华南红壤丘陵区不同坡位人工桉林土壤水分状况及影响因子

华南红壤丘陵区不同坡位人工桉林土壤水分状况及影响因子

0土壤孔隙及水分含量变化[研究意义]土壤孔隙和含水量是土壤的物理特征之一。它们一起决定土壤中的空气含量，影响土壤中各种变化过程和作物的生长（conavo等人，2011）。此外,由于可持续林业发展的需要,土壤孔隙和水分的变化已成为评价土壤质量优劣的指标和研究热点(肖洪浪等,2007;易志军等,2002)。因此,探讨人工桉林地土壤孔隙度和水分变化的空间分布规律及引起变化的主导因子,可为我国华南红壤丘陵区桉树种植、林业生产的水分利用和保持提供参考依据。【前人研究进展】目前,关于土壤孔隙和水分变化的研究主要集中在动态变化分析(田风霞等,2010;赵景波等,2012),且以针对同种植被不同耕作方式下和不同植被下土壤孔隙状况和水分含量的研究较多(王兵等,2002;李红等,2010;向志勇等,2010;张义等,2010)。研究结果表明,不同植被下的土壤孔隙和水分含量存在明显差异,一般情况下,耕地和果园地>天然灌木林地>乔木林地>人工灌木林地。对于不同植被下土壤水分含量差异的原因探讨,主要是归因于植被类型,而针对不同林分间土壤水分含量差异特性及影响因子的研究较少。【本研究切入点】同一气候条件下的不同林地的土壤水分差异,是由于林分自身差异还是外界环境条件所引起目前尚无定论;此外,土壤孔隙和水分状况作为评价土壤质量优劣的指标,但二者是否与林分类型存在显著关系,是否也能作为评价适合发展某种林木的参考指标也有待进一步探究。【拟解决的关键问题】以华南典型的亚热带红壤丘陵区不同林地土壤为研究对象,以天然林和松林为对照,探讨人工桉林地土壤孔隙度和水分变化的空间分布规律及引起变化的主导因子,以期揭示在相同的气候条件下土壤水分下降的本质,为我国华南红壤丘陵区桉树种植、林业生产的水分利用和保持提供参考依据。1材料和方法1.1低山地u2004年模式4研究区位于广西柳州市鹿寨县黄冕林场波寨分场(N24.755°~24.743°,E109.891°~109.911°),海拔180~380m,属亚热带季风地区,年均气温23.3℃。该区地势属低山丘陵地带,土壤为由砂岩残积、坡积物发育而成的红壤,土层浅薄,砾石或岩屑含量高。本研究中林分为第2代萌芽3年生人工桉林(简称桉林)、天然软阔林(简称天然林)和20年生松木林(简称松林)林区分布见图1。研究区内林分调查样地的基本情况如表1所示。1.2样品的采集及预处理于2012年4月采集土壤样品,先在同一坡面上按不同海拔高度平均划分为坡下、坡中、坡上等3个坡位,对应海拔分别为180~190、250~260和300~310m,进行均匀布点,再使用GPS确定好各采样点,采用GIS的坡向提取技术确定坡向。在3种不同林地内按上、中、下3个坡位进行网格取样,同种林分在同一海拔高度按80~100m间距设置3个采样点,作为3次重复,利用GIS采集器(G3系列,北京合众思壮科技股份有限公司)进行准确标定采样点,采样时以定位点为圆心,在半径为5m的圆周范围内均匀采集15个0~20cm的耕层土样,混合后为该点土壤样品,再两份1kg样品带回实验室进行分析,其中一份用于石砾含量、水分测定,另一份用于养分分析,共采集30个样品。另外,在坡中挖掘3种林分的土壤剖面,按表土层(A)、淀积层(B)和母质层(C)3个土壤发生层(本研究中,A:0~30cm、B:30~75cm、C:75cm以下)采集了18个土壤样品,用于测定土壤水分和石砾(>2mm)含量。1.3林分郁闭度的测定土壤石砾、水分含量和容重测定采用环刀法和烘干法,以质量百分率表示(黄昌勇和徐建明,2010)。郁闭度测量采用测线法(吴宇昕和杨钧2010),在林内选一有代表性地段,量取30m测线,沿线观察各株数木的树冠投影,量取其长度,测线上各树冠投影长度总和与测线总长度之比,即为郁闭度值。每种林分重复测量9次,所得平均值即为该林分的乔木层郁闭度。林内乔木层郁闭度和地面的落叶及灌草层覆盖率的最大值作为林分总盖度。以林区的土壤水分含量空间分布图通过GIS软件的克里格插值生成和展示,土壤水分等级划分根据几何间距法进行分级,并计算出各级指标范围所占的面积,便于定量比较林分土壤水分空间差异及分布趋势。1.4土壤水分影响因素的关系试验数据均采用Excel2003进行初步整理,并进行方差分析,对于F检验显著的采用邓肯式新复极差法进行多重比较。采用SPSS18.0软件对土壤水分与影响因素进行相关性分析,影响因子分为林分类型、海拔、林内盖度、坡位、坡向、石砾含量6个。其中林分类型、坡位、坡向3个定性因子需要进行编码处理(王信增等,2012),海拔、石砾含量和盖度采用实测值。以1为天然林、2为松林,3为桉林;坡位以1为下坡、2为中坡、3为上坡;坡向以朝南为1、东南为2、北为3、西北为4;3种尺度编码一致。2结果与分析2.1同一土层上不同林分间的生长和稳定性从表2可以看出,土壤孔隙度在垂直剖面上由上往下呈递减趋势,各种林分土壤孔隙度在林分内均存在不同程度差异性,但这种差异在同一土层上的3种林分间未达显著水平(P>0.05,下同);而3种林分的孔隙度在整个剖面上存在显著差异(P<0.05,下同),松林的孔隙度极显著高于桉林和天然林(P<0.01,下同),桉林和天然林二者间的差异不显著,桉林、天然林和松林的平均孔隙度分别为45.9%、41.4%和55.3%。2.2不同林分的土壤水分含量和空间分布特征2.2.1不同层次间的水分流动3种林分土壤水分含量随着剖面深度的增加而降低(表3)。从各层土壤水分差异性来看,层次间水分差异最小的为桉林,各层次间不存在显著差异;松林的次之,天然林的变化较大。相同剖面层次不同林分的土壤水分差异各异,但总体上不同林分间的土壤水分含量差异不显著,3层土壤水分含量的平均值分别为:桉林13.3%、天然林13.4%和松林15.3%。2.2.2坡下坡下土壤水分变化的特征从表4可知,从坡下到坡上,各林分平均土壤水分含量依次减少。其中,桉林、天然林和松林的坡中比坡下位的土壤水分含量分别降低0.1%、0.8%和0.6%;而桉林和天然林的坡上比坡中分别减少2.2%和1.1%,松林的相对持平。3种林分从坡下到坡上的土壤水分含量绝对相差值在2.5%以内,相对比较稳定,只是不同林分的土壤水分含量在坡位上变化的程度有所差异,桉林、天然林和松林的变异系数分别为16.0%、10.8%和2.7%。从林分上看,不同林分的土壤水分含量在坡位上存在差异,桉林在不同位上的土壤水分含量均低于天然林和松林,且显著低于松林。2.2.3天然林和桉林土壤水分从不同林分土壤水分含量的分布状况可看出(图2、表5),桉林的含水量主要集中在12.5%~18.0%,该含量分布面积占整个桉林试验区的97.5%;天然林的含水量为12.5%~15.0%、15.0%~18.0%、18.0%~20.0%和20.0%~22.0%的区域分别占研究区总天然林面积的9.1%、46.8%、23.3%和20.8%;松林的分布比较均匀,主要集中在18.0%~20.0%,占整个研究区松林总面积的95.7%。桉林土壤水分在空间上的分布随着海拔的升高而降低;天然林的呈圆形的变化,从外围向中心逐渐减小;松林的呈大块状分布。这3种林分在空间上的分布差异主要由地表蒸发引起,地表蒸发又直接与林地盖度相关。试验区的桉林地表除两个样点有茂密的杂草覆盖外,其他的均为裸地,桉林中60.3%面积的土壤水分含量低于15%;天然林有一部分地表有茂密的枝叶和树冠覆盖,一部分仅有浓密的树冠覆盖,有些有稀疏的阳光照射;松林地表大部分具有8cm厚的松针覆盖,因此这两种林分的表层土壤水分活动受气象因素的影响比桉林地的低得多,土壤水分蒸发较小;天然林和松林土壤含水率主要集中在15.0%~20.0%的原因可能是盖度使得土壤水分含量保持较高水平且相对稳定,从而减少了水分在空间上的分布差异。2.3不同林分类型对表层土壤水分的影响从上述的研究结果可知,不同林分A层土壤水分含量在数量上和空间格局上分布差异较大,这种差异主要与林内的盖度和林分类型相关(表6),3种林地土壤水分与盖度存在极显著或显著的正相关,均随着盖度的增加而增加;同时,不同林分类型对于表层土壤水分也存在显著影响,但比盖度的影响程度稍小。此外,桉林与天然林的表层土壤水分与海拔和坡位呈负相关,而松林的与之相反且相关系数较小;天然林土壤水分还与石砾含量呈显著负相关,而松林与石砾含量的相关系数值也是最小,说明覆盖可以减少由海拔高度、坡位等地形因子及石砾含量等结构因子引起的水分变化差异。在垂直剖面上,土壤水分含量与土壤总孔隙度存在显著正相关,与石砾含量存在负相关,与林分类型的相关性较小(表6)。3讨论3.1林下植被覆盖度桉林下各层土壤孔隙度均明显小于松林但高于天然林,并且3种林分下土壤总孔隙度均呈逐层降低的趋势,但由上往下的变化特征存在差异,与林地和荒草坡地随着土层深度的增加而明显减小的特征相一致(李红等,2010)。表层土壤总孔隙度受灌木层盖度及林下覆盖度的影响较大(王轶浩等,2012),同时还受林分枯落物返还土壤的程度影响(向志勇等,2010)。本研究区域内天然林中土层的石砾含量平均为50.0%,大石砾比较多,林下植被较少,且由于天然林主要为常绿乔木,林下枯枝落叶较少。松林中的植被覆盖度平均为40%,但其林下具有一层超过5cm厚的松针。松林土壤孔隙度最大的原因可能是松林下土壤表层有松针覆盖,可有效防止降雨对地表的冲击,使土壤能够保持良好的结构;桉林土壤孔隙度相对较小的原因可能是受炼山和除草的影响,其盖度小,表层土壤因降雨而流失;而天然林土壤所含石砾最多,但是否因此而影响到土壤孔隙状况,尚有待深入研究,特别是对于林地石砾含量较多的土壤,该如何计算土壤孔隙度和分级才能更好地指示土壤物理特性也有待进一步探讨。3.2种林分土壤水分含量的空间分布桉林、天然林与松林的土壤水分含量均随剖面深度的增加而减少,与武阿锋和刘文(2009)、王云强等(2012)对林、草、农地土壤水分垂直变化规律的研究结果相一致;但王兵等(2002)的研究结果表明,在荒漠化地区不同植被下土壤含水量从上层向下逐渐增大,可能与土壤的特性有关。本研究结果表明,桉林表层(0~20cm)土壤含水量与林内冠层遮荫度和林下枯落物盖度有关;且总体上不同林分间的土壤水分含量差异不显著,土壤水分含量在剖面的分布与土壤特性也相关。桉林与天然林和松林的表层土壤水分含量随着坡位上升而降低,且3种林分间存在明显差异,桉林显著低于松林的土壤水分含量,与姚雪玲等(2012)研究在300m海拔高度内,不同坡位土壤含水量的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而不是坡位之间的结果一致。3种林分土壤水分含量在水平空间分布存在明显差异,桉林的土壤水分含量最低且随海拔上升而降低,天然林的居中,松林的最大且分布成大块状。由于土壤水分具有异质性(张义等,2010),且受海拔、坡度、坡向、坡位、地貌类型、土地利用类型、土壤孔隙度等因素影响(田风霞等2010)。桉林、天然林与松林3种林分在垂直分布上,土壤孔隙状况是影响土壤水分的主控因子。不同林分表层土壤水分含量与林分类型和林内的盖度极显著相关,每种林分的土壤水分均与盖度呈极显著相关,且相关程度比林分高,因此,盖度是主导土壤水分变化的控制因子,但对于林分类型是否也是引起土壤水分变化差异的主控因子,或是因盖度叠加效应所产生。该试验区的土层浅薄(150cm),