第 42 卷第 1 期 2014 年 2 月 贵 州 林 业 科 技 Guizhou Forestry Science and Technology Vol. 42，No. 1 Feb. ，2014 南江峡谷不同森林类型土壤理化指标对比研究 姜霞张佐玉 * 许才万 ( 贵州省林业科学研究院，贵阳 550005) 摘要:通过对南江峡谷不同部位不同森林类型土壤理化指标对比研究，结果表明:( 1)南江峡谷喀斯特 森林不同部位土壤密度呈底部 ＞ 中部 ＞ 顶部的趋势，总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度以及土壤最大持水 量和毛管持水量的变化趋势与密度的变化趋势相反。有机质量、阳离子交换量、全氮量、全钾量以及水解氮量、 有效磷量和速效钾量呈底部 ＜ 中部 ＜ 顶部的，全磷量在峡谷中部的森林土壤最低。峡谷底部至顶部土壤综合质 量指数呈递增趋势;( 2)峡谷顶部喀斯特森林土壤密度低于非喀斯特森林土壤，总孔隙度、毛管孔隙度和非毛 管孔隙度以及土壤最大持水量和毛管持水量的变化呈喀斯特森林土壤高于非喀斯特森林土壤。全氮量、全磷量、 全钾量、水解氮量和速效钾量高于非喀斯特森林，有机质量、阳离子量和有效磷量低于非喀斯特森林，土壤综 合质量指数呈喀斯特森林高于非喀斯特森林。 关键词:南江峡谷;森林类型;土壤理化 中图分类号:S714. 2文献标识码:B Comparison Study on Soil Physical － Chemical Properties of Different Forest Types in Nanjiang Canyon JIANG XiaZHANG Zuo － yu*XU Cai － wan ( Guizhou Academy of Forestry，GuiYang，Guizhou 550005) Abstract:In this study，physical － chemical properties of the soils in different forest types in Nanjiang Canyon were compared and analyzed. The results were as follows:1)the change trend of soil density in different positions in Nanjiang Canyon was in the order of bottom ＞ middle ＞ top;the change trend of total porosity，capillary porosity， non － capillary porosity，maximum water － holding capacity，and capillary water － holding capacity were contrary to the trend of density;the trend of organic matter，cation exchange capacity，total N，total K，available N，available K，and available P were in order of bottom ＜ middle ＜ top，while the total P in the middle part was the lowest;the soil quality index was increasing from the bottom to the top; 2)the soil density of karst forest was lower than that of non － karst; the total porosity， capillary porosity， non － capillary porosity， maximum water － holding capacity， capil- lary water － holding capacity，the total N，total P，total K，available N，and available K in karst forest were higher than that of non － karst，while the content of organic matter，cation exchange capacity，available P of karst forest 收稿日期:2013 －10 －12 作者简介:姜霞 ( 1981 ～ ) ，女，重庆人，助理研究员，硕士，主要从事造林生态、森林生态学研究。E － mail:
[email protected] qq. com * 通讯作者:张佐玉 ( 1964 ～ ) ，女，高级工程师，从事理化测试。E － mail:
[email protected] qq. com 基金项目:贵州省科学技术基金 ［ 黔科合 J 字 ［ 2009］ 2083 号］ ;贵州省高层次人才科研条件特助经费项目 ［合同编号:TZJF －2008 年 －17 号］ ;贵州省科技厅创新能力建设项目 ( 编号:黔科合院所创能 ［ 2009］ 4002) 贵州林业科技42 卷 were lower than that of non － karst. The comprehensive soil quality index of the karst forest was higher than that of non － karst. Key words:Nanjiang canyon;forest types;soil physical － chemical properties 喀斯特峡谷 ［1 ］是贵州高原上常见的一种负地 貌，由喀斯特地质基础形成。成因有喀斯特地貌抬 升、河流下切，或喀斯特地下暗河扩张、崩塌而成 河谷，或二者兼有之。其谷坡陡直、深切呈 “V” 或 “U”型，冲积物和阶地不发育。由于这种特殊 地质营力的作用，母岩层出露和成土时间是高原面 早于谷底，在峡谷的 “V”或 “U”型壁上还形成 了一个成土时间序列。在谷底因重力作用形成的土 壤物质堆积和水流作用形成的土壤物质淤积也影响 土壤的发育，造成峡谷底部不同段位上土壤质量的 差异。由土壤、地形和水热条件所影响的森林类型 在喀斯特峡谷也表现出一定的趋异性。长期以来， 我们对森林和森林土壤的研究，大多建立在一个较 大尺度的正地貌上，忽略了中、小尺度的负地貌， 特别是喀斯特峡谷天然林和天然林土壤的变化规 律，造成了这方面研究与应用的空白。本文以南江 峡谷为例，比较了不同部位天然林土壤理化指标的 差异，以期为该地区土壤资源的可持续利用提供科 学依据。 1研究区概况 研究在贵州喀斯特森林生态站 ( CFEＲN)开阳 试验区进行。南江峡谷 ［2 ］长 18km，宽度 4 ～ 50m、 一般 15 ～25m，相对高差 100 ～ 220m。峡谷位于贵 州省中部、贵阳市开阳县境内，海拔变幅 506. 5 ～ 1702m，属中亚热带季风性温润气候。年平均气温 10. 8℃ ～ 15. 7℃，年降雨量为 962. 5 ～ 1419. 5 mm， ≥100C 的年积温为 1562. 7℃ ～ 2278. 2℃，日照时 数为 898. 1 ～1084. 8h，无霜期有 224 ～295d。生物 多样性丰富，有维管束植物 414 种，分别隶属于 275 属 116 科;鸟类 122 种，隶属于 36 科 14 目; 兽类 36 种，隶属于 15 科 8 目。在河谷两侧及斜坡 上有原生性较强的喀斯特常绿和落叶阔叶混交林， 包括冬 青 ( Ilex Purpurea) 、小 叶 朴 ( Celtis bun- geana) 、黄杞 ( Engelhardtia roxburghiana) 、银木荷 ( Schima argentea) 、鹅耳枥 ( Carpinus kweichowen- sis)和青冈 ( Quercus acutissima)等物种，周期性 淹没的河漫滩和河流两岸水边有窄叶蚊母树 ( Di- stylium dunnianum) 、长柄竹叶榕 ( Ficus stenophylla var. macropodocarpa) 、河滩冬青 ( I.Metabaptista) 及以二翅六道木 ( Abelia macroptera)为主的河滩灌 丛，峡谷顶部的高原面上则主要是以马尾松 ( Pi- nus massoniana)和白杨 ( Populus yunnanensis)为 优势种的次生针阔混交林以及少量原生性喀斯特常 绿和落叶阔叶混交林 ( 表 1) 。 表 1南江峡谷不同森林类型特征指标变化表 森林类型 地貌林分结构生物量/T·hm2 部位 海拔 ( m) 平均胸径 ( cm) 平均高度 ( m) 密度 ( 株·hm2) 郁闭度乔木层总量 冬青 － 小叶朴林 ( a)底部8258. 076. 44 10000. 9543. 6946. 37 黄杞 － 银木荷林 ( b)中部9318. 896. 82 17750. 9073. 7575. 66 鹅耳枥 － 青冈林 ( c)顶部124012. 2710. 13 14440. 90217. 19224. 33 马尾松 － 白杨林 ( d)顶部100010. 348. 50 10010. 7045. 1948. 45 注:样地面积 20m ×20m。 南江峡谷于上世纪 80 年代中期开发为旅游景 区，森林植被得到较好保护。其中鹅耳枥 － 青冈林 属少数民族村寨风水林，保护效果尤其明显。从峡 谷底部至顶部，林分平均胸径增长，生物量增大， 郁闭度降低。同为峡谷顶部，村寨风水林的平均胸 径、密度、生物量和郁闭度高于一般次生林。 2研究方法 在南江峡谷不同部位所选的森林类型内，建立 典型样地。在每个样地选择有代表性的土壤调查地 段，挖取土壤剖面，记录剖面特征，按土壤发生层 提取土壤环刀 1 个，土样 0. 5kg 左右带回室内分 41 1 期 姜霞等:南江峡谷不同森林类型土壤理化指标对比研究 析。 土壤样品经风干，去除根系、石块后磨细过 筛，备用。土壤相关指标测定执行 《森林土壤分析 方法》 ［3 ］。 3结果与分析 3. 1不同部位不同类型森林土壤剖面与物理指标 变化 由峡谷底部到顶部 ( 表 2) ，喀斯特森林 ( a、 b 和 c)类型土壤 A0层、A 层和土层 ( A0+ A + B) 厚度呈降低，B 层厚度呈升高趋势。根量在土壤 A 层减小、B 层增加，石砾量在 A 层增加、B 层降 低。同相应喀斯特森林类型的平均胸径、密度和生 物量变化趋势相异 ( 表 1) 。同属峡谷顶部的不同 森林土壤中，非喀斯特森林 ( d)土壤 A0层、A 层、B 层和土层 ( A0+ A + B)厚度，以及石砾量 高于喀斯特森林 ( c) ，但林分平均胸径、密度和生 物量的变化趋势相反。不同森林类型土壤剖面与物 理指标呈 A 层 ＞ B 层趋势的指标有根量、土壤最大 持水量和毛管持水量，石砾量呈 B 层 ＞ A 层趋势， 土层厚度在峡谷底部和中部呈 A 层 ＞ B 层、在峡谷 顶部呈 A 层 ＜ B 层趋势。 表 2南江峡谷不同森林类型土壤剖面及部分物理指标变化表 类型 土层厚度 ( cm)根量 ( %) 石砾量 ( %) A 层持水量 ( g·kg－1) B 层持水量 ( g·kg－1) A0AB 总值ABAB最大值毛管值最大值毛管值 底部 ( a)34020 637010010191. 98161. 55116. 98101. 63 中部 ( b)43020 547020020575. 46572. 35407. 36329. 53 顶部 ( c)1822 31503022826. 93749. 07820. 13699. 79 顶部 ( d)21644 6250301020361. 64302. 90235. 22228. 77 注:为便于石灰土 ( a、b、c)和山地黄壤 ( d)比较，仅取土壤 A0层、A 层和 B 层值。 表 3南江峡谷不同森林类型土壤部分物理指标变化表 类型层次 颗粒组成 ( g·kg －1) 石粒砂粒粉砂粒粘粒 密度 ( g·cm －3) 孔隙度 ( %) 总值毛管非毛管 底部 ( a)A413. 83 140. 35247. 68198. 141. 30655. 6751. 703. 98 B368. 74149. 13306. 44175. 691. 36452. 3650. 272. 09 中部 ( b)A0 64. 99670. 86261. 151. 13960. 3351. 468. 87 B313. 8118. 44389. 18278. 571. 24150. 3149. 830. 48 顶部 ( c)A117. 15 75. 32439. 33368. 200. 89074. 1762. 6511. 52 B125. 2648. 02438. 41388. 310. 95762. 6255. 696. 93 顶部 ( d)A152. 22 31. 72591. 96224. 101. 19763. 0055. 977. 03 B03. 71650. 56345. 731. 26456. 1155. 290. 82 注:石粒、砂粒、粉砂粒和粘粒的径级分别为 ＞2mm、0. 05 ～2mm、0. 002 ～0. 05mm 和 ＜0. 002mm。 不同喀斯特森林类型土壤石粒量 ( 表 3)呈底 部 ＞ 中部 ＞ 顶部的趋势，峡谷顶部非喀斯特森林土 壤 ＞ 喀斯特森林土壤。由底部至顶部，喀斯特森林 土壤质地在 A 层由粘土、砂壤土至粘壤土，在 B 层 由壤质粘土至粘壤土。峡谷顶部土壤在非喀斯特森 林为砂壤，在喀斯特森林为粘壤土。土壤密度呈底 部 ＞ 中部 ＞ 顶部的趋势，总孔隙度、毛管孔隙度和 非毛管孔隙度，以及土壤最大持水量和毛管持水量 的变化趋势相异。峡谷顶部喀斯特森林土壤密度低 于非喀斯特森林土壤，总孔隙度、毛管孔隙度和非 毛管孔隙度，以及土壤最大持水量和毛管持水量的 变化趋势相异。不同森林类型土壤密度呈 A 层 ＜ B 层，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈 A 层 ＞ B 层的趋势。 3. 2不同类型森林土壤化学指标变化 分析表明 ( 表 4) ，呈底部 ＜ 中部 ＜ 顶部的森 林土壤化学指标有有机质量、阳离子交换量、全氮 量、全钾量以及水解氮量、有效磷量和速效钾量， 全磷量在峡谷中部的森林土壤最低。峡谷顶部森林 中，喀斯特森林土壤的全氮量、全磷量、全钾量、 水解氮量和速效钾量高于非喀斯特森林，有机质 量、阳离子量和有效磷量低于非喀斯特森林。除土 壤全钾量外，不同森林类型土壤化学指标均呈 A 层 ＞ B 层的趋势。 51 贵州林业科技42 卷 表 4南江峡谷不同森林类型土壤化学指标变化表 类型层次 有机质量 ( g·kg －1) 阳离子量 ( cmol·kg －1) 全氮量 ( g·kg －1) 全磷量 ( g·kg －1) 全钾量 ( g·kg －1) 水解氮量 ( mg·kg －1) 有效磷量 ( mg·kg －1) 速效钾量 ( mg·kg －1) 底部 ( a)A28. 47 10. 611. 110. 6420. 6583. 601. 1477. 47 B20. 009. 751. 060. 6020. 8172. 770. 5561. 46 中部 ( b)A55. 46 15. 901. 830. 2020. 85161. 313. 23106. 04 B17. 7112. 110. 650. 1222. 4371. 011. 1270. 20 顶部 ( c)A113. 77 33. 675. 500. 7524. 02388. 403. 19260. 32 B73. 8628. 833. 610. 6123. 44324. 071. 57141. 28 顶部 ( d)A133. 89 37. 044. 580. 701. 82379. 994. 1391. 16 B67. 145. 422. 280. 601. 82229. 432. 3841. 59 3. 3不同类型森林土壤综合质量评价 不同类型森林土壤综合质量评价包括土壤容量 ( 土层厚度、根量和石砾量) 、组成 ( 石粒量、砂 粒、粉砂粒、粘粒和密度) 、蓄水 ( 总孔隙度、毛 管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量和毛管持水 量) 、养分 ( 有机质量、全氮量、全磷量和全钾量) 及养分有效性 ( 阳离子交换量、水解氮量、有效磷 量和速效钾量)5 个方面，土壤综合质量指数 ［4 ］计 算: Xi= Σ n i =1 Σ m j =1 xij－ xjmin xjmax－ xjmin 其中 i 为土壤质量指标的方面，i = 1，2，3， …n;j 为土壤质量 i 方面的 j 指标，j =1，2，3，… m;xij为土壤质量 i 方面的 j 指标值，xijmax和 xijmin为 土壤质量 i 方面的 j 指标的最大值和最小值。 分析表明 ( 表 5) ，由峡谷底部至顶部，A 层 土壤容量降低、B 层土壤容量增加，A 和 B 层土壤 组成、土壤蓄水、土壤养分和养分有效性指数增 加，其中峡谷中部土壤养分指数最低。土壤综合质 量指数在峡谷底部和中部呈 A 层 ＞ B 层、顶部呈 A 层 ＜ B 层，由峡谷底部至顶部呈递增趋势。峡谷顶 部喀斯特森林土壤蓄水、土壤养分和养分有效性高 于非喀斯特森林，土壤容量指数低于非喀斯特森 林，土壤组成指数的趋势性不明显;土壤综合质量 指数呈喀斯特森林高于非喀斯特森林。 表 5南江峡谷不同类型森林土壤质量综合评价表 类型层次土壤容量指数土壤组成指数土壤蓄水指数土壤养分指数养分有效性指数综合质量指数 底部 ( a)A0. 6667 0. 40000. 00430. 41200. 00000. 2966 B0. 14810. 40000. 09820. 50930. 09780. 2507 中部 ( b)A0. 5625 0. 54490. 44070. 31930. 32760. 4390 B0. 50000. 52510. 15880. 23830. 22110. 3287 顶部 ( c)A0. 0667 0. 57251. 00000. 95230. 88950. 6962 B0. 36110. 59441. 00001. 00000. 88930. 7690 顶部 ( d)A0. 4167 0. 58560. 34230. 67490. 76180. 5563 B1. 00000. 48920. 36730. 60260. 40650. 5731 4讨论 土壤是在气候、植被、地形、母质等因子综合 作用下形成的，并随着植被演替的进行总是在不断 地发生变化。在一定程度上，植物群落的进展演替 过程也是土壤养分不断积累、物理性能不断改善的 过程 ［5 ］。由于植被类型及其所处立地环境条件不 同，因此地上植被与地下土壤相互作用过程具有复 杂性。 4. 1峡谷不同部位石灰土质量演替规律 森林类型不同，导致地表凋落物储量及其构 成、树木根系生长发育和凋落物分解速率等均存在 一定差异，从而造成不同林分土壤理化性质的不 同 ［6 ］。本研究中的不同部位喀斯特森林类型土壤石 粒量呈底部 ＞ 中部 ＞ 顶部的趋势，由底部至顶部， 喀斯特森林土壤质地在 A 层由粘土、砂壤土至粘壤 土，在 B 层由壤质粘土至粘壤土。土壤密度呈底部 ＞ 中部 ＞ 顶部的趋势，总孔隙度、毛管孔隙度和非 61 1 期 姜霞等:南江峡谷不同森林类型土壤理化指标对比研究 毛管孔隙度以及土壤最大持水量和毛管持水量的变 化趋势相异。密度从峡谷底部到顶部不断减少，孔 隙度明显变大，通透性能不断增强。究其原因，主 要是土壤有机质含量不同所致，这与魏强对甘肃兴 隆山森林演替过程中的土壤理化性质的研究结果一 致 ［7 ］。土壤渗透性是反映森林土壤水源涵养、理水 调洪功能的重要指标，峡谷顶部土壤透水性较好， 而底部土壤透水性较差，地表容易产生径流，森林 水土保持和水源涵养功能较差。产生上述结果的原 因是土壤非毛管孔隙度不同所致，因非毛管孔隙度 是反映土壤理水调洪能力大小的一项重要指标 ［8 ］。 土壤最大持水量和毛管持水量以顶部最大，底部最 小，表明顶部土壤贮水保水能力大于底部。不同部 位喀斯特峡谷有机质量、阳离子交换量、全氮量、 全钾量以及水解氮量、有效磷量和速效钾量呈底部 ＜ 中部 ＜ 顶部，全磷量在峡谷中部的森林土壤最 低，峡谷底部至顶部土壤综合质量指数呈递增趋 势，说明峡谷顶部土壤质量较好。 4. 2峡谷顶部石灰土和黄壤同相近地区土壤质量 的比较 土壤有机质是评价土壤肥力的一项重要指标， 与多种土壤养分相关，同时对土壤持水供水能力、 孔隙度和团聚度等物理性质有重要的影响［9 ］。南江 峡谷高原面是由石灰土和第四纪粘土覆盖形成的黄 壤交错分布，本研究中南江峡谷顶部土壤有机质在 67. 14 ～ 133. 89g·kg －1，平均为 97. 16g·kg－1，其 结果比吴鹏等 ［10 ］对习水自然保护区土壤平均有机 质的含量 74. 83g·kg －1 和张承等 ［11 ］对修文县猕猴 桃果园土壤平均有机质的含量 46. 53g·kg －1高，但 比吴鹏等 ［12 ］对纳雍珙桐自然保护区森林土壤平均 有机质的含量 115. 89g·kg －1 低。决定土壤有机质 的重要因子是森林凋落物与凋落物的分解能力，本 研究中南江峡谷顶部土壤有机质平均为 97. 16g· kg －1，有机质含量较高，主要是由于天然林森林凋 落物长期积累而形成的结果。 4. 3峡谷森林土壤利用建议 南江峡谷于上世纪 80 年代中期开发为旅游景 区，开发较晚，森林植被得到较好保护，在改良森 林土壤的物理特性，提高土壤的贮水能力，丰富土 壤有机质含量，增强和维护土壤质量等方面都具有 较显著的生态功能。但人为活动频繁，使峡谷底部 原生性森林植被遭受到不同程度的干扰与破坏，导 致了不同程度水土流失现象的产生。因此，要采取 有效措施，保护原始的森林植被环境。同时，在次 生林恢复的过程中，要有意识地保护林内凋落物， 增加其林地土壤有机质的含量，从而使得土壤朝着 正向发展，使整个峡谷立地质量得到改善。 参考文献 ［ 1］ 肖鸿林，邹成杰 . 喀斯特峡谷成因及数学模型研 究 － 以猫跳河、六冲河为例 . ［J］. 中国岩溶，16 ( 2) : 105 ～112. ［ 2］ 余天虹 . 南江峡谷生态公园植物区系概况 ［J］ . 贵州师范大学学报 ( 自然科学版) ，2001，( 2) ; ［ 3］ 国家林业局．森林土壤分析方法 ( LY/T1210 － 1275 －1999)［ S］ . 北京:中国标准出版社，1999. ［ 4］ Zhang xi，Lian bin，Yin jie，etc. Study on influences of different land use types on soil qualities in plateau karst de- pression ［J］ Agricultural Science and technology，11 ( 2) : 173 ～178，182. ［ 5］ 康冰，刘世荣，蔡道雄，卢立华，何日明，高妍 夏，迪玮峙． 南亚热带不同植被恢复模式下土壤理化性质 ［ J］ ． 应用生态学报，2010，21 (10): 2479 ～2486. ［ 6］ 李德生，张萍，张水龙，尹建道，鲁法典．黄前 库区森林土壤蓄水能力研究 ［ J］ ． 南京林业大学学报:自然 科学版，2004，28 (1): 25 ～27． ［ 7］ 魏强，凌雷，柴春山，张广忠，闫沛斌，陶继新， 薛睿． 甘肃兴隆山森林演替过程中的土壤理化性质 ［J］ . 生态学报， 2012，32 (15): 4700 ～4713． ［ 8］ 何东进，洪伟，胡海清，等 . 武夷山风景区森林 景观土壤物理性质异质性及其分形特征 ［J］ . 林业科学， 2005，41 ( 5) :175 ～179. ［ 9］ 庞学勇、刘庆、 刘世全. 川西亚高山云杉人工林土 壤质量性状演变 ［J］ . 生态学报，2004，24 ( 2) :261 ～ 267. ［ 10］ 吴鹏、朱军、陈骏，等 . 贵州习水国家级自然保 护区森林土壤理化性状研究 ［J］ . 贵州林业科技 . 2011， 39 ( 3) :1 ～9. ［ 11］ 张承、周开拓、龙友华 . 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