全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 8589
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015
收稿日期: 2015-01-16; 修订日期: 2015-02-13
基金项目:“深圳市战略性新兴产业专项资金资助项目”(GCZX20120618100801416)
作者简介: 许建新(1982—), 男, 福建莆田人, 博士研究生, 主要从事植物生态学研究
*通信作者: 薛立, 男, 博士, 教授, 博导, 主要从事树木生理, 森林培育, 森林生态研究, E-mail: forxue@scau.edu.cn
许建新, 侯晓丽, 薛立. 冰雪灾害对粤北杉木林土壤物理性质的影响[J]. 生态科学, 2015, 34(3): 8589.
XU Jianxin, HOU Xiaoli, XUE Li. Impact of ice storm damage on soil physical property in a Cunninghamia lanceolata stand in
northern Guangdong, China[J]. Ecological Science, 2015, 34(3): 8589.
冰雪灾害对粤北杉木林土壤物理性质的影响
许建新 1,2, 侯晓丽 1, 薛立 1,*
1. 华南农业大学林学院, 广州 510642
2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司, 深圳 518040
【摘要】2008 年 1 月至 2 月, 雨雪冰冻天气袭击广东粤北地区。冻雨在枝叶上形成冰柱, 造成大量的折干残体。冰雪
灾害对森林土壤的影响是森林恢复和管理的关键所在, 然而对灾害引起土壤物理性质的变化研究甚少。为了研究冰雪
灾害对土壤物理性质的影响, 在粤北乐昌林场杉木林内建立三个面积为 20 m×20 m 的固定标准地, 分别在标准地中
心以及四个角采集上土层(0—20 cm)和下土层(20—40 cm)的土样, 测定土壤物理性质: 土壤容重、毛管持水量、总孔
隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通气孔隙度。研究结果表明: 与 2008 年相比, 2011 年杉木林地土壤容重降低, 而
土壤毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通气孔隙度均升高, 说明冰雪灾害对土壤物理性质有重要
影响。
关键词：冰雪灾害; 土壤物理性质; 杉木林; 广东粤北; 森林恢复
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.015 中图分类号：S715.3 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-085-05
Impact of ice storm damage on soil physical property in a Cunninghamia
lanceolata stand in northern Guangdong, China
XU Jianxin 1,2, HOU Xiaoli1, XUE Li 1,*
1.College of Forestry South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
2. Shenzhen Tech and Ecology ＆ Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, China
Abstract: A huge ice storm stroke on the north of Guangdong Province from January to February 2008. Icicles were
produced on branches and leave of trees by sleets, resulting in that many live trees were damaged by crown breaking. The
impacts of ice storm on forest soil are critical to forest restoration and management. However, people have little knowledge
about ice storm-induced impact on soil physical property. In order to study the response of soil physical property to the
damage, a typical Cunninghamia lanceolata stand in Lechang Forest Farm (located in Guangdong Province, southern China)
was selected, and three plots with size of 20 m ×20 m were set up. At each plot, soil samples were collected from 0 to 20 and
20 to 40 cm depths at the center and near the four corners of each plot to measure soil physical properties, including soil bulk
density, capillary moisture capacity, total porosity, capillary porosity, non-capillary porosity and aeration porosity.
Compared to 2008, the soil bulk density of the C. lanceolata stand decreased, whereas its total porosity, capillary porosity,
non-capillary porosity, air filled porosity and capillary moisture capacity increased in 2011. Our results indicated that ice
storm resulted in changes in soil physical property.
Key words: ice storm damage; soil physical property; Cunninghamia lanceolata stand; northern Guangdong; forest restoration
86 生 态 科 学 34 卷
1 前言
土壤是林木生长的载体, 是森林生态系统的重
要组成部分之一。土壤物理性质被认为是立地质量
的重要指标[1], 是肥沃的森林土壤形成过程中一个
重要部分, 直接或间接影响土壤的通气透水、保肥
性能和养分转化, 并对林木生长产生重要影响[2–3],
因此是重要的研究领域之一[4]。
2008年1—2月, 我国南方地区遭遇罕见的低温
冰雪灾害袭击, 导致大面积的森林受害。冰灾破坏
冠层结构, 使林冠开度增加, 造成林地太阳辐射水
平提高, 温度上升及土壤水分增加。光环境、水和
热条件的改善,加快了凋落物的分解速度[5–6], 引起
了土壤通气度、含水量、排水量、容重和温度的改
变[7–10]。另外, 冰雪灾害后, 林冠折断引起的大量林
冠残体覆盖林地, 在分解过程中对土壤产生影响。
目前, 冰雪灾害对森林影响的研究集中在对森林的
损害[11–15], 森林生物群落的变化[16–19], 凋落物的影
响[20–21]等方面, 罕见冰雪灾害后土壤物理特性变化
报道[22–24]。这些有限的研究局限于冰雪灾害后1年内,
而土壤性质, 特别是土壤物理性质的变化是个缓慢
的过程, 因此需要开展进一步的研究。
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方地
区的主要的优良用材树种, 2008 年受到严重的冰雪
灾害[25–26]。作者对冰雪灾害 3 年后的一个粤北杉木
林的土壤物理性质进行研究, 可以为自然干扰下的
杉木林和其他森林生态系统的恢复和土壤管理提
供参考。
2 材料与方法
研究地位于广东省最北部的乐昌市乐昌林场
(24°57′—25°31′N, 112°51′—113°34′E), 东与仁化接
壤, 南与曲江、乳源交界, 西北毗邻湖南省的宜章、
汝城, 是粤、湘、桂、赣4省(区)交汇中心, 有广东“北
大门”之称。乐昌属中亚热带季风气候区; 年平均
降水量2522.3 mm, 年平均蒸发量1417.9 mm; 雨
季为4月至8月, 旱季为11月至翌年2月。年平均温
度19.6 ℃, 7月平均气温28.2 ℃, 极端高温38.4 ℃,
1月平均气温9.3 ℃, 极端低温–4.6 ℃, 无霜期270
d, 相对湿度70%—84%。土壤为花岗岩发育成的中
厚腐殖质层厚土层山地黄红壤。
2008 年 3 月在冰雪灾害后的杉木林内建立三个
面积为 20 m×20 m 的固定标准地。试验林地处西南
坡, 坡度约 30°, 海拔约为 700 m。标准地内的杉木
人工林全部折干, 残干的平均胸径为 18.0 cm, 平均
树高为 12.7 m, 密度 1667 株hm–2。2008 年杉木林
内无灌木, 草本层有狗脊 (Rhizoma Cibotii)和铁线
蕨(Adiantum capillus-veneris); 2011 年灌木层有空心
泡(Rubus rosaefolius)、悬钩子(Rubus corchorifolius)、
米碎花(Eurya chinensis )等 9 种灌木, 草本层有楼梯
草(Elatostema umbellatum)、狗脊 (Rhizoma Cibotii)、
下田菊(Adenostemma lavenia)等 14 种草本植物。
在2008年3月和2011年3月在标准地内用环刀
法测定上土层(0—20 cm)和下土层(20—40 cm)的
土壤物理性质(3个重复)。土壤物理性质的测定方
法如下[10,27–28]:
土壤毛管持水量(%)=环刀内水分重量/环刀内
干土重×100
总孔隙度(%)＝(1－土壤容重/土壤比重)×100
毛管孔隙度(%)＝毛管持水量×土壤容重
非毛管孔隙度(%)＝总孔隙度－毛管孔隙度
通气孔隙度(%)＝总孔隙度－含水量×容重
测定数据利用 Microsoft Excel 2003 进行数据
处理和作图。数据经 Excel 2003 整理后, 采用 SAS
8.1 软件系统进行多重比较。
3 结果与分析
冰雪灾害后, 2008年和2011年上土层(0—20 cm)
的土壤容重分别为1.17和0.96 g·cm3, 下土层(20—
40 cm)分别为1.19和0.96 g·cm3。2008年上层的土壤
容重土略低于下层, 2011年则两层相等; 与2008年
相比, 2011年上下土层的土壤容重均降低(图1A)。
2008年和2011年上土层土壤毛管持水量分别为43%
和57%, 下土层分别为45%和58%, 两年上土层土壤
毛管持水量均略低于下层土; 与2008年相比, 2011
年上下土层的土壤毛管持水量均升高, 其中下土层
显著升高(P<0.05, 图1B)。2008年和2011年上土层的
土壤总孔隙度分别为57%和64%, 下土层分别为
55%和64%, 2008年上土层的土壤总孔隙度略高于下
土层, 2011年则相同; 与2008年相比, 2011年上下土
层的土壤总孔隙度均升高, 其中下土层显著升高
(P<0.05, 图1C)。2008年和2011年上土层土壤毛管隙
度分别为51%和54%, 下土层分别为53%和55%, 两
年上土层的土壤毛管隙度均略低于下土层; 与2008
3 期 许建新, 等. 冰雪灾害对粤北杉木林土壤物理性质的影响 87
注: A: 土壤容重; B: 土壤持水量; C: 土壤总孔隙度; D: 土壤毛管孔隙度; E: 土壤非毛管孔隙度; F: 土壤通气孔隙度
□：2008 年; : 2011 年。
图 1 不同土层土壤的物理性质
Fig. 1 Soil physical properties of different soil layers
年相比, 2011 年上下土层的土壤毛管隙度均升高,
其中上土层显著升高(P<0.05, 图 1D)。2008 年和
2011 年上土层土壤非毛管隙度分别为 6%和 12%,
下土层分别为 3%和 11%, 两年上土层的土壤非毛管
隙度均大于下土层; 与 2008 年相比, 2011 年上下土
层的土壤非毛管隙度均升高, 其中下土层显著升高
(P<0.05, 图 1E)。2008 年和 2011 年上土层土壤通气
管隙度分别为 13%和 29%, 下土层分别为 8%和 21%,
两年上土层的土壤毛管隙度均大于下土层; 与 2008
年相比, 2011 年上下两土层的土壤毛管隙度均显著
升高(P<0.05, 图 1F)。
4 结论与讨论
土壤容重是表征土壤质量的一个重要参数[29],
反映了土壤的疏松程度与通气性。一般情况下, 容
重小的土壤结构疏松, 通气性良好, 有利于拦渗蓄
水, 减缓径流冲刷。若土壤容重过大, 会降低土壤水
分和孔隙度[30–31], 并且妨碍林木根系的正常生长。
本研究中, 冰雪灾害3年后自然恢复的杉木林地土
壤物理性质得到改善, 土壤容重降低, 土壤毛管持
水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通
气孔隙度均升高, 表明冰雪灾害对土壤理化性质有
重要影响。林下植被的生长, 尤其是灌木的生长, 有
利于减小土壤容重(对降低 0~20 cm土层容重的作用
较为显著), 扩大杉木根系的分布深度[32]。 冰雪灾害
后杉木林下灌草层迅速发展, 林下植物在数量与种
类上明显增加, 根系在土壤中密集穿插, 改善了土
壤的团粒结构, 紧实度减低, 另外, 冰雪灾害后由
于大量的枝叶残体输入土壤, 在分解过程中增加了
土壤有机质, 有利于土壤团粒结构的形成, 导致土
壤容重减少[24]。
土壤孔隙可分为大孔隙(非毛管孔隙)与小孔
隙(毛管孔隙), 直接影响着土壤的通气透水性及
根系穿插的难易程度, 关系到林地土壤对降水的
贮存能力, 对土壤中水、肥、气、热以及生物活
性等发挥着不同的作用[33]。土壤毛管孔隙度与土
壤持蓄水能力有关。2011 年的上下土层毛管持水
量均高于 2008 年, 表明土壤的蓄水能力增强了。
这可能是由于凋落物增加了, 影响水分的渗透、
蒸发、多孔性和土壤温度[34]。另外土壤有机质和
88 生 态 科 学 34 卷
孔隙的增加会提高土壤持水能力[35]。土壤非毛管
孔隙是土壤重力水移动的主要通道, 与土壤蓄渗
水能力较为密切 [36], 非毛管孔隙度的增大, 有利
于水分的及时排空, 更加有利于水分的下渗[37]。
通气孔隙度的增大, 表明土壤的通气透气性有所
改善。2011 年上下土层的非毛管孔隙度和通气孔
隙度均高于 2008 年的土壤, 原因可能是(1)冰雪
灾害后林冠残体积累于地表, 可以补充森林土壤
有机质,有利于团聚体的形成, 使得土壤变得疏松,
会导致土壤孔隙增加,改善土壤的透气透水性[21,24];
(2)大量林冠残体存在地表, 可以使地表温度和土
壤湿度的波动趋于缓和, 改善了微生物的生存环
境, 促进了凋落物的分解, 进而增大土壤孔隙 [24];
(3)凋落物增加了表层凋落物的腐殖质, 为土壤动
物和微生物发展提供了能源[38]。土壤中动物和微
生物数量增加, 其活跃的活动在土壤中形成了大
量纵横交错的水分通道, 增加了土壤的孔隙度和
透水性[39]; (4)林下植物根系在林地上层土壤的生
长穿插, 促进了土壤团粒结构。
2008 年的土壤容重和 2008 年及 2011 年的毛管
持水量和毛管孔隙度均是上土层的小于下土层, 而
2008 年的土壤总孔隙度和 2008 年及 2011 年的非毛
管孔隙度和通气孔隙度则是上土层大于下土层。这
是由于上土层林下植物根系的松土作用强, 土壤动
物和微生物活跃造成的。
总的来说, 冰雪灾害 3 年后杉木林地整体的土
壤物理性质得到了改善, 总孔隙、毛管孔隙和非毛
管孔隙大幅度提高, 土壤孔隙配比更为合理。由于
土壤孔隙得到改善, 土壤持水性能也明显地提高,毛
管持水量大幅度地提高。原因是冰雪灾害引起的林
窗或林隙改善了林地光照、水分等条件,增加了土壤
温度变动幅度, 加快了凋落物的分解[8,40]。此外, 林
隙促进了林下植物生长, 植物根系发达,细根周转
速度较快, 有利于减少土壤容重, 增加孔隙度[8,41]。
孔隙度越大, 通气性能越好, 土壤容重越低[42]。土壤
物理性质的这些变化, 有利于土壤微生物活动, 促
进腐殖质的分解及土壤肥力作用的发挥和林木根系
的穿插生长[43]。由于土壤结构状况趋好, 土体结构
疏松透气性逐佳, 这有利于水分渗透和养分输送,
从而提升了林地的肥力。
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