楠杆自然保护区不同植被类型土壤物理特性及涵养水源功能分析

王 勇, 杨 瑞, 瞿 爽, 刘 志, 裴仪岱

(贵州大学 林学院, 贵阳 550025)

土壤蓄水量是森林涵养水源的主体，占林地蓄水量的99%以上[1]。森林土壤涵养水源的能力，不仅受母岩的影响，还与土壤本身质地和结构有关系。森林涵养水源的能力，除森林形成的庞大树冠有吸水能力外，其林下的枯枝落叶层也有相当的吸水能力，而更多的还在于土壤对降水的吸纳；因此森林又被叫作“天然的蓄水库”[2]。土壤入渗特性影响着土壤将地表径流转化为壤中流和地下径流的能力，对森林水源涵养功能有重要影响[3]；入渗性能不仅与土壤质地、组成、结构等自然因素密切有关，人为活动干扰下还受到土地利用和耕作方式等因素的影响[4-7]。所以对土壤物理性质的研究也越来越多。在土壤物理性质中；土壤孔隙度和土壤容重能够直接影响着土壤蓄水量和通气性，也是反映土壤物理性质的重要参数[8]。土壤容重、自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量等都是体现土壤物理性质的指标；但是某些指标功能好的林分在其他指标上却不一定好，甚至很差[9-10]。目前，对于森林涵养水源功能的评价研究较多的是灰色关联分析法、层次分析法、主成分分析法[11-13]，且在楠杆自然保护区的森林土壤涵养水源功能方面的研究甚少，因此，本文通过对楠杆自然保护区不同植被类型的土壤涵养水源功能进行研究分析，并应用坐标综合评定法对楠杆自然保护区土壤涵养水源功能进行定量分析，探讨该地区不同植被类型对土壤涵养水源能力的大小，以期为楠杆自然保护区水源涵养林的保护、森林土壤涵养水源功能以及森林资源的合理经营和保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验将楠杆自然保护区不同植被类型土壤作为供试土壤。经华中农学院编制的标准土色卡48种颜色作为土壤的颜色比较，6种不同植被类型下土壤都是黄壤。

1.2 研究区概况

贵州楠杆自然保护区位于贵州省东北部德江县境内，处于贵州四大山脉之大娄山脉与武陵山脉的接合部。保护区包括“楠杆—黄河溪保护单元”和“马耳河保护单元”2个片区。其中，楠杆—黄河溪片区位于东经108°05′10″—107°50′46″，北纬28°09′42″—28°22′42″，海拔800～1 200 m；马耳河片区位于东经108°04′48″—108°06′12″，北纬28°33′27″—28°37′50″，海拔1 100～1 400 m。保护区属于中亚热季风气候区，年平均温度13.6℃，≥0℃的活动积温为5 300℃/d，热量资源主要集中在6，7，8，9这4个月，属贵州温度较高、热量较好的区域之一。区内年降雨量约1 200 mm；主要集中在春、夏、秋三季，其中6月份降水量最多。保护区内岩溶地貌与常态地貌交错，河谷地貌特征明显，具有良好的水文地质条件。该地区碳酸盐岩石出露广泛，常与砂页岩、碎屑岩交错分布，发育有多种土壤类型，主要土壤为黄壤、山地黄壤和石灰土。主要植被类型为：落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、灌木林、竹林和草坡。

1.3 试验方法

1.3.1 样地设置 在研究区，选择植被类型分别为落叶阔叶林：枫香(Liquidambarformosana)、山胡椒(Linderaglauca)、圆果花香(Platycaryalongipes)、朴树(Celtissinensis)、八角枫(Alangiumchinense)、板栗(Castaneamollissima)、青檀(Pteroceltistatarinowii)、杨树(PopulusL.)；针阔混交林：麻栎(Quercusacutissima)、马尾松(Rhoipteleachiliantha)、油桐(Verniciafordii)、山胡椒(Linderaglauca)、火棘(Pyracanthafortuneana)；针叶林：杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)、华山松(Pinusarmandii)；灌木林：圆果化香(Platycaryalongipes)、火棘(Pyracanthafortuneana)、香叶树(Linderacommunis)、大叶木姜子(Zanthoxylumscandens)、白果(Ginkgo Seed)、拔葜(Smilaxchina)；竹林：竹子(Heteropogoncontortus)、鸢尾(Iristectorum)、水麻(Debregeasiaorientalis)；草坡：黄茅、狗尾草(Setariaviridis)、山蚂蝗(Desmodiumracemosum)、车前草(Plantagodepressa)共6种植被类型，在样地的调查中，采用树冠投影法测定森林样地的郁闭度[14]；对样地进行群落概况测定，样地概况见表1。

表1 不同植被概况

1.3.2 试验样品采集 试验于2016年8月2—12日在研究区域内，选择不同植被类型，并在不同植被类型下设置20 m×20 m的样方，记录其植被基本概况，并在样方内选取3个点挖取土壤坡面，采用环刀法分别在0—20，20—40，40—60 cm的土层深度取土，在野外称其重量，每个土层3次重复；用铝盒分别取每层的土样，也3次重复；再用渗透筒取土，3个重复；所有样品带回室内进行测定。

1.3.3 样品测定方法 土壤物理性质用铝盒燃烧法和环刀法测定，测定方法用森林土壤水分—物理性质的测定法(《中华人民共和国林业行业标准》)；土壤渗透速率用森林土壤渗滤率的测定法(《中华人民共和国林业行业标准》)；在野外取样然后把土样带回室内做浸泡试验测定土样含水量、自然含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量和稳渗速率等各指标。在饱和水分的土壤中，土壤渗滤系数是根据达西(Henri Darcy)定律测定。表示如下:

(1)

式中：K为渗透系数(cm/s)；Q为流量，即渗滤过一定断面积S(cm2)的水量(ml)；l为饱和土层厚度渗滤经过的距离(cm)；S为渗滤筒的横断面积(cm2)；t为渗滤过水量Q时所需的时间(s)；h为试验中水层厚度，即水位差(cm)。

(2)

式中：v为渗透速率；10为由cm换算成mm所乘倍数；tn为每次渗滤所间隔的时间(min)。

1.4 研究方法

(3)

式中：dij为原始数据的相对值;aij为原始数据；mj为每个指标中的最优值。

(4)

式中：Pi为第i个处理到标准点的距离。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤的物理性质

从表2中可以看出，土壤第一层密度大小顺序依次是：草坡(1.37 g/cm3)、灌木林(1.35 g/cm3)、针阔混交林(1.22 g/cm3)、落叶阔叶林(1.13 g/cm3)、竹林(1.10 g/cm3)、针叶林(0.97 g/cm3)；由于楠杆自然保护区属于喀斯特地貌，在针阔混交林下土层较薄，20 cm以下都是碎石和岩石，因此在野外取土只有第一层；土壤第二层密度顺序大小依次是：灌木林(1.40 g/cm3)、草坡(1.33 g/cm3)、竹林(1.24 g/cm3)、针叶林(1.19 g/cm3)、落叶阔叶林(1.18 g/cm3)；土壤第三层密度大小顺序依次是：灌木林(1.55 g/cm3)、草坡(1.50 g/cm3)、竹林(1.29 g/cm3)、针叶林(1.25 g/cm3)、落叶阔叶林(1.13 g/cm3)。

土壤第一层非毛管孔隙度大小顺序是：草坡(5.43%)、针叶林(3.56%)、竹林(3.30%)、针阔混交林(2.63%)、落叶阔叶林(1.99%)、灌木林(1.68%)；第二层非毛管孔隙度大小顺序是：针叶林(3.69%)、草坡(3.48%)、落叶阔叶林(3.03%)、灌木林(1.50%)、竹林(1.43%)；第三层非毛管孔隙度大小顺序是：落叶阔叶林(3.60%)、针叶林(3.55%)、草坡≈灌木林(2.40%)、竹林(1.72%)。

从毛管孔隙度可以看出，第一层土壤毛管孔隙度大小依次是：竹林(65.95%)、落叶阔叶林(58.94%)、针叶林(55.86%)、针阔混交林(54.33%)、灌木林(40.38%)、草坡(36.28%)；第二层土壤毛管孔隙度大小顺序依次是：竹林(60.19%)、落叶阔叶林(58.67%)、针叶林(54.22%)、草坡(44.75%)、灌木林(40.07%)；第三层土壤毛管孔隙度大小顺序依次是：竹林(59.22%)、落叶阔叶林(56.70%)、针叶林(51.77)、草坡(34.70%)、灌木林(33.33%)。

从总孔隙度可以看出，土壤第一层总孔隙度大小顺序依次是：竹林(69.25%)、落叶阔叶林(60.94%)、针叶林(59.42%)、针阔混交林(56.42%)、灌木林(42.07%)、草坡(41.71%)；第二层总孔隙度大小顺序依次是：落叶阔叶林(61.70%)、竹林(61.63%)、针叶林(57.91%)、草坡(48.23%)、灌木林(41.57%)；第三层总孔隙度依次大小顺序是：竹林(60.93%)、落叶阔叶林(60.30%)、针叶林(55.32%)、草坡(37.10%)、灌木林(35.73%)。

表2 不同植被类型土壤物理性质

注：不同字母a，b，c表示不同植被类型中各指标(土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)在同一土层厚度中相同指标比较，p<0.05差异显著。

2.2 不同植被类型涵养水源能力

从表3可以看出，土壤自然含水率第一层大小依次是：落叶阔叶林(45.75%)、针叶林(45.74%)、竹林(44.49%)、针阔混交林(35.70%)、灌木林(22.78%)、草坡(16.37%)；土壤自然含水率第二层大小依次是：竹林(37.55%)、落叶阔叶林(37.54%)、针叶林(30.52%)、草坡(23.92%)、灌木林(23.22%)；土壤自然含水率第三层大小依次是：落叶阔叶林(41.89%)、竹林(34.94%)、针叶林(27.63%)、灌木林(19.01%)、草坡(16.06%)。最大持水量第一层大小顺序依次是：竹林(692.33 g/kg)、落叶阔叶林(609.35 g/kg)、针叶林(594.2 g/kg)、针阔混交林(569.64 g/kg)、灌木林(420.67 g/kg)、草坡(417.13 g/kg)；最大持水量第二层大小顺序依次是：落叶阔叶林(617.03 g/kg)、竹林(616.27 g/kg)、针叶林(579.10 g/kg)、草坡(482.35 g/kg)、灌木林(357.32 g/kg)；最大持水量第三层大小顺序依次是：竹林(609.33 g/kg)、落叶阔叶林(602.96 g/kg)、针叶林(553.17 g/kg)、草坡(370.98 g/kg)、灌木林(357.32 g/kg)；毛管持水量第一层大小顺序是：竹林(659.45 g/kg)、落叶阔叶林(589.41 g/kg)、针叶林(558.59 g/kg)、针阔混交林(543.31 g/kg)、灌木林(403.83 g/kg)、草坡(362.79 g/kg)；毛管持水量第二层大小顺序是：竹林(601.94 g/kg)、落叶阔叶林(586.69 g/kg)、针叶林(542.20 g/kg)、草坡(447.51 g/kg)、灌木林(400.72 g/kg)；毛管持水量第三层大小顺序是：竹林(592.17 g/kg)、落叶阔叶林(566.96 g/kg)、针叶林(517.71 g/kg)、草坡(346.98 g/kg)、灌木林(333.32 g/kg)；非毛管持水量第一层大小顺序是：草坡(54.33 g/kg)、针叶林(35.63 g/kg)、竹林(14.33 g/kg)、针阔混交林(26.33 g/kg)、落叶阔叶林(19.94 g/kg)、灌木林(16.83 g/kg)；非毛管持水量第二层大小顺序是：针叶林(36.92 g/kg)、草坡(34.83 g/kg)、落叶阔叶林(30.33 g/kg)、灌木林(15.00 g/kg)、竹林(14.33 g/kg)；非毛管持水量第三层大小顺序是：落叶阔叶林(36.00 g/kg)、草坡(24.00 g/kg)和灌木林(24.00 g/kg)、竹林(17.17 g/kg)、针叶林(16.83 g/kg)。

2.3 不同植被类型土壤的渗透性能

从表4可以看出，不同植被类型下常温土壤稳渗速度和10℃情况下渗透各不相同，针阔混交林稳渗速度(12.04 mm/min)和稳渗系数(0.94)最大，其次是针叶林稳渗速度(7.73 mm/min)和稳渗系数(0.61)，灌木林稳渗速度(5.68 mm/min)和稳渗系数(0.45)第三，竹林稳渗速度(4.00 mm/min)和稳渗系数(0.31)第四，落叶阔叶林稳渗速度(1.38 mm/min)和稳渗系数(0.11)相对较小第五，草坡稳渗速度(0.45 mm/min)和稳渗系数(0.04)最小。

表3 不同植被类型土壤持水能力

注：不同字母a，b，c表示不同植被类型中各指标(自然含水率、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量)在同一土层厚度中相同指标比较，p<0.05差异显著。

表4 不同植被类型土壤渗透能力

注：不同字母a，b，c，d表示不同植被类型中相同指标比较，p<0.05差异显著，K1表示做渗透试验时水温的渗透系数，K10表示10℃的渗透系数。

2.4 综合评定不同植被类型土壤涵养水源功能

如表5所示，根据坐标综合评定法：P值越大，性能越好，土壤物理性质最好的是落叶阔叶林(P1=0.059)，其次是竹林(P1=0.173)，针叶林(P1=0.245)第三，灌木林(P1=0.246)第四，针阔混交林(P1=0.25)第五，草坡(P1=0.452)最差；土壤蓄水能力是落叶阔叶林(P2=0.053)最好，其次是竹林(P2=0.203)，针叶林(P2=0.334)第三，针阔混交林(P2=0.345)第四，灌木林(P2=0.349)第五，草坡(P2=0.488)相对最差；渗透能力最大的是针阔混交林(P3=0.319)，第二是落叶阔叶林(P3=0.356)，针叶林(P3=0.405)第三，竹林(P3=0.408)第四，灌木林(P3=0.410)第五，草坡(P3=0.49)最弱；从土壤涵养水源的综合能力来看，落叶阔叶林(∑Pi=0.468)最好，竹林(∑Pi=0.784)第二，针阔混交林(∑Pi=0.914)第三，针叶林(∑Pi=0.984)第四，灌木林(∑Pi=1.005)第五，草坡(∑Pi=1.431)最差。

表5 土壤涵养水源的综合能力

注:P1为土壤物理性质，P2为土壤蓄水能力，P3为土壤渗透能力，∑Pi是不同植被类型土壤涵养水源功能的综合表现。

3 讨 论

由结果分析可知，竹林与落叶阔叶林物理性质比较，竹林土壤密度第一层相对比落叶阔叶林小，竹林第二层和第三层都比落叶阔叶林大，竹林总孔隙度第一层和第三层都大于落叶阔叶林，但经坐标综合评价，落叶阔叶林比竹林土壤物理性质好，说明土壤物理性质的好与差不只是单方面决定的，还与非毛管孔隙度大小有相关性；不同植被土壤蓄水能力强弱可知，不是受最大持水量单方面因素决定的，还与自然含水率、毛管持水量和非毛管持水量的综合相关；从渗透能力来看，落叶阔叶林渗透速度比针叶林、灌木林和竹林都要小，但综合能力却比它们大，说明了渗透速度的差异只是影响渗透能力的一个方面，渗透能力不能只用渗透速度来评定；与渗透系数及温度也是有关系的。通过有林地和草坡的各方面比较，有林地在各方面性质都相对比草坡好，说明植被对水源涵养功能的影响是显著相关的；在李阿瑾[17]、王鹏程[18]的研究中，都研究了林冠层、枯落物层和土壤层3个方面涵养水源的综合能力，而本文只从不同植被类型土壤物理性质和土壤蓄水能力方面分析土壤层间的涵养水源功能，其相同之处是土壤的涵养水源功能与植被都密切相关。

4 结 论

(1) 通过综合评价，楠杆自然保护区不同植被类型的土壤物理性质是：落叶阔叶林(P1=0.059)>竹林(P1=0.173)>针叶林(P1=0.245)>灌木林(P1=0.246)>针阔混交林(P1=0.25)>草坡(P1=0.452)；楠杆自然保护区不同植被类型的土壤物理性质是受土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和土层厚度等多方面影响的；不同植被类型土壤物理特性也因不同植被的林冠截留大小、枯枝落叶层厚度及树根对土壤的松紧度的影响等而导致其土壤的物理性质具有一定的差异，因此，土壤物理性质与植被具有相关性。

(2) 楠杆自然保护区不同植被类型的土壤蓄水能力受土壤自然含水率、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量和土层影响，其各项指标综合能力(P2值越小)越大，其蓄水能力也越强，因植被类型不同而导致蓄水能力具有一定的差异；不同植被类型土壤蓄水能力大小顺序是：落叶阔叶林(P2=0.053)>竹林(P2=0.203)>针叶林(P2=0.334)>针阔混交林(P2=0.345)>灌木林(P2=0.349)>草坡(P2=0.488)。

(3) 从6种不同植被类型的土壤物理性质、土壤蓄水能力和渗透能力的综合分析来看，土壤物理性质综合能力(P1值越小)越好，土壤蓄水能力(P2值越小)越大，土壤渗透能力(P3值越小)相对较大，因此其植被类型的水源涵养功能就越强。楠杆不同植被类型土壤水源涵养综合能力大小顺序是：落叶阔叶林(∑Pi=0.468)>竹林(∑Pi=0.784)>针阔混交林(∑Pi=0.914)>针叶林(∑Pi=0.984)>灌木林(∑Pi=1.005)>草坡(∑Pi=1.431)。

(4) 在森林生态系统中，植被类型、土壤结构、孔隙度等指标与土壤的持水、保水及渗水能力直接相关，因此对减少地表径流、涵养水源和削弱水土流失具有重要作用。由于草坡物理性状最差，因此建议在草坡上种植植物以提高土壤的物理性状来增强其土壤的涵养水源功能。