林分密度对火地塘林区土壤水分物理性质的影响

林分密度对火地塘林区土壤水分物理性质的影响

森林土壤是木材生长的载体，土壤的水分和理化性质是影响树木生长的重要因素，因此，它可以不断补充植物所消耗的水分和生命所需的养分。同时,森林土壤作为涵养水源的主要场所,土壤物理性指标与土壤蓄水性能关系密切。因此,研究土壤水分理化性质对进一步了解林地土壤肥力状况、林木生长以及土壤蓄水性能具有重要意义。目前,关于森林土壤水分理化特性的研究大多是针对不同森林类型,而有关不同林分密度条件下土壤水分理化特性的研究,少见报道。为探讨林分密度对土壤水分理化性质的影响,作者对不同林分密度条件下松栎混交林土壤的水分理化性质进行测定,探究土壤水分理化特性随林分密度的变化规律,以期找到有利于改善林地土壤水分理化状况,提高土壤肥力的适宜密度,为今后火地塘林区松林混交林的合理经营和管理提供理论指导和科学依据。1山地气候条件研究区位于秦岭南坡中段的火地塘林区(33°25′~33°29′N,108°25′~108°30′E),地处陕西省宁陕县境内,区内山势陡峭,为花岗岩和片麻岩石质山地,海拔1450~2470m。该地区属暖温带湿润山地气候,年均气温9℃,年均降水量1100mm,主要集中在7—9月份,年均蒸发量875mm,年总日照时间为1100~1300h,无霜期199d。林区土壤主要是山地棕色森林土,平均厚度约50cm。松栎混交林是火地塘林区主要的森林类型之一,由油松(Pinustabulaeformis)、华山松(Pinusarmandii)、锐齿栎(QuercusalienaBlumevar.acutiserrataMaximowiczexWenzig)和红桦(Betulaalbo-sinensis)等优势树种组成。2样地的采集和测定2012年7月在火地塘林区选择林分密度具有代表性且立地条件基本相同的松栎混交林(中龄林)为作研究对象。在1000~2000、2000~3000、3000~4000株/hm2范围内各取2~3个面积为20m×20m的样地,共设7块。2012年8月分别完成土壤样品的采集,土壤含水率、土壤密度、孔隙度和有机质质量分数的测定。土样的采集用剖面法,在样地的坡上、坡中、坡下3个位置各挖掘1个厚度为60cm的土壤剖面,分别按0~20cm(A层)、20~40cm(B层)和40~60cm(C层)3个层次采集环刀土和袋装土。将采集的土样带回实验室进行分析,环刀土用于测定土壤密度和孔隙度,袋装土用于测定土壤含水率和有机质质量分数。土壤含水率的测定采用恒温箱烘干法;土壤密度、孔隙度的测定采用环刀法;土壤有机质质量分数的测定采用硫酸重铬酸钾法。试验数据采用Excel2003进行整理,并通过SPSS13.0软件对土壤含水率、密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质质量分数与林分密度之间的关系进行相关分析和回归分析。3林分密度对土壤水分的影响由表1可知,不同土层深度土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在不同林分密度条件下变异系数较小(<20),而土壤含水率、有机质质量分数变异系数较大(>20),说明不同林分密度土壤水分理化性质存在差异。3.1不同层系土壤含水率同一林分密度的松栎混交林,不同土层土壤含水量的变化趋势基本一致,均随土层深度的增加而降低(表1)。松栎混交林的A层、B层、C层土壤含水率均值分别为12.67%,10.70%,8.37%。土壤水分主要受蒸发和降水的影响,7—8月林地降雨量充足,降雨量大于蒸发量,林地内土壤含水量总体较丰富。A层土壤被枯枝落叶覆盖且土壤结构疏松,土壤储存水分较多,因此A层土壤含水率较高;由于7—8月是松栎混交林生长的旺盛时期,林木根系需要从土壤中吸收大量的水分,且B层土壤是林木根系分布的主要层,因此B层土壤含水率低于A层;C层土壤较A、B层土壤而言,结构较紧实,水分入渗能力较弱,因此C层土壤含水率最小。林分密度的大小直接影响土壤含水率的变化,在相同立地条件下,林分密度不同,其林地土壤含水量变化很大。从表2可以看出,不同林分密度的松栎混交林,0~60cm土壤含水率表现为低密度林分(15.23%)>中密度林分(11.19%)>高密度林分(5.02%)。由表3可知,同一土层土壤含水量均随林分密度的增加而呈现降低趋势,低密度林分(1367株·hm-2)的表层土壤含水率是高密度林分(3683株·hm-2)土壤含水率的3.3倍。导致林分密度与土壤含水率呈负相关的原因可能是由于高密度林分的表面积较大,从而使林地单位面积的蒸发量加大,土壤含水率降低,更加不利于树木的生长。回归分析表明,林分密度对土壤含水率的影响十分显著。不同土层深度土壤含水率与林分密度均显著相关,回归方程分别为:YA=23.768-1.638×10-5X-2.393×10-6X2+2.864×10-10X3(R2=0.930,P=0.031<0.05),YB=-0.761+0.025X-1.105×10-5X2+1.284×10-9X3(R2=0.929,P=0.031<0.05),YC=-10.893+0.035X-1.562×10-5X2+1.897×10-9X3(R2=0.936,P=0.027<0.05)。3.2林分密度对土壤孔隙度的影响土壤容重度和孔隙度是土壤的基本物理性质,对土壤的蓄水性能和通气性具有直接的作用,同时能间接影响到土壤肥力和作物生长状况。由表1可知,同一林分密度的松栎混交林,不同土层土壤密度均随土层深度的增加而增大。松栎混交林的A层、B层、C层土壤密度均值分别为1.12,1.24,1.28g/cm3。同一林分密度的松栎混交林,土壤总孔隙度和毛管孔隙度则随土层深度的增加而减少,非毛管孔隙度的变化规律不明显。松栎混交林的A层、B层、C层土壤总孔隙度均值分别为59.69%,54.83%,49.80%;毛管孔隙度均值分别为48.25%,42.61%,39.19%;非毛管孔隙度均值分别为11.44%,12.22%,10.60%。从表2可以看出,不同林分密度的松栎混交林,0~60cm土壤密度是中密度林分较小(1.17g·cm-3),土壤较疏松,低密度和高密度林分土壤密度较大(均为1.25g·cm-3)。同一土层土壤密度随林分密度的变化趋势为:土壤密度先随林分密度的增加而减小,减小到一定程度,又随林分密度的增加而增大。由回归分析可知,林分密度对土壤密度的影响比较明显。其中,A层土壤密度与林分密度显著相关,其回归方程为:Y=1.596+9.543×10-8X2(R2=0.820,P=0.033<0.05)。B层土壤和C层土壤密度与林分密度不相关,P值分别为0.082、0.072。从表2还可以看出,不同林分密度的松栎混交林,0~60cm土壤总孔隙度(毛管孔隙度+非毛管孔隙度)的大小顺序是中密度林分(58.36%)>高密度林分(53.57%)>低密度林分(50.60%)。由表3可知,同一土层土壤总孔隙度随林分密度的变化趋势表现为:先随林分密度的增加而增大,增大到一定程度,又随林分密度的增加而减小。回归分析表明,林分密度对土壤孔隙度的影响比较明显。其中,A层土壤和B层土壤总孔隙度与林分密度显著相关,C层土壤总孔隙度与林分密度不相关(P=0.060)。A层土壤和B层土壤总孔隙度与林分密度的回归方程分别为:YA=18.287+0.033X-6.096×10-6X2(R2=0.798,P=0.041<0.05);YB=27.012+0.021X-3.738×10-6X2(R2=0.794,P=0.043<0.05)。3.3林分密度、密度林分同一林分密度的松栎混交林,不同土层土壤有机质质量分数均随土层深度的增加而降低(表1)。松栎混交林的A层、B层、C层土壤有机质质量分数均值分别为5.85%,3.77%,2.35%。从表2可以看出,不同林分密度的松栎混交林,0~60cm土壤有机质质量分数表现为中密度林分(4.66%)>高密度林分(3.55%)>低密度林分(3.42%)。由表3可知,同一土层土壤有机质质量分数先是随林分密度的增加而增大,增大到一定程度,又随林分密度的增加而减小,与林分密度对土壤孔隙度的影响一致。这是因为林分密度的大小会影响林地土壤温度和含水量的变化,而有机质的积累受温度和水分的影响。土壤温度过高或过低都会对有机质的积累产生负作用;土壤湿度大,使通气性受阻,有机质矿化率低,有利于有机质的积累和保存。回归分析表明,林分密度对土壤有机质的影响比较明显。其中,A层土壤和B层土壤有机质质量分数与林分密度显著相关,C层土壤有机质质量分数与林分密度不相关(P=0.080)。A层土壤和B层土壤有机质质量分数与林分密度的回归方程分别为:YA=1.572+0.004X-7.649×10-7X2(R2=0.812,P=0.035<0.05);YB=-7.063+0.009X-1.693×10-6X2(R2=0.867,P=0.018<0.05)。4林分密度对土壤理化性质的影响土壤作为植物生存的载体,其理化性质无论在时间还是空间上都呈现出异质性分布。松栎混交林不同土层土壤水分理化性质呈现出较明显的变化规律:随着土层深度的增加,除土壤密度逐渐增加外,土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度和有机质质量分数均逐渐降低,非毛管孔隙度无明显规律。该变化规律与长白山地区土壤水分物理性质的层次变化格局是一致的。松栎混交林0~60cm的土壤中,表层土的密度明显小于深层土,含水率、总毛管孔隙度、毛管孔隙度、有机质质量分数明显大于深层土。这是由于林地土壤上层的枯枝落叶和腐殖质较多,微生物活跃,土壤较疏松,储存水分较多,养分相对富集。不同林分密度的松栎混交林,0~60cm土壤含水率表现为低密度林分>中密度林分>高密度林分;土壤密度是中密度林分较小,土壤较疏松,低密度和高密度林分密度较大;土壤总孔隙度和有机质含量的大小顺序均表现为中密度林分>高密度林分>低密度林分。可见,在松栎混交林中,中密度林地土壤理化特性优于过密或过疏的林分,其土壤密度较低,土壤较疏松,孔隙度和有机质质量分数较都较大。因此,中密度林地有利于改良土壤的理化特性,提高土壤肥力,这与大青山不同林分密度马尾松人工林的土壤理化特性是一致的。在松栎混交林中,A、B、C层土壤含水率均随林分密度的