谭长强, 彭玉华, 申文辉*, 何琴飞, 郑威, 何峰



广西都安地区5种森林类型土壤机械组成及其肥力比较

谭长强1,2,3, 彭玉华1,2,3, 申文辉1,2,3*, 何琴飞1,2,3, 郑威1,2,3, 何峰1,2,3

1. 广西林业科学研究院, 广西南宁530002 2. 广西优良用材林资源培育重点实验室, 广西南宁530002 3. 国家林业局中南速生材繁育实验室, 广西南宁530002

研究珠江流域中上游广西都安地区5 种典型森林类型土壤基本理化性质, 为进一步探讨该区域森林生态系统物质循环、森林植被规划提供基础数据。通过分析不同森林类型之间土壤理化性质, 结果表明: 珠江流域都安地区5 种森林类型土壤机械组成砂粒变幅在3.63%—23.15%; 粘粒变幅在11.62%—56.61%; 细粉粒变幅在30.07%—54.34%; 粗粉粒变幅在1.84%—10.90%。不同森林类型土壤有机碳、全氮、全磷含量随着土层深度的增加而逐渐降低。对各森林类型土壤A层(0—15 cm)减去D层(45—60 cm)化学性质的比较, 各森林类型土壤有机碳积累大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>马尾松林>任豆林>桉树林; 土壤全N积累大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>任豆林>马尾松林>桉树林。综合来看, 在都安地区不同森林类型对土壤保育功能提高上, 5 种森林类型影响大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>任豆林>马尾松林>桉树林。

珠江; 森林土壤; 机械组成; 化学性质; 土壤肥力

1 引言

珠江流域面积达4.4×105km2, 年径流量在3.00×1011m3, 是国内河流流量的12.3%[1–2], 对我国及东南亚都有着重要的影响。广西都安位于珠江流域中上游, 其森林植被情况将直接影响着珠江中下游水量及水质情况。森林土壤及植被是森林生态系统中的重要组成部分, 森林土壤是森林赖以生存的物质基础, 合理利用森林土地资源可有效改善和森林土地生产能力[3–5]。刘瑞英[6]等通过研究发现秦岭辛家山不同森林类型对土壤化学性质影响不同, 9 种不同森林类型中华山松林下土壤的全效养分含量均较其它森林类型低。罗歆[3]等研究表明灌木林下土地有较高的有效磷和碱解氮含量, 常绿阔叶林下土地则速效钾含量较高, 不同植被土壤团聚度、总孔隙度等物理性质具有较大差异。唐炎林[6]等研究得出西双版纳热带季节雨林与橡胶林土壤有机质、全N、全P、全K含量及土壤机械组成均有较大差异。说明对不同森林植被下土壤性质差异进行研究, 将有助于了解森林与土壤之间的关系, 并将为森林更新、恢复及重建等工作的开展奠定基础[8–9]。本研究所选取了5 种珠江流域中上游地区典型森林类型, 分别为马尾松()人工纯林、桉树()人工纯林、任豆()人工纯林、马尾松×荷木()人工混交林、青冈栎()天然林。通过测定分析不同森林类型土壤养分及机械组成, 从土壤物理化学性质方面有力地揭示了都安地区5 种不同森林类型的土壤特征, 可为都安地区森林工程建设和珠江流域植被恢复与保护提供一定的依据。

2 材料与方法

2.1研究区自然概况

都安瑶族自治县, 北纬23°47′—24°35′之间, 东经107°51′—108°30′, 地处云贵高原向广西盆地过渡的斜坡上, 地势北西高、南东低, 隶属于广西河池市, 是全国喀斯特地貌发育最为典型的地区之一。属南亚热带季风气候区边缘, 年均温19.6 ℃—21.6 ℃, 年均降雨量1700 mm。都安地表河流红水河属珠江流域西江水系。流域内分布最广的是石炭系和二迭系, 母岩主要以连续性灰岩为主, 土壤以石灰岩土和石灰性土为主。

2.2调查及分析方法

2.2.1 样地的选择

于2013 年7—10 月, 在都安县境内选择5 种典型森林类型, 各森林类型均为近自然生长的近熟林或成熟林, 对样地内所有乔木进行每木检尺, 测定各株树高、胸径、冠幅、群落郁闭度等, 记录样方内灌木和草本的物种组成、高度、地径、数量、盖度, 并对土壤进行采集和分析。每种森林类型随机调查样方3 个, 每个调查样方面积为20 m×20 m, 具体见表1。

2.2.2 土壤样品的采集

在每个样方对角线相交处挖取1个土壤剖面, 每种森林类型共挖3个剖面。首先观察土壤剖面的层次、厚度、颜色、湿度、结构、紧实度、质地、植物根系分布等。每个土壤剖面分左、中、右及A(0—15 cm)、B(15—30 cm)、C(30—45 cm)、D(45—60 cm) 4 层采集土壤样品, 5 个森林类型共180 个环刀样品及180 个土壤样品。记录土壤每层的颜色、结构、紧实度、根量、石砾含量, 将所采土壤样品装入土壤密封袋, 在自然条件下阴干, 随后带回实验室, 用镊子除去石块、根系、动物等杂物后保存。

表1　主要森林类型样地概况

注: Ⅰ—Ⅴ分别代表: 任豆人工纯林、马尾松×荷木人工混交林、桉树人工纯林、青冈天然林、马尾松人工纯林; 各调查树种样地除任豆林在谷底外, 其它均在中下坡。

2.2.3 土样的分析方法

土壤机械组成: 采用吸管法[10]。

土壤化学指标测定: 土壤有机质含量采用K2Cr2O7容量法测定; 全氮用半微量凯氏定氮法; 全磷用硫酸-高氯酸消解法; 全钾采用硫酸-高氯酸消解火焰分光光度法。以上测定方法参照《中华人民共和国土壤测定标准》[11]。

2.2.4 数据分析方法

数据运用Excel 2003及DPS 7.0软件进行处理与分析, 运用Origin软件进行制图。

3 结果与分析

3.1 土壤机械组成

由表2可知, 综合珠江流域中上游河池都安水源涵养林除青冈栎林林外, 其它4个不同林分森林土壤机械组成各成分各层次均值最大为粘粒, 变幅在38.03%—59.86%; 其次为细粉粒, 变幅在27.89%—42.04%; 含量最低的为粗粉粒, 变幅在1.43%—11.22%。根据美制三角坐标图得知, 青冈栎林为粉壤土, 任豆林、桉树林及马尾松林为粘土, 马尾松×荷木混交林为粉粘土。通过计算5 种森林类型各层次各土壤机械组成含量均值可以看出, 总体来说, 都安地区A层土壤砂粒含量要高于其它层次, 而C、D层土壤粘粒含量要高于A、B层粘粒含量, 这可能与该地区雨量大, 粘粒、细粉粒等小颗粒被随着雨水冲走有关。

一般情况下, A层土壤对环境的影响响应较为敏感, 其理化性质较能代表该林地植被对其的影响, 而D层土壤相对较深, 受外界的影响相对较小, 因此较能反应其该林地原始立地情况。以各树种土壤立地D层各机械组分为基准, 用A层机械组分减去D层对应机械组分, 得出表2, 从表2可以看出, 五个不同树种, 在砂粒含量上, 除了任豆林有所降低外(降低幅度为1.29%), 其它4种森林类型均有所提高, 其中提高最高为桉树林达到了6.19%; 而粗粉粒含量各森林类型均有所升高(提高幅度为0.34%—1.29%); 在对粘粒成分含量的影响上, 除马尾松×荷木混交林外(提高了1.53%), 其它4 种森林类型土壤粘粒所占比例均有所降低, 降低幅度为0.75%—8.47%, 其中马尾松林降低幅度最大达到了8.47%。

3.2 不同森林类型土壤化学营养特征

3.2.1 土壤有机碳含量特征

从图1可以看出, 随着土壤层次的加深, 土壤有机碳含量均呈现了逐渐降低趋势。各森林类型土壤A层有机碳含量大小顺序为任豆林>马尾松×荷木混交林>马尾松林>青冈栎林>桉树林。

一般情况下, A层土壤对环境的影响响应较为敏感, 其理化性质较能代表该林地植被对其的影响, 而D层土壤相对较深, 受外界的影响相对较小, 因此较能反应其该林地原始立地情况。通过对各森林类型土壤A层有机碳含量减去D层(图1)可以看出, 对有机碳积累大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>马尾松林>任豆林>桉树林。方差分析表明, 五种森林类型之间存在显著差异。马尾松×荷木混交林与其它4种森林类型两两之间存在显著差异, 青冈栎林与马尾松林之间存在显著差异, 但马尾松林、任豆林、桉树林两两之间不存在显著差异。

3.2.2 土壤全氮含量特征

从图2可以看出, 随着土壤层次的加深, 土壤全氮含量均呈现了逐渐降低趋势。各森林类型土壤A层有机碳含量大小顺序为任豆林>马尾松×荷木混交林>青冈栎林>桉树林>马尾松林。

通过对各森林类型土壤A层全N含量减去D层(图2)可以看出, 对全N积累大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>任豆林>马尾松林>桉树林。方差分析表明, 5 种森林类型之间存在显著差异。桉树林与其它4 种森林类型之间均存在显著差异; 青冈栎林与马尾松×荷木混交林与马尾松林之间存在显著差异, 但青冈栎林与马尾松×荷木混交林之间无显著差异。

3.2.3 土壤全磷含量特征

从图3可以看出, 随着土壤层次的加深, 除马尾松林外, 其它4种森林类型土壤全磷含量均呈现了逐渐降低趋势。各森林类型土壤A层全磷含量大小顺序为任豆林>桉树林>马尾松×荷木混交林>青冈栎林>马尾松林。D层全磷含量大小顺序为任豆林>桉树林>马尾松×荷木混交林>马尾松林>青冈栎林。

表2　不同森林类型土壤机械组成

注: 砂粒>0.05 mm、粗粉粒0.05—0.02 mm、细粉粒0.02—0.002 mm、粘粒<0.002 mm; 列中小写字母表示(<0.05)差异显著水平, 下同。

通过对各森林类型土壤A层全磷含量减去D层(图3)可以看出, 对全P积累大小顺序为任豆林>青冈栎林>桉树林>马尾松林>马尾松×荷木混交林。方差分析表明, 5种森林类型全磷含量之间存在显著差异。任豆林与其它4 种森林类型之间均存在显著差异; 青冈栎林、桉树林与马尾松林、马尾松×荷木混交林林之间存在显著差异, 而青冈栎林与桉树林、马尾松林与马尾松×荷木混交林之间无显著差异。

3.2.4 土壤全钾含量特征

从图2可以看出, 随着土壤层次的加深, 任豆林与马尾松林土壤全钾含量呈现了逐渐升高趋势, 而马尾松×荷木混交林、桉树林及青冈栎林则变化不明显。5 个树种森林土壤A层全钾含量大小顺序均为任豆林>桉树林>马尾松×荷木混交林>青冈栎林>马尾松林。B、C、D层全钾含量大小顺序为任豆林>桉树林>马尾松×荷木混交林>马尾松林>青冈栎林。

注: 图中小写字母表示同一土壤层次不同森林类型之间(P< 0.05)差异显著水平, 下同。

图2 不同森林类型土壤全氮含量特征

图3 不同森林类型土壤全磷含量特征

通过对各森林类型土壤A层全N含量减去D层(图2)可以看出, 各森林类型对土壤全钾的消耗大小顺序为马尾松林>任豆林>马尾松×荷木混交林>青冈栎林>桉树林。方差分析表明, 5 种森林类型全磷含量之间存在显著差异。其中, 任豆林、马尾松林与青冈栎林、马尾松×荷木混交林、桉树林两两之间存在显著差异; 青冈栎林、马尾松×荷木混交林、桉树林两两之间无显著差异。说明在全钾含量消耗上, 阔叶树种对全钾的消耗要低于针叶树种马尾松林, 而针阔马尾松×荷木混交林有助于缓解针叶林对土壤中全钾的过度消耗, 而青冈栎林更能较好的保持土壤全钾含量。而从土壤有机碳、全钾、全磷及全氮含量可以看出, 桉树林D层土壤营养元素含量均较高, 说明其原始立地条件较好, 但由于其林龄较小, 对土壤立地的影响暂未完全表现出来。

4 讨论与结论

土壤机械组成指土壤中矿物颗粒的大小及组成比例, 其对土壤的通气、持水、保肥等性能具有重要影响[12]。一般情况下, 粘粒含量越高, 将越有利于土壤对肥水的保持, 但过高的粘粒含量将对雨水以及枯落物等有机质的的下渗产生阻碍。因此, 合适的土壤颗粒组成将有利于土壤综合肥力的提高、植物根系的生长以及对营养的吸收。广西都安地区地处南亚热带季风气候区边缘, 具有雨量集中的特点, 本研究得出除马尾松×荷木混交林外(粘粒提高了1.53%), 其它4 种森林类型土壤粘粒所占比例均有所降低, 降低幅度为0.75%—8.47%, 其中马尾松林降低幅度最大达到了8.47%。说明针阔混交有助于土壤肥力的保持, 减少土壤流失, 这可能与林分混交后呈现不同层次, 降低了雨水对土壤的直接性冲刷以及林地枯落物覆盖有关[13]。

图4 不同森林类型土壤全钾含量特征

土地利用方式的不同, 将对自然及生态过程和土壤养分变化产生重要影响[14–15]。土壤是碳、氮、磷等营养物质储存载体, 其养分情况影响着植物的生长, 决定着生态系统的结构和功能[16–17]。自然状态下, 土壤矿物颗粒组成比例及大小不但影响着土壤理化性质, 同时与植物生长所需养分及环境条件均紧密相关。植物通过根际效应、根系穿透、凋落物的输入以及对土壤水分的调节等方式影响着土壤结构[18]。通过对各森林类型土壤A层(0—15 cm)减去D层(45—60 cm)化学性质的比较, 综合来看, 在都安地区不同森林类型对土壤肥力提高上, 5 种森林类型影响大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>任豆林>马尾松林>桉树林。桉树作为高速生树种, 其速生性需要大量的营养物质以供应其生长[19]。本研究中桉树林仅3 年林龄, 而该林地土壤D层有机碳、全钾、全磷及全氮含量均较高, 这说明了其原始立地条件较好, 但由于桉树林龄较小, 其对土壤立地的影响并未得到很好的体现。针叶纯林由于其凋落物分解较为缓慢, 从而导致土壤中较低的土壤有效养分, 因此土壤肥力偏低; 而阔叶林其凋落物分解较快, 因而其土壤有较高的有效养分, 进而土壤肥力[20]。因此, 马尾松×荷木混交林、青冈栎林、任豆林土壤肥力要高于松树林。这与游秀花等[21]的研究结果阔叶林在对土壤的改善中比针叶林要好相一致。本研究中不同森林类型土壤有机碳、全氮、全磷含量随着土层深度的增加而逐渐降低, 原因可能与表层枯落物较多, 土壤微生物、动物活动平凡, 植物表层根系多有关。一般情况下, 土层越深, 土壤微环境越差, 越不利于植物根系生长及土壤微生物、动物的生存及活动, 因此从表层到深层, 生物残体减少, 导致土壤有机碳及全氮、全磷含量也越少。

由于青冈林多生长于较为陡峭的山坡上, 本文在尽量避免因坡度及坡向所带来的影响的同时, 对青冈林选择了东南向林分作为研究, 以尽量避免由于坡向所带来的影响。刘旻霞[22]等通过研究表明不同坡向对植物叶片磷含量、比叶面积及物种平均高度和土壤含水量、温度、全磷、全氮、有机质、速效氮含量均有显著的影响。而白爱芹[23]等研究得出坡向可能与土壤微生物代谢活性和多样性的关系并不密切。黄平[24]等研究得出蒙顶山茶园土壤有机质空间分布与坡度变化基本一致, 其中坡度25°—35°的茶园土壤有机质含量最高, >35°次之, 而<10°相对较低。而坡向对土壤有机质空间变异的影响不如坡度明显。贾松伟[25]通过野外径流小区观测与采样分析, 研究得出不同坡度对土壤有机碳流失存在一定影响, 但并非坡度越大有机碳流失越大。因此, 在本试验中坡向及坡度的不同是否会对各林分土壤理化性质存在较大影响需进一步研究。

综合来看, 在都安地区不同森林类型对土壤保育功能提高上, 5 种森林类型影响大小顺序为马尾松×荷木混交林>青冈栎林>任豆林>马尾松林>桉树林, 即针阔混交>阔叶纯林>针叶纯林。

[1] 苏彩燕, 周勤. 珠江流域城市河道的综合整治建议与可持续发展[J]. 水利规划与设计, 2006 (3): 19–21.

[2] 薛建枫. 贯彻新的治水思路加快珠江治理与发展[J]. 人民珠江, 2002, 23(02): 1–3.

[3] 罗歆, 代数, 何丙辉, 等. 缙云山不同植被类型林下土壤养分含量及物理性质研究[J]. 水土保持学报, 2011, 25(1): 64–69.

[4] 任青山. 西藏冷杉原始森林土壤物理性质特征分析[J]. 林业科学, 2002, 38(3): 57–62.

[5] 朱彩丽, 吕成群, 黄宝灵, 等. 大叶栎、火力楠人工林土壤肥力研究[J]. 广西林业科学, 2014, 4: 418–421.

[6] 刘瑞英, 谭胡燕, 杨改河, 等. 辛家山不同森林类型土壤基本化学性质研究[J]. 西北林学院学报, 2011, 26(5): 18–23.

[7] 唐炎林, 邓晓保, 李玉武, 等. 西双版纳不同林分土壤机械组成及其肥力比较[J]. 中南林业科技大学学报: 社会科学版, 2008 (1): 70–75.

[8] 储小院, 王玉杰, 刘楠, 等. 重庆缙云山典型林分林地土壤微团聚体特征分析[J]. 土壤通报, 2009, 40(6): 1240–1244.

[9] 李贵祥, 孟广涛, 方向京, 等. 珠江源头区不同地类人工恢复植被树种选择及生态效益研究[J]. 水土保持通报, 2007, 27(4): 126–130.

[10] 杨培岭, 罗远培, 石元春. 用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J]. 科学通报, 1993, 38(20): 1896–1899.

[11] 中华人民共和国林业部科技司. 林业标准汇编(三)[S] . 北京: 中国林业出版社, 1991.

[12] 全国土壤普查办公室. 中国土壤[M]. 中国农业出版社, 1998.

[13] 曾曙才, 谢正生, 古炎坤, 苏志尧, 陈北光, 林书豪. 广州白云山几种森林群落生物量和持水性能[J]. 华南农业大学学报, 2002, 4: 41–44.

[14] 王葆芳, 贾宝全, 杨晓晖, 等. 干旱区土地利用方式对沙漠化土地恢复能力的评价[J]. 生态学报, 2002, 22(12): 2030–2035.

[15] 曹继钊, 覃其云, 唐健, 等. 新造林地土壤肥力变化规律研究[J]. 广西林业科学, 2011, 4: 243–250.

[16] CRICK J C, Grime J P. Morphological plasticity and mineral nutrient capture in two herbaceous species of contrasted ecology[J]. New phytologist, 1987, 107(2): 403–414.

[17] BERENDSE F. Competition between plant populations with different rooting depths[J]. Oecologia, 1979, 43(1): 19–26.

[18] ANGERS D A, CARON J. Plant-induced changes in soil structure: processes and feedbacks[M]//Plant-induced soil changes: Processes and feedbacks. Springer Netherlands, 1998: 55–72.

[19] 覃祚玉, 蒋雪刚, 唐健, 等. 广西黄冕林场桉树萌芽林土壤肥力变化分析[J]. 南方农业学报, 2014, 45(3): 429–433.

[20] 刘义, 关继义. 不同森林类型土壤肥力的差异分析[J]. 东北林业大学学报, 2002, 30(3): 76–78.

[21] 游秀花, 蒋尔可. 不同森林类型土壤化学性质的比较研究[J]. 江西农业大学学报, 2005, 27(3): 357–360.

[22] 刘旻霞, 马建祖. 甘南高寒草甸植物功能性状和土壤因子对坡向的响应[J]. 应用生态学报, 2012, 16(32): 3295–3300.

[23] 自爱芹, 傅伯杰, 曲来叶, 等. 重度火烧迹地微地形对上壤微生物特性的影响—以坡度和坡向为例[J]. 生态学报, 2013. 33 (17): 5201–5209.

[24] 黄平, 李廷轩, 张佳宝, 等. 坡度和坡向对低山茶园土壤有机质空间变异的影响[J]. 土壤, 2009, 41 (2): 264–268.

[25] 贾松伟. 黄土丘陵区不同坡度下土壤有机碳流失规律研究[J]. 水土保持研究, 2009, 16 (2): 30–33.

Study on soil the physical and chemical characteristics of 5 characteristic forests in Du’an area, Guangxi

TAN Zhangqiang1,2,3, PENG Yuhua1,2,3, SHEN Wenhui1,2,3,*, HE Qinfei1,2,3, ZHENG Wei1,2,3, HE Feng1,2,3

1. Guangxi Academy of Forestry, Nanning 530002, Guangxi, China 2. Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning, Guangxi 530002, China 3. Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation, Nanning, Guangxi 530002, China

The soil basic physicochemicalproperty of 5 typical forests with different characteristic was researched in Guangxi Du’an region of the Pearl River middle reaches, providing basic data to further explore material circulation of forest ecosystem and planning for forest vegetation in the area. By analyzing soil physical and chemical property between different forests, we found that the sand grain content was 3.63%-23.15%; the clay content was 11.62%-56.61%; the fine silt content was 11.62%-56.61%, the coarse dust was 1.84%-10.90%. The soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus content gradually reduced with the increase of soil depth in different forest types. The 5 different type forests on soil organic carbon accumulation wasmixed forest>>>>on the total N accumulation wasmixed forest>>>>The stand of 5 different type forests in the Pearl river basin on soil conservation improvement as following was:mixed forest>>>>

Pearl river; forest soil; mechanical composition; chemical property; soil fertility

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.018

A

1008-8873(2017)02-119-07

2015-10-03;

2016-12-21

广西林业科技项目(桂林科字[2012]第7号)

谭长强(1987—), 男, 硕士, 助理工程师, 广西桂林, 主要从事森林培育和森林生态科研工作, E-mail: 315990730@qq.com

申文辉(1972—), 男, 教授级高级工程师, 在读博士, 主要从事森林生态研究, E-mail: shenwenhui2003@163.com

谭长强, 彭玉华, 申文辉, 等. 广西都安地区5种森林类型土壤机械组成及其肥力比较[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 119-125.

TAN Zhangqiang, PENG Yuhua, SHEN Wenhui, et al. Study on soil the physical and chemical characteristics of 5 characteristic forests in Du’an area, Guangxi[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 119-125.