白秀梅，張勇，肖明濤

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030800；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是林木賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的森林植被下土壤具有不同的理化性狀，研究不同森林植被下土壤理化性狀的差異對(duì)了解森林與土壤之間的關(guān)系以及森林的更新、恢復(fù)與重建等都具有極其重要的意義。

關(guān)帝山林區(qū)位于山西省西部，是汾河主要支流——文峪河的發(fā)源地，區(qū)內(nèi)有華北高海拔地帶的代表性森林植被。這里的森林植被承擔(dān)著保土蓄水、維護(hù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要職責(zé)。對(duì)該地區(qū)森林資源的研究已經(jīng)取得了很多成果，但主要集中在關(guān)帝山植物群落多樣性[1,2]、林地枯落物特性[3]及林地土壤有機(jī)碳、氮含量[4,5]等方面，對(duì)不同林型土壤的剖面物理性狀研究較少。以關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)的典型森林土壤為研究對(duì)象，對(duì)不同森林植被下土壤的剖面構(gòu)型及各層土壤的物理特性進(jìn)行測(cè)定與分析，旨在揭示不同森林植被與土壤物理性狀之間的關(guān)系，為森林土壤資源的科學(xué)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

關(guān)帝山林區(qū)位于山西省西部呂梁山脈中段，地理坐標(biāo)為111°21′～111°37′E，37°45′～37°59′N，海拔1600～2830 m，屬暖溫帶大陸性山地氣候區(qū)。年平均氣溫4.3℃。年平均降水量822.6 mm，降雨多集中在7～9月，該時(shí)段降水量為全年降水量的83%以上。該區(qū)是山西省的暴雨多發(fā)區(qū)。

關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)喬木樹種為華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(包括青杄(Piceameyeri)和白杄(P.wilsonii)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、樺木(包括白樺(Betulaplatyphlla)和紅樺(B.albo-sinensis))、和山楊(P.davidiana)等，林相較為整齊。土壤類型從低海拔到高海拔依次為山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亞高山草甸土。林下灌草植被因喬木層林冠郁閉度的差異而不同。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2013年6月中旬，在關(guān)帝山林區(qū)八道溝內(nèi)選取具有代表性的華北落葉松人工林、天然次生楊樺闊葉林、天然次生云杉—華北落葉松—楊樺針闊混交林(以下簡(jiǎn)稱針闊混交林)、人工沙棘灌木林等4種植被類型，并在各類型內(nèi)選取坡向、坡度、坡位基本一致的地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)樣地(40 m×50 m)[6]，每塊樣地內(nèi)隨機(jī)布點(diǎn)挖取3個(gè)土壤剖面，分析記錄土壤剖面特性，并按由下向上的順序分層取環(huán)刀土樣和采集混合樣(每一土層重復(fù)采樣3次，混勻)，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。各標(biāo)準(zhǔn)地基本特征見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

1.3 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

經(jīng)挖剖面分析發(fā)現(xiàn)，各林地平均土層厚度約85 cm，所以按0～20、20～40、40～60和60～85 cm 4個(gè)層次采集土壤樣品。土壤機(jī)械組成測(cè)定采用比重計(jì)法，土壤容重用環(huán)刀法，毛管孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀浸透法，風(fēng)干團(tuán)聚體含量測(cè)定采用沙維諾夫[7]干篩法，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用Yoder[7]濕篩法。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率=[干篩(>0.25 mm團(tuán)聚體)-濕篩(>0.25 mm團(tuán)聚體)]/干篩(>0.25 mm團(tuán)聚體)×100%；土壤蓄水量S=10000×H×P進(jìn)行計(jì)算，式中：S-土壤蓄水量/t·hm-2，H-土層厚度/cm，P-孔隙度/%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分下的土壤剖面構(gòu)型分析

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的同時(shí)，其內(nèi)部不斷進(jìn)行著物質(zhì)的分解、合成、轉(zhuǎn)化與遷移，經(jīng)長期演化形成一定的土壤剖面構(gòu)型，所以，植被、地形、氣候等自然因素以及人為活動(dòng)都會(huì)影響到剖面構(gòu)造特征。通過對(duì)關(guān)帝山林區(qū)典型植被下的土壤剖面觀察發(fā)現(xiàn)，在地形坡度較小的陰坡、半陰坡，土壤剖面構(gòu)型主要為正常發(fā)育剖面，有明顯的枯落物層、腐殖質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層，多呈A00-A0-A-B-C-R或A00-A0-A-(B)-C-R構(gòu)型，一般A00層厚3～10 cm，A0層1～8 cm，A層厚度約13～22 cm，B層約15～30 cm，C層約30～55 cm，林下土層厚度一般為65～110 cm。在不同植被類型之間，土壤剖面構(gòu)型略有差異。

由于枯落物層主要由凋落物的枝、葉、皮、花、果實(shí)和種子等組成，對(duì)降雨的二次分配有著重要的作用，所以森林枯落物的類型、組成、現(xiàn)存量等因素對(duì)評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能有十分重要的影響[6]?？葜β淙~的分解轉(zhuǎn)化為土壤提供了大量的養(yǎng)分，能改良土壤理化性狀。由表2可見，所選樣地的平均枯落物厚度依次為針闊混交林(9.4 cm)>華北落葉松林(8.5 cm)>楊樺闊葉林(6.7 cm)>沙棘灌木林(4.8 cm)，不同植被類型之間差異較為明顯。

森林土壤的腐殖質(zhì)層是直接發(fā)育在枯枝落葉層下通過有機(jī)質(zhì)的積累作用形成的，是土壤剖面中最重要的土層，它不僅是土壤養(yǎng)分的重要來源，更重要的是它可以改善土壤結(jié)構(gòu)和通透性[8]，一般情況下，其發(fā)育程度因植物種類和水熱條件而有很大的差異。不同植被類型剖面淋溶層(也叫腐殖質(zhì)層)厚度依次為：針闊混交林(21.4 cm)>楊樺闊葉林(17.8 cm)>華北落葉松林(17.3 cm)>沙棘灌木林(15.7 cm)(表2)。

表2 不同植被類型下枯落物及腐殖質(zhì)層厚度

2.2 不同林分類型土壤的孔隙性能及蓄水能力分析

土壤容重表征了土壤的疏松程度與通氣性，該值的大小可以說明土壤涵蓄水分以及供應(yīng)樹木生長所需水分的能力，而土壤孔隙狀況則直接影響著土壤的通透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)揮著不同的功能[9]。

由表3可見，各林分土壤容重和孔隙度的變化趨勢(shì)大致相同，即隨著土壤深度的增加，容重逐漸增加，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸減小。各林分土壤B層(20 cm)以下土層的土壤容重均大于1.19 g·cm-3，主要是因?yàn)殛P(guān)帝山地區(qū)森林土壤B層(淀積層)以下多為緊實(shí)的砂壤土質(zhì)地為主。針闊混交林和沙棘灌木林下表層土壤容重及整個(gè)土層容重的平均值最小，說明混交林和沙棘灌木林下土壤較疏松、通氣性能好，具有較高的水源涵養(yǎng)和水土保持功能。沙棘灌木林地和其他林地比較，在同等郁閉度下雖然其枯落物量最少，但其表層土壤內(nèi)根系分布較多，根系分泌物較多，且其根系有很好的固氮作用，能對(duì)土壤起到很好的改良作用。

由表3可見，各林地土層平均孔隙度大小依次為：針闊混交林>沙棘灌木林>楊樺闊葉林>華北落葉松林。毛管孔隙度除針闊混交林(39.71%)較大外，其他林地之間沒有明顯差異，而沙棘灌木林的非毛管孔隙度(14.19%)最大。各土層飽和蓄水量和毛管蓄水量的變化趨勢(shì)分別與相應(yīng)土層總孔隙度及毛管孔隙度的變化趨勢(shì)一致。

在4種林地土壤中，混交林下各層土壤的孔隙狀況和蓄水能力均較好，這是因?yàn)獒橀熁旖涣至中蛷?fù)雜，林下又有較多灌木和草本覆蓋，土壤表層根系發(fā)達(dá)，枯落物輸入量多，土壤有機(jī)物含量及分解和轉(zhuǎn)化較快，所以其土壤剖面物理性狀也最好。相比而言，華北落葉松人工林土壤容重、孔隙狀況及土壤蓄水能力均較差，野外調(diào)查結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室分析得出，華北落葉松人工林樣地郁閉度較高，林下植被主要以一些耐陰的草本為主，林型相對(duì)單一，地表枯落物輸入量單一且多含難以分解的木質(zhì)素、單寧、樹脂和蠟質(zhì)等物質(zhì)，使得該植被類型下的土壤有機(jī)碳和總氮含量較少且分解轉(zhuǎn)化較慢，不利于土壤良好結(jié)構(gòu)體的形成，影響了該類型土壤的物理性狀。

2.3 不同林分類型土壤結(jié)構(gòu)體分布

土壤結(jié)構(gòu)是土壤的礦質(zhì)土粒和土壤有機(jī)物質(zhì)以不同方式粘結(jié)或膠結(jié)在一起形成的不同形狀和大小的土壤結(jié)構(gòu)體，一般將直徑在0.25～10 mm的近似圓球的土壤結(jié)構(gòu)體稱作土壤團(tuán)聚體，它是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是決定土壤肥力狀況的重要因素[10]。團(tuán)聚體的大小分布及穩(wěn)定性在維持土壤孔隙、調(diào)節(jié)土壤水氣矛盾、促進(jìn)植物根系生長和防治土壤侵蝕退化方面發(fā)揮著重要作用。通過干篩可獲得土壤團(tuán)聚體總數(shù)，不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量反映團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性，即團(tuán)聚體抵抗外力免被壓碎或抵抗外部環(huán)境變化而保持原有形態(tài)的能力。濕篩法得到的是土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用，同時(shí)也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)之一。

表3 不同林地土壤的孔隙狀況與蓄水能力

挖剖面分析發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體主要分布于剖面A、B層，所以選取0～20 cm和20～40 cm兩土層取樣分析其土壤團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性。

由表4可見，不同林地0～20 cm土層>0.25 mm風(fēng)干土壤團(tuán)聚體含量表現(xiàn)出較大差異，針闊混交林的風(fēng)干團(tuán)聚體含量最高，為93.10%，其次是楊樺闊葉林(87.92%)，而華北落葉松林和沙棘灌木林之間差異不顯著；在20～40 cm土層內(nèi)，針闊混交林土壤風(fēng)干團(tuán)聚體含量最高，達(dá)76.88%，而其他3種林分之間差異不顯著；同一林分內(nèi)，隨著土層加深風(fēng)干團(tuán)聚體含量都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。這表明，林木覆蓋下土壤團(tuán)聚體含量普遍較高，尤其是對(duì)土壤表層團(tuán)聚體含量的增加效果更明顯；在幾種林分類型中，針闊混交林的作用是最顯著的。

>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)體破壞率與土壤抗侵蝕性密切相關(guān)，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，土壤的通氣透水性越好，抗蝕能力越強(qiáng)；團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)體破壞率越低，說明團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤具有較強(qiáng)的抵抗水的分散、懸移的能力。由表4可見，各林地0～20 cm土層>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均較高(45.92%～60.67%)，但不同林分之間存在差異，依次為：針闊混交林>楊樺闊葉林>沙棘灌木林>華北落葉松林。20～40 cm土層和0～20 cm土層相比較，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量都有不同程度的減少。用土壤團(tuán)聚體破壞率分析，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性順序?yàn)椋横橀熁旖涣?沙棘灌木林>楊樺闊葉林>華北落葉松林。針闊混交林下土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其土壤結(jié)構(gòu)狀況明顯優(yōu)于其他林下的土壤結(jié)構(gòu)狀況，在4種森林類型中，華北落葉松林的土壤結(jié)構(gòu)性最差。

表4 不同林地土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性指標(biāo)

注：同一列同一土層不同小寫字母表示不同林分類型間差異顯著(P<0.05)。

Note： The different letters indicate significant difference between different forest types in the same column and the same soil layer(P<0.05).

3 結(jié)論與討論

對(duì)研究區(qū)內(nèi)4種典型森林土壤進(jìn)行剖面分析表明：各林地土壤剖面發(fā)育均屬良好，均有明顯的枯落物層、腐殖質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層。不同林地枯枝落葉層的厚度差異顯著，其厚度依次為：針闊混交林(9.4 cm)>華北落葉松林(8.5 cm)>楊樺闊葉林(6.7 cm)>沙棘灌木林(4.8 cm)，凋落物層越厚，越有利于土壤功能的發(fā)揮。

各森林土壤容重和孔隙度的變化趨勢(shì)大致相同，即隨著土壤深度的增加，容重逐漸增加，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸減小。針闊混交林和沙棘灌木林下表層土壤容重及整個(gè)土層容重的平均值最小，土壤孔隙狀況及蓄水能力也較好；華北落葉松人工林土壤容重、孔隙狀況及土壤蓄水能力均較差；毛管孔隙度除針闊混交林(39.71%)較大外，其他林地之間差異不明顯，而沙棘灌木林(14.19%)的非毛管孔隙度最大。各土層飽和蓄水量和毛管蓄水量的變化趨勢(shì)分別與相應(yīng)土層總孔隙度及毛管孔隙度的變化趨勢(shì)一致。

用干、濕篩團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體破壞率分析評(píng)價(jià)土壤剖面結(jié)構(gòu)性：針闊混交林下土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀況明顯優(yōu)于其他林下的土壤結(jié)構(gòu)狀況，華北落葉松林的土壤結(jié)構(gòu)性較差。

從本次分析結(jié)果看，林木起源(天然次生林和人工林)對(duì)于土壤的理化性狀，如林下枯落物厚度、林地土壤孔隙度、容重等方面的影響并不明顯。有關(guān)林木起源對(duì)于土壤的理化性狀的影響是否顯著，尚待進(jìn)一步的研究。

林地開挖剖面需工量大，剖面數(shù)量有限，使得準(zhǔn)確度存在一定的缺陷，但是對(duì)于土壤剖面特征的調(diào)查分析具有簡(jiǎn)單和直觀的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于森林土壤健康評(píng)價(jià)以及指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)是非常有價(jià)值的。另外，本研究僅對(duì)關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)進(jìn)行了一次性的取樣分析，若能對(duì)該區(qū)不同林分下土壤進(jìn)行長期定位調(diào)查分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)厣种脖活愋瓦M(jìn)行綜合研究，則可以了解各森林土壤的動(dòng)態(tài)變化，揭示不同林分對(duì)土壤理化性狀的影響。

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