雷公山自然保護區(qū)森林土壤的持水性能及其海拔響應(yīng)

姜霞　吳鵬　郭金鵬　崔迎春　謝濤

摘要：以貴州雷公山國家級自然保護區(qū)不同海拔的森林土壤為研究對象，通過對不同海拔和土層森林土壤持水性能的測定分析，研究土壤持水性能的垂直地帶性。結(jié)果表明，（1）在0～80 cm土層，不同海拔森林土壤的容重為 0.489 0～1.242 0 g/cm3，且隨著土壤深度的增加而增大，土壤表層容重的變化幅度大于深層土壤;隨著海拔的升高，土壤容重呈波狀下降趨勢。（2）在0～80 cm土層，不同海拔森林土壤的總孔隙度為52%～75%，毛管孔隙度為 44%～65%，非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度整體上隨著土壤深度的增加而減小，非毛管孔隙度在不同土層的變化規(guī)律不明顯;隨著海拔的升高，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈波狀上升的趨勢。（3）在0～80 cm 土層，不同海拔森林土壤的最大持水量為42%～154%，土壤毛管持水量為39%～126%，土壤最小持水量為35%～114%，土壤貯水能力為74.7～265.3 t/hm2;土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量整體上隨著土壤深度的增加而減小，土壤的貯水能力在不同土層的變化規(guī)律不明顯;隨著海拔升高，土壤的貯水能力、土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量呈波狀上升趨勢。

關(guān)鍵詞：持水性能;土壤物理性質(zhì);海拔;雷公山

中圖分類號： S718.51+6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0273-05

森林土壤是森林植被生長發(fā)育的重要載體，其土壤性質(zhì)受海拔、母質(zhì)和植被條件等多種因素的影響[1]，特別是山地土壤的差異體現(xiàn)在隨海拔梯度變化引起的溫度、濕度、植被類型、土壤類型等要素的顯著改變[2]。土壤水分的物理性質(zhì)是影響林木生長發(fā)育的重要因素，是反映土壤肥力的重要指標，會直接或間接影響土壤的通氣透水、蓄水抗旱、保肥性能和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，是土壤生態(tài)環(huán)境研究的重要內(nèi)容，也是評價土壤質(zhì)量的重要指標，對林木的生長有較大影響[3]。土壤的持水性能主要取決于土壤孔隙的數(shù)量和大小組成，它們決定著土壤動態(tài)蓄水的有效空間。有關(guān)森林土壤持水性能的研究，主要在不同森林類型[4-5]、不同利用方式之間進行比較[6-7]，而關(guān)于土壤的持水性能對海拔的響應(yīng)的研究較少。

海拔是較為重要的山地地形因子之一，由于海拔不同，氣候特征、林分類型和土壤類型發(fā)生改變，影響土壤成土因素，導(dǎo)致土壤持水性能在不同海拔范圍內(nèi)具有明顯差異[8-9]。隨海拔梯度增加，氣候變得濕冷，土壤的水熱條件和植被均發(fā)生變化，所以山地土壤的分布和形成過程與海拔的變化有密切關(guān)系[10]。雷公山位于貴州省東南部，正處于長江水系與珠江水系極為明顯的分水嶺高地，森林植物區(qū)系豐富，地帶性植被屬中亞熱帶東部偏濕性常綠闊葉林，而雷公山山體高大，最高峰海拔為2 178.8 m，相對高差在1 500 m以上，植被有明顯的垂直分布規(guī)律，隨著海拔的升高，植被類型分別為以栲、木蓮為主的常綠闊葉林，以水青岡、長梗木蓮為主的山地常綠落葉闊葉混交林，以櫻、白辛樹為主的落葉闊葉林，以杜鵑、箭竹為主的灌叢[11]，適于開展土壤持水性能垂直地帶性研究。目前，對雷公山的研究主要集中在外來植物[12]、常綠落葉闊葉混交林碳素積累[13]等方面。為此，本研究分析了雷公山不同海拔的土壤持水性能，探討其土壤層次分布規(guī)律和隨海拔梯度的變化規(guī)律，有助于合理利用森林，提高土壤的保水通氣能力，從而為系統(tǒng)闡明森林土壤的生態(tài)功能與特征，并為雷公山生態(tài)保護與利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雷公山國家級自然保護區(qū)地處貴州省東南部，地跨 108°5′～108°24′E，26°15′～26°32′N，總面積為47 792 hm2，雷公山是貴州苗嶺山脈東段主峰，最高峰海拔為2 178.8 m，屬于中亞熱帶季風山地濕潤氣候區(qū)，具有冬無嚴寒、夏無酷暑、雨量充沛的氣候特點，年平均氣溫直降率為0.46 ℃/100 m，年均降水量為1 300～1 600 mm，森林覆蓋率為88.79%。最冷月（1月）山頂、山麓的平均氣溫分別為-0.8、4～6 ℃，最熱月（7月）山頂、山麓的平均氣溫分別為17.6、23.0～25.5 ℃，山頂、山麓的年平均溫度分別為9.2、14.7～16.3 ℃，年降水量在 1 300～1 600 mm之間。雷公山森林植物區(qū)系豐富，共有 1 390 種，分屬于273科679屬，常綠落葉闊葉混交林中落葉樹種以水青岡（Fagus longipetiolata）、亮葉水青岡（Fagus lucida）、多脈青岡（Cyclobalanopsis multinervis）、白辛樹（Pterostyrax psilophyllus）等為主，常綠樹種以栲（Castanopsis fargesii）、石櫟（Lithocarpus glaber）、木蓮（Manglietia fordiana）、木荷（Schima superba）等為主。林下灌木主要有狹葉方竹（Chimonobambusa angustifolia）、柃木（Eurya japonica）、圓錐繡球（Hydrangea paniculata）等。林下草本有樓梯草（Elatostema umbellatum）、矮冷水花（Pilea peploides）、禾本科（Poaceae）、莎草科（Cyperaceae）、菊科（Asteraceae）及蕨類（Pteridophyta）植物等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 本研究于2015年10月在全面踏查的基礎(chǔ)上，在不同海拔選擇林相相對整齊、立地條件相對一致的代表性地段設(shè)置了10塊樣地，樣地面積為20 m×30 m。為了減少樣地間的空間異質(zhì)性，在每個梯度上選擇坡向、坡度及小地形類似的樣地。在每個樣地的對角線上設(shè)置3個 5 m×5 m的灌木小樣方、3個1 m×1 m草本和枯落物層小樣方，調(diào)查樣地內(nèi)喬木樹種（胸徑≥2 cm）的種類、胸徑和樹高，以及灌、草種類與蓋度等，樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集及處理 分別在各樣地內(nèi)隨機按“品”字形挖掘3個土壤剖面，共計30個。按土壤發(fā)生層次，采用體積為100 cm3的環(huán)刀（高5 cm，直徑5 cm）分別取0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層的原狀土樣，用環(huán)刀法測定土壤容重和孔隙度等物理指標，并計算土壤的最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤貯水量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（ANOVA），以檢驗不同海拔土壤物理性質(zhì)的差異顯著性，用Duncans法進行多重比較（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔對土壤容重的影響

土壤容重是土壤最基本的物理性質(zhì)指標之一，綜合反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力。由圖1可知，沿海拔梯度變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區(qū)森林的土壤容重為0.489 0～1.242 0 g/cm3;在不同海拔梯度上，土壤容重在0～80 cm土層隨著海拔的增加呈波狀下降趨勢，0～80 cm土層最大值出現(xiàn)在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均容重為 1.043 8 g/cm3，最小值出現(xiàn)在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均容重為0.663 6 g/cm3。不同海拔的森林土壤容重呈現(xiàn)這種變化趨勢，可能由于海拔為2 170 m的高山灌叢下枯枝落葉層較厚，人為干擾較少，從而有效改善了土壤容重。由圖1可知，同一土層的土壤容重在部分海拔間有明顯差異，且土壤容重隨著土壤深度的增加而增大，表現(xiàn)為0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm，4個土層在不同海拔下的土壤容重分別為0.48～0.89、0.57～0.95、0.74～1.23、0.77～1.24 g/cm3，且0～20 cm到20～40 cm土層的土壤容重增加幅度最大，為19.2%，隨著土層的加深，土壤容重增加幅度變化不大，60～80 cm土層的土壤容重較40～60 cm土層的增加幅度為10.7%。

2.2 海拔對孔隙度狀況的影響

2.2.1 海拔對土壤總孔隙度的影響 由圖2可知，沿海拔梯度變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤總孔隙度為52%～75%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢，最大值基本出現(xiàn)在海拔為2 170 m的高山灌叢下，土壤平均總孔隙度為69.7%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均總孔隙度為56.3%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤總孔隙度是海拔為700 m的常綠闊葉林的1.24倍。

由圖2還可以看出，在不同海拔梯度上，雷公山自然保護區(qū)土壤總孔隙度在同一土層差異明顯，不同海拔的土壤總孔隙度整體上隨著土壤深度的增加而減小，與土壤容重的變化趨勢相反， 表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～

80 cm。4個土層在不同海拔下的土壤總孔隙度分別為 58%～75%、58%～74%、55%～70%、52%～60%。

2.2.2 海拔對土壤毛管孔隙度的影響 由圖3可知，隨海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤的毛管孔隙度為44%～65%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。最大值在為海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均毛管孔隙度為61.5%;最小值在海拔為850 m的常綠闊葉林，土壤平均毛管孔隙度為50.2%;海拔為2 170 m的高山灌叢的土壤毛管孔隙度是海拔為850 m的常綠闊葉林的1.22倍。由圖3還可看出，在不同海拔梯度上，雷公山自然保護區(qū)土壤毛管孔隙度在同一土層差異明顯，除海拔為 2 170、2 000、1 800、1 400、700 m的土壤毛管孔隙度隨著土壤深度的增加呈先上升后下降的趨勢外，其他海拔下的土壤毛管孔隙度隨土壤深度的增加變化趨勢不一致。

2.2.3 海拔對土壤非毛管孔隙度的影響 由圖4可知，隨著海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，隨著海拔的升高呈波動上升趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均非毛管孔隙度為8.3%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均非毛管孔隙度為3.9%。從土層變化上看，土壤非毛管孔隙度無明顯變化規(guī)律。

2.3 海拔對土壤持水特征的影響

由圖5可以看出，隨著海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區(qū)的森林土壤最大持水量為42%～154%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤的平均最大持水量為114%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤的平均最大持水量為58%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤的最大持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的195倍。0～80 cm土壤毛管持水量為39%～126%，隨著海拔的升高呈波動上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均毛管持水量為99%;0～80 cm 土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均毛管持水量為53%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤毛管持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的1.86倍。0～80 cm土壤最小持水量為35%～114%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在為海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均最小持水量為92%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均最小持水量為45%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤最小持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的2.02倍。在0～80 cm土層，雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤的貯水能力（t/hm2）為74.7～265.3 t/hm2，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤貯水能力為 165.3 t/hm2;0～80 cm土層最小值在海拔為1 000 m的針闊混交林，土壤貯水能力為97.0 t/hm2;海拔為2 170 m的高山灌叢的土壤最小持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的170倍。

從土壤剖面看，雷公山自然保護區(qū)在不同海拔梯度上的最大持水量、毛管持水量和最小持水量在同一土層差異明顯，不同海拔的森林土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均隨著土層深度的增加而降低。在不同海拔梯度上，土壤貯水能力在同一土層差異明顯，但土壤貯水能力在不同土層間的變化規(guī)律不明顯。

2.4 土壤持水性能與物理性質(zhì)的相關(guān)性

土壤的物理指標包括土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等，它們均會影響土壤的持水性能。將土壤主要物理指標與持水性能進行簡單的相關(guān)分析（表2），可以看出，土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量和貯水能力都與土壤容重呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.887、-0.884、-0.861、-0.572。貯水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙狀況，土壤非毛管孔隙度越大，土壤的貯水能力越好，土壤的持水能力越強。

3 結(jié)論與討論

隨著海拔梯度的變化， 雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤的持水性能的變化差異明顯。由于受到多種因素的影響，不同海拔梯度下的土壤容重、孔隙度、持水量等都表現(xiàn)出比較復(fù)雜的變化。土壤容重不僅是土壤物理性質(zhì)最重要的指標之一，也是土壤緊實度的敏感性指標。土壤容重愈小，表明土壤疏松，孔隙多，土壤的透水性和通氣性較好;反之，土壤容重愈大，則表明土壤板結(jié)，空隙少[14-15]。雷公山國家級自然保護區(qū)不同海拔下的森林土壤容重為0.489 0～1.242 0 g/cm3，隨著土壤深度的增加而增大，表層土壤容重的變化幅度大于深層土壤，這與前人的研究結(jié)果[4]相似。推測其原因，可能是受土壤表層凋落物的影響，有機質(zhì)也主要集中在表層。隨著海拔的升高，雷公山森林土壤容重呈波狀下降趨勢。最大值出現(xiàn)在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均容重為 1.043 8 g/cm3;最小值出現(xiàn)在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均容重為0.663 6 g/cm3。說明隨著海拔的增加，土壤通氣透水性有所改善，這主要由于隨著海拔升高，溫度逐漸降低，構(gòu)成植被的植物種類闊葉類成分減少，針葉類成分增多，使得凋落物的持水性降低。

林地涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)地表徑流的作用主要取決于土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、質(zhì)地，也取決于孔隙度的大小和性質(zhì)[16]。土壤孔隙度大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，與持水性都是表征土壤肥力的重要指標，對林木根系伸展、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤排水、通氣等都會產(chǎn)生直接影響[17]。雷公山國家級自然保護區(qū)不同海拔下的森林土壤總孔隙度為52%～75%，毛管孔隙度為44%～65%，非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度整體上隨著土壤深度增加而減小，但非毛管孔隙度無明顯的變化規(guī)律;隨著海拔升高，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈波狀上升趨勢?？偪紫抖容^大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，平均為69.7%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，平均為56.3%。毛管孔隙度較大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，平均為61.5%;較小值在海拔為850 m的常綠闊葉林，平均為50.2%。較大值在海拔為 2 170 m 的高山灌叢的土壤平均非毛管孔隙度為8.3%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林的土壤平均非毛管孔隙度為3.9%。在不同海拔下，雷公山國家級自然保護區(qū)森林土壤孔隙度與容重呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.741～-0.572，即容重越大，土壤的毛管孔隙度越小，土壤越緊實，透氣性越差，土壤水分、養(yǎng)分運輸速率越低，土壤微生物活動較少。

土壤孔隙度越大，意味著土壤潛在涵養(yǎng)水源的能力越強，非毛管孔隙對土壤的水分涵養(yǎng)能力貢獻較大[18]。雷公山國家級自然保護區(qū)不同海拔森林土壤最大持水量為42%～154%，土壤毛管持水量為39%～126%，土壤最小持水量為35%～114%，土壤貯水能力為74.7～265.3 t/hm2;土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量整體上隨著土壤深度增加而減小，土壤貯水能力在不同土層的變化規(guī)律不明顯。隨著海拔的升高，土壤貯水能力、土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量呈波動上升趨勢，較大值在海拔為2 170 m的高山灌叢。這與田月亮等對浙江省鳳陽山在海拔為300～1 355 m 范圍內(nèi)土壤持水性能的研究結(jié)果[19]一致，都是隨著海拔升高，土壤容重平均值逐漸減小，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤貯水量平均值均增大。此外研究表明，高海拔地區(qū)土壤中樹根、半風化巖石和動物活動等造成的非毛管孔隙較多，蓄水能力較強。

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