田月亮，張金池，李海東，莊加堯，葉立新，劉勝龍

（1.南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院，江蘇 南京210037；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京210042；3.鳳陽山自然保護區(qū)，浙江 龍泉323700）

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，不同林分類型由于其樹種生物學特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，其林分的水源涵養(yǎng)效應(yīng)存在一定的差異［1－3］。森林土壤是森林發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的主要場所［4］。森林土壤層的水文生態(tài)效應(yīng)常因森林土壤類型的不同而不同，而土壤的物理性質(zhì)對土壤層的水文生態(tài)效應(yīng)具有極其顯著的影響［4－7］。由于水土流失比較嚴重，近年來，土壤水分物理性質(zhì)的研究成為熱點問題［8］。有關(guān)森林土壤水分物理性質(zhì)的研究，常見于不同林分類型之間比較［2－9］，而對于海拔與林分類型土壤物理之間關(guān)系研究較少。通過對不同海拔林地土壤水分物理性質(zhì)的研究，有助于合理利用森林，提高土壤保水通氣的能力，為系統(tǒng)闡明森林土壤生態(tài)功能與特征，進一步研究該地區(qū)典型植被類型的水文機理以及正確評價流域的水文生態(tài)效益提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鳳陽山位于浙江省龍泉市南部，地理坐標為北緯27°46′—27°58′，東經(jīng)119°06′—119°15′。屬于中亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，同時受季風影響明顯。年均氣溫17～21℃，最熱月均溫在28℃左右，最冷月為6～13℃，年降雨量2 438mm，年蒸發(fā)量1 171mm，活動積溫約6 500℃，無霜期275d。天然植被以常綠闊葉林和針葉林為主，植被類型和區(qū)系成分復雜。主要植物種有木荷（Schima superba Gardn），馬尾松（Pinus massoniana Lamb），杉 木 （Cunninghamia Lanceolata），柳杉（Cryptomeria fortunei），短柄枹（Quercus glandulifera），光皮樺（Betula luminifera），苦楝（Melia azedarach Linn），黃山松（Pinus taiwanensis Hayata），秀 麗 四 照 花 （Cornus ele－gans），多 脈 青 岡 （Cyclobalanopsis multinervis Cheng），水絲梨（Sycopsis），黃山木蘭（Magnolia cylindrica Wils），板栗（Castanea mollissima）等。

2 研究方法

2011年8—9月，在海拔300～1 500m高程范圍內(nèi)選取4種具有代表性的林分類型，利用羅盤儀設(shè)置7塊20m×60m的永久樣地，其中常綠針闊混交林4塊、常綠闊葉混交林1塊、人工杉木林1塊和人工柳杉林1塊（表1）。在各樣地進行每木檢尺，調(diào)查胸徑≥5cm以上喬木的樹種組成、林分密度、高度、胸徑等，并對林下植被進行生物學調(diào)查。

在每個樣地的中下坡地段分別挖掘3個土壤剖面，共計21個。按土壤發(fā)生層次，采用容積100cm3的環(huán)刀分別取0—20，20—40和40—60cm原狀土樣，同時用鋁盒取土，每層3個重復。通過環(huán)刀法測定土壤容重、質(zhì)量濕度、孔隙度、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性質(zhì)［4］，用烘干法測定土壤含水量。根據(jù)《森林土壤水分物理性質(zhì)測定標準》測定不同樣地的土壤最大持水量（mm）、毛管持水量（mm）、最小持水量（mm）［5］。并用以下公式計算土壤持水量、排水能力和土壤土壤貯水量：

表1 不同林分類型各調(diào)查樣地的基本情況

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重與海拔高度的關(guān)系

由圖1可見，不同海拔和林分類型的土壤容重均隨著土壤深度的增加而增大。不同海拔林地土壤容重為0.66～1.22g／cm3，其中海拔300m各層土壤容重均最大，不同海拔針闊混交林林地土壤容重的平均值分 別 為 海 拔 300m （1.10g／cm3）＞600m（1.02g／cm3）＞900m（0.85g／cm3）＞1 355m（0.76g／cm3）。就土壤容重的海拔梯度變化而言，不同深度土壤容重均隨著海拔升高而減小。不同海拔林地土壤容重呈現(xiàn)這種變化趨勢，這與人為活動和形成天然林樹種搭配有關(guān)。海拔300m針闊混交林形成的林齡40，50a，根系較大，樹種為3種，地表草本層稀少。

長期以來人們?nèi)〔窦安忍ぴ斐赏寥谰o實，樹種單一形成的苦枝落葉更不能有效地改善土壤。海拔1 355m針闊混交林樹種較多，形成的枯枝落葉層較厚，地表草本植物較多，人為干擾較少，長期以來林分有效地改善了土壤容重。

圖1 土壤容重與海拔高度和林分類型的變化

同一海拔4種林分類型土壤容重最大值1.08g／cm3，最小值0.575g／cm3（圖1b）。其中，不同林分類型0—60cm土壤容重的平均值表現(xiàn)為：人工杉木林（0.91g／cm3）＞針闊混交林（0.76g／cm3）＞人工柳杉林（0.74g／cm3）＞常綠闊葉混交林（0.68g／cm3），人工杉木林土壤容重均值是常綠闊葉混交林的1.36倍。呈現(xiàn)這種規(guī)律主要與林分類型樹種搭配，樹種多少，形成林分年齡及林下草灌密度相關(guān)，人工杉木林林齡20～30a時，樹種比較單一，地面草本植物及灌木較少，影響土壤孔隙度。土壤容重較大；人工柳杉林林齡較長，形成的枯枝落葉層較厚，經(jīng)過長期的自然分解改變了土壤的理化性質(zhì)，土壤容重較小。常綠闊葉混交林樹種較多，地面覆蓋度較大，草本及灌木較多，相對土壤容重最小。

3.2 土壤孔隙度與海拔高度關(guān)系

同種林分類型不同海拔林地土壤總孔隙度值在41.13%～67.62%；土壤總孔隙度平均值表現(xiàn)為：海拔1 355m（63.87%）＞900m（63.26%）＞600m（55.75%）＞300m（43.90%），海拔1 355m 土壤總孔隙度平均值為海拔300m的1.45倍（表2）。土壤毛管孔隙度平均值表現(xiàn)為：海拔1 355m（52.21%）＞900m（41.46%）＞600m（38.58%）＞300m（33.66%），海拔1 355m土壤毛管孔隙度平均值為海拔300m的1.53倍。隨著土層深度增加總孔隙度與毛管孔隙度逐漸減?。环敲芸紫抖葘哟沃g無規(guī)律變化；非毛管孔隙與總孔隙度的比值，在0—60cm的平均值來看，針闊混交林表現(xiàn)為：海拔900m（0.35）＞ 600m（0.30）＞300m（0.23）＞1 355m（0.18）。一般認為，土壤中大小孔隙同時存在，若總孔隙度在50%左右，毛管與非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1時，透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)［6－10］。若非毛管孔隙度在6%～10%時，林木生長一般；在10%～15%時，林木生長中等；大于15%時，林木生長良好［11］。因此說明1 355m針闊混交林土壤透氣性最好，而900m針闊混交林土壤透氣性最差。出現(xiàn)上述結(jié)果主要因為人為干擾土壤容重，與樹種多少，樹齡大小以及坡度密切相關(guān)。海拔1 355m人為干擾較少，形成林分時間較長，樹種較多，草灌及枯枝落葉層密集，海拔900m由于地形、人工采伐及牲畜活動不利于土壤改善、水土保持及水源涵養(yǎng)。

同一海拔4種不同林分類型林地土壤總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸減?。ū?），非毛管孔隙度人工柳杉林逐漸減小，其余林分類型無規(guī)律變化；土壤非毛管孔隙度與總孔隙度比值在0.1～0.39，常綠闊葉混交林與針闊混交林土壤非毛管孔隙度與總孔隙度比值隨著土層深度增加逐漸變大，人工柳杉林變??；4種林分類型土壤總孔隙度平均值：人工柳杉林（83.20%）＞常綠闊葉混交林（76.51%）＞人工杉木林（69.56%）＞針闊混交林（63.92%），人工柳杉林是針闊混交林的1.30倍。毛管孔隙度平均值：人工柳杉林（73.93%）＞常綠闊葉混交林（60.71%）＞人工杉木林（54.60%）＞針闊混交林（52.21%），人工柳杉林是針闊混交林的1.42倍。這與前人研究存在差別［9，12－13］；出現(xiàn)差別 的原因是此地區(qū)人工杉木林地處高海拔，林分無人為干擾，形成枯枝落葉層較厚，土壤總孔隙度和毛管孔隙度較大。非毛管孔隙度平均值：針闊混交林（22.46%）＞常綠闊葉混交林（15.80%）＞人工杉木林（14.96%）＞人工柳杉林（9.28%），針闊混交林是人工柳杉林的2.42倍。呈現(xiàn)這種規(guī)律說明柳杉林要優(yōu)于其他3中林分類型，針闊混交林較差，不利于水源涵養(yǎng)和保持水土。

表2 同種林分類型不同海拔林地土壤孔隙度

表3 同一海拔不同林分類型林地土壤孔隙度

3.3 土壤水文性能與海拔之間的關(guān)系

不同海拔4種林分類型隨著土層深度增加土壤持水量呈下降趨勢（表4），其中，0—20cm土層最大持水量高達107%，毛管持水量高達84.77%，最小持水量達38.79%；土壤最大持水量平均值為：海拔1 355m（89.70%）＞900m（75.81%）＞600m（55.66%）＞300m（40.31%），海拔1 355m 的土壤最大持水量平均值是海拔300m的2.23倍。毛管持水量平均值為：1 355m（71.51%）＞900m（49.36%）＞600m（38.34%）＞300m（30.87%），海拔1 355m毛管持水量平均值是300m的2.28倍。最小持水量平均值為：1 355m（67.39%）＞900m（45.79%）＞600m （35.97%）＞300m（28.62%），海拔1 355m最小持水量平均值是300m的2.35倍。

表4 同種林分類型不同海拔林地土壤水文性能

土壤排水能力平均值為：海拔900m（45.79%）＞600m（37.75%）＞1 355m（27.64%）＞300m（25.15%），海拔900m土壤排水能力平均值是海拔300m的1.82倍。土壤貯水量平均值為：海拔1 355m（70.11mm）＞900m（65.48mm）＞600m（61.79mm）＞300m（44.78mm），海拔1 355mm土壤貯水量平均值為海拔300mm的1.57倍。持水量變化較大的為海拔1 355m針闊混交林，隨著海拔升高在0—60cm土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤貯水量平均值逐漸增加。土壤含水量呈現(xiàn)這種變化與土壤有機質(zhì)、土壤動物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都隨深度而降低有關(guān)［14］。在海拔300m人為干擾林分較大，長期的踩踏使土壤緊實度相對增加，土壤孔隙度減小，進而土壤含水量相對最?。缓０? 355mm組成林分樹種較多，枯枝落葉層較厚，孔隙度大，土壤含水量相對最大。

同一海拔4種林分類型土壤最大持水量隨著深度的增加而逐漸減小（表5）。土壤最大持水量122.72%～47.74%，毛管持水量99.60%～37.54%，最小持水量94.44%～34.62%。最大持水量平均值：人工柳杉林（117.05%）＞常綠闊葉混交林（115.06%）＞針闊混交林（89.70%）＞人工杉木林（80.11%），人工柳杉林是人工杉木林的1.46倍。毛管持水量平均值：人工柳杉林（96.46%）＞常綠闊葉混交林（92.93%）＞針闊混交林（67.39%）＞人工杉木林（62.80%），人工柳杉林是人工杉木林的1.53倍。最小持水量平均值：人工柳杉林（91.56%）＞常綠闊葉混交林（86.78%）＞針闊混交林（67.39%）＞人工杉木林（62.35%），人工柳杉林是人工杉木林的1.47倍。常綠闊葉混交林隨著土層深度增加毛管持水量和最小持水量逐漸增大，其余3種林分類型逐漸減小。4種林分類型土壤方差分析：常綠闊葉混交林最大持水量方差最?。?.33），人工杉木林方差最大（678.67），常綠闊葉混交林各層土壤在0—60cm最大持水量相差最小，人工杉木林最大；說明人工杉木林在各層土壤有明顯差異。

表5 同一海拔不同林分類型林地土壤水文性能

土壤排水能力14.66～59.97mm。隨著土層深度增加常綠闊葉混交林排水能力逐漸減小，土壤貯水量逐漸增大，與前人研究得出的規(guī)律一致［6－12］；針闊混交林排水能力逐漸增大，土壤貯水量也增大，4種林分類型土壤排水能力平均值：常綠闊葉混交林（39.09mm）＞人工杉木林（29.67mm）＞人工柳杉林（27.87mm）＞針闊混交林（27.63mm）；土壤貯水量135.42～54.33mm。土壤貯水量平均值：人工柳杉林（125.87mm）＞人工杉木林（100.93mm）＞常綠闊葉混交林（98.50mm）＞針闊混交林（70.10mm）。綜上所述，土壤各層排水能力大說明土壤的貯水量越小，土壤貯水量小不利于水源涵養(yǎng)，當降雨量達到一定程度就會產(chǎn)生地表徑流，造成水土流失。

4 結(jié)論

（1）0—60cm土層同種林分類型隨海拔升高林地土壤容重平均值逐漸減?。煌寥揽偪紫抖鹊钠骄岛兔芸紫抖绕骄抵饾u增大，隨土層深度增加總孔隙度與毛管孔隙度逐漸減??；非毛管孔隙度與總孔隙度比值的平均值：針闊混交林海拔900m＞海拔600m＞海拔300m＞海拔1 355m。同一海拔4種林分類型土壤容重平均值：人工杉木林＞針闊混交林＞人工柳杉林＞常綠闊葉混交林；土壤總孔隙度和毛管孔隙度的平均值均為：人工柳杉林＞常綠闊葉混交林＞人工杉木林＞針闊混交林；非毛管孔隙度平均值：針闊混交林＞常綠闊葉混交林＞人工杉木林＞人工柳杉林。

（2）0—60cm土層隨深度的增加林地土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量均減??；隨海拔升高林地土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量平均值均增大。同一海拔4種林分類型土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量平均值均為：人工柳杉林＞常綠闊葉混交林＞針闊混交林＞人工杉木林。

（3）海拔300～1 355m同種林分類型土壤排水能力平均值為：海拔900＞海拔600＞海拔1 355＞海拔300m，海拔900m土壤排水能力平均值是海拔300m的1.82倍；土壤貯水量平均值隨海拔升高逐漸增大，海拔1 355mm土壤貯水量平均值為海拔300mm的1.57倍。同一海拔4種林分類型土壤排水能力平均值為：常綠闊葉混交林＞人工杉木林＞人工柳杉林＞針闊混交林；土壤貯水量平均值為：人工柳杉林＞人工杉木林＞常綠闊葉混交林＞針闊混交林。

結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)同一林分類型隨海拔升高土壤特性和涵養(yǎng)水源功能增強；同一海拔人工柳杉林和常綠闊葉林土壤物理性能較好；人工杉木林和針闊混交林較差。針闊混交林土壤孔隙度、排水能力、貯水量最差，不利于水源涵養(yǎng)和保持水土。人工柳杉林由于形成林分時間較長，枯枝落葉層較厚，土壤孔隙度、持水量、貯水量較大，但排水能力較常綠闊葉林小，在降雨較少的情況下，可以更好地將水分吸收在土壤中，但在降雨量大且集中的南方紅壤區(qū)，高強度的降雨來不及入滲而形成較大的地表徑流，造成沖刷。因此，從較長時間來看，同一海拔常綠闊葉林水源涵養(yǎng)及保持水土能力要高于人工柳杉林。

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