岳麓山风景区坡面林地土壤理化特征评析

王 玲,吕殿青,覃志斌,王 宏,侯旭磊,刘小梅

（湖南师范大学资源与环境科学学院,中国长沙 410081）

岳麓山风景区坡面林地土壤理化特征评析

王 玲,吕殿青＊,覃志斌,王 宏,侯旭磊,刘小梅

（湖南师范大学资源与环境科学学院,中国长沙 410081）

以岳麓山林地坡面为研究区域,室内试验确定不同坡位土壤的容重、孔隙度、含水量、有机质量分数与pH值,运用统计等方法分析5个理化性质的坡面空间分异特征.结果表明,土壤容重在1.320～1.524 g·cm-3之间,坡下容重大于坡上坡中,孔隙度在44%～51%之间,小孔隙比例大,坡上坡中孔隙度大于坡下.岳麓山坡面土壤由于在持续降雨后表层含水量高达70%以上,土壤体积发生膨胀,膨胀系数为166%.土壤有机质量分数在2. 4%～4.2%之间,大小顺序为坡上＞坡中＞坡下.pH值在4～4.34之间,岳麓山林地属强酸性土壤,适宜酸性植物生长.有机质量分数和pH值呈显著负相关关系,坡面理化性质空间变异不明显.

岳麓山;容重;土壤含水量;有机质

由于不同地区气候、母岩、地形、植被和动物等方面存在差异就形成了多种土壤类型,导致土壤性质各异.即使同一土壤类型,土壤的某些性质在不同的空间位置仍存在着一定的差异[1],这种土壤特性在空间分布的非均一性被称为土壤特性的空间变异性[2].在不同尺度上研究土壤空间变异性,对了解土壤的形成过程、结构和功能[3]以及植物与土壤的关系[4-5]等方面具有重要的参考价值.自20世纪70年代以来,国内外学者对土壤特性的空间变异性作了大量的研究,取得了许多重要的进展[6-10].近年来,对于土壤特性的研究大多集中在受人类活动影响较大、破坏较严重的地区,如黄土高原区.徐志友[11]和周萍[12]对黄土丘陵区不同坡面及坡位土壤理化性质特征进行研究;王云强[13]等对黄土区小尺度坡面土壤含水率进行空间变异性研究;潘占兵[14]等研究了黄土丘陵区坡向坡位对苜蓿地土壤含水量影响.近年来由于旅游业的迅速发展,一些旅游风景区受到人为活动的影响越来越多,景区生态也出现逐步退化.因此本文选择岳麓山风景区坡面为研究对象,通过室内试验和理论方法初步评析了岳麓山坡面尺度下林地土壤理化性质的空间分布特征,以期为研究岳麓山土壤特性与植物分布规律及景区生态保护提供科学依据.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

岳麓山风景名胜区位于湖南省长沙市区之西,主要土类为山地红壤,表土多为腐殖质土,属于亚热带季风湿润气候区,夏季因海洋暖湿气团盘踞,高温多雨,春夏之际阴湿多雨,秋末冬初雨量较少,冬季则受西伯利亚冷气团控制,气候冷湿,年平均气温为17.2℃,年平均降水量1 200～1 400 mm[15].植物以典型的亚热带常绿阔叶林和亚热带暖性针叶林为主[16].本次研究区域为岳麓山东坡某一坡面,地理坐标北纬28°23′,东经112°46′,海拔128 m左右,坡度20°～35°,坡面长7 m,宽13 m,该区域森林垂直结构为乔木、灌木和草本3个层次.乔木层以杉树、马尾松为主,灌木层以算盘子、大青叶为主,草本层以鳞毛蕨、淡竹叶等为主.坡下是一条大路,过往行人较多,同时坡面内有一条小径通往山上,两条路周围由于人为践踏作用受人类活动影响较严重,其余地区植被生长良好.坡上坡中以乔木层和灌木层为主,坡下以根系较浅的草本植物居多.

1.2 样品采集与测定

采样时首先去除地表覆盖物和3 cm表层土,以保持林地坡面的自然状态.沿坡长方向设置3个样点,沿坡宽方向设置5个样点,共采集15个样点,样点分布如图1所示.在每个样点用环刀取2个样,用铝盒取3个样.另外,每个样点取500 g左右的土样,风干研磨,分别过2 mm、0.149 mm土壤筛,以待实验测定.

用烘干法和环刀法分别测定土壤的含水量和容重,土壤有机质及pH值则分别采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法和电位法测定.

图1 土壤样点分布图

2 结果分析

2.1 土壤容重和孔隙度分布状况

土壤容重是指在自然状态下单位体积干土与同体积水质量之比,反映土壤颗粒和土壤孔隙的状况,是一个重要的土壤物理指标.一般而言,容重小表明土壤比较疏松,孔隙度大,反之土壤则比较紧实,孔隙度小.土壤容重大小也能反映土壤通气性、透水性和根系伸展的阻力状况.有研究表明,土壤容重值在1.0 g·cm-3时,任何含水量条件下,对作物根系的伸展都无机械抵抗力,但是大于1.4 g·cm-3时,除对通气性和水分产生影响外,还会因土壤的机械抵抗力增加而阻碍根系的伸展.

岳麓山坡面各个样点的土壤容重变化和分布如图2所示.结果发现,坡面表层容重在1.320～1.524 g·cm-3之间,平均值为1.427 g·cm-3,比一般肥沃耕作层的土壤容重稍大,表明土壤结构紧实,对植物根系的机械阻抗力较强.其中5号、9号和10号样点容重在1.30～1.350 g·cm-3之间,通气状况好,土壤机械阻抗力低,有利于植物根系生长,而这3个样点正位于坡面上、中位置的植被生势良好,枯枝落叶较多的天然林地;而3号、8号和13号在各等高线上基本上是最大的,其所处的位置恰好是坡面内的小径,说明人为践踏作用在一定程度上造成土壤紧实板结.坡下样地的容重基本上都大于对应的坡上和坡中土壤容重,坡上坡中的乔木、灌木较多,而坡下根系较浅的草本植物居多,因此不同坡位上土壤容重的大小对坡面植被类型有一定的影响.

图2 坡面土壤容重的变化

土壤孔隙是由于土壤中存在着不同形状、大小的土粒和结构体而形成了大小不一的空间,是土壤中养分、水分、空气和微生物等迁移的通道、储存库和活动的场地,同时也是植物根系生长的场所.土壤孔隙组成直接影响到土壤通气透水性和根系穿插的难易程度,并对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥着不同的调节功能,是表征土壤结构的重要指标之一.土壤孔隙度是反映土壤中所有孔隙的总量,通常根据土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土粒密度）×100%来计算[17].土壤孔隙度的大小由土壤的机械组成和结构所决定,结构性好则孔隙度高.

一般砂质土壤的总孔隙度为30%～40%,大孔隙为主;壤土的总孔隙度为40%～50%,小孔隙占一半或多一点;粘土的总孔隙度为50%～60%,以小孔隙为主[18].各个样点的土壤孔隙度情况如图3.从图3可得,坡面土壤孔隙度较高,在42%～51%之间,小孔隙比例较大,粘粒含量较高,土壤质地较粘重,坡下样地孔隙度基本上都小于坡上坡中样地孔隙度,这主要是因为土壤风化强烈,土壤中的原始矿物质转变成次生粘土矿物质比较彻底.土壤孔隙度高,通透性好,有利于植被的生长发育.

按照经典统计方法分析,将研究区不同坡位土壤容重和孔隙度统计特征值列于表1.表1中可知,不同坡位土壤容重和土壤孔隙度的变异系数均小于10%.按照变异系数的划分等级:弱变异性,CV＜10%;中等变异性,CV=10%～100%;强变异性,CV＞100%[19].可见,坡面尺度不同层次的土壤容重和土壤孔隙度存在弱变异性.不同坡位土壤容重的变异系数为坡上＞坡中＞坡下,土壤孔隙度变异系数为坡上＞坡下＞坡中.对不同层次土壤的容重和孔隙度的方差分析表明,二者差异性均未达到显著水平.

图3 坡面土壤孔隙度的变化

表1 土壤容重和土壤孔隙度描述性统计及方差分析

2.2 土壤含水量的分析

岳麓山土壤水分主要来源于大气降水.同时,由于土壤孔隙度、植被密度和根系分布不同也有所差异,从而使得土壤水分的空间分布有所不同.岳麓山植被保护较好,地表蒸发较少,使得土壤具有良好的蓄水功能.

本次研究中的土壤样品是在持续降雨20 d（累积降水量达196.6 mm）,天气放晴后的2009年3月11日采得.经实验测得各个样点的土壤质量含水量情况如图4所示.岳麓山红壤的饱和体积含水量不超过50%,由此计算可知其饱和质量含水量不超过40%,而图4中表层土壤质量含水量在71%～87%之间,远远超过其饱和质量含水量,这就表明红壤具有吸水膨胀特点.单位质量土壤在持续吸水后,体积变大,则土壤孔隙变大,可存储更多的水分.按照膨胀系数=（膨胀后体积/未膨胀体积）×100%=（（1/膨胀后的土壤容重）/（1/未膨胀的土壤容重））×100%的公式,经计算,岳麓山红壤表层土壤膨胀系数为166%.

图4 表层土壤质量含水量变化

2.3 土壤有机质和pH值的分析

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础,它包括各种动植物残体以及微生物及其生命活动的各种有机产物.土壤有机质不仅能为作物生长提供所需的各种营养元素,同时对土壤结构的形成、土壤物理性状的改善有决定性作用.

从图5可见,坡面土壤有机质质量分数含量在2.4%～4.2%之间,平均值为3.29%,有机质含量较高.不同坡位土壤有机质含量表现为坡上＞坡中＞坡下,主要原因是坡下草本植物的生物量比坡上坡中的乔木、灌木少.其中6号、7号、11号和12号样点处于该坡面的左下方,这个区域的坡度较陡,不利于枯枝落叶的积累,其有机质含量在该坡面也是最低的区域.而5号、9号、10号样点由于处于坡面上、中位置的天然林地,枯枝落叶较多,地势较平坦,有机质含量较高.

图5 坡面土壤有机质质量分数变化

土壤酸碱度是土壤重要的基本性质,用pH值表示.土壤pH值除受土壤母质、气候和植被影响外,还受人为因素的影响.各种植物都有其适宜的酸碱度范围,超出这个范围时,植物生长受阻,土壤养分的生物有效性也受到影响.由图6可知,坡面土壤pH值在4～4.34之间,平均值为4.16,属于强酸性土壤.其中7号、8号、11号和12号样点的pH值较高,而5号、10号和15号样点pH值较低.在该区域内,发现一些酸性土壤指示植物,如杉树、算盘子、鳞毛蕨等植物得以生长,亦表明该坡面土壤呈酸性.研究区域为坡面尺度,土壤母质均一,所以土壤pH值主要是受植被及覆盖物的影响.

土壤pH值通过影响微生物的活动而显著影响着有机质的空间分布,它是影响土壤有机质空间分布的环境因子之一.从以上分析可知,土壤有机质含量较高的区域恰是pH值较低区域,而有机质较低区域是pH值较高区域.从图7可知,有机质质量分数和pH值呈负相关关系,且相关性达到了显著水平（α=0.01）.由表2可得,坡面不同层次的土壤有机质变异系数为12%～15%,属于中等程度的变异性,且坡中＞坡上＞坡下.不同层次土壤pH值变异系数均小于5%,存在弱变异性,且坡中＞坡下＞坡上.不同层次土壤有机质质量分数和pH值的方差分析表明,二者差异性均未达到显著水平.

图6 坡面土壤pH值变化

表2 土壤有机质质量分数和土壤pH值描述性统计及方差分析

图7 土壤有机质质量分数和pH值的关系

3 结论

通过对岳麓山某一长13 m,宽7 m的坡面进行土壤特性评析,结果表明:

（1）坡面土壤容重在1.320～1.524 g·cm-3之间,土壤结构较紧实,且坡下容重大于坡上坡中.土壤孔隙度较高,在44%～51%之间,小孔隙占的比例较大,土壤质地较粘重,且坡上坡中孔隙度大于坡下.二者的方差分析,均未达到显著水平.不同坡位土壤容重和孔隙度存在差异主要由植被分布状况及受人类活动影响决定.

（2）在持续降水20 d后,岳麓山坡面土壤表层含水量很高,达70%以上,原因在于红壤具有膨胀性.经计算,岳麓山表层土壤膨胀系数为166%.

（3）土壤有机质质量分数较高,在2.4%～4.2%之间,且坡上＞坡中＞坡下;pH值在4～4.34之间,属于强酸性土壤,坡中＞坡下＞坡上.有机质质量分数和pH值呈负相关关系,且相关性达到了显著水平（α= 0.01）.对二者进行方差分析,均未达到显著水平.不同坡位土壤有机质含量和孔隙度不同主要由植被分布状况决定.

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Review and Analysis of Soil Physical and Chem ical Characteristics on Woodland Slope in Yuelu Mountain

WANG L ing,LV D ian-qing＊,Q IN Zhi-bin,WANG Hong,HOU Xu-lei,L IU X iao-m ei（College of Resources and Environment Science,Hunan Nor malUniversity,Changsha 410081,China）

Woodland Slope in YueluMountain was chosen as studied area in thiswork.Soil bulk density,porosities,water content,organic matter and pH value were measured in the lab.Spatial heterogeneity in slope about the five soil physical and chemical characteristicswas studied by statisticalmethod.The results show that soil bulk densities change from 1.320 to 1.524 g·cm-3and are higher in the lower slope than that in upper slope and middle slope.The soil porosities are be tween 44%and 51%and are lower in the lower slope than that in upper slope and middle slope.Surface soilwatermass contents are more than 70%after continuous rainfall.Soil volume swells and swelling coefficient is 166%.Soilorganic matter isprobably between 2.4%and 4.2%and the orderof organic matter contents is upper slope,middle slope and lower slope.The pH values are from 4 to 4.34.It denominates that the soil of YueluMountain is the strongly acidic soil and suitable for acidic plants growing and developing.A negative correlation in significant level exists between organic matter contents and pH values.Spatial heterogeneity in slope about soil physical and chemical characteristics is no obvious difference.

YueluMountain;bulk density;soilwater content;organic matter

S152.7

A

1000-2537（2011）02-0084-05

2010-12-29

国家自然科学基金资助项目（40801083）;湖南省重点学科资助项目（2008001）;湖南省教育厅青年项目（09B061）

＊通讯作者,E-mail:ldianqing@163.com

（编辑 王 健）