譚長強, 彭玉華, 申文輝*, 何琴飛, 鄭威, 何峰

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廣西都安地區(qū)5種森林類型土壤機械組成及其肥力比較

譚長強1,2,3, 彭玉華1,2,3, 申文輝1,2,3*, 何琴飛1,2,3, 鄭威1,2,3, 何峰1,2,3

1. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院, 廣西南寧530002 2. 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室, 廣西南寧530002 3. 國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室, 廣西南寧530002

研究珠江流域中上游廣西都安地區(qū)5 種典型森林類型土壤基本理化性質(zhì), 為進一步探討該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、森林植被規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過分析不同森林類型之間土壤理化性質(zhì), 結(jié)果表明: 珠江流域都安地區(qū)5 種森林類型土壤機械組成砂粒變幅在3.63%—23.15%; 粘粒變幅在11.62%—56.61%; 細(xì)粉粒變幅在30.07%—54.34%; 粗粉粒變幅在1.84%—10.90%。不同森林類型土壤有機碳、全氮、全磷含量隨著土層深度的增加而逐漸降低。對各森林類型土壤A層(0—15 cm)減去D層(45—60 cm)化學(xué)性質(zhì)的比較, 各森林類型土壤有機碳積累大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>馬尾松林>任豆林>桉樹林; 土壤全N積累大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>任豆林>馬尾松林>桉樹林。綜合來看, 在都安地區(qū)不同森林類型對土壤保育功能提高上, 5 種森林類型影響大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>任豆林>馬尾松林>桉樹林。

珠江; 森林土壤; 機械組成; 化學(xué)性質(zhì); 土壤肥力

1 引言

珠江流域面積達(dá)4.4×105km2, 年徑流量在3.00×1011m3, 是國內(nèi)河流流量的12.3%[1–2], 對我國及東南亞都有著重要的影響。廣西都安位于珠江流域中上游, 其森林植被情況將直接影響著珠江中下游水量及水質(zhì)情況。森林土壤及植被是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分, 森林土壤是森林賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ), 合理利用森林土地資源可有效改善和森林土地生產(chǎn)能力[3–5]。劉瑞英[6]等通過研究發(fā)現(xiàn)秦嶺辛家山不同森林類型對土壤化學(xué)性質(zhì)影響不同, 9 種不同森林類型中華山松林下土壤的全效養(yǎng)分含量均較其它森林類型低。羅歆[3]等研究表明灌木林下土地有較高的有效磷和堿解氮含量, 常綠闊葉林下土地則速效鉀含量較高, 不同植被土壤團聚度、總孔隙度等物理性質(zhì)具有較大差異。唐炎林[6]等研究得出西雙版納熱帶季節(jié)雨林與橡膠林土壤有機質(zhì)、全N、全P、全K含量及土壤機械組成均有較大差異。說明對不同森林植被下土壤性質(zhì)差異進行研究, 將有助于了解森林與土壤之間的關(guān)系, 并將為森林更新、恢復(fù)及重建等工作的開展奠定基礎(chǔ)[8–9]。本研究所選取了5 種珠江流域中上游地區(qū)典型森林類型, 分別為馬尾松()人工純林、桉樹()人工純林、任豆()人工純林、馬尾松×荷木()人工混交林、青岡櫟()天然林。通過測定分析不同森林類型土壤養(yǎng)分及機械組成, 從土壤物理化學(xué)性質(zhì)方面有力地揭示了都安地區(qū)5 種不同森林類型的土壤特征, 可為都安地區(qū)森林工程建設(shè)和珠江流域植被恢復(fù)與保護提供一定的依據(jù)。

2 材料與方法

2.1研究區(qū)自然概況

都安瑤族自治縣, 北緯23°47′—24°35′之間, 東經(jīng)107°51′—108°30′, 地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡上, 地勢北西高、南東低, 隸屬于廣西河池市, 是全國喀斯特地貌發(fā)育最為典型的地區(qū)之一。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)邊緣, 年均溫19.6 ℃—21.6 ℃, 年均降雨量1700 mm。都安地表河流紅水河屬珠江流域西江水系。流域內(nèi)分布最廣的是石炭系和二迭系, 母巖主要以連續(xù)性灰?guī)r為主, 土壤以石灰?guī)r土和石灰性土為主。

2.2調(diào)查及分析方法

2.2.1 樣地的選擇

于2013 年7—10 月, 在都安縣境內(nèi)選擇5 種典型森林類型, 各森林類型均為近自然生長的近熟林或成熟林, 對樣地內(nèi)所有喬木進行每木檢尺, 測定各株樹高、胸徑、冠幅、群落郁閉度等, 記錄樣方內(nèi)灌木和草本的物種組成、高度、地徑、數(shù)量、蓋度, 并對土壤進行采集和分析。每種森林類型隨機調(diào)查樣方3 個, 每個調(diào)查樣方面積為20 m×20 m, 具體見表1。

2.2.2 土壤樣品的采集

在每個樣方對角線相交處挖取1個土壤剖面, 每種森林類型共挖3個剖面。首先觀察土壤剖面的層次、厚度、顏色、濕度、結(jié)構(gòu)、緊實度、質(zhì)地、植物根系分布等。每個土壤剖面分左、中、右及A(0—15 cm)、B(15—30 cm)、C(30—45 cm)、D(45—60 cm) 4 層采集土壤樣品, 5 個森林類型共180 個環(huán)刀樣品及180 個土壤樣品。記錄土壤每層的顏色、結(jié)構(gòu)、緊實度、根量、石礫含量, 將所采土壤樣品裝入土壤密封袋, 在自然條件下陰干, 隨后帶回實驗室, 用鑷子除去石塊、根系、動物等雜物后保存。

表1　主要森林類型樣地概況

注: Ⅰ—Ⅴ分別代表: 任豆人工純林、馬尾松×荷木人工混交林、桉樹人工純林、青岡天然林、馬尾松人工純林; 各調(diào)查樹種樣地除任豆林在谷底外, 其它均在中下坡。

2.2.3 土樣的分析方法

土壤機械組成: 采用吸管法[10]。

土壤化學(xué)指標(biāo)測定: 土壤有機質(zhì)含量采用K2Cr2O7容量法測定; 全氮用半微量凱氏定氮法; 全磷用硫酸-高氯酸消解法; 全鉀采用硫酸-高氯酸消解火焰分光光度法。以上測定方法參照《中華人民共和國土壤測定標(biāo)準(zhǔn)》[11]。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)運用Excel 2003及DPS 7.0軟件進行處理與分析, 運用Origin軟件進行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機械組成

由表2可知, 綜合珠江流域中上游河池都安水源涵養(yǎng)林除青岡櫟林林外, 其它4個不同林分森林土壤機械組成各成分各層次均值最大為粘粒, 變幅在38.03%—59.86%; 其次為細(xì)粉粒, 變幅在27.89%—42.04%; 含量最低的為粗粉粒, 變幅在1.43%—11.22%。根據(jù)美制三角坐標(biāo)圖得知, 青岡櫟林為粉壤土, 任豆林、桉樹林及馬尾松林為粘土, 馬尾松×荷木混交林為粉粘土。通過計算5 種森林類型各層次各土壤機械組成含量均值可以看出, 總體來說, 都安地區(qū)A層土壤砂粒含量要高于其它層次, 而C、D層土壤粘粒含量要高于A、B層粘粒含量, 這可能與該地區(qū)雨量大, 粘粒、細(xì)粉粒等小顆粒被隨著雨水沖走有關(guān)。

一般情況下, A層土壤對環(huán)境的影響響應(yīng)較為敏感, 其理化性質(zhì)較能代表該林地植被對其的影響, 而D層土壤相對較深, 受外界的影響相對較小, 因此較能反應(yīng)其該林地原始立地情況。以各樹種土壤立地D層各機械組分為基準(zhǔn), 用A層機械組分減去D層對應(yīng)機械組分, 得出表2, 從表2可以看出, 五個不同樹種, 在砂粒含量上, 除了任豆林有所降低外(降低幅度為1.29%), 其它4種森林類型均有所提高, 其中提高最高為桉樹林達(dá)到了6.19%; 而粗粉粒含量各森林類型均有所升高(提高幅度為0.34%—1.29%); 在對粘粒成分含量的影響上, 除馬尾松×荷木混交林外(提高了1.53%), 其它4 種森林類型土壤粘粒所占比例均有所降低, 降低幅度為0.75%—8.47%, 其中馬尾松林降低幅度最大達(dá)到了8.47%。

3.2 不同森林類型土壤化學(xué)營養(yǎng)特征

3.2.1 土壤有機碳含量特征

從圖1可以看出, 隨著土壤層次的加深, 土壤有機碳含量均呈現(xiàn)了逐漸降低趨勢。各森林類型土壤A層有機碳含量大小順序為任豆林>馬尾松×荷木混交林>馬尾松林>青岡櫟林>桉樹林。

一般情況下, A層土壤對環(huán)境的影響響應(yīng)較為敏感, 其理化性質(zhì)較能代表該林地植被對其的影響, 而D層土壤相對較深, 受外界的影響相對較小, 因此較能反應(yīng)其該林地原始立地情況。通過對各森林類型土壤A層有機碳含量減去D層(圖1)可以看出, 對有機碳積累大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>馬尾松林>任豆林>桉樹林。方差分析表明, 五種森林類型之間存在顯著差異。馬尾松×荷木混交林與其它4種森林類型兩兩之間存在顯著差異, 青岡櫟林與馬尾松林之間存在顯著差異, 但馬尾松林、任豆林、桉樹林兩兩之間不存在顯著差異。

3.2.2 土壤全氮含量特征

從圖2可以看出, 隨著土壤層次的加深, 土壤全氮含量均呈現(xiàn)了逐漸降低趨勢。各森林類型土壤A層有機碳含量大小順序為任豆林>馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>桉樹林>馬尾松林。

通過對各森林類型土壤A層全N含量減去D層(圖2)可以看出, 對全N積累大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>任豆林>馬尾松林>桉樹林。方差分析表明, 5 種森林類型之間存在顯著差異。桉樹林與其它4 種森林類型之間均存在顯著差異; 青岡櫟林與馬尾松×荷木混交林與馬尾松林之間存在顯著差異, 但青岡櫟林與馬尾松×荷木混交林之間無顯著差異。

3.2.3 土壤全磷含量特征

從圖3可以看出, 隨著土壤層次的加深, 除馬尾松林外, 其它4種森林類型土壤全磷含量均呈現(xiàn)了逐漸降低趨勢。各森林類型土壤A層全磷含量大小順序為任豆林>桉樹林>馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>馬尾松林。D層全磷含量大小順序為任豆林>桉樹林>馬尾松×荷木混交林>馬尾松林>青岡櫟林。

表2　不同森林類型土壤機械組成

注: 砂粒>0.05 mm、粗粉粒0.05—0.02 mm、細(xì)粉粒0.02—0.002 mm、粘粒<0.002 mm; 列中小寫字母表示(<0.05)差異顯著水平, 下同。

通過對各森林類型土壤A層全磷含量減去D層(圖3)可以看出, 對全P積累大小順序為任豆林>青岡櫟林>桉樹林>馬尾松林>馬尾松×荷木混交林。方差分析表明, 5種森林類型全磷含量之間存在顯著差異。任豆林與其它4 種森林類型之間均存在顯著差異; 青岡櫟林、桉樹林與馬尾松林、馬尾松×荷木混交林林之間存在顯著差異, 而青岡櫟林與桉樹林、馬尾松林與馬尾松×荷木混交林之間無顯著差異。

3.2.4 土壤全鉀含量特征

從圖2可以看出, 隨著土壤層次的加深, 任豆林與馬尾松林土壤全鉀含量呈現(xiàn)了逐漸升高趨勢, 而馬尾松×荷木混交林、桉樹林及青岡櫟林則變化不明顯。5 個樹種森林土壤A層全鉀含量大小順序均為任豆林>桉樹林>馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>馬尾松林。B、C、D層全鉀含量大小順序為任豆林>桉樹林>馬尾松×荷木混交林>馬尾松林>青岡櫟林。

注: 圖中小寫字母表示同一土壤層次不同森林類型之間(P< 0.05)差異顯著水平, 下同。

圖2 不同森林類型土壤全氮含量特征

圖3 不同森林類型土壤全磷含量特征

通過對各森林類型土壤A層全N含量減去D層(圖2)可以看出, 各森林類型對土壤全鉀的消耗大小順序為馬尾松林>任豆林>馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>桉樹林。方差分析表明, 5 種森林類型全磷含量之間存在顯著差異。其中, 任豆林、馬尾松林與青岡櫟林、馬尾松×荷木混交林、桉樹林兩兩之間存在顯著差異; 青岡櫟林、馬尾松×荷木混交林、桉樹林兩兩之間無顯著差異。說明在全鉀含量消耗上, 闊葉樹種對全鉀的消耗要低于針葉樹種馬尾松林, 而針闊馬尾松×荷木混交林有助于緩解針葉林對土壤中全鉀的過度消耗, 而青岡櫟林更能較好的保持土壤全鉀含量。而從土壤有機碳、全鉀、全磷及全氮含量可以看出, 桉樹林D層土壤營養(yǎng)元素含量均較高, 說明其原始立地條件較好, 但由于其林齡較小, 對土壤立地的影響暫未完全表現(xiàn)出來。

4 討論與結(jié)論

土壤機械組成指土壤中礦物顆粒的大小及組成比例, 其對土壤的通氣、持水、保肥等性能具有重要影響[12]。一般情況下, 粘粒含量越高, 將越有利于土壤對肥水的保持, 但過高的粘粒含量將對雨水以及枯落物等有機質(zhì)的的下滲產(chǎn)生阻礙。因此, 合適的土壤顆粒組成將有利于土壤綜合肥力的提高、植物根系的生長以及對營養(yǎng)的吸收。廣西都安地區(qū)地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)邊緣, 具有雨量集中的特點, 本研究得出除馬尾松×荷木混交林外(粘粒提高了1.53%), 其它4 種森林類型土壤粘粒所占比例均有所降低, 降低幅度為0.75%—8.47%, 其中馬尾松林降低幅度最大達(dá)到了8.47%。說明針闊混交有助于土壤肥力的保持, 減少土壤流失, 這可能與林分混交后呈現(xiàn)不同層次, 降低了雨水對土壤的直接性沖刷以及林地枯落物覆蓋有關(guān)[13]。

圖4 不同森林類型土壤全鉀含量特征

土地利用方式的不同, 將對自然及生態(tài)過程和土壤養(yǎng)分變化產(chǎn)生重要影響[14–15]。土壤是碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)儲存載體, 其養(yǎng)分情況影響著植物的生長, 決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[16–17]。自然狀態(tài)下, 土壤礦物顆粒組成比例及大小不但影響著土壤理化性質(zhì), 同時與植物生長所需養(yǎng)分及環(huán)境條件均緊密相關(guān)。植物通過根際效應(yīng)、根系穿透、凋落物的輸入以及對土壤水分的調(diào)節(jié)等方式影響著土壤結(jié)構(gòu)[18]。通過對各森林類型土壤A層(0—15 cm)減去D層(45—60 cm)化學(xué)性質(zhì)的比較, 綜合來看, 在都安地區(qū)不同森林類型對土壤肥力提高上, 5 種森林類型影響大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>任豆林>馬尾松林>桉樹林。桉樹作為高速生樹種, 其速生性需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)以供應(yīng)其生長[19]。本研究中桉樹林僅3 年林齡, 而該林地土壤D層有機碳、全鉀、全磷及全氮含量均較高, 這說明了其原始立地條件較好, 但由于桉樹林齡較小, 其對土壤立地的影響并未得到很好的體現(xiàn)。針葉純林由于其凋落物分解較為緩慢, 從而導(dǎo)致土壤中較低的土壤有效養(yǎng)分, 因此土壤肥力偏低; 而闊葉林其凋落物分解較快, 因而其土壤有較高的有效養(yǎng)分, 進而土壤肥力[20]。因此, 馬尾松×荷木混交林、青岡櫟林、任豆林土壤肥力要高于松樹林。這與游秀花等[21]的研究結(jié)果闊葉林在對土壤的改善中比針葉林要好相一致。本研究中不同森林類型土壤有機碳、全氮、全磷含量隨著土層深度的增加而逐漸降低, 原因可能與表層枯落物較多, 土壤微生物、動物活動平凡, 植物表層根系多有關(guān)。一般情況下, 土層越深, 土壤微環(huán)境越差, 越不利于植物根系生長及土壤微生物、動物的生存及活動, 因此從表層到深層, 生物殘體減少, 導(dǎo)致土壤有機碳及全氮、全磷含量也越少。

由于青岡林多生長于較為陡峭的山坡上, 本文在盡量避免因坡度及坡向所帶來的影響的同時, 對青岡林選擇了東南向林分作為研究, 以盡量避免由于坡向所帶來的影響。劉旻霞[22]等通過研究表明不同坡向?qū)χ参锶~片磷含量、比葉面積及物種平均高度和土壤含水量、溫度、全磷、全氮、有機質(zhì)、速效氮含量均有顯著的影響。而白愛芹[23]等研究得出坡向可能與土壤微生物代謝活性和多樣性的關(guān)系并不密切。黃平[24]等研究得出蒙頂山茶園土壤有機質(zhì)空間分布與坡度變化基本一致, 其中坡度25°—35°的茶園土壤有機質(zhì)含量最高, >35°次之, 而<10°相對較低。而坡向?qū)ν寥烙袡C質(zhì)空間變異的影響不如坡度明顯。賈松偉[25]通過野外徑流小區(qū)觀測與采樣分析, 研究得出不同坡度對土壤有機碳流失存在一定影響, 但并非坡度越大有機碳流失越大。因此, 在本試驗中坡向及坡度的不同是否會對各林分土壤理化性質(zhì)存在較大影響需進一步研究。

綜合來看, 在都安地區(qū)不同森林類型對土壤保育功能提高上, 5 種森林類型影響大小順序為馬尾松×荷木混交林>青岡櫟林>任豆林>馬尾松林>桉樹林, 即針闊混交>闊葉純林>針葉純林。

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Study on soil the physical and chemical characteristics of 5 characteristic forests in Du’an area, Guangxi

TAN Zhangqiang1,2,3, PENG Yuhua1,2,3, SHEN Wenhui1,2,3,*, HE Qinfei1,2,3, ZHENG Wei1,2,3, HE Feng1,2,3

1. Guangxi Academy of Forestry, Nanning 530002, Guangxi, China 2. Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning, Guangxi 530002, China 3. Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation, Nanning, Guangxi 530002, China

The soil basic physicochemicalproperty of 5 typical forests with different characteristic was researched in Guangxi Du’an region of the Pearl River middle reaches, providing basic data to further explore material circulation of forest ecosystem and planning for forest vegetation in the area. By analyzing soil physical and chemical property between different forests, we found that the sand grain content was 3.63%-23.15%; the clay content was 11.62%-56.61%; the fine silt content was 11.62%-56.61%, the coarse dust was 1.84%-10.90%. The soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus content gradually reduced with the increase of soil depth in different forest types. The 5 different type forests on soil organic carbon accumulation wasmixed forest>>>>on the total N accumulation wasmixed forest>>>>The stand of 5 different type forests in the Pearl river basin on soil conservation improvement as following was:mixed forest>>>>

Pearl river; forest soil; mechanical composition; chemical property; soil fertility

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.018

A

1008-8873(2017)02-119-07

2015-10-03;

2016-12-21

廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2012]第7號)

譚長強(1987—), 男, 碩士, 助理工程師, 廣西桂林, 主要從事森林培育和森林生態(tài)科研工作, E-mail: 315990730@qq.com

申文輝(1972—), 男, 教授級高級工程師, 在讀博士, 主要從事森林生態(tài)研究, E-mail: shenwenhui2003@163.com

譚長強, 彭玉華, 申文輝, 等. 廣西都安地區(qū)5種森林類型土壤機械組成及其肥力比較[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(2): 119-125.

TAN Zhangqiang, PENG Yuhua, SHEN Wenhui, et al. Study on soil the physical and chemical characteristics of 5 characteristic forests in Du’an area, Guangxi[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 119-125.