关帝山典型针叶林土壤理化性状研究

郭汉清，张勇，李特，秦智通

(1.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801；2.山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030013)

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，也是林木赖以生存的物质基础[1]。土壤为植被的存在和发展提供了必要的养分，植被的出现及其演替反过来也影响土壤的形成和发育。土壤理化性状是衡量土壤肥力的重要指标[2]，国内外大量研究表明，不同森林植被中土壤理化性状差异较大[3,4]。土壤理化性状变化规律与不同植被类型覆盖密切相关[4]。林下植被、调落物数量及化学组成和人为干扰程度等直接影响土壤理化性质及其有效性，而且在森林生态系统中，土壤速效N、P、K含量在土壤剖面上具有明显的层次性[5]。

关帝山林区森林面积大，树相对整齐，是华北地区为数不多的成片森林之一，但关于该区内分布的典型针叶林土壤理化性状研究很少。本研究以山西省西部关帝山林区内的3种典型针叶林林地土壤为研究对象，对样品土壤进化性状进行分析，旨在揭示该地区典型针叶林理化性状差异以及不同森林群落类型土壤性状的变化规律，为当地森林区域生态环境保护，林地生产力保持提供科学依据。

1 研究区概况

研究区地处山西吕梁山脉中段的关帝山林区庞泉沟国家级自然保护区，地理坐标为东经111°22′～111°33′，北纬 37°45′～37°59′，研究区属于受季风影响和控制的暖温带大陆性山地气候，年平均气温4.2℃，年平均降水量822.6 mm。华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(白杄Piceamegeri和青杄P.willsonill)天然次生林是保护区的主要保护乔木树种。保护区范围内的主要森林类型是由华北落叶松、云杉、油松(Pinustabulaeformis)以及山杨(P.davidiana)、白桦(Betulaplatyphlla)、红桦(B.albo-sinensis)和辽东栎(Quercusliaotungensis)等树种组成的纯林和混交林。

2 材料与方法

2.1 标准样地布设

为研究关帝山林区3种典型针叶林土壤理化性状，以典型性和代表性为原则，在不同的林分区内选择标准样地。首先对样地的海拔、坡度、坡向等因子进行测定，然后对样地内林木进行每木尺检，在各个样地的上坡、中坡和下坡分别布设5个采样点，每种林分取样点均为15个。标准样地基本情况见表1。

表1 标准样地基本情况

2.2 土壤形态特征

测定枯落物层厚度、土层厚度等指标。通过开挖剖面，用钢尺量测各土壤层次的厚度。

2.3 土壤物理性状测定

土壤密度用比重瓶法；土壤容重用环刀法；土壤总孔隙度根据土壤容重和土壤密度计算得出；毛管孔隙度采用环刀水浸法，非毛管孔隙由总孔隙度和毛管孔隙计算得出。

2.4 土壤化学指标测定

土壤pH值的测定采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化——容量法；全氮用凯氏定氮法；有效磷用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；有效钾用NH4OAc浸提—火焰光度计法。

3 结果与分析

3.1 3种针叶林土壤形态特征

3.1.1 枯落物层的厚度特征

枯落物层由林分凋落物及动物残体组成。它是森林结构的重要组成部分，是森林地表的重要覆盖面。枯落物层不仅可以吸收地表水，使地表径流转变为流速缓慢的层间流和层下流，削减地表径流量，减少土壤侵蚀，而且能增加土壤入渗，对改善土壤结构具有重要作用。在土壤形成过程中，枯落物层是土壤有机质养分的重要来源之一[6]。

由表2可见，坡位不同，枯落物的厚度平均值差异比较明显，通常情况下，坡上部较坡中部厚度要小，坡下部的枯落物厚度最大。林分不同，枯落物的厚度也不同，油松林下枯落物的总厚度小于华北落叶松，而云杉林下枯落物的厚度最大。实际调查过程中发现，即使同一林分，同一坡度，同一标准地内，枯落物的厚度也存在较大差异，通过标准差和变异系数指标的变化可以看出这一变化特征。综合分析不同林分枯落物厚度差异性，原因在于枯落物的凋落量和分解速率不同导致其厚度或蓄积量的差异，相同林分下，仍然存在厚度差异，可能与水流冲刷、风力作用等因素有关，使得更多的枯落物向低洼或下坡部位蓄积，导致局部小区域枯落物的蓄积量显著高于其他区域。在不同林分枯落物蓄积量及其他相关指标的调查计算中，对此类现象的忽略会导致野外调查和数据分析有失偏颇。

3.1.2 林地土壤厚度特征

土壤是布满大大小小孔隙的疏松多孔体，土层深厚的土壤有较显著的存蓄、调节水分的功能[7]。由表2可见，林地土壤厚度存在较大差异：油松林地土壤厚度为35～92 cm，华北落叶松林地土壤厚度为37～87 cm，云杉林地土壤厚度为36～55 cm。

表2 3种林分类型枯落物层厚度特征

3.2 不同针叶林土壤物理性状差异比较

3.2.1 不同林地土壤容重和孔隙度比较

在土壤物理特性中，土壤容重说明土壤的松紧程度及孔隙状况，反映土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力状况，是土壤物理性质的重要指标[8]。土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度，且对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥着不同的调节功能[9]。不同林分类型的土壤总孔隙度与毛管孔隙度均随土壤深度的增加而不断减小。由表3可见，3种针叶林0～35 cm土层范围内，土壤容重的变化范围为0.928～1.379 g·cm-3，总孔隙度的变化范围为39.25%～56.74%，非毛管孔隙度的变化范围为10.86%～15.59%。不同林分类型的土壤容重随土壤厚度的增加而逐渐增大，总孔隙度相应减少。

表3 3种林分类型土壤容重与孔隙度特征

3.2.2 土壤的持水量及贮水能力

森林持水、蓄水、调水功能的发挥主要是通过其土壤实现的，因此林地土壤又被称为“土壤水库”[10]。土壤贮水能力是评价不同植被类型下土壤涵养水源和调节水循环的主要指标之一。土壤总贮水量是毛管孔隙与非毛管孔隙水分贮蓄量之和，它反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力，是土壤涵蓄潜力的最大值，反映土壤水源涵养的能力。土壤非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗，利于涵养水源，因此，土壤非毛管孔隙持水量被许多学者认为是评价林地土壤水源涵养能力的重要指标。土壤储水能力与土壤总孔隙度，尤其非毛管孔隙度密切相关。不同的植被类型由于土壤特性和非毛管孔隙度不同，其水源涵养功能也存在差异[11]。森林群落具有显著提高土壤孔隙度、土壤储水量和土壤入渗速率等作用。

林地土壤蓄水量常采用公式(1)、(2)计算：

土壤最大蓄水量/t·hm-2= 土壤总孔隙度×10 000 m2×土壤深度

(1)

土壤非毛管孔隙蓄水量/t·hm-2=土壤非毛管孔隙度×10 000 m2×土壤深度

(2)

由表4可见，关帝山林区3种林地类型的最大蓄水量、毛管孔隙蓄水量和非毛管蓄水量随土壤深度表现出较大差异。由于近地表0～10 cm土层的孔隙度较大，所以持水能力最高，不同林分类型0～10 cm土层最大持水量介于512.84～567.42 t·hm-2，10～20 cm土层的最大持水量介于474.41～522.17 t·hm-2,20～35 cm土层最大持水量介于432.52～495.43 t·hm-2。随着土层加厚，孔隙度减少，持水能力也相应下降。这一点同样表现在毛管孔隙和非毛管孔隙的持水能力方面。

3.3 针叶林林地土壤化学性状差异比较

根据不同地点、不同土壤深度进行采样，分析化验土壤pH值、有机质、全氮、速效磷、速效钾含量等有关的土壤养分指标，结果见表5。

3.3.1 林地土壤pH值分析

林地土壤pH值的高低影响并支配着土壤的发生、发育和变化过程，因此，分析不同植被下土壤pH值的变化具有重要的意义。由表5可见，3种针叶林林地土壤pH值在0～35 cm间变化具有一定规律性，即土壤表层pH值较低，基本为偏酸性，pH值介于6.02～6.74，这可能与森林植被覆盖、酸性成土母岩以及关帝山高大山地导致该区域地形雨雨量较大、淋溶较强等因素有关。随着土层深度加大，pH值逐渐增加，油松10～35 cm土层pH值为6.22～8.85，华北落叶松林地土壤pH值为6.26～8.25，云杉林地土壤pH值为6.26～7.65。不同的土层pH值变异系数约20%，变异程度较弱。

表4 不同林地土壤持水能力

3.3.2 土壤有机质的分布

由表5可见，3种典型针叶林林地土壤有机质含量均随土层深度增加而显著减小。其中油松林地土壤表层 0～10 cm 土壤有机质平均含量为17.28～22.15 g·kg-1、10～20 cm有机质平均含量为14.53～24.75 g·kg-1、20～35 cm有机质平均含量为5.38～11.47 g·kg-1。华北落叶松和云杉林地土壤有机质含量显示出与油松林同样的趋势。

表5 不同层次森林土壤化学性状

3.3.3 土壤N、P、K养分状况

同土壤有机质的垂直分布相似，油松、华北落叶松和云杉林地土壤全氮平均含量随深度增加而逐渐降低。云杉林地表层的全氮含量水平高于油松和华北落叶松林地。

在自然森林生态系统中，土壤全磷含量主要决定于母质类型、林地凋落物的矿化以及土壤矿质颗粒的风化过程。土壤中95%的磷是以迟效性状态存在，不同磷形态其有效性不同，速效磷是衡量土壤磷素含量高低的主要指标之一。油松、华北落叶松和云杉林地0～35cm 土壤速效磷含量范围分别为1.13～5.08、2.03～6.24、2.23～7.06 mg·kg-1。云杉林地土壤的速效磷变化幅度最大，0～10 cm土壤中速效磷含量最高，华北落叶松次之，油松林地的速效磷含量最低。

在自然森林生态系统中，钾元素主要来源于林地凋落物的矿化以及土壤矿质颗粒的风化过程，它从凋落物中释放的速度一般比其它元素快。植物一般只能吸收利用水溶性和交换性的速效钾，因此速效钾是衡量土壤钾素含量水平的主要指标。油松、华北落叶松和云杉林地0～35 cm 土壤速效钾含量分别为0.74～11.94、1.34～14.03、1.74～14.11 mg·kg-1。不同森林类型土壤各层速效钾含量的变幅超过了速效磷含量的变化。就现有资料，3种针叶林下速效钾的含量高低尚不能明确其大小关系。

4 结论与讨论

3种典型针叶林的枯落物由于坡位、林分类型等因素导致枯落物厚度等方面存在较大差异。通常情况下，坡上部蓄积量大于中部，中部大于下部。即使同一林分内由于微地形及水流冲刷等因素影响，导致枯落物在局部地区蓄积量显著高于其他地区。在林地枯落物调查时需要引起足够重视。

关帝山3种典型针叶林分布海拔较高，林地土壤厚度一般小于1 m，土壤样本采样过程中发现很多地方土壤厚度不足40 cm。土壤容重和孔隙度存在较为明显的相关性，通常情况下，表层土壤容重较小，随着土壤深度加大，容重会不同程度地加大，与之相反，土壤的孔隙度会降低，与之相应的是土壤的持水性能也随着土壤深度的加大逐渐减小，对林区天然降水和地表调节能力也会下降。

从pH值、有机质以及全氮、速效磷、速效钾等5个指标对林地土壤化学性状进行了分析，结果表明，由于成土母质、植被生长和气候等原因，关帝山3种针叶林的pH值在土壤表层呈现弱酸性，随土壤深度的加大，pH值升高，逐渐过渡到中性甚至碱性。有机质在土壤表层0～10 cm范围内呈现较高水平，随土层深度加大，有机质含量急剧减少。土壤中的氮、磷、钾养分含量在各个土壤层次分布有一定的差异，但均随土壤深度的加大呈现递减趋势。

本文仅对关帝山3种典型针叶林地的枯落物厚度，土度和土壤养分进行了初步的分析，对于该林区内与森林关系密切的因子，如森林涵养水源的其他层次(如林冠层等)、林地土壤下渗透能力、林地养分之间的相关性等问题缺乏深入研究，需在今后的研究中延伸和拓展。

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