常綠闊葉次生林與杉木林土壤物理性質(zhì)比較

陳榮

摘 要：該試驗(yàn)對(duì)福建順昌常綠闊葉次生林和杉木人工林的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：常綠闊葉次生林土壤各層次具有比杉木林更低的容重，更高的土壤孔隙度和土壤滲透系數(shù)。次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的容重分別為0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，僅分別為杉木林的84.14%、82.38%、91.61%和88.50%，而總孔隙度分別為：62.60%、55.14%、54.90%和51.63%，分別是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍，非毛管孔隙度分別為：19.54%、17.51%、15.90%和10.33%，分別是杉木林的1.208、1.317、1.385和1.767倍，土壤滲透系數(shù)分別為12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，分別是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。

關(guān)鍵詞：常綠闊葉次生林；杉木人工林；土壤物理性質(zhì)

中圖分類號(hào) S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）15-0089-4

Abstract：Soil physical properties of an evergreen broad leaved secondary forest and a Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantation in Shunchang County，F(xiàn)ujian Province，were studied. Soil bulk density was lower，and porosity and soil permeability were higher at different soil layers in the secondary forest than in the Chinese fir plantation. Soil bulk density at 0～10cm，10～20cm，20～40cm and 40～60cm soil depth in the secondary forest were 0.839 g·cm-3，0.928 g·cm-3，1.106 g·cm-3 and 1.125 g·cm-3，respectively，and they were as much as 84.14%，82.38%，91.61% and 88.50%，respectively，of those in the Chinese fir plantation. Total porosity at the four soil depth in the secondary forest were 62.60%，55.14%，54.90% and 51.63%，respectively，and they were as much as 1.111，1.073，1.094 and 1.056 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation. Non-capillary porosity at the four soil depth in the secondary forest were 19.54%，17.51%，15.90% and 10.33%，respectively，and they were as much as 1.208，1.317，1.385 and 1.767 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation. Coefficient of permeability at the four soil depth in the secondary forest were 12.15 mm·min-1，10.62 mm·min-1，6.53 mm·min-1 and 2.95 mm·min-1，respectively，and they were as much as 1.537，2.231，3.908 and 5.465 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation.

Key words：Evergreen broad leaved secondary forest；Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantation；Soil physical properties

常綠闊葉林是福建順昌的地帶性植被，按演替模式可劃分為原生常綠闊葉林和次生常綠闊葉林[1]。次生常綠闊葉林（常常簡稱為“次生林”）是原生的常綠闊葉林被破壞后經(jīng)過自然恢復(fù)形成的[2]，它是福建順昌目前主要的闊葉林類型。近些年來，由于杉木（Cunninghamia lanceolata）栽培規(guī)模的逐步擴(kuò)大，順昌大量的次生林遭到采伐并營造杉木人工林，導(dǎo)致次生林面積銳減，森林植物多樣性降低，土壤物理性質(zhì)惡化，水土流失程度加劇，地力衰退，山洪、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。土壤物理性質(zhì)是森林土壤的重要特征之一，是森林水源涵養(yǎng)能力形成的基礎(chǔ)，對(duì)其研究有助于揭示土壤水源涵養(yǎng)功能和肥力演變的機(jī)理，為保護(hù)和科學(xué)經(jīng)營現(xiàn)有的次生林提供科學(xué)依據(jù)。次生林和杉木人工林土壤物理性質(zhì)的對(duì)比研究不多[3-8]。為此，筆者以福建省順昌縣的次生林和杉木人工林為研究對(duì)象，通過調(diào)查與比較其土壤各物理性質(zhì)的差異，分析各土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗(yàn)地概況

次生林和杉木林試驗(yàn)地設(shè)置在福建省順昌縣，北緯27°42′N，東經(jīng)117°48′E，海拔600～680m，坡度30～36[°]。次生林為54年前的原生常綠闊葉林遭受采伐破壞后采用人工促進(jìn)天然更新的方法恢復(fù)起來的，土壤為變質(zhì)巖發(fā)育是山地紅壤，土層厚度[>]80cm，土壤肥沃；杉木人工林位于臨近的林地，土壤母巖、土層厚度等土壤條件、海拔、坡度等地形條件與次生林基本一致，為次生林采伐后通過煉山、整地、挖穴營造的杉木實(shí)生林，年齡為30年。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查 分別在次生林和杉木林設(shè)置面積為400m2的方形標(biāo)準(zhǔn)地6個(gè)，調(diào)查高度5m及以上的樹種名稱、樹高、胸徑、冠幅等。采用斷面積加權(quán)方法計(jì)算平均胸徑和平均樹高。

2.2 土壤調(diào)查與取樣 每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地分別隨機(jī)選擇5個(gè)取樣點(diǎn)采集土壤物理性質(zhì)樣品。每個(gè)取樣點(diǎn)垂直挖掘一個(gè)80cm深的與等高線平行的土壤剖面，分別各土壤層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm）采集環(huán)刀（200cm3）樣品。樣品帶回室內(nèi)測(cè)定容重、最大持水率（飽和持水率）、毛管持水率、最小持水率（田間持水率）、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤通氣度、最大貯水量、排水能力等。采用雙環(huán)刀滲透法測(cè)定土壤滲透率（K10）[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分生長狀況 次生林喬木層（樹高大于或等于5m以上的木本植物）由32個(gè)闊葉樹種組成的復(fù)層異齡混交林，樹種、年齡和層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均胸徑21.58cm，平均樹高17.45m，林分密度908株·hm-2，郁閉度0.89；杉木人工林（以下簡稱“杉木林”）是在次生林采伐后采用采用煉山、挖穴整地等措施，用杉木實(shí)生苗營造的同齡純林，年齡為30年，已進(jìn)入成熟期，樹種、年齡和層次單一，以杉木占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，平均胸徑26.04cm，平均樹高20.81m，杉木密度908株·hm-2，在中齡期間伐后有少量闊葉樹侵入，東南野桐（Mallotus lianus）居于林冠下層，密度僅為8株·hm-2。

3.2 土壤剖面特征 從土壤剖面的觀測(cè)可知，次生林地面枯枝落葉厚，土壤腐殖質(zhì)層（黑土層）深厚（厚度30～40cm），0～20cm層次土壤疏松、根系尤其是細(xì)根數(shù)量多，在0～5cm土層較密集，細(xì)根甚至擴(kuò)展到枯枝落葉層中，20cm以下層次土壤稍緊，隨著深度的增加根系數(shù)量逐漸減少，根系分布到80cm以下；杉木林地面枯枝落葉層薄，土壤腐殖質(zhì)層較?。ê穸?0～20cm），0～10cm層次土壤疏松，但0～5cm層次林下植被（主要是蕨類）根系多，而杉木細(xì)根少，更沒有向枯枝落葉層擴(kuò)展，但在5～10cm層次杉木細(xì)根稍多，10～20cm層次土壤稍緊，杉木根系數(shù)量一般，20～60cm層次土壤緊實(shí)、剖面切面光滑、致密、孔隙極少，杉木根系少且隨深度加深而急劇減少，大部分根系分布在深度60cm以上的土層。

3.3 土壤物理性質(zhì)

3.3.1 土壤容重 土壤容重是指單位體積原狀土壤的烘干重量，它是土壤重要的基本物理性質(zhì)，對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、土壤的抗侵蝕能力和土壤肥力密切相關(guān)。土壤容重小，說明土壤疏松、孔隙多、通氣透水性好，有利于植物根系生長，土壤肥力高；土壤容重大，則土壤緊實(shí)、板結(jié)、孔隙少、通氣透水性差，植物根系生長不良，土壤肥力差。從表2可見，土壤容重均隨著土層深度的增加而逐漸增加，次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的容重平均值分別為0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，各層次土壤容重均低于杉木林，僅分別為杉木林的84.14%、82.38%、91.61%和88.50%，說明次生林各層次土壤物理性質(zhì)好于杉木林。

3.3.2 土壤孔隙度 土壤結(jié)構(gòu)是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，主要的指標(biāo)有總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度。本試驗(yàn)地土壤屬于粘性土壤，土壤結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到土壤的透氣、透水和持水性能等水源涵養(yǎng)能力以及土壤肥力，結(jié)構(gòu)好的土壤一般總孔隙度高，尤其是非毛管孔隙度高，而粘重板結(jié)的土壤非毛管孔隙（大孔隙）少，盡管毛管孔隙度不低，但其孔隙細(xì)小，空氣和水分難以深入土內(nèi)，植物難以利用，土壤滲透性能也差。表2的數(shù)據(jù)表明，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均隨土層深度的增加而降低，而毛管孔隙度隨土層深度的增加變化規(guī)律不明顯。次生林土壤各層次土壤總孔隙度、非毛管孔隙度均高于杉木林，而毛管孔隙度表現(xiàn)不一致，有的高于杉木林，有的低于杉木林。次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的總孔隙度平均值分別為：62.60%、55.14%、54.90%和51.63%，均大于杉木林（56.34%、51.41%、49.80%和48.91%），分別是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍；次生林各層次非毛管孔隙度與杉木林的差異較大，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的非毛管孔隙度平均值分別為：19.54%、17.51%、15.90%和10.33%，分別是杉木林（16.17%、13.29%、11.48%和5.85%）的1.208、1.317、1.385和1.767倍。

次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的土壤通氣度平均值分別為：29.50%、23.16%、21.21%和17.00%，均大于杉木林（22.64%、18.31%、16.57%和11.45%），分別是杉木林的1.303、1.265、1.280和1.485倍。

3.3.3 土壤持水和排水能力 土壤持水和排水能力指標(biāo)包括：最大持水率、最小（田間）持水率、毛管持水率、土壤排水能力（最大持水率減去最小持水率，再根據(jù)土層厚度換算成降水量單位mm）、飽和貯水量（總孔隙度乘以土層厚度），它們代表了土壤保持水分和的能力，是土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)。次生林各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤最大持水率（占土壤重量百分比）分別為74.84%、60.52%、49.47%和46.05%，均大于杉木林（56.75%、46.16%、41.34%和38.75%），分別是杉木林的1.319、1.311、1.197和1.188倍；各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤最小持水率（重量%）分別為39.24%、28.82%、23.44%和22.19%，均大于杉木林（27.16%、21.23%、19.19%和19.99%），分別是杉木林的1.445、1.357、1.222和1.110倍；各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤毛管持水率（重量%）分別為51.41%、41.30%、34.97%和36.74%，均大于杉木林（40.34%、33.91%、31.70%和34.05%），分別是杉木林的1.275、1.218、1.103和1.079倍；各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤飽和貯水量分別為62.60mm、55.14mm、108.97mm和103.26mm，均大于杉木林（56.34mm、51.41mm、99.60mm和97.82mm），分別是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍；各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤排水能力分別為29.73mm、28.94mm、57.35mm和53.39mm，均大于杉木林（29.44mm、27.47mm、53.14mm和47.36mm），分別是杉木林的1.010、1.054、1.079和1.127倍。

3.3.4 土壤滲透系數(shù) 土壤滲透系數(shù)是衡量土壤水源涵養(yǎng)能力的一個(gè)特別重要的指標(biāo)，它體現(xiàn)土壤將降下來的雨水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅鞯哪芰?，這對(duì)于順昌坡度較陡、土壤較粘重的山地丘陵土壤尤其重要。雨水落到山地中可分為兩個(gè)途徑：一是形成地表徑流順坡流動(dòng)，對(duì)于缺乏植被和枯枝落葉層保護(hù)的土壤（例如荒地、新造林地）將產(chǎn)生侵蝕作用（面蝕、溝蝕等），如果降雨量較大，則集中的地表徑流不但具有較大的侵蝕力，甚至還能形成山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；二是滲透到土壤深層形成地下徑流，最終匯入小溪河道。從表2可見，次生林各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤滲透系數(shù)（K10）分別為12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，均大于杉木林（7.91mm·min-1、4.76mm·min-1、1.67mm·min-1和0.54mm·min-1），分別是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。由此可知，土壤滲透系數(shù)是次生林與杉木林差異最大的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，也是衡量土壤水源涵養(yǎng)能力最重要的指標(biāo)。

3.3.5 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析 對(duì)表層（0～10cm）土壤的各物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩相關(guān)系數(shù)的計(jì)算（由于飽和貯水量是由總孔隙度乘以土層厚度直接計(jì)算出來的，因此不參與相關(guān)分析），計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可見，土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間多數(shù)具有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤容重與毛管孔隙度和土壤排水能力無顯著相關(guān)，與總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率、土壤通氣度和滲透系數(shù)都有極顯著的負(fù)相關(guān)（P[<]0.01）。土壤總孔隙度與非毛管孔隙度、土壤排水能力相關(guān)不顯著，與其余的指標(biāo)有極顯著相關(guān)（P[<]0.01）。土壤非毛管孔隙度僅與容重呈顯著負(fù)相關(guān)（P[<]0.05），與最小持水率和最大持水率呈顯著正相關(guān)（P[<]<0.05）。土壤毛管孔隙度僅與總孔隙度和毛管持水率呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01），與土壤通氣度呈顯著正相關(guān)（P<[<]0.05）。最小和最大持水率互為極顯著正相關(guān)關(guān)系（P[<]0.01），它們均與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P[<]0.01），與總孔隙度、毛管持水率、土壤通氣度、滲透系數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01），與非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)（P[<]0.05）。毛管持水率與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P[<]0.01），與總孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、土壤通氣度和滲透系數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01）。

土壤通氣度與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P[<]0.01），與總孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和滲透系數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01），與毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)（P[<]0.05）。

土壤排水能力與其他指標(biāo)均無顯著相關(guān)關(guān)系。

土壤滲透系數(shù)與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P[<]0.01），與總孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和土壤通氣度呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01）。

4 小結(jié)與討論

土壤是森林水源涵養(yǎng)功能的主體，根據(jù)前人的研究，土壤（0～40cm）的飽和貯水量占森林總的飽和貯水量的97%以上[6-8]，而地上部分的喬木層、灌木層、草本層和枯枝落葉層飽和貯水量的總和還不到林分總的飽和貯水量的3%，因此不同森林類型的水源涵養(yǎng)能力的差異主要體現(xiàn)在土壤物理性質(zhì)的差異上。

對(duì)福建順昌埔上國有林場(chǎng)的常綠闊葉次生林和杉木人工林的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

土壤容重均隨著土層深度的增加而逐漸增加。次生林土壤各層次土壤物理性質(zhì)好于杉木林，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層的容重平均值分別為：0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，僅分別為杉木林的0.840、0.824、0.916和0.885倍。

土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均隨土層深度的增加而降低，而毛管孔隙度隨土層深度的增加變化規(guī)律不明顯。次生林土壤各層次土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度、最大持水率（重量%）、最小持水率、毛管持水率（重量%）、飽和貯水量、土壤排水能力均高于杉木林，其中非毛管孔隙度與杉木林的差異較大，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層非毛管孔隙度分別為杉木林的1.208、1.317、1.385和1.767倍。

土壤滲透系數(shù)是衡量土壤水源涵養(yǎng)能力最關(guān)鍵的指標(biāo)，也是次生林與杉木林差異最大的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，次生林各層次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土層）土壤滲透系數(shù)（K10）分別為12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，均大于杉木林（7.91mm·min-1、4.76mm·min-1、1.67mm·min-1和0.54mm·min-1），分別是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。

土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間多數(shù)具有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中土壤容重與毛管孔隙度和土壤排水能力無顯著相關(guān)，與總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率、土壤通氣度和滲透系數(shù)都有極顯著的負(fù)相關(guān)（P[<]0.01），土壤滲透系數(shù)與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P[<]0.01），與總孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和土壤通氣度呈極顯著正相關(guān)（P[<]0.01）。

次生林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于杉木人工林，這可能與次生林樹種豐富、植物多樣性指數(shù)高、凋落物產(chǎn)量和細(xì)根生物量高有關(guān)。

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（責(zé)編：張宏民）