喀斯特石漠化區(qū)頂壇花椒林地土壤水分物理性質(zhì)變化

宋林松，汪　京，王　棋，楊　瑞，張玉武

(1貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州　貴陽　550025；2貴州省生物研究所，貴州　貴陽　550009)

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喀斯特石漠化區(qū)頂壇花椒林地土壤水分物理性質(zhì)變化

宋林松1，汪京1，王棋1，楊瑞1，張玉武2

(1貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州貴陽550025；2貴州省生物研究所，貴州貴陽550009)

摘要：生態(tài)經(jīng)濟(jì)型植物的種植是喀斯特石漠化區(qū)植被恢復(fù)的有效措施，頂壇花椒是貴州花江喀斯特石漠化綜合治理區(qū)種植最為廣泛的植物。本文以頂壇花椒作為研究對(duì)象，分析不同徑階頂壇花椒對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響，研究結(jié)果表明：1)在不同深度土壤密度的變化中，2、8徑階土壤密度變化差異不顯著，4、6、10徑階土壤密度變化差異顯著；在不同徑階土壤密度變化比較中，2、4、6、8徑階土壤密度變化差異不顯著，而10徑階的土壤密度與其它各徑階存著顯著差異變化。2)從土壤孔隙度來看，8徑階土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度值都最大， 10徑階值都普遍偏小，土壤總孔隙度的具體順序?yàn)椋?徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階。3)從土壤含水率、從田間含水量、最大持水率、毛管持水率等蓄水特性來看，各徑階頂壇花椒持水能力順序均為：8徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階，其變化規(guī)律與土壤孔隙度變化一致。

關(guān)鍵詞：喀斯特；石漠化區(qū)；徑階；頂壇花椒；土壤水分物理性質(zhì)

喀斯特石漠化是指喀斯特地區(qū)因水土流失嚴(yán)重造成土地退化、基巖裸露、土地生產(chǎn)力急劇降低、形成荒漠景觀的過程[1]。脆弱生態(tài)地質(zhì)背景和人類活動(dòng)的共同作用是這個(gè)過程中的主導(dǎo)因素，強(qiáng)烈的巖溶化過程是其產(chǎn)生的主要自然原因，而人類對(duì)生態(tài)的破壞和土地的不合理利用則激發(fā)了這一過程，最終導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境等問題的產(chǎn)生[2]。喀斯特地區(qū)的石漠化過程造成了包括水土流失、河道淤積和自然災(zāi)害頻繁，耕作土壤流失和非地帶性干旱在內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題[3]。針這些問題，研究人員對(duì)石漠化成因，石漠化觸發(fā)模型，退化過程以及治理對(duì)策[4—10]都進(jìn)行了深入研究。其中，群落系統(tǒng)的植被嚴(yán)重退化，造成的水土流失又導(dǎo)致石漠化區(qū)域的發(fā)展陷入了“人口增加→陡坡開荒→植被減少、退化→水土流失加重→石漠化→貧困”的惡性循環(huán)是石漠化問題中的關(guān)鍵問題[11]。

花江喀斯特峽谷區(qū)是貴州省石漠化問題最為突出的地區(qū)之一，為治理該地區(qū)石漠化，研究人員在該地區(qū)建立了花江喀斯特石漠化綜合治理區(qū)[2]?？蒲腥藛T在花江喀斯特石漠化治理區(qū)進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)研后，提出了一系列的生態(tài)經(jīng)濟(jì)型植物搭配種植模式，并認(rèn)為在石漠化地區(qū)種植經(jīng)濟(jì)林在注重經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還要重視其生態(tài)效益的發(fā)揮[12—14]。在這些植物配置模式中，頂壇花椒(zanthoxylumplanispinumvar.dingtanensis)由于其良好的經(jīng)濟(jì)效益而得到了廣泛種植[15]。但是，要達(dá)到治理石漠化，防止水土流失的生態(tài)效益目的，就需要對(duì)栽植頂壇花椒對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的作用進(jìn)行深入研究。本文通過運(yùn)用徑階代替時(shí)間的方法，研究不同徑階花椒的土壤水分物理特征，探討頂壇花椒的生長(zhǎng)過程中土壤水分物理性質(zhì)的變化，為頂壇花椒的經(jīng)營(yíng)、管理以及石漠化區(qū)植被的恢復(fù)與選擇提供一定的理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省境內(nèi)貞豐縣北盤江鎮(zhèn)東北部的查耳巖村(25°39′22″N 105°38′21″E)，為典型的喀斯特峽谷地貌，地表起伏較大，海拔為370～1 473 m，相對(duì)高差達(dá)1 103 m，地表破碎、石漠化問題突出。該地區(qū)氣候類型主要為半亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，屬于亞熱帶裸露型喀斯特峽谷生態(tài)環(huán)境，內(nèi)區(qū)土壤以黃壤、黃色石灰土為主；年均溫18.4 ℃，年總積溫達(dá)6 542.9 ℃；年均降雨量1 100 mm，且時(shí)空分布不均，其中5—10月的雨量占全年總降雨的83 %。該地區(qū)靠近峽谷低地，冬季依托峽谷熱流，氣溫較高，且長(zhǎng)年無霜期較長(zhǎng)，氣溫濕熱。區(qū)內(nèi)種植主要生態(tài)經(jīng)濟(jì)型植物有頂壇花椒、金銀花(Lonicerafulvotomentosa)、砂仁(villousamomumfruit)等。

2調(diào)查研究方法

2.1土壤樣品采集

在研究區(qū)對(duì)頂壇花椒生長(zhǎng)狀況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，以2 cm為徑階(階距)，在頂壇花椒林地分別選取2、4、6、8、10(上限排外法)徑階的林木，通過測(cè)量每棵樹的地徑來選擇標(biāo)準(zhǔn)株，每一徑階取3棵標(biāo)準(zhǔn)株作為重復(fù)；對(duì)于每一棵待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)株，在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土層厚度處用環(huán)刀進(jìn)行取樣，每一層取3個(gè)，林地標(biāo)準(zhǔn)株基本信息見表1。

表1　樣地標(biāo)準(zhǔn)株基本信息

續(xù)表1

編 號(hào)植被類型地徑樹高冠幅中心點(diǎn)坐標(biāo)海拔土壤類型HC81花椒純林7.23.13.8525°39'20″N105°38'22″E760m黃壤、石灰土HC82花椒純林8.12.44.125°39'20″N105°38'22″E760m黃壤、石灰土HC83花椒純林7.93.23.125°39'20″N105°38'22″E760m黃壤、石灰土HC101花椒純林10.73.53.225°39'20″N105°38'22″E760m黃壤、石灰土HC102花椒純林10.13.43.325°39'20″N105°38'22″E760m黃壤、石灰土HC103花椒純林10.83.13.625°39'22″N105°38'23″E760m黃壤、石灰土

2.2試驗(yàn)測(cè)定分析方法

本實(shí)驗(yàn)采用酒精燃燒法來測(cè)定土壤含水率，并結(jié)合森林土壤物理性質(zhì)測(cè)定法(LY / T1210—1275—1999)測(cè)定不同徑階花椒的土壤水分物理性質(zhì)[16]。土壤密度的計(jì)算公式為：

土壤密度=土壤容重 / (1—土壤總孔隙度)

采用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和方差分析，單因素方差分析中采用LSD方法進(jìn)行差異顯著性比較。

3結(jié)果與分析

3.1土壤密度的變化

土壤密度是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它直接影響到土壤孔隙度與孔隙度大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥氣熱變化，間接影響植物生長(zhǎng)及根系在土壤中的穿插和活力大小[17]。圖1表明，除4徑階和10徑階外，其余各徑階的土壤密度隨土層的加深逐漸增大，并且4徑階、6徑階和10徑階花椒的

不同小寫字母表示不同土層深度的土壤密度差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示不同徑階間土壤密度的差異顯著(p<0.05)Different small letters meant significant differences in soil density with different soil depths at 0.05 level，different capital letters meant significant differences in soil density between different diameters at 0.05 level.

圖1不同徑階花椒的不同土壤深度的土壤密度

Fig.1Soil density of different soil depth in different diameter

不同土層間土壤密度存在顯著差異，其中4徑階和10徑階的花椒林地20～30 cm層的土壤密度顯著低于表層土壤，而6徑階的表層土壤卻顯著低于下層土壤。從不同徑階來的總體比較看，2、4、6、8徑階花椒的土壤密度變化差異不顯著，但是它們與10徑階的土壤密度變化存在著顯著差異，10徑階的土壤密度顯著大于其它各徑階的土壤密度，原因可能與10徑階花椒林下的常年人為采集活動(dòng)致使土壤緊壓板結(jié)，以及10徑階花椒的根系生長(zhǎng)已達(dá)極限，且根系分泌物積蓄迫使植株凋亡相關(guān)。

3.2土壤孔隙度的變化

土壤孔隙是土體內(nèi)部的空隙，是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，孔隙度的數(shù)量與孔隙大小分布及其連通性反映了土壤的持水保水性能，并通過影響土壤的通氣透水性及根系穿插的難易程度，對(duì)土壤中水、肥、氣、熱以及生物活性等發(fā)揮著不同的作用[18—19]。在土壤孔隙中，毛管孔隙的主要功能在于保水蓄水，用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)；非毛管空隙的主要功能是通道作用，它的大孔徑特征為土壤提供了良好的下滲通道和暫時(shí)蓄水空間[20]。

表2　不同徑階花椒土壤孔隙度

續(xù)表2

不同徑階土層厚度/cm總孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%601058.05±3.80a47.14±2.89a10.91±2.87c102058.22±3.58a45.23±3.50b13.00±2.73a203056.19±3.56b45.03±3.78b11.16±2.00b平均值57.4945.8011.69801060.85±2.34a48.26±2.07a12.59±2.08a102059.68±2.57b48.46±2.53a11.22±2.95b203057.40±2.43c46.74±2.5610.66±1.60c平均值59.3147.8211.491001053.67±2.86a45.678±3.99a7.99±3.43ab102051.62±2.91b43.23±3.12b8.39±3.74a203049.60±1.67c42.30±3.09c7.29±3.32b平均值51.6343.747.90

由表2可以看出，隨著土層深度的增加，不同徑階的花椒土壤總孔隙度都呈下降趨勢(shì)，方差分析結(jié)果也表明不同土層厚度間存在顯著差異。其中，減少幅度最小的是2徑階(0.67 %)，原因可能是因?yàn)樗纳L(zhǎng)年齡較小，根系還沒有向下生長(zhǎng)，以及栽植過程中人為對(duì)土壤造成松動(dòng)而導(dǎo)致的各土層總孔隙相差不大；減少幅度最大的是4徑階(8.82 %)，原因可能為頂壇花椒的根系生長(zhǎng)以及表層土的重力作用使下層土變得緊實(shí)。在0～10 cm與10～20 cm的土層中，總孔隙度的變化一致，都是8徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階，在20～30 cm土層中，2徑階>8徑階>6徑階>10徑階>4徑階，原因可能是8徑階的花椒在0～20 cm的土層中由于其常年積累的枯葉凋落分解，形成了疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)。在20～30 cm層，處于生長(zhǎng)盛年期的8徑階花椒，其根系生長(zhǎng)密集，側(cè)根和須根生長(zhǎng)旺盛，根系的穿插作用強(qiáng)，提高了土壤的總孔隙度，這和在取樣過程中環(huán)刀中細(xì)根較多的現(xiàn)象相吻合[21]。在均值上，總孔隙度順序?yàn)椋?徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階?？偪紫抖戎捣从沉送寥劳馔笟庑阅艿膹?qiáng)弱，也是土質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的重要指標(biāo)[22]。8徑階的花椒的總孔隙度最大，這說明8徑階花椒林下土壤結(jié)構(gòu)疏松，具有良好的通透性，它們對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果最好，而10徑階的相比于其它徑階的花椒的總孔隙度偏小，且土層間數(shù)值差異較大，這可能與人為疏剪干枯樹枝的踩踏相關(guān)。

毛管孔隙儲(chǔ)存的水分可以供植物根系吸收或土壤蒸發(fā)，而非毛管孔隙除為飽和土壤水分提供通道外，還為水分的暫時(shí)儲(chǔ)存提供了空間[23]。 從表2可以看出，除了6徑階非毛管孔隙外，各徑階花椒在毛管孔隙度與非毛管孔隙度均是表層大于下層。從均值來看，毛管孔隙度的變化為：8徑階>2徑階>4徑階>6徑階>10徑階，表明8徑階的花椒在蓄水能力上相對(duì)于其它徑階來說要好，能夠在土壤水分蒸發(fā)后保留部分水分供植物根系吸收；同時(shí)，也表明其對(duì)土壤的持水特性有較好的改良效果。非毛管孔隙度的變化為：2徑階>6徑階>8徑階>4徑階>10徑階，說明2徑階的花椒在調(diào)節(jié)土壤的滲透能力以及對(duì)水分遷移的功能上相對(duì)于其它徑階的花椒來說更為有利。從毛管孔隙度和非毛管孔隙度兩個(gè)綜合分析來看，10徑階的花椒的土壤結(jié)構(gòu)特性最差，原因可能是因?yàn)槿藗冮L(zhǎng)年在樹下采集花椒，踩踏土壤，以及其自身根系分泌物對(duì)自身毒害作用的加劇使得其趨于死亡，從而改變了其對(duì)林下土壤特性的影響[24]。

3.3土壤持水能力的變化

土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需水分的主要來源，土壤水分的含量直接影響了植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，毛管水是土壤中可以移動(dòng)的、對(duì)植物最有效的水分，土壤中毛管水達(dá)到最大數(shù)量時(shí)的土壤含水量稱為田間持水量[25]。由表3可知，田間含水量與土壤含水率在不同徑階的土層之間的波動(dòng)存在較大差異，方差分析中也表現(xiàn)出了顯著差異。土壤含水量波動(dòng)幅度最大的為8徑階(3.156 %)，最小的為6徑階(1.123 %)； 田間持水量波動(dòng)幅度最大的為4徑階(6.062 %)，最小的為2徑階(1.292 %)，這表明在相同的田間管理和生長(zhǎng)環(huán)境中，在6徑階到8徑階的生長(zhǎng)過程中，花椒自身的生長(zhǎng)對(duì)土壤產(chǎn)生了影響，這種影響造成了土層間含水率的波動(dòng)，也正是這種影響使得土壤的水分物理性質(zhì)得到了改善。從2徑階到4徑階的生長(zhǎng)過程中，土層間田間持水量存在較大波動(dòng)的原因可能為種植2徑階的頂壇花椒幼苗時(shí)對(duì)土壤造成的松動(dòng)使得土層間持水率差異較小，而頂壇花椒從2徑階到4徑階的生長(zhǎng)過程中，20～30 cm層的土壤受重力影響，變得緊實(shí)，田間持水量迅速降低，使得4徑階的花椒出現(xiàn)最大的變動(dòng)幅度。從不同土層的均值來看，田間持水量與土壤含水率的大小順序相同，順序?yàn)椋?徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階，這與上述的最大持水率與毛管持水率相同排序，說明田間持水量與土壤含水率也隨孔隙度和土壤密度的變化而變化。從數(shù)值上來看，2、4、6、8這幾個(gè)徑階之間差異不大，而10徑階的相對(duì)較低，這說明10徑階的頂壇花椒林的土壤蓄水能力和持水特性相比于其它徑階效果要差。

其次，林地土壤貯水量能力反映森林涵蓄水分能力的重要指標(biāo)之一[25]，從表3還可以看出，不同徑階的花椒隨著土層的增加，最大持水率與毛管持水率隨之而降低，其變化幅度分別為1.252 %～12.992 %、2.591 %～6.062 %；其中最大持水率變動(dòng)幅度最小的是2徑階，最大的為4徑階，而毛管持水率變動(dòng)幅度最大的為8徑階，最小的為2徑階，原因可能與不同土層間的孔隙度與容重產(chǎn)生的差異相一致，在孔隙度與容重的分析中，已經(jīng)說明了這一點(diǎn)。最大持水率從各土層的均值來看，其順序?yàn)椋?徑階(63.910 %)>2徑階(63.197 %)>6徑階(57.183 %)>4徑階(55.337 %)>10徑階(43.381 %)，毛管持水率為：8徑階(52.997 %)>2徑階(51.317 %)>6徑階(46.244 %)>4徑階(44.719 %)>10徑階(35.443 %)，這與上述孔隙度與容重分析中的排序一樣，再次證明最大持水率、毛管持水率與孔隙度之間存在顯著的關(guān)聯(lián)。通過方差對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2、4、6、8徑階的花椒在最大持水率與毛管持水率上差異都不顯著，而10徑階的花椒相比于其它徑階的來說就小了很多，這說明10徑階的花椒土壤持水性能相對(duì)較差，土壤的保水、供水能力有待提升，而8徑階的花椒相對(duì)來說最好，能夠在土層中蓄存更多的水分，使土壤物理性質(zhì)保持良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。

不同小寫字母表示不同土層深度的土壤密度差異顯著(p<0.05)(Different small letters meant significant differences in soil density at different soil depths(p<0.05))。

4結(jié)論與討論

1)從土壤密度來看， 4徑階與6徑階以及10徑階的花椒不同土層間的土壤密度存在顯著差異，4徑階和10徑階的花椒20～30 cm層的土壤密度顯著低于表層土壤，而6徑階的表層土壤卻顯著低于下層土壤，這表明在花椒的生長(zhǎng)過程中，下層土壤的密度發(fā)生了變化；徑階間的方差分析表明10徑階的林下土壤密度與其它徑階存在顯著差異，而其它各徑階間差異不顯著，原因可能為花椒在成長(zhǎng)過程中影響土壤密度的人為干擾和自身生長(zhǎng)因素的不斷積蓄，到生長(zhǎng)到10徑階時(shí)，土壤密度才發(fā)生了顯著的變化。

2)從土壤孔隙度值來看，10徑階的花椒與其它徑階的花椒之間都存在較大的差異，它的土壤物理特性以及蓄水保土能力都是最差的，分析認(rèn)為可能是因?yàn)槌Ｄ陿湎虏烧斐赏寥腊褰Y(jié)、緊實(shí)，以及自身的生理衰老和化感作用。至于有無其它原因，還有待進(jìn)一步的研究。因此在農(nóng)戶進(jìn)行田間管理的過程中，需要松動(dòng)花椒的林下土壤，或移植新苗。

3)從土壤含水率、田間含水量、最大持水率、毛管持水率等蓄水特性來看，各徑階花椒持水能力的順序?yàn)椋?徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階，從它們的大小順序中，可以得出，田間含水量、土壤含水率、最大持水率和毛管持水率與孔隙度和密度反映出的特征相一致。

4)綜合分析土壤的蓄水和改良土壤物理特性的作用，其起到改善作用順序?yàn)椋?徑階>2徑階>6徑階>4徑階>10徑階，其中，8徑階的相對(duì)于其它徑階的來說其改良效益最為優(yōu)越，這種優(yōu)越來源于其自生生長(zhǎng)的生物學(xué)特性，根系的密集生長(zhǎng)與枯落物的蓄積等；除了10徑階的頂壇花椒與其它徑階的頂壇花椒差別略大外，其它的幾個(gè)徑階之間的差別不大。總的來說，適當(dāng)?shù)膶?duì)頂壇花椒林地的翻耕措施能使花椒林表現(xiàn)出更好的蓄水保土功能。

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The change of soil water physical properties ofZanthoxyhumbungeanumvar.dintanensisin Karst Rocky Desertification Area

SONG Linsong1，WANG Jing1，WANG Qi1，YANG Rui1*，ZHANG Yuwu2

(1CollegeofForestry，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；2GuizhouInstituteforBiologicalStudies，Guiyang550009，China)

Abstract：Planting species of eco—economic type is an effective measurement to vegetation restoration in Karst rocky desertification area，and Zanthoxyhum bungeanum var.dintanensis is the most widely cultivated plant in the region.In this study，we select anthoxyhum bungeanum var.dintanensis to analyze the soil water physical properties of different diameters class.The results show that the change of soil density in different depth，there are no significant difference between the 2 diameter class and the 8 diameter class，and there are significant differences among the 4，6，10 diameter class.In the change of soil density in different diameters classes，there are no significant difference among the 2，4，6，8 diameter classes，and there was a significant difference between the 10 diameter class and others.Compared to other diameters classes，the total soil porosity，capillary porosity and non—capillary porosity of the 8 diameter class are at the maximum value.The 10 diameter class is the minimum，and the order of diameter classes is 8>2>6>4>10.For the water storage characteristics of natural moisture，field moisture，maximum water holding rate and capillary moisture capacity，the order of diameter classes is also 8>2>6>4>10，and the order of the water storage characteristics is the same with the soil porosity.

Keywords：Karst；rocky desertification；diameter class；zanthoxyhum bungeanum var.dintanensis；soil water physical property

中圖分類號(hào)：S 714.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003—6563(2016)02—0019—07

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-02-23

*項(xiàng)目基金：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合JZ字[2014]200211、黔科合SY字[2013]3165號(hào)、黔科合 NY 字[2009]3052)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(貴大人基合字(2012)003號(hào))；國(guó)家環(huán)保部生物多樣性保護(hù)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(kksbdyj01)。

作者簡(jiǎn)介：宋林松(1992-)，男，本科生。研究方向：林學(xué)。

通訊作者：▲楊瑞(1979-)，男，博士，副教授。主要研究方向：森林經(jīng)營(yíng)與森林生態(tài)。