四川盆地丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林地土壤的穩(wěn)滲速率

駱宗詩，章 路，向成華，謝大軍，陳俊華，羅曉華

（1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；2.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081）

林地土壤是森林水文效應(yīng)的第3個(gè)活動(dòng)層面［1－2］，即降水在通過林冠層和枯枝落葉層的分配后，滲入并儲(chǔ)存于土中。根據(jù)土壤入滲曲線，土壤層對降水有3次調(diào)解分配過程［3－5］。一是降水初期的土壤入滲和地表徑流，此時(shí)土壤水還沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，土壤初滲速率較快，地表徑流較??；其次是降水進(jìn)一步加強(qiáng)，降水入滲不斷補(bǔ)充土壤水分，雨水在土壤中達(dá)到飽和穩(wěn)定階段；最后是降水進(jìn)一步加強(qiáng)，雨水在土壤中打破穩(wěn)定階段，出現(xiàn)穩(wěn)滲。可見，土壤穩(wěn)滲是土壤入滲的一部分，穩(wěn)滲速率是土壤重要的物理性質(zhì)之一，是判斷土壤透水性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。土壤水分運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，它涉及到土壤飽和、非飽和帶中的水、空氣、水汽在水力梯度、溫度梯度、濃度梯度和滲透梯度等影響下的動(dòng)態(tài)流過程，進(jìn)而影響到森林流域的界面產(chǎn)流［6］。森林植被又以其獨(dú)特的方式對土壤入滲性能產(chǎn)生直接和間接的影響［7］，而不同森林土壤的入滲特性有很大的差異［8－10］。采用Hood IL-2700自動(dòng)采集土壤入滲儀測定了四川盆地丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林帶中 3種典型林地（柏木Cupressus funebris純林、麻櫟Quercus acutissima-柏木混交林和榿木Alnus cremastogyne-柏木混交林）土壤的土壤穩(wěn)滲速率，旨在為四川盆地丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)景觀格局的優(yōu)化模式配置提供參數(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于四川省閬中市啞口鄉(xiāng)，屬于典型的四川盆地丘陵區(qū)。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為17.1°C，1月平均氣溫為6.3°C，7月平均氣溫為 27.1°C，≥10°C積溫為5 460°C，無霜期292 d，年平均降水量為1 049 mm，主要集中在7－9月。土壤為紫色土，厚20～50 cm，呈微酸性，pH 6左右［11］。研究區(qū)曾經(jīng)是荒山禿嶺，20世紀(jì)80年代初開始綠化造林，1989年長防林工程啟動(dòng)，大規(guī)模營造水土保持林，形成了現(xiàn)有以片林、帶林、林盤和臺(tái)地等3～7級交錯(cuò)分布為主體的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)景觀。人工林主要是柏木純林、櫟柏混交林和榿柏混交林。林下灌木以黃荊Vitex negundo，鐵籽Myrsine africanan，火棘 Pyracantha fortuneana等為主；草本植物以薹草 Carex spp.，圓果雀稗Paspalum orbiculare，竹葉草Oplismenus compositus等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及群落基本情況 在對閬中市啞口鄉(xiāng)踏查的基礎(chǔ)上，選擇3種典型林地類型，即柏木純林、櫟柏混林和榿柏混交林，并在典型地段設(shè)置樣地，各樣地間的環(huán)境條件基本一致（表1）。以林緣內(nèi)8～10 m為樣地的外緣線確定樣地（避開邊緣效應(yīng)），樣地大小為20 m×20 m。喬木層進(jìn)行每木檢測，并記錄灌木層和草本層的覆蓋度和林下凋落物層厚度。3種林地的群落結(jié)構(gòu)較簡單，可分喬、灌、草為3層。柏木純林喬木層由單一樹種構(gòu)成，林下灌木和草本稀疏，呈小叢分布，灌木平均高度1.6 m，蓋度10%；草本平均高度為0.8 m，蓋度15%；林下土壤呈斑塊狀裸露，地表無苔蘚和地衣覆蓋，凋落物層平均厚度為0.5 cm，林內(nèi)生境相對干燥。櫟柏混交林喬木層由麻櫟和柏木組成，林下灌木和草本較多，呈叢狀分布，灌木平均高度為2.7 m，蓋度30%；草本平均高度為1.2 m，蓋度35%；地被物層中有苔蘚和地衣出現(xiàn)，林內(nèi)枯枝落葉厚，平均厚度為4.5 cm；榿柏混交林喬木層由榿木和柏木組成，林灌木平均高度為2.2 m，蓋度25%；草本平均高度為1.3 m，蓋度30%；地被物層中有苔蘚和地衣出現(xiàn)，林內(nèi)枯枝落葉層平均厚度為3.0 cm。

表1 3種森林類型樣地基本情況Table 1 Situation of three sampling forest stands

1.2.2 土壤物理性質(zhì)和儲(chǔ)水量測定 在樣地中央確定3個(gè)土壤剖面點(diǎn)，各剖面之間的距離為3～4 m。土層分3層，即0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm。物理性質(zhì)測定時(shí)，各個(gè)土層取3個(gè)重復(fù)，土壤穩(wěn)滲速率各個(gè)土層取2個(gè)重復(fù)。采用烘干法分層測定土壤含水量，用環(huán)刀法分層測定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度［3］，并由下列公式［12］計(jì)算各層土壤最大吸持儲(chǔ)水量、最大滯留儲(chǔ)水量和飽和儲(chǔ)水量。即：Wc（mm）＝ 1 000Pch；Wn（mm）＝ 1 000Pnh；W（mm）＝ Wc+Wn。其中，Wc，Wn和W分別為土壤水分最大吸持儲(chǔ)水量、最大滯留儲(chǔ)水量和飽和儲(chǔ)水量；Pc和Pn分別為毛管孔隙度和非毛管孔隙度（%）；h為土層深度（m）。

1.2.3 土壤穩(wěn)滲速率的測定 采用德國產(chǎn)Hood IL-2700自動(dòng)采集土壤入滲儀測定土壤穩(wěn)滲速率。滲透室直接位于土壤表面，無需專門接觸層，也不需要土壤表面預(yù)處理，通過馬氏瓶原理的導(dǎo)水管路導(dǎo)水，滲透室壓力由 “馬里奧特”供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)?？呻S時(shí)通過向馬氏瓶加水以補(bǔ)充壓力。土壤表面壓力可以在0和任何負(fù)壓間調(diào)節(jié)，直到土壤起泡點(diǎn)為止。土壤表面壓力及起泡點(diǎn)可以通過U型管壓力計(jì)直接測量出來，儀器自動(dòng)采集和記錄數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中可以通過不同水壓、同水壓以及不同半徑的情況進(jìn)行測定，得到多組數(shù)據(jù)，從而計(jì)算得到土壤穩(wěn)滲系數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析 統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 13.0。土壤容重、孔隙度等土壤特性采用3個(gè)剖面的平均值表示，其差異的顯著性用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的單因素方差分析（one-way ANOVA檢驗(yàn)），并對差異顯著者對其平均值進(jìn)行最小顯著差數(shù)（LSD）多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地土壤孔隙度及蓄水能力比較

由表2和表3可知，表征土壤物理性質(zhì)的土壤容重和孔隙度以及評價(jià)土壤涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水分循環(huán)的最大滯留儲(chǔ)水量、最大吸持儲(chǔ)水量和飽和儲(chǔ)水量在不同森林、不同土層間表現(xiàn)出一定的差異。同一林地不同土層間，隨土層厚度加深，土壤容重顯著增大（P＜0.05），土壤孔隙度相應(yīng)地顯著減少（P＜0.05）；土壤儲(chǔ)水量隨土層厚度加深亦相應(yīng)地顯著減少（P＜0.05）（表2）。同一土層不同森林類型間的容重、孔隙度和儲(chǔ)水量等土壤性質(zhì)有明顯的差異（P＜0.05）（表3），各層土壤容重表現(xiàn)為柏木純林＞櫟柏混交林＞榿柏混交林；土壤總孔隙度表現(xiàn)為櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，但混交林之間差異不顯著；林地總土層的飽和儲(chǔ)水量和最大滯留儲(chǔ)水量表現(xiàn)為櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，但混交林之間差異不顯著。

表2 同一林分不同土層的土壤物理性狀及儲(chǔ)水特征比較Table 2 Comparison of soil physical characteristic and water holding capacities at the same forest stands

表3 同一土層不同林分類型森林土壤物理性狀及儲(chǔ)水特征比較Table 3 Comparison of soil physical characteristic and water holding capacities in the same soil depth

2.2 林地土壤穩(wěn)滲速率比較

由表4可知，同一森林不同土層之間的穩(wěn)滲速率存在極顯著差異（P＜0.01），0～10 cm土層的穩(wěn)滲速率遠(yuǎn)高于10～20 cm和20～30 cm土層，3個(gè)林分總的趨勢是0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm土層。通過LSD比較，柏木純林和榿柏混交林10～20 cm，20～30 cm土層之間穩(wěn)滲速率的差異沒達(dá)到顯著水平，而櫟柏混交林3個(gè)土層的差異都達(dá)到顯著水平。由表5可知，同一土層不同林分之間的土壤穩(wěn)滲速率有顯著性差異（P＜0.05）。通過LSD多重檢驗(yàn)，0～10 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，達(dá)到0.01的差異極顯著水平；10～20 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，混交林與純林之間差異達(dá)到0.01的差異水平，而混交林之間的差異不顯著；20～30 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：榿柏混交林＞櫟柏混交林＞柏木純林，混交林與純林之間達(dá)到0.05的差異水平，而混交林之間的差異不顯著。

表4 同一森林類型、不同土層的土壤穩(wěn)滲速率及LSD多重比較Table 4 Comparison of soil steady infiltration rate of different soil layers and their LSD multiple comparisons

表5 同一土層不同森林類型的土壤穩(wěn)滲速率方差分析Table 5 ANOVA analysis of soil steady infiltration rate of three forest stands

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤物理性狀與土壤穩(wěn)滲率的關(guān)系

土壤入滲是水分在土壤內(nèi)部分布的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程［6］，它的運(yùn)動(dòng)勢必受到土壤物理性狀的影響。有研究表明［1，4，13］，土壤穩(wěn)滲率與土壤容重、土壤孔隙度和非毛管孔隙度之間具有顯著相關(guān)性，與大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)粒含量關(guān)系十分密切。一般而言，土壤容重越小，土壤穩(wěn)滲率就越大；孔隙度越大，土壤穩(wěn)滲也越大；隨著非毛管孔隙度的增加，土壤穩(wěn)滲速率也不斷增大?；旖涣至值赝寥廊葜乇燃兞中?，毛管孔隙度和非毛管孔隙度比純林大，土壤穩(wěn)滲速率較純林高。土壤容重、孔隙度和土壤穩(wěn)滲速率也反映了林地持水量的大小，反映了森林水源涵養(yǎng)能力［2，5，12］?？梢姍蛋鼗旖涣帧伆鼗旖涣值纳鷳B(tài)功能優(yōu)于純林。

3.2 林分結(jié)構(gòu)與土壤穩(wěn)滲速率的關(guān)系

植被對土壤入滲的影響主要是通過植被生物量，尤其是根系的發(fā)育實(shí)現(xiàn)的，而植被生物量和根系發(fā)育情況與林分結(jié)構(gòu)如樹種組成、林齡和郁閉度等存在十分密切的關(guān)系，不同的林分結(jié)構(gòu)對改變林下土壤理化性質(zhì)能力強(qiáng)弱不同。研究表明［7－10，12］，闊葉林的土壤入滲性能優(yōu)于針葉林，天然次生林優(yōu)于人工林；成熟林優(yōu)于中、幼齡林。在喬木層郁閉度適中的林分中，林冠透光性較好，林下灌木、草本豐富和地表覆蓋物較多，土壤中根量、死亡的老根增多，有機(jī)質(zhì)含量較高，食腐的土壤動(dòng)物相應(yīng)增多，這有利于大量的孔隙和毛管孔隙的形成，增加土壤孔隙度，提高了土壤的入滲能力。在喬木層郁閉度過大的林分中則正好相反。研究的3種林地類型，柏木純林結(jié)構(gòu)簡單，地表無苔蘚和地衣覆蓋，林地裸露，而榿柏和櫟柏混交林結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，地被物層有苔蘚和地衣，林地覆蓋大，土壤穩(wěn)滲速率的測定結(jié)果也表明混交林土壤的穩(wěn)滲速率顯著高于柏木純林。

3.3 林地凋落物與土壤穩(wěn)滲速率的關(guān)系

林地枯枝落葉是森林生產(chǎn)力的一部分，一方面是土壤動(dòng)物和微生物的食物和能源，通過生物活動(dòng)，增加孔隙，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲能力；另一方面枯枝落葉腐爛分解后形成的腐殖質(zhì)與黏粒結(jié)合形成為微團(tuán)聚體，使土體變得疏松透水，減小土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤表面的粗燥率，延緩徑流，增加土壤入滲，也增大了土壤穩(wěn)滲速率。Kohl等［14］的研究表明，地面覆蓋可明顯提高土壤入滲性能，并且隨著覆蓋度的增加入滲率明顯提高；Bradford等［15］的研究也表明，去除覆蓋在土壤上的秸桿，土壤入滲率明顯降低。本研究的3種林地類型，柏木純林林地表面覆蓋物少，土壤裸露板結(jié)，因而土壤穩(wěn)滲率低；而混交林中林地凋落物厚，凋落物中闊葉占有較大的比例，闊葉較針葉易于分解，土壤的物理性狀較針葉純林——柏木純林得到極大的改善，土壤穩(wěn)滲率高；混交林中，櫟柏混交林的穩(wěn)滲率又比榿柏混交林高。

人工柏木純林是四川盆地丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林帶中的主要森林類型。據(jù)2007年四川省森林資料監(jiān)測數(shù)據(jù)，人工柏木純林占整個(gè)盆地丘陵區(qū)面積的58.32%。然而，由于栽植密度過大，群落結(jié)構(gòu)簡單，林下灌木和草本稀疏，土壤裸露率高，大多柏木林已淪為低產(chǎn)低效林。從土壤入滲的角度看，建議在四川盆地丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)系統(tǒng)景觀格局模式配置以及柏木低效林改造中，積極營建混交林，以達(dá)到改良土壤，增強(qiáng)土壤生態(tài)功能的目的，繼而提高森林的水土保持功能。

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