雷公山自然保護區森林土壤的持水性能及其海拔響應

姜霞　吳鵬　郭金鵬　崔迎春　謝濤

摘要：以貴州雷公山國家級自然保護區不同海拔的森林土壤為研究對象，通過對不同海拔和土層森林土壤持水性能的測定分析，研究土壤持水性能的垂直地帶性。結果表明，（1）在0～80 cm土層，不同海拔森林土壤的容重為 0.489 0～1.242 0 g/cm3，且隨著土壤深度的增加而增大，土壤表層容重的變化幅度大于深層土壤;隨著海拔的升高，土壤容重呈波狀下降趨勢。（2）在0～80 cm土層，不同海拔森林土壤的總孔隙度為52%～75%，毛管孔隙度為 44%～65%，非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度整體上隨著土壤深度的增加而減小，非毛管孔隙度在不同土層的變化規律不明顯;隨著海拔的升高，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈波狀上升的趨勢。（3）在0～80 cm 土層，不同海拔森林土壤的最大持水量為42%～154%，土壤毛管持水量為39%～126%，土壤最小持水量為35%～114%，土壤貯水能力為74.7～265.3 t/hm2;土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量整體上隨著土壤深度的增加而減小，土壤的貯水能力在不同土層的變化規律不明顯;隨著海拔升高，土壤的貯水能力、土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量呈波狀上升趨勢。

關鍵詞：持水性能;土壤物理性質;海拔;雷公山

中圖分類號： S718.51+6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0273-05

森林土壤是森林植被生長發育的重要載體，其土壤性質受海拔、母質和植被條件等多種因素的影響[1]，特別是山地土壤的差異體現在隨海拔梯度變化引起的溫度、濕度、植被類型、土壤類型等要素的顯著改變[2]。土壤水分的物理性質是影響林木生長發育的重要因素，是反映土壤肥力的重要指標，會直接或間接影響土壤的通氣透水、蓄水抗旱、保肥性能和養分轉化，是土壤生態環境研究的重要內容，也是評價土壤質量的重要指標，對林木的生長有較大影響[3]。土壤的持水性能主要取決于土壤孔隙的數量和大小組成，它們決定著土壤動態蓄水的有效空間。有關森林土壤持水性能的研究，主要在不同森林類型[4-5]、不同利用方式之間進行比較[6-7]，而關于土壤的持水性能對海拔的響應的研究較少。

海拔是較為重要的山地地形因子之一，由于海拔不同，氣候特征、林分類型和土壤類型發生改變，影響土壤成土因素，導致土壤持水性能在不同海拔范圍內具有明顯差異[8-9]。隨海拔梯度增加，氣候變得濕冷，土壤的水熱條件和植被均發生變化，所以山地土壤的分布和形成過程與海拔的變化有密切關系[10]。雷公山位于貴州省東南部，正處于長江水系與珠江水系極為明顯的分水嶺高地，森林植物區系豐富，地帶性植被屬中亞熱帶東部偏濕性常綠闊葉林，而雷公山山體高大，最高峰海拔為2 178.8 m，相對高差在1 500 m以上，植被有明顯的垂直分布規律，隨著海拔的升高，植被類型分別為以栲、木蓮為主的常綠闊葉林，以水青岡、長梗木蓮為主的山地常綠落葉闊葉混交林，以櫻、白辛樹為主的落葉闊葉林，以杜鵑、箭竹為主的灌叢[11]，適于開展土壤持水性能垂直地帶性研究。目前，對雷公山的研究主要集中在外來植物[12]、常綠落葉闊葉混交林碳素積累[13]等方面。為此，本研究分析了雷公山不同海拔的土壤持水性能，探討其土壤層次分布規律和隨海拔梯度的變化規律，有助于合理利用森林，提高土壤的保水通氣能力，從而為系統闡明森林土壤的生態功能與特征，并為雷公山生態保護與利用提供參考依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

雷公山國家級自然保護區地處貴州省東南部，地跨 108°5′～108°24′E，26°15′～26°32′N，總面積為47 792 hm2，雷公山是貴州苗嶺山脈東段主峰，最高峰海拔為2 178.8 m，屬于中亞熱帶季風山地濕潤氣候區，具有冬無嚴寒、夏無酷暑、雨量充沛的氣候特點，年平均氣溫直降率為0.46 ℃/100 m，年均降水量為1 300～1 600 mm，森林覆蓋率為88.79%。最冷月（1月）山頂、山麓的平均氣溫分別為-0.8、4～6 ℃，最熱月（7月）山頂、山麓的平均氣溫分別為17.6、23.0～25.5 ℃，山頂、山麓的年平均溫度分別為9.2、14.7～16.3 ℃，年降水量在 1 300～1 600 mm之間。雷公山森林植物區系豐富，共有 1 390 種，分屬于273科679屬，常綠落葉闊葉混交林中落葉樹種以水青岡（Fagus longipetiolata）、亮葉水青岡（Fagus lucida）、多脈青岡（Cyclobalanopsis multinervis）、白辛樹（Pterostyrax psilophyllus）等為主，常綠樹種以栲（Castanopsis fargesii）、石櫟（Lithocarpus glaber）、木蓮（Manglietia fordiana）、木荷（Schima superba）等為主。林下灌木主要有狹葉方竹（Chimonobambusa angustifolia）、柃木（Eurya japonica）、圓錐繡球（Hydrangea paniculata）等。林下草本有樓梯草（Elatostema umbellatum）、矮冷水花（Pilea peploides）、禾本科（Poaceae）、莎草科（Cyperaceae）、菊科（Asteraceae）及蕨類（Pteridophyta）植物等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與調查 本研究于2015年10月在全面踏查的基礎上，在不同海拔選擇林相相對整齊、立地條件相對一致的代表性地段設置了10塊樣地，樣地面積為20 m×30 m。為了減少樣地間的空間異質性，在每個梯度上選擇坡向、坡度及小地形類似的樣地。在每個樣地的對角線上設置3個 5 m×5 m的灌木小樣方、3個1 m×1 m草本和枯落物層小樣方，調查樣地內喬木樹種（胸徑≥2 cm）的種類、胸徑和樹高，以及灌、草種類與蓋度等，樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集及處理 分別在各樣地內隨機按“品”字形挖掘3個土壤剖面，共計30個。按土壤發生層次，采用體積為100 cm3的環刀（高5 cm，直徑5 cm）分別取0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層的原狀土樣，用環刀法測定土壤容重和孔隙度等物理指標，并計算土壤的最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤貯水量。

1.2.3 數據處理 用SPSS 18.0統計軟件進行單因素方差分析（ANOVA），以檢驗不同海拔土壤物理性質的差異顯著性，用Duncans法進行多重比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 海拔對土壤容重的影響

土壤容重是土壤最基本的物理性質指標之一，綜合反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力。由圖1可知，沿海拔梯度變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區森林的土壤容重為0.489 0～1.242 0 g/cm3;在不同海拔梯度上，土壤容重在0～80 cm土層隨著海拔的增加呈波狀下降趨勢，0～80 cm土層最大值出現在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均容重為 1.043 8 g/cm3，最小值出現在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均容重為0.663 6 g/cm3。不同海拔的森林土壤容重呈現這種變化趨勢，可能由于海拔為2 170 m的高山灌叢下枯枝落葉層較厚，人為干擾較少，從而有效改善了土壤容重。由圖1可知，同一土層的土壤容重在部分海拔間有明顯差異，且土壤容重隨著土壤深度的增加而增大，表現為0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm，4個土層在不同海拔下的土壤容重分別為0.48～0.89、0.57～0.95、0.74～1.23、0.77～1.24 g/cm3，且0～20 cm到20～40 cm土層的土壤容重增加幅度最大，為19.2%，隨著土層的加深，土壤容重增加幅度變化不大，60～80 cm土層的土壤容重較40～60 cm土層的增加幅度為10.7%。

2.2 海拔對孔隙度狀況的影響

2.2.1 海拔對土壤總孔隙度的影響 由圖2可知，沿海拔梯度變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區森林土壤總孔隙度為52%～75%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢，最大值基本出現在海拔為2 170 m的高山灌叢下，土壤平均總孔隙度為69.7%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均總孔隙度為56.3%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤總孔隙度是海拔為700 m的常綠闊葉林的1.24倍。

由圖2還可以看出，在不同海拔梯度上，雷公山自然保護區土壤總孔隙度在同一土層差異明顯，不同海拔的土壤總孔隙度整體上隨著土壤深度的增加而減小，與土壤容重的變化趨勢相反， 表現為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～

80 cm。4個土層在不同海拔下的土壤總孔隙度分別為 58%～75%、58%～74%、55%～70%、52%～60%。

2.2.2 海拔對土壤毛管孔隙度的影響 由圖3可知，隨海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區森林土壤的毛管孔隙度為44%～65%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。最大值在為海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均毛管孔隙度為61.5%;最小值在海拔為850 m的常綠闊葉林，土壤平均毛管孔隙度為50.2%;海拔為2 170 m的高山灌叢的土壤毛管孔隙度是海拔為850 m的常綠闊葉林的1.22倍。由圖3還可看出，在不同海拔梯度上，雷公山自然保護區土壤毛管孔隙度在同一土層差異明顯，除海拔為 2 170、2 000、1 800、1 400、700 m的土壤毛管孔隙度隨著土壤深度的增加呈先上升后下降的趨勢外，其他海拔下的土壤毛管孔隙度隨土壤深度的增加變化趨勢不一致。

2.2.3 海拔對土壤非毛管孔隙度的影響 由圖4可知，隨著海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區森林土壤非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，隨著海拔的升高呈波動上升趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均非毛管孔隙度為8.3%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均非毛管孔隙度為3.9%。從土層變化上看，土壤非毛管孔隙度無明顯變化規律。

2.3 海拔對土壤持水特征的影響

由圖5可以看出，隨著海拔梯度的變化，0～80 cm土層雷公山國家級自然保護區的森林土壤最大持水量為42%～154%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤的平均最大持水量為114%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤的平均最大持水量為58%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤的最大持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的195倍。0～80 cm土壤毛管持水量為39%～126%，隨著海拔的升高呈波動上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均毛管持水量為99%;0～80 cm 土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均毛管持水量為53%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤毛管持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的1.86倍。0～80 cm土壤最小持水量為35%～114%，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在為海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均最小持水量為92%;0～80 cm土層最小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均最小持水量為45%;海拔為2 170 m的高山灌叢土壤最小持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的2.02倍。在0～80 cm土層，雷公山國家級自然保護區森林土壤的貯水能力（t/hm2）為74.7～265.3 t/hm2，隨著海拔的升高呈波狀上升的趨勢。0～80 cm土層最大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤貯水能力為 165.3 t/hm2;0～80 cm土層最小值在海拔為1 000 m的針闊混交林，土壤貯水能力為97.0 t/hm2;海拔為2 170 m的高山灌叢的土壤最小持水量是海拔為850 m的常綠闊葉林的170倍。

從土壤剖面看，雷公山自然保護區在不同海拔梯度上的最大持水量、毛管持水量和最小持水量在同一土層差異明顯，不同海拔的森林土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均隨著土層深度的增加而降低。在不同海拔梯度上，土壤貯水能力在同一土層差異明顯，但土壤貯水能力在不同土層間的變化規律不明顯。

2.4 土壤持水性能與物理性質的相關性

土壤的物理指標包括土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等，它們均會影響土壤的持水性能。將土壤主要物理指標與持水性能進行簡單的相關分析（表2），可以看出，土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量和貯水能力都與土壤容重呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.887、-0.884、-0.861、-0.572。貯水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙狀況，土壤非毛管孔隙度越大，土壤的貯水能力越好，土壤的持水能力越強。

3 結論與討論

隨著海拔梯度的變化， 雷公山國家級自然保護區森林土壤的持水性能的變化差異明顯。由于受到多種因素的影響，不同海拔梯度下的土壤容重、孔隙度、持水量等都表現出比較復雜的變化。土壤容重不僅是土壤物理性質最重要的指標之一，也是土壤緊實度的敏感性指標。土壤容重愈小，表明土壤疏松，孔隙多，土壤的透水性和通氣性較好;反之，土壤容重愈大，則表明土壤板結，空隙少[14-15]。雷公山國家級自然保護區不同海拔下的森林土壤容重為0.489 0～1.242 0 g/cm3，隨著土壤深度的增加而增大，表層土壤容重的變化幅度大于深層土壤，這與前人的研究結果[4]相似。推測其原因，可能是受土壤表層凋落物的影響，有機質也主要集中在表層。隨著海拔的升高，雷公山森林土壤容重呈波狀下降趨勢。最大值出現在海拔為700 m的常綠闊葉林，土壤平均容重為 1.043 8 g/cm3;最小值出現在海拔為2 170 m的高山灌叢，土壤平均容重為0.663 6 g/cm3。說明隨著海拔的增加，土壤通氣透水性有所改善，這主要由于隨著海拔升高，溫度逐漸降低，構成植被的植物種類闊葉類成分減少，針葉類成分增多，使得凋落物的持水性降低。

林地涵養水源、調節地表徑流的作用主要取決于土壤的孔隙結構、質地，也取決于孔隙度的大小和性質[16]。土壤孔隙度大小、數量及分配是土壤物理性質的基礎，與持水性都是表征土壤肥力的重要指標，對林木根系伸展、物質轉化、土壤排水、通氣等都會產生直接影響[17]。雷公山國家級自然保護區不同海拔下的森林土壤總孔隙度為52%～75%，毛管孔隙度為44%～65%，非毛管孔隙度為3.9%～13.1%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度整體上隨著土壤深度增加而減小，但非毛管孔隙度無明顯的變化規律;隨著海拔升高，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈波狀上升趨勢。總孔隙度較大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，平均為69.7%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林，平均為56.3%。毛管孔隙度較大值在海拔為2 170 m的高山灌叢，平均為61.5%;較小值在海拔為850 m的常綠闊葉林，平均為50.2%。較大值在海拔為 2 170 m 的高山灌叢的土壤平均非毛管孔隙度為8.3%;較小值在海拔為700 m的常綠闊葉林的土壤平均非毛管孔隙度為3.9%。在不同海拔下，雷公山國家級自然保護區森林土壤孔隙度與容重呈極顯著負相關關系，相關系數為-0.741～-0.572，即容重越大，土壤的毛管孔隙度越小，土壤越緊實，透氣性越差，土壤水分、養分運輸速率越低，土壤微生物活動較少。

土壤孔隙度越大，意味著土壤潛在涵養水源的能力越強，非毛管孔隙對土壤的水分涵養能力貢獻較大[18]。雷公山國家級自然保護區不同海拔森林土壤最大持水量為42%～154%，土壤毛管持水量為39%～126%，土壤最小持水量為35%～114%，土壤貯水能力為74.7～265.3 t/hm2;土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量整體上隨著土壤深度增加而減小，土壤貯水能力在不同土層的變化規律不明顯。隨著海拔的升高，土壤貯水能力、土壤最大持水量、毛管持水量及最小持水量呈波動上升趨勢，較大值在海拔為2 170 m的高山灌叢。這與田月亮等對浙江省鳳陽山在海拔為300～1 355 m 范圍內土壤持水性能的研究結果[19]一致，都是隨著海拔升高，土壤容重平均值逐漸減小，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤貯水量平均值均增大。此外研究表明，高海拔地區土壤中樹根、半風化巖石和動物活動等造成的非毛管孔隙較多，蓄水能力較強。

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