贵州喀斯特高原区几种灌木对土壤水分和物理性质的影响

杨 瑞，莫红林 ，李光容，喻理飞，戴全厚

（贵州大学 a. 林学院；b生命科学学院，贵州 贵阳 550025）

贵州喀斯特高原区几种灌木对土壤水分和物理性质的影响

杨 瑞a，莫红林a，李光容a，喻理飞b，戴全厚a

（贵州大学 a. 林学院；b生命科学学院，贵州 贵阳 550025）

对贵州喀斯特高原区的堆花小檗、小叶平枝栒子、矮生栒子3种灌木及无植被生长的土壤（0～20 cm）水分物理性质进行了研究。结果表明：（1）土壤容重大小依次为：无植被＞矮生栒子＞堆花小檗＞小叶平枝栒子，且变化差异极显著；（2）土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度的大小变化及相互间的变化差异显著性规律不一致；（3）土壤最大持水量，毛管持水量及最小（田间）持水量均表现出相同的规律，即：小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被，但相互间的变化差异显著性规律不一致；土壤蓄水量的大小顺序表现为：堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被，其中堆花小檗与小叶平枝栒子的变化差异不显著，堆花小檗、小叶平枝栒子与矮生栒子和无植被变化差异均极显著，矮生栒子与无植被变化差异显著。

灌木；土壤水分物理性质；喀斯特高原区；贵州

在陆地生态系统中，土壤是森林生态系统的重要组成部分，与森林群落相辅相成，不仅是森林植物发挥水文调节作用的重要场所，而且是森林群落发生和发展的重要物质基础，反之森林植物对土壤的性质及肥力状况等具有重要的影响。土壤水分是植物养分运转的载体和溶剂，通气性的调节剂以及土壤中有毒物质的稀释剂，制约着土壤的肥力水平，进而影响植物的生长，也是土壤径流的有效供源，是流域水量平衡乃至水文循环中的重要因子，是生态系统中最活跃、最有影响的因素之一[1-3]。土壤层的水文生态作用，常因土壤类型、植物生物学生态学特性、人为干扰等的差异性，表现出不同的效应特征[3-7]。土壤物理性质不仅决定了土壤中水、气、热和生物状况，而且对土壤蓄水保肥能力、土壤养分的利用和吸收具有重要的影响，是气候、植被、地形及地质等自然条件综合作用的结果，常被作为土壤质量评价的重要指标[8-9]。以贵州高原为中心的西南喀斯特地区是世界上喀斯特面积分布最大、最集中、发育最强烈的地区，因其脆弱的生态环境，再加上人为活动的干扰，导致喀斯特区植被严重退化，土壤侵蚀严重，甚至形成了岩石大量裸露的石漠化景观。喀斯特地区石漠化是制约我国西南地区经济发展的重要因素，水分变化是喀斯特石漠化的驱动力，喀斯特区土壤水分的亏缺是植被恢复的主要限制因子。威宁草海属长江水系，是金沙江支流横江的上源湖泊，是贵州高原上最大的天然淡水湖泊，湖区四周环山，由于湖区周围人口众多，密度大，人类活动频繁，森林植被遭受破坏严重，人类活动对草海自然生态环境产生了巨大的压力和冲击。本研究选择威宁草海喀斯特区不同灌木下的土壤水分物理性质进行研究，旨在揭示其不同灌木下的土壤水分变化规律，为喀斯特高原区的森林植被恢复与重建提供一定的依据。

1 研究区自然概况

研究区位于威宁草海自然保护区，于云贵高原乌蒙山区的贵州省威宁彝族回族苗族自治县 县 城 西 南 侧 (104°12′～ 104°18′E，26°49′～26°53′N)，地处云贵高原中部乌蒙山脉之腹地，是贵州最大的淡水天然湿地湖泊，也是一种典型的高原喀斯特湿地生态系统。虽然草海自然保护区地处热带湿润季风气候区，但因海拔较高，气候实际上为高原性湿地气候，具有长冬无夏、干湿季分明、光照充足的特点。年平均气温10.6 ℃，7月份平均气温最高为17.7 ℃，1月份平均气温为1.9 ℃，极端最低气温-13 ℃，极端最高气温32.3 ℃，年平均降雨量950.9 mm，5～10月份为雨季，其降雨量占全年总量的88%，11月至次年4月份为旱季，降雨量仅占全年总量的12%。草海保护区下伏地层主要以石炭系灰岩为主，地质构造为短轴背斜，轴线近东西向，经侵蚀、溶蚀轴线为中心的溶蚀盆地，边缘多为石灰岩丘陵。该区土壤有黄棕壤、沼泽土、石灰土等。保护区周围由于人为活动的影响和破坏，植被类型为针叶林、针阔混交林、次生灌丛、灌草坡等[10-12]。

2 调查研究方法

选择研究区域的喀斯特地貌上，分别生长有堆花小檗Berberis aggregata、小叶平枝栒子Cotoneaster horizontalisvar.perpusillus和矮生栒子Cotoneaster dammerii3种不同灌木的代表性地段，且这些小灌木在地表生长的覆盖率均为100%，割除其地表灌木，挖出土壤剖面，把灌木生长的原状土分成0～10 cm和10～20 cm两个层次，采用环刀法对不同层次的土壤进行原状土的收集，每个层次重复6次，同时在研究区域内选择没有任何植物生长的原状土壤进行取样对照。将取回的土样参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》，依据LY/T 1215-1999，采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙、毛管孔隙、毛管持水量、最小（田间）持水量、最大持水量[13]。土壤最大蓄水量用下式[14-16]进行计算，即：土壤最大蓄水量(t/hm2)=土壤总孔隙度×10 000 m2×土壤深度。

3 结果分析

3.1 土壤容重的变化

土壤容重作为最基本的土壤物理性质之一，是土壤物理性质的一个重要指标，综合反映了土壤的质地、松紧程度、孔隙状况，通气性和植物根系生长的阻力等。从图1可看出，堆花小檗、小叶平枝栒子、矮生栒子3种灌木下的土壤容重均随着土壤深度的增加而增加，而无植被的土壤容重变化则相反；在0～10 cm和10～20 cm两个土层中，土壤容重的大小顺序均表现为无植被＞矮生栒子＞堆花小檗＞小叶平枝栒子。对不同灌木下的0～20 cm整个土层的土壤容重进行多重比较（LSD）分析，不同灌木下的土壤容重变化差异均达到极显著水平。这说明不同灌木根系对土壤的熟化程度间差异极显著，无植被状况下的土壤容重最大，不同植物根系对土壤熟化程度具有重要的改造作用，土壤容重小的原因可能是由植物根系对土壤的改良形成腐质积累的结果。

3.2 土壤孔隙度的变化

土壤孔隙度是土壤有机质中水分、空气、水分、微生物等迁移活动的通道和储存的场所，土壤孔隙度的数量、大小及分配直接影响了土壤的通气透水性和植物根系穿插的难易程度。表1是不同灌木下的土壤孔隙度的变化。土壤总孔隙度的变化如下，在0～10 cm的土层中，总孔隙度的大小顺序表现为小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被；在10～20 cm的土层中，总孔隙度的大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被。在0～20 cm整个土层的总孔隙度均值分别为53.98%，53.95%，47.95%，44.58%，大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被；对整个土层的总孔隙度变化进行多重比较（LSD）分析，小叶平枝栒子与堆花小檗下的土壤总孔隙度变化差异不显著，小叶平枝栒子、堆花小檗与矮生栒子和无植被状况下的土壤总孔隙度变化差异均达到极显著水平，矮生栒子与无植被状况下的土壤总孔隙度变化差异不显著。

非毛管孔隙度是土壤重力水移动的主要通道，在土壤水分的调节过程中具有十分重要的作用。非毛管孔隙度越大，表明土壤中有效水的贮存容量越大，可吸持的无效水容量小。在0～10 cm的土层中，非毛管孔隙度的大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞无植被＞矮生栒子，在10～20 cm的土层中，非毛管孔隙度的大小顺序表现为堆花小檗＞矮生栒子＞无植被＞小叶平枝栒子。在0～20 cm整个土层的非毛管孔隙度均值的大小顺序为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被；对整个土层的非毛管孔隙度进行多重比较（LSD）分析，堆花小檗与其它3种类型的土壤非毛管孔隙度变化差异达到极显著水平，而小叶平枝栒子、矮生栒子和无植被状况下3种类型的土壤非毛管孔隙度变化差异均不显著。

图1 不同灌丛下土壤容重的变化Fig. 1 Variation of soil bulk density under different bushes

毛管孔隙度主要用于植物根系的吸收和土壤的蒸发，是土壤水分流通和蒸发的孔道，对于土壤蒸发和植物吸收土壤水分具有重要意义。0～10 cm和10～20 cm两个土层中，毛管孔隙度的大小顺序表现为小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被。在0～20 cm整个土层中的毛管孔隙度均值分别为48.53%，52.11%，46.49%，43.17%；对整个土层的毛管孔隙度变化进行多重比较（LSD）分析，小叶平枝栒子与堆花小檗的土壤毛管孔隙度变化差异显著，与矮生栒子和无植被状况下的土壤毛管孔隙度变化差异达到极显著水平，堆花小檗与矮生栒子的土壤毛管孔隙度变化差异不显著，与无植被状况下的土壤毛管孔隙度变化差异达到极显著水平，矮生栒子与无植被状况下的土壤毛管孔隙度变化差异达显著水平。

表1 不同灌丛下土壤孔隙度的变化Table 1 Variations of soil porosity under different bushes

3.3 土壤持水性能的变化

植物的生长发育对土壤质地具有重要的影响，土壤持水性能与土壤质地有密切的关系，能直接影响土壤抗水蚀的能力，不同植物类型，影响土壤质地的差异性，从而对土壤持水量产生相应的影响。不同灌木下的土壤持水性能变化见表2。

表2 不同灌丛下土壤持水性的变化Table 2 Variations of soil water holding capacity under different bushes

不同灌木下土壤最大持水量，毛管持水量及最小(田间)持水量的大小关系表现出相同的变化规律，在0～10 cm和10～20 cm两个土层中，其数值的大小顺序均表现为小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被。最大持水量在0～ 20 cm整个土层中的均值分别为 477.92 g·kg-1，496.35 g·kg-1，343.31 g·kg-1，309.96 g·kg-1，对土壤最大持水量进行多重比较（LSD）分析，小叶平枝栒子与堆花小檗下的土壤最大持水量变化差异不显著，小叶平枝栒子、堆花小檗两种灌木下的土壤最大持水量均与矮生栒子和无植被状况下的土壤最大持水量变化差异极显著，矮生栒子与无植被状况下的土壤最大持水量变化差异达到显著水平。在0～20 cm整个土层中毛管持水量均值分别为478.58 g·kg-1，429.22 g·kg-1， 332.84 g·kg-1，297.53 g·kg-1，对土壤毛管持水量进行多重比较（LSD）分析，4种类型下的毛管持水量变化差异均达到极显著水平。在0～20 cm整个土层中最小（田间）持水量均值分别为342.33 g·kg-1，419.08 g·kg-1，306.10 g·kg-1，263.18 g·kg-1，对土壤最小（田间）持水量进行多重比较（LSD）分析，小叶平枝栒子与其它3种类型的最小（田间）持水量变化差异均达到极显著水平，堆花小檗与矮生栒子的最小（田间）持水量变化差异达到显著水平，与无植被状况下的最小（田间）持水量变化差异达到极显著水平，矮生栒子与无植被状况下的最小（田间）持水量变化差异达到显著水平。

在贵州喀斯特地区，由于岩石的裸露，土层浅薄、土被的不连续性，土壤水分的亏缺的时空异质性对森林植被的恢复具有重大的影响，改善土壤的蓄水性能是保证造林成活的关键，是评价喀斯特区水资源涵养效能和调节水分循环的重要指标。土壤的最大蓄水量取决于土壤的孔隙度及土层厚度，在0～20 cm整个土层中的土壤最大蓄水量值分别为1 079.62 t/hm2，1 078.98 t/hm2，959.07 t/hm2，891.59 t/hm2，其数值的大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被，对土壤最大蓄水量进行多重比较（LSD）分析，堆花小檗与小叶平枝栒子的土壤最大蓄水量变化差异不显著，堆花小檗、小叶平枝栒子与矮生栒子和无植被状况下的土壤最大蓄水量变化差异均达到极显著水平，矮生栒子与无植被状况下的土壤最大蓄水量变化差异达到显著水平。

4 结 论

喀斯特高原区几种不同灌木下在0～20 cm土壤层次中土壤容重均值的大小顺序表现为无植被＞矮生栒子＞堆花小檗＞小叶平枝栒子，且不同类型土壤容重变化相互之间均达到极显著水平。

在0～20 cm的土壤层次中，不同孔隙度均值的变化规律分别如下：土壤总孔隙度的大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被，但小叶平枝栒子与堆花小檗变化差异不显著，小叶平枝栒子、堆花小檗与矮生栒子和无植被变化差异均达到极显著，矮生栒子与无植被变化差异不显著。土壤非毛管孔隙度的大小顺序为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被，其中堆花小檗与其它3种类型的变化差异极显著，而小叶平枝栒子、矮生栒子和无植被3种类型下变化差异均不显著。毛管孔隙度的大小顺序均表现为小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被，其中小叶平枝栒子与堆花小檗的变化差异显著，与矮生栒子和无植被变化差异极显著，堆花小檗与矮生栒子变化差异不显著，与无植被变化差异极显著，矮生栒子与无植被的变化差异显著。

土壤水分的多少是贵州喀斯特区植被恢复成败的关键，喀斯特区几中不同灌木下0～20 cm土壤层次中的土壤最大持水量，毛管持水量及最小（田间）持水量表现出相同的规律，其大小关系依次表现为小叶平枝栒子＞堆花小檗＞矮生栒子＞无植被；但不同持水量值变化差异显著的规律不一样，土壤最大持水量变化中小叶平枝栒子与堆花小檗变化差异不显著，小叶平枝栒子、堆花小檗均与矮生栒子和无植被的变化差异极显著，矮生栒子与无植被变化差异显著；土壤毛管持水量变化差异均达到极显著水平；最小（田间）持水量变化中小叶平枝栒子与其它3种类型变化差异极显著，堆花小檗与矮生栒子的变化差异显著，与无植被变化差异极显著，矮生栒子与无植被变化差异显著。土壤最大蓄水量值分别为1 079.62 t/hm2，1 078.98 t/hm2，959.07 t/hm2，891.59 t/hm2， 其 蓄水量的大小顺序表现为堆花小檗＞小叶平枝栒子＞矮生栒子＞无植被，其中堆花小檗与小叶平枝栒子的变化差异不显著，堆花小檗、小叶平枝栒子与矮生栒子和无植被变化差异均极显著，矮生栒子与无植被变化差异显著。

[1] 田大伦,陈书军.樟树人工林土壤水文——物理性质特征分析[J].中南林学院学报,2005,25(2):1-6.

[2] 张光灿,夏江宝,王贵霞,等.鲁中花岗岩山区人工林土壤水分物理性质[J].水土保持学报,2005,19(6):44-48.

[3] 胡海清,刘 洋,孙 龙,等.火烧对不同林型下森林土壤水分物理性质的影响[J].水土保持学报,2008,22(2):162-165.

[4] 杨 弘,李 忠,裴铁璠,等.长白山北坡阔叶红松林和暗针叶林的土壤水分物理性质[J].应用生态学报,2007,18(2):267-271.

[5] 王 风,韩晓增,李海波,等.不同黑土生态系统的土壤水分物理性质研究[J].水土保持学报,2006,20(6):67-70.

[6] 王 燕,王 兵,赵广东,等.江西大岗山3种林型土壤水分物理性质研究[J].水土保持学报,2008,22(1):151-153.

[7] 林建椿.枫香与杉木、马尾松混交林土壤水分物理性质的研究[J].亚热带水土保持,2007,19(3):1-3.

[8] 孟好军,刘贤德,张宏斌,等.祁连山人工林凋落物和土壤水分特性的研究[J].中南林业科技大学学报,2013,33(2):11-15.

[9] 周 玮,朱 军,吴 鹏,等.杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究[J].中南林业科技大学学报,2012,32(5):92-96.

[10] 李宁云,田 昆,肖德荣,等.草海保护区功能分区与生态环境变化的关系研究[J].水土保持研究,2007,14(3):67-69.

[11] 周国富.草海自然保护区土地利用调整之生态经济对策[J].贵州师范大学学报自然科学版,2001,19(1):1-5.

[12] 吴 华,张建利,范怡雯,等.草海流域植物群落结构数量分类与排序[J].南京林业大学学报自然科学版,2013,37(3):47-52.

[13] LY/T1215-1999,森林土壤水分—物理性质测定[S].北京:中国标准出版社出版,1999.

[14] 马维伟,王 辉,王修华,等.甘南尕海不同湿地类型土壤物理特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报, 2012, 26(4):194-198.

[15] 孙艳红,张洪江,程金花,等.缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报,2006,20(2):106-109.

[16] 巍 强,张秋良,代海燕,等.大青山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报,2008,22(2):111-115.

Effects of different types of shrubs on forestland soil hydro-physical properties in Guizhou Karst Plateau

YANG Ruia, MO Hong-lin, LI Guang-rong, YU Lifeib, DAI Quan-houa
(a. College of Forestry; b. College of Life Science; Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China)

The soil’s (0 ～ 20cm) hydro-physical properties underBerberis aggregate,Cotoneaster horizontalisvar.perpusillus,Cotoneaster dammeriiforests and no bushes soil in Guizhou karst plateau area were investigated and studied. The results show as follows:(1) The soil bulk density values of the forest soil types ranked from high to low as follows: no bushes＞C. dammerii＞B. aggregata＞C.horizontalisvar.perpusillus, and the difference of soil bulk density values of each type varied extremely. (2) The regularity of size changes and difference changes inter the three porosity indexes of total porosity, non-capillary porosity and capillary porosity were not consistent. (3) The regularity of max moisture capacity, capillary moisture capacity and fi eld moisture capacity in the four types soils showed the same rules, they ordered from big to small as:C. horizontalisvar.perpusillus＞B. aggregate＞C. dammerii＞ no bushes,but the change differences of each types soils was not consistent; The water conservation capacity from high to low wasB. aggregate＞C.horizontalisvar.perpusillus＞C. dammerii＞ no bushes; Of them, the change difference betweenB. aggregataandC. horizontaliswas not signif i cant, the change differences amongB. aggregataorC.horizontalisandC. dammeriior no bushes were extremely signif i cant,and the change difference betweenC. dammeriiand no bushes was signif i cant.

shrubs; soil water physical property; karst plateau; Guizhou province

S718.51

A

1673-923X(2015)04-0078-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.014

2014-01-16

国家科技支撑计划项目“高原湿地退化生态系统植被恢复技术研究及示范”（2011BAC02B0203-02）；“西南喀斯特森林多目标经营技术与效益评价”（2012BAD22B0104）；贵州省科技计划项目“喀斯特森林冠层结构与优化配置研究”（黔科合SY字[2013]3165号）；贵州大学引进人才项目“光皮桦在不同光环境中的树冠特征变化”（贵大人基合字（2012）003号）

杨 瑞，副教授，博士；E-mail：yr553017@163.com

杨 瑞, 莫红林, 李光容, 等. 贵州喀斯特高原区几种灌木对土壤水分物理性质的影响[J].中南林业科技大学学报,2015,35(4):78-82.

[本文编校：文凤鸣]