广东省蕉岭长潭省级自然保护区森林土壤持水性的垂直空间格局研究

林义辉，张苏峻

(广东省林业局，广东广州 510173）

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，其持水性能决定了土壤抗蚀性和土壤水分供给的有效性，成为地表植被生长和发育的主导因子，也是森林水土保持作用发挥的基础，是森林涵养水源的主体，对于改善生态环境具有积极作用.森林土壤水分是森林植物养分运转的载体和溶剂、通气性的调节剂以及土壤中有毒物质的稀释剂，也是土壤径流的供源.了解土壤的水分物理性质是认识上述作用的前提和基础.土壤水分物理性质不仅决定土壤中水、气、热和生物状况，而且影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力.当前，森林土壤持水特征及其影响因素成为国内外森林生态研究的重要内容［1－6］，而国内对南亚热带流域体系的森林土壤持水量的研究却很少系统报道.本文采用软件DMAP(Distribution mapping software)附带的Digitizer功能将长潭自然保护区数字化，然后利用该软件生成1 km×1 km的网格，通过区域网格化的采样方法研究长潭自然保护区森林土壤持水性能的分布规律及森林土壤持水在垂直分布上的变化，为揭示韩江流域森林土壤涵养水源效能提供科学依据.

1 研究区概况

本研究区位于广东省蕉岭长潭省级自然保护区(以下称“保护区”)，地处广东省东北部，蕉岭县西北部，距县城约10 km.地理位置为东经116°03'～116°08'，北纬 24°41'～ 24°49'，形成南北直线长 16 km，南端和北端宽6 km，中间峡谷宽1 km的双头棒锤状.东连长潭、文福、广福3个镇，西邻平远县及蕉岭县长潭镇的百美村，北靠福建省插花山，南包括长潭水库的全部山林，总面积为5585.7 hm2.

保护区地势由东北向西南倾斜，属武夷山余脉的延伸，地形以丘陵山地为主，山地坡度多在25°～45°，个别地段在60°以上.区内地带性土壤主要以红壤为主，北部为中土层红壤，南部为厚层红壤，石窟河两岸为冲积土.土壤腐殖质中至厚，土壤较肥沃.

保护区属中亚热带湿润季风气候区，夏长冬短，高温多雨.平均温度为19℃，平均最高气温为28.5℃(7月)，平均最低气温为11.9℃(1月);年降水量为1730～1916 mm，降水量全年分布不均，多集中在春末秋初，雨热同季，3—9月份降水量占全年降水量的 84%［7］.

2 研究方法

2.1 样地设置、外业调查与样品采集

采用DMAP Digitizer将长潭自然保护区地形图进行数字化处理，生成66个1 km×1 km UTM网格系统.

采样剖面设置在每个网格中心，采用100 cm3环刀于土层0～25、25～50、50～75和75～100 cm 4个层次取样，每层3个重复，共采环刀样品792个.

2.2 室内分析

根据国标《LY/T 1215—1999森林土壤水分 －物理性质的测定》［8］进行土壤自然含水量、土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通气孔隙度、最大持水量、最小持水量、非毛管持水量、毛管持水量和土壤总孔隙持水量的测试与计算.

2.3 数据分析与处理

采用统计软件STATISTICS 5.5的Duncan’s多重比较方法进行土壤持水能力及垂直分布特征分析.

3 结果与分析

3.1 不同土层土壤持水性能的方差分析

土壤容重表现出随土壤深度的增加而增加.0～25和25～50 cm层的土壤容重均极显著低于下层土壤(P＜0.0001).50～75和75～100 cm土层之间容重差异不显著(P=0.276)(图1A).

土壤自然含水量表现为随土壤深度增加而先减少后增加(图1B)，0～25、25～50 cm层自然含水量显著低于50～75和75～100 cm层(P=0.0276).且0～25 cm层高于25～50 cm层，但增幅较小(P=0.8);50～75和75～100 cm层则无显著差异.

土壤通气孔隙度、最小持水量、最大持水量和在不同土层中分布规律一致(图1C～1E)，均表现出随土层深度的增加逐渐减小，且0～25 cm土层极显著大于下层土壤(P＜0.0001)，而25～50、50～75和75～100 cm 3个层次间的差异不显著(P＞0.1).

土壤毛管水可以为植物的根毛和土壤中的细菌所利用，是植物生存的重要水文基础.图1F显示，土壤毛管持水量随土层加深表现出0～25 cm ＞25～50 cm ＞50～75 cm ＞75～100 cm，但相互间的变化极小(变幅92.93～95.76 mm)，无显著差异(P＞0.1).

非毛管孔隙中的水分则主要受重力的作用，向深层下渗，使土壤水分不断补充到地下水或注入河流，其贮蓄和运动速度快，在林地削减洪水、调节水分运动中起重要作用［9－10］.土壤非毛管持水量随土层加深而迅速降低，表层0～25 cm最高，极显著高于其他3层(P＜0.00001);25～50 cm层极显著高于50～75和75～100 cm层(P＜0.001);而50～75和75～100 cm层差异不显著(P=0.227)(图1G).

土壤总孔隙贮水量随土层加深呈下降趋势(图1H)，0～25 cm层极显著高于其他3层(P＜0.0001)，25～50 cm层极显著高于50～75和75～100 cm层(P＜0.001)，而50～75和75～100 cm 层间差异不显著(P=0.108).

以上分析表明，森林土壤水源涵养和蓄水调洪能力主要体现在0～25和25～50 cm层，而50～100 cm层的土壤持水能力较差，这与王燕等［11］的研究结果相同.由于林地表层土壤长期积累凋落物，凋落物腐烂形成较厚的腐殖质层［12］，且根系在地表的密集分布以及林下植被的覆盖均对表土物理性质具有显著的改善作用，因此，表层土壤物理结构、孔隙性等优于下层土壤，贮水量也就显著高于深层土壤;而下层土壤，受到林分类型及人为干扰的影响较小，贮水性能相对稳定.

图1 不同土层土壤持水特性的比较Fig.1 Soil water－holding capacity under different soil layers

3.2 土壤持水性能垂直分布特征

0～25、25～50、50～75和75～10 cm 层的土壤容重分别为 1.11、1.28、1.36 和 1.40 g·cm－3;通气孔隙度分别为 27.81%、21.28%、15.94%和14.59%;自然含水量分别为 77.62、77.00、83.10 和82.29 mm;最小持水量分别为91.09、84.88、89.88和86.88 mm;最大持水量分别为121.08、111.86、111.23和109.57 mm;非毛管持水量分别为51.73、37.17、28.58和25.60 mm;毛管持水量分别为95.76、92.93、94.93和93.00 mm;土壤总孔隙贮水量分别为147.49、130.10、123.51 和118.59 mm(图1).

在垂直方向上，土壤持水受成土过程、土壤类型、结构、颗粒大小、疏松情况等影响.图2、图3显示不同深度的土壤持水特征存在差异:土壤容重、土壤自然含水量总趋势是随着土层深度的增加而增加;而土壤通气孔隙度、最大持水量、土壤总孔隙贮水量及非毛管持水量则随土层深度的增加而降低;最小持水量和毛管持水量则表现出先降低再上升.可见，长潭自然保护区森林表层土壤具有较好的涵养水源效能.对森林土壤的大量研究［10－13］表明，森林土壤是森林水分储蓄的主要场所，其贮蓄量和贮蓄方式受物理性质影响极大，而林地土壤的发育程度，林分类型、表层枯落物组成和数量以及地下根系的生长发育也各异，综上所述造成土壤物理性质的差异，引起各生态系统不同土层土壤蓄水能力的不同.

图2 土壤通气孔隙度、土壤容重的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of ventilation porosity and bulk density

图3 不同深度土壤持水特征变化规律Fig.3 Hydro－physical soil properties in different soil depths

4 结论

广东省蕉岭长潭省级自然保护区森林土壤持水性能在0～100 cm深度的土层中的垂直变异结构及其分布格局表明:土壤自然含水量、最大持水量、最小持水量、土壤通气孔隙度、土壤总孔隙贮水量、非毛管持水量等6个指标随土壤加深不断减小，表层0～25 cm与下层土壤具有极显著的差异.相反，土壤容重则表现出随土壤深度增加而极显著增大.多重比较的分析表明，50～100 cm深度内土壤贮水能力变异很小，差异不显著.由于林地表层土壤长期积累凋落物并腐烂形成较厚腐殖质层，因此，土壤表层贮水量要极显著高于深层土壤，土壤物理结构、孔隙性和数量特征优于下层土壤.

森林土壤水源涵养林和理水调洪能力主要体现在上层土壤，下层土壤尤其是50～75和75～100 cm这两个层次土壤持水性能稳定.大量的研究［12－13］表明，影响土壤持水性能在垂直空间上的分布因素很多，如林分类型、林木生长情况、根系分布、枯落物数量和种类、母岩、地形地貌等环境因子和生物因子，需要进一步的研究和分析.

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