不同林分类型土壤水分物理性质及其海拔效应——以浙江省凤阳山为例

田月亮，张金池，李海东，庄加尧，叶立新，刘胜龙

（1.南京林业大学 森林资源与环境学院，江苏 南京210037；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042；3.凤阳山自然保护区，浙江 龙泉323700）

森林的水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，不同林分类型由于其树种生物学特性与林分结构的不同，其林分的水源涵养效应存在一定的差异［1－3］。森林土壤是森林发挥水文调节作用的主要场所［4］。森林土壤层的水文生态效应常因森林土壤类型的不同而不同，而土壤的物理性质对土壤层的水文生态效应具有极其显著的影响［4－7］。由于水土流失比较严重，近年来，土壤水分物理性质的研究成为热点问题［8］。有关森林土壤水分物理性质的研究，常见于不同林分类型之间比较［2－9］，而对于海拔与林分类型土壤物理之间关系研究较少。通过对不同海拔林地土壤水分物理性质的研究，有助于合理利用森林，提高土壤保水通气的能力，为系统阐明森林土壤生态功能与特征，进一步研究该地区典型植被类型的水文机理以及正确评价流域的水文生态效益提供一定的理论依据。

1 研究区概况

凤阳山位于浙江省龙泉市南部，地理坐标为北纬27°46′—27°58′，东经119°06′—119°15′。属于中亚热带温暖湿润气候区，同时受季风影响明显。年均气温17～21℃，最热月均温在28℃左右，最冷月为6～13℃，年降雨量2 438mm，年蒸发量1 171mm，活动积温约6 500℃，无霜期275d。天然植被以常绿阔叶林和针叶林为主，植被类型和区系成分复杂。主要植物种有木荷（Schima superba Gardn），马尾松（Pinus massoniana Lamb），杉 木 （Cunninghamia Lanceolata），柳杉（Cryptomeria fortunei），短柄枹（Quercus glandulifera），光皮桦（Betula luminifera），苦楝（Melia azedarach Linn），黄山松（Pinus taiwanensis Hayata），秀 丽 四 照 花 （Cornus ele－gans），多 脉 青 冈 （Cyclobalanopsis multinervis Cheng），水丝梨（Sycopsis），黄山木兰（Magnolia cylindrica Wils），板栗（Castanea mollissima）等。

2 研究方法

2011年8—9月，在海拔300～1 500m高程范围内选取4种具有代表性的林分类型，利用罗盘仪设置7块20m×60m的永久样地，其中常绿针阔混交林4块、常绿阔叶混交林1块、人工杉木林1块和人工柳杉林1块（表1）。在各样地进行每木检尺，调查胸径≥5cm以上乔木的树种组成、林分密度、高度、胸径等，并对林下植被进行生物学调查。

在每个样地的中下坡地段分别挖掘3个土壤剖面，共计21个。按土壤发生层次，采用容积100cm3的环刀分别取0—20，20—40和40—60cm原状土样，同时用铝盒取土，每层3个重复。通过环刀法测定土壤容重、质量湿度、孔隙度、总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性质［4］，用烘干法测定土壤含水量。根据《森林土壤水分物理性质测定标准》测定不同样地的土壤最大持水量（mm）、毛管持水量（mm）、最小持水量（mm）［5］。并用以下公式计算土壤持水量、排水能力和土壤土壤贮水量：

表1 不同林分类型各调查样地的基本情况

3 结果与分析

3.1 土壤容重与海拔高度的关系

由图1可见，不同海拔和林分类型的土壤容重均随着土壤深度的增加而增大。不同海拔林地土壤容重为0.66～1.22g／cm3，其中海拔300m各层土壤容重均最大，不同海拔针阔混交林林地土壤容重的平均值分 别 为 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变化而言，不同深度土壤容重均随着海拔升高而减小。不同海拔林地土壤容重呈现这种变化趋势，这与人为活动和形成天然林树种搭配有关。海拔300m针阔混交林形成的林龄40，50a，根系较大，树种为3种，地表草本层稀少。

长期以来人们取柴及踩踏造成土壤紧实，树种单一形成的苦枝落叶更不能有效地改善土壤。海拔1 355m针阔混交林树种较多，形成的枯枝落叶层较厚，地表草本植物较多，人为干扰较少，长期以来林分有效地改善了土壤容重。

图1 土壤容重与海拔高度和林分类型的变化

同一海拔4种林分类型土壤容重最大值1.08g／cm3，最小值0.575g／cm3（图1b）。其中，不同林分类型0—60cm土壤容重的平均值表现为：人工杉木林（0.91g／cm3）＞针阔混交林（0.76g／cm3）＞人工柳杉林（0.74g／cm3）＞常绿阔叶混交林（0.68g／cm3），人工杉木林土壤容重均值是常绿阔叶混交林的1.36倍。呈现这种规律主要与林分类型树种搭配，树种多少，形成林分年龄及林下草灌密度相关，人工杉木林林龄20～30a时，树种比较单一，地面草本植物及灌木较少，影响土壤孔隙度。土壤容重较大；人工柳杉林林龄较长，形成的枯枝落叶层较厚，经过长期的自然分解改变了土壤的理化性质，土壤容重较小。常绿阔叶混交林树种较多，地面覆盖度较大，草本及灌木较多，相对土壤容重最小。

3.2 土壤孔隙度与海拔高度关系

同种林分类型不同海拔林地土壤总孔隙度值在41.13%～67.62%；土壤总孔隙度平均值表现为：海拔1 355m（63.87%）＞900m（63.26%）＞600m（55.75%）＞300m（43.90%），海拔1 355m 土壤总孔隙度平均值为海拔300m的1.45倍（表2）。土壤毛管孔隙度平均值表现为：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为海拔300m的1.53倍。随着土层深度增加总孔隙度与毛管孔隙度逐渐减小；非毛管孔隙度层次之间无规律变化；非毛管孔隙与总孔隙度的比值，在0—60cm的平均值来看，针阔混交林表现为：海拔900m（0.35）＞ 600m（0.30）＞300m（0.23）＞1 355m（0.18）。一般认为，土壤中大小孔隙同时存在，若总孔隙度在50%左右，毛管与非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1时，透水性、通气性和持水能力比较协调［6－10］。若非毛管孔隙度在6%～10%时，林木生长一般；在10%～15%时，林木生长中等；大于15%时，林木生长良好［11］。因此说明1 355m针阔混交林土壤透气性最好，而900m针阔混交林土壤透气性最差。出现上述结果主要因为人为干扰土壤容重，与树种多少，树龄大小以及坡度密切相关。海拔1 355m人为干扰较少，形成林分时间较长，树种较多，草灌及枯枝落叶层密集，海拔900m由于地形、人工采伐及牲畜活动不利于土壤改善、水土保持及水源涵养。

同一海拔4种不同林分类型林地土壤总孔隙度和毛管孔隙度均表现为随着土层深度的增加而逐渐减小（表3），非毛管孔隙度人工柳杉林逐渐减小，其余林分类型无规律变化；土壤非毛管孔隙度与总孔隙度比值在0.1～0.39，常绿阔叶混交林与针阔混交林土壤非毛管孔隙度与总孔隙度比值随着土层深度增加逐渐变大，人工柳杉林变小；4种林分类型土壤总孔隙度平均值：人工柳杉林（83.20%）＞常绿阔叶混交林（76.51%）＞人工杉木林（69.56%）＞针阔混交林（63.92%），人工柳杉林是针阔混交林的1.30倍。毛管孔隙度平均值：人工柳杉林（73.93%）＞常绿阔叶混交林（60.71%）＞人工杉木林（54.60%）＞针阔混交林（52.21%），人工柳杉林是针阔混交林的1.42倍。这与前人研究存在差别［9，12－13］；出现差别 的原因是此地区人工杉木林地处高海拔，林分无人为干扰，形成枯枝落叶层较厚，土壤总孔隙度和毛管孔隙度较大。非毛管孔隙度平均值：针阔混交林（22.46%）＞常绿阔叶混交林（15.80%）＞人工杉木林（14.96%）＞人工柳杉林（9.28%），针阔混交林是人工柳杉林的2.42倍。呈现这种规律说明柳杉林要优于其他3中林分类型，针阔混交林较差，不利于水源涵养和保持水土。

表2 同种林分类型不同海拔林地土壤孔隙度

表3 同一海拔不同林分类型林地土壤孔隙度

3.3 土壤水文性能与海拔之间的关系

不同海拔4种林分类型随着土层深度增加土壤持水量呈下降趋势（表4），其中，0—20cm土层最大持水量高达107%，毛管持水量高达84.77%，最小持水量达38.79%；土壤最大持水量平均值为：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。毛管持水量平均值为：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。最小持水量平均值为：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 同种林分类型不同海拔林地土壤水文性能

土壤排水能力平均值为：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。土壤贮水量平均值为：海拔1 355m（70.11mm）＞900m（65.48mm）＞600m（61.79mm）＞300m（44.78mm），海拔1 355mm土壤贮水量平均值为海拔300mm的1.57倍。持水量变化较大的为海拔1 355m针阔混交林，随着海拔升高在0—60cm土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤贮水量平均值逐渐增加。土壤含水量呈现这种变化与土壤有机质、土壤动物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都随深度而降低有关［14］。在海拔300m人为干扰林分较大，长期的踩踏使土壤紧实度相对增加，土壤孔隙度减小，进而土壤含水量相对最小；海拔1 355mm组成林分树种较多，枯枝落叶层较厚，孔隙度大，土壤含水量相对最大。

同一海拔4种林分类型土壤最大持水量随着深度的增加而逐渐减小（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%）＞常绿阔叶混交林（115.06%）＞针阔混交林（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%）＞常绿阔叶混交林（92.93%）＞针阔混交林（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%）＞常绿阔叶混交林（86.78%）＞针阔混交林（67.39%）＞人工杉木林（62.35%），人工柳杉林是人工杉木林的1.47倍。常绿阔叶混交林随着土层深度增加毛管持水量和最小持水量逐渐增大，其余3种林分类型逐渐减小。4种林分类型土壤方差分析：常绿阔叶混交林最大持水量方差最小（8.33），人工杉木林方差最大（678.67），常绿阔叶混交林各层土壤在0—60cm最大持水量相差最小，人工杉木林最大；说明人工杉木林在各层土壤有明显差异。

表5 同一海拔不同林分类型林地土壤水文性能

土壤排水能力14.66～59.97mm。随着土层深度增加常绿阔叶混交林排水能力逐渐减小，土壤贮水量逐渐增大，与前人研究得出的规律一致［6－12］；针阔混交林排水能力逐渐增大，土壤贮水量也增大，4种林分类型土壤排水能力平均值：常绿阔叶混交林（39.09mm）＞人工杉木林（29.67mm）＞人工柳杉林（27.87mm）＞针阔混交林（27.63mm）；土壤贮水量135.42～54.33mm。土壤贮水量平均值：人工柳杉林（125.87mm）＞人工杉木林（100.93mm）＞常绿阔叶混交林（98.50mm）＞针阔混交林（70.10mm）。综上所述，土壤各层排水能力大说明土壤的贮水量越小，土壤贮水量小不利于水源涵养，当降雨量达到一定程度就会产生地表径流，造成水土流失。

4 结论

（1）0—60cm土层同种林分类型随海拔升高林地土壤容重平均值逐渐减小；土壤总孔隙度的平均值和毛管孔隙度平均值逐渐增大，随土层深度增加总孔隙度与毛管孔隙度逐渐减小；非毛管孔隙度与总孔隙度比值的平均值：针阔混交林海拔900m＞海拔600m＞海拔300m＞海拔1 355m。同一海拔4种林分类型土壤容重平均值：人工杉木林＞针阔混交林＞人工柳杉林＞常绿阔叶混交林；土壤总孔隙度和毛管孔隙度的平均值均为：人工柳杉林＞常绿阔叶混交林＞人工杉木林＞针阔混交林；非毛管孔隙度平均值：针阔混交林＞常绿阔叶混交林＞人工杉木林＞人工柳杉林。

（2）0—60cm土层随深度的增加林地土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量均减小；随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种林分类型土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量平均值均为：人工柳杉林＞常绿阔叶混交林＞针阔混交林＞人工杉木林。

（3）海拔300～1 355m同种林分类型土壤排水能力平均值为：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；土壤贮水量平均值随海拔升高逐渐增大，海拔1 355mm土壤贮水量平均值为海拔300mm的1.57倍。同一海拔4种林分类型土壤排水能力平均值为：常绿阔叶混交林＞人工杉木林＞人工柳杉林＞针阔混交林；土壤贮水量平均值为：人工柳杉林＞人工杉木林＞常绿阔叶混交林＞针阔混交林。

结果表明，研究区内同一林分类型随海拔升高土壤特性和涵养水源功能增强；同一海拔人工柳杉林和常绿阔叶林土壤物理性能较好；人工杉木林和针阔混交林较差。针阔混交林土壤孔隙度、排水能力、贮水量最差，不利于水源涵养和保持水土。人工柳杉林由于形成林分时间较长，枯枝落叶层较厚，土壤孔隙度、持水量、贮水量较大，但排水能力较常绿阔叶林小，在降雨较少的情况下，可以更好地将水分吸收在土壤中，但在降雨量大且集中的南方红壤区，高强度的降雨来不及入渗而形成较大的地表径流，造成冲刷。因此，从较长时间来看，同一海拔常绿阔叶林水源涵养及保持水土能力要高于人工柳杉林。

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