林型差异对土壤理化性状及其持水能力的影响

彭玉华 ，黄小荣 ，申文辉 ，庞世龙 ，何琴飞 ，欧芷阳

（1.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西优良材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；3.国家林业局 中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002）

林型差异对土壤理化性状及其持水能力的影响

彭玉华1，2，3，黄小荣1，2，3，申文辉1，2，3，庞世龙1，2，3，何琴飞1，2，3，欧芷阳1，2，3

（1.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西优良材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；3.国家林业局 中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002）

为了探明林型差异对土壤理化特征及其持水能力的影响，采集老虎岭水源涵养林区域4种最典型的林型（马尾松林、马尾松-红锥林、马尾松-红锥-椆木林、红锥-大叶栎林）土壤进行理化特征及其持水能力测定分析。结果表明：土壤毛管孔隙度、持水能力和化学性质在4种林型中存在明显的差异，其中马尾松-红锥林土壤容重最小，总孔隙度和毛管孔隙度最大，最大持水量、毛管持水量、有机质、速效氮和速效磷最多；马尾松-红锥-椆木林非毛管孔隙度最大，全氮、全磷、速效钾和代换性镁最多；红锥-大叶栎林全钾最多；马尾松林土壤容重、非毛管持水量和代换性钙最大，总孔隙度、毛管孔隙度、自然含水率、最大持水量、毛管持水量、全量和速效养分均最低。总体表现，混交林型的土壤理化特征及持蓄能力均优于马尾松纯林，尤以马尾松-红锥林型为最佳。

林型；土壤物理特性；土壤化学特性；水源涵养

森林土壤是陆地生态系统的重要组成部分、是诸多生态过程的载体、是林木赖以生存的物质基础、是发挥水文调节作用的主要场所、是森林植物群落更新演替过程中不可或缺的研究内容[1-4]。土壤与植物关系密切，森林类型的差异将导致其生长地土壤理化性质及其水文功能的差异，而土壤理化性质又作用于群落内的许多生态过程[5-6]。对特定环境条件下不同林型中土壤理化性质及其水文功能的研究，将有助于认识林型与其生长地土壤理化性质及其水文功能相互作用关系，为实现人工调控森林类型提供科学依据[7-8]。如今对森林土壤与森林类型的互动过程已成为近年来土壤生态学研究的热点问题之一[3,5,8]。

水源涵养林是具有特殊意义的水土防护林种之一，是设置在水源补给地区和水域周围的森林，具有稳定水量补给、改善水质和水土保持的功能[9]。珠江是我国三大河流之一，第二大径流量，是中国南方的重要水系。随着珠江流域经济社会的快速发展，过度的开发利用致使水源涵养林遭受破坏，生态环境日益恶化问题越来越突出，不仅严重威胁着当地工农业生产和人民生命财产的安危，且对下游地区的经济社会可持续发展造成很大威胁，影响生态环境和水利设施的安全运行，也影响到水源质量及其供给。因此，水源涵养林已成为区域经济发展的重要屏障，越来越受到人们的重视[10]。开展珠江流域水源涵养林保护、恢复与重建，是确保珠江流域生态环境安全的重要措施，提高和优化现有水源涵养林的结构与功能是当今林业发展的首要问题。

广西地处珠江流域中上游，86%的土地属于珠江流域范畴，为珠江的主要水源地[11-12]，在珠江流域的生态环境建设中起着至关重要的作用。老虎岭水源涵养林位于珠江流域西江水系的广西南宁市，其森林植被状况直接影响到珠江流域下游的生态环境和安全，生态区位十分重要。当前该区域以针阔混交和针叶人工林为主要植物类型，林龄以中龄林为主，幼龄林和过熟林所占比例很小，森林后备资源不足，天然更新不良。森林类型的生物学特性与林分结构不同，其地表土壤特性的差异，使其土壤理化性质及其水文生态功能也存在差异[5,8]，造成森林类型生态功能的差异。因此，优化配置水源涵养林体系可以有效地提高植被的水源涵养功能，探究高效合理的水源涵养林模式是建成持续、稳定水源补给区的重要因素[9]。本研究从珠江流域现状出发，选择老虎岭水源涵养林区域4种最典型的林型为研究对象，分析其土壤理化性状及其持水能力的差异，探索林型与土壤理化性状及其持水能力的相互作用关系，旨在为珠江流域森林植被恢复与重建筛选生态防护功能良好的水源涵养林模式，将有利于水源涵养林和水土保持林的可持续经营管理，为加强珠江流域水源涵养林恢复和重建实现水资源可持续利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西南宁市北郊老虎岭水源涵养林区，108°56′E，22°56′N，海拔约 90 ～ 250 m，年均温21.7 ℃，≥10 ℃积温7 200 ℃，极端高温40.4 ℃，极端低温-1.5 ℃，年均降雨量为1 347.2 mm，平均相对湿度80%，5—9月为雨季，月均降雨量100 mm以上，10月至翌年4月为旱季，月均降雨量80 mm以下。土壤类型为砖红壤性红壤，pH值为5～6，肥力中等，地带性植被为亚热带常绿季雨林。

1.2 研究方法

选取老虎岭水源涵养林区最典型的4种林型（均为人工林）进行林下土壤理化性状及其水文功能研究，分别为：Ⅰ，马尾松Pinus massoniana林；Ⅱ，马尾松-红锥P. massoniana-Castanopsis hystrix林；Ⅲ，马尾松-红锥-椆木P. massoniana-C. hystrix -Lithocarpus thalassica林；Ⅳ. 红锥-大叶栎C. hystrix -Castanopsis fissa林。每种林型在坡向、坡度、海拔等基本相同或相似的坡中下位分别设置3个20 m×20 m的样方，共设置12个样方。在每个20 m×20 m样方内按S型采集10～15个0～20 cm的土壤样品，混合为约1 kg的土壤样品，装入干净的布袋内，带回实验室进行分析测定。同时取3个20 g左右的土壤混合样品迅速装入铝盒内，用于土壤含水率的测定。采用100 cm3的标准环刀取样分析法（假定土壤比重为2.65 g/cm3）进行土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重的测定，具体的测定及计算方法参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤水分-物理性质的测定》（LY/T 1215—1999）。土壤化学性状指标测定方法采用《土壤农化分析》。

运用SPSS19.0进行相关分析和单因素分析（Analysis of variance）、Duncan 多重比较，用字母标记法表示各组数据间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 林型的土壤物理特征、持水能力及其相关性

从表1可知，土壤物理特征只有土壤毛管孔隙度在不同林型中差异显著。总体看，马尾松林的土壤容重最大而土壤总孔隙度和毛管孔隙度最小，马尾松-红锥林的土壤总孔隙度和毛管孔隙度最大而土壤容重最小。

表1 林型的土壤物理特征和持水能力及其方差分析†Table 1 ANOVA of soil physical properties and water-holding capacities of different forest types

土壤持水能力在不同林型中差异显著，自然含水率、最大持水量和毛管持水量差异达到极显著，非毛管持水量差异显著，说明不同的林型土壤持水能力有很大的差异。分析得出，红锥-大叶栎林的自然含水率最大，显著大于马尾松林和马尾松-红锥林；马尾松-红锥林的最大持水量、毛管持水量最大，显著大于其它3个林型；马尾松林和马尾松-红锥林的非毛管持水量较大，与马尾松-红锥-椆木林和红锥-大叶栎林差异显著。总体来看，纯林类型的自然含水率、最大持水量和毛管持水量均小于混交林类型，而非毛管持水量大于混交林类型。

从表2可知，土壤容重与其它的物理和持水指标关系密切，除了自然含水率外与其它指标均呈负相关，且大部分的相关性达极显著，表明土壤容重越大土壤的孔隙度和持水能力越低。总孔隙度与非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度呈显著正相关，自然含水率与非毛管持水量呈显著负相关。

表2 土壤物理和持水特征的相关性†Table 2 The correlation among physical properties and water-holding capacities

2.2 林型的土壤化学特征及其相关性

从表3看出，该研究区内不同林型土壤均呈弱酸性，在3.74～3.95之间，差异不显著。土壤有机质在不同林型中差异显著，最高的是马尾松-红锥林，与马尾松林和红锥-大叶栎差异达到了显著。

土壤化学特征在不同林型中均存在显著差异（见表3），表明土壤化学特征在不同林型中的表现存在很大的差异，马尾松林的全量养分和速效钾显著低于其它3种林型，马尾松-红锥林的土壤破解氮、速效磷含量显著高于其它林型，马尾松-红锥-椆木林的土壤全氮、速效钾、代换性锰含量最高，红锥-大叶栎林的全钾含量最高。

土壤有机质与其它的化学特征关系密切（见表4），除代换性钙外与其余养分间均呈正相关，其中与全氮、全磷、全钾和破解氮的相关性达显著，表明有机质在保荐和吸收土壤养分方面有重要作用；土壤pH值与其它土壤化学特征有正负的相关，但相关性均达不到显著，表明土壤pH值不是影响土壤化学特征变化的主要因子。其它化学性质之间存在着正负作用，全氮、全磷、全钾与速效钾呈显著正相关而与代换性钙呈显著负相关，破解氮与速效磷呈显著正相关。

2.3 林型的土壤理化特征、持水特征间的相关性

相关性分析可以了解森林土壤中物理和化学特征相互作用关系。从表5可知，土壤物理特征与化学特征间存在着正负作用，其中，土壤容重与代换性钙呈显著正相关，而与有机质、破解氮和代换性锰呈显著负相关，土壤总孔隙度与有机质、破解氮和代换性锰呈显著正相关而与代换性钙呈显著负相关，毛管孔隙度与全钾呈显著正相关而代换性锰呈显著负相关，非毛管孔隙度与代换性锰呈显著正相关，自然含水率与全氮、全磷、全钾、速效钾呈显著正相关而与代换性钙、代换性锰呈显著负相关，最大持水量与有机质、破解氮呈显著正相关，毛管持水量与有机质、全钾、破解氮呈显著正相关而与代换性钙呈显著负相关，非毛管持水量与速效氮呈显著正相关。总的来说，土壤物理性质与土壤养分元素的含量息息相关。

表3 林型的化学性质特征及其方差分析†Table 3 ANOVA of soil chemical properties of different forest types

表4 土壤化学特征的相关性Table 4 The correlation among soil chemical properties

表5 土壤理化、持水特征之间的相关分析Table 5 Correlation among soil physio-chemical properties and water-holding capacities

3 讨论与结论

（1）森林类型不同，导致其地表凋落物储量及其构成、分解速率和树木根系生长发育等存在一定差异，从而造成不同林分土壤物理性质的不同[5]。多数研究表明，混交林土壤容重小于纯林、总孔隙度大于纯林[13-14]，因混交林中阔叶树产生的凋落物远大于针叶林，且其较薄的表皮缺乏保护而更容易分解，而针叶树凋落叶细小、表皮较厚且富含角质层或者蜡质层、含油脂和木质素较高不易分解[15-16]，因此在降低容重、增大孔隙度等方面混交林要优于针叶纯林。本研究结果与其基本一致，马尾松纯林土壤容重大于3种混交林型、而孔隙度小于3种混交林型。

土壤容重综合反映了土壤质地、松紧程度、孔隙状况、保蓄性能及评价土壤质量的重要指标等[17]，对土壤的透气性、持水能力和抗侵蚀能力有很大的影响[18]，土壤容重大，表明土壤紧实、板结、土壤退化趋势愈强。土壤容重与孔隙度和持水能力呈显著的负相关，马尾松纯林的土壤容重最大，所以其总孔隙度、含水率、最大持水量和毛管持水量最小，说明其持蓄水能力在4种林型中最差，但其非毛管孔隙度与其它3种林型的差异不显著，甚至比红锥—大叶栎林大，非毛管孔隙能较快吸收降水并及时下渗，有利于水源涵养[19]，所以常常营造马尾松林作为水源涵养林。

土壤的持蓄水能力是评价森林涵养水源、调节水循环的一个重要指标，其大小与土壤的孔隙度状况密切相关。分析表明，最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量与土壤总孔隙度呈显著正相关。马尾松—红锥林的总孔隙度最大，相应的其土壤毛管蓄水量和非毛管蓄水量也大，土壤毛管蓄水量和非毛管蓄水量分别影响森林土壤的保水和蓄水能力，毛管水只做垂直运动，是植物根系吸收和林地蒸发的来源，非毛管水在重力作用下在土壤中既做上下运动，也做横向渗透，起着调节流量、稳定水位的功能[20]，说明在4种林型中马尾松—红锥林的持蓄水能力最好。

（2）尽管自然条件下矿物质的风化是土壤养分库的主要来源，但由于不同林型组成树种不同，凋落物量及其组成、分解速率的差异，土壤微生物作用不同等，导致不同林型土壤养分含量的差异[21]。本研究中，针阔混交林型的土壤有机质、全量养分和速效钾显著高于马尾松纯林。可能是混交林组成树种多样，凋落物量大和容易分解，更有利于养分归还和土壤肥力的恢复和维持[21]。

土壤有机质作为指示土壤肥力的重要指标，其含量的高低直接影响和改变土壤的理化性状和持水能力[5]。土壤有机质与孔隙度、最大持水量、毛管持水量、全量养分和破解氮呈明显的正相关，与大多研究结果基本一致[5,22]。表明有机质含量越高其土壤结构越好、养分含量越多、持水能力越强。这是因为有机质供应土壤微生物所需的能量和养分，有利于微生物的活动，同时有机质中的腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂，能促进土壤良好结构的形成，创造适宜的土壤松紧度，改善土壤的物理状况；有机质中腐殖质具有络合作用，能和磷、铁、铝离子形成络合物或螯合物，避免难溶性磷酸盐的沉淀，提高有效养分的数量；有机态氮是土壤氮素的主要存在形式，有机质含量越高，破解氮含量也越高[16]；有机质中腐蚀质的吸水量大约是粘粒吸水量的10倍，同时有机质中有机胶体具有巨大的吸收代换能力，有机质含量多的土壤，其有机胶体也多，其保持水分的能力也就越强[23]。研究表明，马尾松—红锥林的土壤有机质含量最高，其总孔隙度、最大持水量、毛管持水量也最大，养分含量也较多。

(3) 土壤在不同气候、不同母质条件下发育产生的土壤理化性状存在先天差异，探讨在相同条件下，在相同类型土壤种植不同林型引起土壤理化性状的变化，对于发展适宜的林型具有实际指导意义。森林土壤受到凋落物、树根以及林下生物群落的影响，其土壤理化特征及持蓄能力在不同林型中产生显著的差异，混交林因树种多样，凋落物量大、分解快，其根系活动也多，对土壤的改良效果越明显，有机质含量越高，保蓄水能力越强。研究表明，混交林型的土壤理化性质和水源涵养生态功能均比马尾松林型好，尤以马尾松—红锥林为最佳。因此，进行水源涵养林生态优化设计时，因地选择凋落物蓄积量大、持水性能好、养分高的混交林型进行人工种植或林分改造，可增强土壤理化性质和水源涵养能力。

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Impact of forest types on soil physical and chemical properties and waterholding capacities

PENG Yuhua1,2,3, HUANG Xiaorong1,2,3, SHEN Wenhui1,2,3, PANG Shilong1,2,3, HE Qinfei1,2,3, OU Zhiyang1,2,3
(1. Guangxi Academy of Forestry, Nanning 530002, Guangxi, China; 2. Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning 530002, Guangxi, China; 3. Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation, Nanning 530002,Guangxi, China)

To investigate the impact of forest types on soil physical and chemical properties and water-holding capacities, soil samples from 4 typical forest types in Laohuling watershed were tested, includingPinus massoniana,P. massoniana/Castanopsis hystrix,P.massoniana/C. hystrix/Lithocarpus thalassicaandC. hystrix/Castanopsis fissaforests. The results showed that soil capillary porosity,water-holding capacity and chemical property presented signi ficant differences among 4 forest types, andP. massoniana/Castanopsis hystrixforest had lowest bulk density; highest total porosity, capillary porosity, maximum water holding capacity, capillary moisture capacity, organic matter, available nitrogen, and available phosphorus.P. massoniana/C. hystrix/Lithocarpus thalassicaforest had largest noncapillary porosity and highest total nitrogen, total phosphorus, available potassium and exchangeable magnesium.C. hystrix/Castanopsis fissaforest soil harbored highest total potassium.P. massonianaforest had highest bulk density, noncapillary water holding capacity and exchangeable magnesium; and lowest total porosity, capillary porosity, water content, maximum water holding capacity,capillary water holding capacity, total nutrients and available nutrients. In overall, mixed forests surpassed pureP. massonianaforest in soil physical and chemical properties and water-holding capacities, especially the mixedP. massoniana/Castanopsis hystrixforest.

forest type; soil physical property; soil chemical property; watershed forest

S718.45

A

1673-923X(2017)08-0001-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.001

2016-08-30

广西林业科技项目“珠江流域中上游水源涵养林结构及功能研究”（桂林科字［2012］第7号）；国家林业公益性行业科研专项“南方几种森林类型公益林经营技术研究”（201204512）

彭玉华，高级工程师；E-mail：pyh112233456789@126.com

彭玉华，黄小荣，申文辉，等. 林型差异对土壤理化性状及其持水能力的影响[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(8):1-5, 17

[本文编校：文凤鸣]