杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是我国南方最重要的用材树种之一，主要分布在南方17个省(区)，其种植面积约占我国人工林总面积的1/4^[1]。长期的林业生产实践表明，由于杉木人工林自身的生物学特性以及不合理的营林措施等诸多因素的综合影响，导致了杉木人工林土壤理化性质、林地微环境发生变化，其水源涵养功能也随之发生变化^[2]。水源涵养功能是森林生态系统生态服务功能的重要组成部分^[3-4]。森林土壤是森林水源涵养的主体，占林分水源涵养能力的85%以上^[5]。由于酸雨水化学特征的独特性，特别是N沉降的增加引起土壤中Al³⁺的活化，加剧了其他营养离子的淋溶流失，使林地土壤物理性状及养分含量发生改变^[6]。因此，提升酸雨区杉木人工林土壤的水源涵养功能，对酸雨区林业生态建设具有重要意义。鉴于此，本文以酸雨区4年生杉木幼龄林、15年生中龄林和32年生成熟林为研究对象，在测定不同林龄杉木人工林土壤物理性质及土壤持水性能的基础上，进一步分析了土壤物理性质与土壤持水性能之间的相关关系，旨在为酸雨区杉木人工林生态系统的恢复与重建以及提高杉木人工林的水源涵养功能提供依据。

1 研究地概况

研究区位于福建省邵武市下沙镇(117°34′E，27°20′N)，为亚热带季风气候，年平均气温17.7 ℃，年平均降雨量约1 786 mm，无霜期262 d，成土母岩为花岗岩。2013年邵武市大气降水pH年平均值为4.70，降水酸雨频率为67.4%^[7]。在研究区内，4年生幼龄林林下植被有金星蕨(Parathelypteris glanduligera.)、香附子(Fimbristylis dichotoma)、野茼蒿(Crassocephalum crepidioides)、铁芒萁(Dicranopteris gigantea)，15年生中龄林林下植被有刺齿凤尾蕨(Pteris dispar Kunze)、金星蕨、铁芒萁、大叶茅草(Curculigo capitulata)、延羽卵果蕨(Phegopteris decurisive-pinnata.)、山桐子(Idesia polycarpa)，32年生成熟林林下植被有金星蕨、铁芒萁、金丝草(Pogonatherum crinitum)、箬竹(Indocalamus tessellatus)、野菊(Dendranthema indicum)、菝葜(Smilax china)；4年生、15年生杉木人工林造林地前身为杉木人工林，32年生杉木人工林为次生阔叶林。

2 研究方法 2.1 样地设置及取样

2014年12月在研究区内选择相互毗邻的4年生、15年生及32年生杉木人工林，在不同林龄内分别设置3块20 m×20 m的临时样地，对各样地进行野外常规调查，记录杉木胸径、树高、郁闭度等(表 1)。每个样地按“S”形选择3个土壤剖面，用100 cm³环刀分别取0~20、20~40、40~60 cm原状土样，每层3个重复，带回室内测定土壤物理性质及持水性能。

2.2 测定方法

用环刀法测定土壤容重、田间持水量和土壤总孔隙度等土壤物理性质及持水性能指标^[8-9]。

土壤持水性能相关指标的计算按以下公式：

${w_t} = 10000{p_1}h,{w_o} = 10000{p_2}h,{w_c} = 10000{p_3}h$

式中，w_t为土壤饱和持水量/(t·hm^-2)，p₁为总孔隙度/%，h为土层深度/m；w_o为土壤毛管持水量/(t·hm^-2)，p₂为毛管孔隙度/%；w_c为土壤非毛管持水量/(t·hm^-2)，p₃为非毛管孔隙度/%。

2.3 数据处理

用Excel 2003进行数据处理，用SPSS 19.0软件进行方差分析。

3 结果与分析 3.1 不同林龄杉木人工林土壤物理性质的差异

由表 2可知，酸雨区不同林龄杉木林土壤物理性质随林龄及土层深度的变化呈现出不同的变化规律。同一林龄不同土层深度杉木人工林土壤容重随土层深度的加深呈现逐渐上升的趋势；同一土层深度不同林龄在0~20 cm土层，土壤容重表现为：中龄林＞成熟林＞幼龄林，而在20~40 cm及40~60 cm土层，土壤容重则表现为：中龄林＞幼龄林＞成熟林。土壤孔隙度是反映土壤物理性质优劣的指标^[10]。毛管孔隙所持有的水分可以较长时间保持在土壤中，而非毛管孔隙能较短时间内容纳降水并及时下渗，因此，毛管孔隙度及非毛管孔隙度大小、数量及分配对森林涵养水源具有重要意义^[11]。在林地中，地表凋落物的分解可增加有机质含量，促进土壤团聚结构的形成，同时土壤表层的细根分布也有利于改善土壤孔隙的状况^[12]。幼龄林及成熟林土壤毛管孔隙度及总孔隙度表现为随着土层深度的加深呈现先减小后增大的趋势，而中龄林则表现为先增大后减小的趋势。幼龄林土壤非毛管孔隙度表现为随着土层深度的加深呈逐渐降低的趋势，而中龄林及成熟林则表现为先减小后增大。方差分析结果表明，幼龄林20~40 cm及40~60 cm土层以及中龄林不同土层深度土壤容重与其他林龄土层深度相比差异达显著水平(P＜0.05)；幼龄林0~20 cm及中龄林0~20、40~60 cm土壤毛管孔隙度与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平(P＜0.01)；中龄林0~20、40~60 cm及成熟林不同土层深度土壤非毛管孔隙度与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平；幼龄林0~20 cm及中龄林40~60 cm土壤总孔隙度与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平。

3.2 不同林龄杉木人工林土壤水源涵养能力差异

酸雨区不同林龄杉木林土壤水源涵养能力随林龄及土层深度的变化呈现出不同的变化规律(表 3)。幼龄林土壤最大持水量和最小持水量变化范围分别为404.92~572.04 g·kg^-1、331.46~401.58 g·kg^-1，其中0~20 cm土壤最大持水量和最小持水量最大，而20~40 cm土壤最大持水量和最小持水量最小；中龄林土壤最大持水量和最小持水量变化范围分别为：289.04~376.64 g·kg^-1、217.25~270.87 g·kg^-1，不同土层土壤变化顺序为：20~40 cm＞0~20 cm＞40~60 cm；成熟林最大持水量和最小持水量变化范围分别为：429.98~475.90 g·kg^-1、281.80~342.37 g·kg^-1，不同土层土壤最大持水量和最小持水量变化规律表现为随着土层深度加深呈逐渐下降趋势。从土壤保水能力差异上看，毛管孔隙中保持的水分可以较长时间留在土壤中^[13]。幼龄林和成熟林不同土层深度土壤饱和持水量及毛管持水量呈现为随着土层深度加深先降低后上升的趋势，而中龄林则表现为先升高后降低的变化规律。就非毛管持水量差异而言，在幼龄林阶段，随着土层深度的加深，非毛管持水量呈逐渐下降的趋势；在中龄林及成熟林阶段，随着土层深度的加深，非毛管持水量呈先下降后上升的趋势。方差分析结果表明，幼龄林0~20 cm土层最大持水量与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平，幼龄林0~20 cm及40~60 cm最小持水量与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平，幼龄林及成熟林不同土层深度饱和持水量及毛管持水量与中龄林相比差异达极显著水平，成熟林不同土层深度及中龄林20~40 cm及40~60 cm非毛管持水量与其他林龄土层深度相比差异达极显著水平。

3.3 不同林龄杉木人工林土壤物理性质与水源涵养能力的相关性分析

由表 4可见，最大持水量与土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度均呈极显著正相关，与土壤容重呈极显著负相关；最小持水量与土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度均呈极显著正相关，而与土壤容重呈极显著负相关，与非毛管孔隙度呈显著负相关。饱和持水量与土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度均呈极显著正相关，而与土壤容重呈极显著负相关；毛管持水量与土壤总孔隙度呈极显著正相关, 与毛管孔隙度呈显著正相关, 而与土壤容重呈极显著负相关，与土壤非毛管孔隙度呈显著负相关；非毛管持水量与土壤非毛管孔隙度呈极显著正相关，而与土壤毛管孔隙度呈显著负相关。

4 小结

(1) 酸雨区不同龄林杉木人工林的土壤容重与土壤孔隙度差异明显。不同林龄段杉木人工林土壤容重在0~20 cm土层最低，随着土层深度的增加，容重逐渐增大。土壤总孔隙度和毛管孔隙度在幼龄林和成熟林时0~20 cm土层最大，而在中龄林则20~40 cm土层最大。土壤平均容重的大小依次为：中龄林＞幼龄林＞成熟林，平均总孔隙度和平均毛管孔隙度表现为：幼龄林＞成熟林＞中龄林，平均非毛管孔隙度表现为：中龄林＞成熟林＞幼龄林。

(2) 酸雨区不同林龄杉木人工林水源涵养能力存在差异。同一土层深度不同林龄杉木人工林最大持水量、最小持水量均表现为：幼龄林＞成熟林＞中龄林，这种差异与各个林龄段的土壤物理性质有一定联系。通过土壤物理性质与土壤水源涵养功能的相关性分析可知，土壤最大持水量、最小持水量、毛管持水量、饱和持水量与土壤容重存在极显著的负相关，而与土壤毛管孔隙度及土壤总孔隙度呈极显著的正相关。不同林龄杉木人工林土壤水源涵养能力差异明显，幼龄林与成熟林的土壤水源涵养能力比中龄林好，这可能由于幼龄林和成熟林中，上层乔木郁闭度相对较低，幼龄林和成熟林林下植被生长较好，成熟林枯枝落叶量较多，从而有利于土壤良好结构的形成^[14]。因此，为了提高酸雨区杉木人工林的水源涵养能力，应增加林分的物种数量，提高林分植被覆盖度，改善杉木人工林林分结构及改良酸化土壤，从而改善土壤的物理性质，进而提高土壤水源涵养功能。