福建柏混交林主要土壤理化性质与土壤含水量的关联研究

陈 乾, 刘 凯, 王希贤, 黄 霞, 汪国彬, 荣俊冬, 何天友, 陈礼光, 郑郁善,

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建省安溪丰田国有林场，福建 泉州 362400；3.福建农林大学园林学院，福建 福州 350002)

以生态系统服务功能价值为核心的森林生态系统评估已成为当前生态学领域的研究热点[1-3].森林土壤是森林生态系统重要的组成部分，为森林植被生长提供物质基础，在森林生态系统物质循环和能量流动方面发挥了重要作用[4].土壤理化性质反映土壤结构特征、水文功能及透气性，受地上林分类型、土壤孔隙特征及养分水平等影响[5-6].如何基于常规土壤因子评估森林在土壤水分保持方面的生态效益，并建立常规森林土壤因子与水文效益的联系等，对于综合评估森林生态效益方面具有重要意义.土壤有机质在决定土壤水分状况、土壤结构等方面发挥着重要作用[7].随着树种组成的变化，在时间尺度上土壤有机质含量会发生相应变化[8].土壤水分是森林生态系统物质循环的重要载体，对土壤养分分配格局和能量流动起着重要的调节作用.土壤水分的变化特征受土壤理化性质和植被类型等外界条件的影响[9].随着树种组成的变化，森林生态功能发生相应的变化，土壤水分特征也发生相应变化，呈现不同的分布特征[10].丰富的植被类型能有效改善土壤结构、孔隙度、透气性及有机质含量等理化特征，进而决定土壤水分状况[11-12].研究[13]表明，福建柏林地土壤理化性质受树种组成的影响，福建柏纯林近地表土壤层理化性质优于福建柏与深根系树种的混交林，深层土壤则表现为福建柏与深根系树种混交林优于纯林.但福建柏与浅根系的针叶树种混交对土壤理化性质的影响鲜有报道，福建柏林分土壤理化特征对土壤含水量的影响也鲜有报道.为此，本研究以福建柏纯林、福建柏柳杉混交林、福建柏木荷混交林为研究对象，探讨不同树种组成的福建柏林分主要土壤理化性质的差异，以及土壤理化性质与土壤含水量的关系，旨在了解不同土壤理化指标对土壤含水量的影响程度，以期为福建柏林地管理和森林培育提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省安溪丰田国有林场(25°16′—25°20′ N，118°1′—118°57′ E)，地处福建省东南沿海，厦、漳、泉闽南金三角西北部，属典型的亚热带季风气候.气候条件温和，雨量充沛.全年平均气温19.5 ℃，最高37 ℃，最低0 ℃.年平均降水量1 800 mm，夏季降水较多，无霜期330 d.土壤为黄红壤，花岗岩成土母质，土层较厚，可达60 cm.林下主要植被有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、淡竹叶(Lophatherumgracile)、沿阶草(Ophiopogonbodinieri)、杜茎山(Maesajaponica)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、乌毛蕨(Blechnumorientale)、菝葜(Smilaxchina)等.

1.2 样地设置

2019年8月在福建省安溪丰田国有林场选取地形因子和林分经营背景基本一致的3种福建柏林分，分别为福建柏纯林(pureFokieniahodginsiiforest, PFF,)、福建柏柳杉混交林(mixedFokieniahodginsii-Cryptomeriafortuneiforest, MFCF)、福建柏木荷混交林(mixedFokieniahodginsii-Schimasuperbaforest, MFSF).每种试验林地内分别选取20 m×20 m乔木标准地，设置3个重复，共计9个标准地.测量样地内每株树的树高、胸径及密度，记录海拔、坡度、坡向、破位及营林方式.样地基本情况见表1.

1.3 土样采集及处理

2019年8月在每块标准地中，采用“对角线”型设置3个采样点，去除土壤表层凋落物后挖取土壤剖面.每个采样点以20 cm为一层，分别取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm处3层土样，去除须根、石块后装入标记好的自封袋，带回实验室风干.风干后将同一样地同一土层的土壤混合均匀，采用硫酸—重铬酸钾外加热法测定有机质含量.同时，对每个土壤剖面用标准环刀分别取各层土壤原状样品并标记(对每层的中间部位采样)，同一标准地同一土层取3个待测样品，测定土壤容重、土壤体积含水量、田间持水量、饱和持水量、土壤孔隙度[14].

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of the plots

1.4 灰色关联度分析和相关参数计算

灰色关联度分析过程参考文献[15].

1.4.1 参考数列与比较数列的灰色关联系数ξi(k)计算ξi(k)计算公式表示如下

(1)

1.4.2 灰关联度λ1计算λ1计算公式表示如下

(2)

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理及绘图，利用SPSS17.0统计分析软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，用LSD多重比较法分析不同林分及土层间的差异性.

2 结果与分析

2.1 不同福建柏混交林的土壤容重差异

由图1可知，3种林分在0～60 cm土层的土壤容重均以MFCF最小，其中0～40 cm土层表现为PPF最大，40～60 cm表现为MFSF最大.随着土层深度的增加，3种林分土壤容重均显著增加，其中40～60 cm土层相比于0～20 cm土层，PFF增幅为12.45%，MFCF增幅高达20.48%，MFSF增幅为19.90%.方差分析结果(表2、3)表明，MFCF不同土层容重差异达到显著水平(P<0.05)，PFF和MFSF不同土层间容重达到极显著水平(P<0.01)，3种林分在0～60 cm土层的容重差异均达到极显著水平(P<0.01).

2.2 不同福建柏混交林的土壤孔隙度差异

如图2所示，在0～60 cm各土层中土壤孔隙度均以MFCF最大；随着土层深度的增加，3种林分土壤孔隙度均显著减小，其中40～60 cm土层相比于0～20 cm土层，PFF增幅为13.68%，MFCF增幅为8.28%，MFSF增幅为20.27%.方差分析结果(表2、3)表明，3种林分不同土层间土壤孔隙度差异达到极显著水平(P<0.01)，20～60 cm土层3种林分土壤孔隙度达到极显著差异(P<0.01)，3种林分在0～20 cm土层差异不显著(P>0.05).

表2 福建柏混交林不同深度土壤主要理化性质的方差分析1)Table 2 Variance analysis of main soil physiochemical properties under different depths in F.hodginsii mixed forest

表3 不同福建柏混交林主要土壤理化性质的方差分析1)Table 3 Variance analysis of main soil physiochemical properties in different F.hodginsii mixed forests

2.3 不同福建柏混交林的土壤含水量差异

由图3可知，在0～20 cm土层，3种林分中土壤体积含水量以PFF最大，MFSF最小；在20～60 cm土层，土壤体积含水量均以MFSF最大，MFCF最小.从土层深度角度分析，随着土层的加深，PFF和MFCF土壤体积含水量先降低后增加，MFSF一直增加.方差分析结果(表2、3)表明，PFF和MFSF土壤体积含水量均在不同土层间存在显著差异(P<0.05)，MFCF无显著差异(P>0.05)；不同林分在0～20 cm土层土壤体积含水量的差异不显著(P>0.05)，20～60 cm土层的土壤体积含水量差异达到极显著水平(P<0.01).

2.4 不同福建柏混交林的土壤田间持水量差异

如图4所示，在0～60 cm各土层，MFCF土壤田间持水量均最大；在0～20 cm土层，MFSF持水量最小；在20～60 cm土层，PFF持水量最小.随着土层的加深，PFF和MFCF土壤田间持水量均降低，MFSF则先增加后降低.方差分析结果(表2、3)表明，PFF和MFSF土壤田间持水量在各土层间差异均达到极显著水平(P<0.01)，MFCF差异不显著(P>0.05).不同林分在0～20 cm和40～60 cm土层，土壤田间持水量差异均达到极显著水平(P<0.01)，在20～40 cm土层持水量存在显著差异(P<0.05).

2.5 不同福建柏混交林的土壤饱和持水量差异

由图5可知，在0～60 cm各土层，3种林分中MFCF的土壤饱和持水量均最大；在0～20 cm和40～60 cm土层，MFSF的饱和持水量均最小；在20～40 cm土层，PFF饱和持水量最小.从不同土层深度来看，PFF和MFCF的土壤饱和持水量随着土层的加深而降低，MFSF饱和持水量随土层深度的增加先增加后减小.方差分析结果(表2、3)表明，不同土层间土壤饱和持水量在PFF和MFSF的差异均达到极显著水平(P<0.01)，而MFCF达到显著水平(P<0.05)；在0～60 cm各土层，3种林分土壤饱和持水量的差异均达到极显著水平(P<0.01).

2.6 不同福建柏混交林的土壤有机质含量差异

有机质作为森林土壤重要的组成部分，是评价森林土壤质量和健康状况的重要指标.由图6可知，在0～60 cm各土层，3种林分土壤有机质含量均以MFCF最大，且与其他两种林分间差异显著；在0～40 cm土层均以MFSF最小；在40～60 cm土层则以PFF最小.从不同土层来看，随着土层的加深，3种林分有机质含量均显著降低，其中40～60 cm土层相比于0～20 cm土层，PFF降低了83.79%，MFCF降低了55.55%，MFSF降低了66.16%.方差分析结果(表2、3)表明，3种林分土壤有机质含量均在不同土层间存在极显著差异(P<0.01)，0～60 cm各土层的不同林分间差异达到极显著水平(P<0.01).

2.7 基于灰色关联法的土壤理化性质与土壤含水量的关联分析

由表4～5可知，在0～20 cm土层，土壤田间持水量的灰关联度为0.54，土壤饱和持水量的灰关联度为0.59，土壤孔隙度的灰关联度为0.65，土壤容重的灰关联度为0.76，土壤有机质含量的灰关联度为0.51，0～20 cm土层土壤理化指标与土壤体积含水量的灰关联度大小表现为土壤容重>土壤孔隙度>饱和持水量>田间持水量>有机质含量.在20～40 cm土层，土壤田间持水量的灰关联度为0.73，土壤饱和持水量的灰关联度为0.69，土壤孔隙度的灰关联度为0.78，土壤容重的灰关联度为0.78，土壤有机质含量的灰关联度为0.46，20～40 cm土层土壤肥力指标与土壤体积含水量的灰关联度大小表现为土壤容重和土壤孔隙度>田间持水量>饱和持水量>有机质含量.在40～60 cm土层，土壤田间持水量的灰关联度为0.70，土壤饱和持水量的灰关联度为0.61，土壤孔隙度的灰关联度为0.73，土壤容重的灰关联度为0.84，土壤有机质含量的灰关联度为0.42，40～60 cm土层土壤理化指标与土壤体积含水量的灰关联度大小表现为土壤容重>土壤孔隙度>田间持水量>饱和持水量>有机质含量.由此可见，在0～60 cm土层，土壤容重和孔隙度与土壤含水量的关系最为密切，影响也最大；土壤田间持水量和土壤饱和持水量的影响次之；土壤有机质的影响最小.每个因子与土壤含水量的灰关联度均大于或接近0.5，说明这些土壤理化指标对土壤含水量的影响都很大.

表4 土壤体积含水量和土壤理化性质的生成数列Table 4 Reference sequence of soil volumetric water content and soil physiochemical properties

表5 土壤理化性质与土壤体积含水量的灰关联系数与灰关联度Table 5 Grey correlation coefficient and degree of soil physiochemical properties and volumetric water content

3 讨论与小结

3.1 不同树种组成对福建柏林地主要土壤理化性质的影响

不同树种组成表征的森林类型不同，导致林下生物多样性及枯枝落叶物组成、储量存在差异，林木根系生长发育和枯枝落叶物分解速率也不同，从而造成不同林分土壤理化的差异[16-17].本研究结果表明福建柏柳杉混交林土壤容重显著低于福建柏纯林和福建柏木荷混交林，这与许生明[18]对福建柏柳杉人工混交林中土壤容重的研究结果一致，营造福建柏柳杉混交林可以显著降低土壤容重.随着土壤深度的增加，3种林分土壤容重均显著增加，相比于纯林，混交林可有效降低福建柏林地土壤容重.研究[18-20]结果也表明浅根系树种混交、浅根系与深根系树种混交均能降低土壤容重，增加孔隙度.研究[21-22]表明，在0～30 cm土壤中柳杉根系体积占总体积的80%，当根系枯死腐烂时，形成根系体积大小的孔隙，可有效降低土壤紧实度，改善土壤孔隙状况.福建柏纯林树种单一，枯落物较少且分解慢[23]，由此造成土壤容重较大.3种林分土壤孔隙度差异显著，其中福建柏柳杉混交林土壤孔隙度最大，并且土壤孔隙度与容重的变化存在一定的关联性[18].随着土层深度的增加，不同林分土壤孔隙度显著减小，说明不同林分下层土壤孔隙度低于上层土壤，这可能是由于土壤本身的团聚作用使得单位体积重力增大，造成下层土壤更紧实，孔隙更少[24-25].在0～60 cm各土层，福建柏柳杉混交林土壤饱和持水量和田间持水量最高，这与许生明[18]的研究结果基本一致.由此可看出，毛管孔隙度与饱和持水量有一定的相关性，而饱和持水量与土壤容重存在显著的负相关[26].

福建柏木荷混交林土壤体积含水量在0～20 cm土层中低于其他两种林分，而在20～60 cm土层又显著高于其他两种林分，这可能是因为福建柏和柳杉根系主要分布于接近地表的浅层土壤中，横向延伸，分布范围广且密集[27-28]；而木荷根系可以扎入深层土壤，纵向生长优于横向延伸，根系深度远大于福建柏和柳杉[29].浅根系树种与阔叶深根系树种混交可以显著提高深层土壤贮水量，贮水能力明显优于浅根系树种林分[30]，由此可见，深根系树种对土壤深层保水更有效，浅根系树种对表层土壤保水发挥更大作用[31].本研究结果表明福建柏柳杉混交林土壤有机质含量显著高于纯林和福建柏木荷混交林，这与许生明[18]对福建柏柳杉人工混交林中土壤有机质含量的研究结果基本一致.而福建柏木荷混交林中木荷根系扎入深层土壤，对深层土壤理化性质影响较大[29].福建柏柳杉混交林枯枝落叶物明显多于福建柏纯林和福建柏木荷混交林，这可能也是福建柏柳杉混交林枯枝落叶物分解后导致该林分土壤有机质含量显著增加，且与其他两种林分存在较大差异的原因之一.对于不同土层深度而言，3种林分中0～20 cm土层有机质含量均高于20～60 cm土层，这可能与林内凋落物分解后在土壤表层积累较多的腐殖质及有机质有关[32].

3.2 不同树种组成林分土壤理化特征与土壤水分状况的关联性

研究[33]表明森林土壤持水、蓄水能力受土壤孔隙度、有机质含量的影响较大，同时也受到土壤其他理化性质的影响[34-35].本研究结果表明，在0～60 cm土层，土壤理化指标与土壤体积含水量的灰关联度大小表现为土壤容重>土壤孔隙度>饱和持水量>田间持水量>有机质含量.由此可见，在0～60 cm土层，土壤容重和土壤孔隙度对土壤体积含水量的影响最大，土壤田间持水量和饱和持水量的影响次之，土壤有机质的影响最小.这可能是由于土壤容重和孔隙度能够直接反映土壤水分状况，容重越大，土壤越紧实，孔隙度反而越小，吸持水分能力越弱.而田间持水量和饱和持水量反映土壤潜在的持水能力，不代表实际水分状况.土壤有机质自身结构疏松多孔，同时又能有效地促进土壤团聚体结构的形成，从而影响土壤空隙及其吸水、持水能力，改善土壤通气和透水性[36-37].每个土壤理化指标与土壤体积含水量的灰关联度均大于或接近0.5，说明这些土壤理化指标与福建柏林地土壤水分状况存在显著的关联性.