关帝山林区典型森林土壤物理性状分析

白秀梅，张勇，肖明涛

(1.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030800；2.山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030013)

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分,是林木赖以生存的物质基础。不同的森林植被下土壤具有不同的理化性状，研究不同森林植被下土壤理化性状的差异对了解森林与土壤之间的关系以及森林的更新、恢复与重建等都具有极其重要的意义。

关帝山林区位于山西省西部，是汾河主要支流——文峪河的发源地，区内有华北高海拔地带的代表性森林植被。这里的森林植被承担着保土蓄水、维护地区生态环境的重要职责。对该地区森林资源的研究已经取得了很多成果，但主要集中在关帝山植物群落多样性[1,2]、林地枯落物特性[3]及林地土壤有机碳、氮含量[4,5]等方面，对不同林型土壤的剖面物理性状研究较少。以关帝山林区内的典型森林土壤为研究对象，对不同森林植被下土壤的剖面构型及各层土壤的物理特性进行测定与分析，旨在揭示不同森林植被与土壤物理性状之间的关系，为森林土壤资源的科学管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

关帝山林区位于山西省西部吕梁山脉中段，地理坐标为111°21′～111°37′E，37°45′～37°59′N，海拔1600～2830 m，属暖温带大陆性山地气候区。年平均气温4.3℃。年平均降水量822.6 mm，降雨多集中在7～9月，该时段降水量为全年降水量的83%以上。该区是山西省的暴雨多发区。

关帝山林区内的优势乔木树种为华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(包括青杄(Piceameyeri)和白杄(P.wilsonii)、辽东栎(Quercusliaotungensis)、桦木(包括白桦(Betulaplatyphlla)和红桦(B.albo-sinensis))、和山杨(P.davidiana)等，林相较为整齐。土壤类型从低海拔到高海拔依次为山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亚高山草甸土。林下灌草植被因乔木层林冠郁闭度的差异而不同。

1.2 样地设置与调查

2013年6月中旬，在关帝山林区八道沟内选取具有代表性的华北落叶松人工林、天然次生杨桦阔叶林、天然次生云杉—华北落叶松—杨桦针阔混交林(以下简称针阔混交林)、人工沙棘灌木林等4种植被类型，并在各类型内选取坡向、坡度、坡位基本一致的地段设立标准样地(40 m×50 m)[6]，每块样地内随机布点挖取3个土壤剖面，分析记录土壤剖面特性，并按由下向上的顺序分层取环刀土样和采集混合样(每一土层重复采样3次，混匀)，带回实验室分析。各标准地基本特征见表1。

表1 标准地基本情况

1.3 土壤物理性质指标测定

经挖剖面分析发现，各林地平均土层厚度约85 cm，所以按0～20、20～40、40～60和60～85 cm 4个层次采集土壤样品。土壤机械组成测定采用比重计法，土壤容重用环刀法，毛管孔隙度测定采用环刀浸透法，风干团聚体含量测定采用沙维诺夫[7]干筛法，水稳性团聚体含量采用Yoder[7]湿筛法。

团聚体结构破坏率=[干筛(>0.25 mm团聚体)-湿筛(>0.25 mm团聚体)]/干筛(>0.25 mm团聚体)×100%；土壤蓄水量S=10000×H×P进行计算，式中：S-土壤蓄水量/t·hm-2，H-土层厚度/cm，P-孔隙度/%。

2 结果与分析

2.1 不同林分下的土壤剖面构型分析

森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，在与外界环境进行物质和能量交换的同时，其内部不断进行着物质的分解、合成、转化与迁移，经长期演化形成一定的土壤剖面构型，所以，植被、地形、气候等自然因素以及人为活动都会影响到剖面构造特征。通过对关帝山林区典型植被下的土壤剖面观察发现，在地形坡度较小的阴坡、半阴坡，土壤剖面构型主要为正常发育剖面，有明显的枯落物层、腐殖质层、淀积层和母质层，多呈A00-A0-A-B-C-R或A00-A0-A-(B)-C-R构型，一般A00层厚3～10 cm，A0层1～8 cm，A层厚度约13～22 cm，B层约15～30 cm，C层约30～55 cm，林下土层厚度一般为65～110 cm。在不同植被类型之间，土壤剖面构型略有差异。

由于枯落物层主要由凋落物的枝、叶、皮、花、果实和种子等组成，对降雨的二次分配有着重要的作用，所以森林枯落物的类型、组成、现存量等因素对评价森林水源涵养功能有十分重要的影响[6]。枯枝落叶的分解转化为土壤提供了大量的养分，能改良土壤理化性状。由表2可见，所选样地的平均枯落物厚度依次为针阔混交林(9.4 cm)>华北落叶松林(8.5 cm)>杨桦阔叶林(6.7 cm)>沙棘灌木林(4.8 cm)，不同植被类型之间差异较为明显。

森林土壤的腐殖质层是直接发育在枯枝落叶层下通过有机质的积累作用形成的，是土壤剖面中最重要的土层，它不仅是土壤养分的重要来源，更重要的是它可以改善土壤结构和通透性[8]，一般情况下，其发育程度因植物种类和水热条件而有很大的差异。不同植被类型剖面淋溶层(也叫腐殖质层)厚度依次为：针阔混交林(21.4 cm)>杨桦阔叶林(17.8 cm)>华北落叶松林(17.3 cm)>沙棘灌木林(15.7 cm)(表2)。

表2 不同植被类型下枯落物及腐殖质层厚度

2.2 不同林分类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与通气性，该值的大小可以说明土壤涵蓄水分以及供应树木生长所需水分的能力，而土壤孔隙状况则直接影响着土壤的通透性及根系穿插的难易程度，对土壤中水、肥、气、热以及生物活性等发挥着不同的功能[9]。

由表3可见，各林分土壤容重和孔隙度的变化趋势大致相同，即随着土壤深度的增加，容重逐渐增加，总孔隙度和毛管孔隙度逐渐减小。各林分土壤B层(20 cm)以下土层的土壤容重均大于1.19 g·cm-3，主要是因为关帝山地区森林土壤B层(淀积层)以下多为紧实的砂壤土质地为主。针阔混交林和沙棘灌木林下表层土壤容重及整个土层容重的平均值最小，说明混交林和沙棘灌木林下土壤较疏松、通气性能好，具有较高的水源涵养和水土保持功能。沙棘灌木林地和其他林地比较，在同等郁闭度下虽然其枯落物量最少，但其表层土壤内根系分布较多，根系分泌物较多，且其根系有很好的固氮作用，能对土壤起到很好的改良作用。

由表3可见，各林地土层平均孔隙度大小依次为：针阔混交林>沙棘灌木林>杨桦阔叶林>华北落叶松林。毛管孔隙度除针阔混交林(39.71%)较大外，其他林地之间没有明显差异，而沙棘灌木林的非毛管孔隙度(14.19%)最大。各土层饱和蓄水量和毛管蓄水量的变化趋势分别与相应土层总孔隙度及毛管孔隙度的变化趋势一致。

在4种林地土壤中，混交林下各层土壤的孔隙状况和蓄水能力均较好，这是因为针阔混交林林型复杂，林下又有较多灌木和草本覆盖，土壤表层根系发达，枯落物输入量多，土壤有机物含量及分解和转化较快，所以其土壤剖面物理性状也最好。相比而言，华北落叶松人工林土壤容重、孔隙状况及土壤蓄水能力均较差，野外调查结合相关的实验室分析得出，华北落叶松人工林样地郁闭度较高，林下植被主要以一些耐阴的草本为主，林型相对单一，地表枯落物输入量单一且多含难以分解的木质素、单宁、树脂和蜡质等物质，使得该植被类型下的土壤有机碳和总氮含量较少且分解转化较慢，不利于土壤良好结构体的形成，影响了该类型土壤的物理性状。

2.3 不同林分类型土壤结构体分布

土壤结构是土壤的矿质土粒和土壤有机物质以不同方式粘结或胶结在一起形成的不同形状和大小的土壤结构体，一般将直径在0.25～10 mm的近似圆球的土壤结构体称作土壤团聚体，它是构成土壤结构的基本单元，是决定土壤肥力状况的重要因素[10]。团聚体的大小分布及稳定性在维持土壤孔隙、调节土壤水气矛盾、促进植物根系生长和防治土壤侵蚀退化方面发挥着重要作用。通过干筛可获得土壤团聚体总数，不同粒级土壤团聚体含量反映团聚体的机械稳定性，即团聚体抵抗外力免被压碎或抵抗外部环境变化而保持原有形态的能力。湿筛法得到的是土壤水稳性团聚体，>0.25 mm水稳性团聚体含量对保持土壤结构的稳定性有重要作用，同时也是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一。

表3 不同林地土壤的孔隙状况与蓄水能力

挖剖面分析发现土壤团聚体主要分布于剖面A、B层，所以选取0～20 cm和20～40 cm两土层取样分析其土壤团聚体含量及其稳定性。

由表4可见，不同林地0～20 cm土层>0.25 mm风干土壤团聚体含量表现出较大差异，针阔混交林的风干团聚体含量最高，为93.10%，其次是杨桦阔叶林(87.92%)，而华北落叶松林和沙棘灌木林之间差异不显著；在20～40 cm土层内，针阔混交林土壤风干团聚体含量最高，达76.88%，而其他3种林分之间差异不显著；同一林分内，随着土层加深风干团聚体含量都呈现减少的趋势。这表明，林木覆盖下土壤团聚体含量普遍较高，尤其是对土壤表层团聚体含量的增加效果更明显；在几种林分类型中，针阔混交林的作用是最显著的。

>0.25 mm水稳性团聚体以及团聚体结构体破坏率与土壤抗侵蚀性密切相关，>0.25 mm水稳性团聚体含量越高，土壤的通气透水性越好，抗蚀能力越强；团聚体结构体破坏率越低，说明团聚体的水稳定性越强，土壤具有较强的抵抗水的分散、悬移的能力。由表4可见，各林地0～20 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体含量均较高(45.92%～60.67%)，但不同林分之间存在差异，依次为：针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林。20～40 cm土层和0～20 cm土层相比较，水稳性团聚体含量都有不同程度的减少。用土壤团聚体破坏率分析，土壤团聚体稳定性顺序为：针阔混交林>沙棘灌木林>杨桦阔叶林>华北落叶松林。针阔混交林下土壤的团粒结构和水稳性团聚体含量占绝对优势，其土壤结构状况明显优于其他林下的土壤结构状况，在4种森林类型中，华北落叶松林的土壤结构性最差。

表4 不同林地土壤团聚体含量及稳定性指标

注：同一列同一土层不同小写字母表示不同林分类型间差异显著(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 结论与讨论

对研究区内4种典型森林土壤进行剖面分析表明：各林地土壤剖面发育均属良好，均有明显的枯落物层、腐殖质层、淀积层和母质层。不同林地枯枝落叶层的厚度差异显著，其厚度依次为：针阔混交林(9.4 cm)>华北落叶松林(8.5 cm)>杨桦阔叶林(6.7 cm)>沙棘灌木林(4.8 cm)，凋落物层越厚，越有利于土壤功能的发挥。

各森林土壤容重和孔隙度的变化趋势大致相同，即随着土壤深度的增加，容重逐渐增加，总孔隙度和毛管孔隙度逐渐减小。针阔混交林和沙棘灌木林下表层土壤容重及整个土层容重的平均值最小，土壤孔隙状况及蓄水能力也较好；华北落叶松人工林土壤容重、孔隙状况及土壤蓄水能力均较差；毛管孔隙度除针阔混交林(39.71%)较大外，其他林地之间差异不明显，而沙棘灌木林(14.19%)的非毛管孔隙度最大。各土层饱和蓄水量和毛管蓄水量的变化趋势分别与相应土层总孔隙度及毛管孔隙度的变化趋势一致。

用干、湿筛团聚体含量及团聚体破坏率分析评价土壤剖面结构性：针阔混交林下土壤的团粒结构和水稳性团聚体含量占绝对优势，其土壤结构稳定状况明显优于其他林下的土壤结构状况，华北落叶松林的土壤结构性较差。

从本次分析结果看，林木起源(天然次生林和人工林)对于土壤的理化性状，如林下枯落物厚度、林地土壤孔隙度、容重等方面的影响并不明显。有关林木起源对于土壤的理化性状的影响是否显著，尚待进一步的研究。

林地开挖剖面需工量大，剖面数量有限，使得准确度存在一定的缺陷，但是对于土壤剖面特征的调查分析具有简单和直观的优点，对于森林土壤健康评价以及指导林业生产是非常有价值的。另外，本研究仅对关帝山林区内进行了一次性的取样分析，若能对该区不同林分下土壤进行长期定位调查分析，并结合当地森林植被类型进行综合研究，则可以了解各森林土壤的动态变化，揭示不同林分对土壤理化性状的影响。

参 考 文 献

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