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标题

江西省生态公益林主要林分类型土壤水分的物理性质

范文

施重阳　卫安江　徐昕　卜文圣　邓文平

摘要：为了评价江西省生态公益林不同林分类型对土壤涵水能力的影响，选择该区域内4种主要林分[杉木（Cuninghamia lanceolata）林、湿地松（Pinus elliottii）林、马尾松（Pinus massoniana）林、硬阔林]为研究对象，采用环刀法测定和比较不同林分的土壤容重、孔隙度、土壤含水量、田间持水量和饱和持水量等土壤物理、水分指标，从而对林分土壤水源涵养能力进行定量评价。结果显示，4种主要林分类型的土壤容重排序为湿地松林>杉木林>马尾松林>硬阔林，容重大小依次为151、1.31、1.30、1.19 g/cm3;4种主要林分类型的土壤孔隙度排序依次为硬阔林>马尾松林>杉木林>湿地松林;各林分类型的土壤随着土层厚度的增加，土壤含水量、田间持水量和饱和持水量都呈现递减趋势;各林分类型土壤的涵水能力排序为硬阔林>马尾松林>湿地松林>杉木林，其中硬阔林涵养水源的能力最强，而杉木林的水源涵养能力最弱。综合分析表明，在江西省水源涵养区进行造林恢复时，应尽量避免营造高密度针叶林，尤其是大量营造杉木纯林，应结合种植有助于土壤结构改良的落叶或常绿阔叶树种。

关键词：生态公益林;林分类型;水分物理性质;涵水能力

中图分类号： S714.2;S725.3文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）19-0171-05

收稿日期：2019-04-20

基金项目：江西省生态公益林项目（编号：9131206077）。

作者简介：施重阳（1970—），男，江西南昌人，助理工程师，主要从事森林调查与监测工作。E-mail：6095399@qq.com。

通信作者：邓文平，博士，助理研究員，主要从事森林水文、同位素水文等方面的研究。E-mail：deng_wen_ping@126.com。

森林作为陆地上面积最大的生态系统，具有庞大的林冠层、深厚的枯落物层、发达的根系以及疏松多孔的森林土壤，林冠层、凋落物层和土壤层通过调节降水的截持再分配来发挥其水源涵养的功能，主要表现在改善林内小气候、减少地表蒸发、改良土壤结构、补充地下水、调节河川径流、减小地表侵蚀等[1-4]。而在这3个森林作用层中，土壤层对降水资源分配格局的影响最明显，调配了90%的大气降水，成为森林生态系统水源涵养的重要组成部分[5-6]。

大量研究表明，人工植被的营造对土壤水源的涵养有积极的改善作用，但也存在消极的影响[7]。森林植被类型的差异，可能是造成人工林水源涵养能力差异的主要原因之一。不同的森林类型具有不同的生物学特性与林分结构，通过调节物质周转与养分归还造成的土壤孔隙度对不同植被的响应也不尽相同[8-10]。土壤孔隙状况决定着土壤的蓄/持水能力及潜力[11]，因此，人工造林恢复退化生态系统的实践活动对于[KG*8]土壤水源涵养的恢复效果可能依赖于造林树种的选择[12]。但是，由于研究区域的气候和土壤条件的差异，以及造林树种的选择、造林密度和经营管理方式等差异的研究还未得到统一的结论，通常认为阔叶林的水源涵养能力优于针叶林，此外有研究显示，针叶纯林的持水能力优于针阔混交林[9，13-14]。因此，在具体的研究区域下，由于树种本身的生物学特性及其群落结构的差异而导致土壤涵水能力不同，将对该区域人工林涵养水源功能的恢复具有一定的指导意义。

江西人工林是我国中部森林的重要组成部分，作为江西省重要的水源涵养和水土保持生态公益林，对该区域乃至全国的生态功能提升与经济可持续发展具有重要意义。江西人工林区域以低山丘陵区作为主要地貌类型，山地面积占70%。由于降雨的年内分布主要集中在雨季，且降雨量、降雨强度较大，同时由于自然、人为原因，使得该地区土壤贫瘠，抗冲抗蚀性差，极易发生水土流失和崩岗等次生灾害，在南方红壤侵蚀中具有典型性和代表性[15]，导致土壤结构破坏及土壤水源涵养功能剧降，生态功能严重下降。伴随着森林保护和人工植被恢复工程的实施，江西省的森林覆盖率逐年提高，形成了多种针叶或阔叶为主的林分，但同时又出现了新的问题，如物种组成单一、群落结构简单、生态功能难以恢复等。如何改善鄱阳湖流域生态公益林的结构组成，提高现有林分涵养水源的功能，是当前江西省森林植被恢复面临的关键问题之一。因此，本研究选择江西省生态公益林几种主要的林分类型（杉木林、湿地松林、马尾松林以及硬阔林）作为研究对象，通过分析不同林型人工林的土壤理化性质，以比较其在土壤涵水能力方面的差异，以期为该区域人工植被水源涵养功能的恢复与提升提供科学参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区自然概况

江西省地处长江中下游以南地区，地理位置为24′29″～30′05″N，118′29″E，全省面积为16.69万km2，其中山地面积约占全省面积的36%，丘陵占42%，是我国南方丘陵的主要分布区。该地区属于中亚热带湿润季风气候区，气候温暖，降雨量充沛，植被覆盖率高。独特的地理位置，使得该地区的植被类型丰富。该地区的生态公益林主要有常绿阔叶林、马尾松林、毛竹林、杉木林、湿地松林等。森林土壤主要有红壤、山地黄壤、山地黄棕壤等类型，土层厚度大多为40～100 cm，腐殖质层厚度大约为8～20 cm，土壤偏酸性。

1.2 研究方法

1.2.1 样地调查设置方法于2016年11月，依据《国家森林资源连续清查技术规定》（2014年修订版）从江西省生态公益林监测样地中选取具有代表性的4种处于中龄林阶段的典型林分类型的33块样地，其中马尾松林7块，湿地松林6块，杉木林6块，硬阔林14块，样地面积为28.2 m×28.2 m=800 m2，分别在样地的西南、西北和东南角设3个面积为 1 m×1 m 的样方，调查样方内枯落物层的厚度，在每个样方的对角线上选择1个面积为0.5 m×0.5 m=0.25 m2的区域，收集枯落物，称鲜质量并带回实验室烘干，称量并计算干物质量。检测每木林木胸径、树高及植被情况，详见表1。在样地的东北角挖取1个土壤剖面，每个土壤剖面用200 cm2的环刀分别在0～10、10～30、>30 cm 3个土壤层上取原状土，带回实验室进行土壤物理性质的测定分析。

1.2.2 土壤物理性质的测定及分析方法参照环刀法[16]测定土壤水分物理性质，用烘干法测定土壤含水量。

1.2.3 数据处理试验数据采用Excel 2003进行处理，通过SPSS 22.0 进行平均值的单因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小显著性差异法（LSD）检验不同林分类型、不同土层深度上物理性质的差异显著性。由原始数据拟合得到的多元回归关系经统计学检验，得到拟合度参数R2，并在005、0.01水平检验相关系数的显著性，用Origin 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 土壤自然含水率

土壤含水量作为土壤的一个重要物理参数，是水循环、植物生长、土壤承载力、林分结构等科学研究中不可缺少的基本资料。土壤水分含量既影响根系的生长，也影响土壤养分向根表的迁移速度及距离，决定根系的发展方向和纵向范围，从而影响土壤养分的有效性。由表2可知，不同林分类型的土壤自然含水率均值排序为杉木林>硬阔林>马尾松林>湿地松林，分别为21.62%、19.21%、18.66%、1654%。对同一林型不同层次的土壤含水率进行方差分析，结果显示，4种林分类型的表层土壤含水率大于其他土层，但是各层次间的含水率差异不明显;不同林型间以杉木林的土壤含水率最大，但是4种林分类型在同一层土壤的差异也不明显。

2.2 不同林分类型的土壤容重、孔隙度及其特征变化

由图1-a、表3可以看出，4种林分类型0～60 cm土壤容重均值排序为湿地松林>杉木林>马尾松林>硬阔林，大小依次为1.51、1.31、1.30、1.19 g/cm3。方差分析结果显示，湿地松林下土壤容重均值显著大于其他林型（F=6367），而杉木林、马尾松林和硬阔林下的土壤容重差异不显著。

4种林分类型的土壤容重均随土层深度的增加而增大，0～10 cm土层的容重小于其他土层，4种林分类型的土壤容重排序为硬阔林<杉木林<马尾松林<湿地松林，且硬阔林、马尾松林与湿地松林的差异显著。而随着土壤深度的加深（>10 cm），硬阔林的土壤容重与马尾松林的差异减小，且差异不显著，而与湿地松林的差异一直处于显著水平。

由图1-b可以看出，从整体上看，不同林型下0～60 cm土壤的总孔隙度均值以硬阔林最大，且与马尾松林接近，总孔隙度排序为硬阔林>马尾松林>杉木林>湿地松林，大小分别43.67%、42.06%、39.59%、39.24%，4种林型下的土壤总孔隙度均值差异不显著。各林地0～10、10～30、>30 cm土层土壤的总孔隙度分别为22.45%～61.00%、16%～56%、25.16%～60.00%，均值依次为44.73%、40.35%、40.46%。由表3可以看出，整体上，随着土层深度的增加，土壤总孔隙度降低，但是同一树种不同土层间的土壤总孔隙度差异不显著，而同一土层不同树种间的土壤孔隙度差异也不显著，在 0～10、>30 cm土层，土壤总孔隙度表现为马尾松林、硬阔林大于湿地松林和杉木林。

由图1-c可以看出，土壤毛管孔隙度均值排序为杉木林>硬阔林>湿地松林>马尾松林，大小较为接近，依次为33.76%、33.20%、33.00%、32.19%，且不同林型间没有显著差异。由表3可以看出，同一树种不同土层间的土壤总孔隙度差异不显著，且同一土层不同树种间的差异也不显著。

由图1-d可以看出，不同林型下0～60 cm土层土壤的非毛管孔隙度排序为硬阔林>马尾松林>湿地松林>杉木林，大小依次为10.34%、7.90%、6.27%、6.04%，且硬阔林与杉木林的差异明显，其他林型之间差异不显著。各林地 0～10、10～30、>30 cm土层土壤的非毛管孔隙度分别为135%～5885%、1.28%～21.73%、3.50%～21.80%，均值依次为1052%、7.31%、6.89%，整体上随着土层深度的增加而降低，且同一林型不同土层间的差异以及同一土层不同林型间的差异均不显著，只有10～30 cm土层湿地松林与硬阔林下的土壤非毛管孔隙度之间的差异达到显著水平，而对于各土层来说，土壤非毛管孔隙度均表现为硬阔林最大，而杉木林最小。

2.3 不同林分类型土壤水分的物理特征

土壤持水能力与其水分的物理性质密切相关，土壤的总孔隙度、有机质和土壤颗粒组成等都是其影响因素。土壤的最大持水量反映了土壤的蓄水能力，而毛管持水量则能反映林地的供水能力，土壤水分的蓄持和供给能力是林地水源涵养调节功能的重要方面。由图2-a可以看出，不同林分类型间0～60 cm 土层土壤的最大持水量均值以硬阔林最大，排序为硬阔林>马尾松林>杉木林>湿地松林，其值分别3979%、33.42%、32.51%、28.64%;在4种林型下，硬阔林与湿地松林的土壤最大持水量均值间差异显著，而其他林分类型之间差异不显著;各林地0～10、10～30、>30 cm土层土壤的最大持水量分别为18.8%～728%、11.69%～5510%、13.4%～51.7%，均值依次为4243%、31.39%、2979%，且对于各土层来说，不同林型土壤的最大持水量均以硬阔林最大，马尾松次之，湿地松林最小，但是在不同林分之间没有显著差异。而在同一林型下，不同土层之间的差异也不显著，只有硬阔林表层0～10 cm 土壤的最大持水量显著大于下层土壤。

由图2-b可以看出，对于0～60 cm土层的土壤毛管持水量而言，不同林型之间在整体上都没有显著差异，其排序依然是硬阔林>杉木林>马尾松林>湿地松林，大小依次为29.78%、27.02%、26.18%、23.15%;各林地0～10、10～30、>30 cm土层土壤的最大持水量分别为1408～61.73%、1002%～43.91%、13.20%～46.57%，均值依次為31.32%、25.00%、24.29%，从表层到深层逐渐减小。对于同一土层而言，不同林分类型的土壤毛管持水量的排序结果与整体规律相符，且没有显著差异;对于同一林分类型不同土层的毛管持水量而言，只有硬阔林的表层土壤显著高于下层土壤，而其他林型在不同土层之间没有显著差异。

2.4 不同林分类型与土壤持水力及物理性质之间的关系

由表4的相关性分析可知，林地凋落物储量与土壤容重呈极显著正相关关系，而与土壤含水量呈极显著负相关关系，与土壤总孔隙度、最大持水量、最小持水量及毛管持水量的相关性也达到显著水平，而与土壤毛管孔隙、非毛管孔隙的相关性不显著。

3 总结与讨论

本试验选取了杉木林、湿地松林、马尾松林、硬阔林4种不同林分类型，从0～10、10～30、>30 cm 3个不同土壤深度对这几个类型样地的土壤容重、持水量、孔隙度等物理性质进行分析。研究结果显示，无论是土壤孔隙度（包括总孔隙度、非毛管孔隙度）还是持水能力（包括最大持水量、毛管持水量），硬阔林都表现得最好，马尾松林次之，而湿地松林最低。说明林分的群落结构、物种组成等的变化使得土壤性质发生了改变[17-19]，而不同生物学特性的树种对土壤物理性质的影响效果不同，相对于针叶杉木林、湿地松林而言，硬阔林、马尾松林更有利于土壤结构、通透性等物理性质的改良，从而提高了土壤的水源涵养能力。

不同树种的生物学特性差异对土壤容重、孔隙度的影响不同。对于不同的林分类型，其林下枯落物储量的大小和分解特性有较大差异，这种差异直接影响了有机质的归还，而这些有机质将促进土壤团聚体结构的形成，使土壤中黏粒、石英颗粒黏聚而形成团粒结构[20]，而土壤良好结构的形成使得土壤的物理性质得以改善。对林下凋落物储量和厚度的调查发现，硬阔林 <马尾松林<杉木林<湿地松林，常绿针叶林湿地松及杉木林的林下枯落物储量和厚度较大，但是由于其很难分解，因而对土壤孔隙结构和物理性质的改良作用较小，而天然阔叶林地表枯落物的分解速率快，枯落物快速腐烂后，有机质归还土壤的速率更快，因此其孔隙度和持水力也更高。对于同样为针叶林的马尾松林分来说，江西省对天然马尾松林实施长期的封育措施，现有的马尾松林分大部分为飞播林的次生林分，因此林分密度大，同时随着封育年限的增加，林分植被组成及枯落物也会随之增加，这2个方面的共同作用，不仅促进了地表枯落物的分解，同时也增加了土壤中根系的生物量及其归还，而凋落物的归还势必会影响有机质对土壤孔隙结构和物理性质的改善。根据枯落物储量与土壤物理性质的相关分析结果，其与土壤容重呈现极显著正相关关系，而与总孔隙度、持水力等都呈现显著的负相关关系，这也间接印证了枯落物回归有助于改良土壤物理结构的观点。

反之，土壤物理性质的改良又促进了植被的生长。土壤结构、通透性等物理性质的提高会影响土壤的三相（固相、液相、气相）比、土壤的生物活动及土壤团内元素的释放和固定，从而影响林木的生长。一般认为，土壤中大小孔隙同时存在时，若总孔隙度在50%左右、毛管与非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1之间时，透水性、通气性和持水能力比较协调。当非毛管孔隙度为6%～10%时，林木生长一般;当非毛管孔隙度为10%～15%时，林木生长中等;当非毛管孔隙度>15%时，林木生长良好[21]。江西省生态公益林的4种林分类型中，只有天然阔叶林的非毛管孔隙度均值超过10%，其他3种林分的土壤非毛管孔隙度均值都在6%～10%之间，毛管和非毛管孔隙度的比值在2.58～6.35之间，树木长势一般，其中天然阔叶林的生长情况最好，其次依次为马尾松林、湿地松林、杉木纯林，生长情况一般。这种良性的互作效应促进了林分水源涵养能力的提高。

本研究通过对江西省生态公益林不同林分类型下土壤物理性质及持水能力差异的对比分析，得出树种的生物学特性不同，在改良土壤结构和持水能力方面有差异，天然阔叶林和天然马尾松林分能够有效改善土壤的孔隙和持水状况，而人工针叶杉木纯林和湿地松林土壤的孔隙度和持水力则相对较低，这主要归因于林地枯落物的分解和归还速率，以及林分结构的差异。因此，在进行生态公益林营造时，应尽量避免成片种植针叶纯林，需要增加一定比例的阔叶树种。同时，在对现有低效公益林进行改造时，也可以补植一些水源涵养能力较好的阔叶树种，同时可实施局部的长期封育，以增加植被组成，改善冠层结构，有利于森林生态系统水源涵养功能的整体提高。

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