華南紅壤丘陵區(qū)不同坡位人工桉林土壤水分狀況及影響因子

華南紅壤丘陵區(qū)不同坡位人工桉林土壤水分狀況及影響因子

0土壤孔隙及水分含量變化[研究意義]土壤孔隙和含水量是土壤的物理特征之一。它們一起決定土壤中的空氣含量，影響土壤中各種變化過程和作物的生長（conavo等人，2011）。此外,由于可持續(xù)林業(yè)發(fā)展的需要,土壤孔隙和水分的變化已成為評價(jià)土壤質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo)和研究熱點(diǎn)(肖洪浪等,2007;易志軍等,2002)。因此,探討人工桉林地土壤孔隙度和水分變化的空間分布規(guī)律及引起變化的主導(dǎo)因子,可為我國華南紅壤丘陵區(qū)桉樹種植、林業(yè)生產(chǎn)的水分利用和保持提供參考依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,關(guān)于土壤孔隙和水分變化的研究主要集中在動(dòng)態(tài)變化分析(田風(fēng)霞等,2010;趙景波等,2012),且以針對同種植被不同耕作方式下和不同植被下土壤孔隙狀況和水分含量的研究較多(王兵等,2002;李紅等,2010;向志勇等,2010;張義等,2010)。研究結(jié)果表明,不同植被下的土壤孔隙和水分含量存在明顯差異,一般情況下,耕地和果園地>天然灌木林地>喬木林地>人工灌木林地。對于不同植被下土壤水分含量差異的原因探討,主要是歸因于植被類型,而針對不同林分間土壤水分含量差異特性及影響因子的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】同一氣候條件下的不同林地的土壤水分差異,是由于林分自身差異還是外界環(huán)境條件所引起目前尚無定論;此外,土壤孔隙和水分狀況作為評價(jià)土壤質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo),但二者是否與林分類型存在顯著關(guān)系,是否也能作為評價(jià)適合發(fā)展某種林木的參考指標(biāo)也有待進(jìn)一步探究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以華南典型的亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同林地土壤為研究對象,以天然林和松林為對照,探討人工桉林地土壤孔隙度和水分變化的空間分布規(guī)律及引起變化的主導(dǎo)因子,以期揭示在相同的氣候條件下土壤水分下降的本質(zhì),為我國華南紅壤丘陵區(qū)桉樹種植、林業(yè)生產(chǎn)的水分利用和保持提供參考依據(jù)。1材料和方法1.1低山地u2004年模式4研究區(qū)位于廣西柳州市鹿寨縣黃冕林場波寨分場(N24.755°~24.743°,E109.891°~109.911°),海拔180~380m,屬亞熱帶季風(fēng)地區(qū),年均氣溫23.3℃。該區(qū)地勢屬低山丘陵地帶,土壤為由砂巖殘積、坡積物發(fā)育而成的紅壤,土層淺薄,礫石或巖屑含量高。本研究中林分為第2代萌芽3年生人工桉林(簡稱桉林)、天然軟闊林(簡稱天然林)和20年生松木林(簡稱松林)林區(qū)分布見圖1。研究區(qū)內(nèi)林分調(diào)查樣地的基本情況如表1所示。1.2樣品的采集及預(yù)處理于2012年4月采集土壤樣品,先在同一坡面上按不同海拔高度平均劃分為坡下、坡中、坡上等3個(gè)坡位,對應(yīng)海拔分別為180~190、250~260和300~310m,進(jìn)行均勻布點(diǎn),再使用GPS確定好各采樣點(diǎn),采用GIS的坡向提取技術(shù)確定坡向。在3種不同林地內(nèi)按上、中、下3個(gè)坡位進(jìn)行網(wǎng)格取樣,同種林分在同一海拔高度按80~100m間距設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),作為3次重復(fù),利用GIS采集器(G3系列,北京合眾思壯科技股份有限公司)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定采樣點(diǎn),采樣時(shí)以定位點(diǎn)為圓心,在半徑為5m的圓周范圍內(nèi)均勻采集15個(gè)0~20cm的耕層土樣,混合后為該點(diǎn)土壤樣品,再兩份1kg樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,其中一份用于石礫含量、水分測定,另一份用于養(yǎng)分分析,共采集30個(gè)樣品。另外,在坡中挖掘3種林分的土壤剖面,按表土層(A)、淀積層(B)和母質(zhì)層(C)3個(gè)土壤發(fā)生層(本研究中,A:0~30cm、B:30~75cm、C:75cm以下)采集了18個(gè)土壤樣品,用于測定土壤水分和石礫(>2mm)含量。1.3林分郁閉度的測定土壤石礫、水分含量和容重測定采用環(huán)刀法和烘干法,以質(zhì)量百分率表示(黃昌勇和徐建明,2010)。郁閉度測量采用測線法(吳宇昕和楊鈞2010),在林內(nèi)選一有代表性地段,量取30m測線,沿線觀察各株數(shù)木的樹冠投影,量取其長度,測線上各樹冠投影長度總和與測線總長度之比,即為郁閉度值。每種林分重復(fù)測量9次,所得平均值即為該林分的喬木層郁閉度。林內(nèi)喬木層郁閉度和地面的落葉及灌草層覆蓋率的最大值作為林分總蓋度。以林區(qū)的土壤水分含量空間分布圖通過GIS軟件的克里格插值生成和展示,土壤水分等級劃分根據(jù)幾何間距法進(jìn)行分級,并計(jì)算出各級指標(biāo)范圍所占的面積,便于定量比較林分土壤水分空間差異及分布趨勢。1.4土壤水分影響因素的關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel2003進(jìn)行初步整理,并進(jìn)行方差分析,對于F檢驗(yàn)顯著的采用鄧肯式新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。采用SPSS18.0軟件對土壤水分與影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析,影響因子分為林分類型、海拔、林內(nèi)蓋度、坡位、坡向、石礫含量6個(gè)。其中林分類型、坡位、坡向3個(gè)定性因子需要進(jìn)行編碼處理(王信增等,2012),海拔、石礫含量和蓋度采用實(shí)測值。以1為天然林、2為松林,3為桉林;坡位以1為下坡、2為中坡、3為上坡;坡向以朝南為1、東南為2、北為3、西北為4;3種尺度編碼一致。2結(jié)果與分析2.1同一土層上不同林分間的生長和穩(wěn)定性從表2可以看出,土壤孔隙度在垂直剖面上由上往下呈遞減趨勢,各種林分土壤孔隙度在林分內(nèi)均存在不同程度差異性,但這種差異在同一土層上的3種林分間未達(dá)顯著水平(P>0.05,下同);而3種林分的孔隙度在整個(gè)剖面上存在顯著差異(P<0.05,下同),松林的孔隙度極顯著高于桉林和天然林(P<0.01,下同),桉林和天然林二者間的差異不顯著,桉林、天然林和松林的平均孔隙度分別為45.9%、41.4%和55.3%。2.2不同林分的土壤水分含量和空間分布特征2.2.1不同層次間的水分流動(dòng)3種林分土壤水分含量隨著剖面深度的增加而降低(表3)。從各層土壤水分差異性來看,層次間水分差異最小的為桉林,各層次間不存在顯著差異;松林的次之,天然林的變化較大。相同剖面層次不同林分的土壤水分差異各異,但總體上不同林分間的土壤水分含量差異不顯著,3層土壤水分含量的平均值分別為:桉林13.3%、天然林13.4%和松林15.3%。2.2.2坡下坡下土壤水分變化的特征從表4可知,從坡下到坡上,各林分平均土壤水分含量依次減少。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別降低0.1%、0.8%和0.6%;而桉林和天然林的坡上比坡中分別減少2.2%和1.1%,松林的相對持平。3種林分從坡下到坡上的土壤水分含量絕對相差值在2.5%以內(nèi),相對比較穩(wěn)定,只是不同林分的土壤水分含量在坡位上變化的程度有所差異,桉林、天然林和松林的變異系數(shù)分別為16.0%、10.8%和2.7%。從林分上看,不同林分的土壤水分含量在坡位上存在差異,桉林在不同位上的土壤水分含量均低于天然林和松林,且顯著低于松林。2.2.3天然林和桉林土壤水分從不同林分土壤水分含量的分布狀況可看出(圖2、表5),桉林的含水量主要集中在12.5%~18.0%,該含量分布面積占整個(gè)桉林試驗(yàn)區(qū)的97.5%;天然林的含水量為12.5%~15.0%、15.0%~18.0%、18.0%~20.0%和20.0%~22.0%的區(qū)域分別占研究區(qū)總天然林面積的9.1%、46.8%、23.3%和20.8%;松林的分布比較均勻,主要集中在18.0%~20.0%,占整個(gè)研究區(qū)松林總面積的95.7%。桉林土壤水分在空間上的分布隨著海拔的升高而降低;天然林的呈圓形的變化,從外圍向中心逐漸減小;松林的呈大塊狀分布。這3種林分在空間上的分布差異主要由地表蒸發(fā)引起,地表蒸發(fā)又直接與林地蓋度相關(guān)。試驗(yàn)區(qū)的桉林地表除兩個(gè)樣點(diǎn)有茂密的雜草覆蓋外,其他的均為裸地,桉林中60.3%面積的土壤水分含量低于15%;天然林有一部分地表有茂密的枝葉和樹冠覆蓋,一部分僅有濃密的樹冠覆蓋,有些有稀疏的陽光照射;松林地表大部分具有8cm厚的松針覆蓋,因此這兩種林分的表層土壤水分活動(dòng)受氣象因素的影響比桉林地的低得多,土壤水分蒸發(fā)較小;天然林和松林土壤含水率主要集中在15.0%~20.0%的原因可能是蓋度使得土壤水分含量保持較高水平且相對穩(wěn)定,從而減少了水分在空間上的分布差異。2.3不同林分類型對表層土壤水分的影響從上述的研究結(jié)果可知,不同林分A層土壤水分含量在數(shù)量上和空間格局上分布差異較大,這種差異主要與林內(nèi)的蓋度和林分類型相關(guān)(表6),3種林地土壤水分與蓋度存在極顯著或顯著的正相關(guān),均隨著蓋度的增加而增加;同時(shí),不同林分類型對于表層土壤水分也存在顯著影響,但比蓋度的影響程度稍小。此外,桉林與天然林的表層土壤水分與海拔和坡位呈負(fù)相關(guān),而松林的與之相反且相關(guān)系數(shù)較小;天然林土壤水分還與石礫含量呈顯著負(fù)相關(guān),而松林與石礫含量的相關(guān)系數(shù)值也是最小,說明覆蓋可以減少由海拔高度、坡位等地形因子及石礫含量等結(jié)構(gòu)因子引起的水分變化差異。在垂直剖面上,土壤水分含量與土壤總孔隙度存在顯著正相關(guān),與石礫含量存在負(fù)相關(guān),與林分類型的相關(guān)性較小(表6)。3討論3.1林下植被覆蓋度桉林下各層土壤孔隙度均明顯小于松林但高于天然林,并且3種林分下土壤總孔隙度均呈逐層降低的趨勢,但由上往下的變化特征存在差異,與林地和荒草坡地隨著土層深度的增加而明顯減小的特征相一致(李紅等,2010)。表層土壤總孔隙度受灌木層蓋度及林下覆蓋度的影響較大(王軼浩等,2012),同時(shí)還受林分枯落物返還土壤的程度影響(向志勇等,2010)。本研究區(qū)域內(nèi)天然林中土層的石礫含量平均為50.0%,大石礫比較多,林下植被較少,且由于天然林主要為常綠喬木,林下枯枝落葉較少。松林中的植被覆蓋度平均為40%,但其林下具有一層超過5cm厚的松針。松林土壤孔隙度最大的原因可能是松林下土壤表層有松針覆蓋,可有效防止降雨對地表的沖擊,使土壤能夠保持良好的結(jié)構(gòu);桉林土壤孔隙度相對較小的原因可能是受煉山和除草的影響,其蓋度小,表層土壤因降雨而流失;而天然林土壤所含石礫最多,但是否因此而影響到土壤孔隙狀況,尚有待深入研究,特別是對于林地石礫含量較多的土壤,該如何計(jì)算土壤孔隙度和分級才能更好地指示土壤物理特性也有待進(jìn)一步探討。3.2種林分土壤水分含量的空間分布桉林、天然林與松林的土壤水分含量均隨剖面深度的增加而減少,與武阿鋒和劉文(2009)、王云強(qiáng)等(2012)對林、草、農(nóng)地土壤水分垂直變化規(guī)律的研究結(jié)果相一致;但王兵等(2002)的研究結(jié)果表明,在荒漠化地區(qū)不同植被下土壤含水量從上層向下逐漸增大,可能與土壤的特性有關(guān)。本研究結(jié)果表明,桉林表層(0~20cm)土壤含水量與林內(nèi)冠層遮蔭度和林下枯落物蓋度有關(guān);且總體上不同林分間的土壤水分含量差異不顯著,土壤水分含量在剖面的分布與土壤特性也相關(guān)。桉林與天然林和松林的表層土壤水分含量隨著坡位上升而降低,且3種林分間存在明顯差異,桉林顯著低于松林的土壤水分含量,與姚雪玲等(2012)研究在300m海拔高度內(nèi),不同坡位土壤含水量的空間差異主要表現(xiàn)在不同植被類型之間,而不是坡位之間的結(jié)果一致。3種林分土壤水分含量在水平空間分布存在明顯差異,桉林的土壤水分含量最低且隨海拔上升而降低,天然林的居中,松林的最大且分布成大塊狀。由于土壤水分具有異質(zhì)性(張義等,2010),且受海拔、坡度、坡向、坡位、地貌類型、土地利用類型、土壤孔隙度等因素影響(田風(fēng)霞等2010)。桉林、天然林與松林3種林分在垂直分布上,土壤孔隙狀況是影響土壤水分的主控因子。不同林分表層土壤水分含量與林分類型和林內(nèi)的蓋度極顯著相關(guān),每種林分的土壤水分均與蓋度呈極顯著相關(guān),且相關(guān)程度比林分高,因此,蓋度是主導(dǎo)土壤水分變化的控制因子,但對于林分類型是否也是引起土壤水分變化差異的主控因子,或是因蓋度疊加效應(yīng)所產(chǎn)生。該試驗(yàn)區(qū)的土層淺薄(150cm),