不同林龄对宝天曼自然保护区锐齿栎林土壤物理性质及其水源涵养功能差异性的影响

郭建荣，庄静静，朱学灵，叶永忠

(1．河南农业大学，河南郑州450002;2．宝天曼自然保护区管理局，河南内乡474350)

锐齿栎(Quercus aliena var．acuteserrata)是槲栎(Quercus aliena)的变种，叶缘锯齿较锐故名，是暖温带主要建群树种之一，广泛分布于辽宁、陕西、甘肃、河南、山东等省，在河南伏牛山、太行山海拔1 000 ～2 000 m 的山地，常形成纯林［1，2］．

森林土壤的性质会随着森林的自然演替或人类活动而发生变化，作为森林生态系统重要的组成部分，森林土壤的物理性质反映在土壤肥力、森林涵养水源等主要方面［3］．有研究认为，林地土壤是森林水源涵养功能发挥的主要场所，所以可以将土壤含蓄水源量作为森林含蓄水源量［4］．研究天然次生林不同林龄土壤物理性质的变化，有利于深入了解森林生态系统的自然演替过程，为林业可持续发展和优化抚育提供依据，并能进一步了解森林生态系统水源涵养功能的机理．目前，关于森林土壤物理性质的研究有很多，有同一地区不同种类林分土壤性质的对比研究［5，6］，也有不同地区同种林分土壤特性的研究［7］等等，但是具体到宝天曼地区，特别是具体到锐齿栎森林的研究还未见报道．本研究以森林土壤物理性质作为切入点，进一步对宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林水源涵养功能进行研究，为自然保护区森林生态系统的监测、评估、乃至调控提供一定的参考．

1 研究方法

1．1 样地选择

宝天曼自然保护区位于河南省西南部，秦岭东段伏牛山南坡，地理坐标为北纬33．25'～33．33'，东经 110．53'～112．04'．山势呈西北—东南走向，总面积约100 km2，宝天曼最高峰海拔1 830 m．本区属季风型大陆性气候，四季分明，年均温15．1℃，年降雨量885．6 mm，年蒸发量991．6 mm，相对湿度68%，极端最高温41．2℃，极端最低温－14．8℃，≥10℃的年积温4 200～4 900℃，无霜期高山区160 d，低山区 227 d［8，9］．自然保护区海拔 900 m 以下分布的植被类型主要是栓皮栎(Quercus var．iabilis Blume．)、槲栎(Quercus aliena BL．)，海拔 1 000 m以上主要的栎类是锐齿栎(Quercus aliena var．acuteserrata Maxim．)和短柄枹(Quercus glandulifera var．brevipetiolata Nakai)．

在宝天曼国家自然保护区内，选取坡向、坡度、海拔基本一致，且具有相对距离的锐齿栎林，设置3个试验组，每组分别包含幼龄林(I)、中龄林(II)、成熟林(III)3块样地，共9块，样地面积均为20 m×30 m．各个林龄均为天然次生林，鉴于幼龄林资源稀缺，因此幼龄林样地选择相对放宽．在每个样地打成5 m×5 m小样方．各个样地基本情况见表1．

表1 样地基本情况Table 1 Outline of the plots

1．2 取材方法

在各标准样地内沿对角线设置9个样点，共81个，挖掘土壤剖面;按照0～10，10～20，20～40 cm3个层次，用直径50．46 mm，高50 mm，容积100 cm3的环刀(与铝盖配套、提前称重并标记)取原状土，共243个样品，盖好铝盖，立即带回宝天曼自然保护区森林生态监测站实验室，用于测定土壤自然含水率、容重等物理指标．

1．3 土壤持水性质测定

用环刀法测定．将装有原状土的环刀带回实验室后立即称取质量，用以计算自然含水量;然后置于未没过环刀底盖的水中浸泡24 h，称取质量，用以计算最大持水量;后置于干砂上，2 h后称取质量，用以计算毛管持水量;再将环刀置于干砂上，24 h后称取质量，用以计算最小持水量;最后将环刀放进预热0．5 h的烘箱中，85℃烘至恒重，取出后迅速称取质量，用以计算土壤容重及自然含水量．

土壤容重与自然含水率的计算公式如下:

式中:D为容重，单位:g·cm－3;v为环刀容积，单位:cm3;W 为自然含水量，单位:%;m0，m1，m2分别为环刀重、土壤烘干重(含环刀)、土壤自然重(含环刀)，单位均为g，下同．

土壤最大持水量、毛管持水量与最小持水量的计算公式如下:

式中:Cmax，Ccap，Cmin分别为最大持水率、毛管持水率、最小持水率，单位均为 g·cm－3;m3，m4，m5分别为浸水24 h重、干砂2 h重、干砂24 h重，均含环刀，单位均为g;

1．4 土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的计算

在没有比重值的情况下，土壤总孔隙度用容重通过经验公式计算出，土壤总孔隙度经验公式为:

式中:p为总孔隙度，%．下同．

毛管孔隙度(容积百分比)、土壤非毛管孔隙度分别采用下式计算:

式中:p1，p2分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度，%;w为土壤含水量，%．

1．5 不同林龄锐齿栎森林水源涵养功能物质量

森林涵养的水量通过土壤蓄水能力法得到，此法认为水分主要贮存在土壤层内，可以用土壤层厚度和非毛管孔隙度的乘积来表示［10］，亦可以用各层土壤蓄水量之和得到，本研究采用后者，单位t·hm－2．

2 结果与分析

2．1 不同林龄锐齿栎森林土壤物理特性

本研究样地均设在海拔1 300 m以上，土壤类型均为山地棕壤．由图1可知，不同林龄锐齿栎林分土壤自然含水率大小顺序为;幼龄林＞中龄林＞成熟林，相同林龄土壤含水率随土壤深度增加略有下降趋势．因为幼龄林、中龄林林分郁闭度较大，林下枯落物层蓄积量较大，土壤蒸散较小，结合表2中0～10 cm毛管孔隙度幼龄林＞中龄林＞成熟林，因而自然含水率出现上述结果．

图1 不同林龄锐齿栎林分土壤自然含水率Fig．1 Water content of soil of different age

林分土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，能反映出土壤持水性、通气性等，是土壤中养分、空气、水分和微生物等的贮存库、迁移通道和活动场所［11，12］;土壤容重与孔隙度的状况也直接影响到林木根系穿插的难易，对林木生长起着重要的作用，而随着林分的演替、根系的繁荣与衰退、土壤的发育，二者也会随着发生改变．不同林龄的林分，由于林地枯落物层、根系状况等的不同，使得林分土壤发育处在不同的阶段，造成林地土壤容重和孔隙度有所差异．

从表2可以看出，不同林龄锐齿栎林分土壤容重随着土层加深，均呈现出逐渐增大的趋势，表明浅层土壤生命活动旺盛，林木、灌草层以及微生物的活动给浅层土壤造成了巨大影响．有研究表明，栎类群落细根总生物量的60%分布在土层0 ～10 cm，85%以上分布在土层 0 ～20 cm［13］，这说明了林木根系能够改变林分土壤物理性质，使土壤容重减小;3类林龄土壤各层容重大小顺序均为:成熟林＞幼龄林＞中龄林，这与不同林龄林分特点密切相关，中龄林林木生长旺盛，林分郁闭度相对较低，林下灌草层丰富，浅层土壤根系更新迅速，再加上林下枯落物层储量较大，微生物活动较多，因此土壤物理性质改变剧烈，容重最小．而成熟林林分生长率降低，林下浅层土壤根系老化、活动较少，林下枯落物层储量也相对较小，而且成熟林林木由于自疏密度最低，因而其土壤容重最大．关于幼龄林，由于保护区内幼龄林是天然次生演替而来，其土壤发育程度较高，再加上林分密度大，枯落物蓄积等原因，因而土壤容重较小．

表2 不同林龄锐齿栎林分土壤物理性质Table 2 Soil physical properties of quercus aliena var．Acuteserrata forest of different age

对于最大持水量、毛管持水量、最小持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度，各层土壤大小顺序均为中龄林＞幼龄林＞成熟林，且均随土壤层次加深而减小．其中这一结果与土壤容重结果是一致的．关于毛管孔隙度，不同林龄锐齿栎林分土壤均是0～10 cm最大．

2．2 不同林龄锐齿栎森林水源涵养功能物质量

森林水源涵养功能发挥的主要场所就是林分土壤，其主要由土壤的持水性能决定．最大持水量是指土壤中的毛管孔隙度和非毛管孔隙度全部充满水，达到饱和状态下的土壤含水量［14］，这时单位林地土壤总的持水量可以作为单位林分水源涵养功能的物质量．

由图2可知，不同林龄锐齿栎森林水源涵养功能物质量从大到小分别为:中龄林，178．2万t·hm－2;幼龄林，157．5 万 t·hm－2;成熟林，144．7万t·hm－2．联系表2中土壤容重测定结果，说明

图2 不同林龄林分水源涵养量Fig．2 Water capacity of different forest

林分水源涵养功能与土壤容重成负相关，与土壤孔隙度成正相关．

3 结论

(1)不同林龄锐齿栎林分土壤自然含水率大小顺序为幼龄林＞中龄林＞成熟林;不同林龄土壤各层容重大小顺序均为:成熟林＞幼龄林＞中龄林，且随土壤层次的加深而逐渐增大．

(2)对于最大持水量、毛管持水量、最小持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度，各层土壤大小顺序均为中龄林＞幼龄林＞成熟林，且各指标均随土壤层次加深而逐渐减小．

(3)不同林龄锐齿栎森林水源涵养功能物质量从大到小分别为:中龄林，178．2万 t·hm－2;幼龄林，157．5 万 t·hm－2;成熟林，144．7 万 t·hm－2．森林发挥水源涵养功能时起主要作用的是林分土壤，因此土壤容重越小的林分，水源涵养功能越大，这与前人研究结果一致．

(4)通过对比研究不同林龄锐齿栎林土壤物理性质，验证了不同发育阶段土壤具有不同的结构特点，为提高森林生态系统土壤的服务功能提供了理论依据，通过研究，我们可以促进林分土壤向最优化方向发展．不仅如此，还可以次类推，此研究结果在农田、草原等方向也有一定的参考价值．

［1］ 史作民，刘世兼，王正用．河南宝玉曼种子植物区系特征［J］．西北植物学报，1996，16(3):329 －335．

［2］ 朱朝枢．宝天曼自然保护区科学考察集［M］．北京:中国林业出版社，1994．

［3］ JIN M，ZHANG R，Sun L，et al．Temporal and spatial soil water management:A case study in the Heilonggang region，PR China［J］．Agricultural Water Management，1999，42:173 －187．

［4］ 张 彪，李文华，谢高地，等．森林生态系统的水源涵养功能及其计量方法［J］．生态学杂志，2009，28(3):529－534．

［5］ 张雷燕，刘常富，王彦辉，等．宁夏六盘山地区不同森林类型土壤的蓄水和渗透能力比较［J］．水土保持学报，2007，21(1):95 －98．

［6］ 王 燕，王 兵，赵广东，等．江西大岗山3种林型土壤水分物理性质研究［J］．水土保持学报，2008，22(1):151 －153，173．

［7］ 张远东，刘世荣，马姜明．川西高山和亚高山灌丛的地被物及土壤持水性能［J］．生态学报，2006，26(9):2775－2782．

［8］ 刘世荣．中国暖温带森林生物多样性研究［M］．北京:中国科学技术出版社，1998．

［9］ 刘玉萃，吴明作，郭宗民，等．宝天曼自然保护区锐齿栎林生态系统营养元素循环［J］．生态学报，2003，23(8):1488－1497．

［10］ 马雪华．森林水文学［M］．北京:中国林业出版社，1993．

［11］ 孙艳红，张洪江，程金花，等．缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能［J］．水土保持学报，2006，20(2):106－109．

［12］ 王光玉．杉木混交林水源涵养和土壤性质研究［J］．林业科学，2003，39(专刊1):15 －20．

［13］ 张志铭，朱学灵，叶永忠，等．宝天曼自然保护区栎类群落细根生物量的研究［J］．河南农业大学学报，2010，44(02):210 －216．

［14］ 刘世荣，温远光，王兵，等．中国森林生态系统水文生态功能规律［M］．北京:中国林业出版社，1996．