岷江冷杉原始林土壤物理性质的海拔梯度变化

E-mail:657187310@qq.com

*通讯联系人，男,教授,博士研究生导师.主要研究方向为生态环境评价与生物多样性.E-mail:peihaop@163.com

岷江冷杉原始林土壤物理性质的海拔梯度变化

何方永1,2，何飞3，吴宗达4，刘世荣5，刘兴良3，彭培好1*

(1.成都理工大学生态资源与景观研究所，四川成都610059；2.成都大学旅游文化产业学院，四川成都610106；

3.四川省林业科学研究院，四川成都610081；4.四川农业大学，四川雅安625014；

5.中国林业科学研究院，北京100091)

摘要：为探明岷江冷杉原始林土壤物理性质与海拔梯度的关系,以卧龙邓生阴坡岷江冷杉原始林沿海拔梯度2 700～3 600 m内设置的样地调查数据为基础，分析土壤密度、土壤孔隙度、土壤持水性能和土壤石砾含量随海拔梯度的变化.结果表明,相同海拔下土壤密度随土层深度增加明显增大，各土层土壤密度随海拔升高出现先升高后降低的变化趋势，但差异不显著；土壤总孔隙度和毛管孔隙度随着土层深度的增加有所减小，但减小不明显.相同海拔下土壤含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等随土层深度增加呈现显著性减小；不同海拔梯度岷江冷杉原始林下土壤总孔隙度和毛管孔隙度的差异不显著,导致土壤含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等也呈现出不显著的变化趋势，土壤石砾含量与土层深度和海拔高度的关系也不显著.

关键词：岷江冷杉；土壤物理性质；海拔梯度

收稿日期：2015-02-05;修改稿收到日期:2015-04-16

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAD22B0104)

作者简介：何方永(1975—)，女，重庆合川人，副教授，博士研究生.主要研究方向为资源环境与可持续利用.

中图分类号：X 144文献标志码：A

Change of soil physical properties along elevation

gradients inAbiesfaxoniananatural forest

HE Fang-yong1,2,HE Fei3,WU Zong-da4,LIU Shi-rong5,LIU Xing-liang3,PENG Pei-hao1

(1.Ecological Resources and Landscape Institute,Chengdu University of Technology，Chengdu 610059,Sichuan,China；

2.Tourism and Culture Industry School，Chengdu University，Chengdu 610106,Sichuan,China；

3.Sichuan Academy of Forestry,Chengdu 610081,Sichuan,China；

4.Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014,Sichuan,China；

5.Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091,China)

Abstract:Based on the data collected from sample plots in a Abies faxoniana natural forest along altitude from 2 700 m to 3 600 m,soil density,relationship of soil physical properties in a Abies faxoniana natural forest and elevation gradients are studied.The results show that at the same altitude soil density significantly increases with increasing soil depth,soil density in each soil layer increases first and then decreases with elevation gredientsgradients with a less significant difference.Total porosity and capilary porosity unobviously decrease with increasing soil depth with elevation.Soil water content,capillary holding capacity,minimum water-holding capacity,maximum water-holding capacity significantly decrease with the depth of soil layer increased.An insignificant change of total porosity and capilary porosity at different altitudes result in an insignificant change of soil water content,capillary holding capacity,minimum water-holding capacity,maximum water-holding capacity,gravel content do not change regularly with soil layer and altitude.

Key words:Abiesfaxoniana;soil physical properties;elevation gradient

0前言

山地是一个复杂的生态系统，集中反映了水平地带性区域的自然地理与生物地理特征,是检验与认识各类生物多样性理论的理想空间区域，因而极受生态学界的重视.山地森林的土壤理化性质也倍受生态学家关注[1]，但研究多侧重于森林土壤化学性质的海拔梯度变化[2].岷江冷杉(Abiesfaxoniana)林是我国特有的山地寒温性暗针叶林，主要分布于横断山区东北部[3]，是四川省分布面积最大的原始森林类型和重要的用材林[4]，也是成都平原乃至长江中下游水土保持和水源涵养极其重要的植被类型.岷江冷杉林在亚高山阴坡半阴坡分布的海拔跨度大，在同一山体坡面上海拔跨度可达1 200 m[5].我国对岷江冷杉林的研究始于20世纪50年代，主要围绕群落类型与群落特征、群落更新、亚高山林线、林隙、树干液流、森林小气候、种群格局、树木年轮、森林土壤和森林水文等方面开展研究工作[6-22]，有关岷江冷杉林海拔高度与土壤的物理性质关系的研究尚未见报道.

鉴于此，文中通过对岷江冷杉原始林内土壤密度、土壤孔隙度、土壤持水性能、土壤石砾含量等物理特性与海拔高度关系的分析，揭示海拔高度对土壤物理性质的影响，为进一步探索岷江冷杉林随海拔梯度的更新规律提供科学依据，也可为岷江冷杉资源的保护、利用和开发，四川西部亚高山地带的退耕还林和天然林保护工程等提供理论基础和科技支撑.

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于卧龙大熊猫自然保护区西南部邓生阴坡，处于青藏高原东南缘横断山系邛崃山脉东南坡，中心地理坐标为102°58′E，30°51′N，属青藏高原气候区，年平均温度8.4℃，年平均降水量861.8 mm，5—9月降水量占全年降水量的68.1%，年平均相对湿度约80%[23].研究区岷江冷杉林为原始林，在海拔2 700～3 200 m的坡面为岷江冷杉—华西箭竹林(Form.Abiesfaxoniana—Fargesianitida)，在海拔3 200～3 600 m的坡面为岷江冷杉—大叶金顶杜鹃+无柄杜鹃林(Form.Abiesfaxoniana—Rhododendronfaberisubsp.prattii+Rhododendronwatsonii)，岷江冷杉原始林群落结构特征随着海拔梯度的升高呈现出一定规律性的变化(表1).林下土壤为山地棕色针叶林土，成土母岩主要为灰岩、千枚岩和玄武岩等.

表1　 岷江冷杉原始林群落结构特征

1.2土壤取样和分析方法

在研究区岷江冷杉原始林内沿海拔梯度2 700～3 600 m每垂直上升200～300 m设置一条调查样线，每条样线上设置3个样地，对2 700～3 600 m分为5个海拔梯度进行取样，在每个海拔梯度3个乔木样方中心点布设土壤取样点,并垂直向下开挖土壤剖面，于各个土壤取样点的土壤剖面上分层取原状土，使用体积为100 cm3的环刀(高5 cm，直径5 cm).鉴于岷江冷杉是主根不发达的浅根性树种，土壤剖面挖掘深度为60 cm，各剖面土壤分层取样深度依次为0～10 cm,10～20 cm,20～40 cm,40～60 cm.用环刀于每层重复取样3次后分别编号，测定土壤密度、持水量(毛管持水量、最大持水量)、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度)等土壤物理性质指标[24].用铝盒对每层土壤取混合样后进行密闭，带回实验室测定土壤含水量.用天平称量土壤中石砾质量，而石砾含量为石砾质量与原状土体积之比值.

2结果与分析

2.1土壤密度

由表2可见，同一海拔梯度岷江冷杉原始林土壤密度随土层深度增加呈增大趋势.ANVOA分析可知，土层间差异达到极显著水平(P<0.01).表层(0～10 cm)土壤密度最小，原因是表层土壤含有大量土壤养分元素.同时可以看出，0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层内土壤密度随海拔增加均呈高低波动变化趋势，但未表现出显著性差异.

表2　不同海拔土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度变化

图1　不同海拔梯度和不同土层的土壤密度变化示意

从图1可知，0～60 cm土层在海拔2 700～3 100 m区间，土壤密度随着海拔高度的增加逐渐增大，在3 100 m海拔处达到最大；而在海拔3 100～3 600 m区间，土壤密度随着海拔高度的增加逐渐减小.海拔2 700～3 600 m范围内，上层(0～10 cm)的土壤密度为(0.59±0.02) g·kg-1，往下土壤密度显著增加，下层(40～60 cm)的土壤密度增加至(0.84±0.03) g·kg-1.

2.2土壤孔隙度

岷江冷杉原始林下土壤总孔隙度和毛管孔隙度随海拔升高呈现微小波动趋势(表2)，但均未呈现出显著性差异，这可能与在调查海拔范围的植被主要优势种为岷江冷杉有一定关系；另外，相同海拔不同土层的土壤毛管孔隙度也未呈现显著性差异.同一土层的土壤总孔隙度随海拔变化的规律均不明显，其中，0～10 cm土层土壤总孔隙度和毛管孔隙度均在2 900 m最大，2 700～2 900 m随海拔上升而变大，之后逐渐小幅降低；土壤总孔隙度变化幅度较小，至3 600 m降到最小.10～20 cm和20～40 cm土层土壤总孔隙度与毛管孔隙度与0～10 cm土层相似.40～60 cm土层二者在2 700～3 100 m海拔范围呈现下降趋势，但在3 300 m处则均达到最大值，之后稍有下降，但总体上略高于海拔3 100 m以下各海拔梯度.

在0～60 cm土层中(图2)，土壤总孔隙度随海拔升高呈现减小趋势，而毛管孔隙度在2 900 m以下范围逐渐增大，到2 900 m达到最大，之后逐渐小幅减少，但二者变化并未受到海拔的明显影响.非毛管孔隙度随海拔的升高显著减少(P<0.05)，表明海拔对岷江冷杉林土壤孔隙度的影响主要体现在非毛管孔隙度上.

在2 700～3 600 m整个海拔范围，0～60 cm土层的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度随土层深度增加没有明显变化(图2).

对不同海拔梯度岷江冷杉原始林0～60 cm土层的土壤密度与总孔隙度和毛管孔隙度进行回归分析表明，土壤总孔隙度(R2=0.077，P=0.032)和毛管孔隙度(R2=0.075，P=0.034)均与土壤密度显著线性负相关.

图2　不同海拔梯度和不同土层的土壤孔隙度变化示意

2.3土壤持水性能

2.3.1土壤自然含水量土壤水分是土壤的重要组成物质之一.岷江冷杉原始林下土壤自然含水量随土壤层深度的增加而显著减少(表3)，均表现为表土层显著高于底层土，尤其是0～10cm土层，土壤自然含水量高于40%，其余土层低于40%.从海拔高度来看，岷江冷杉原始林下土壤含水量随着海拔升高呈下降趋势，但海拔对各土层土壤自然含水量没有明显影响.表土上2层即0～10cm和10～20cm土层土壤自然含水量都在中低海拔最高(2 900 m以下)，而在海拔2 900 m以上，变化趋势较平缓.

图3　不同海拔梯度和不同土层的土壤自然含水量示意

表3　不同海拔土壤持水性能变化

图4　 不同海拔梯度和不同土层的土壤

总体来看，0～60 cm土层土壤自然含水量随海拔升高虽然呈现先略升高、后降低、再升高的波动趋势，但未表现出显著性差异(图3)；而整个土层土壤自然含水量随土层深度增加呈现急剧减少的趋势(P<0.05，图3),这与不同土层土壤含水量及取样前降水情况有关.本研究在夏季取样，并且降水后时间不长，呈现的是表层土壤含水量高于下层的格局.

2.3.2土壤持水量陆地森林生态系统林地土壤是水分贮蓄的主要场所.土壤的蓄水方式和贮蓄量与土壤物理性质尤其是土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度等密切相关.从表3可以看出，毛管持水量、最小持水量和最大持水量随土层深度增加而显著减小，且表层土壤持水量(0～10 cm和10～20 cm)的降幅高于下层土壤持水量(20～40 cm和40～60 cm)的降幅，其中最小持水量降幅最大.从海拔梯度土壤持水量变化规律来看，毛管持水量、最小持水量和最大持水量随海拔梯度的变化方式均与土壤孔隙度变化方式相似，且各海拔梯度间差异不显著.

图5　不同海拔梯度上的土壤石砾含量变化示意

从0～60 cm土层来看，毛管持水量和最大持水量随海拔升高呈现小幅度下降趋势，而最小持水量呈现小幅度升降起伏(图4)，但方差分析发现，海拔对它们均未产生显著影响；但是随土层深度增加，土壤持水量呈显著下降趋势(图4).

2.4土壤石砾含量

卧龙岷江冷杉原始林下土壤的石砾含量在(0.10±0.04)～(0.40±0.13) g·cm-3，最大值出现在海拔3 100 m处，平均含量为(0.35±0.04) g·cm-3(图5(a)).从图5(b)可以看出，岷江冷杉原始林下土壤的石砾含量在0～10 cm土层比其他土层略高，最小值出现在10～20 cm土层，但各土层未见显著性差异.这是因为岷江冷杉原始林林地植被覆盖度大，土壤生物作用强，致使水土流失减弱，砂粒含量减少.

表4　土壤物理性质与土层深度和海拔的相关系数

注：W为含水量；DB为土壤密度；PN为非毛管孔隙度；PC为毛管孔隙度；PT为总孔隙度；CCM为毛管持水量；CMI为最小持水量；CMA为最大持水量；CG为石砾含量.

3讨论与结论

海拔跨度相当大的同一坡面上，相同植被类型下土壤物理性质随海拔梯度的变化受植被、温度、光照、降水和成土母岩等因素综合影响，影响机理错综复杂，同一坡面上岷江冷杉原始林土壤物理性质的海拔梯度变化尤其突出.

综合分析土壤的几个物理指标与土层深度和海拔的相关性(表4)，土壤含水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、最小持水量、最大持水量与土层深度和海拔呈负相关，而土壤密度与土层深度及海拔呈正相关关系.从土层深度来看，岷江冷杉林下土壤密度随土层深度增加明显增大，与我国西南部主要阔叶林土壤密度垂直变化规律一致[25-26].这是由于岷江冷杉林下表层土壤的动物活动和土壤的物理、化学作用，使林下表层土壤相对疏松，在低海拔(2 700 m)的岷江冷杉林土壤密度比其他海拔相对较低，与该区域主要优势种岷江冷杉的根系的生长、死亡分解等有一定关联.各土层土壤密度随海拔升高出现先升高后降低的变化趋势，但差异不显著，与已有研究结果相似[27].说明海拔对该地段岷江冷杉林下土壤密度没有明显影响.

土壤孔隙度的大小对土壤通气透水性、植物根系在土壤中的生长能力有着直接的影响，而且对土壤中养分和微生物活性等具有不同的调节功能.土壤持水能力的高低取决于在一定土壤厚度条件下土壤土壤密度和孔隙的大小[27].土壤密度较小时，土体疏松，孔隙度越大，土壤持水能力就越强；土壤密度增大时，土壤板结，孔隙度减小，使土壤的储水空间也相应减小，从而降低了土壤持水能力.本研究数据显示，土壤总孔隙度和毛管孔隙度随着土层深度的增加而有所减小，但减小不明显，与已有研究结果相类似[28].相同海拔岷江冷杉原始林下土壤含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等随土层深度增加呈现显著减小，与土壤密度规律一致，这应该是土壤孔隙度的显著变化所致[29].然而本研究表明，土壤孔隙度随着土层深度的增加却减小不明显，究其原因，可能是岷江冷杉林下土壤石砾含量过大导致实验误差.此外，本研究发现，不同海拔梯度岷江冷杉原始林下土壤总孔隙度和毛管孔隙度的差异不显著，导致土壤含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等也呈现出不显著的变化趋势，说明岷江冷杉分布的海拔范围内枯枝落叶凋落物等植物残体占据优势，形成有机物积累层，在微生物作用下，分解成腐殖质，土壤疏松，所以其保水持水能力都较好.

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(责任编辑惠松骐)