雅長蘭科植物自然保護區(qū)典型森林類型土壤理化性質(zhì)研究

黃蘚茹 韋 思 李承東 朱濟友 覃國銘

(1. 廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西 來賓 546100；2. 北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100089；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520)

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要載體，與林分正常生長密切相關(guān)[1-2]。研究不同林分類型土壤理化性質(zhì)，闡明其樹種類型與森林土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系，對林地質(zhì)量維護和促進林木生長具有重要意義。

近年來，森林土壤理化性質(zhì)研究內(nèi)容主要集中在不同海拔梯度間[3-5]、群落次生演替中[6-7]的對比上，針對不同森林類型間土壤理化性質(zhì)的研究相對較少，而且該類研究主要集中在長白山地區(qū)[8-9]、秦嶺地區(qū)[10]、太岳山地區(qū)[11]及華南喀斯特石漠化地區(qū)[12]等區(qū)域，對蘭科 (Orchidaceae) 自然保護區(qū)不同功能區(qū)土壤理化性質(zhì)的對比研究未見報道。廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)是中國建立的首個蘭科植物自然保護區(qū)，不僅發(fā)揮著重要的經(jīng)濟效益，而且承擔著水土保持、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能。近年來，該地區(qū)研究主要集中在物種多樣性[12]、氣候分布[13]等方面，對不同森林類型土壤理化性質(zhì)缺乏深入研究?；诖?，本研究以保護區(qū)3個功能區(qū)典型森林類型的土壤為研究對象，比較土壤理化性質(zhì)在不同森林類型間的差異及空間分布特征，以期為保護區(qū)土壤和物種資源的保護與發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為廣西雅長蘭科國家級自然保護區(qū)，占地面積22 062 hm2，年平均氣溫16.3 ℃，年均降水量1 051.7 mm。地貌以中低山為主，土壤類型主要有褐紅土、紅壤和黃壤。林區(qū)內(nèi)分布有國家級保護價值的蘭科植物種類，是國家級動植物種質(zhì)基因庫，具有較高的保護和研究價值。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

2016年12月，在保護區(qū)3種典型群落類型：位于緩沖區(qū)的細葉云南松 (Pinusyunnanensisvar.tenuifolia) 純林 (T1)、位于實驗區(qū)的細葉云南松-櫟類混交林 (T2)、位于核心區(qū)的細葉云南松-櫟類-鐵堅油杉 (Keteleeriadavidiana) 混交林 (T3) 中，選取地形、地貌、坡度、坡向等基本一致的3個1 hm2固定大樣地，每個固定樣地劃分10 m × 10 m的小樣方挖掘剖面90個。用土壤取樣器和環(huán)刀分3個重復(fù)自下而上取0～10 cm、10～20 cm土樣，混勻裝袋貼標簽帶回實驗室進行土壤理化性質(zhì)測定。

2.2 土壤理化指標測定方法

土壤物理性質(zhì)采用環(huán)刀法，pH采用酸度計法測定。有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；全氮、全磷、全鉀含量采用流動分析儀法測定；水解氮含量采用堿解擴散法測定；速效鉀含量采用原子分光光度計法測定；速效磷含量采用鹽酸氟化銨-鉬銻抗比色法測定[14]。

2.3 分析方法

利用Exel 2016進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS進行單因素方差分析和Duncan多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型土壤物理性質(zhì)

不同森林類型土壤物理指標測定結(jié)果見表1。

表1 不同森林類型容重及孔隙度Table 1 Bulk density and porosity of different forest types

3.1.1不同森林類型土壤容重

土壤容重對土壤蓄水和通氣性有著直接的作用，同時間接影響土壤肥力及林木生長[15]。由表1可知，保護區(qū)中不同森林類型土壤容重存在顯著差異 (P< 0.05)，容重大小表現(xiàn)為T1 > T2 > T3，且均隨土層深度的增加而增大。其中，0～10 cm土層容重變化范圍為1.54～1.92 g/cm3；10～20 cm土層為1.68～2.19 g/cm3。

3.1.2不同森林類型土壤孔隙度

土壤孔隙是影響土壤與外部空間物質(zhì)交流及根系伸展的直接因素[15-16]。由表1可知，不同林地類型土壤孔隙度存在一定差異，土壤總孔隙度和毛管孔隙度大小表現(xiàn)為T2 > T3 > T1。保護區(qū)內(nèi)土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均值分別為46.51%、38.55%、7.96%，均呈自上而下減小的規(guī)律，這說明林地表層枯落物分解后增加了腐殖質(zhì)的含量，有利于表層土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。

3.2 不同森林類型土壤化學(xué)性質(zhì)分析

3.2.1不同森林類型土壤pH

由表2可知，保護區(qū)土壤pH范圍為4.50～6.56，呈酸性土壤，各土層間差異均未達到顯著水平。不同林分類型間pH大小表現(xiàn)為T3 > T2 > T1，其中T2、T3與T1存在顯著差異 (P< 0.05)，T2、T3差異不顯著。林區(qū)內(nèi)土壤總體上在酸性范圍， T2、T3呈微酸性，而T1土壤呈酸性，這可能是針葉樹種對土壤酸化作用所致，因此針闊混交更利于土壤酸堿度的調(diào)節(jié)。

表2 不同森林類型土壤pHTable 2 Soil pH of different forest types

3.2.2不同森林類型土壤有機質(zhì)含量

由表3可知，不同森林類型土壤有機質(zhì)含量呈自上而下遞減的變化規(guī)律，針闊混交林土壤有機質(zhì)明顯大于針葉純林，0～10 cm土壤有機質(zhì)含量大小表現(xiàn)為T2 > T3 > T1，T2、T3的土壤有機質(zhì)含量與T1的差異顯著 (P< 0.05)，分別比T1的高68.6%、39.2%；10～20 cm土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為T3 > T2 > T1，T2、T3的土壤有機質(zhì)含量與T1的差異顯著 (P< 0.05)，分別比T1的高53.1%、32.4%。這可能是T2、T3林分樹種豐富、根系在該層分布較多所致。可見，不同林地類型對土壤有機質(zhì)狀況影響較大，針闊混交林中物種比較豐富，枯落物量較大，能較好地促進土壤有機質(zhì)的增加，而針葉純林物種相對比較單一，枯落物量較少，土壤有機質(zhì)供應(yīng)較少。

表3 不同森林類型土壤有機質(zhì)含量Table 3 Soil organic matter content of different forest types

3.2.3不同森林類型土壤N含量

由表4可知，各林分類型土壤全氮含量表現(xiàn)為混交林大于純林，且養(yǎng)分含量隨土層深度的增大而逐漸下降。不同森林類型土壤N素含量差異顯著 (P< 0.05)，大小表現(xiàn)為T2 > T3 > T1。在0～10 cm、10～20 cm土壤全N含量T2分別比T1高71.6%、75.3%；T2在0～10 cm、10～20 cm層土壤水解N含量比T1分別高出28.2%、21.6%，T3也顯著高于T1，而T2、T3間差異不顯著。顯然，針闊混交林土壤N素相對針葉純林的高，尤其體現(xiàn)在表土層，表明森林土壤表層更易受到外界的影響。整體來看，土壤全N在0.6 g/kg以上，水解N含量在240 mg/kg以上，土壤氮素養(yǎng)分處于中高等級[17]，這表明保護區(qū)內(nèi)土壤氮素供應(yīng)充足。

表4 不同森林類型土壤N含量Table 4 Soil N content of different forest types

3.2.4不同森林類型土壤P含量

由表5可知，3種林分類型土壤磷素含量均表現(xiàn)出上層大于下層的“表聚”規(guī)律，與氮素含量趨勢一致，在不同林分類型表現(xiàn)為T2 > T3 > T1，且T2和T3顯著大于T1 (P< 0.05)，T2、T3間差異不顯著。蘭科自然保護區(qū)土壤在0～20 cm全P含量為0.32～1.36 g/kg，速效P含量為1.21～6.82 mg/kg，總體上顯示土壤磷素含量處于中等水平，而速效P含量相對偏低[18]。3種森林土壤的養(yǎng)分差異，究其原因可能是針闊混交林的葉面積、葉干物質(zhì)含量及物種豐富度遠大于針葉純林，導(dǎo)致前者凋落物量、落葉量及細根生物量顯著高于后者，更有利于養(yǎng)分歸還和肥力恢復(fù)與維持。

表5 不同森林類型土壤P含量Table 5 Soil P content of different forest types

3.2.5不同森林類型土壤K含量

由表6可知，土壤K素含量整體表現(xiàn)為T2 > T3 > T1，均呈現(xiàn)上層大于下層的垂直空間變化，且各土層T2與T1、T3均存在顯著差異 (P< 0.05)。土壤速效鉀是土壤鉀素能被植物直接吸收與利用的現(xiàn)實供應(yīng)指標，就植物生長而言，土壤中鉀素是否充足主要取決于土壤的速效鉀水平。0～20 cm全鉀含量為2.40～9.10 g/kg；速效鉀含量為33.73～132.14 mg/kg，總體上顯示蘭科自然保護區(qū)土壤鉀元素供應(yīng)比較充足。

表6 不同森林類型土壤K含量Table 6 Soil K content of different forest types

4 結(jié)論與討論

雅長蘭科國家級自然保護區(qū)土壤具有疏松、透氣性能好的特點。3種林地土壤物理指標均隨著土層深度的增加逐漸減小，表明雅長蘭科植物保護區(qū)的土壤具有疏松、透氣性能好的特點，其中以位于實驗區(qū)的T2林地最高，位于核心區(qū)的T3林地次之，位于緩沖區(qū)的T1林地最低。土壤容重隨著土層深度的增加而加大，其中以T1的最大，土壤容重越高通常表明土壤有退化的趨勢[19]，由于細葉云南松純林位于緩沖區(qū)，農(nóng)民的開墾種植、放牧、撿拾林下枯木或游客的游覽等人為頻繁干擾破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu)，使土壤易于侵蝕，土壤容重增加。

保護區(qū)內(nèi)土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等主要養(yǎng)分極為豐富，其中針闊混交林則具有更好的土壤性能，對土壤肥力維持及水土保持具有重要作用。研究結(jié)果表明，針闊混交林為弱酸性，針葉純林酸性強度相對較大。一方面可能是針葉樹種特殊的樹脂對土壤的酸化作用，凋落物分解緩慢，減少了土壤有機質(zhì)輸入量，導(dǎo)致土壤中有效養(yǎng)分較低[19-20]；另一方面可能是3種林型樹種組成不同，針葉純林凋落物量低、根系分布較淺、林分密度及蓋度相對較低，且波動較大，造成吸收和歸還量之間不平衡，容易引起土壤養(yǎng)分虧缺[21]。因此，營造針闊混交林更有助于調(diào)節(jié)土壤酸堿性、改善養(yǎng)分狀況，維持在蘭花最佳生長環(huán)境范圍。

土壤中營養(yǎng)元素具有明顯的表聚效應(yīng)[22-23]，以T2的森林土壤肥力最高。不同林分土壤的理化性質(zhì)差異明顯，表明不同森林類型在土壤養(yǎng)分的積累、貯存和轉(zhuǎn)化等方面差異顯著，尤其對土壤表層的影響最為明顯。導(dǎo)致肥力差距的原因，可能是由于位于實驗區(qū)的T2林區(qū)在建立保護區(qū)之前曾有過較頻繁的農(nóng)耕活動，該區(qū)域土層深厚疏松、肥力較高；T3雖位于核心區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾的影響較小，但主要分布在海拔較高、地勢較陡的區(qū)域，土層相對淺??；而位于緩沖區(qū)的T1位于兩者的過渡，土壤肥力及營養(yǎng)含量卻并非處于兩者之間，說明針闊混交林更有利于產(chǎn)生凋落物量[24]及細根生物量[25]，調(diào)節(jié)土壤狀況，對林下野生蘭花的生長具有重要的促進作用。