华南地区森林土壤物理性质研究

华南地区森林土壤物理性质研究

土壤是物种生产力的基础。土壤物理性质通常被认为是立地质量的重要指标(Karlen&Stott,1994;Arshadetal.,1996;Boix-Fayos,etal.,2001),是肥沃的森林土壤形成过程中一个重要部分(Schoenholtzetal.,2000),因而日益成为重要的研究领域之一(Sparlingetal.,2004)。土壤的水分、容重和孔隙是重要的土壤物理因子,影响着土壤的持水和溶解矿质元素的性能,影响着植物的扎根和根系的吸水性能,进而影响土壤肥力状况和植物的生长(刘伟钦等,2003),因而被较多的关注(许松葵等,2006,张希彪和上官周平,2006;薛立等,2007)。马尾松(Pinusmassoniana)广泛分布在我国南方,是我国主要的用材树种之一,也曾是华南农业大学长岗山的主要实验林。由于马尾松纯林病虫害猖獗,同时引起土壤肥力下降,1973年以来,华南农业大学森林培育教研室改种柚木(Tectonagrandis)、马占相思(Acaciamangium)、落羽杉(Taxodiumdistichum)、木荷(Schimasuperba)、尾叶桉(Eucalypysurophylla)、湿地松(P.elliottii)纯林及黎蒴(Catanopsisfissa)×加勒比松(P.caribaea)、火力楠(Micheliamacclurei)×木荷混交林。对以上林分的土壤化学性质已有过研究(薛立等,2003a,2003b),而对其土壤物理性质则未见报道。因此,本文对这些林分的土壤物理性质进行研究,以全面了解其土壤特性,为合理利用森林土壤资源提供依据。1研究领域和方法1.1不同林分的土壤条件调查地位于广州市天河区(113°18′E,23°06′N),属于南亚热带季风气候,温暖多雨,夏长冬短。年均温、最冷月(1月)和最热月(8月)月均温分别为21.8℃、13.3℃和28.1℃。年降雨量1714.4mm,4—9月的降雨量占年降雨量的82%。年平均相对湿度79%。试验林营造前,调查地原有的亚热带季风常绿阔叶林受严重破坏而变为马尾松疏林。试验林地为低矮丘陵,海拔约40m,土壤为花岗岩发育而成的低丘赤红壤,土层深厚。落羽杉林位于低洼潮湿的山冲,而其他林分生长于缓坡上。落羽杉林0～40cm的土壤有机质高达3.25%,尾叶桉林仅为0.41%,其他林分在1.74%～2.29%。柚木林和落羽杉土壤<0.01mm的粘粒含量分别为25%和64%,其他林分在31%～40%。落羽杉林的林下植物发达,而柚木林和尾叶桉林的林下植物稀少,其余林分的林下植物介于3种林分之间。试验林地的其他基本特征见薛立等(2003a,2003b)。1.2土壤理化性质的测量在每个林分内挖取土壤剖面,分3层(0～20、20～40和40～60cm)用环刀采集土壤样品,3个重复。用酒精燃烧法测量土壤自然含水量,用环刀法测量土壤容重,毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和毛管持水量的计算方法如下(中国科学院南京土壤研究所,1978):土壤毛管持水量=环刀内水分重量/环刀内干土质量×100(%);总孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100(%);毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重(%);非毛管孔隙度=总孔隙度-毛管孔隙度(%)。2结果与分析2.1土壤容重的分布土壤容重是土壤的基本物理性质,土壤容重的大小反映了土壤的质地、结构和有机质含量等综合物理状况(Hope,1991)。不同林分同一土层的土壤容重差异比较明显(图1)。8种林分的上层(0～20cm)土壤中,柚木林和黎蒴×加勒比松林的土壤容重显著大于其他林地(P<0.05)、落羽杉林和尾叶桉林的土壤容重显著大于其他4个林地(P<0.05),马占相思林的土壤容重显著小于其他林地(P<0.05);在中层(20～40cm)土壤中,黎蒴×加勒比松林的土壤容重显著大于其他林地(P<0.05),木荷林地显著大于其他6个林地(P<0.05),马占相思纯林地和火力楠×木荷林地较大,而尾叶桉林的土壤容重显著小于其他林地(P<0.05);下层(40～60cm)土壤中各林地的土壤容重变化趋势与中层土壤相似。柚木林地3层的土壤容重相近,尾叶桉林地为上层大于中层和下层,其余林地为上层的土壤容重最小,中层和下层相近。说明尾叶桉林根系分布较深,在中下层土壤中的根系发达,易于松动土壤。马占相思林地上层的土壤容重仅有中下层的75%左右,这可能与其凋落物量大,腐殖质在表层累积多有关。2.2非毛管孔隙度上层土壤中,柚木林地的毛管孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),黎蒴与加勒比松林地、火力楠×木荷林地和木荷林地的毛管孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)(图2);中层和下层土壤中,尾叶桉林地的毛管孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),柚木林地显著大于其他6个林地(P<0.05)。中层土壤中,黎蒴×加勒比松林地和木荷林地的毛管孔隙度显著小于其他林地(P<0.05);下层土壤中,落羽杉林地的毛管孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)。随着土壤深度的增加,柚木林地、落羽杉林地的毛管空隙度逐渐下降,马占相思林地、黎蒴×加勒比松林地和尾叶桉林地的毛管孔隙度逐渐增加,火力楠×木荷林地的毛管孔隙度为中层>下层>上层,木荷林地下层>上层≈中层,湿地松林地为上层>中层≈下层。上层土壤中,马占相思林地、火力楠×木荷林地和木荷林地的非毛管空隙度显著大于其他林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的非毛管孔隙度显著大于其余4个林地(P<0.05),而柚木林地的非毛管孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)(图3);中层土壤中,木荷林地的非毛管孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),尾叶桉林地的非毛管孔隙度小于柚木林地和显著小于其余6个林地(P<0.05);下层土壤中,落羽杉林地的非毛管孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),马占相思林地的非毛管孔隙度显著大于其余6个林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地和尾叶桉林地的非毛管孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)。随着土壤深度的增加,柚木林地的非毛管空隙度逐渐增加,黎蒴×加勒比松林地、木荷林地、尾叶桉林地和湿地松林地的非毛管空隙度逐渐下降,马占相思林地和火力楠×木荷林地的非毛管空隙度为上层>中层≈下层,落羽杉林地为上层>下层>中层。上层土壤中,马占相思林地的总孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),柚木林地、黎蒴×加勒比松林地和尾叶桉林地的总孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)(图4);中层和下层土壤中,尾叶按林地的总孔隙度显著大于其他林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的总孔隙度显著小于其他林地(P<0.05)。柚木林地3层土壤的总孔隙度相近,黎蒴×加勒比松林地、落羽杉林地、木荷林地和湿地松林地的总孔隙度随着土壤深度的增加而下降,马占相思林地的总孔隙度为上层>下层>中层,落羽杉林地为上层>中层>下层,尾叶桉林地为中层>下层>上层。2.3土壤深度对土壤毛管持水量的影响各层土壤中,落羽杉林地的土壤自然含水量显著大于其他林地(P<0.05),木荷林地的土壤自然含水量较高,柚木林地的土壤自然含水量显著小于其他林地(P<0.05)(图5);随着土壤深度的增加,落羽杉林地的土壤自然含水量急剧减少,而其他林地的土壤自然含水量增加或保持稳定,它们之间的差距逐渐减小。随着土壤深度的增加,柚木林地、马占相思林地、黎蒴×加勒比松林地、火力楠×木荷林地和湿地松林地的土壤自然含水量增加、落羽杉林地的土壤自然含水量急剧减少,而木荷林地和湿地松林地保持稳定。上层土壤中,马占相思林地和落羽杉林地的毛管持水量显著大于其他林地(P<0.05),柚木林地和湿地松林地的毛管持水量大于显著大于其余4个林地(P<0.05),黎蒴×加勒比松林地的毛管持水量显著小于其他林地(P<0.05)(图6);中层和下层土壤中,尾叶桉林地的毛管持水量显著大于其他林地(P<0.05),柚木林地的毛管持水量较大,中层土壤的黎蒴×加勒比松林地和木荷林地的毛管持水量显著小于其他林地(P<0.05),下层土壤的落羽杉林地和木荷林地的毛管持水量显著小于其他林地(P<0.05)。随着土壤深度的增加,柚木林地、落羽杉林地和湿地松林地的土壤毛管持水量减少、尾叶桉林地的土壤毛管持水量增加,火力楠×木荷林地保持稳定,马占相思林地和木荷林地为上层>下层>中层,黎蒴×加勒比松林地为下层>上层>中层。2.4各层土壤的自然含水量以0.6为阀值,8种林地可以分为4类。马占相思林地、黎蒴×加勒比松林地、火力楠×木荷林地、木荷林地和湿地松林地为第1类,特点是上层的土壤容重小于中层和下层,毛管孔隙度中等或较小,非毛管孔隙度中等或较大,非毛管孔隙度和总孔隙度为上层大于中层和下层。自然含水量中等或较大,随着土壤深度的增加而下降或稳定。除了马占相思林地上层外,毛管持水量为中等或较小;第2类为柚木林地,土壤容重较大,且3层的土壤容重相近,毛管孔隙度和毛管持水量较大,非毛管空隙度和自然含水量较小;第3类为落羽杉林地,各层土壤的自然含水量远远大于其他林地。上层和中层的土壤容重、毛管孔隙度和非毛管空隙度中等。上层的毛管持水量大,中层的中等。下层的土壤容重和非毛管空隙度大,毛管空隙度和毛管持水量小。第4类为尾叶桉林地,上层的土壤容重大于中层和下层,毛管孔隙度和毛管持水量较大,非毛管空隙度和自然含水量较小。3改善立地条件马占相思林地上层的土壤容重小,毛管孔隙度、非毛管孔隙度大和毛管持水量高,自然含水量较低;中层和下层的土壤容重、毛管孔隙度、自然含水量和毛管持水量中等,非毛管孔隙度较大。黎蒴×加勒比松林地各层的土壤容重大、毛管孔隙度和毛管持水量小,自然含水量中等,上层和中层的非毛管孔隙度中等,下层的小。火力楠×木荷林地各层的土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量和毛管持水量均为中等。木荷林地各层的土壤容重中等,自然含水量大和毛管持水量小。上层和中层的毛管孔隙度小而非毛管孔隙度大,下层的毛管孔隙度和非毛管孔隙度中等。湿地松林地各层的土壤容重较小、自然含水量和毛管持水量中等,毛管孔隙度和非毛管孔隙度中等或较大。马占相思等5种林地的容重为上层小于中层和下层,非毛管孔隙度和总孔隙度均为上层大于中层和下层,这与地表森林凋落物的积累,有机质含量高有关(Garg&Jain,1992)。林木倾向于通过改善土壤的理化性质、蓄水性能和小气候而改善立地条件(Prinsely&Swift,1986)。随着林木生长,林分通过凋落物、根系固氮和伸展、林冠扩张和养分循环,使有机质积累于土壤表层,从而改善了土壤的理化性质(Gilletal.,1987;Evans,1992;Mishraetal.,2003),使容重减少,空隙度增加,容蓄水分能力增强。8种林地中,柚木林地上层的土壤容重大,毛管孔隙度和毛管持水量较大,非毛管孔隙度少,自然含水量低;中层和下层的土壤容重、毛管孔隙度和毛管持水量中等,非毛管孔隙度较少,自然含水量低。柚木林地3层的土壤容重相近,在8种林地的0～20cm土层中容重最大,不利于林下植物的根系生长,因而草本植物稀少,其根系的松土作用弱,造成非毛管空隙度较小。土壤中<0.01mm的粘粒含量低,不利于其吸附水分。非毛管空隙少和粘粒含量低导致其自然含水量低。落羽杉林地各层土壤的自然含水量远远大于其他林地,上层和中层的土壤容重、毛管孔隙度和非毛管空隙度中等,毛管持水量大。下层的土壤容重和非毛管空隙度大、毛管空隙度和毛管持水量小。落羽杉是落叶树种,在旱季其自身的蒸腾作用而消耗的水分比阔叶树少,而且位于潮湿的山冲,<0.01mm的粘粒含量高达64.2%,有利于吸附水分。另外,落羽杉林的土壤有机质高,土壤有机质疏松多孔,吸水能力可达自身重量的几十倍,因此对保持土壤水分有积极作用(陆耀东等,2008),所以,各土层的自然含水量都显著的高于其他林分。由于林下植物多,蒸发的水分较少,土壤水分主要集中在表层。尾叶桉林上层的土壤容重大于中层和下层,毛管孔隙度和毛管持水量较大,非毛管空隙度和自然含水量较小。尾叶桉林上层的土壤有趋于紧实的特征(廖观荣等,2001)。土壤物理性质的变化决定于有机质(Grahametal.,1989)。有机质的损失减少了土壤养分(Burgessetal.,1995;Schmidtetal.,1996;Bulmeretal.,1998;Nesdoly&vanRees