產(chǎn)資料［1］。植被保育土壤的生態(tài)服務(wù)功能主要是通過植被保護(hù)土壤和改良土壤兩個生態(tài)過程來實現(xiàn)。隨著人類社會的快速發(fā)展，土地資源不斷減少，土壤質(zhì)量越來越差，土壤成為人們的研究對象，并得到越來越多人的重視。植物可以改變土壤特性，且對土壤的形成和發(fā)展影響很大，因而研究植物與土壤之間的關(guān)系意義重大。水源涵養(yǎng)林是具有特殊意義的水土保持防護(hù)林種之一，具有多種功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，而且具有涵養(yǎng)保護(hù)水源，保育土壤等生態(tài)服務(wù)功能［2］。目前，關(guān)于縉云山水源涵養(yǎng)林保育土壤功能的研究甚少，且存在研究對象單一（單一林分）和調(diào)查數(shù)據(jù)少（建立在一次調(diào)查數(shù)據(jù)的研究）的問題。由于樹木生長的周期較長，因此憑1，2次調(diào)查數(shù)據(jù)來評價森林保育功能是很困難的，也不夠準(zhǔn)確［3］。為了深入了解縉云山各種水源涵養(yǎng)林對土壤的保育功能，在趙洋毅等［4］的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行了為期3a的調(diào)查研究，希望能更準(zhǔn)確地研究縉云山典型水源涵養(yǎng)林功能，為該地區(qū)改良土壤和經(jīng)營管理水源涵養(yǎng)林提供更準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

縉云山位于重慶市北碚區(qū)嘉陵江溫塘峽江畔，占地面積76km2，海拔350～951m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°17′—106°24′，北緯29°41′—29°52′。縉云山是國家級自然保護(hù)區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，有森林1 300hm2余，生長著1 700多種亞熱帶植物?？N云山的土壤以三迭紀(jì)須家河組厚層石英砂巖、炭質(zhì)頁巖和泥質(zhì)砂巖為母質(zhì)風(fēng)化而成的酸性黃壤及水稻土，山麓地區(qū)為侏羅紀(jì)由紫色砂頁巖夾層上發(fā)育的中性或微石灰性的黃壤化紫色土?？N云山森林覆蓋率高，已達(dá)96．6%。保護(hù)區(qū)內(nèi)有大面積的常綠闊葉林，有多種具代表性的生態(tài)系統(tǒng)，從一定程度上反映出了中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的天然本底，是一個典型的亞熱帶常綠闊葉林的生態(tài)綜合體物種基因庫?？N云山物種多樣性豐富，有長江流域保存較好的典型的亞熱帶常綠闊葉林景觀和相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，保存了許多古老的分類上孤立的形態(tài)特殊的植物。

1．2 試驗區(qū)標(biāo)準(zhǔn)樣地設(shè)置

研究區(qū)位于縉云山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)已有的資料和林地的實際情況，選擇該區(qū)具有代表性的典型地段喬灌草完整的3種水源涵養(yǎng)林群落：針闊混交林、常綠闊葉林和竹林。在2009—2011年，對3種群落類型分別選取5種典型林分類型，每種典型林分選取4個標(biāo)準(zhǔn)樣地（20m×20m），使用羅盤儀和測繩，按照一般方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地的邊界測量，并且在各方形大樣地4個角分別設(shè)置1個小水泥樁，作為標(biāo)識。

1．3 測定方法

以縉云山3種典型水源涵養(yǎng)林的土壤作為研究對象，分別對3種典型水源涵養(yǎng)林林地土壤進(jìn)行了測定，測定的主要指標(biāo)有土壤容重、土壤顆粒組成、土壤孔隙、土壤活性酸pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全量養(yǎng)分和土壤速效養(yǎng)分等。在每個標(biāo)準(zhǔn)小樣地中，均勻地取9點，分別挖取各點的土壤剖面，將土壤分為4層：Ⅰ（0—20cm），Ⅱ（20—40cm），Ⅲ（40—60cm），Ⅳ（60—100cm），按層采集土樣。把所有土樣分裝，然后帶回實驗室風(fēng)干、研磨，每層3個重復(fù)。用土壤三相測量儀（DIK 1150）測定土壤的容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；使用pH—213臺式酸度離子計測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀—外加熱法測定有機(jī)質(zhì)；采用半微量凱氏法測定土壤全氮，采用堿熔—鉬銻抗比色法測定土壤全磷；采用堿融—火焰光度計法測定土壤全鉀；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤速效氮；采用NH4F—HCI浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；采用CH3COONH4浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀。

1．4 數(shù)據(jù)處理

試驗取得的數(shù)據(jù)運用 Excel 2003和SPSS 18．0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2．1 林地土壤物理特性

2．1．1 土壤容重及孔隙 土壤容重是表征土壤質(zhì)量的一個重要參數(shù)，其大小受土壤機(jī)械組成、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、植被類型以及人為等影響。

由表1可以看出，各林地土壤容重之間存在差異，不同層次的土壤容重也存在差異，且土壤容重隨土層深度的增加而增大。各林地土壤容重在Ⅰ，Ⅱ?qū)拥牟町愋员容^明顯，在Ⅲ，Ⅳ層的差異性不明顯，說明植被對上層土壤容重影響比下層土壤影響大，這主要是因為下層土壤緊實度比較高，植物根系不易到達(dá)。由表2可以看出，各林地土壤容重均比較大，其中竹林林地土壤容重最大，為1．45g／cm3，表明竹林林地土壤相對較緊實，土壤孔隙相對較少；針闊混交林林地土壤容重最小，為1．31g／cm3，說明針闊混交林林地土壤相對較疏松，孔隙相對較大。土壤容重從小到大的順序依次為：針闊混交林＜常綠闊葉林＜竹林，其中竹林群落的土壤容重相對較大，這主要是因為竹林群落物種單一，人為活動較多，林分密度很大等。

土壤的孔隙可以為植物提供水和空氣，包括毛管和非毛管孔隙。一般來說土壤中大小孔隙同時存在，總孔隙度約在50%，其中非毛管孔隙占1／5～2／5為好，這種情況下土壤的通透性比較協(xié)調(diào)［5］。從表1—2可以看出，竹林群落、針闊混交林群落通透性要比常綠闊葉林要好，各林地和各層土壤總孔隙度差異不大，但均不高；各林地和各層土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度之間的差異比較明顯，說明不同植被類型對毛管、非毛管孔隙具有一定的影響。土壤總孔隙度從大到小依為：是針闊混交林＞常綠闊葉林＞竹林。一般來講，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多；反之，則表明土壤比較緊實，結(jié)構(gòu)性差，孔隙少［6］。從表1—2也可以看出，各林地基本符合此規(guī)律。

表1 縉云山水源林典型林地不同層次土壤容重和孔隙度

表2 縉云山水源林典型林地土壤平均容重及孔隙度

2．1．2 土壤顆粒組成 土壤是由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結(jié)所形成的多孔介質(zhì)，固體組分的大小、數(shù)量、形狀及其結(jié)合方式?jīng)Q定著土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的水分和理化性質(zhì)［7］。從表3可以看出，各林地不同層次土壤顆粒組成差異比較明顯，土壤第Ⅰ層基本為砂質(zhì)黏壤土，從第Ⅱ?qū)娱_始出現(xiàn)壤質(zhì)黏土且開始逐漸增多，表層土壤較粗且比較疏松，下層土壤比較細(xì)、黏度大且比較致密。土壤顆粒組成中砂粒所占的比例最大，不同層次土壤砂粒、粉粒和黏粒差異性明顯。樣地土壤質(zhì)地可分為4類，分別為砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏壤土、黏壤土和壤質(zhì)黏土，主要是以壤土和壤質(zhì)黏土為主。不同樣地的土壤中，均表現(xiàn)為砂粒含量差別最大，粉粒含量差別最小。

表3 縉云山水源林典型林地不同層次土壤顆粒組成和土壤質(zhì)地

土壤顆粒機(jī)械組成是土壤最基本的物理屬性之一，土壤質(zhì)地砂?；潭仁欠从惩寥蕾|(zhì)量的重要指標(biāo)［8］。一般情況，人們常用黏粒含量作為土壤定量評價的主要指標(biāo)，因此，根據(jù)各樣地土壤黏粒含量從大到小依次為：竹林＞常綠闊葉林＞針闊混交林。

2．2 林地土壤化學(xué)特性

2．2．1 土壤活性酸 土壤活性酸是林地土壤化學(xué)特性的重要指標(biāo)，影響著林地土壤養(yǎng)分的有效性［9］。土壤酸堿度對土壤中養(yǎng)分存在的形態(tài)和有效性，對土壤的理化性質(zhì)、微生物活動以及植物生長發(fā)育都有很大的影響［10］。由表4可以看出，縉云山水源涵養(yǎng)林林地土壤pH值差異性不明顯，基本在4．0左右，但上層土壤酸性要比下層強(qiáng)，這主要是因為研究地區(qū)受酸雨危害比較嚴(yán)重，降雨比較充沛，表層土壤受酸雨淋溶的影響，植被對土壤pH值的調(diào)節(jié)不是很明顯。另外，土壤pH值的大小與殘落物分解不完全和降雨量的大小有密切的關(guān)系。

縉云山地區(qū)年降雨量較大，這是導(dǎo)致該地區(qū)土壤pH值較低的原因之一；闊葉林殘落物較多，不容易分解，這也導(dǎo)致了闊葉林地土壤pH值相對較低，所以，可以從這兩方面來考慮營造水源涵養(yǎng)林，以提高該地區(qū)土壤pH值，改善土壤質(zhì)量。

表4 縉云山典型水源林地各層土壤養(yǎng)分指標(biāo)均值

2．2．2 土壤有機(jī)質(zhì)含量 土壤有機(jī)質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物，盡管土壤有機(jī)質(zhì)只占土壤總重量的很小部分，但它在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)等方面有著重要的作用和意義。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，也是土壤質(zhì)量指標(biāo)中最重要的指標(biāo)之一［11－12］。由表4可以看出，各林地第Ⅰ層土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他3層，各層之間差異性非常明顯（p＜0．05），且隨著土壤深度的增加而逐漸降低，這主要是因為森林土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來源于森林植被凋落物的分解和淋溶。根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)《第二次全國土壤普查技術(shù)規(guī)程》，可以得出針闊混交林、闊葉林樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量為中等水平（20～30g／kg），竹林樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量為缺（6～10g／kg），說明在土壤有機(jī)質(zhì)的積累方面，針闊混交林表現(xiàn)較好，竹林群落有機(jī)質(zhì)含量總體較低，表現(xiàn)較差。

2．3 林地土壤養(yǎng)分特性

2．3．1 土壤全量養(yǎng)分 氮、磷、鉀是目前公認(rèn)的絕大多數(shù)植物必需元素，是植物需要的大量元素，所以氮、磷和鉀就成為評定土壤養(yǎng)分好壞的3個重要的指標(biāo)［13］。

由表4可以看出，各林地不同層次土壤全氮、全磷、全鉀含量不同，其中闊葉林林地含量最高，竹林含量最低，且各林地土壤全氮含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低。根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)，闊葉林林地土壤全氮含量水平屬于中等（1．0～1．5g／kg），竹林樣地土壤全氮含量水平屬于稍缺（0．75～1．0g／kg），針闊混交林樣地土壤全氮含量水平屬于缺（0．5～0．75g／kg）；闊葉林和竹林樣地土壤全磷含量水平屬于缺（0．2～0．4g／kg），針闊混交林為極缺（＜0．2g／kg）；竹林、闊葉林林地土壤全氮含量水平屬于缺，針闊混交林屬于稍缺。

土壤中全氮、全磷、全鉀含量的高低可以反映土壤總體供氮能力的大小，其主要受氣候、植被、土壤質(zhì)地、地形、地勢和栽培管理等因素影響。由表4可以看出，闊葉林林地土壤總體供氮能力最好，竹林樣地土壤總體供氮能力最差。總體來說，縉云山典型水源涵養(yǎng)林土壤全氮、磷、鉀養(yǎng)分含量比較低，各林分間含量不同，其中闊葉林含量相對要高于其他林分。

2．3．2 土壤速效養(yǎng)分 土壤速效氮、磷、鉀含量的高低，直接關(guān)系到土壤結(jié)構(gòu)的好壞，土壤供肥能力的強(qiáng)弱［14］。由表4可以看出，各樣地不同層次的土壤速效養(yǎng)分差異性明顯，且隨著土壤深度的增加而降低，其中第I表層土壤速效養(yǎng)分明顯高于其他3層。根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)，3種水源涵養(yǎng)林土壤速效氮均屬于稍缺（60～90mg／kg）；土壤速效磷均基本小于5mg／kg，屬于缺或極缺；各林地土壤速效鉀含量均小于50mg／kg，屬于缺或極缺。

由以上分析可以看出，縉云山典型水源林地土壤速效養(yǎng)分含量非常低，尤其是速效P養(yǎng)分。對于這種土壤速效養(yǎng)分嚴(yán)重缺乏的情況，可以通過改良土壤酸化和補(bǔ)充氮磷鉀等措施來達(dá)到提高速效養(yǎng)分水平的目的。

3 典型水源林保育土壤功能評價

林地土壤物理特征和化學(xué)特征的定性和定量分析結(jié)果顯示，根據(jù)單指法很難判定出縉云山各水源涵養(yǎng)林保育土壤的好壞。目前，對林地土壤質(zhì)量或健康評價的方法很多，本文采用多層次模糊評價法來判定各水源涵養(yǎng)林保育土壤的好壞。

3．1 原理和方法

（1）確定評判對象的因素集并將因素集按某種屬性分成n個子集，記作X1，X2，…，Xn，滿足：

設(shè)每個子集

（3）若xi中各因素的權(quán)重分配為ai＝（ai1，ai2，…，aini），這里∑n i＝1aij＝1，那么第一級綜合評判為：b＝ai×Ri＝（bi1，bi2，…，bim），（i＝1，2，…，s）

（4）將每個xi作為一個元素看待，用b1作為它的單因素評判，這樣R＝（b1，b1，…bi）T＝（bij）s×m（T表示轉(zhuǎn)置），是｛x1，x2，…，xs｝的單因素評判矩陣，每個xi作為X中的一部分反映了X的某種屬性。根據(jù)它們的權(quán)重分配a＝（a1，a2，…，as），于是有第二級綜合評判b＝a×R＝（b1，b1，…，bm）。

（5）根據(jù)最大隸屬法則，選取b中最大者為在同時考慮多種因素時土壤質(zhì)量的評判等級。

3．2 綜合評判

模糊綜合評判的合成運算有若干種方法，各種方法有各自的特點和適用情形，常用的算法是主要因素決定型和加權(quán)平均型。采用加權(quán)平均決定型，b．M（．，）模型，其運算公式為：

（1）對各評價指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；（2）通過因子分析確定各評價指標(biāo)的權(quán)重；（3）通過加權(quán)法計算各林分所有評價指標(biāo)的累計得分。

根據(jù)縉云山水源涵養(yǎng)林土壤特性、評價指標(biāo)篩選原則，選取毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重、黏粒含量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全效養(yǎng)分、速效養(yǎng)分為評價指標(biāo)。將土壤評判因素集劃分為3個子集，土壤物理因素＝（毛管孔隙度，非毛管孔隙度，容重，黏粒含量），化學(xué)因素＝（pH值），養(yǎng)分因素＝（有機(jī)質(zhì)，全效養(yǎng)分，速效養(yǎng)分）。土壤各因素對其質(zhì)量的影響是不同的，因此需要進(jìn)行權(quán)重的分配，通過統(tǒng)計方法確定各因素的權(quán)重，各因素權(quán)重如表5所示。

表5 典型水源涵養(yǎng)林保養(yǎng)土壤功能評價因素權(quán)重

根據(jù)上述評判原理方法，可以得出各水源涵養(yǎng)林地林地綜合得分大小依次為：針闊混交林（0．42）＞常綠闊葉林（0．39）＞竹林（0．32），說明各水源涵養(yǎng)林林地的保育土壤功能存差異，其中，針闊混交林的保育土壤功能最好，竹林最差。

4 結(jié) 論

（1）縉云山典型水源林地土壤容重有一定的差異，但各林地土壤容重均比較高，其中竹林群落容重相對較高，其大小順序為：針闊混交林＜常綠闊葉林＜竹林；土壤總孔隙度差異不大，土壤孔隙性一般，其大小順序依次為：針闊混交林＞常綠闊葉林＞竹林；土壤質(zhì)地中砂粒含量比粉粒和黏粒要高?？偟膩碚f，不同植被類型對土壤物理性質(zhì)影響不同，對土壤質(zhì)量的影響也不同，但對比前人的研究結(jié)果，土壤物理性質(zhì)變化不大，但有下降的趨勢。

（2）縉云山典型水源林地土壤呈強(qiáng)酸性（pH值均在4左右），且土壤有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)處于稍缺或缺的狀況，少數(shù)處于中等水平。土壤pH值大小順序依次為：竹林＞針闊混交林＞常綠闊葉林，但各樣地之間差異不明顯；對于土壤有機(jī)質(zhì)含量來說，各樣地之間差異性比較明顯；在土壤有機(jī)質(zhì)積累方面，針闊混交林相對較好，而竹林群落相對較差。

（3）縉云山水源林地土壤全量養(yǎng)分含量較低，各林地間存在差異，其中針闊混交林、常綠闊葉林含量相對要高一點，其供氮能力要好一些；土壤速效養(yǎng)分含量低，基本屬于稍缺或缺，土壤速效磷和土壤速效鉀含量均屬于稍缺或缺。

（4）縉云山水源涵養(yǎng)林林地的保育土壤功能存在差異，其中針闊混交林水源林的土壤生態(tài)功能最好，常綠闊葉型水源林次之，以竹林總體相對較差，這與前人研究結(jié)果一致。

總的來說，對比分析前人研究結(jié)果，縉云山水源涵養(yǎng)林土壤質(zhì)量稍微有下降的趨勢，雖然不是很明顯（p＞0．05），但當(dāng)?shù)卣矐?yīng)該加強(qiáng)對縉云山水源涵養(yǎng)林的管理，適當(dāng)?shù)脑黾俞橀熁旖涣?，改善土壤質(zhì)量，盡早控制這種趨勢。

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