杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究

周 瑋， 朱 軍， 吳 鵬， 丁訪軍， 崔迎春

（貴州省林科院，貴州 貴陽 550005）

杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究

周 瑋， 朱 軍， 吳 鵬， 丁訪軍， 崔迎春

（貴州省林科院，貴州 貴陽 550005）

采用環(huán)刀法測定了杠寨小流域5種植被類型下土壤的水分物理特性。結(jié)果表明：（1）隨著土層的增加，土壤密度增加，滲透系數(shù)減小，火棘灌叢土壤密度（1.24 g/cm3）最大，華山松馬尾松混交林土壤密度（1.04 g/cm3）最小；華山松林滲透系數(shù)最大，為7.17 m/d，麻櫟林滲透系數(shù)最小(2.2 m/d)。(2)杠寨小流域土壤的總孔隙度在50%左右，麻櫟林及火棘灌叢毛管孔隙度所占比例最小，僅占總孔隙度的1/10，針葉林的非毛管孔隙度相對較大，占總孔隙度的1/5以上。（3）不同植被類型下土壤的現(xiàn)有含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即華山松林＞馬尾松林＞火棘灌叢＞華山松馬尾松混交林＞麻櫟林。馬尾松華山松混交林中土壤的蓄水、排水能力均最好，分別為165.00 t/hm2及203.33 t/hm2；火棘灌叢蓄水能力最差，僅為84.67 t/hm2，麻櫟林排水能力最差，為92.18 t/hm2。

杠寨小流域; 植被類型; 土壤水分物理特性

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植物群落發(fā)生和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物群落又反過來影響著土壤性質(zhì)和肥力狀況[1]，是森林發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的重要場所[2]。林地土壤的水文特征不僅是氣候、植被、地形及地質(zhì)等自然條件綜合作用的結(jié)果，而且也是森林生態(tài)系統(tǒng)水分小循環(huán)中林分結(jié)構(gòu)與功能特征的綜合體現(xiàn)[3-5]。

森林具有涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化水質(zhì)的功能，對于改善生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。森林土壤的水分物理性質(zhì)直接影響著土壤水分貯存量和貯存方式，關(guān)系到森林涵養(yǎng)水源能力的強(qiáng)弱。森林的水源涵養(yǎng)、水土保持功能中很重要的一個方面是保持河流水文的穩(wěn)定狀況，即對洪水流量的消減和枯水流量的補(bǔ)充，它決定于土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，取決于孔隙度的大小和性質(zhì)。水分只有在土壤中得到充分的涵蓄，才能有效地減弱地表徑流的產(chǎn)生，調(diào)理河川徑流，達(dá)到涵養(yǎng)水源的目的。

杠寨小流域?qū)贋踅档闹Я髑逅饔?，清水江是烏江中游右岸的大支流之一，通過對杠寨小流域的5種不同植被類型下的土壤水分物理性質(zhì)進(jìn)行研究，旨在為科學(xué)評價同森林類型的水文生態(tài)效益提供理論依據(jù)，并進(jìn)一步研究不同森林類型的水文機(jī)理。

1 研究地自然概況

杠寨小流域主要涉及高寨苗族布依族鄉(xiāng)的杠寨村，流域面積3 020.15 hm2，屬烏江水系的支流清水江流域，清水江是烏江中游右岸的大支流之一，發(fā)源于苗嶺山脈北麓的平壩縣活龍冷水沖。地處開陽縣南面，地理位置東經(jīng)107o70′～117o00′，北緯 26o51′ ～ 26o55′，平均海拔 600～1 350 m。巖溶地貌類型以丘原山地為主，主要出露巖石為石灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖、砂頁巖。石漠化以輕度、中度為主，以及部分強(qiáng)度石漠化。冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年平均氣溫11.6～15.3 ℃，年無霜期250 d左右，常年降水量約為1 200 mm，雨熱同期，雨量充沛且多集中在夏季6、7、8這3個月，占降水量的50%左右。

森林覆蓋率為35%，植被屬亞熱帶常綠闊葉林和常綠針葉闊葉混交林，土壤主要為地帶性黃壤。林地植被主要有白櫟Quercus fabri、毛栗Castanea seguinii、小果南燭Lyonia ovalifoliavar.elliptica、小果薔薇Rosa cymosa、杜鵑Rhododendronsimsii& R.spp.、火棘Pyracantha fortuneana、山胡椒Lindera glauca、 石 生 鼠 李Rhamnus davurica、鹽 膚 木Rhus chinensis、 芒Miscanthus、 菜 蕨Callipteris esculenta、蓋蕨Athyrium minimum、狗脊蕨Woodwardia japonica、金星蕨Parathelypteris nipponica、蝴蝶花Herba iridisJaponicae、苔草Carex tristachya、茅草Imperata cylindrica。

2 材料與方法

2. 1 樣地選擇與樣品采集

于2010年12月選取杠寨小流域內(nèi)的馬尾松Pinus massoniana純林（PM）、華山松Pinus armandii純林(PA)、馬尾松+華山松混交林(PMA)、麻櫟（Quercus acutissima喬木林（QA）以及火棘Pyracantha fortuneana灌叢(PF)作為研究對象，其樣地具體情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of plots

2. 2 土樣采集和分析

2010年12月，分別對5種林型的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行剖面取樣調(diào)查：每個樣方在四角及中心各設(shè)置5個調(diào)查點(diǎn)，每個調(diào)查點(diǎn)挖3個土壤剖面(彼此相距5 m)，按0～10、10～20、20～40 cm進(jìn)行土壤分層，每層用100 cm3的環(huán)刀取原狀土樣，并用鋁盒取土供土壤含水量測定，每層3個重復(fù)。

2.3 測定方法

采用烘干法測定土壤含水量；環(huán)刀法測定土壤的密度、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，并計(jì)算土壤的飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、現(xiàn)有土壤貯水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤基本物理性質(zhì)

3.1.1 土壤密度

土壤密度說明土壤的松緊程度，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，直接影響其他土壤肥力因素和植物生長狀況，綜合反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力。圖1是研究區(qū)域內(nèi)5種不同植被類型下的土壤密度。從圖1中可以看出，5種植被類型下土壤密度的大小順序?yàn)榛鸺鄥睵F＞麻櫟林（QA）＞馬尾松林（PM）＞華山松林(PA)＞華山松馬尾松混交林（PMA），而0～20 cm土壤中火棘灌叢的土壤密度最低，其余兩層的土壤密度最大，說明火棘灌叢的表層土壤比較松散，密度較小。隨著土壤層次的加深，土壤密度增大，基本表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，3個層次土壤密度分別為0.97～1.23 、1.01～1.38 、1.07～1.37 g/cm3，這與土壤中有機(jī)物質(zhì)的積累有關(guān)。

圖1 不同植被類型的土壤密度Fig. 1 Soil density of different vegetation types

3.1.2 土壤孔隙狀況

土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度,并且對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮不同的調(diào)節(jié)功能。森林對土壤孔隙度的影響是多方面的，不同森林類型土壤的孔隙度受林分土壤發(fā)育狀況的影響很大。一般而言，林分發(fā)育到一定程度后可以改善和提高土壤的物理性狀，特別是森林的枯落物和根系對土壤孔隙度的影響較顯著。表2是不同植被類型下土壤的孔隙狀況。從表2可以看出，不同植被類型下土壤的總孔隙度平均值分別為54.73%、55.12%、53.07%、45.10%及49.37%，表現(xiàn)為馬尾松華山松混交林＞華山松林＞馬尾松林＞火棘灌叢＞麻櫟林。隨著土層的增加，土壤總孔隙度呈減小趨勢，基本表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm。經(jīng)過方差分析得出，不同土壤層次總孔隙度差異不顯著（F=7.90＜F0.05），不同植被類型之間存在極顯著差異（F=53.62＞F0.01）。

毛管孔隙是土壤中水分流通和蒸發(fā)的孔道，對于土壤蒸發(fā)和植物吸收土壤水分具有重要意義。毛管孔隙度的水分可以長時間保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)。不同植被類型下土壤毛管孔隙度的平均值分別為41.93%、40.75%、39.95%、38.60%及43.23%，表現(xiàn)為火棘灌叢＞華山松林＞馬尾松華山松混交林＞馬尾松林＞麻櫟林。方差分析表明，不同植被下土壤毛管孔隙度存在極顯著差異（F=17.85＞F0.01）。而不同土層毛管孔隙度基本表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，與總孔隙度表現(xiàn)趨勢一致。各土層之間毛管孔隙度差異極顯著（F=8.18＞F0.01）。

表2 土壤孔隙度Table 2 Soil porosity of different vegetation types

非毛管孔隙是土壤快速貯水的場所，在森林調(diào)節(jié)水分的過程中具有十分重要的作用。非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的無效水容量小，有效水的貯存容量越大。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動的主要通道，非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，更加有利于涵養(yǎng)水源[6]。不同植被類型下土壤非毛管孔隙度在馬尾松華山松混交林中最大，占13.68%，馬尾松林次之，占12.48%，火棘灌叢最小，占5.70%。方差分析表明，不同植被類型土壤非孔隙度存在極顯著差異（F=120.28＞F0.01）。隨著土層的增加，土壤非孔隙度基本表現(xiàn)為逐漸增加，且存在極顯著差異（F=15.38＞F0.01）。

一般而言，土壤總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5時，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)[7]。杠寨小流域土壤的總孔隙度在50%左右，麻櫟林總孔隙度相對較小。但總的來說不同植被類型下非毛管孔隙度相對較小，麻櫟林及火棘灌叢毛管孔隙度所占比例最小，僅占總孔隙度的1/10，土壤的通氣透水性能相對較差。而針葉林的非毛管孔隙度相對較大，占總孔隙度的1/5以上，說明針葉林下土壤的通氣性、持水性較好。

3.1.3 土壤滲濾系數(shù)

滲透系數(shù)K是綜合反映土體滲透能力的一個指標(biāo)，其數(shù)值的正確確定對滲透計(jì)算有著非常重要的意義。圖2是不同植被類型下各土層的土壤滲透系數(shù)。從圖2中可以看出，隨著土層的增加，滲透系數(shù)逐漸降低，表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm。經(jīng)過顯著分析表明，不同土層滲透系數(shù)差異極顯著（F=23.47＞F0.01）。不同植被類型下滲透系數(shù)存在極顯著差異（F=45.21＞F0.01），華山松林滲透系數(shù)最大，為7.17 m/d，馬尾松林滲透系數(shù)（6.2 m/d）次之，麻櫟林滲透系數(shù)（2.2 m/d）最小。

圖2 不同植被類型的土壤滲透系數(shù)Fig. 2 Permeability coefficient of different vegetation types

3.2 土壤涵養(yǎng)水源特性

林地土壤是水分蓄積的主要場所，土壤的水源涵養(yǎng)能力是森林水源涵養(yǎng)功能的一個重要方面。水分在土壤非毛管孔隙和毛管孔隙中的運(yùn)動和貯存方式是不同的。毛管部分是為植物提供水分或供地表蒸發(fā)，只有重力作用下的土層非毛管水才能進(jìn)入河道或水庫。土壤涵養(yǎng)水分能力是衡量土壤水分供給平衡及水土保持的重要指標(biāo)，是反映土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo)。

3.2.1 土壤的持水特性

不同植被類型下土壤的現(xiàn)有含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量表現(xiàn)出相同的規(guī)律，表現(xiàn)為華山松林＞馬尾松林＞火棘灌叢＞華山松馬尾松混交林＞麻櫟林（見表3），不同植被下含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量存在顯著差異（F值分別8.13，13.25,15.78,20.33＞F0.05）。不同土壤層次之間表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，且差異不顯著（F值分別為3.01,2.91,1.32,3.11＜F0.05）。

3.2.2 土壤的蓄水能力

土壤的最大蓄水量取決于土壤非毛管孔隙度及土層厚度[8]，土壤的蓄水性能與土壤的前期含水量密切相關(guān)。而用非毛管孔隙度來反映土壤的蓄水特性，稱為有效涵蓄量。它是用來評價不同土地類型土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個重要指標(biāo)。從表3中可以看出，5種植被類型下土壤的蓄水能力以馬尾松華山松混交林蓄水能力最強(qiáng)，平均值達(dá)到196.17 t/hm2；馬尾松林次之，為165.00 t/hm2；火棘灌叢蓄水能力最差，僅為84.67 t/hm2。不同植被類型下土壤蓄水能力差異顯著（F=15.69＞F0.05）。不同土層中土壤蓄水能力表現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律性，即隨著土層的增加而蓄水能力逐漸增加，且存在顯著差異（F=9.46＞F0.05）。可能是因?yàn)樯蠈油寥乐械母当容^發(fā)達(dá)，微生物活動劇烈，從而增加土壤中水分的蒸發(fā)流失。

表3 土壤水分特性Table 3 Soil water characteristics of different vegetation types

3.2.3 土壤的排水能力

土壤排水能力是由最大持水量與最小持水量的差值決定的。排水能力反映在大雨過后土壤吸飽的水分通過土壤的大孔隙向下滲漏到地下水層或通過側(cè)向徑流和地下徑流緩慢流向溪谷的能力[9]，是非降水時期、旱季森林溪谷徑流水和江河、水庫的泉源，是水源林水源涵養(yǎng)作用的真正所在[8]。表3中不同植被土壤排水能力表現(xiàn)為華山松馬尾松混交林＞華山松林＞馬尾松林＞火棘灌叢＞麻櫟林。針葉混交林的排水能力最好，能夠有效地調(diào)節(jié)徑流,降低旱澇等自然災(zāi)害。麻櫟林排水能力最差，且0～10 cm土壤層次排水能力均明顯高于其余兩層土壤的排水能力。

4 結(jié) 論

（1）土壤密度的大小順序?yàn)榛鸺鄥睵F＞麻櫟林（QA）＞馬尾松林（PM）＞華山松林(PA)＞華山松馬尾松混交林（PMA），隨著土壤層次的加深，土壤密度、滲透系數(shù)增大，表現(xiàn)為0～10 cm ＞10～20 cm＞20～40 cm，3個層次土壤密度分別為0.97～1.23、1.01～1.38、1.07～1.37 g/cm3。不同植被類型下滲透系數(shù)存在極顯著差異（F=45.21＞F0.01），華山松林滲透系數(shù)最大，為7.17 m/d，馬尾松林滲透系數(shù)（6.2 m/d）次之，麻櫟林滲透系數(shù)（2.2 m/d）最小。

（2）杠寨小流域土壤的總孔隙度在50%左右，但非毛管孔隙度相對較小，麻櫟林及火棘灌叢毛管孔隙度所占比例最小，僅占總孔隙度的1/10，土壤的通氣透水性能相對較差。而針葉林的非毛管孔隙度相對較大，占總孔隙度的1/5以上，說明針葉林下土壤的通氣性、持水性較好。

（3）不同植被類型下土壤的現(xiàn)有含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量表現(xiàn)出相同的規(guī)律，表現(xiàn)為華山松林＞馬尾松林＞火棘灌叢＞華山松馬尾松混交林＞麻櫟林。不同植被下土壤蓄水、排水能力存在顯著差異。馬尾松華山松混交林中土壤的蓄水排水能力均最好，分別為165.00 t/hm2及203.33 t/hm2；火棘灌叢蓄水能力最差，僅為84.67 t/hm2；麻櫟林排水能力最差，為92.18 t/hm2。

[1] 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所.中國森林土壤[M].北京：科學(xué)出版社,1986.

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Study on soil moisture physical characteristics of different vegetation types in Gangzhai small watershed

ZHOU Wei, ZHU Jun, WU Peng, D?NG Fang-jun, СU? Ying-chun
(Guizhou Academy of Forestry, Guiyang 550025,Guizhou ,Сhina)

The soil physical characteristics and water conservation characteristics of different vegetation types in Gangzhai small watershed were measured by cutting ring method. The test results show that（1) With the increase of soil layer depth, the soil density raised and the permeability coef fi cient decreased，the soil density in the shrub of Pyracantha fortuneana reached the maximum (1.24 g/cm3), that of the mixed forest of Pinus massoniana and Pinus armandii was reduced the minimum (1.04 g/cm3). The permeability coef fi cient of Pinus armandii was the maximum (7.17 m/d) and that of Quercus acutissima was the minimum (2.2 m/d). (2) The total capillary porosity in Gangzhai small watershed was about 50%, the capillary porosity of Quercus acutissima and shrub of Pyracantha fortuneana accounted for the least, being 1/10 of total capillary porosity，the non-capillary porosity of coniferous forest was relative large, accounted for over 1/5 of total capillary porosity. (3) The regularity of water content, max water content, capillary water content and fi eld water content in different vegetation types were accordant each other, they ordered from big to small as PA＞PM＞PF＞PMA＞QA.The water storage capacity and drainage capacity in PMA was the best (165.00 t/hm2and 203.33 t/hm2). The water storage capacity in PF was the worst (84.67 t/hm2). The drainage capacity in QA was the worst (92.18 t/hm2).

Gangzhai small watershed; vegetation types; physical properties of soil water

S715-3

A

1673-923X (2012)05-0092-05

2011-12-10

貴州喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理監(jiān)測評價指標(biāo)體系與監(jiān)測示范(黔科合0Z字[2009]2)；貴州省公益林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究創(chuàng)新能力建設(shè)（編號:黔科合院所創(chuàng)能[2009]4002）

周 瑋(1982-)，女，貴州盤縣人，博士，從事森林土壤生態(tài)研究；E-mail: zhwei1982802@126.com

朱 軍(1962-)，上海人，研究員，從事森林土壤及“3S”技術(shù)研究；E-mail: zhujun8821@vip.163.com

[本文編校：謝榮秀]