缙云山水源涵养林保育土壤的功能

张向峰，王玉杰，王云琦，刘春霞，郭 平

（北京林业大学 水土保持学院，北京100083）

土壤不仅是人类赖以生存的物质基础和宝贵财富，又是人类最早开发利用的生产资料［1］。植被保育土壤的生态服务功能主要是通过植被保护土壤和改良土壤两个生态过程来实现。随着人类社会的快速发展，土地资源不断减少，土壤质量越来越差，土壤成为人们的研究对象，并得到越来越多人的重视。植物可以改变土壤特性，且对土壤的形成和发展影响很大，因而研究植物与土壤之间的关系意义重大。水源涵养林是具有特殊意义的水土保持防护林种之一，具有多种功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生态效益、经济效益和社会效益，而且具有涵养保护水源，保育土壤等生态服务功能［2］。目前，关于缙云山水源涵养林保育土壤功能的研究甚少，且存在研究对象单一（单一林分）和调查数据少（建立在一次调查数据的研究）的问题。由于树木生长的周期较长，因此凭1，2次调查数据来评价森林保育功能是很困难的，也不够准确［3］。为了深入了解缙云山各种水源涵养林对土壤的保育功能，在赵洋毅等［4］的基础上继续进行了为期3a的调查研究，希望能更准确地研究缙云山典型水源涵养林功能，为该地区改良土壤和经营管理水源涵养林提供更准确的科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

缙云山位于重庆市北碚区嘉陵江温塘峡江畔，占地面积76km2，海拔350～951m，地理坐标为东经106°17′—106°24′，北纬29°41′—29°52′。缙云山是国家级自然保护区，气候温和，雨量充沛，有森林1 300hm2余，生长着1 700多种亚热带植物。缙云山的土壤以三迭纪须家河组厚层石英砂岩、炭质页岩和泥质砂岩为母质风化而成的酸性黄壤及水稻土，山麓地区为侏罗纪由紫色砂页岩夹层上发育的中性或微石灰性的黄壤化紫色土。缙云山森林覆盖率高，已达96．6%。保护区内有大面积的常绿阔叶林，有多种具代表性的生态系统，从一定程度上反映出了中亚热带森林生态系统的天然本底，是一个典型的亚热带常绿阔叶林的生态综合体物种基因库。缙云山物种多样性丰富，有长江流域保存较好的典型的亚热带常绿阔叶林景观和相对稳定的生态系统，保存了许多古老的分类上孤立的形态特殊的植物。

1．2 试验区标准样地设置

研究区位于缙云山国家级自然保护区内，根据已有的资料和林地的实际情况，选择该区具有代表性的典型地段乔灌草完整的3种水源涵养林群落：针阔混交林、常绿阔叶林和竹林。在2009—2011年，对3种群落类型分别选取5种典型林分类型，每种典型林分选取4个标准样地（20m×20m），使用罗盘仪和测绳，按照一般方法进行标准地的边界测量，并且在各方形大样地4个角分别设置1个小水泥桩，作为标识。

1．3 测定方法

以缙云山3种典型水源涵养林的土壤作为研究对象，分别对3种典型水源涵养林林地土壤进行了测定，测定的主要指标有土壤容重、土壤颗粒组成、土壤孔隙、土壤活性酸pH值、土壤有机质含量、土壤全量养分和土壤速效养分等。在每个标准小样地中，均匀地取9点，分别挖取各点的土壤剖面，将土壤分为4层：Ⅰ（0—20cm），Ⅱ（20—40cm），Ⅲ（40—60cm），Ⅳ（60—100cm），按层采集土样。把所有土样分装，然后带回实验室风干、研磨，每层3个重复。用土壤三相测量仪（DIK 1150）测定土壤的容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；使用pH—213台式酸度离子计测定土壤pH值；采用重铬酸钾—外加热法测定有机质；采用半微量凯氏法测定土壤全氮，采用碱熔—钼锑抗比色法测定土壤全磷；采用碱融—火焰光度计法测定土壤全钾；采用碱解扩散法测定土壤速效氮；采用NH4F—HCI浸提—钼锑抗比色法测定土壤速效磷；采用CH3COONH4浸提—火焰光度法测定土壤速效钾。

1．4 数据处理

试验取得的数据运用 Excel 2003和SPSS 18．0进行处理。

2 结果与讨论

2．1 林地土壤物理特性

2．1．1 土壤容重及孔隙 土壤容重是表征土壤质量的一个重要参数，其大小受土壤机械组成、结构、质地、有机质含量、植被类型以及人为等影响。

由表1可以看出，各林地土壤容重之间存在差异，不同层次的土壤容重也存在差异，且土壤容重随土层深度的增加而增大。各林地土壤容重在Ⅰ，Ⅱ层的差异性比较明显，在Ⅲ，Ⅳ层的差异性不明显，说明植被对上层土壤容重影响比下层土壤影响大，这主要是因为下层土壤紧实度比较高，植物根系不易到达。由表2可以看出，各林地土壤容重均比较大，其中竹林林地土壤容重最大，为1．45g／cm3，表明竹林林地土壤相对较紧实，土壤孔隙相对较少；针阔混交林林地土壤容重最小，为1．31g／cm3，说明针阔混交林林地土壤相对较疏松，孔隙相对较大。土壤容重从小到大的顺序依次为：针阔混交林＜常绿阔叶林＜竹林，其中竹林群落的土壤容重相对较大，这主要是因为竹林群落物种单一，人为活动较多，林分密度很大等。

土壤的孔隙可以为植物提供水和空气，包括毛管和非毛管孔隙。一般来说土壤中大小孔隙同时存在，总孔隙度约在50%，其中非毛管孔隙占1／5～2／5为好，这种情况下土壤的通透性比较协调［5］。从表1—2可以看出，竹林群落、针阔混交林群落通透性要比常绿阔叶林要好，各林地和各层土壤总孔隙度差异不大，但均不高；各林地和各层土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度之间的差异比较明显，说明不同植被类型对毛管、非毛管孔隙具有一定的影响。土壤总孔隙度从大到小依为：是针阔混交林＞常绿阔叶林＞竹林。一般来讲，土壤容重小，表明土壤比较疏松，孔隙多；反之，则表明土壤比较紧实，结构性差，孔隙少［6］。从表1—2也可以看出，各林地基本符合此规律。

表1 缙云山水源林典型林地不同层次土壤容重和孔隙度

表2 缙云山水源林典型林地土壤平均容重及孔隙度

2．1．2 土壤颗粒组成 土壤是由大小、形状不同的固体组分和孔隙以一定形式连结所形成的多孔介质，固体组分的大小、数量、形状及其结合方式决定着土壤的质地与结构，进而影响土壤的水分和理化性质［7］。从表3可以看出，各林地不同层次土壤颗粒组成差异比较明显，土壤第Ⅰ层基本为砂质黏壤土，从第Ⅱ层开始出现壤质黏土且开始逐渐增多，表层土壤较粗且比较疏松，下层土壤比较细、黏度大且比较致密。土壤颗粒组成中砂粒所占的比例最大，不同层次土壤砂粒、粉粒和黏粒差异性明显。样地土壤质地可分为4类，分别为砂质壤土、砂质黏壤土、黏壤土和壤质黏土，主要是以壤土和壤质黏土为主。不同样地的土壤中，均表现为砂粒含量差别最大，粉粒含量差别最小。

表3 缙云山水源林典型林地不同层次土壤颗粒组成和土壤质地

土壤颗粒机械组成是土壤最基本的物理属性之一，土壤质地砂粒化程度是反映土壤质量的重要指标［8］。一般情况，人们常用黏粒含量作为土壤定量评价的主要指标，因此，根据各样地土壤黏粒含量从大到小依次为：竹林＞常绿阔叶林＞针阔混交林。

2．2 林地土壤化学特性

2．2．1 土壤活性酸 土壤活性酸是林地土壤化学特性的重要指标，影响着林地土壤养分的有效性［9］。土壤酸碱度对土壤中养分存在的形态和有效性，对土壤的理化性质、微生物活动以及植物生长发育都有很大的影响［10］。由表4可以看出，缙云山水源涵养林林地土壤pH值差异性不明显，基本在4．0左右，但上层土壤酸性要比下层强，这主要是因为研究地区受酸雨危害比较严重，降雨比较充沛，表层土壤受酸雨淋溶的影响，植被对土壤pH值的调节不是很明显。另外，土壤pH值的大小与残落物分解不完全和降雨量的大小有密切的关系。

缙云山地区年降雨量较大，这是导致该地区土壤pH值较低的原因之一；阔叶林残落物较多，不容易分解，这也导致了阔叶林地土壤pH值相对较低，所以，可以从这两方面来考虑营造水源涵养林，以提高该地区土壤pH值，改善土壤质量。

表4 缙云山典型水源林地各层土壤养分指标均值

2．2．2 土壤有机质含量 土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物，尽管土壤有机质只占土壤总重量的很小部分，但它在土壤肥力、环境保护等方面有着重要的作用和意义。土壤有机质是土壤的重要组成部分，也是土壤质量指标中最重要的指标之一［11－12］。由表4可以看出，各林地第Ⅰ层土壤有机质含量明显高于其他3层，各层之间差异性非常明显（p＜0．05），且随着土壤深度的增加而逐渐降低，这主要是因为森林土壤中的有机质主要来源于森林植被凋落物的分解和淋溶。根据全国土壤养分含量分级标准《第二次全国土壤普查技术规程》，可以得出针阔混交林、阔叶林样地土壤有机质含量为中等水平（20～30g／kg），竹林样地土壤有机质含量为缺（6～10g／kg），说明在土壤有机质的积累方面，针阔混交林表现较好，竹林群落有机质含量总体较低，表现较差。

2．3 林地土壤养分特性

2．3．1 土壤全量养分 氮、磷、钾是目前公认的绝大多数植物必需元素，是植物需要的大量元素，所以氮、磷和钾就成为评定土壤养分好坏的3个重要的指标［13］。

由表4可以看出，各林地不同层次土壤全氮、全磷、全钾含量不同，其中阔叶林林地含量最高，竹林含量最低，且各林地土壤全氮含量随着土壤深度的增加而逐渐降低。根据全国土壤养分含量分级标准，阔叶林林地土壤全氮含量水平属于中等（1．0～1．5g／kg），竹林样地土壤全氮含量水平属于稍缺（0．75～1．0g／kg），针阔混交林样地土壤全氮含量水平属于缺（0．5～0．75g／kg）；阔叶林和竹林样地土壤全磷含量水平属于缺（0．2～0．4g／kg），针阔混交林为极缺（＜0．2g／kg）；竹林、阔叶林林地土壤全氮含量水平属于缺，针阔混交林属于稍缺。

土壤中全氮、全磷、全钾含量的高低可以反映土壤总体供氮能力的大小，其主要受气候、植被、土壤质地、地形、地势和栽培管理等因素影响。由表4可以看出，阔叶林林地土壤总体供氮能力最好，竹林样地土壤总体供氮能力最差。总体来说，缙云山典型水源涵养林土壤全氮、磷、钾养分含量比较低，各林分间含量不同，其中阔叶林含量相对要高于其他林分。

2．3．2 土壤速效养分 土壤速效氮、磷、钾含量的高低，直接关系到土壤结构的好坏，土壤供肥能力的强弱［14］。由表4可以看出，各样地不同层次的土壤速效养分差异性明显，且随着土壤深度的增加而降低，其中第I表层土壤速效养分明显高于其他3层。根据全国土壤养分含量分级标准，3种水源涵养林土壤速效氮均属于稍缺（60～90mg／kg）；土壤速效磷均基本小于5mg／kg，属于缺或极缺；各林地土壤速效钾含量均小于50mg／kg，属于缺或极缺。

由以上分析可以看出，缙云山典型水源林地土壤速效养分含量非常低，尤其是速效P养分。对于这种土壤速效养分严重缺乏的情况，可以通过改良土壤酸化和补充氮磷钾等措施来达到提高速效养分水平的目的。

3 典型水源林保育土壤功能评价

林地土壤物理特征和化学特征的定性和定量分析结果显示，根据单指法很难判定出缙云山各水源涵养林保育土壤的好坏。目前，对林地土壤质量或健康评价的方法很多，本文采用多层次模糊评价法来判定各水源涵养林保育土壤的好坏。

3．1 原理和方法

（1）确定评判对象的因素集并将因素集按某种属性分成n个子集，记作X1，X2，…，Xn，满足：

设每个子集

（3）若xi中各因素的权重分配为ai＝（ai1，ai2，…，aini），这里∑n i＝1aij＝1，那么第一级综合评判为：b＝ai×Ri＝（bi1，bi2，…，bim），（i＝1，2，…，s）

（4）将每个xi作为一个元素看待，用b1作为它的单因素评判，这样R＝（b1，b1，…bi）T＝（bij）s×m（T表示转置），是｛x1，x2，…，xs｝的单因素评判矩阵，每个xi作为X中的一部分反映了X的某种属性。根据它们的权重分配a＝（a1，a2，…，as），于是有第二级综合评判b＝a×R＝（b1，b1，…，bm）。

（5）根据最大隶属法则，选取b中最大者为在同时考虑多种因素时土壤质量的评判等级。

3．2 综合评判

模糊综合评判的合成运算有若干种方法，各种方法有各自的特点和适用情形，常用的算法是主要因素决定型和加权平均型。采用加权平均决定型，b．M（．，）模型，其运算公式为：

（1）对各评价指标值进行标准化；（2）通过因子分析确定各评价指标的权重；（3）通过加权法计算各林分所有评价指标的累计得分。

根据缙云山水源涵养林土壤特性、评价指标筛选原则，选取毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重、黏粒含量、pH值、有机质、全效养分、速效养分为评价指标。将土壤评判因素集划分为3个子集，土壤物理因素＝（毛管孔隙度，非毛管孔隙度，容重，黏粒含量），化学因素＝（pH值），养分因素＝（有机质，全效养分，速效养分）。土壤各因素对其质量的影响是不同的，因此需要进行权重的分配，通过统计方法确定各因素的权重，各因素权重如表5所示。

表5 典型水源涵养林保养土壤功能评价因素权重

根据上述评判原理方法，可以得出各水源涵养林地林地综合得分大小依次为：针阔混交林（0．42）＞常绿阔叶林（0．39）＞竹林（0．32），说明各水源涵养林林地的保育土壤功能存差异，其中，针阔混交林的保育土壤功能最好，竹林最差。

4 结 论

（1）缙云山典型水源林地土壤容重有一定的差异，但各林地土壤容重均比较高，其中竹林群落容重相对较高，其大小顺序为：针阔混交林＜常绿阔叶林＜竹林；土壤总孔隙度差异不大，土壤孔隙性一般，其大小顺序依次为：针阔混交林＞常绿阔叶林＞竹林；土壤质地中砂粒含量比粉粒和黏粒要高。总的来说，不同植被类型对土壤物理性质影响不同，对土壤质量的影响也不同，但对比前人的研究结果，土壤物理性质变化不大，但有下降的趋势。

（2）缙云山典型水源林地土壤呈强酸性（pH值均在4左右），且土壤有机质含量多数处于稍缺或缺的状况，少数处于中等水平。土壤pH值大小顺序依次为：竹林＞针阔混交林＞常绿阔叶林，但各样地之间差异不明显；对于土壤有机质含量来说，各样地之间差异性比较明显；在土壤有机质积累方面，针阔混交林相对较好，而竹林群落相对较差。

（3）缙云山水源林地土壤全量养分含量较低，各林地间存在差异，其中针阔混交林、常绿阔叶林含量相对要高一点，其供氮能力要好一些；土壤速效养分含量低，基本属于稍缺或缺，土壤速效磷和土壤速效钾含量均属于稍缺或缺。

（4）缙云山水源涵养林林地的保育土壤功能存在差异，其中针阔混交林水源林的土壤生态功能最好，常绿阔叶型水源林次之，以竹林总体相对较差，这与前人研究结果一致。

总的来说，对比分析前人研究结果，缙云山水源涵养林土壤质量稍微有下降的趋势，虽然不是很明显（p＞0．05），但当地政府也应该加强对缙云山水源涵养林的管理，适当的增加针阔混交林，改善土壤质量，尽早控制这种趋势。

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