不同人为干扰程度对森林土壤水分物理性质的影响

郭宝宝

(三明市梅列区洋溪林业工作站，福建三明365000)

土壤是森林植被存在与发展的物质基础，同时，由于森林植被的存在和发展，反过来也将影响土壤的形成与发育［1］。大气降水是植被生长发育所需水分的主要来源，土壤贮存大气降水的能力对植被生长尤其重要，土壤水分物理性质则决定了土壤水的储存和供给能力［2］。另外，土壤水分物理性质常被作为评价土壤质量的重要指标，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［3-4］。中亚热带山地海拔在＜500 m以下的地带性植被多以米槠为主的常绿阔叶林。福建三明格氏栲自然保护区内现存有面积近190 hm2，树龄在260～300年的米槠天然林 (约200年左右未受干扰)。同时，在邻近的保护区周围分布着由米槠天然林受不同强度人为干扰后形成的年龄大致相近 (约40年)的次生林，包括米槠天然林经过强度择伐后经天然更新形成的米槠天然更新次生林;经过强度择伐后天然更新，并在更新过程中人为去除其他树种形成的米槠人促天然更新次生林。这些不同的森林类型构成了不同的人为干扰梯度，为对研究不同人为干扰梯度下土壤水分物理性质差异提供了良好的天然试验地。

1 研究地概况

试验地设在福建省三明市金丝湾森林公园陈大林业采育场 (26°19'N，117°36'E)和三明市格氏栲自然保护区 (26°11'N，117°28'E)内，两者直线距离不超过30 km，距离三明市城区距离分别为12 km和26 km。属于中亚热带季风气候，试验地附近的三明市年均温20.1℃，年降水量1 670 mm，降水多集中于3—8月。土壤为沙质页岩发育的红壤，土层厚度超过1 m。各林分情况见表1。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集与测定方法

2012年7月份对3个林分进行基本调查，并在每个样地按“S”形选择3～5个土壤剖面，深度为100 cm。按照0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 m 6个土层。土壤物理性质指标的测定方法分别为:用容积100 cm3的环刀按自然发生层次分别取6个土层的原状土样，同时用铝盒取土，每层重复2个，用环刀法测定土壤的容重、总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性质［5］，根据常规分析方法，测定并计算3个林分土壤的最大持水量、最小持水量、毛管持水量［6］。

表1 不同林分标准地基本情况Table1 The basic situation of different forest stands

2.2 数据处理与分析

通过SPSS 17.0软件的单因素方差分析 (ANOVA)，相关分析检验不同林分土壤物理性质和水文性能的差异 (α=0.05)，数据汇总和作图由Excel软件完成。

3 结果与分析

3.1 不同人为干扰对土壤物理性质的影响

图1 不同林分的土壤容重Figure1 The soil bulk density in different forest

3.1.1 不同林分的容重

土壤容重是用来表示单位原状土壤固体的质量，是衡量土壤松紧状况的指标。容重大小是土壤质地、结构、孔隙等物理性状的综合反映，因此土壤容重与孔隙度有一定的关系。土壤过松、过紧均不适宜植物生长发育的要求:过松跑墒，作物根扎不牢;过紧透水透气不良。且土壤容重不是固定不变的，尤其是土壤表层常常因自然条件和人为措施而改变。在0～100 cm土层，天然林、天然更新林及人促更新林3个林分的土壤容重为:1.42、1.44、1.70 g·cm－3，均随土层深度的增加而增加，为上松下紧的土壤类型。人促更新林的容重在各个土层都最大，天然林容重最小，这说明天然林的土壤结构更优。表层0～10 cm，3个林分的土壤容重分别为:1.12、1.23、1.53 g·cm－3，天然林与天然更新林不存在显著差异，而与人促更新存在显著差异 (P＜0.05)。10～20 cm土层土壤容重，人促更新林＞天然更新林＞天然林，天然林与天然更新林不存在显著差异，人促更新林与其他2个林分均存在显著差异 (P＜0.05);20～40 cm土层土壤容重，人促更新林＞天然更新林＞天然林。后3个土层的土壤容重，人促更新林＞天然林＞天然更新林，天然林与天然更新林没有显著差异，但与人促更新林均有显著差异 (P＜0.05)。

3.1.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度是土壤物理特性的重要因素之一，是反映土壤通透性的重要指标，土壤孔隙状况受质地、结构和有机质含量等的影响。毛管孔隙使土壤具有贮水性能，而非毛管孔隙不具有持水能力，但能使土壤具有透水性，因此土壤中毛管孔隙和非毛管孔隙的分配状况，对土壤的水、肥、气、热及耕作性能都有较大的影响。土壤总孔隙度大，土壤的通气性就好，有利于植物根系的生长。一般来说，总孔隙度在50%左右，而其中非毛管孔隙占1/5～2/5为好，这种情况使得土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调。若土壤的非毛管孔隙度小于10%时，便不能保证通气良好。小于6%时，许多作物便不能正常生长［6］。研究区不同人为干扰下各层次土壤孔隙度的变化各异 (表2)。

表2 不同人为干扰下土层孔隙度比较/%Table2 The difference of soil porosity under different human interference

在0～100 cm土层中，天然林，天然更新林，人促更新林3个林分非毛管孔隙度为:4.95%、7.34%、3.94%，随着土层深度增加没有呈现明显递减的趋势，整体上天然更新林＞天然林＞人促更新林。天然林0～10 cm与10～20 cm土层的非毛管孔隙度无显著差异，但与其他4个土层有显著差异(P＜0.05);天然更新林土壤非毛管孔隙度0～10 cm与10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层没有显著差异，60～80 cm和80～100 cm存在显著差异 (P＜0.05);人促更新林各土层非毛管孔隙度均没有显著差异;不同林分各个土层的非毛管孔隙度差异不显著，这说明3个林分透水性相似。

在0～100 cm土层中，3个林分毛管孔隙度分别为:45.33%、31.72%、17.41%，天然林与人促更新林毛管孔隙度随着土层深度的增加而减少，但天然更新林呈现增加的趋势。天然林中0～10 cm土层的毛管孔隙度与其他土层有显著差异 (P＜0.05)，10～20 cm土层与其他土层有显著差异 (除20～40 cm)(P＜0.05)，底三层 (40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)之间没有显著差异，这说明底三层土壤熟化程度类似;天然更新林与人促更新林各层的毛管孔隙度均没有显著差异。林分之间，0～10 cm，10～20 cm、20～40 cm土层，天然林与天然更新林、人促更新林差异显著 (P＜0.05)，3个土层天然林的毛管孔隙度远大于其他林分，这表明天然林在表层的持水能力大于其他林分。40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层天然林与天然更新林没有显著差异，天然林与人促更新林差异显著 (P＜0.05)。

3个林分总孔隙度随土壤深度的增加均为减少，总孔隙度大小为天然林 (50.28%)＞天然更新林(39.05%)＞人促更新林 (21.00%)，6个土层总孔隙度大小顺序均为:天然林＞天然更新林＞人促更新林，随着土壤深度的增加，天然林与天然更新林的总孔隙度差异也越来越小，这是因为人为干扰仅对土壤表层影响较大，而对于底层土壤，由于母质基础一致，因此差异不显著。天然林毛管孔隙度与总孔隙度均最大，说明天然林土壤孔隙状况最好，孔隙搭配合理，既保水也通气。

3.2 不同人为干扰对土壤持水特性的影响

土壤持水供水能力是土壤团聚体、土壤孔隙状况和土壤颗粒组成的综合反映。不同强度的人为干扰影响土壤颗粒组成、团聚体数量及大小和土壤孔隙的大小及分布，必然影响到土壤的持水能力［7］。土壤持水量包含毛管持水量、最大持水量、最小持水量3个组分。研究区不同人为干扰下各层次土壤持水量的变化各异 (表3)。

随着土层深度的增加，毛管持水量、最大持水量、最小持水量没有出现明显的减少或是增加的趋势。在0～100 cm土层中，3个林分的毛管持水量分别为:285.10、220.34、104.70 g·kg－1，3个林分的最小持水量分别为:246.44、184.57、57.88 g·kg－1，3个林分的最大持水量分别为:316.97、273.98、129.13 g·kg－1。

0～10 cm、10～20 cm土层，天然林的毛管持水量、最大持水量和最小持水量与天然更新林和人促更新林有显著差异 (P＜0.05)，底下3层 (40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)与天然更新林差异不显著。

天然更新林各土层的毛管持水量和最小持水量均无显著性差异;天然林毛管持水量和最小持水量0～10 cm土层与其余土层有显著差异 (P＜0.05)，底下3层无显著差异;人促更新林，表层0～10 cm的毛管持水量、最小持水量与底3层有显著差异 (P＜0.05)。

表3 不同人为干扰下土层持水量状况/(g·kg－1)Table3 The difference of water holding capacity under different human interference

3.3 土壤物理指标的相关分析

利用SPSS对土壤物理性质的主要指标进行方差分析 (表4)，结果显示:容重分别与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度成极显著负相关，其中容重与总孔隙度的相关系数达到了0.776，与非毛管孔隙度和毛管孔隙度的相关系数分别为0.527和0.721;而容重与毛管持水量、最大持水量、最小持水量也成极显著负相关，相关系数分别为:0.857、0.908、0.851，相关度高于孔隙度，这说明土壤容重是土壤物理性质中最为重要的因素，土壤容重对土壤孔隙和土壤水分特征的影响较大，土壤容重越大，土壤孔隙越少，土壤含水量也越少。

土壤总孔隙度与非毛管孔隙度的相关性不显著，但与毛管孔隙度之间的相关系数达到0.988。可见，不同土地利用类型的土壤物理性质差异较大。

表4 不同人为干扰土壤物理性质相关性分析Table4 Correlation analysis of soil physical properties under different human interference

4 结论

土壤水分物理性质随着土壤深度变化显著，这说明土壤深度是评价土壤孔隙状况的主要因子。

1)3个林分0～100 cm的土壤容重为:1.42、1.44、1.70 g·cm－3，容重随着土层深度的增加而增加，各个土层天然林转化为其他林分，容重有显著地增加。

2)3个林分毛管孔隙度与总孔隙度大小顺序为天然林＞天然更新林＞人促更新林。3个林分非毛管孔隙度随着土层深度增加没有呈现明显递减的趋势，为:4.95%、7.34%、3.94%，整体上天然更新林 ＞天然林＞人促更新林。

3)表层0～10 cm 3个林分的毛管持水量、最大持水量、最小持水量大小比较为:天然林＞天然更新林＞人促更新林，其余5个土层，3个持水量大小顺序均为天然林＞天然更新林＞人促更新林。

4)容重分别与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、最小持水量成极显著负相关，天然林有小的容重，最大的毛管孔隙度和总孔隙度，持水量也是最大的，这说明了随着人为干扰程度的增加，对土壤物理性质产生负作用。

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