縉云山水源涵養林保育土壤的功能

張向峰，王玉杰，王云琦，劉春霞，郭 平

（北京林業大學 水土保持學院，北京100083）

土壤不僅是人類賴以生存的物質基礎和寶貴財富，又是人類最早開發利用的生產資料［1］。植被保育土壤的生態服務功能主要是通過植被保護土壤和改良土壤兩個生態過程來實現。隨著人類社會的快速發展，土地資源不斷減少，土壤質量越來越差，土壤成為人們的研究對象，并得到越來越多人的重視。植物可以改變土壤特性，且對土壤的形成和發展影響很大，因而研究植物與土壤之間的關系意義重大。水源涵養林是具有特殊意義的水土保持防護林種之一，具有多種功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生態效益、經濟效益和社會效益，而且具有涵養保護水源，保育土壤等生態服務功能［2］。目前，關于縉云山水源涵養林保育土壤功能的研究甚少，且存在研究對象單一（單一林分）和調查數據少（建立在一次調查數據的研究）的問題。由于樹木生長的周期較長，因此憑1，2次調查數據來評價森林保育功能是很困難的，也不夠準確［3］。為了深入了解縉云山各種水源涵養林對土壤的保育功能，在趙洋毅等［4］的基礎上繼續進行了為期3a的調查研究，希望能更準確地研究縉云山典型水源涵養林功能，為該地區改良土壤和經營管理水源涵養林提供更準確的科學依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

縉云山位于重慶市北碚區嘉陵江溫塘峽江畔，占地面積76km2，海拔350～951m，地理坐標為東經106°17′—106°24′，北緯29°41′—29°52′。縉云山是國家級自然保護區，氣候溫和，雨量充沛，有森林1 300hm2余，生長著1 700多種亞熱帶植物。縉云山的土壤以三迭紀須家河組厚層石英砂巖、炭質頁巖和泥質砂巖為母質風化而成的酸性黃壤及水稻土，山麓地區為侏羅紀由紫色砂頁巖夾層上發育的中性或微石灰性的黃壤化紫色土。縉云山森林覆蓋率高，已達96．6%。保護區內有大面積的常綠闊葉林，有多種具代表性的生態系統，從一定程度上反映出了中亞熱帶森林生態系統的天然本底，是一個典型的亞熱帶常綠闊葉林的生態綜合體物種基因庫。縉云山物種多樣性豐富，有長江流域保存較好的典型的亞熱帶常綠闊葉林景觀和相對穩定的生態系統，保存了許多古老的分類上孤立的形態特殊的植物。

1．2 試驗區標準樣地設置

研究區位于縉云山國家級自然保護區內，根據已有的資料和林地的實際情況，選擇該區具有代表性的典型地段喬灌草完整的3種水源涵養林群落：針闊混交林、常綠闊葉林和竹林。在2009—2011年，對3種群落類型分別選取5種典型林分類型，每種典型林分選取4個標準樣地（20m×20m），使用羅盤儀和測繩，按照一般方法進行標準地的邊界測量，并且在各方形大樣地4個角分別設置1個小水泥樁，作為標識。

1．3 測定方法

以縉云山3種典型水源涵養林的土壤作為研究對象，分別對3種典型水源涵養林林地土壤進行了測定，測定的主要指標有土壤容重、土壤顆粒組成、土壤孔隙、土壤活性酸pH值、土壤有機質含量、土壤全量養分和土壤速效養分等。在每個標準小樣地中，均勻地取9點，分別挖取各點的土壤剖面，將土壤分為4層：Ⅰ（0—20cm），Ⅱ（20—40cm），Ⅲ（40—60cm），Ⅳ（60—100cm），按層采集土樣。把所有土樣分裝，然后帶回實驗室風干、研磨，每層3個重復。用土壤三相測量儀（DIK 1150）測定土壤的容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；使用pH—213臺式酸度離子計測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀—外加熱法測定有機質；采用半微量凱氏法測定土壤全氮，采用堿熔—鉬銻抗比色法測定土壤全磷；采用堿融—火焰光度計法測定土壤全鉀；采用堿解擴散法測定土壤速效氮；采用NH4F—HCI浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；采用CH3COONH4浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀。

1．4 數據處理

試驗取得的數據運用 Excel 2003和SPSS 18．0進行處理。

2 結果與討論

2．1 林地土壤物理特性

2．1．1 土壤容重及孔隙 土壤容重是表征土壤質量的一個重要參數，其大小受土壤機械組成、結構、質地、有機質含量、植被類型以及人為等影響。

由表1可以看出，各林地土壤容重之間存在差異，不同層次的土壤容重也存在差異，且土壤容重隨土層深度的增加而增大。各林地土壤容重在Ⅰ，Ⅱ層的差異性比較明顯，在Ⅲ，Ⅳ層的差異性不明顯，說明植被對上層土壤容重影響比下層土壤影響大，這主要是因為下層土壤緊實度比較高，植物根系不易到達。由表2可以看出，各林地土壤容重均比較大，其中竹林林地土壤容重最大，為1．45g／cm3，表明竹林林地土壤相對較緊實，土壤孔隙相對較少；針闊混交林林地土壤容重最小，為1．31g／cm3，說明針闊混交林林地土壤相對較疏松，孔隙相對較大。土壤容重從小到大的順序依次為：針闊混交林＜常綠闊葉林＜竹林，其中竹林群落的土壤容重相對較大，這主要是因為竹林群落物種單一，人為活動較多，林分密度很大等。

土壤的孔隙可以為植物提供水和空氣，包括毛管和非毛管孔隙。一般來說土壤中大小孔隙同時存在，總孔隙度約在50%，其中非毛管孔隙占1／5～2／5為好，這種情況下土壤的通透性比較協調［5］。從表1—2可以看出，竹林群落、針闊混交林群落通透性要比常綠闊葉林要好，各林地和各層土壤總孔隙度差異不大，但均不高；各林地和各層土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度之間的差異比較明顯，說明不同植被類型對毛管、非毛管孔隙具有一定的影響。土壤總孔隙度從大到小依為：是針闊混交林＞常綠闊葉林＞竹林。一般來講，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多；反之，則表明土壤比較緊實，結構性差，孔隙少［6］。從表1—2也可以看出，各林地基本符合此規律。

表1 縉云山水源林典型林地不同層次土壤容重和孔隙度

表2 縉云山水源林典型林地土壤平均容重及孔隙度

2．1．2 土壤顆粒組成 土壤是由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結所形成的多孔介質，固體組分的大小、數量、形狀及其結合方式決定著土壤的質地與結構，進而影響土壤的水分和理化性質［7］。從表3可以看出，各林地不同層次土壤顆粒組成差異比較明顯，土壤第Ⅰ層基本為砂質黏壤土，從第Ⅱ層開始出現壤質黏土且開始逐漸增多，表層土壤較粗且比較疏松，下層土壤比較細、黏度大且比較致密。土壤顆粒組成中砂粒所占的比例最大，不同層次土壤砂粒、粉粒和黏粒差異性明顯。樣地土壤質地可分為4類，分別為砂質壤土、砂質黏壤土、黏壤土和壤質黏土，主要是以壤土和壤質黏土為主。不同樣地的土壤中，均表現為砂粒含量差別最大，粉粒含量差別最小。

表3 縉云山水源林典型林地不同層次土壤顆粒組成和土壤質地

土壤顆粒機械組成是土壤最基本的物理屬性之一，土壤質地砂粒化程度是反映土壤質量的重要指標［8］。一般情況，人們常用黏粒含量作為土壤定量評價的主要指標，因此，根據各樣地土壤黏粒含量從大到小依次為：竹林＞常綠闊葉林＞針闊混交林。

2．2 林地土壤化學特性

2．2．1 土壤活性酸 土壤活性酸是林地土壤化學特性的重要指標，影響著林地土壤養分的有效性［9］。土壤酸堿度對土壤中養分存在的形態和有效性，對土壤的理化性質、微生物活動以及植物生長發育都有很大的影響［10］。由表4可以看出，縉云山水源涵養林林地土壤pH值差異性不明顯，基本在4．0左右，但上層土壤酸性要比下層強，這主要是因為研究地區受酸雨危害比較嚴重，降雨比較充沛，表層土壤受酸雨淋溶的影響，植被對土壤pH值的調節不是很明顯。另外，土壤pH值的大小與殘落物分解不完全和降雨量的大小有密切的關系。

縉云山地區年降雨量較大，這是導致該地區土壤pH值較低的原因之一；闊葉林殘落物較多，不容易分解，這也導致了闊葉林地土壤pH值相對較低，所以，可以從這兩方面來考慮營造水源涵養林，以提高該地區土壤pH值，改善土壤質量。

表4 縉云山典型水源林地各層土壤養分指標均值

2．2．2 土壤有機質含量 土壤有機質是指存在于土壤中的所有含碳的有機物，盡管土壤有機質只占土壤總重量的很小部分，但它在土壤肥力、環境保護等方面有著重要的作用和意義。土壤有機質是土壤的重要組成部分，也是土壤質量指標中最重要的指標之一［11－12］。由表4可以看出，各林地第Ⅰ層土壤有機質含量明顯高于其他3層，各層之間差異性非常明顯（p＜0．05），且隨著土壤深度的增加而逐漸降低，這主要是因為森林土壤中的有機質主要來源于森林植被凋落物的分解和淋溶。根據全國土壤養分含量分級標準《第二次全國土壤普查技術規程》，可以得出針闊混交林、闊葉林樣地土壤有機質含量為中等水平（20～30g／kg），竹林樣地土壤有機質含量為缺（6～10g／kg），說明在土壤有機質的積累方面，針闊混交林表現較好，竹林群落有機質含量總體較低，表現較差。

2．3 林地土壤養分特性

2．3．1 土壤全量養分 氮、磷、鉀是目前公認的絕大多數植物必需元素，是植物需要的大量元素，所以氮、磷和鉀就成為評定土壤養分好壞的3個重要的指標［13］。

由表4可以看出，各林地不同層次土壤全氮、全磷、全鉀含量不同，其中闊葉林林地含量最高，竹林含量最低，且各林地土壤全氮含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低。根據全國土壤養分含量分級標準，闊葉林林地土壤全氮含量水平屬于中等（1．0～1．5g／kg），竹林樣地土壤全氮含量水平屬于稍缺（0．75～1．0g／kg），針闊混交林樣地土壤全氮含量水平屬于缺（0．5～0．75g／kg）；闊葉林和竹林樣地土壤全磷含量水平屬于缺（0．2～0．4g／kg），針闊混交林為極缺（＜0．2g／kg）；竹林、闊葉林林地土壤全氮含量水平屬于缺，針闊混交林屬于稍缺。

土壤中全氮、全磷、全鉀含量的高低可以反映土壤總體供氮能力的大小，其主要受氣候、植被、土壤質地、地形、地勢和栽培管理等因素影響。由表4可以看出，闊葉林林地土壤總體供氮能力最好，竹林樣地土壤總體供氮能力最差。總體來說，縉云山典型水源涵養林土壤全氮、磷、鉀養分含量比較低，各林分間含量不同，其中闊葉林含量相對要高于其他林分。

2．3．2 土壤速效養分 土壤速效氮、磷、鉀含量的高低，直接關系到土壤結構的好壞，土壤供肥能力的強弱［14］。由表4可以看出，各樣地不同層次的土壤速效養分差異性明顯，且隨著土壤深度的增加而降低，其中第I表層土壤速效養分明顯高于其他3層。根據全國土壤養分含量分級標準，3種水源涵養林土壤速效氮均屬于稍缺（60～90mg／kg）；土壤速效磷均基本小于5mg／kg，屬于缺或極缺；各林地土壤速效鉀含量均小于50mg／kg，屬于缺或極缺。

由以上分析可以看出，縉云山典型水源林地土壤速效養分含量非常低，尤其是速效P養分。對于這種土壤速效養分嚴重缺乏的情況，可以通過改良土壤酸化和補充氮磷鉀等措施來達到提高速效養分水平的目的。

3 典型水源林保育土壤功能評價

林地土壤物理特征和化學特征的定性和定量分析結果顯示，根據單指法很難判定出縉云山各水源涵養林保育土壤的好壞。目前，對林地土壤質量或健康評價的方法很多，本文采用多層次模糊評價法來判定各水源涵養林保育土壤的好壞。

3．1 原理和方法

（1）確定評判對象的因素集并將因素集按某種屬性分成n個子集，記作X1，X2，…，Xn，滿足：

設每個子集

（3）若xi中各因素的權重分配為ai＝（ai1，ai2，…，aini），這里∑n i＝1aij＝1，那么第一級綜合評判為：b＝ai×Ri＝（bi1，bi2，…，bim），（i＝1，2，…，s）

（4）將每個xi作為一個元素看待，用b1作為它的單因素評判，這樣R＝（b1，b1，…bi）T＝（bij）s×m（T表示轉置），是｛x1，x2，…，xs｝的單因素評判矩陣，每個xi作為X中的一部分反映了X的某種屬性。根據它們的權重分配a＝（a1，a2，…，as），于是有第二級綜合評判b＝a×R＝（b1，b1，…，bm）。

（5）根據最大隸屬法則，選取b中最大者為在同時考慮多種因素時土壤質量的評判等級。

3．2 綜合評判

模糊綜合評判的合成運算有若干種方法，各種方法有各自的特點和適用情形，常用的算法是主要因素決定型和加權平均型。采用加權平均決定型，b．M（．，）模型，其運算公式為：

（1）對各評價指標值進行標準化；（2）通過因子分析確定各評價指標的權重；（3）通過加權法計算各林分所有評價指標的累計得分。

根據縉云山水源涵養林土壤特性、評價指標篩選原則，選取毛管孔隙度、非毛管孔隙度、容重、黏粒含量、pH值、有機質、全效養分、速效養分為評價指標。將土壤評判因素集劃分為3個子集，土壤物理因素＝（毛管孔隙度，非毛管孔隙度，容重，黏粒含量），化學因素＝（pH值），養分因素＝（有機質，全效養分，速效養分）。土壤各因素對其質量的影響是不同的，因此需要進行權重的分配，通過統計方法確定各因素的權重，各因素權重如表5所示。

表5 典型水源涵養林保養土壤功能評價因素權重

根據上述評判原理方法，可以得出各水源涵養林地林地綜合得分大小依次為：針闊混交林（0．42）＞常綠闊葉林（0．39）＞竹林（0．32），說明各水源涵養林林地的保育土壤功能存差異，其中，針闊混交林的保育土壤功能最好，竹林最差。

4 結 論

（1）縉云山典型水源林地土壤容重有一定的差異，但各林地土壤容重均比較高，其中竹林群落容重相對較高，其大小順序為：針闊混交林＜常綠闊葉林＜竹林；土壤總孔隙度差異不大，土壤孔隙性一般，其大小順序依次為：針闊混交林＞常綠闊葉林＞竹林；土壤質地中砂粒含量比粉粒和黏粒要高。總的來說，不同植被類型對土壤物理性質影響不同，對土壤質量的影響也不同，但對比前人的研究結果，土壤物理性質變化不大，但有下降的趨勢。

（2）縉云山典型水源林地土壤呈強酸性（pH值均在4左右），且土壤有機質含量多數處于稍缺或缺的狀況，少數處于中等水平。土壤pH值大小順序依次為：竹林＞針闊混交林＞常綠闊葉林，但各樣地之間差異不明顯；對于土壤有機質含量來說，各樣地之間差異性比較明顯；在土壤有機質積累方面，針闊混交林相對較好，而竹林群落相對較差。

（3）縉云山水源林地土壤全量養分含量較低，各林地間存在差異，其中針闊混交林、常綠闊葉林含量相對要高一點，其供氮能力要好一些；土壤速效養分含量低，基本屬于稍缺或缺，土壤速效磷和土壤速效鉀含量均屬于稍缺或缺。

（4）縉云山水源涵養林林地的保育土壤功能存在差異，其中針闊混交林水源林的土壤生態功能最好，常綠闊葉型水源林次之，以竹林總體相對較差，這與前人研究結果一致。

總的來說，對比分析前人研究結果，縉云山水源涵養林土壤質量稍微有下降的趨勢，雖然不是很明顯（p＞0．05），但當地政府也應該加強對縉云山水源涵養林的管理，適當的增加針闊混交林，改善土壤質量，盡早控制這種趨勢。

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