賈茜,宋淑霞,曹航,郭建軍,楊新兵

(1保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000；2張家口市森林病蟲(chóng)害防治檢疫站，河北 張家口 075000；3河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；4張家口市塞北林場(chǎng)(市國(guó)有林場(chǎng)管理處)，河北 張家口 075000)

土壤不僅為林木生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要支撐部分。土壤通過(guò)蓄水和保水不斷發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流等土壤水文生態(tài)功能，因此又被稱(chēng)為“土壤水庫(kù)”“綠色水庫(kù)”[1]。坡位是重要的地形因子，通過(guò)直接或間接(水熱分配、土壤侵蝕、淋溶等)原因影響著土壤的理化性質(zhì)。楊賢均等研究表明，土壤孔隙對(duì)水源涵養(yǎng)與水分運(yùn)動(dòng)具有重要影響，原因是土壤動(dòng)物、植物活動(dòng)和死亡后可有效增大土壤孔隙狀況，從而提高土壤蓄水能力[2]。張雷燕等在寧夏六盤(pán)山地區(qū)不同森林類(lèi)型土壤的蓄水和滲透能力研究中發(fā)現(xiàn)，不同植被類(lèi)型土壤蓄水能力及理化性質(zhì)差異明顯，灌木林的滲透與持水能力更強(qiáng)[3]。李文政等研究三峽山地不同坡位土壤水分特征曲線發(fā)現(xiàn)，坡上土壤滲透性能更強(qiáng)，但持水能力弱，坡中、坡下及坡底土壤持水能力高于坡上[4]。寧鵬等對(duì)貢嘎山不同海拔峨眉冷杉根際土壤化學(xué)性質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，全氮、硝態(tài)氮及有機(jī)碳均隨海拔的升高先降后增，在海拔2 800 m最大，海拔3 200 m為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，全磷與速效磷含量隨海拔升高而增加[5]。李傳人等研究鐵路邊坡不同坡位土壤理化性質(zhì)差異時(shí)發(fā)現(xiàn)，含水率表現(xiàn)為坡下=坡中>坡上，土壤有效磷、堿解氮與速效鉀含量在坡下最高[6]。綜合表明，不同坡位土壤理化性質(zhì)存在一定的差異性。

油松(Pinustabuliformis)是我國(guó)特有樹(shù)種，具有耐貧瘠、耐干旱、適應(yīng)性強(qiáng)及根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)中具有非常重要的地位，油松也是河北省分布面積和蓄積最大樹(shù)種之一[7]。試驗(yàn)地涿鹿林場(chǎng)處于北京官?gòu)d水庫(kù)上游河北省張家口市營(yíng)造水源保護(hù)林項(xiàng)目的范圍內(nèi)，選取冀西北張家口市涿鹿縣涿鹿林場(chǎng)最典型的油松林作為研究對(duì)象，對(duì)不同坡位油松林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究，以期為油松水源林的建設(shè)和管理提供一些參考。

1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于張家口市涿鹿林場(chǎng)寇家溝林區(qū)(E 115°6′18″，N 40°12′50″)，與河北省最高峰小五臺(tái)山的直線距離約20 km，屬海河流域永定河上游桑干河流域，懷涿盆地周邊，寇家溝林區(qū)海拔在1 200～1 800 m，土壤多為碳酸鹽褐土。涿鹿縣屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均無(wú)霜期100～145 d，年均日照時(shí)數(shù)2 875 h，年均溫度9.1 ℃，年均降水385～600 mm。研究區(qū)常見(jiàn)的喬木樹(shù)種有油松、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等。

2 研究方法

根據(jù)研究目的，通過(guò)野外踏查，試驗(yàn)油松林選擇在涿鹿林場(chǎng)寇家溝林區(qū)。設(shè)置樣地面積50 m×50 m，將樣地按每10 m距離分格調(diào)查，獲取的樣地基本特征見(jiàn)表1。由于研究地坡長(zhǎng)相對(duì)較短，因此土壤采樣點(diǎn)分為坡上、坡下，分別選取3個(gè)點(diǎn)位，挖取剖面。土壤水分物理性質(zhì)測(cè)定采環(huán)刀浸泡法，用100 cm3環(huán)刀從上至下分層采集樣品，按照每10 cm 1層取樣，室內(nèi)環(huán)刀浸泡，測(cè)定容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)。

表1 不同坡位油松林基本特征Table 1 Basic characteristics of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

在挖好的土壤剖面從下而上分層取土，坡上(或坡下)3個(gè)剖面的土壤混合后用土袋帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。酸度計(jì)測(cè)定pH值，重絡(luò)酸鉀-分光光度法測(cè)定土壤有機(jī)碳，凱氏定氮儀法測(cè)定全氮，鉬銻鈧比色法測(cè)定全磷及有效磷，火焰原子吸收分光光度法測(cè)定全鉀，堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮，NH4OAc浸提火焰光度法測(cè)定速效鉀。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

不同坡位油松林土壤容重及孔隙度見(jiàn)表2。

表2 不同坡位油松林土壤容重及孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

表2(續(xù))

3.1.1 土壤容重 容重越小，土壤越疏松；容重越大，土壤越緊實(shí)。容重受土壤發(fā)育的影響，可以反映對(duì)植被根系生長(zhǎng)阻力大小[8]。由表2可知，油松林土壤容重變化范圍在0.63～1.25 g/cm3，土壤容重平均值從大到小排序?yàn)椋篒II(1.09 g/cm3)>I(1.06 g/cm3)>VI(1.04 g/cm3)>II(1.03 g/cm3)>V(1.02 g/cm3)>IV(1.01 g/cm3)。進(jìn)行差異性分析可知，坡上與坡下土壤容重差異顯著，除樣地II外，坡上容重大于坡下。從垂直梯度上看，土壤容重大多隨土層深度增加而增加。

3.1.2 土壤孔隙度 孔隙是土壤水分的儲(chǔ)存空間，影響著土壤持水能力、肥力及植被生長(zhǎng)狀況。毛管孔隙存儲(chǔ)植物吸收的有效水，對(duì)維持植被的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。非毛管孔隙的作用主要是調(diào)節(jié)土壤的滲透能力，涵養(yǎng)水源，減少山洪[9]。由表2可知，土壤總孔隙度均值最大的是坡下VI(61.48%)，最小的是坡上III(43.48%)，其排序?yàn)椋篤I(61.48)>V(52.33)>I(52.07)>II(49.67)>IV(47.40)>III(43.48)，除樣地IV外，坡下高于坡上。毛管孔隙度均值由大到小排序?yàn)椋篤I(44.23%)>V(36.38%)>I(32.27%)>II(29.03%)>IV(25.72%)>III(24.93%)，除樣地IV外，坡下高于坡上。非毛管孔隙度均值由大到小排序?yàn)椋篒V(21.68%)>II(20.63%)>I(19.80%)>III(18.55%)>VI(17.25%)>V(15.95%)，除樣地IV外，坡上高于坡下。對(duì)土壤孔隙度進(jìn)行差異性分析可知，坡上與坡下土壤總孔隙度及毛管孔隙度差異顯著，非毛管孔隙差異不顯著，但結(jié)合土壤容重、毛管孔隙度及總孔隙度等上述分析可知，坡下土壤通透性、水土保持及涵養(yǎng)水源能力更好。

3.1.3 土壤持水能力 土壤持水能力的高低反映了土壤孔隙的分布狀況[12]。不同坡位油松林土壤持水量見(jiàn)表3。

表3 不同坡位油松林土壤持水量Table 3 Soil water holding capacity of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

表3(續(xù))

由表3可知，土壤飽和持水量均值排序?yàn)椋篤I(368.90 t/hm2)>V(314.00 t/hm2)>I(312.40 t/hm2)>II(298.00 t/hm2)>IV(284.40 t/hm2)>III(260.90 t/hm2)，平均來(lái)看坡下高于坡上。毛管持水量最大的是VI(265.40 t/hm2)，最小的是III(149.60 t/hm2)。有效持水量最大的是IV(130.10 t/hm2)，最小的是V(95.70 t/hm2)。對(duì)坡上與坡下土壤持水量進(jìn)行差異性分析可知，坡上與坡下土壤飽和持水量及毛管持水量差異顯著，有效持水量差異顯著。綜合分析，坡下土壤持水能力普遍高于坡上。

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣決定了地上植物的生長(zhǎng)狀況，氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起到合成碳水化合物與有機(jī)物質(zhì)的作用，直接對(duì)植物生長(zhǎng)、品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要影響[13]。不同坡位土壤養(yǎng)分，見(jiàn)表4。

表4 不同坡位土壤養(yǎng)分Table 4 Soil nutrients at different slope positions

3.2.1 土壤全效養(yǎng)分 由表4可知，土壤全磷含量坡下(1.57 g/kg)>坡上(0.99 g/kg)，坡上與坡下差異顯著，土壤全磷含量隨土層厚度的增加而增加。土壤全氮含量坡下(1.48 g/kg)>坡上(0.88 g/kg)，坡上和坡下差異顯著，并隨土壤深度增加而增加。土壤全鉀含量坡下(11.38 g/kg)>坡上(10.87 g/kg)，差異顯著，土壤垂直梯度變化無(wú)規(guī)律。

3.2.2 土壤速效養(yǎng)分 由表4可知，有效磷含量坡下(0.67 mg/kg)>坡上(0.51 mg/kg)，差異顯著；從垂直梯度看，有效磷含量總體隨土壤深度增加而增加。堿解氮坡下(55.75 mg/kg)>坡上(44.16 mg/kg)，差異顯著，土壤垂直梯度變化不明顯。速效鉀坡下(115.27 mg/kg)>坡上(86.55 mg/kg)，差異顯著，總體上隨土層深度的增加而增加。

3.2.3 土壤pH值和有機(jī)碳含量 土壤pH值變化范圍在7.47～7.94，坡上與坡下土壤均呈弱堿性，無(wú)顯著差異，土壤垂直梯度變化也不明顯。土壤有機(jī)碳含量坡下(29.86 g/kg)>坡上(21.06 g/kg)，差異顯著，從土壤垂直梯度上看，土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度的增加而減小。

4 討論

坡位是重要的地形因子，影響土壤有機(jī)質(zhì)礦化、腐化過(guò)程以及土壤水的分布，是環(huán)境主導(dǎo)因子之一[14]。李傳人等研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水率坡下=坡中>坡上，土壤有效磷、堿解氮與速效鉀含量在坡下最高[6]。周萍等研究認(rèn)為，距離坡頂越遠(yuǎn)，容重越小，孔隙度、持水量越大，土壤養(yǎng)分有向坡下聚集的趨勢(shì)[5]。余明等在杉木林土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)林分改造及不同坡位的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分含量普遍為坡上<坡中<坡下，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是坡位不同會(huì)使土壤水熱資源及物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生差異，坡上光輻射更強(qiáng)，會(huì)減弱土壤水分固持能力，土壤侵蝕堆積使有機(jī)碳向坡下轉(zhuǎn)移；雨水沖刷也會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分隨徑流從坡上到坡下，土壤養(yǎng)分在坡下匯聚[16]。本研究對(duì)不同坡位油松林土壤理化性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，坡上土壤容重普遍高于坡下，原因可能是坡上長(zhǎng)期受到雨水沖刷及陽(yáng)光輻射，土壤密實(shí)且侵蝕嚴(yán)重。土壤pH值坡上與坡下無(wú)明顯變化。坡下土壤持水能力高于坡上，土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有機(jī)碳、有效磷與速效鉀坡上坡下差異顯著，呈現(xiàn)出坡下高于坡上的狀況，全氮、全磷與有效磷隨土層厚度增加而增加，全鉀、堿解氮與速效鉀在土層垂直梯度變化不明顯，有機(jī)碳隨土層厚度增加而減小，這表明坡下土壤養(yǎng)分及持水能力更好，原因可能是坡下植被茂密、枯落物較多，有機(jī)質(zhì)含量高，微生物生長(zhǎng)條件較好，導(dǎo)致土壤孔隙度更大，增加土壤持水能力，使得土壤儲(chǔ)存水分及產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)元素的條件更好，形成良好的生態(tài)循環(huán)。本研究結(jié)果與李傳人、周萍、余明等研究結(jié)果基本一致[6,15-16]。

5 結(jié)論

對(duì)不同坡位油松林的土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果可知，坡下容重高于坡上，差異顯著，垂直梯度土壤容重隨土層厚度增加而增加。土壤總孔隙度坡下高于坡上，差異顯著，垂直梯度土壤孔隙度隨土層厚度增加而減小。土壤飽和持水量坡下高于坡上，差異顯著，土壤養(yǎng)分坡上和坡下差異顯著，均呈現(xiàn)出坡下>坡上。從土壤垂直梯度來(lái)看，全氮、全磷與有效磷隨土層厚度增加而增加，全鉀、堿解氮與速效鉀在土層垂直梯度變化不明顯，有機(jī)碳隨土層厚度增加而減小。土壤pH值坡上與坡下無(wú)明顯變化。綜上所述，坡下土壤通透性、持水能力、土壤養(yǎng)分條件優(yōu)于坡上，更有利于森林植被的生長(zhǎng)發(fā)育。