海南保梅嶺自然保護區(qū)不同類型林分土壤水文特性分析

陳素靈，方發(fā)之，吳鐘親，桂慧穎，王靈

1.海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)，海南海口571100；2.海南省尖峰嶺森林發(fā)展有限公司，海南樂東572500

土壤是SPAC（土壤—植被—大氣連續(xù)體）系統(tǒng)的重要組成部分，是大氣降水的主要蓄存庫、調(diào)節(jié)器和植被生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是森林發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的主要場所[1-2]。研究表明森林水源涵養(yǎng)能力是森林植被和土壤共同作用的結(jié)果，其大小與植被類型和蓋度、林地枯落物組成和現(xiàn)存量、土層厚度和土壤物理性質(zhì)等密切相關(guān)[3]。土壤物理性質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)狀況、養(yǎng)分狀況、貯水性能、蓄水能力及滲透能力的綜合反映，直接影響到土壤中的水分運輸方式及途徑，決定土壤層水文生態(tài)功能的強弱[4]。不同森林植被類型由于生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)不同，各林分調(diào)節(jié)物質(zhì)周轉(zhuǎn)與養(yǎng)分歸還方式存在差異，導(dǎo)致林下土壤孔隙數(shù)量和大小組成不同，進而影響土壤水動態(tài)儲蓄的有效空間，表現(xiàn)為土壤的貯蓄水能力及潛力大小不一[5-7]。不同植被類型下的土壤水文生態(tài)特性能反映植被對當(dāng)?shù)赝寥览砘再|(zhì)、蓄水保水能力及水源涵養(yǎng)功能的影響。因此，開展特定區(qū)域下林分林下土壤水文特性研究，將對恢復(fù)該區(qū)域森林涵養(yǎng)水源功能具有一定的指導(dǎo)意義。保梅玲自然保護區(qū)內(nèi)分布著海南西部現(xiàn)存較好、人為干擾程度較低的低海拔熱帶天然林，距離昌江縣城僅3km，在當(dāng)?shù)厮帘３帧⒑B(yǎng)水源及生態(tài)環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮重要作用。文章通過研究保護區(qū)內(nèi)不同類型林分土壤水文特性，比對分析各林分土壤貯水及蓄水能力，研究結(jié)果可為科學(xué)評價各林分水源涵養(yǎng)功能及其土壤生態(tài)功能、科學(xué)恢復(fù)及重建植被等提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南西部的保梅嶺省級自然保護區(qū)（19°23′25″N～19°29′87″N，109°03′56″E～109°10′59″E），地處昌江縣與白沙縣交界處，總面積3844.3hm2。保梅嶺自然保護區(qū)蘊含豐富的熱帶動植物資源，現(xiàn)保存的森林是目前海南西部保存較好的低海拔熱帶天然林，保護區(qū)內(nèi)天然分布蘇鐵（Cycas revolutaThunb.）和降香黃檀（Dalbergia odoriferaT.Chen）等國家一級保護植物，以及油丹（Alseodaphne hainanensisMerr.）等國家二級重點保護野生植物。保護區(qū)內(nèi)屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫24.9℃，年平均降水量1777.4mm[8]。區(qū)域內(nèi)土壤類型主要為磚紅壤和赤紅壤，植被類型包括熱帶濕潤雨林、天然次生林及人工林[9]。

1.2 研究方法

經(jīng)實地踏查和查閱保護區(qū)森林資源分布圖，在保護區(qū)內(nèi)選擇保存完好、立地條件相近的5種典型人工林林分（加勒比松林、楓香林、杧果林、橡膠林和桉樹林）和天然次生林為研究對象，分別設(shè)置研究樣地，各樣地基本特征見表1。每種林分內(nèi)分別布設(shè)3個坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的20m×20m標(biāo)準(zhǔn)樣地。各樣地采用蛇形5點取樣法布設(shè)5個1m×1m樣方，挖掘樣方土壤剖面，按0cm＜～≤20cm、20cm＜～≤40cm、40cm＜～≤60cm分層用環(huán)刀(100cm3)采集樣方各層原狀土。采用烘干法測定土壤含水量；采用環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和蓄水量、毛管蓄水量、土壤通氣度等物理—水分性質(zhì)[10]。

表1 樣地概況Tab.1 General Situation of Sample Plot

1.3 數(shù)據(jù)計算及分析

土壤水分不同貯水量按下列公式計算：

式中：Wc為土壤水分吸持貯水量，Wt為土壤水分飽和貯水量，Wnc為土壤水分滯留貯水量；Pc為毛管孔隙度（%），Pt為總孔隙度（%），Pnc為非毛管孔隙度（%）；h為土層深度（m）[11]。

試驗數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析采用Excel2010和SPSS20.0，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（SSR）分別檢驗不同類型林分、不同土壤層次下土壤各物理—水分指標(biāo)間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度

不同類型林分土壤容重、孔隙度及含水量變化如表2所示。由表2可知，不同林分土壤容重均隨著土壤深度的增加而增大，但同一林分不同土壤層次間的容重差異未達(dá)到顯著水平。0cm＜～≤20cm、20cm＜～≤40cm和40cm＜～≤60cm土層土壤容重均以加勒比松林最大，天然次生林最小。不同林分土壤容重表現(xiàn)為加勒比松林最大，天然次生林最小，依次為：加勒比松林＞桉樹林＞杧果林＞橡膠林＞楓香林＞天然次生林。

孔隙度方面，不同類型林分土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度隨土層深度加深的變化規(guī)律不同。除楓香林外，其余林分土壤毛管孔隙度均隨土層深度加深而減小。0cm＜～≤20cm和20cm＜～≤40cm土層土壤毛管孔隙度均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤毛管孔隙度以楓香林最大，桉樹林最小。不同林分土壤毛管孔隙度表現(xiàn)為天然次生林最大，加勒比松林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞桉樹林＞加勒比松林。

非毛管孔隙度土層變化在各類型林分表現(xiàn)不同，天然次生林和楓香林非毛管孔隙度隨土層加深而增大；橡膠林、杧果林和桉樹林則隨土層加深呈先降后升的變化趨勢，加勒比松林反之，呈先升后降的變化趨勢。0cm＜～≤20cm土層土壤非毛管孔隙度以桉樹林最大，天然次生林最小；20cm＜～≤40cm和40cm＜～≤60cm土層土壤非毛管孔隙度均以桉樹林最大，杧果林最小。不同林分土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為桉樹林最大，杧果林最小，依次為：桉樹林＞加勒比松林＞天然次生林＞橡膠林＞楓香林＞杧果林。

除楓香林和天然次生林外，其余林分土壤總孔隙均隨土層加深而減小，楓香林則呈先降后升的變化趨勢，天然次生林反之。0cm＜～≤20cm和20cm＜～≤40cm土層土壤總孔隙度均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤總孔隙度以天然次生林最大，桉樹林最小。不同林分土壤總孔隙度表現(xiàn)為天然次生林最大，加勒比松林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞桉樹林＞加勒比松林。

不同類型林分土壤含水量均隨土壤深度的增加而顯著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土層土壤含水量以楓香林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm土層土壤含水量均以桉樹林最大，楓香林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤含水量以橡膠林最大，加勒比松林最小。不同林分土壤含水量表現(xiàn)為桉樹林最大，加勒比松林最小，依次為：桉樹林＞橡膠林＞楓香林＞杧果林＞天然次生林＞加勒比松林。

表2 不同類型林分土壤物理指標(biāo)Tab.2 Soil Physical Indexes of Different Forest Types

2.2 土壤貯水能力

不同類型林分林下土壤貯水能力如表3所示。由表3可知，不同類型林分林下土壤飽和貯水量均隨土壤深度的增加而顯著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm及20cm＜～≤40cm土層土壤飽和貯水量均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤飽和貯水量以天然次生林最大，天然林最小。不同林分土壤飽和貯水量表現(xiàn)為天然次生林最大，加勒比松林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞桉樹林＞加勒比松林。

不同類型林分土壤吸持貯水量均隨土壤深度的增加而顯著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm及20cm＜～≤40cm土層土壤吸持貯水量均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤吸持貯水量以楓香林最大，加勒比松林最小。不同林分土壤吸持貯水量表現(xiàn)為天然次生林最大，加勒比松林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞桉樹林＞加勒比松林。

不同類型林分土壤滯留貯水量均隨土壤深度的增加而增大，其中天然次生林、橡膠林、杧果林達(dá)顯著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土層土壤滯留貯水量以楓香林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm土層土壤滯留貯水量以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土層土壤滯留貯水量以楓香林最大，天然林最小。不同林分土壤滯留貯水量表現(xiàn)為天然次生林最大，加勒比松林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞桉樹林＞加勒比松林。

2.3 土壤蓄水能力

不同類型林分林下土壤蓄水能力如表3所示。由表3可知，不同類型林分土壤涵蓄降水量均隨土壤深度的增加而增大，除桉樹林外均達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土層土壤涵蓄降水量以天然次生林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm及40cm＜～≤60cm土層土壤涵蓄降水量均以天然次生林最大，桉樹林最小。不同林分土壤涵蓄降水量表現(xiàn)為天然次生林最大，桉樹林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞加勒比松林＞桉樹林。

不同類型林分土壤有效涵蓄量均隨土壤深度增加而增大。除桉樹林外均達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土層土壤有效涵蓄量以天然次生林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm及40cm＜～≤60cm土層土壤有效涵蓄量均以天然次生林最大，桉樹林最小。不同林分土壤有效涵蓄量表現(xiàn)為天然次生林最大，桉樹林最小，依次為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞加勒比松林＞桉樹林。

表3 不同類型林分土壤貯水及蓄水能力Tab.3 Soil Water Holding Capacity and Water Storage Capacity of Different Forest Types

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）各類型林分土壤容重、飽和貯水量、吸持貯水量、滯留貯水量、含水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均隨著土壤深度的增加而增大，其中飽和貯水量、吸持貯水量和含水量達(dá)顯著水平（p＜0.05）。孔隙度方面，不同類型林分土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度隨土層深度加深的變化規(guī)律不同。

（2）綜合對比不同類型林分的各項土壤水文特征，天然次生林林下土壤容重小于其他林分，且在毛管孔隙度、貯水能力、蓄水能力方面均優(yōu)于人工純林林分，其土壤通氣透水性及貯蓄和調(diào)節(jié)水分的能力較好，有利于吸收降雨、涵養(yǎng)水源。因此在山地造林時，應(yīng)采取多樹種混交的造林方式，更有利于發(fā)揮林分保持水土、涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能。

3.2 討論

土壤容重大小反映了森林植被對土壤物理性質(zhì)的改善程度，土壤容重和孔隙度直接影響到土壤的保水蓄水能力、通氣性能、水分有效利用、植物生長發(fā)育情況等[12]。研究表明土壤容重越小，孔隙度越大，表明土壤發(fā)育良好，利于水分的保持與滲透[13]。該研究發(fā)現(xiàn)不同林分土壤容重均隨著土壤深度的增加而增大，表明隨土層加深土壤越緊實，表層土壤較下層土壤疏松可能與林地表層枯落物腐爛分解后腐殖質(zhì)的增加及林木根系、土壤生物活動有關(guān)。綜合對比各類型林分土壤容重及孔隙度平均值發(fā)現(xiàn)，天然次生林土壤容重顯著低于其他林分，且毛管孔隙度及總孔隙度顯著高于其他林分；反之，加勒比松林土壤容重顯著高于其他林分，毛管孔隙度和總毛管孔隙均小于其他林分。表明天然次生林林下土壤具有疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)，通氣性和透水性較其他林分突出，既有利于其上植被的生長發(fā)育，又有較為良好的水源涵養(yǎng)功能。加勒比松林下土壤通氣性及透水性較其他林分差可能與海拔有關(guān)，何方永等[14]對岷江冷杉原始林土壤物理性質(zhì)的海拔梯度變化研究中也發(fā)現(xiàn)，非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度等與土層深度和海拔呈負(fù)相關(guān)，而土壤密度與土層深度及海拔呈正相關(guān)關(guān)系。

土壤貯水量是評價植被水源涵養(yǎng)功能的重要水文指標(biāo)，可分為吸持貯水量和滯留貯水量。吸持貯水量為毛管孔隙貯存水，主要反映植物吸持水分供其自身正常生理活動所需的有效水分；滯留貯水量為非毛管孔隙貯存水，其大小反映森林涵養(yǎng)水源功能的強弱[15-16]。從水土保持的角度看，吸持貯存與滯留貯存都具有減少地表徑流和防止土壤侵蝕的功能；而從水源涵養(yǎng)的角度看，只有滯留貯存的水分才具有通過徑流(壤中流或地下徑流)補充給江河和地下水的功能[17]。該研究表明，不同類型林分林下土壤飽和貯水量、吸持貯水量、滯留貯水量均隨土壤深度的增加而增大，其中各林分飽和貯水量、吸持貯水量變化達(dá)顯著水平（p＜0.05）。各類型林分林下土壤貯水能力中，以天然次生林最佳，楓香林次之，加勒比松林最差。結(jié)果與上文對各林分土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)的研究結(jié)果一致，表明林分土壤貯水量大小與土壤容重、孔隙度等密切相關(guān)，王夢軍等[18]、張雷燕等[19]的研究結(jié)果也表明土壤貯水能力主要受土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、土壤有機質(zhì)、土壤顆粒組成等的影響。

周擇福[20]的研究表明土壤蓄水性能與土壤前期含水量有關(guān)，當(dāng)土壤含水量較充足時土壤蓄水量減小，即使降雨量較小也會產(chǎn)生地表徑流。將土壤飽和貯水量與土壤含水量之差作為衡量土壤涵蓄降水量的指標(biāo)。該研究發(fā)現(xiàn)，不同林分土壤涵蓄降水量大小表現(xiàn)為：天然次生林＞楓香林＞橡膠林＞杧果林＞加勒比松林＞桉樹林。吸持貯水量與土壤含水量之差為可供植物利用的潛在土壤有效蓄水，稱為有效涵蓄量，有效涵蓄量大，有利于減少地表徑流，減少降水的無效損失和表土流失[21]。不同林分土壤有效涵蓄量變化與涵蓄降水量一致。表明天然次生林林下土壤在水分入滲、涵蓄降雨能力及供給植物有效性水分等方面均優(yōu)于人工純林。