武夷山風(fēng)景區(qū)6種林地類型土壤持水能力研究

武夷山風(fēng)景區(qū)6種林地類型土壤持水能力研究

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤層是最重要的水分儲存水庫和水文調(diào)節(jié)。土壤水分是流域水量平衡乃至區(qū)域水文循環(huán)中的一個重要因素。它是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍、影響最大的因素之一。土壤水分物理性質(zhì)不僅決定土壤中水、氣、熱和生物狀況,而且對土壤中養(yǎng)分元素的有效性和供應(yīng)有著重要影響,常被作為土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)。不同森林類型由于其樹種生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)的不同,其林地土壤的水分物理效應(yīng)存在一定的差異。土壤是一種疏松多孔體,土層深厚的土壤有較強(qiáng)的存蓄、調(diào)節(jié)水分的功能,被形象地稱之為“土壤水庫”。由于受水資源短缺的影響,近年來土壤水分物理性質(zhì)的研究成為熱點(diǎn)問題。因此,研究不同類型林地土壤的水分物理性能,了解區(qū)域內(nèi)地帶性植被土壤水資源的變化規(guī)律,為植被恢復(fù)重建中造林、營林技術(shù)提供理論依據(jù)。武夷山風(fēng)景名勝區(qū)自1999年12月被列入“世界文化與自然遺產(chǎn)名錄”以來,有關(guān)武夷山風(fēng)景區(qū)的報道逐漸增多,但有關(guān)林地土壤水分物理特性的研究較少。本文以武夷山風(fēng)景區(qū)森林土壤為研究對象,探討不同林地土壤的水分物理及水庫容特征,對指導(dǎo)區(qū)域植被空間分布格局的合理調(diào)控有重要意義。1成土母巖的組成武夷山國家級風(fēng)景名勝區(qū)(117°35′—118°01′E,27°35′—27°43′N)地處福建省西北部,面積約7000hm2,屬低山丘陵地域,是典型的中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,冬季溫暖,夏季日溫偏高,年平均溫度18℃,無霜期270d,年降雨量2000mm,年平均相對濕度80%。大部分成土母巖由火山礫巖、紅砂巖和頁巖組成,表層多為灰紫色砂粒及礫塊,疏松而透水性強(qiáng),為沙質(zhì)礫土,土層淺薄,有機(jī)質(zhì)較貧乏,pH值為4.5～6.0。研究區(qū)主要的森林類型有次生的常綠闊葉林、馬尾松林(Pinusmassoniana)、杉木林(Cunninghamialanceolata)、針闊混交林、竹林(Phyllostachyspubescens)和灌木林等,面積約占整個風(fēng)景區(qū)面積的80%。2土壤水庫容及含水率的測定本研究以武夷山風(fēng)景區(qū)內(nèi)的常綠闊葉林、馬尾松林、杉木林、針闊混交林、竹林和灌木林6種不同類型林地土壤為研究對象,建立調(diào)查樣地(20m×20m)并進(jìn)行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡度、坡向、平均胸徑、平均樹高等指標(biāo)(見表1)。于2009年9—10月在上述的6種類型林地內(nèi)分別布設(shè)3塊樣地,在每塊樣地按S形設(shè)5個土壤取樣點(diǎn),按0—20,20—40,40—60cm分別取原狀土樣,同時用鋁盒取土,帶回室內(nèi)。用烘干法測定土壤含水量;用環(huán)刀法測定土壤的容重、孔隙度和持水性等水分物理性質(zhì)。采用下式計算出土壤的水庫容指標(biāo),即:Wt=10000×Cmax×ρ×hWs=10000×Cmin×ρ×hWa=Wt-Ws式中:Wt——土壤總庫容(t/hm2);Ws——儲水庫容(t/hm2);Wa——通透庫容(t/hm2);Cmax——飽和含水量(%);Cmin——田間持水量(%);ρ——土壤容重(g/cm3);h——土層厚度(m)。3結(jié)果與分析3.1土壤總孔隙度及非毛管孔隙結(jié)構(gòu)土壤容重是土壤松緊程度的一個敏感性指標(biāo),反映了土壤的孔隙狀況、透水性、通氣性、持水能力、入滲速率、溶質(zhì)遷移特征、根系生長的阻力狀況和土壤的抗侵蝕能力等。不同林分類型的土壤容重均隨土壤深度的增加而增大(圖1)。不同林分類型的土壤容重存在一定的差異,0—60cm土層,6種林地平均土壤容重為:杉木林>馬尾松林>灌木林>針闊混交林>竹林>常綠闊葉林,其大小分別為1.39,1.35,1.20,1.16,0.99,0.91g/cm3,杉木林是常綠闊葉林的1.53倍。產(chǎn)生差異的原因是不同林分類型的枯落物特性與儲量、土壤中根系分布及森林植被下生物群等不同所致。土壤的孔隙狀況是土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),其大小、數(shù)量及分配可以反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞。不同林地類型土壤總孔隙度、非毛管孔隙及毛管孔隙隨土層的增加而逐漸減小(表2)。在0—60cm土層,6種林地平均土壤總孔隙度為常綠闊葉林>竹林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為54.09%,52.93%,44.92%,42.72%,42.05%,31.82%,常綠闊葉林是杉木林的1.70倍。6種林地類型平均土壤非毛管孔隙度為常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林>竹林,其大小分別為13.22%,12.52%,11.19%,10.70%,6.50%,5.62%,常綠闊葉林是竹林的2.35倍。6種林地類型平均土壤毛管孔隙度為竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為47.31%,40.88%,32.40%,31.53%,31.35%,25.32%,竹林是杉木林的1.87倍。土壤的孔隙組成直接影響土壤中水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)及微生物的活性。研究發(fā)現(xiàn),土壤總孔隙度在50%左右,其中非毛管孔隙占1/5～2/5時土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)。本研究區(qū)內(nèi)除杉木林地土壤總孔隙度小于40%外,其它類型林地的土壤總孔隙度在50%左右波動,且非毛管孔隙占總孔隙的比例除竹林的約0.1外,其它類型林地的基本上大于0.2。說明研究區(qū)內(nèi)土壤的孔隙狀況整體上處于較好的水平。從土壤容重和孔隙度特性分析可知,常綠闊葉林、針闊混交林土壤特性好,有利于涵養(yǎng)水源。灌木林次之,馬尾松林和杉木林的相對較差。非毛管孔隙度反映了森林對降水水分疏通作用,它體現(xiàn)了林地調(diào)節(jié)洪水,蓄洪作用能力,是評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo),竹林土壤總孔隙度雖然較大,但非毛管孔隙度反而最小,在降雨量大的情況下,不利于水分的充分入滲而蓄積,因此竹林地土壤結(jié)構(gòu)不利于涵養(yǎng)水源。3.2林下土壤持水性能土壤的持水性是土壤對水分蓄集和保持的能力,研究土壤持水性的變化規(guī)律對于闡明土壤抗旱能力和增加“土壤水庫”庫容并對區(qū)域土壤侵蝕的潛在危險性評價具有重要意義。不同林地類型土壤的最大持水量、田間持水量、毛管持水量在60cm土層內(nèi)整體上隨土壤深度的增加而下降(見表3),這與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤動物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都隨深度而降低有關(guān)。不同林分類型由于其土壤孔隙度、有機(jī)質(zhì)和黏粒含量、團(tuán)聚體水穩(wěn)性能等的差異,導(dǎo)致不同林地類型的土壤持水性能存在差異。不同林地類型0—60cm土層平均土壤最大持水量與總孔隙度變化趨勢一致,為常綠闊葉林>竹林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為63.01%,53.52%,39.55%,38.91%,32.18%,24.16%,常綠闊葉林是杉木林的2.61倍。田間持水量和毛管持水量與毛管孔隙度的變化趨勢基本一致,田間持水量為竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為42.51%,42.00%,25.67%,25.27%,20.97%,14.38%,竹林是杉木林的2.96倍。毛管持水量為竹林>常綠闊葉林>灌木林>針闊混交林>馬尾松林>杉木林大小分別為47.83%,47.57%,28.65%,28.52%,23.95%,19.15%,竹林是杉木林的2.50倍。從土壤的持水性能來看,常綠闊葉林和竹林的土壤持水性能較好,針闊混交林和灌木林的次之,馬尾松林和杉木林的較差。3.3不同類型森林的土壤水管理特征3.3.1增加土壤水料土壤總庫容是土壤完全飽和時的總蓄水量,不同林地類型土壤的總庫容在60cm土層內(nèi)隨土壤深度的增加而下降(見表4)。這這主要是因?yàn)楸韺油寥烙捎谳^多有機(jī)物質(zhì)的歸還,結(jié)構(gòu)疏松多孔,含較多的有機(jī)親水膠體,可保蓄較多的土壤水分,使土壤水庫容較底土高。不同林地類型0—60cm土層土壤總庫容為常綠闊葉林>竹林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為3245.6,3175.6,2695,2563.4,2522.8,1909.4t/hm2,常綠闊葉林是杉木林的1.70倍。3.3.2不同林地類型土壤透水作用土壤總庫容又細(xì)分為通透庫容和儲水庫容。土壤貯水庫容是指保持土壤水分最大容量的庫容,由田間持水量計算而得,通透庫容由總庫容減貯水庫容所得。不同林分類型土壤的儲水庫容、通透庫容隨土壤深度的增加而呈減小的趨勢(見表4)。貯水庫容反映了田間實(shí)際情況下土壤能保持水分的最大容量,6種林地類型0—60cm土層土壤儲水庫容為竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,其大小分別為2522.99,2159.31,1742.30,1666.65,1742.30,1103.47t/hm2,竹林是杉木林的2.29倍。不同林地類型0—60cm土層土壤儲水庫容占總庫容的比例為竹林(79.49%)>常綠闊葉林(66.40%)>灌木林(64.97%)>馬尾松林(64.89%)>針闊混交林(64.33%)>杉木林(56.68%)。當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時,多余水分短時間地蓄存于土壤中,最終經(jīng)入滲補(bǔ)給地下水或蒸發(fā)消耗掉,因此通透庫容主要起滯蓄作用,對水分入滲、蒸發(fā)等性質(zhì)具有重要意義。0—60cm土層土壤通透庫容為常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林>竹林,其大小分別為1086.29,952.70,896.75,882.84,805.93,652.61t/hm2,常綠闊葉林是竹林的1.66倍。通透庫容反映了土壤的透水性,通透庫容大,土壤易接納較多的天然降水,是形成深層貯水的主要原因。不同林地類型0—60cm土層土壤通透庫容占總庫容的比例為杉木林(43.32%)>針闊混交林(35.67%)>馬尾松林(35.11%)灌木林(35.03%)>常綠闊葉林(33.60%)>竹林(20.51%)。研究區(qū)內(nèi)竹林土壤總庫容相對較大,但儲水庫容占總庫容的比例接近80%,土壤的通透性下降,不利于土壤的深層蓄水,而杉木林土壤儲水庫容占總庫容的比例相對較小,不利于土壤水分的保持。因此,研究土壤水庫庫容的大小和作用時,不能僅注重總庫容的大小,必須將土壤水庫的庫容分別進(jìn)行計算,將不同功能的庫容分開來才能說明問題。4林下表土壤條件(1)6種林型的土壤容重均隨土層深度的增加而增大,0—60cm土層土壤容重為杉木林(1.39g/cm3)>馬尾松林(1.35g/cm3)>灌木林(1.20g/cm3)>針闊混交林(1.16g/cm3)>竹林(0.99g/cm3)>常綠闊葉林(0.91g/cm3),杉木林的是常綠闊葉林的1.53倍。(2)不同林地土壤孔隙度和持水量隨土層深度的增加而減小,總孔隙度和最大持水量為常綠闊葉林>竹林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,常綠闊葉林分別是杉木林的1.70,2.61倍;非毛管孔隙度為常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林>竹林,常綠闊葉林是竹林的2.35倍;毛管孔隙度和田間持水量為竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>灌木林>馬尾松林>杉木林,竹林分別是杉木林的1.87和2.96倍;毛管持水量為竹林>常綠闊葉林>灌木林>針闊混交林>馬尾松林>杉木林,竹林是杉木林的2.50倍。(3)0—60cm土層土壤總庫容為常綠闊葉林(3245.6t/hm2)>竹林(3175.6t/hm2)>針闊混交林(2695t/hm2)>灌木林(2563.4t/hm2)>馬尾松林(2522.8t/hm2)>杉木林(1909.4t/hm2);土壤儲水庫容為竹林(2522.99t/hm2)>常綠闊葉林(2159.31t/hm2)>針闊混交林(1742.30t/hm2)>灌木林(1666.65t/hm2)>馬尾松林(1742.30t/hm2)>杉木林(1103.47t/hm2),土壤通透庫容為常綠闊葉林(1086.29t/hm2)>針闊混交林(952.70t/hm2)>灌木林(896.75t/hm2)>馬尾松林(