華南地區(qū)森林土壤物理性質(zhì)研究

華南地區(qū)森林土壤物理性質(zhì)研究

土壤是物種生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。土壤物理性質(zhì)通常被認(rèn)為是立地質(zhì)量的重要指標(biāo)(Karlen&Stott,1994;Arshadetal.,1996;Boix-Fayos,etal.,2001),是肥沃的森林土壤形成過(guò)程中一個(gè)重要部分(Schoenholtzetal.,2000),因而日益成為重要的研究領(lǐng)域之一(Sparlingetal.,2004)。土壤的水分、容重和孔隙是重要的土壤物理因子,影響著土壤的持水和溶解礦質(zhì)元素的性能,影響著植物的扎根和根系的吸水性能,進(jìn)而影響土壤肥力狀況和植物的生長(zhǎng)(劉偉欽等,2003),因而被較多的關(guān)注(許松葵等,2006,張希彪和上官周平,2006;薛立等,2007)。馬尾松(Pinusmassoniana)廣泛分布在我國(guó)南方,是我國(guó)主要的用材樹種之一,也曾是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)崗山的主要實(shí)驗(yàn)林。由于馬尾松純林病蟲害猖獗,同時(shí)引起土壤肥力下降,1973年以來(lái),華南農(nóng)業(yè)大學(xué)森林培育教研室改種柚木(Tectonagrandis)、馬占相思(Acaciamangium)、落羽杉(Taxodiumdistichum)、木荷(Schimasuperba)、尾葉桉(Eucalypysurophylla)、濕地松(P.elliottii)純林及黎蒴(Catanopsisfissa)×加勒比松(P.caribaea)、火力楠(Micheliamacclurei)×木荷混交林。對(duì)以上林分的土壤化學(xué)性質(zhì)已有過(guò)研究(薛立等,2003a,2003b),而對(duì)其土壤物理性質(zhì)則未見報(bào)道。因此,本文對(duì)這些林分的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行研究,以全面了解其土壤特性,為合理利用森林土壤資源提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1不同林分的土壤條件調(diào)查地位于廣州市天河區(qū)(113°18′E,23°06′N),屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖多雨,夏長(zhǎng)冬短。年均溫、最冷月(1月)和最熱月(8月)月均溫分別為21.8℃、13.3℃和28.1℃。年降雨量1714.4mm,4—9月的降雨量占年降雨量的82%。年平均相對(duì)濕度79%。試驗(yàn)林營(yíng)造前,調(diào)查地原有的亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林受嚴(yán)重破壞而變?yōu)轳R尾松疏林。試驗(yàn)林地為低矮丘陵,海拔約40m,土壤為花崗巖發(fā)育而成的低丘赤紅壤,土層深厚。落羽杉林位于低洼潮濕的山?jīng)_,而其他林分生長(zhǎng)于緩坡上。落羽杉林0～40cm的土壤有機(jī)質(zhì)高達(dá)3.25%,尾葉桉林僅為0.41%,其他林分在1.74%～2.29%。柚木林和落羽杉土壤<0.01mm的粘粒含量分別為25%和64%,其他林分在31%～40%。落羽杉林的林下植物發(fā)達(dá),而柚木林和尾葉桉林的林下植物稀少,其余林分的林下植物介于3種林分之間。試驗(yàn)林地的其他基本特征見薛立等(2003a,2003b)。1.2土壤理化性質(zhì)的測(cè)量在每個(gè)林分內(nèi)挖取土壤剖面,分3層(0～20、20～40和40～60cm)用環(huán)刀采集土壤樣品,3個(gè)重復(fù)。用酒精燃燒法測(cè)量土壤自然含水量,用環(huán)刀法測(cè)量土壤容重,毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和毛管持水量的計(jì)算方法如下(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,1978):土壤毛管持水量=環(huán)刀內(nèi)水分重量/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量×100(%);總孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100(%);毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重(%);非毛管孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度(%)。2結(jié)果與分析2.1土壤容重的分布土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì),土壤容重的大小反映了土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量等綜合物理狀況(Hope,1991)。不同林分同一土層的土壤容重差異比較明顯(圖1)。8種林分的上層(0～20cm)土壤中,柚木林和黎蒴×加勒比松林的土壤容重顯著大于其他林地(P<0.05)、落羽杉林和尾葉桉林的土壤容重顯著大于其他4個(gè)林地(P<0.05),馬占相思林的土壤容重顯著小于其他林地(P<0.05);在中層(20～40cm)土壤中,黎蒴×加勒比松林的土壤容重顯著大于其他林地(P<0.05),木荷林地顯著大于其他6個(gè)林地(P<0.05),馬占相思純林地和火力楠×木荷林地較大,而尾葉桉林的土壤容重顯著小于其他林地(P<0.05);下層(40～60cm)土壤中各林地的土壤容重變化趨勢(shì)與中層土壤相似。柚木林地3層的土壤容重相近,尾葉桉林地為上層大于中層和下層,其余林地為上層的土壤容重最小,中層和下層相近。說(shuō)明尾葉桉林根系分布較深,在中下層土壤中的根系發(fā)達(dá),易于松動(dòng)土壤。馬占相思林地上層的土壤容重僅有中下層的75%左右,這可能與其凋落物量大,腐殖質(zhì)在表層累積多有關(guān)。2.2非毛管孔隙度上層土壤中,柚木林地的毛管孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),黎蒴與加勒比松林地、火力楠×木荷林地和木荷林地的毛管孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)(圖2);中層和下層土壤中,尾葉桉林地的毛管孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),柚木林地顯著大于其他6個(gè)林地(P<0.05)。中層土壤中,黎蒴×加勒比松林地和木荷林地的毛管孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05);下層土壤中,落羽杉林地的毛管孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)。隨著土壤深度的增加,柚木林地、落羽杉林地的毛管空隙度逐漸下降,馬占相思林地、黎蒴×加勒比松林地和尾葉桉林地的毛管孔隙度逐漸增加,火力楠×木荷林地的毛管孔隙度為中層>下層>上層,木荷林地下層>上層≈中層,濕地松林地為上層>中層≈下層。上層土壤中,馬占相思林地、火力楠×木荷林地和木荷林地的非毛管空隙度顯著大于其他林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的非毛管孔隙度顯著大于其余4個(gè)林地(P<0.05),而柚木林地的非毛管孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)(圖3);中層土壤中,木荷林地的非毛管孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),尾葉桉林地的非毛管孔隙度小于柚木林地和顯著小于其余6個(gè)林地(P<0.05);下層土壤中,落羽杉林地的非毛管孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),馬占相思林地的非毛管孔隙度顯著大于其余6個(gè)林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地和尾葉桉林地的非毛管孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)。隨著土壤深度的增加,柚木林地的非毛管空隙度逐漸增加,黎蒴×加勒比松林地、木荷林地、尾葉桉林地和濕地松林地的非毛管空隙度逐漸下降,馬占相思林地和火力楠×木荷林地的非毛管空隙度為上層>中層≈下層,落羽杉林地為上層>下層>中層。上層土壤中,馬占相思林地的總孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),柚木林地、黎蒴×加勒比松林地和尾葉桉林地的總孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)(圖4);中層和下層土壤中,尾葉按林地的總孔隙度顯著大于其他林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的總孔隙度顯著小于其他林地(P<0.05)。柚木林地3層土壤的總孔隙度相近,黎蒴×加勒比松林地、落羽杉林地、木荷林地和濕地松林地的總孔隙度隨著土壤深度的增加而下降,馬占相思林地的總孔隙度為上層>下層>中層,落羽杉林地為上層>中層>下層,尾葉桉林地為中層>下層>上層。2.3土壤深度對(duì)土壤毛管持水量的影響各層土壤中,落羽杉林地的土壤自然含水量顯著大于其他林地(P<0.05),木荷林地的土壤自然含水量較高,柚木林地的土壤自然含水量顯著小于其他林地(P<0.05)(圖5);隨著土壤深度的增加,落羽杉林地的土壤自然含水量急劇減少,而其他林地的土壤自然含水量增加或保持穩(wěn)定,它們之間的差距逐漸減小。隨著土壤深度的增加,柚木林地、馬占相思林地、黎蒴×加勒比松林地、火力楠×木荷林地和濕地松林地的土壤自然含水量增加、落羽杉林地的土壤自然含水量急劇減少,而木荷林地和濕地松林地保持穩(wěn)定。上層土壤中,馬占相思林地和落羽杉林地的毛管持水量顯著大于其他林地(P<0.05),柚木林地和濕地松林地的毛管持水量大于顯著大于其余4個(gè)林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的毛管持水量顯著小于其他林地(P<0.05)(圖6);中層和下層土壤中,尾葉桉林地的毛管持水量顯著大于其他林地(P<0.05),柚木林地的毛管持水量較大,中層土壤的黎蒴×加勒比松林地和木荷林地的毛管持水量顯著小于其他林地(P<0.05),下層土壤的落羽杉林地和木荷林地的毛管持水量顯著小于其他林地(P<0.05)。隨著土壤深度的增加,柚木林地、落羽杉林地和濕地松林地的土壤毛管持水量減少、尾葉桉林地的土壤毛管持水量增加,火力楠×木荷林地保持穩(wěn)定,馬占相思林地和木荷林地為上層>下層>中層,黎蒴×加勒比松林地為下層>上層>中層。2.4各層土壤的自然含水量以0.6為閥值,8種林地可以分為4類。馬占相思林地、黎蒴×加勒比松林地、火力楠×木荷林地、木荷林地和濕地松林地為第1類,特點(diǎn)是上層的土壤容重小于中層和下層,毛管孔隙度中等或較小,非毛管孔隙度中等或較大,非毛管孔隙度和總孔隙度為上層大于中層和下層。自然含水量中等或較大,隨著土壤深度的增加而下降或穩(wěn)定。除了馬占相思林地上層外,毛管持水量為中等或較小;第2類為柚木林地,土壤容重較大,且3層的土壤容重相近,毛管孔隙度和毛管持水量較大,非毛管空隙度和自然含水量較小;第3類為落羽杉林地,各層土壤的自然含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他林地。上層和中層的土壤容重、毛管孔隙度和非毛管空隙度中等。上層的毛管持水量大,中層的中等。下層的土壤容重和非毛管空隙度大,毛管空隙度和毛管持水量小。第4類為尾葉桉林地,上層的土壤容重大于中層和下層,毛管孔隙度和毛管持水量較大,非毛管空隙度和自然含水量較小。3改善立地條件馬占相思林地上層的土壤容重小,毛管孔隙度、非毛管孔隙度大和毛管持水量高,自然含水量較低;中層和下層的土壤容重、毛管孔隙度、自然含水量和毛管持水量中等,非毛管孔隙度較大。黎蒴×加勒比松林地各層的土壤容重大、毛管孔隙度和毛管持水量小,自然含水量中等,上層和中層的非毛管孔隙度中等,下層的小?；鹆﹂聊竞闪值馗鲗拥耐寥廊葜?、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量和毛管持水量均為中等。木荷林地各層的土壤容重中等,自然含水量大和毛管持水量小。上層和中層的毛管孔隙度小而非毛管孔隙度大,下層的毛管孔隙度和非毛管孔隙度中等。濕地松林地各層的土壤容重較小、自然含水量和毛管持水量中等,毛管孔隙度和非毛管孔隙度中等或較大。馬占相思等5種林地的容重為上層小于中層和下層,非毛管孔隙度和總孔隙度均為上層大于中層和下層,這與地表森林凋落物的積累,有機(jī)質(zhì)含量高有關(guān)(Garg&Jain,1992)。林木傾向于通過(guò)改善土壤的理化性質(zhì)、蓄水性能和小氣候而改善立地條件(Prinsely&Swift,1986)。隨著林木生長(zhǎng),林分通過(guò)凋落物、根系固氮和伸展、林冠擴(kuò)張和養(yǎng)分循環(huán),使有機(jī)質(zhì)積累于土壤表層,從而改善了土壤的理化性質(zhì)(Gilletal.,1987;Evans,1992;Mishraetal.,2003),使容重減少,空隙度增加,容蓄水分能力增強(qiáng)。8種林地中,柚木林地上層的土壤容重大,毛管孔隙度和毛管持水量較大,非毛管孔隙度少,自然含水量低;中層和下層的土壤容重、毛管孔隙度和毛管持水量中等,非毛管孔隙度較少,自然含水量低。柚木林地3層的土壤容重相近,在8種林地的0～20cm土層中容重最大,不利于林下植物的根系生長(zhǎng),因而草本植物稀少,其根系的松土作用弱,造成非毛管空隙度較小。土壤中<0.01mm的粘粒含量低,不利于其吸附水分。非毛管空隙少和粘粒含量低導(dǎo)致其自然含水量低。落羽杉林地各層土壤的自然含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他林地,上層和中層的土壤容重、毛管孔隙度和非毛管空隙度中等,毛管持水量大。下層的土壤容重和非毛管空隙度大、毛管空隙度和毛管持水量小。落羽杉是落葉樹種,在旱季其自身的蒸騰作用而消耗的水分比闊葉樹少,而且位于潮濕的山?jīng)_,<0.01mm的粘粒含量高達(dá)64.2%,有利于吸附水分。另外,落羽杉林的土壤有機(jī)質(zhì)高,土壤有機(jī)質(zhì)疏松多孔,吸水能力可達(dá)自身重量的幾十倍,因此對(duì)保持土壤水分有積極作用(陸耀東等,2008),所以,各土層的自然含水量都顯著的高于其他林分。由于林下植物多,蒸發(fā)的水分較少,土壤水分主要集中在表層。尾葉桉林上層的土壤容重大于中層和下層,毛管孔隙度和毛管持水量較大,非毛管空隙度和自然含水量較小。尾葉桉林上層的土壤有趨于緊實(shí)的特征(廖觀榮等,2001)。土壤物理性質(zhì)的變化決定于有機(jī)質(zhì)(Grahametal.,1989)。有機(jī)質(zhì)的損失減少了土壤養(yǎng)分(Burgessetal.,1995;Schmidtetal.,1996;Bulmeretal.,1998;Nesdoly&vanRees