常绿阔叶次生林与杉木林土壤物理性质比较

陈荣

摘 要：该试验对福建顺昌常绿阔叶次生林和杉木人工林的土壤物理性质进行了研究，结果表明：常绿阔叶次生林土壤各层次具有比杉木林更低的容重，更高的土壤孔隙度和土壤渗透系数。次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的容重分别为0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，仅分别为杉木林的84.14%、82.38%、91.61%和88.50%，而总孔隙度分别为：62.60%、55.14%、54.90%和51.63%，分别是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍，非毛管孔隙度分别为：19.54%、17.51%、15.90%和10.33%，分别是杉木林的1.208、1.317、1.385和1.767倍，土壤渗透系数分别为12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，分别是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。

关键词：常绿阔叶次生林；杉木人工林；土壤物理性质

中图分类号 S714.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）15-0089-4

Abstract：Soil physical properties of an evergreen broad leaved secondary forest and a Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantation in Shunchang County，Fujian Province，were studied. Soil bulk density was lower，and porosity and soil permeability were higher at different soil layers in the secondary forest than in the Chinese fir plantation. Soil bulk density at 0～10cm，10～20cm，20～40cm and 40～60cm soil depth in the secondary forest were 0.839 g·cm-3，0.928 g·cm-3，1.106 g·cm-3 and 1.125 g·cm-3，respectively，and they were as much as 84.14%，82.38%，91.61% and 88.50%，respectively，of those in the Chinese fir plantation. Total porosity at the four soil depth in the secondary forest were 62.60%，55.14%，54.90% and 51.63%，respectively，and they were as much as 1.111，1.073，1.094 and 1.056 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation. Non-capillary porosity at the four soil depth in the secondary forest were 19.54%，17.51%，15.90% and 10.33%，respectively，and they were as much as 1.208，1.317，1.385 and 1.767 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation. Coefficient of permeability at the four soil depth in the secondary forest were 12.15 mm·min-1，10.62 mm·min-1，6.53 mm·min-1 and 2.95 mm·min-1，respectively，and they were as much as 1.537，2.231，3.908 and 5.465 times，respectively，as those in the Chinese fir plantation.

Key words：Evergreen broad leaved secondary forest；Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantation；Soil physical properties

常綠阔叶林是福建顺昌的地带性植被，按演替模式可划分为原生常绿阔叶林和次生常绿阔叶林[1]。次生常绿阔叶林（常常简称为“次生林”）是原生的常绿阔叶林被破坏后经过自然恢复形成的[2]，它是福建顺昌目前主要的阔叶林类型。近些年来，由于杉木（Cunninghamia lanceolata）栽培规模的逐步扩大，顺昌大量的次生林遭到采伐并营造杉木人工林，导致次生林面积锐减，森林植物多样性降低，土壤物理性质恶化，水土流失程度加剧，地力衰退，山洪、滑坡和泥石流等地质灾害频发。土壤物理性质是森林土壤的重要特征之一，是森林水源涵养能力形成的基础，对其研究有助于揭示土壤水源涵养功能和肥力演变的机理，为保护和科学经营现有的次生林提供科学依据。次生林和杉木人工林土壤物理性质的对比研究不多[3-8]。为此，笔者以福建省顺昌县的次生林和杉木人工林为研究对象，通过调查与比较其土壤各物理性质的差异，分析各土壤物理性质指标间的相关关系。

1 试验地概况

次生林和杉木林试验地设置在福建省顺昌县，北纬27°42′N，东经117°48′E，海拔600～680m，坡度30～36[°]。次生林为54年前的原生常绿阔叶林遭受采伐破坏后采用人工促进天然更新的方法恢复起来的，土壤为变质岩发育是山地红壤，土层厚度[>]80cm，土壤肥沃；杉木人工林位于临近的林地，土壤母岩、土层厚度等土壤条件、海拔、坡度等地形条件与次生林基本一致，为次生林采伐后通过炼山、整地、挖穴营造的杉木实生林，年龄为30年。

2 研究方法

2.1 标准地调查 分别在次生林和杉木林设置面积为400m2的方形标准地6个，调查高度5m及以上的树种名称、树高、胸径、冠幅等。采用断面积加权方法计算平均胸径和平均树高。

2.2 土壤调查与取样 每个标准地分别随机选择5个取样点采集土壤物理性质样品。每个取样点垂直挖掘一个80cm深的与等高线平行的土壤剖面，分别各土壤层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm）采集环刀（200cm3）样品。样品带回室内测定容重、最大持水率（饱和持水率）、毛管持水率、最小持水率（田间持水率）、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度、土壤通气度、最大贮水量、排水能力等。采用双环刀渗透法测定土壤渗透率（K10）[9]。

3 结果与分析

3.1 林分生长状况 次生林乔木层（树高大于或等于5m以上的木本植物）由32个阔叶树种组成的复层异龄混交林，树种、年龄和层次结构复杂，平均胸径21.58cm，平均树高17.45m，林分密度908株·hm-2，郁闭度0.89；杉木人工林（以下简称“杉木林”）是在次生林采伐后采用采用炼山、挖穴整地等措施，用杉木實生苗营造的同龄纯林，年龄为30年，已进入成熟期，树种、年龄和层次单一，以杉木占绝对优势，平均胸径26.04cm，平均树高20.81m，杉木密度908株·hm-2，在中龄期间伐后有少量阔叶树侵入，东南野桐（Mallotus lianus）居于林冠下层，密度仅为8株·hm-2。

3.2 土壤剖面特征 从土壤剖面的观测可知，次生林地面枯枝落叶厚，土壤腐殖质层（黑土层）深厚（厚度30～40cm），0～20cm层次土壤疏松、根系尤其是细根数量多，在0～5cm土层较密集，细根甚至扩展到枯枝落叶层中，20cm以下层次土壤稍紧，随着深度的增加根系数量逐渐减少，根系分布到80cm以下；杉木林地面枯枝落叶层薄，土壤腐殖质层较薄（厚度10～20cm），0～10cm层次土壤疏松，但0～5cm层次林下植被（主要是蕨类）根系多，而杉木细根少，更没有向枯枝落叶层扩展，但在5～10cm层次杉木细根稍多，10～20cm层次土壤稍紧，杉木根系数量一般，20～60cm层次土壤紧实、剖面切面光滑、致密、孔隙极少，杉木根系少且随深度加深而急剧减少，大部分根系分布在深度60cm以上的土层。

3.3 土壤物理性质

3.3.1 土壤容重 土壤容重是指单位体积原状土壤的烘干重量，它是土壤重要的基本物理性质，对土壤的透气性、入渗性能、持水能力、土壤的抗侵蚀能力和土壤肥力密切相关。土壤容重小，说明土壤疏松、孔隙多、通气透水性好，有利于植物根系生长，土壤肥力高；土壤容重大，则土壤紧实、板结、孔隙少、通气透水性差，植物根系生长不良，土壤肥力差。从表2可见，土壤容重均随着土层深度的增加而逐渐增加，次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的容重平均值分别为0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，各层次土壤容重均低于杉木林，仅分别为杉木林的84.14%、82.38%、91.61%和88.50%，说明次生林各层次土壤物理性质好于杉木林。

3.3.2 土壤孔隙度 土壤结构是土壤肥力的重要指标之一，主要的指标有总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度。本试验地土壤属于粘性土壤，土壤结构的好坏直接影响到土壤的透气、透水和持水性能等水源涵养能力以及土壤肥力，结构好的土壤一般总孔隙度高，尤其是非毛管孔隙度高，而粘重板结的土壤非毛管孔隙（大孔隙）少，尽管毛管孔隙度不低，但其孔隙细小，空气和水分难以深入土内，植物难以利用，土壤渗透性能也差。表2的数据表明，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均随土层深度的增加而降低，而毛管孔隙度随土层深度的增加变化规律不明显。次生林土壤各层次土壤总孔隙度、非毛管孔隙度均高于杉木林，而毛管孔隙度表现不一致，有的高于杉木林，有的低于杉木林。次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的总孔隙度平均值分别为：62.60%、55.14%、54.90%和51.63%，均大于杉木林（56.34%、51.41%、49.80%和48.91%），分别是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍；次生林各层次非毛管孔隙度与杉木林的差异较大，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的非毛管孔隙度平均值分别为：19.54%、17.51%、15.90%和10.33%，分别是杉木林（16.17%、13.29%、11.48%和5.85%）的1.208、1.317、1.385和1.767倍。

次生林0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的土壤通气度平均值分别为：29.50%、23.16%、21.21%和17.00%，均大于杉木林（22.64%、18.31%、16.57%和11.45%），分别是杉木林的1.303、1.265、1.280和1.485倍。

3.3.3 土壤持水和排水能力 土壤持水和排水能力指标包括：最大持水率、最小（田间）持水率、毛管持水率、土壤排水能力（最大持水率减去最小持水率，再根据土层厚度换算成降水量单位mm）、饱和贮水量（总孔隙度乘以土层厚度），它们代表了土壤保持水分和的能力，是土壤水源涵养能力的重要指标。次生林各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤最大持水率（占土壤重量百分比）分别为74.84%、60.52%、49.47%和46.05%，均大于杉木林（56.75%、46.16%、41.34%和38.75%），分别是杉木林的1.319、1.311、1.197和1.188倍；各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤最小持水率（重量%）分别为39.24%、28.82%、23.44%和22.19%，均大于杉木林（27.16%、21.23%、19.19%和19.99%），分别是杉木林的1.445、1.357、1.222和1.110倍；各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤毛管持水率（重量%）分别为51.41%、41.30%、34.97%和36.74%，均大于杉木林（40.34%、33.91%、31.70%和34.05%），分别是杉木林的1.275、1.218、1.103和1.079倍；各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤饱和贮水量分别为62.60mm、55.14mm、108.97mm和103.26mm，均大于杉木林（56.34mm、51.41mm、99.60mm和97.82mm），分别是杉木林的1.111、1.073、1.094和1.056倍；各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤排水能力分别为29.73mm、28.94mm、57.35mm和53.39mm，均大于杉木林（29.44mm、27.47mm、53.14mm和47.36mm），分别是杉木林的1.010、1.054、1.079和1.127倍。

3.3.4 土壤渗透系数 土壤渗透系数是衡量土壤水源涵养能力的一个特别重要的指标，它体现土壤将降下来的雨水转变为地下径流的能力，这对于顺昌坡度较陡、土壤较粘重的山地丘陵土壤尤其重要。雨水落到山地中可分为两个途径：一是形成地表径流顺坡流动，对于缺乏植被和枯枝落叶层保护的土壤（例如荒地、新造林地）将产生侵蚀作用（面蚀、沟蚀等），如果降雨量较大，则集中的地表径流不但具有较大的侵蚀力，甚至还能形成山洪、滑坡、泥石流等地质灾害；二是渗透到土壤深层形成地下径流，最终汇入小溪河道。从表2可见，次生林各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤渗透系数（K10）分别为12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，均大于杉木林（7.91mm·min-1、4.76mm·min-1、1.67mm·min-1和0.54mm·min-1），分别是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。由此可知，土壤渗透系数是次生林与杉木林差异最大的土壤物理性质指标，也是衡量土壤水源涵养能力最重要的指标。

3.3.5 土壤物理性质指标的相关性分析 对表层（0～10cm）土壤的各物理性质指标进行两两相关系数的计算（由于饱和贮水量是由总孔隙度乘以土层厚度直接计算出来的，因此不参与相关分析），计算结果见表3。从表3可见，土壤物理性质指标间多数具有显著或极显著的相关关系。土壤容重与毛管孔隙度和土壤排水能力无显著相关，与总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率、土壤通气度和渗透系数都有极显著的负相关（P[<]0.01）。土壤总孔隙度与非毛管孔隙度、土壤排水能力相关不显著，与其余的指标有极显著相关（P[<]0.01）。土壤非毛管孔隙度仅与容重呈显著负相关（P[<]0.05），与最小持水率和最大持水率呈显著正相关（P[<]<0.05）。土壤毛管孔隙度仅与总孔隙度和毛管持水率呈极显著正相关（P[<]0.01），与土壤通气度呈显著正相关（P<[<]0.05）。最小和最大持水率互为极显著正相关关系（P[<]0.01），它们均与容重呈极显著负相关关系（P[<]0.01），与总孔隙度、毛管持水率、土壤通气度、渗透系数呈极显著正相关（P[<]0.01），与非毛管孔隙度呈显著正相关（P[<]0.05）。毛管持水率与容重呈极显著负相关（P[<]0.01），与总孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、土壤通气度和渗透系数呈极显著正相关（P[<]0.01）。

土壤通气度与容重呈极显著负相关（P[<]0.01），与总孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和渗透系数呈极显著正相关（P[<]0.01），与毛管孔隙度呈显著正相关（P[<]0.05）。

土壤排水能力与其他指标均无显著相关关系。

土壤渗透系数与容重呈极显著负相关（P[<]0.01），与总孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和土壤通气度呈极显著正相关（P[<]0.01）。

4 小结与讨论

土壤是森林水源涵养功能的主体，根据前人的研究，土壤（0～40cm）的饱和贮水量占森林总的饱和贮水量的97%以上[6-8]，而地上部分的乔木层、灌木层、草本层和枯枝落叶层饱和贮水量的总和还不到林分总的饱和贮水量的3%，因此不同森林类型的水源涵养能力的差异主要体现在土壤物理性质的差异上。

对福建顺昌埔上国有林场的常绿阔叶次生林和杉木人工林的土壤物理性质进行研究，结果表明：

土壤容重均随着土层深度的增加而逐渐增加。次生林土壤各层次土壤物理性质好于杉木林，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层的容重平均值分别为：0.839g·cm-3、0.928g·cm-3、1.106g·cm-3和1.125g·cm-3，仅分别为杉木林的0.840、0.824、0.916和0.885倍。

土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均随土层深度的增加而降低，而毛管孔隙度随土层深度的增加变化规律不明显。次生林土壤各层次土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通气度、最大持水率（重量%）、最小持水率、毛管持水率（重量%）、饱和贮水量、土壤排水能力均高于杉木林，其中非毛管孔隙度与杉木林的差异较大，0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层非毛管孔隙度分别为杉木林的1.208、1.317、1.385和1.767倍。

土壤渗透系数是衡量土壤水源涵养能力最关键的指标，也是次生林与杉木林差异最大的土壤物理性质指标，次生林各层次（0～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm土层）土壤渗透系数（K10）分别为12.15mm·min-1、10.62mm·min-1、6.53mm·min-1和2.95mm·min-1，均大于杉木林（7.91mm·min-1、4.76mm·min-1、1.67mm·min-1和0.54mm·min-1），分别是杉木林的1.537倍、2.231倍、3.908倍和5.465倍。

土壤物理性质指标间多数具有显著或极显著的相关关系，其中土壤容重与毛管孔隙度和土壤排水能力无显著相关，与总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率、土壤通气度和渗透系数都有极显著的负相关（P[<]0.01），土壤渗透系数与容重呈极显著负相关（P[<]0.01），与总孔隙度、最小持水率、最大持水率、毛管持水率和土壤通气度呈极显著正相关（P[<]0.01）。

次生林土壤物理性质优于杉木人工林，这可能与次生林树种丰富、植物多样性指数高、凋落物产量和细根生物量高有关。

参考文献

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（责编：张宏民）