海南保梅岭自然保护区不同类型林分土壤水文特性分析

陈素灵，方发之，吴钟亲，桂慧颖，王灵

1.海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)，海南海口571100；2.海南省尖峰岭森林发展有限公司，海南乐东572500

土壤是SPAC（土壤—植被—大气连续体）系统的重要组成部分，是大气降水的主要蓄存库、调节器和植被生存的重要物质基础，也是森林发挥水源涵养功能的主要场所[1-2]。研究表明森林水源涵养能力是森林植被和土壤共同作用的结果，其大小与植被类型和盖度、林地枯落物组成和现存量、土层厚度和土壤物理性质等密切相关[3]。土壤物理性质是土壤结构状况、养分状况、贮水性能、蓄水能力及渗透能力的综合反映，直接影响到土壤中的水分运输方式及途径，决定土壤层水文生态功能的强弱[4]。不同森林植被类型由于生物学特性与林分结构不同，各林分调节物质周转与养分归还方式存在差异，导致林下土壤孔隙数量和大小组成不同，进而影响土壤水动态储蓄的有效空间，表现为土壤的贮蓄水能力及潜力大小不一[5-7]。不同植被类型下的土壤水文生态特性能反映植被对当地土壤理化性质、蓄水保水能力及水源涵养功能的影响。因此，开展特定区域下林分林下土壤水文特性研究，将对恢复该区域森林涵养水源功能具有一定的指导意义。保梅玲自然保护区内分布着海南西部现存较好、人为干扰程度较低的低海拔热带天然林，距离昌江县城仅3km，在当地水土保持、涵养水源及生态环境建设中发挥重要作用。文章通过研究保护区内不同类型林分土壤水文特性，比对分析各林分土壤贮水及蓄水能力，研究结果可为科学评价各林分水源涵养功能及其土壤生态功能、科学恢复及重建植被等提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南西部的保梅岭省级自然保护区（19°23′25″N～19°29′87″N，109°03′56″E～109°10′59″E），地处昌江县与白沙县交界处，总面积3844.3hm2。保梅岭自然保护区蕴含丰富的热带动植物资源，现保存的森林是目前海南西部保存较好的低海拔热带天然林，保护区内天然分布苏铁（Cycas revolutaThunb.）和降香黄檀（Dalbergia odoriferaT.Chen）等国家一级保护植物，以及油丹（Alseodaphne hainanensisMerr.）等国家二级重点保护野生植物。保护区内属热带海洋性季风气候，年平均气温24.9℃，年平均降水量1777.4mm[8]。区域内土壤类型主要为砖红壤和赤红壤，植被类型包括热带湿润雨林、天然次生林及人工林[9]。

1.2 研究方法

经实地踏查和查阅保护区森林资源分布图，在保护区内选择保存完好、立地条件相近的5种典型人工林林分（加勒比松林、枫香林、杧果林、橡胶林和桉树林）和天然次生林为研究对象，分别设置研究样地，各样地基本特征见表1。每种林分内分别布设3个坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的20m×20m标准样地。各样地采用蛇形5点取样法布设5个1m×1m样方，挖掘样方土壤剖面，按0cm＜～≤20cm、20cm＜～≤40cm、40cm＜～≤60cm分层用环刀(100cm3)采集样方各层原状土。采用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和蓄水量、毛管蓄水量、土壤通气度等物理—水分性质[10]。

表1 样地概况Tab.1 General Situation of Sample Plot

1.3 数据计算及分析

土壤水分不同贮水量按下列公式计算：

式中：Wc为土壤水分吸持贮水量，Wt为土壤水分饱和贮水量，Wnc为土壤水分滞留贮水量；Pc为毛管孔隙度（%），Pt为总孔隙度（%），Pnc为非毛管孔隙度（%）；h为土层深度（m）[11]。

试验数据处理及统计分析采用Excel2010和SPSS20.0，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（SSR）分别检验不同类型林分、不同土壤层次下土壤各物理—水分指标间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 土壤容重和孔隙度

不同类型林分土壤容重、孔隙度及含水量变化如表2所示。由表2可知，不同林分土壤容重均随着土壤深度的增加而增大，但同一林分不同土壤层次间的容重差异未达到显著水平。0cm＜～≤20cm、20cm＜～≤40cm和40cm＜～≤60cm土层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现为加勒比松林最大，天然次生林最小，依次为：加勒比松林＞桉树林＞杧果林＞橡胶林＞枫香林＞天然次生林。

孔隙度方面，不同类型林分土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度随土层深度加深的变化规律不同。除枫香林外，其余林分土壤毛管孔隙度均随土层深度加深而减小。0cm＜～≤20cm和20cm＜～≤40cm土层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土层土壤毛管孔隙度以枫香林最大，桉树林最小。不同林分土壤毛管孔隙度表现为天然次生林最大，加勒比松林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞桉树林＞加勒比松林。

非毛管孔隙度土层变化在各类型林分表现不同，天然次生林和枫香林非毛管孔隙度随土层加深而增大；橡胶林、杧果林和桉树林则随土层加深呈先降后升的变化趋势，加勒比松林反之，呈先升后降的变化趋势。0cm＜～≤20cm土层土壤非毛管孔隙度以桉树林最大，天然次生林最小；20cm＜～≤40cm和40cm＜～≤60cm土层土壤非毛管孔隙度均以桉树林最大，杧果林最小。不同林分土壤非毛管孔隙度表现为桉树林最大，杧果林最小，依次为：桉树林＞加勒比松林＞天然次生林＞橡胶林＞枫香林＞杧果林。

除枫香林和天然次生林外，其余林分土壤总孔隙均随土层加深而减小，枫香林则呈先降后升的变化趋势，天然次生林反之。0cm＜～≤20cm和20cm＜～≤40cm土层土壤总孔隙度均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土层土壤总孔隙度以天然次生林最大，桉树林最小。不同林分土壤总孔隙度表现为天然次生林最大，加勒比松林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞桉树林＞加勒比松林。

不同类型林分土壤含水量均随土壤深度的增加而显著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土层土壤含水量以枫香林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm土层土壤含水量均以桉树林最大，枫香林最小；40cm＜～≤60cm土层土壤含水量以橡胶林最大，加勒比松林最小。不同林分土壤含水量表现为桉树林最大，加勒比松林最小，依次为：桉树林＞橡胶林＞枫香林＞杧果林＞天然次生林＞加勒比松林。

表2 不同类型林分土壤物理指标Tab.2 Soil Physical Indexes of Different Forest Types

2.2 土壤贮水能力

不同类型林分林下土壤贮水能力如表3所示。由表3可知，不同类型林分林下土壤饱和贮水量均随土壤深度的增加而显著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm及20cm＜～≤40cm土层土壤饱和贮水量均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土层土壤饱和贮水量以天然次生林最大，天然林最小。不同林分土壤饱和贮水量表现为天然次生林最大，加勒比松林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞桉树林＞加勒比松林。

不同类型林分土壤吸持贮水量均随土壤深度的增加而显著增大（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm及20cm＜～≤40cm土层土壤吸持贮水量均以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土层土壤吸持贮水量以枫香林最大，加勒比松林最小。不同林分土壤吸持贮水量表现为天然次生林最大，加勒比松林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞桉树林＞加勒比松林。

不同类型林分土壤滞留贮水量均随土壤深度的增加而增大，其中天然次生林、橡胶林、杧果林达显著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土层土壤滞留贮水量以枫香林最大，加勒比松林最小；20cm＜～≤40cm土层土壤滞留贮水量以天然次生林最大，加勒比松林最小；40cm＜～≤60cm土层土壤滞留贮水量以枫香林最大，天然林最小。不同林分土壤滞留贮水量表现为天然次生林最大，加勒比松林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞桉树林＞加勒比松林。

2.3 土壤蓄水能力

不同类型林分林下土壤蓄水能力如表3所示。由表3可知，不同类型林分土壤涵蓄降水量均随土壤深度的增加而增大，除桉树林外均达到显著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土层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土层土壤涵蓄降水量均以天然次生林最大，桉树林最小。不同林分土壤涵蓄降水量表现为天然次生林最大，桉树林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞加勒比松林＞桉树林。

不同类型林分土壤有效涵蓄量均随土壤深度增加而增大。除桉树林外均达到显著水平（p＜0.05）。0cm＜～≤20cm土层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土层土壤有效涵蓄量均以天然次生林最大，桉树林最小。不同林分土壤有效涵蓄量表现为天然次生林最大，桉树林最小，依次为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞加勒比松林＞桉树林。

表3 不同类型林分土壤贮水及蓄水能力Tab.3 Soil Water Holding Capacity and Water Storage Capacity of Different Forest Types

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）各类型林分土壤容重、饱和贮水量、吸持贮水量、滞留贮水量、含水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均随着土壤深度的增加而增大，其中饱和贮水量、吸持贮水量和含水量达显著水平（p＜0.05）。孔隙度方面，不同类型林分土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度随土层深度加深的变化规律不同。

（2）综合对比不同类型林分的各项土壤水文特征，天然次生林林下土壤容重小于其他林分，且在毛管孔隙度、贮水能力、蓄水能力方面均优于人工纯林林分，其土壤通气透水性及贮蓄和调节水分的能力较好，有利于吸收降雨、涵养水源。因此在山地造林时，应采取多树种混交的造林方式，更有利于发挥林分保持水土、涵养水源的生态功能。

3.2 讨论

土壤容重大小反映了森林植被对土壤物理性质的改善程度，土壤容重和孔隙度直接影响到土壤的保水蓄水能力、通气性能、水分有效利用、植物生长发育情况等[12]。研究表明土壤容重越小，孔隙度越大，表明土壤发育良好，利于水分的保持与渗透[13]。该研究发现不同林分土壤容重均随着土壤深度的增加而增大，表明随土层加深土壤越紧实，表层土壤较下层土壤疏松可能与林地表层枯落物腐烂分解后腐殖质的增加及林木根系、土壤生物活动有关。综合对比各类型林分土壤容重及孔隙度平均值发现，天然次生林土壤容重显著低于其他林分，且毛管孔隙度及总孔隙度显著高于其他林分；反之，加勒比松林土壤容重显著高于其他林分，毛管孔隙度和总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结构，通气性和透水性较其他林分突出，既有利于其上植被的生长发育，又有较为良好的水源涵养功能。加勒比松林下土壤通气性及透水性较其他林分差可能与海拔有关，何方永等[14]对岷江冷杉原始林土壤物理性质的海拔梯度变化研究中也发现，非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度等与土层深度和海拔呈负相关，而土壤密度与土层深度及海拔呈正相关关系。

土壤贮水量是评价植被水源涵养功能的重要水文指标，可分为吸持贮水量和滞留贮水量。吸持贮水量为毛管孔隙贮存水，主要反映植物吸持水分供其自身正常生理活动所需的有效水分；滞留贮水量为非毛管孔隙贮存水，其大小反映森林涵养水源功能的强弱[15-16]。从水土保持的角度看，吸持贮存与滞留贮存都具有减少地表径流和防止土壤侵蚀的功能；而从水源涵养的角度看，只有滞留贮存的水分才具有通过径流(壤中流或地下径流)补充给江河和地下水的功能[17]。该研究表明，不同类型林分林下土壤饱和贮水量、吸持贮水量、滞留贮水量均随土壤深度的增加而增大，其中各林分饱和贮水量、吸持贮水量变化达显著水平（p＜0.05）。各类型林分林下土壤贮水能力中，以天然次生林最佳，枫香林次之，加勒比松林最差。结果与上文对各林分土壤容重、孔隙度等物理性质的研究结果一致，表明林分土壤贮水量大小与土壤容重、孔隙度等密切相关，王梦军等[18]、张雷燕等[19]的研究结果也表明土壤贮水能力主要受土壤总孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、土壤有机质、土壤颗粒组成等的影响。

周择福[20]的研究表明土壤蓄水性能与土壤前期含水量有关，当土壤含水量较充足时土壤蓄水量减小，即使降雨量较小也会产生地表径流。将土壤饱和贮水量与土壤含水量之差作为衡量土壤涵蓄降水量的指标。该研究发现，不同林分土壤涵蓄降水量大小表现为：天然次生林＞枫香林＞橡胶林＞杧果林＞加勒比松林＞桉树林。吸持贮水量与土壤含水量之差为可供植物利用的潜在土壤有效蓄水，称为有效涵蓄量，有效涵蓄量大，有利于减少地表径流，减少降水的无效损失和表土流失[21]。不同林分土壤有效涵蓄量变化与涵蓄降水量一致。表明天然次生林林下土壤在水分入渗、涵蓄降雨能力及供给植物有效性水分等方面均优于人工纯林。