黃土高原典型林分土壤水文物理性質(zhì)及持水性能

張曉梅，邸利，王彥輝，史再軍，張曦慧，王正安，費(fèi)俊娥，郭保才，唐瑜敏，楊寶寶

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.涇川縣官山林場(chǎng)，甘肅 涇川 744306；4.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏 固原 756000；5.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450000；6.涇川縣林業(yè)局，甘肅 涇川 744306)

森林土壤由于受森林凋落物、植物根系以及依存于森林植被下特殊生物群的影響，因而具有一些獨(dú)特的水文-物理特征[1].森林土壤的水文物理性質(zhì)是決定森林生態(tài)水文功能的重要基礎(chǔ)，是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的重中之重[2-3].研究表明，土壤層供給的森林涵養(yǎng)水源量超過(guò)85%，而地上植被和枯落物的持水量不足15%[4-5].目前，國(guó)內(nèi)外專家及學(xué)者對(duì)林地土壤層水文功能已作了大量的研究工作，并取得了一定成果.王忠誠(chéng)等[7]對(duì)洞庭湖區(qū)楊樹(shù)林與杉木林土壤持水性能的研究發(fā)現(xiàn)杉木林蓄水能力優(yōu)于楊樹(shù)林，且土壤的蓄水量主要取決于土壤孔隙狀況.王正安等[6]對(duì)六盤山4種植被類型土壤層物理性質(zhì)研究表明，華北落葉松林和白樺林的蓄水性能優(yōu)于沙棘灌叢和草.劉宇等[8]對(duì)秦嶺火地塘林區(qū)3種土地利用類型的土壤潛在水源涵養(yǎng)能力研究表明，松櫟混交林地>農(nóng)用地>荒草地.趙世偉等[9]對(duì)子午嶺次生植被土壤蓄水性能及有效性的研究發(fā)現(xiàn)，喬木林地蓄水量最大而撂荒地最小.黃土高原干旱、半干旱區(qū)不同林分類型受多種因素影響諸如研究區(qū)的森林立地條件、林木生長(zhǎng)狀況、海拔、坡度、根系分布、枯落物數(shù)量等生態(tài)因子及人工活動(dòng)等的影響[5-6]，其土壤物理性質(zhì)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.以往研究多集中在同一區(qū)域不同樹(shù)種及模型的研究，對(duì)不同區(qū)域的研究相對(duì)較少，因此，文中基于各項(xiàng)土壤物理特性的調(diào)查，應(yīng)用方差分析對(duì)黃土高原地區(qū)3種典型林分土壤水文功能進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)和差異比較，有利于當(dāng)?shù)厮Y源綜合管理，為黃土高原地區(qū)林業(yè)生態(tài)工程植被建設(shè)中的林分種類選擇提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

在黃土高原大尺度范圍內(nèi)，選擇3種典型林分：賀蘭山油松天然林、子午嶺油松次生林、六盤山華北落葉松人工林及隴東黃土高原刺槐人工林，采樣地點(diǎn)分別位于賀蘭山蘇峪口國(guó)家森林公園、延安官莊林場(chǎng)、固原疊疊溝林場(chǎng)與涇川官山林場(chǎng).蘇峪口國(guó)家森林公園位于銀川市西北的賀蘭山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地處中溫帶干旱氣候區(qū)，海拔2 960 m,植被覆蓋率為70%；官莊林場(chǎng)位于黃龍縣崾峴鄉(xiāng)境內(nèi)，地處子午嶺東南，森林資源豐富，植被覆蓋率達(dá)86%；疊疊溝林場(chǎng)位于六盤山北側(cè)的土石山區(qū)，海拔1 975～2 615 m,流域面積25.4 km2，流域形狀系數(shù)1.58，植被覆蓋率為80%；官山林場(chǎng)位于隴東黃土高原涇川縣中溝小流域，典型的大陸性氣候，流域面積2.09 km2，海拔1 072～1 351 m，刺槐林占整個(gè)林分面積的92%.研究區(qū)地理位置與詳細(xì)情況見(jiàn)圖1與表1.

圖1 研究區(qū)域與位置Figure 1 The geographical position of sample areas

表1 研究區(qū)基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 刺槐、油松、華北落葉松作為黃土高原主要的水保林營(yíng)造樹(shù)種，分布較為廣泛且有較好的水土保持效益.于2016年8月在黃土高原選取環(huán)境條件相近并均有黃土分布的3種林分類型(華北落葉松林、油松天然林/次生林、刺槐林)，按長(zhǎng)1.5 m、寬1 m挖土壤剖面，采用機(jī)械分層取土法，用體積100 m3的環(huán)刀按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm分6層采集原狀土，每層取3個(gè)重復(fù).

1.2.2 土壤物理性質(zhì)及持水量測(cè)定 依據(jù)國(guó)標(biāo)《LY/T1215-1999森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定》，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性質(zhì).依據(jù)公式計(jì)算土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量，以其作為土壤持水性能指標(biāo).公式分別為：

土壤最大持水量Wt= 10 000Pt·h

土壤非毛管持水量W0=10 000P0·h

土壤毛管持水量Wc= 10 000Pc·h

式中，PT為土壤總孔隙度(%)，P0為土壤非毛管孔隙度(%)，Pc為土壤毛管孔隙度(% )，h為土層厚度(m).

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007及SPSS 19.0的Duncan’s多重比較法進(jìn)行土壤水文物理性質(zhì)差異性分析，采用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行土壤物理性質(zhì)與持水性能相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤容重、孔隙度的差異

土壤容重、孔隙度是土壤中水分、養(yǎng)分、微生物等的重要通道與活動(dòng)場(chǎng)所，也是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)[10].土壤容重小則土壤較為疏松，通氣性良好，反之則土壤較為緊實(shí)，通氣性能較差.由表2可知，子午嶺油松次生林、賀蘭山油松天然林與六盤山華北落葉松人工林的土壤容重均隨土層加深而增大，隴東黃土高原刺槐人工林土壤容重最大值出現(xiàn)在20～40 cm處.子午嶺油松次生林與賀蘭山油松天然林在0～20 cm深度內(nèi)差異極顯著(P<0.01),20～60 cm范圍內(nèi)差異顯著(P<0.05)，在60～100 cm深度范圍內(nèi)子午嶺油松次生林與隴東黃土高原刺槐人工林差異顯著(P<0.05)；賀蘭山油松天然林與隴東黃土高原刺槐人工林在0～10、10～40 cm范圍內(nèi)分別為差異極顯著(P<0.01)與差異顯著(P<0.05),賀蘭山油松天然林與六盤山華北落葉松人工林在0～10、10～20 cm與40～60 cm范圍內(nèi)分別為差異極顯著(P<0.01)與差異顯著(P<0.05),其它相同土層不同林分類型間土壤容重?zé)o顯著差異.在0～100 cm深度范圍內(nèi)，土壤容重變化范介于0.98～1.24 g/cm3之間，土壤容重均值以子午嶺次生油松(1.24 g/cm3)最大，隴東黃土高原人工刺槐(1.16 g/cm3)與六盤山華北落葉松(1.16 g/cm3)次之，賀蘭山油松天然林(0.98 g/cm3)最小.

土壤總孔隙度的大小是決定林地土壤通氣透水性能與涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)，總孔隙度大表明土壤疏松通透性好利于植物根系伸展[13].非毛管孔隙度對(duì)森林蓄水性能有至關(guān)重要的影響，是評(píng)價(jià)林地水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)[14].由表2可知，不同林分類型同一土層間的土壤總孔隙度與毛管孔隙度存在顯著差異，刺槐林土壤總孔隙度最大值在10～20 cm處(52.68%)，其他林分土壤總孔隙度均隨土層深度增加而減小，子午嶺油松次生林與隴東黃土高原刺槐人工林土壤毛管孔隙度隨土層加深而增大，賀蘭山油松天然林毛管孔隙度隨土層加深而減小，六盤山華北落葉松人工林土壤毛管孔隙度呈波動(dòng)變化.不同林分類型間的土壤非毛管孔隙度無(wú)顯著差異，除賀蘭山油松天然林存在波動(dòng)變化外，其它林分類型均隨土層加深逐漸減小.在0～100 cm深度內(nèi)，土壤總孔隙度大小依次為賀蘭山油松天然林(54.78%)>隴東黃土高原刺槐人工林(51.75%)>六盤山華北落葉松人工林(48.31%)>子午嶺油松次生林(48.27%),毛管孔隙度為賀蘭山油松天然林(45.42%)>隴東黃土高原刺槐人工林(41.44%)>六盤山華北落葉松人工林(39.90%)>子午嶺油松次生林(38.71%),土壤非毛管孔隙度為隴東黃土高原刺槐人工林(10.31%)>子午嶺油松次生林(9.56%)>賀蘭山油松天然林(9.36%)>六盤山華北落葉松人工林(8.42%).

表2 不同林分類型0～100 cm土壤容重和孔隙度

同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示同一土層下不同林分類型間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示同一土層下不同林分類型間差異極顯著(P<0.01).

Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference between different stand types under the same soil layer(P<0.05),Different uppercase letters show extremely significant differences between different stand types under the same soil layer(P<0.01).

2.2 不同林分類型土壤持水性能差異

土壤水分是土壤中營(yíng)養(yǎng)循環(huán)流動(dòng)與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的載體，對(duì)不同林分類型土壤蓄水能力的研究有助于了解不同林分類型的森林土壤保水性能[15].飽和持水量代表土壤最大含蓄水的能力，毛管水為植物生存的基礎(chǔ)，可為植物根毛及土壤中細(xì)菌所利用，非毛管持水主要受重力作用向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度較快，可起到調(diào)蓄洪峰的重要作用[4,13].由表3可知，0～100 cm土層內(nèi)，除賀蘭山油松天然林土壤飽和持水率、毛管持水率與非毛管持水率在各層無(wú)顯著差異以外，其它林分在土壤剖面垂直分層上的持水能力大部分存在顯著差異.土壤飽和持水率最大值均出現(xiàn)在0～20 cm的表層土壤，隨土層加深呈波動(dòng)降低的趨勢(shì).賀蘭山油松天然林與六盤山華北落葉松人工林隨土層深度增加土壤毛管持水率與非毛管持水率逐層降低，而子午嶺油松次生林毛管持水率與非毛管持水率波動(dòng)變化且在80～100 cm深度處達(dá)到最大值，隴東黃土高原刺槐人工林最大毛管持水率與最大非毛管持水率分別出現(xiàn)在80～100 cm與0～10 cm處，這主要與表層枯落物累積狀況、分解速率及不同樹(shù)種在不同土層根系分布的密集程度有關(guān).

綜合Duncan’s多重比較的結(jié)果，0～100 cm深度內(nèi)，賀蘭山油松天然林土壤飽和持水率、毛管持水率與非毛管持水率的均值都與其他3種林分類型差異極顯著(P<0.01),土壤飽和持水率、毛管持水率與非毛管持水率大小依次為賀蘭山油松天然林>隴東黃土高原刺槐人工林>六盤山華北落葉松人工林>子午嶺油松次生林.

2.3 不同林分類型土壤水文物理指標(biāo)的相關(guān)性

土壤水文物理指標(biāo)受成土過(guò)程影響的同時(shí)也影響林地土壤的持水性能，各物理指標(biāo)在一定程度上存在關(guān)聯(lián)[16].運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)土壤物理性質(zhì)與持水性能進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析(表4)，結(jié)果表明，土壤容重與土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水率、毛管持水率、非毛管持水率均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中以土壤容重與土壤飽和持水率的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為-0.961；土壤的總孔隙度、毛管孔隙度與持水性能存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，非毛管孔隙度與土壤飽和持水率呈極顯著正相關(guān)，與毛管持水率及非毛管持水率仍存在正相關(guān)關(guān)系但影響不顯著，說(shuō)明土壤總孔隙度與非毛管孔隙度越大土壤的飽和持水率越高，則土壤持水性能越好.

表3 不同林分類型0～100 cm土壤持水能力

同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示同一土層下不同林分類型間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示同一土層下不同林分類型間差異極顯著(P<0.01).

Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference between different stand types under the same soil layer(P<0.05),Different uppercase letters show extremely significant differences between different stand types under the same soil layer(P<0.01).

表4 不同林分類型各物理指標(biāo)的相關(guān)性

**表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).n=72.

**Singnificant correlation at 0.01 level (bilateral).

3 討論

在黃土高原大尺度內(nèi)，不同林分類型0～100 cm深度的土壤容重隨土層加深而增大，孔隙度則隨土壤加深而減小，這與顧宇書(shū)[13]、孫艷紅[17]等對(duì)森林土壤物理性質(zhì)隨土層深度變化的研究一致.3種不同林分類型土壤總孔隙度變化范圍為45.28%～59.45%，與魯邵偉[18]對(duì)中國(guó)大部分森林生態(tài)系統(tǒng)土壤總孔隙度范圍為40%～60%的研究結(jié)果相一致.1 m深度內(nèi)土壤容重以子午嶺油松次生林為最大，隴東黃土高原刺槐人工林與六盤山華北落葉松人工林次之，賀蘭山油松天然林最小，而土壤總孔隙度以賀蘭山油松天然林最大，子午嶺油松次生林為最小，這說(shuō)明賀蘭山油松天然林土壤質(zhì)地疏松，有較好的水源涵養(yǎng)能力.

不同林分類型同一土層間的持水性能存在差別，1 m深度內(nèi)，賀蘭山油松天然林與子午嶺油松次生林、隴東黃土高原刺槐人工林以及六盤山華北落葉松人工林的土壤飽和持水率、毛管持水率及非毛管持水率均存在極顯著差異(P<0.01),土壤持水率以賀蘭山油松林為最大，隴東黃土高原刺槐人工林與六盤山華北落葉松人工林次之，子午嶺油松次生林最差.土壤孔隙度是影響土壤蓄水能力的關(guān)鍵因素，賀蘭山油松天然林地受到人為擾動(dòng)較小，林下有機(jī)質(zhì)的大量堆積形成“林褥層”[7]，土壤質(zhì)地疏松，總孔隙度(54.78%)與毛管孔隙度(45.42%)均最大，因而其持水性能最好.子午嶺油松次生林的土壤總孔隙度與非毛管孔隙度均優(yōu)于六盤山華北落葉松，但其飽和持水率、毛管持水率和非毛管持水率卻最低，這可能與枯落物分解狀況及植物根系分布有關(guān)，也與土壤質(zhì)地以及人類活動(dòng)都有關(guān).不同林分土壤持水率受土壤容重的影響最為顯著.

本研究對(duì)不同林分類型物理性質(zhì)和持水性能的差異比較發(fā)現(xiàn)，賀蘭山油松天然林的持水性能最好，隴東黃土高原刺槐人工林與六盤山華北落葉松人工林次之，子午嶺油松次生林最差，這與部分學(xué)者認(rèn)為的天然林對(duì)土壤的改善能力優(yōu)于人工林的研究結(jié)論一致[19-20].但是子午嶺油松次生林與六盤山華北落葉松人工林的土壤孔隙度與持水性能的反差需在以后的研究中更加深入，未來(lái)需綜合考慮樹(shù)種差異及人工林與天然林林分結(jié)構(gòu)、立地條件等因子的綜合影響，以期對(duì)黃土高原大尺度內(nèi)不同林分類型土壤物理性質(zhì)與持水性能提出更科學(xué)的理論指導(dǎo).

4 結(jié)論

不同林分類型的土壤容重及孔隙度有顯著差異.土壤容重隨土層深度增加而增大，而孔隙度則隨土壤深度增加而減小，不同林分類型的土壤容重為子午嶺油松次生林>隴東黃土高原刺槐人工林與六盤山華北落葉松人工林>賀蘭山油松天然林,土壤總孔隙度與毛管孔隙度為賀蘭山油松天然林>隴東黃土高原刺槐人工林>六盤山華北落葉松人工林>子午嶺油松次生林,土壤非毛管孔隙度為隴東黃土高原刺槐人工林>子午嶺油松次生林>賀蘭山油松天然林>六盤山華北落葉松人工林，可見(jiàn)賀蘭山油松天然林對(duì)土壤改善具有優(yōu)越性.

賀蘭山油松天然林含蓄水源能力最好，隴東黃土高原刺槐人工林與六盤山華北落葉松人工林次之，子午嶺油松次生林最差.賀蘭山油松天然林土壤飽和持水率、毛管持水率與非毛管持水率均值均與其它三種林分類型差異極顯著(P<0.01).

土壤容重與其它所有指標(biāo)均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與土壤飽和持水率負(fù)相關(guān)性及正相關(guān)性最好的分別是土壤容重與總孔隙度，說(shuō)明土壤容重通過(guò)影響孔隙度進(jìn)而影響土壤持水性能.