關(guān)帝山典型針葉林土壤理化性狀研究

郭漢清，張勇，李特，秦智通

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是林木賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。土壤為植被的存在和發(fā)展提供了必要的養(yǎng)分，植被的出現(xiàn)及其演替反過來也影響土壤的形成和發(fā)育。土壤理化性狀是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[2]，國內(nèi)外大量研究表明，不同森林植被中土壤理化性狀差異較大[3,4]。土壤理化性狀變化規(guī)律與不同植被類型覆蓋密切相關(guān)[4]。林下植被、調(diào)落物數(shù)量及化學(xué)組成和人為干擾程度等直接影響土壤理化性質(zhì)及其有效性，而且在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤速效N、P、K含量在土壤剖面上具有明顯的層次性[5]。

關(guān)帝山林區(qū)森林面積大，樹相對整齊，是華北地區(qū)為數(shù)不多的成片森林之一，但關(guān)于該區(qū)內(nèi)分布的典型針葉林土壤理化性狀研究很少。本研究以山西省西部關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)的3種典型針葉林林地土壤為研究對象，對樣品土壤進(jìn)化性狀進(jìn)行分析，旨在揭示該地區(qū)典型針葉林理化性狀差異以及不同森林群落類型土壤性狀的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)厣謪^(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)，林地生產(chǎn)力保持提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處山西呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū)龐泉溝國家級自然保護(hù)區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°22′～111°33′，北緯 37°45′～37°59′，研究區(qū)屬于受季風(fēng)影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候，年平均氣溫4.2℃，年平均降水量822.6 mm。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(白杄Piceamegeri和青杄P.willsonill)天然次生林是保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)喬木樹種。保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的主要森林類型是由華北落葉松、云杉、油松(Pinustabulaeformis)以及山楊(P.davidiana)、白樺(Betulaplatyphlla)、紅樺(B.albo-sinensis)和遼東櫟(Quercusliaotungensis)等樹種組成的純林和混交林。

2 材料與方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣地布設(shè)

為研究關(guān)帝山林區(qū)3種典型針葉林土壤理化性狀，以典型性和代表性為原則，在不同的林分區(qū)內(nèi)選擇標(biāo)準(zhǔn)樣地。首先對樣地的海拔、坡度、坡向等因子進(jìn)行測定，然后對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木尺檢，在各個(gè)樣地的上坡、中坡和下坡分別布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，每種林分取樣點(diǎn)均為15個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況

2.2 土壤形態(tài)特征

測定枯落物層厚度、土層厚度等指標(biāo)。通過開挖剖面，用鋼尺量測各土壤層次的厚度。

2.3 土壤物理性狀測定

土壤密度用比重瓶法；土壤容重用環(huán)刀法；土壤總孔隙度根據(jù)土壤容重和土壤密度計(jì)算得出；毛管孔隙度采用環(huán)刀水浸法，非毛管孔隙由總孔隙度和毛管孔隙計(jì)算得出。

2.4 土壤化學(xué)指標(biāo)測定

土壤pH值的測定采用電位法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化——容量法；全氮用凱氏定氮法；有效磷用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；有效鉀用NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種針葉林土壤形態(tài)特征

3.1.1 枯落物層的厚度特征

枯落物層由林分凋落物及動(dòng)物殘?bào)w組成。它是森林結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是森林地表的重要覆蓋面?？萋湮飳硬粌H可以吸收地表水，使地表徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉倬徛膶娱g流和層下流，削減地表徑流量，減少土壤侵蝕，而且能增加土壤入滲，對改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要作用。在土壤形成過程中，枯落物層是土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的重要來源之一[6]。

由表2可見，坡位不同，枯落物的厚度平均值差異比較明顯，通常情況下，坡上部較坡中部厚度要小，坡下部的枯落物厚度最大。林分不同，枯落物的厚度也不同，油松林下枯落物的總厚度小于華北落葉松，而云杉林下枯落物的厚度最大。實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，即使同一林分，同一坡度，同一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，枯落物的厚度也存在較大差異，通過標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)指標(biāo)的變化可以看出這一變化特征。綜合分析不同林分枯落物厚度差異性，原因在于枯落物的凋落量和分解速率不同導(dǎo)致其厚度或蓄積量的差異，相同林分下，仍然存在厚度差異，可能與水流沖刷、風(fēng)力作用等因素有關(guān)，使得更多的枯落物向低洼或下坡部位蓄積，導(dǎo)致局部小區(qū)域枯落物的蓄積量顯著高于其他區(qū)域。在不同林分枯落物蓄積量及其他相關(guān)指標(biāo)的調(diào)查計(jì)算中，對此類現(xiàn)象的忽略會(huì)導(dǎo)致野外調(diào)查和數(shù)據(jù)分析有失偏頗。

3.1.2 林地土壤厚度特征

土壤是布滿大大小小孔隙的疏松多孔體，土層深厚的土壤有較顯著的存蓄、調(diào)節(jié)水分的功能[7]。由表2可見，林地土壤厚度存在較大差異：油松林地土壤厚度為35～92 cm，華北落葉松林地土壤厚度為37～87 cm，云杉林地土壤厚度為36～55 cm。

表2 3種林分類型枯落物層厚度特征

3.2 不同針葉林土壤物理性狀差異比較

3.2.1 不同林地土壤容重和孔隙度比較

在土壤物理特性中，土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)[8]。土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，且對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能[9]。不同林分類型的土壤總孔隙度與毛管孔隙度均隨土壤深度的增加而不斷減小。由表3可見，3種針葉林0～35 cm土層范圍內(nèi)，土壤容重的變化范圍為0.928～1.379 g·cm-3，總孔隙度的變化范圍為39.25%～56.74%，非毛管孔隙度的變化范圍為10.86%～15.59%。不同林分類型的土壤容重隨土壤厚度的增加而逐漸增大，總孔隙度相應(yīng)減少。

表3 3種林分類型土壤容重與孔隙度特征

3.2.2 土壤的持水量及貯水能力

森林持水、蓄水、調(diào)水功能的發(fā)揮主要是通過其土壤實(shí)現(xiàn)的，因此林地土壤又被稱為“土壤水庫”[10]。土壤貯水能力是評價(jià)不同植被類型下土壤涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水循環(huán)的主要指標(biāo)之一。土壤總貯水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分貯蓄量之和，它反映土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，是土壤涵蓄潛力的最大值，反映土壤水源涵養(yǎng)的能力。土壤非毛管孔隙能較快容納降水并及時(shí)下滲，利于涵養(yǎng)水源，因此，土壤非毛管孔隙持水量被許多學(xué)者認(rèn)為是評價(jià)林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)。土壤儲(chǔ)水能力與土壤總孔隙度，尤其非毛管孔隙度密切相關(guān)。不同的植被類型由于土壤特性和非毛管孔隙度不同，其水源涵養(yǎng)功能也存在差異[11]。森林群落具有顯著提高土壤孔隙度、土壤儲(chǔ)水量和土壤入滲速率等作用。

林地土壤蓄水量常采用公式(1)、(2)計(jì)算：

土壤最大蓄水量/t·hm-2= 土壤總孔隙度×10 000 m2×土壤深度

(1)

土壤非毛管孔隙蓄水量/t·hm-2=土壤非毛管孔隙度×10 000 m2×土壤深度

(2)

由表4可見，關(guān)帝山林區(qū)3種林地類型的最大蓄水量、毛管孔隙蓄水量和非毛管蓄水量隨土壤深度表現(xiàn)出較大差異。由于近地表0～10 cm土層的孔隙度較大，所以持水能力最高，不同林分類型0～10 cm土層最大持水量介于512.84～567.42 t·hm-2，10～20 cm土層的最大持水量介于474.41～522.17 t·hm-2,20～35 cm土層最大持水量介于432.52～495.43 t·hm-2。隨著土層加厚，孔隙度減少，持水能力也相應(yīng)下降。這一點(diǎn)同樣表現(xiàn)在毛管孔隙和非毛管孔隙的持水能力方面。

3.3 針葉林林地土壤化學(xué)性狀差異比較

根據(jù)不同地點(diǎn)、不同土壤深度進(jìn)行采樣，分析化驗(yàn)土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量等有關(guān)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)，結(jié)果見表5。

3.3.1 林地土壤pH值分析

林地土壤pH值的高低影響并支配著土壤的發(fā)生、發(fā)育和變化過程，因此，分析不同植被下土壤pH值的變化具有重要的意義。由表5可見，3種針葉林林地土壤pH值在0～35 cm間變化具有一定規(guī)律性，即土壤表層pH值較低，基本為偏酸性，pH值介于6.02～6.74，這可能與森林植被覆蓋、酸性成土母巖以及關(guān)帝山高大山地導(dǎo)致該區(qū)域地形雨雨量較大、淋溶較強(qiáng)等因素有關(guān)。隨著土層深度加大，pH值逐漸增加，油松10～35 cm土層pH值為6.22～8.85，華北落葉松林地土壤pH值為6.26～8.25，云杉林地土壤pH值為6.26～7.65。不同的土層pH值變異系數(shù)約20%，變異程度較弱。

表4 不同林地土壤持水能力

3.3.2 土壤有機(jī)質(zhì)的分布

由表5可見，3種典型針葉林林地土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度增加而顯著減小。其中油松林地土壤表層 0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為17.28～22.15 g·kg-1、10～20 cm有機(jī)質(zhì)平均含量為14.53～24.75 g·kg-1、20～35 cm有機(jī)質(zhì)平均含量為5.38～11.47 g·kg-1。華北落葉松和云杉林地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯示出與油松林同樣的趨勢。

表5 不同層次森林土壤化學(xué)性狀

3.3.3 土壤N、P、K養(yǎng)分狀況

同土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分布相似，油松、華北落葉松和云杉林地土壤全氮平均含量隨深度增加而逐漸降低。云杉林地表層的全氮含量水平高于油松和華北落葉松林地。

在自然森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全磷含量主要決定于母質(zhì)類型、林地凋落物的礦化以及土壤礦質(zhì)顆粒的風(fēng)化過程。土壤中95%的磷是以遲效性狀態(tài)存在，不同磷形態(tài)其有效性不同，速效磷是衡量土壤磷素含量高低的主要指標(biāo)之一。油松、華北落葉松和云杉林地0～35cm 土壤速效磷含量范圍分別為1.13～5.08、2.03～6.24、2.23～7.06 mg·kg-1。云杉林地土壤的速效磷變化幅度最大，0～10 cm土壤中速效磷含量最高，華北落葉松次之，油松林地的速效磷含量最低。

在自然森林生態(tài)系統(tǒng)中，鉀元素主要來源于林地凋落物的礦化以及土壤礦質(zhì)顆粒的風(fēng)化過程，它從凋落物中釋放的速度一般比其它元素快。植物一般只能吸收利用水溶性和交換性的速效鉀，因此速效鉀是衡量土壤鉀素含量水平的主要指標(biāo)。油松、華北落葉松和云杉林地0～35 cm 土壤速效鉀含量分別為0.74～11.94、1.34～14.03、1.74～14.11 mg·kg-1。不同森林類型土壤各層速效鉀含量的變幅超過了速效磷含量的變化。就現(xiàn)有資料，3種針葉林下速效鉀的含量高低尚不能明確其大小關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

3種典型針葉林的枯落物由于坡位、林分類型等因素導(dǎo)致枯落物厚度等方面存在較大差異。通常情況下，坡上部蓄積量大于中部，中部大于下部。即使同一林分內(nèi)由于微地形及水流沖刷等因素影響，導(dǎo)致枯落物在局部地區(qū)蓄積量顯著高于其他地區(qū)。在林地枯落物調(diào)查時(shí)需要引起足夠重視。

關(guān)帝山3種典型針葉林分布海拔較高，林地土壤厚度一般小于1 m，土壤樣本采樣過程中發(fā)現(xiàn)很多地方土壤厚度不足40 cm。土壤容重和孔隙度存在較為明顯的相關(guān)性，通常情況下，表層土壤容重較小，隨著土壤深度加大，容重會(huì)不同程度地加大，與之相反，土壤的孔隙度會(huì)降低，與之相應(yīng)的是土壤的持水性能也隨著土壤深度的加大逐漸減小，對林區(qū)天然降水和地表調(diào)節(jié)能力也會(huì)下降。

從pH值、有機(jī)質(zhì)以及全氮、速效磷、速效鉀等5個(gè)指標(biāo)對林地土壤化學(xué)性狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，由于成土母質(zhì)、植被生長和氣候等原因，關(guān)帝山3種針葉林的pH值在土壤表層呈現(xiàn)弱酸性，隨土壤深度的加大，pH值升高，逐漸過渡到中性甚至堿性。有機(jī)質(zhì)在土壤表層0～10 cm范圍內(nèi)呈現(xiàn)較高水平，隨土層深度加大，有機(jī)質(zhì)含量急劇減少。土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量在各個(gè)土壤層次分布有一定的差異，但均隨土壤深度的加大呈現(xiàn)遞減趨勢。

本文僅對關(guān)帝山3種典型針葉林地的枯落物厚度，土度和土壤養(yǎng)分進(jìn)行了初步的分析，對于該林區(qū)內(nèi)與森林關(guān)系密切的因子，如森林涵養(yǎng)水源的其他層次(如林冠層等)、林地土壤下滲透能力、林地養(yǎng)分之間的相關(guān)性等問題缺乏深入研究，需在今后的研究中延伸和拓展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Rhoades C，Miller S P，Shea M.Soil Properties and Soil Nitrogen Dynamics of Prairie Like Forest Openings and Surrounding Forests in Kentucky's Knobs Region[J]．Am Midland Nat，2004，152 (1)：1-11．

[2]Christine H.Ettema， David A Wardle．Spatial soil ecology [J]．Trends in Ecology & Evolution，2002，17(4)：177-183．

[3]劉鴻雁，黃建國．縉云山森林群落次生演替中土壤理化性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16 (11)：2041-2046．

[4]陳晨，高明，鄭杰炳，等．縉云山不同森林植被下土壤理化性狀研究[J]．西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32(3)：88-92．

[5]羅歆,代數(shù)，何丙輝，等.縉云山不同植衩類型林下土壤養(yǎng)分含量及物理性質(zhì)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(1):64-69.

[6]楊吉華，張永濤，李紅云，等．不同林分枯落物的持水性能及對表層土壤理化性狀的影響[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(2)：141-143．

[7]熊亞蘭，魏朝富．坡面土壤水分特性的空間變異及其水庫貯量[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2005，19(1)：136-139．

[8]丁訪軍，王兵，鐘洪明，等．赤水河下游不同林地類型土壤物理特性及其水源涵養(yǎng)功能[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(3)：179-183．

[9]王燕，王兵，趙廣東，等．江西大崗山3種林型土壤水分物理性質(zhì)研究[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(1)：151-153．

[10]黃榮珍，岳永杰，李鳳，等．不同類型森林水庫調(diào)水特性研究[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(1)：154-158．

[11]杞金華，章永江，張一平，等．哀牢山常綠闊葉林水源涵養(yǎng)功能及其在應(yīng)對西南干旱中的作用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(6)：1692-1701．