两种人工林土壤物理性质时空变异性1)

2012-06-28赵淑苹

东北林业大学学报 2012年11期

孟春罗京赵淑苹王俭

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

庞凤艳

(哈尔滨市林业科学研究院)

土壤物理性质是表征土壤结构的一类重要指标，它不仅影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力，还决定了土壤中水、热、气和生物状况。因此，对于土壤物理性质及其异质性的研究一直是众多学者关注的焦点［1－5］。但是，前人的研究多集中在某一土壤类型的空间变异性或者不同土壤类型的变异性上，这些研究虽然有助于对土壤物理性质的理解，但若要准确地掌握土壤不同时空的水、热、气交换情况，特别是对具有温室效应的土壤CO2气体排放情况的掌握，就需要对土壤物理性质进行小尺度时空动态分析。因此，本文选取了两个人工林分进行土壤物理性质的小尺度动态观测，以期揭示土壤物理性质的时空变化特征。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验样地为东北林业大学哈尔滨实验林场。位于哈尔滨市区内马家沟河西岸(N45°43.463'～N45°43.464'，E126°37.457'～ E126°37.458')，地形平缓，土壤为地带性黑土，水分条件良好。属于温带季风性气候，年平均气温3.5℃，年积温2 757℃，年降水量534 mm。

本次试验选取该林场内白桦(Betula platyphylla Suk.)人工林和落叶松(Larix gmelini Rupr.)人工林为研究样地。样地概况见表1。

1.2 观测方法

在两个观测林地，分别于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日进行了5次取样。每个样地以对角线形随机选取5个取样点。在每个取样点用铁锹挖出深约50 cm的剖面，在每个剖面上，从地表向下分别在5、15、30、45 cm处用环刀取样，每个林地每次取样20个。采用环刀法和烘干法测定毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、饱和持水量和土壤密度。

表1 样地概况

1.3 数据处理

采用经典统计方法计算每个样地每次取样同层次各项指标的平均值、标准差。采用变异系数(CV)说明各项指标的变异程度:CV=S/(S为标准差;为均值)。CV≤0.1属于弱变异性，0.1＜CV＜1属于中等变异性，CV≥1属于强变异性［6］。采用方差分析说明各指标时空差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤孔隙度与密度

2.1.1 非毛管孔隙度

白桦林和落叶松林地土壤非毛管孔隙度均值分别介于 5.20% ～12.80% 和 7.40% ～12.00%(表2)之间，均值分别为8.64%和7.33%。

表2 白桦林和落叶松林地土壤非毛管孔隙度 %

陈喜全［7］对该林场土壤颗粒组成研究的结果显示，沿深度方向大于0.02 mm粒径的百分组成差异不大，且无规律性变化。因此，在各次取样中，除白桦林地第一次取样和落叶松林地第三次取样呈现规律性变化外(土壤深度由5 cm至45 cm的非毛管孔隙度均值呈增加趋势，分别由5.20%和9.40%增至11.20%和12.00%)，其他各次取样土壤非毛管孔隙度均值均无显著规律性变化，且各土壤深度间非毛管孔隙度均值差异性并不显著(p＞0.05)。

从时间序列上看，各次取样间非毛管孔隙度差异性显著(p＜0.05)，在各次取样中，两林地土壤非毛管孔隙度均在8月8日出现较大值。8月份为北方的雨季，土壤含水率较高，水分使土壤团聚体间间隙增大，导致该次观测值明显高于其他各次。

白桦林和落叶松林地土壤非毛管孔隙度变异性均属于中等变异，变异系数分别介于0.13～0.89和0.10～0.52之间。不论在深度方向上还是在时间序列上，两林地土壤非毛管孔隙度变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，两林地土壤非毛管孔隙度变异性表现略有不同，白桦林地5 cm深处土壤非毛管孔隙度变异性较大，而落叶松林地则在15 cm和30 cm深度处变异性较大。造成这一差别的主要原因是白桦林地临近主要通行道路，人为影响因素对土壤非毛管孔隙度的影响大于落叶松林地。

2.1.2 毛管孔隙度

白桦林和落叶松林地土壤毛管孔隙度分别介于35.60% ～46.00% 和 38.40% ～45.40%(表 3)之间，均值分别为42.60%和43.13%。

一般而言，土壤有机质和腐殖质集中在土壤上层，随着土壤深度的增加其含量逐渐减少［8］，因此，土壤毛管孔隙度地表较大、随土层深度的增加呈逐渐减小的趋势。研究样地地处城市中心，由于人为践踏的结果改变了土壤毛管孔隙度的一般变化规律，毛管孔隙度多数表现为15 cm和30 cm土层处较大或5 cm和45 cm土层处较小，但各深度间土壤毛管孔隙度差异性不显著(p＞0.05)，这一结果与陈喜全［7］对该林场土壤颗粒小于0.02 mm粒径的百分组成在深度方向的比例相一致。

表3 白桦林和落叶松林地土壤毛管孔隙度 %

从时间序列上看，各次取样间毛管孔隙度差异性显著(p＜0.05)，两林地毛管孔隙度多数在8月8日取样时出现较大值，其他各次较小，10月2日取样最小，这一情况与土壤含水率的季节性变化相关。

白桦林和落叶松林地土壤毛管孔隙度变异性均属于弱变异，变异系数分别介于0.02～0.09和0.03～0.09之间。无论从深度方向还是从时间序列上看，两林地土壤毛管孔隙度变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，变异系数均未出现规律性变化。

2.1.3 总孔隙度

白桦林和落叶松林地土壤总孔隙度分别介于44.80% ～58.00% 和 46.60% ～55.80%(表 4)之间，均值分别为51.08%和52.30%。

表4 白桦林和落叶松林地土壤总孔隙度 %

总孔隙度决定于毛管孔隙度和非毛管孔隙度。虽然两林地非毛管孔隙度未表现出显著规律性变化，但由于毛管孔隙度在深度方向多数表现为15 cm和30 cm处较大、5 cm和45 cm处较小，且毛管孔隙度在总孔隙度中所占比例较大，使得总孔隙度呈现与毛管孔隙度相同的变化规律，但各深度间变化差异未达到显著水平(p＞0.05)。从时间序列上看，总孔隙度的变化与毛管孔隙度和非毛管孔隙度的变化相一致，差异性显著(p＜0.05)，即毛管孔隙度和非毛管孔隙度显著的时间变化决定了总孔隙度的时间变化特点。

白桦林和落叶松林地土壤总孔隙度变异性均属于弱变异，变异系数分别介于0.03～0.09和0.01～0.09之间。无论从深度方向还是从时间序列上看，两林地土壤毛管孔隙度变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，变异系数均未出现规律性变化。

2.1.4 土壤密度

白桦林和落叶松林地土壤密度分别介于1.07～1.34 g·cm－3和 1.11 ～1.31 g·cm－3(表 5)之间，均值分别为 1.19 g·cm－3和 1.18 g·cm－3。

土壤密度决定于土壤孔隙度。土壤密度与总孔隙度变化趋势相反，即总孔隙度越大，土壤密度越小。因此，土壤密度表现出与总孔隙度相反的变化规律，即土层15 cm和30 cm处较小、5 cm和45 cm处较大，但各深度间土壤密度差异未达到显著水平(p＞0.05)。在时间序列上，两林地各次取样间土壤密度差异性显著(p＜0.05)，8月份最低，与总孔隙度的季节变化趋势相反。

白桦林和落叶松林地土壤密度变异系数分别介于0.02～0.08 和 0.01 ～0.08 之间，属于弱变异。两林地土壤密度变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，未呈现出规律性变化。

2.2 土壤水分

2.2.1 毛管持水量

白桦林和落叶松林地毛管持水量分别介于29.17% ～39.74% 和 30.63% ～39.65%(表 6)之间，均值分别为38.56%和36.44%。

表5 白桦林和落叶松林地土壤密度 g·cm－3

表6 白桦林和落叶松林地土壤毛管持水量 %

毛管持水量既取决于毛管的持水能力又取决于土壤层次的水势，毛管持水量随土层深度的增加而增加［9］。观测结果与这一变化趋势基本一致，但各深度间毛管持水量差异未达到显著水平(p＞0.05)。

从时间序列上看，各次取样间毛管持水量差异性显著(p＜0.05)，与毛管孔隙度的季节变化相一致，8、9月份较高，其它月份较低。

白桦林和落叶松林地毛管持水量变异系数分别介于0.02～0.12 和 0.02 ～0.28 之间，既有弱变异也有中等变异。两林地毛管持水量的变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，未呈现出规律性变化。

2.2.2 饱和持水量

白桦林和落叶松林地饱和持水量分别介于34.02% ～52.62% 和 35.61% ～47.59%(表 7)之间，均值分别为43.06%和44.20%。

表7 白桦林和落叶松林地土壤饱和持水量 %

土壤饱和持水量决定于土壤孔隙度。饱和持水量在深度方向上的变化与土壤总孔隙度的变化相一致，即随土壤深度的增加饱和持水量亦增加，两林地的观测结果恰好符合这一变化趋势，但与孔隙度相似，各深度间土壤饱和持水量差异未达到显著水平(p＞0.05)。

从时间序列上看，各次取样间饱和持水量差异性显著(p＜0.05)，呈现季节性变化，8月份较高，其它月份较低，与总孔隙度的季节变化相一致。

白桦林和落叶松林地饱和持水量变异系数分别介于0.05～0.14 和 0.04 ～0.20 之间，既有弱变异也有中等变异。两林地饱和持水量的变异系数存在差异，但均未达到显著水平(p＞0.05)，未呈现出规律性变化。

3 结论与讨论

研究样地地处城市中心，是经由松花江、阿什河的长期侵蚀、搬运和堆积作用下形成的冲积平原［7］，植树造林50余年后形成森林景观，并成为周围居民散步与健身的场所，使林地土壤物理指标的时空变化呈现出自然及人为因素共同作用的结果。

土壤孔隙度因土壤类型和利用方式的不同而有很大差别［10－15］。白桦林、落叶松林地非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度均值分别为8.64%和7.33%、42.60% 和 43.13%、51.08% 和 52.30%。研究样地虽为黑土，但各项土壤孔隙指标却低于同为黑土的裸地、草甸和农作物生态系统的土壤［16］，高于同城市街道绿化地的各项孔隙指标［17］，从而导致土壤密度有与之相反的结果。土壤孔隙度的空间变化因研究样地地表植物和地理位置的不同而有别于其他研究结果［16］。虽然非毛管孔隙度的空间变化与其他黑土基本相一致，但毛管孔隙度的空间变化与之却有很大差别，土壤15 cm和30 cm深度处较大、5 cm和45 cm深度处较小。由于毛管孔隙度在总孔隙度中所占比例较大，从而导致总孔隙度与毛管孔隙度具有相同的空间变化特点。由于人为因素作用的差异，研究样地与其他城市森林土壤物理指标的空间变化也不尽相同［18－19］。研究样地总孔隙度超过或接近50%，表明研究样地土壤通水、通气性良好。在观测年度内，土壤孔隙指标呈现了显著的时间变化，在8月份出现最大值，总孔隙度介于53.00% ～58.00%之间，表明8月份是土壤通水、通气性最好的月份，而且，这是植物主要生长季节，非常有利于植物对养分的吸收。由于在研究深度内均存在乔木及下木根系，使土壤孔隙指标的变异性降低，两林地土壤孔隙指标的变异属中等变异或弱变异，变异系数的差异不论在时间还是空间上差异均不显著。

两林地土壤密度均值分别为1.19g·cm－3和1.18 g·cm－3，高于同为黑土的裸地、草甸和农作物生态系统的土壤［16］，低于同城市街道绿化地［17］。土壤质地较为疏松，适合植物根系的生长和延伸。土壤密度的时空变化与土壤总孔隙度呈现出相反的变化特点。土壤密度变异属于弱变异，变异系数不论在时间还是空间上差异均不显著。

两林地毛管持水量和饱和持水量均值分别为38.56%和 36.44%、43.06% 和 44.20%，低于同为黑土的裸地、草甸和农作物生态系统的土壤［16］，高于同城市街道绿化地［17］。毛管持水量和饱和持水量在空间和时间上的变化均表现出了与总孔隙度一致的变化特点，两林地土壤孔隙指标的变异属中等变异或弱变异，变异系数不论在时间还是空间上差异均不显著。

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