不同人為干擾程度對(duì)森林土壤水分物理性質(zhì)的影響

郭寶寶

(三明市梅列區(qū)洋溪林業(yè)工作站，福建三明365000)

土壤是森林植被存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)，由于森林植被的存在和發(fā)展，反過(guò)來(lái)也將影響土壤的形成與發(fā)育［1］。大氣降水是植被生長(zhǎng)發(fā)育所需水分的主要來(lái)源，土壤貯存大氣降水的能力對(duì)植被生長(zhǎng)尤其重要，土壤水分物理性質(zhì)則決定了土壤水的儲(chǔ)存和供給能力［2］。另外，土壤水分物理性質(zhì)常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅決定土壤中水、氣、熱和生物狀況，而且影響土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素的有效性和供應(yīng)能力［3-4］。中亞熱帶山地海拔在＜500 m以下的地帶性植被多以米櫧為主的常綠闊葉林。福建三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)存有面積近190 hm2，樹(shù)齡在260～300年的米櫧天然林 (約200年左右未受干擾)。同時(shí)，在鄰近的保護(hù)區(qū)周?chē)植贾擅讬教烊涣质懿煌瑥?qiáng)度人為干擾后形成的年齡大致相近 (約40年)的次生林，包括米櫧天然林經(jīng)過(guò)強(qiáng)度擇伐后經(jīng)天然更新形成的米櫧天然更新次生林;經(jīng)過(guò)強(qiáng)度擇伐后天然更新，并在更新過(guò)程中人為去除其他樹(shù)種形成的米櫧人促天然更新次生林。這些不同的森林類(lèi)型構(gòu)成了不同的人為干擾梯度，為對(duì)研究不同人為干擾梯度下土壤水分物理性質(zhì)差異提供了良好的天然試驗(yàn)地。

1 研究地概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建省三明市金絲灣森林公園陳大林業(yè)采育場(chǎng) (26°19'N，117°36'E)和三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū) (26°11'N，117°28'E)內(nèi)，兩者直線(xiàn)距離不超過(guò)30 km，距離三明市城區(qū)距離分別為12 km和26 km。屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，試驗(yàn)地附近的三明市年均溫20.1℃，年降水量1 670 mm，降水多集中于3—8月。土壤為沙質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的紅壤，土層厚度超過(guò)1 m。各林分情況見(jiàn)表1。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與測(cè)定方法

2012年7月份對(duì)3個(gè)林分進(jìn)行基本調(diào)查，并在每個(gè)樣地按“S”形選擇3～5個(gè)土壤剖面，深度為100 cm。按照0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 m 6個(gè)土層。土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法分別為:用容積100 cm3的環(huán)刀按自然發(fā)生層次分別取6個(gè)土層的原狀土樣，同時(shí)用鋁盒取土，每層重復(fù)2個(gè)，用環(huán)刀法測(cè)定土壤的容重、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性質(zhì)［5］，根據(jù)常規(guī)分析方法，測(cè)定并計(jì)算3個(gè)林分土壤的最大持水量、最小持水量、毛管持水量［6］。

表1 不同林分標(biāo)準(zhǔn)地基本情況Table1 The basic situation of different forest stands

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

通過(guò)SPSS 17.0軟件的單因素方差分析 (ANOVA)，相關(guān)分析檢驗(yàn)不同林分土壤物理性質(zhì)和水文性能的差異 (α=0.05)，數(shù)據(jù)匯總和作圖由Excel軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同人為干擾對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

圖1 不同林分的土壤容重Figure1 The soil bulk density in different forest

3.1.1 不同林分的容重

土壤容重是用來(lái)表示單位原狀土壤固體的質(zhì)量，是衡量土壤松緊狀況的指標(biāo)。容重大小是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙等物理性狀的綜合反映，因此土壤容重與孔隙度有一定的關(guān)系。土壤過(guò)松、過(guò)緊均不適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的要求:過(guò)松跑墑，作物根扎不牢;過(guò)緊透水透氣不良。且土壤容重不是固定不變的，尤其是土壤表層常常因自然條件和人為措施而改變。在0～100 cm土層，天然林、天然更新林及人促更新林3個(gè)林分的土壤容重為:1.42、1.44、1.70 g·cm－3，均隨土層深度的增加而增加，為上松下緊的土壤類(lèi)型。人促更新林的容重在各個(gè)土層都最大，天然林容重最小，這說(shuō)明天然林的土壤結(jié)構(gòu)更優(yōu)。表層0～10 cm，3個(gè)林分的土壤容重分別為:1.12、1.23、1.53 g·cm－3，天然林與天然更新林不存在顯著差異，而與人促更新存在顯著差異 (P＜0.05)。10～20 cm土層土壤容重，人促更新林＞天然更新林＞天然林，天然林與天然更新林不存在顯著差異，人促更新林與其他2個(gè)林分均存在顯著差異 (P＜0.05);20～40 cm土層土壤容重，人促更新林＞天然更新林＞天然林。后3個(gè)土層的土壤容重，人促更新林＞天然林＞天然更新林，天然林與天然更新林沒(méi)有顯著差異，但與人促更新林均有顯著差異 (P＜0.05)。

3.1.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度是土壤物理特性的重要因素之一，是反映土壤通透性的重要指標(biāo)，土壤孔隙狀況受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量等的影響。毛管孔隙使土壤具有貯水性能，而非毛管孔隙不具有持水能力，但能使土壤具有透水性，因此土壤中毛管孔隙和非毛管孔隙的分配狀況，對(duì)土壤的水、肥、氣、熱及耕作性能都有較大的影響。土壤總孔隙度大，土壤的通氣性就好，有利于植物根系的生長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，總孔隙度在50%左右，而其中非毛管孔隙占1/5～2/5為好，這種情況使得土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)。若土壤的非毛管孔隙度小于10%時(shí)，便不能保證通氣良好。小于6%時(shí)，許多作物便不能正常生長(zhǎng)［6］。研究區(qū)不同人為干擾下各層次土壤孔隙度的變化各異 (表2)。

表2 不同人為干擾下土層孔隙度比較/%Table2 The difference of soil porosity under different human interference

在0～100 cm土層中，天然林，天然更新林，人促更新林3個(gè)林分非毛管孔隙度為:4.95%、7.34%、3.94%，隨著土層深度增加沒(méi)有呈現(xiàn)明顯遞減的趨勢(shì)，整體上天然更新林＞天然林＞人促更新林。天然林0～10 cm與10～20 cm土層的非毛管孔隙度無(wú)顯著差異，但與其他4個(gè)土層有顯著差異(P＜0.05);天然更新林土壤非毛管孔隙度0～10 cm與10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層沒(méi)有顯著差異，60～80 cm和80～100 cm存在顯著差異 (P＜0.05);人促更新林各土層非毛管孔隙度均沒(méi)有顯著差異;不同林分各個(gè)土層的非毛管孔隙度差異不顯著，這說(shuō)明3個(gè)林分透水性相似。

在0～100 cm土層中，3個(gè)林分毛管孔隙度分別為:45.33%、31.72%、17.41%，天然林與人促更新林毛管孔隙度隨著土層深度的增加而減少，但天然更新林呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。天然林中0～10 cm土層的毛管孔隙度與其他土層有顯著差異 (P＜0.05)，10～20 cm土層與其他土層有顯著差異 (除20～40 cm)(P＜0.05)，底三層 (40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)之間沒(méi)有顯著差異，這說(shuō)明底三層土壤熟化程度類(lèi)似;天然更新林與人促更新林各層的毛管孔隙度均沒(méi)有顯著差異。林分之間，0～10 cm，10～20 cm、20～40 cm土層，天然林與天然更新林、人促更新林差異顯著 (P＜0.05)，3個(gè)土層天然林的毛管孔隙度遠(yuǎn)大于其他林分，這表明天然林在表層的持水能力大于其他林分。40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層天然林與天然更新林沒(méi)有顯著差異，天然林與人促更新林差異顯著 (P＜0.05)。

3個(gè)林分總孔隙度隨土壤深度的增加均為減少，總孔隙度大小為天然林 (50.28%)＞天然更新林(39.05%)＞人促更新林 (21.00%)，6個(gè)土層總孔隙度大小順序均為:天然林＞天然更新林＞人促更新林，隨著土壤深度的增加，天然林與天然更新林的總孔隙度差異也越來(lái)越小，這是因?yàn)槿藶楦蓴_僅對(duì)土壤表層影響較大，而對(duì)于底層土壤，由于母質(zhì)基礎(chǔ)一致，因此差異不顯著。天然林毛管孔隙度與總孔隙度均最大，說(shuō)明天然林土壤孔隙狀況最好，孔隙搭配合理，既保水也通氣。

3.2 不同人為干擾對(duì)土壤持水特性的影響

土壤持水供水能力是土壤團(tuán)聚體、土壤孔隙狀況和土壤顆粒組成的綜合反映。不同強(qiáng)度的人為干擾影響土壤顆粒組成、團(tuán)聚體數(shù)量及大小和土壤孔隙的大小及分布，必然影響到土壤的持水能力［7］。土壤持水量包含毛管持水量、最大持水量、最小持水量3個(gè)組分。研究區(qū)不同人為干擾下各層次土壤持水量的變化各異 (表3)。

隨著土層深度的增加，毛管持水量、最大持水量、最小持水量沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減少或是增加的趨勢(shì)。在0～100 cm土層中，3個(gè)林分的毛管持水量分別為:285.10、220.34、104.70 g·kg－1，3個(gè)林分的最小持水量分別為:246.44、184.57、57.88 g·kg－1，3個(gè)林分的最大持水量分別為:316.97、273.98、129.13 g·kg－1。

0～10 cm、10～20 cm土層，天然林的毛管持水量、最大持水量和最小持水量與天然更新林和人促更新林有顯著差異 (P＜0.05)，底下3層 (40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)與天然更新林差異不顯著。

天然更新林各土層的毛管持水量和最小持水量均無(wú)顯著性差異;天然林毛管持水量和最小持水量0～10 cm土層與其余土層有顯著差異 (P＜0.05)，底下3層無(wú)顯著差異;人促更新林，表層0～10 cm的毛管持水量、最小持水量與底3層有顯著差異 (P＜0.05)。

表3 不同人為干擾下土層持水量狀況/(g·kg－1)Table3 The difference of water holding capacity under different human interference

3.3 土壤物理指標(biāo)的相關(guān)分析

利用SPSS對(duì)土壤物理性質(zhì)的主要指標(biāo)進(jìn)行方差分析 (表4)，結(jié)果顯示:容重分別與總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度成極顯著負(fù)相關(guān)，其中容重與總孔隙度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.776，與非毛管孔隙度和毛管孔隙度的相關(guān)系數(shù)分別為0.527和0.721;而容重與毛管持水量、最大持水量、最小持水量也成極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為:0.857、0.908、0.851，相關(guān)度高于孔隙度，這說(shuō)明土壤容重是土壤物理性質(zhì)中最為重要的因素，土壤容重對(duì)土壤孔隙和土壤水分特征的影響較大，土壤容重越大，土壤孔隙越少，土壤含水量也越少。

土壤總孔隙度與非毛管孔隙度的相關(guān)性不顯著，但與毛管孔隙度之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988?？梢?jiàn)，不同土地利用類(lèi)型的土壤物理性質(zhì)差異較大。

表4 不同人為干擾土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析Table4 Correlation analysis of soil physical properties under different human interference

4 結(jié)論

土壤水分物理性質(zhì)隨著土壤深度變化顯著，這說(shuō)明土壤深度是評(píng)價(jià)土壤孔隙狀況的主要因子。

1)3個(gè)林分0～100 cm的土壤容重為:1.42、1.44、1.70 g·cm－3，容重隨著土層深度的增加而增加，各個(gè)土層天然林轉(zhuǎn)化為其他林分，容重有顯著地增加。

2)3個(gè)林分毛管孔隙度與總孔隙度大小順序?yàn)樘烊涣郑咎烊桓铝郑救舜俑铝帧?個(gè)林分非毛管孔隙度隨著土層深度增加沒(méi)有呈現(xiàn)明顯遞減的趨勢(shì)，為:4.95%、7.34%、3.94%，整體上天然更新林 ＞天然林＞人促更新林。

3)表層0～10 cm 3個(gè)林分的毛管持水量、最大持水量、最小持水量大小比較為:天然林＞天然更新林＞人促更新林，其余5個(gè)土層，3個(gè)持水量大小順序均為天然林＞天然更新林＞人促更新林。

4)容重分別與總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、最小持水量成極顯著負(fù)相關(guān)，天然林有小的容重，最大的毛管孔隙度和總孔隙度，持水量也是最大的，這說(shuō)明了隨著人為干擾程度的增加，對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)作用。

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