杉木连栽地营造米老排林后的土壤物理性质

张红梅

(福建省南平葫芦山国有林场，福建 南平 353015)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)作为中国南方和闽北山区最重要的速生用材树种，其多代连栽导致的产量逐代衰退、土壤理化性质恶化、水源涵养能力下降、山体滑坡频发等环境和生态问题日益突出，已对山区人工林的可持续经营产生严重影响。已有的研究表明，营造阔叶林是改善土壤性质、延缓地力衰退的有效途径之一。

米老排(Mytilarialaosensis)又名壳菜果，是一种原产于我国南亚热带的树种，引种到福建等中国南方多个地区生长表现良好[1～13]。福建省南平葫芦山国有林场峡阳分场(原福建省南平峡阳国有林场)有一片于1993年2月份在二代杉木连栽地上营造的多树种阔叶树纯林与杉木纯林(对照)的试验林，笔者2021年底对米老排与杉木纯林的土壤物理性质进行了测定和比较，为杉木人工林科学、合理地选择轮作树种提供参考。

2 试验地概况

试验地位于福建省南平市延平区峡阳镇(26°47.8′N，117°59.3′E)，平均海拔230 m，平均坡度32°。该地区多年平均气温19.9 ℃、降水量1640 mm、相对湿度75%。该区为杉木中心产区，土壤为土层深厚、质地粘重的山地红壤，十分适宜营造杉木用材林，但由于长期连栽杉木，林地已出现土壤板结、杉木林产量明显下降等土壤退化现象，山体滑坡等地质灾害频发。试验林前身为第2代杉木林，于1992年底采伐、炼山后翌年2月份营造米老排、醉香含笑(Micheliamacclurei)、赤杨叶(Alniphyllumfortunei)、杉木(对照)等树种的纯林试验林。试验采用完全随机区组设计，区组(重复)3个，同一个区组的海拔、土壤母质、坡位、坡向和坡度等立地因子基本一致。造林株行距均为2 m×2 m(初植密度2500株/hm2)，造林后抚育3年，每年抚育2次。2021年底试验林的林龄为29年生，林分生长状况见表1。米老排人工林由于林分郁闭度高、树冠浓密，林下植物稀少，主要有粗叶榕(Ficushirta)、山矾(Symplocossumuntia)、狗脊(Woodwardiajaponica)等，植被总盖度为8%；杉木人工林林分郁闭度相对较小，林冠稀疏，林下植物发育较好，主要有狗脊、福建观音座莲(Angiopterisfokiensis)、杨桐(Adinandramillettii)、毛柄双盖蕨(Diplaziumdilatatum)、南五味子(Kadsuralongipedunculata)等，植被总盖度为35%。

表1 米老排与杉木人工林生长状况

3 研究方法

3.1 林分调查

分别在米老排和杉木林中各设置3个面积为400 m2(20 m×20 m)的标准地。对标准地内的乔木层植物进行胸径和树高每木调查，计算平均胸径、平均树高、单位面积木材蓄积量。杉木单株材积采用福建省杉木人工林二元立木材积公式(V=0.000 0872D1.785388607H0.9313923697)计算，米老排单株材积采用福建省阔叶树人工林二元立木材积公式(V=0.00005276D1.882161H1.009317)计算。

3.2 土壤调查与取样

在每个标准地中按照“之”字形线路随机选择5个点，每个点挖掘宽50 cm、深80 cm的垂直土壤剖面，采用体积为100 cm3(内径50.46 mm、高50 mm)的环刀采集土壤物理性质样品(环刀内土壤的结构不能受到破坏)。每个剖面按照从上到下的顺序分别在2.5 cm、12.5 cm、27.5 cm和47.5 cm深度的位置往下取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层中间位置的原状土壤。

取样的方法[14,15]：用土壤刀在土壤剖面2.5 cm深度位置削一个10 cm宽的平台，将环刀的刀口朝下置于平台上，环刀顶部套上环刀套，用橡皮锤垂直慢慢敲入土中，敲入时注意观察环刀顶部土壤的位置。环刀顶部与环刀套之间有间隙，环刀中土壤略微超过环刀顶部但还未超过环刀套间隙应停止敲击，不要敲入太深导致土壤被压缩，用土壤刀挖出环刀，用锋利的土壤刀削平露出环刀表面的土壤，盖好上下底盖(上底盖为普通铝盖，下底盖为一垫有直径为50 mm的圆形滤纸的带网眼的底盖)，并用胶带固定好底盖防止底盖脱落，记录环刀编号和土样信息，装入自封袋。取完0～10 cm土层的土样，按照上述方法继续往下取10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层的土样。土壤样品带回室内测定物理性质。

3.3 土壤容重、孔隙度与持水量测定

将带土的环刀揭去胶带和上底盖，保留带有网眼的下底盖，用0.1 g精度的电子天平测定带土环刀(包括湿土、环刀、下底盖和滤纸)的重量(m1)，此时的含水量为自然含水量，随后放入平底盆(或盘)中，在盆中加水至环刀上沿为止，保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面，放置12 h后取出，立即测定重量(m2)，此时的土壤持水量为最大持水量(饱和持水量)。将上述测定完重量的带土环刀放置在铺有干砂的平底盘中2 h后立即测定重量(m3)，此时非毛管水已流出，土壤持水量为毛管持水量。

再将上述测定完重量的带土环刀，继续放置在铺有干砂的平底盘中，保持三昼夜后测定重量(m4)，此时环刀中土壤的持水量为最小持水量(田间持水量)。

将上述测定重量后的环刀中的湿土与环刀、下底盖(含滤纸)分离，分别放入大铝盒中，置于105 ℃的恒温干燥箱中烘干至恒重，测定烘干后的干土重(m5)和烘干后的环刀加底盖和滤纸重(m0)。各物理性质的计算公式：

自然含水量(重量%)=(m1-m0-m5)/m5×100%

(1)

容重(g/cm3)=m5/环刀体积

(2)

总孔隙度(体积%)=(m2-m0-m5)/环刀体积/水的密度×100%

(3)

非毛管孔隙度(体积%)=(m2-m3)/环刀体积/水的密度×100%

(4)

毛管孔隙度(体积%)=总孔隙度(体积%)-非毛管孔隙度(体积%)

(5)

通气度=(体积%)=(m2-m1)/环刀体积/水的密度×100%

(6)

最大持水量(重量%)=(m2-m0-m5)/m5×100%

(7)

田间持水量(重量%)=(m4-m0-m5)/m5×100%

(8)

土壤排水能力(mm)=10×土层厚度(cm) ×(m2-m4)/环刀体积/水的密度

(9)

式(1)～式(9)中：m1为湿土+环刀+底盖+滤纸重(g)，m2为浸水12 h后的湿土+环刀+底盖+滤纸重(g)，m3为置沙2 h后的湿土+环刀+底盖+滤纸重(g)，m4为置沙3昼夜后湿土+环刀+底盖+滤纸重(g)，m5为环刀中的烘干土重(g)，m0为烘干的环刀加底盖加滤纸重(g)，环刀体积=100 cm3，水的密度=1 g/cm3。

3.4 土壤渗透性能测定

将带土的环刀揭去胶带和上底盖(保留带有网眼的下底盖)放入平底盆(或盘)中，在盆中加水至环刀上沿为止，放置12 h后取出，上面套上一个空环刀，接口处先用胶布封好，再用熔蜡粘合，严防从接口处漏水，然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下面承接有烧杯，往上面的空环刀中加水，水面与环刀上沿一致，即水层厚5 cm。

加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，以后每隔2 min更换漏斗下面的烧杯，并分别量岀第1次至第n次的渗岀水量Q1、Q2、Q3、……、Qn-1、Qn，每更换一次烧杯要将上面环刀水面加至原来高度，同时记录水温(℃)，当Qn=Qn-1时，渗出水量达到稳定。

每次渗出水量一般在30～60 min即开始稳定。如果不稳定，应继续延长到单位时间内渗出水量相等时为止。土壤渗滤系数计算公式：

土壤渗滤系数(mm/min)=10×Qn×L/S/t/(H+L)

(10)

式(10)中：Qn为渗出水量达到稳定时的渗岀水量(cm3)，S为环刀横断面积=20 cm2，t为每次渗滤的间隔时间=2 min，L为土层厚度=5 cm，H为水层厚度=5 cm。

3.5 数据处理

采用独立样本T检验的方法分析不同林分类型土壤物理性质的差异显著性，计算工具为SPSS19.0统计分析软件。

4 结果与分析

4.1 土壤容重与孔隙状况

容重是单位体积的原状干土质量，作为土壤中最容易测定的也是最基本的物理性质之一，它的数值大小与土壤的质地、有机质含量、紧实度、孔隙度、持水性能、抗蚀性等指标有关。容重小的土壤，往往土壤疏松多孔、通气性、持水性能、渗透性等水源涵养能力强，植物根系伸展的阻力小，土壤物理性质优良；相反，容重大的土壤，往往土壤较板结、孔隙度低、通气性、持水性和渗透性等水源涵养能力弱，植物根系伸展的阻力大，土壤物理性质差。

从表2可见，米老排和杉木人工林各层次土壤容重均随着土层深度的增加而增加，总孔隙度和非毛管孔隙度随着土层深度的增加而降低，而毛管孔隙度随土层深度的变化没有明显的规律性。

米老排人工林各层次土壤容重与杉木人工林相比都有不同程度的降低，而总孔隙度、非毛管孔隙度和通气度也有不同程度的提高，在表层(0～10 cm)土壤表现得更为明显，这说明杉木多代连栽地轮作米老排能降低土壤容重和改善土壤孔隙状况。

米老排人工林0～10 cm土层土壤容重为0.893 g/cm3，比杉木人工林降低了5.80%，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤容重则分别比杉木人工林降低了3.85%、1.70%和1.86%；0～10 cm土层土壤总孔隙度为63.50%，是杉木人工林的1.056倍，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤总孔隙度分别是杉木人工林的1.020倍、1.040倍和1.037倍；0～10 cm土层土壤非毛管孔隙度为19.77%，是杉木人工林的1.509倍，10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤非毛管孔隙度分别是杉木人工林的1.277倍、1.162倍和1.292倍；0～10 cm和10～20 cm土壤毛管孔隙度分别是杉木人工林的0.929倍和0.977倍，20～40 cm和40～60 cm土层土壤毛管孔隙度分别是杉木人工林的1.023倍和1.013倍；0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤通气度分别是杉木人工的1.055倍、1.27倍、1.081倍和1.312倍(表2)。方差分析结果表明，米老排人工林的容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和通气度与相同土层的杉木人工林没有显著差异(P>0.05)。

表2 米老排与杉木人工林土壤容重与孔隙度

4.2 土壤持水能力

土壤是森林水源涵养功能的主要场所，它是通过调节土壤水分的储蓄和渗透来实现水源涵养功能的。土壤持水能力是衡量森林土壤水源涵养能力的主要指标之一。土壤持水能力取决于土壤质地、容重和孔隙度等指标，土壤有机质和孔隙度高的土壤其水源涵养能力也较强。土壤最大持水量，又称为“饱和持水量”，是土壤持水能力的重要指标之一。从表3可见，米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和20～40 cm土层土壤最大持水量分别为71.23%、53.87%、42.84%和37.68%，分别是杉木人工林的1.119倍、1.061倍、1.059倍和1.057倍。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，即悬着水的最大含量，是表示土壤保持水分能力的指标之一，它主要与土壤质地和土壤结构等物理性质有关。米老排人工林0～10 cm和10～20 cm土层土壤田间持水量分别为杉木人工林的0.960倍和0.979倍，20～40 cm和40～60 cm土层土壤田间持水量分别是杉木人工林提高的1.067倍和1.074倍。

土壤排水能力(mm)是由最大持水量(%)与田间持水量(%)的差值、土壤容重和土层厚度决定的。米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤排水能力分别为36.91 mm、28.50 mm、48.91 mm和45.45 mm，分别比杉木人工林提高19.64%、11.59%、2.95%和1.86%。

土壤渗滤系数也是反映土壤水源涵养能力的重要指标之一。土壤渗滤系数高表明降水可以较快渗入并储存在土壤中，起到较大的拦蓄地表径流、减少水土流失的作用。米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤渗滤系数分别为11.79 mm/min、8.36 mm/min、2.38 mm/min和0.66 mm/min，分别比杉木人工林提高32.17%、22.22%、14.42%和4.76%。

方差分析结果表明，米老排人工林表层土壤的排水能力、表层和10～20 cm土层土壤渗滤系数显著高于杉木林(P<0.05)，但其余物理性质的差异未达显著水平(P>0.05)。

表3 米老排与杉木人工林土壤持水能力

5 结论与讨论

对福建省南平市延平区杉木2代采伐迹地营造的29年生米老排人工林和杉木人工林进行土壤物理性质比较研究表明：

两种人工林土壤容重均表现为表层(0～10 cm)较低、深层(10 cm以下)较高。米老排人工林各土层土壤容重与杉木人工林相比降低了1.70%～5.80%，其中表层(0～10 cm)土壤容重(0.893 g/cm3)下降幅度最大。

两种人工林土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均为表层较高而深层较低，但毛管孔隙度随土层深度的变化没有表现出规律性。米老排人工林各土层的土壤总孔隙度和非毛管孔隙度与杉木人工林相比均有不同程度的提高。米老排人工林各土层土壤总孔隙度是杉木人工林的1.020～1.056倍，其中表层土壤总孔隙度(63.50%)与杉木人工林的差异最大，各土层土壤非毛管孔隙度是杉木人工林的1.162～1.509倍，其中表层土壤非毛管孔隙度(19.77%)与杉木人工林的差异最大。

两种人工林土壤通气度均为表层较高而深层较低。米老排人工林各土层土壤通气度是杉木人工林的1.055～1.312倍。

米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤排水能力分别比杉木人工林提高19.64%、11.59%、2.95%和1.86%。

米老排人工林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤渗滤系数分别比杉木人工林提高32.17%、22.22%、14.42%和4.76%。

方差分析结果表明，米老排人工林表层土壤的排水能力、表层和10～20 cm土层土壤渗滤系数显著高于杉木林(P<0.05)，但其余物理性质的差异未达显著水平(P>0.05)。

前人的研究表明，森林的水源涵养能力主要取决于森林土壤的水源涵养能力，森林土壤的饱和持水量占整个森林生态系统饱和持水量的97%以上[10]，而土壤容重和孔隙度等物理性质是影响森林水源涵养能力的关键因子。杉木多代连栽后轮作米老排可改善土壤孔隙状况，降低土壤容重，可使更多的降水渗入土壤转变为地下径流，从而减轻地表径流对土壤的侵蚀，减轻滑坡、泥石流和旱涝灾害，有利于森林生态环境的改善和人工林的可持续经营。