喀斯特石漠化区顶坛花椒林地土壤水分物理性质变化

宋林松，汪　京，王　棋，杨　瑞，张玉武

(1贵州大学林学院，贵州　贵阳　550025；2贵州省生物研究所，贵州　贵阳　550009)



喀斯特石漠化区顶坛花椒林地土壤水分物理性质变化

宋林松1，汪京1，王棋1，杨瑞1，张玉武2

(1贵州大学林学院，贵州贵阳550025；2贵州省生物研究所，贵州贵阳550009)

摘要：生态经济型植物的种植是喀斯特石漠化区植被恢复的有效措施，顶坛花椒是贵州花江喀斯特石漠化综合治理区种植最为广泛的植物。本文以顶坛花椒作为研究对象，分析不同径阶顶坛花椒对土壤水分物理性质的影响，研究结果表明：1)在不同深度土壤密度的变化中，2、8径阶土壤密度变化差异不显著，4、6、10径阶土壤密度变化差异显著；在不同径阶土壤密度变化比较中，2、4、6、8径阶土壤密度变化差异不显著，而10径阶的土壤密度与其它各径阶存着显著差异变化。2)从土壤孔隙度来看，8径阶土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度值都最大， 10径阶值都普遍偏小，土壤总孔隙度的具体顺序为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶。3)从土壤含水率、从田间含水量、最大持水率、毛管持水率等蓄水特性来看，各径阶顶坛花椒持水能力顺序均为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶，其变化规律与土壤孔隙度变化一致。

关键词：喀斯特；石漠化区；径阶；顶坛花椒；土壤水分物理性质

喀斯特石漠化是指喀斯特地区因水土流失严重造成土地退化、基岩裸露、土地生产力急剧降低、形成荒漠景观的过程[1]。脆弱生态地质背景和人类活动的共同作用是这个过程中的主导因素，强烈的岩溶化过程是其产生的主要自然原因，而人类对生态的破坏和土地的不合理利用则激发了这一过程，最终导致生态环境等问题的产生[2]。喀斯特地区的石漠化过程造成了包括水土流失、河道淤积和自然灾害频繁，耕作土壤流失和非地带性干旱在内的生态环境问题[3]。针这些问题，研究人员对石漠化成因，石漠化触发模型，退化过程以及治理对策[4—10]都进行了深入研究。其中，群落系统的植被严重退化，造成的水土流失又导致石漠化区域的发展陷入了“人口增加→陡坡开荒→植被减少、退化→水土流失加重→石漠化→贫困”的恶性循环是石漠化问题中的关键问题[11]。

花江喀斯特峡谷区是贵州省石漠化问题最为突出的地区之一，为治理该地区石漠化，研究人员在该地区建立了花江喀斯特石漠化综合治理区[2]。科研人员在花江喀斯特石漠化治理区进行社会经济调研后，提出了一系列的生态经济型植物搭配种植模式，并认为在石漠化地区种植经济林在注重经济效益的同时，还要重视其生态效益的发挥[12—14]。在这些植物配置模式中，顶坛花椒(zanthoxylumplanispinumvar.dingtanensis)由于其良好的经济效益而得到了广泛种植[15]。但是，要达到治理石漠化，防止水土流失的生态效益目的，就需要对栽植顶坛花椒对土壤水分物理性质的作用进行深入研究。本文通过运用径阶代替时间的方法，研究不同径阶花椒的土壤水分物理特征，探讨顶坛花椒的生长过程中土壤水分物理性质的变化，为顶坛花椒的经营、管理以及石漠化区植被的恢复与选择提供一定的理论依据。

1研究区概况

研究区位于贵州省境内贞丰县北盘江镇东北部的查耳岩村(25°39′22″N 105°38′21″E)，为典型的喀斯特峡谷地貌，地表起伏较大，海拔为370～1 473 m，相对高差达1 103 m，地表破碎、石漠化问题突出。该地区气候类型主要为半亚热带季风湿润气候，属于亚热带裸露型喀斯特峡谷生态环境，内区土壤以黄壤、黄色石灰土为主；年均温18.4 ℃，年总积温达6 542.9 ℃；年均降雨量1 100 mm，且时空分布不均，其中5—10月的雨量占全年总降雨的83 %。该地区靠近峡谷低地，冬季依托峡谷热流，气温较高，且长年无霜期较长，气温湿热。区内种植主要生态经济型植物有顶坛花椒、金银花(Lonicerafulvotomentosa)、砂仁(villousamomumfruit)等。

2调查研究方法

2.1土壤样品采集

在研究区对顶坛花椒生长状况进行详细调查的基础上，以2 cm为径阶(阶距)，在顶坛花椒林地分别选取2、4、6、8、10(上限排外法)径阶的林木，通过测量每棵树的地径来选择标准株，每一径阶取3棵标准株作为重复；对于每一棵待测标准株，在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土层厚度处用环刀进行取样，每一层取3个，林地标准株基本信息见表1。

表1　样地标准株基本信息

续表1

编 号植被类型地径树高冠幅中心点坐标海拔土壤类型HC81花椒纯林7.23.13.8525°39'20″N105°38'22″E760m黄壤、石灰土HC82花椒纯林8.12.44.125°39'20″N105°38'22″E760m黄壤、石灰土HC83花椒纯林7.93.23.125°39'20″N105°38'22″E760m黄壤、石灰土HC101花椒纯林10.73.53.225°39'20″N105°38'22″E760m黄壤、石灰土HC102花椒纯林10.13.43.325°39'20″N105°38'22″E760m黄壤、石灰土HC103花椒纯林10.83.13.625°39'22″N105°38'23″E760m黄壤、石灰土

2.2试验测定分析方法

本实验采用酒精燃烧法来测定土壤含水率，并结合森林土壤物理性质测定法(LY / T1210—1275—1999)测定不同径阶花椒的土壤水分物理性质[16]。土壤密度的计算公式为：

土壤密度=土壤容重 / (1—土壤总孔隙度)

采用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19.0软件对数据进行处理和方差分析，单因素方差分析中采用LSD方法进行差异显著性比较。

3结果与分析

3.1土壤密度的变化

土壤密度是土壤重要的物理性质之一，它直接影响到土壤孔隙度与孔隙度大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥气热变化，间接影响植物生长及根系在土壤中的穿插和活力大小[17]。图1表明，除4径阶和10径阶外，其余各径阶的土壤密度随土层的加深逐渐增大，并且4径阶、6径阶和10径阶花椒的

不同小写字母表示不同土层深度的土壤密度差异显著(p<0.05)，不同大写字母表示不同径阶间土壤密度的差异显著(p<0.05)Different small letters meant significant differences in soil density with different soil depths at 0.05 level，different capital letters meant significant differences in soil density between different diameters at 0.05 level.

图1不同径阶花椒的不同土壤深度的土壤密度

Fig.1Soil density of different soil depth in different diameter

不同土层间土壤密度存在显著差异，其中4径阶和10径阶的花椒林地20～30 cm层的土壤密度显著低于表层土壤，而6径阶的表层土壤却显著低于下层土壤。从不同径阶来的总体比较看，2、4、6、8径阶花椒的土壤密度变化差异不显著，但是它们与10径阶的土壤密度变化存在着显著差异，10径阶的土壤密度显著大于其它各径阶的土壤密度，原因可能与10径阶花椒林下的常年人为采集活动致使土壤紧压板结，以及10径阶花椒的根系生长已达极限，且根系分泌物积蓄迫使植株凋亡相关。

3.2土壤孔隙度的变化

土壤孔隙是土体内部的空隙，是土壤结构的重要组成部分，孔隙度的数量与孔隙大小分布及其连通性反映了土壤的持水保水性能，并通过影响土壤的通气透水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作用[18—19]。在土壤孔隙中，毛管孔隙的主要功能在于保水蓄水，用于植物根系吸收和土壤蒸发；非毛管空隙的主要功能是通道作用，它的大孔径特征为土壤提供了良好的下渗通道和暂时蓄水空间[20]。

表2　不同径阶花椒土壤孔隙度

续表2

不同径阶土层厚度/cm总孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%601058.05±3.80a47.14±2.89a10.91±2.87c102058.22±3.58a45.23±3.50b13.00±2.73a203056.19±3.56b45.03±3.78b11.16±2.00b平均值57.4945.8011.69801060.85±2.34a48.26±2.07a12.59±2.08a102059.68±2.57b48.46±2.53a11.22±2.95b203057.40±2.43c46.74±2.5610.66±1.60c平均值59.3147.8211.491001053.67±2.86a45.678±3.99a7.99±3.43ab102051.62±2.91b43.23±3.12b8.39±3.74a203049.60±1.67c42.30±3.09c7.29±3.32b平均值51.6343.747.90

由表2可以看出，随着土层深度的增加，不同径阶的花椒土壤总孔隙度都呈下降趋势，方差分析结果也表明不同土层厚度间存在显著差异。其中，减少幅度最小的是2径阶(0.67 %)，原因可能是因为它的生长年龄较小，根系还没有向下生长，以及栽植过程中人为对土壤造成松动而导致的各土层总孔隙相差不大；减少幅度最大的是4径阶(8.82 %)，原因可能为顶坛花椒的根系生长以及表层土的重力作用使下层土变得紧实。在0～10 cm与10～20 cm的土层中，总孔隙度的变化一致，都是8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶，在20～30 cm土层中，2径阶>8径阶>6径阶>10径阶>4径阶，原因可能是8径阶的花椒在0～20 cm的土层中由于其常年积累的枯叶凋落分解，形成了疏松多孔的土壤结构。在20～30 cm层，处于生长盛年期的8径阶花椒，其根系生长密集，侧根和须根生长旺盛，根系的穿插作用强，提高了土壤的总孔隙度，这和在取样过程中环刀中细根较多的现象相吻合[21]。在均值上，总孔隙度顺序为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶。总孔隙度值反映了土壤通气透气性能的强弱，也是土质结构优良的重要指标[22]。8径阶的花椒的总孔隙度最大，这说明8径阶花椒林下土壤结构疏松，具有良好的通透性，它们对土壤结构的改良效果最好，而10径阶的相比于其它径阶的花椒的总孔隙度偏小，且土层间数值差异较大，这可能与人为疏剪干枯树枝的踩踏相关。

毛管孔隙储存的水分可以供植物根系吸收或土壤蒸发，而非毛管孔隙除为饱和土壤水分提供通道外，还为水分的暂时储存提供了空间[23]。 从表2可以看出，除了6径阶非毛管孔隙外，各径阶花椒在毛管孔隙度与非毛管孔隙度均是表层大于下层。从均值来看，毛管孔隙度的变化为：8径阶>2径阶>4径阶>6径阶>10径阶，表明8径阶的花椒在蓄水能力上相对于其它径阶来说要好，能够在土壤水分蒸发后保留部分水分供植物根系吸收；同时，也表明其对土壤的持水特性有较好的改良效果。非毛管孔隙度的变化为：2径阶>6径阶>8径阶>4径阶>10径阶，说明2径阶的花椒在调节土壤的渗透能力以及对水分迁移的功能上相对于其它径阶的花椒来说更为有利。从毛管孔隙度和非毛管孔隙度两个综合分析来看，10径阶的花椒的土壤结构特性最差，原因可能是因为人们长年在树下采集花椒，踩踏土壤，以及其自身根系分泌物对自身毒害作用的加剧使得其趋于死亡，从而改变了其对林下土壤特性的影响[24]。

3.3土壤持水能力的变化

土壤水分是植物生长发育所需水分的主要来源，土壤水分的含量直接影响了植物的生长和产量，毛管水是土壤中可以移动的、对植物最有效的水分，土壤中毛管水达到最大数量时的土壤含水量称为田间持水量[25]。由表3可知，田间含水量与土壤含水率在不同径阶的土层之间的波动存在较大差异，方差分析中也表现出了显著差异。土壤含水量波动幅度最大的为8径阶(3.156 %)，最小的为6径阶(1.123 %)； 田间持水量波动幅度最大的为4径阶(6.062 %)，最小的为2径阶(1.292 %)，这表明在相同的田间管理和生长环境中，在6径阶到8径阶的生长过程中，花椒自身的生长对土壤产生了影响，这种影响造成了土层间含水率的波动，也正是这种影响使得土壤的水分物理性质得到了改善。从2径阶到4径阶的生长过程中，土层间田间持水量存在较大波动的原因可能为种植2径阶的顶坛花椒幼苗时对土壤造成的松动使得土层间持水率差异较小，而顶坛花椒从2径阶到4径阶的生长过程中，20～30 cm层的土壤受重力影响，变得紧实，田间持水量迅速降低，使得4径阶的花椒出现最大的变动幅度。从不同土层的均值来看，田间持水量与土壤含水率的大小顺序相同，顺序为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶，这与上述的最大持水率与毛管持水率相同排序，说明田间持水量与土壤含水率也随孔隙度和土壤密度的变化而变化。从数值上来看，2、4、6、8这几个径阶之间差异不大，而10径阶的相对较低，这说明10径阶的顶坛花椒林的土壤蓄水能力和持水特性相比于其它径阶效果要差。

其次，林地土壤贮水量能力反映森林涵蓄水分能力的重要指标之一[25]，从表3还可以看出，不同径阶的花椒随着土层的增加，最大持水率与毛管持水率随之而降低，其变化幅度分别为1.252 %～12.992 %、2.591 %～6.062 %；其中最大持水率变动幅度最小的是2径阶，最大的为4径阶，而毛管持水率变动幅度最大的为8径阶，最小的为2径阶，原因可能与不同土层间的孔隙度与容重产生的差异相一致，在孔隙度与容重的分析中，已经说明了这一点。最大持水率从各土层的均值来看，其顺序为：8径阶(63.910 %)>2径阶(63.197 %)>6径阶(57.183 %)>4径阶(55.337 %)>10径阶(43.381 %)，毛管持水率为：8径阶(52.997 %)>2径阶(51.317 %)>6径阶(46.244 %)>4径阶(44.719 %)>10径阶(35.443 %)，这与上述孔隙度与容重分析中的排序一样，再次证明最大持水率、毛管持水率与孔隙度之间存在显著的关联。通过方差对比分析发现，2、4、6、8径阶的花椒在最大持水率与毛管持水率上差异都不显著，而10径阶的花椒相比于其它径阶的来说就小了很多，这说明10径阶的花椒土壤持水性能相对较差，土壤的保水、供水能力有待提升，而8径阶的花椒相对来说最好，能够在土层中蓄存更多的水分，使土壤物理性质保持良性发展态势。

不同小写字母表示不同土层深度的土壤密度差异显著(p<0.05)(Different small letters meant significant differences in soil density at different soil depths(p<0.05))。

4结论与讨论

1)从土壤密度来看， 4径阶与6径阶以及10径阶的花椒不同土层间的土壤密度存在显著差异，4径阶和10径阶的花椒20～30 cm层的土壤密度显著低于表层土壤，而6径阶的表层土壤却显著低于下层土壤，这表明在花椒的生长过程中，下层土壤的密度发生了变化；径阶间的方差分析表明10径阶的林下土壤密度与其它径阶存在显著差异，而其它各径阶间差异不显著，原因可能为花椒在成长过程中影响土壤密度的人为干扰和自身生长因素的不断积蓄，到生长到10径阶时，土壤密度才发生了显著的变化。

2)从土壤孔隙度值来看，10径阶的花椒与其它径阶的花椒之间都存在较大的差异，它的土壤物理特性以及蓄水保土能力都是最差的，分析认为可能是因为常年树下采摘造成土壤板结、紧实，以及自身的生理衰老和化感作用。至于有无其它原因，还有待进一步的研究。因此在农户进行田间管理的过程中，需要松动花椒的林下土壤，或移植新苗。

3)从土壤含水率、田间含水量、最大持水率、毛管持水率等蓄水特性来看，各径阶花椒持水能力的顺序为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶，从它们的大小顺序中，可以得出，田间含水量、土壤含水率、最大持水率和毛管持水率与孔隙度和密度反映出的特征相一致。

4)综合分析土壤的蓄水和改良土壤物理特性的作用，其起到改善作用顺序为：8径阶>2径阶>6径阶>4径阶>10径阶，其中，8径阶的相对于其它径阶的来说其改良效益最为优越，这种优越来源于其自生生长的生物学特性，根系的密集生长与枯落物的蓄积等；除了10径阶的顶坛花椒与其它径阶的顶坛花椒差别略大外，其它的几个径阶之间的差别不大。总的来说，适当的对顶坛花椒林地的翻耕措施能使花椒林表现出更好的蓄水保土功能。

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The change of soil water physical properties ofZanthoxyhumbungeanumvar.dintanensisin Karst Rocky Desertification Area

SONG Linsong1，WANG Jing1，WANG Qi1，YANG Rui1*，ZHANG Yuwu2

(1CollegeofForestry，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；2GuizhouInstituteforBiologicalStudies，Guiyang550009，China)

Abstract：Planting species of eco—economic type is an effective measurement to vegetation restoration in Karst rocky desertification area，and Zanthoxyhum bungeanum var.dintanensis is the most widely cultivated plant in the region.In this study，we select anthoxyhum bungeanum var.dintanensis to analyze the soil water physical properties of different diameters class.The results show that the change of soil density in different depth，there are no significant difference between the 2 diameter class and the 8 diameter class，and there are significant differences among the 4，6，10 diameter class.In the change of soil density in different diameters classes，there are no significant difference among the 2，4，6，8 diameter classes，and there was a significant difference between the 10 diameter class and others.Compared to other diameters classes，the total soil porosity，capillary porosity and non—capillary porosity of the 8 diameter class are at the maximum value.The 10 diameter class is the minimum，and the order of diameter classes is 8>2>6>4>10.For the water storage characteristics of natural moisture，field moisture，maximum water holding rate and capillary moisture capacity，the order of diameter classes is also 8>2>6>4>10，and the order of the water storage characteristics is the same with the soil porosity.

Keywords：Karst；rocky desertification；diameter class；zanthoxyhum bungeanum var.dintanensis；soil water physical property

中图分类号：S 714.2

文献标识码：A

文章编号：1003—6563(2016)02—0019—07

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-02-23

*项目基金：贵州省科技计划项目(黔科合JZ字[2014]200211、黔科合SY字[2013]3165号、黔科合 NY 字[2009]3052)；贵州大学引进人才项目(贵大人基合字(2012)003号)；国家环保部生物多样性保护专项资金项目(kksbdyj01)。

作者简介：宋林松(1992-)，男，本科生。研究方向：林学。

通讯作者：▲杨瑞(1979-)，男，博士，副教授。主要研究方向：森林经营与森林生态。