青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤機械組成和理化性質(zhì)對其飽和導水率和持水能力的影響

王瑋璐， 賀康寧，①， 張 潭， 王先棒， 張震中

(1. 北京林業(yè)大學水土保持學院， 北京 100083； 2. 水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室， 北京 100083；3. 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心， 北京 100083； 4. 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心， 北京 100083)

土壤飽和導水率(Kst)是土壤在水飽和狀態(tài)時，在單位水力梯度下，單位時間內(nèi)通過單位面積的水量[1]。相關(guān)研究結(jié)果表明：土壤飽和導水率是反映土壤水分入滲特征和抗侵蝕能力的重要參數(shù)之一[2-5]，主要受土壤理化性質(zhì)和水黏度的影響[6]，其數(shù)值大小對地表徑流的產(chǎn)生和發(fā)展有影響[7]。土壤田間持水量(Wfc)是衡量土壤持水能力的一個重要指標[8]。許廣波等[9]的研究結(jié)果表明：土壤田間持水量與土壤孔性和有機質(zhì)含量等土壤性狀密切相關(guān)。因此，提高土壤飽和導水率和田間持水量可有效減少水土流失并涵養(yǎng)水分。

目前，相關(guān)研究主要集中于不同植被類型土壤飽和導水率與田間持水量的差別以及土壤理化性質(zhì)對二者的影響等方面[10-13]。覃淼等[14]的研究結(jié)果表明：植被類型是土壤飽和導水率和田間持水量的重要影響因子，合理的植被類型可有效改善土壤的水土保持特征。馬思文等[10]的研究結(jié)果表明：三峽庫區(qū)的城郊防護林尾端的四面山不同類型人工林的土壤有機質(zhì)含量與飽和導水率呈二次曲線關(guān)系，土壤密度和孔隙度是影響其飽和導水率的最主要因子。許廣波等[9]利用通徑分析方法對土壤田間持水量的主要影響因子進行了研究，認為土壤中粒徑小于0.01 mm的黏粒含量是最大田間持水量的直接影響因子，而總孔隙度和有機質(zhì)含量的共同作用對田間持水量有顯著的間接影響。

在西北高寒區(qū)，水源涵養(yǎng)林在水資源保護中發(fā)揮著重要作用，建設(shè)水源涵養(yǎng)林對提高當?shù)氐乃春B(yǎng)能力具有重要意義，但在水源涵養(yǎng)林的建設(shè)過程中，目前還未能通過優(yōu)化森林植被組成達到提高水源涵養(yǎng)能力的目標。作者以青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林為研究對象，對各林分土壤的機械組成、理化特征、飽和導水率和田間持水量進行了比較，并分析了土壤的機械組成和理化特征與飽和導水率和田間持水量的相關(guān)性，以期明確土壤飽和導水率和田間持水量的影響因子，為青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林的建設(shè)與管理提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省西寧市大通回族土族自治縣內(nèi)的北川河流域，地理坐標為東經(jīng)100°52′～101°55′、北緯36°43′～37°28′；地處青藏高原與黃土高原的過渡地帶，海拔2 287～4 581 m，地勢西北高、東南低。北川河流域是西寧市重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，是西寧市的主要飲用水來源。

該區(qū)域森林植被中主要喬木種類有華北落葉松〔Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr) Pilg.〕、青楊(PopuluscathayanaRehd.)、青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)和祁連圓柏(JuniperusprzewalskiiKom.)等，主要灌木種類有沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch.)、金露梅(PotentillafruticosaLinn.)和臺灣小檗(BerberiskawakamiiHayata)等，主要草本種類有東方草莓(FragariaorientalisLosinsk.)、珠芽拳參(PolygonumviviparumLinn.)和高烏頭(AconitumsinomontanumNakai)等。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置 為了避免土壤類型不同以及海拔和地形差異的影響，于2017年在華北落葉松人工針葉林(Lgp，簡稱華北落葉松林)、青海云杉人工針葉林(Pic，簡稱青海云杉林)、青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林(Pic+Lgp，簡稱青海云杉+華北落葉松混交林)、青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林(Pic+Bep，簡稱青海云杉+白樺混交林)、白樺天然次生闊葉林(Bep，簡稱白樺林)和青楊人工闊葉林(Poc，簡稱青楊林)6類典型水源涵養(yǎng)林內(nèi)，分別選擇土壤類型(山地棕褐土)、海拔、坡度和坡向等基本一致的代表性樣地3個，面積均為20 m×20 m，共18個樣地。供試6類水源涵養(yǎng)林的基本概況見表1。

表1 青海高寒區(qū)供試6類水源涵養(yǎng)林的基本概況

Table 1 Basic status of six types of water conservation forests tested in cold highland area of Qinghai

林分1)Stand1)海拔/mAltitude坡度/(°)Slope坡向/(°)Aspect郁閉度Canopy density林齡/aStand age 枯落物儲量/(t·hm-2)Litter reservesLgp2 844142700.553235.3Pic2 852152960.62337.4Pic+Lgp2 862283020.6832-3323.3Pic+Bep2 862313000.637-6931.5Bep2 8602400.667-8737.0Poc2 76212650.65245.0

1)Lgp： 華北落葉松人工針葉林Artificial coniferous forest ofLarixgmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic： 青海云杉人工針葉林Artificial coniferous forest ofPiceacrassifoliat； Pic+Lgp： 青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林Artificial coniferous mixed forest ofP.crassifolia+L.gmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic+Bep： 青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林Mixed forest of artificial coniferous forest and natural secondary broad-leaved forest ofP.crassifolia+Betulaplatyphylla； Bep： 白樺天然次生闊葉林Natural secondary broad-leaved forest ofB.platyphylla； Poc： 青楊人工闊葉林Artificial broad-leaved forest ofPopuluscathayana.

1.2.2 樣品采集 2017年7月至8月，在每個樣地的上坡、中坡和下坡各布置1個土壤采樣點。使用普通環(huán)刀在0～20 cm土壤中采集3個土壤樣品，用于土壤容重和田間持水量測定；于同一采樣點，使用TWS-55型土壤滲透儀的專用環(huán)刀采集3個土壤樣品，用于土壤飽和導水率測定；另于同一采樣點采集3個土壤樣品，裝入自封袋內(nèi)，用于土壤機械組成(包括砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量)以及有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量測定。

1.2.3 各指標的測定方法 采用恒定水頭法[15]測定土壤的飽和導水率，并按照公式“Kst=QL/ATh”計算飽和導水率，式中，Kst為t℃下的飽和導水率，Q為測定時間內(nèi)的出水量，L為專用環(huán)刀中的土壤厚度，A為專用環(huán)刀的橫截面面積，T為測定時間，h為水頭差。由于溫度對水粘度有影響，進而影響飽和導水率，因此，按照公式“Ks10=Kst/(0.7+0.03t)”將Kst統(tǒng)一換算成10 ℃水溫下的飽和導水率Ks10[16]，式中，t為測定時的水溫。

采用環(huán)刀法[17]測定土壤容重(ρb)，并按照公式“Pt=(1-ρb/ρs)×100%”計算土壤總孔隙度(Pt)，其中，土壤密度(ρs)設(shè)置為2.65 g·cm-3；采用環(huán)刀浸水法[11，17]測定土壤的田間持水量(Wfc)和毛管孔隙度(Pc)；非毛管孔隙度(Pn)為總孔隙度與毛管孔隙度的差值[17]。參照文獻[18]，并使用Mastersizer 3000激光粒度儀(英國Malvern Panalytical公司)測定土壤的砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量。采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法[19]測定土壤的有機質(zhì)(OM)含量；參照文獻[20]，并使用SmartChem 200全自動化學分析儀(法國Alliance公司)測定土壤的全氮(TN)含量和全磷(TP)含量。

采用華孟分級法[21]將土壤飽和導水率(Kst)分成5個等級：很小(Kst<0.042 mm·min-1)、低(0.042 mm·min-1≤Kst<0.111 mm·min-1)、中(0.111 mm·min-1≤Kst<0.278 mm·min-1)、高(0.278 mm·min-1≤Kst<0.694 mm·min-1)和很高(Kst≥0.694 mm·min-1)。參照美國農(nóng)業(yè)部提出的USDA制[22]，按照粒徑(d)將土壤顆粒分成3類：砂粒(0.050 mm≤d<2.000 mm)、粉粒(0.002 mm≤d<0.050 mm)和黏粒(d<0.002 mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用EXCEL 2010軟件對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析，并對土壤的飽和導水率和田間持水量與其他因子進行Pearson相關(guān)性分析、多元逐步回歸分析和通徑分析。

由于土壤機械組成與其理化指標相互影響，因此，采用Pearson相關(guān)性分析不能準確反映這些指標與飽和導水率和田間持水量的關(guān)系[17]。為篩選出土壤飽和導水率和田間持水量的主要影響因子，分別以飽和導水率和田間持水量為因變量，以容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、有機質(zhì)含量(X5)、全氮含量(X6)、全磷含量(X7)、砂粒含量(X8)、粉粒含量(X9)和黏粒含量(X10)為自變量進行多元逐步回歸分析，建立多元線性方程。根據(jù)多元逐步回歸分析結(jié)果篩選出土壤飽和導水率和田間持水量的主要影響因子，并進一步進行通徑分析，明確各因子的影響程度。

4)詞匯權(quán)重。查詢語句中每個詞的權(quán)重。在檢索時，并不是所有的查詢關(guān)鍵詞的重要性是一致的。一般，名詞比動詞重要，專業(yè)詞匯比常用詞匯重要。詞匯權(quán)重可以在查詢中設(shè)定。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤機械組成和理化指標的比較及相關(guān)性分析

2.1.1 土壤機械組成和理化指標的比較 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤機械組成和理化指標的比較見表2。

從土壤機械組成可以看出：各水源涵養(yǎng)林土壤的砂粒含量和粉粒含量差異較大，而黏粒含量僅有小幅差異。其中，青楊林土壤的砂粒含量最大(51.12%)，粉粒含量最小(23.95%)；白樺林土壤的粉粒含量最大(39.89%)，砂粒含量最小(32.71%)。方差分析結(jié)果顯示：青楊林、青海云杉林和青海云杉+華北落葉松混交林的土壤砂粒含量顯著(P<0.05)高于華北落葉松林、青海云杉+白樺混交林和白樺林；白樺林和華北落葉松林的土壤粉粒含量顯著高于青海云杉林、青海云杉+華北落葉松混交林和青楊林，青海云杉+白樺混交林的土壤粉粒含量也顯著高于青楊林；各水源涵養(yǎng)林的土壤黏粒含量無顯著(P>0.05)差異。說明各水源涵養(yǎng)林僅對土壤的砂粒含量和粉粒含量有一定影響。

林分2)Stand2)土壤機械組成含量/% Content of soil mechanical components砂粒Sand 粉粒Silt黏粒Clay容重/(g·cm-3)Bulk density總孔隙度/%Total porosityLgp38.25±2.59b38.41±2.05a23.34±3.04a0.57±0.06bc78.61±2.25abPic49.58±3.54a28.78±3.11bc21.64±1.73a0.63±0.02b76.07±0.63bPic+Lgp47.66±3.05a28.12±4.06bc24.22±0.74a0.61±0.04bc76.91±1.46abPic+Bep37.13±4.18b36.93±3.88ab25.94±1.50a0.61±0.08bc77.13±2.95abBep32.71±0.87b39.89±2.01a27.40±2.48a0.48±0.03c82.01±1.29aPoc51.12±1.29a23.95±2.97c24.93±2.51a0.80±0.02a69.95±0.56c林分2)Stand2)毛管孔隙度/%Capillary porosity非毛管孔隙度/%Non capillary porosity有機質(zhì)含量/(g·kg-1)Organic matter content全氮含量/(g·kg-1)Total nitrogen content全磷含量/(g·kg-1)Total phosphorus contentLgp62.05±3.06ab16.57±0.88ab151.33±19.83ab12.81±1.47ab0.78±0.06abPic57.78±0.35bc18.30±0.83a102.61±4.13bc8.18±0.63bc0.65±0.01bPic+Lgp60.08±2.79ab16.83±1.64ab126.11±9.23bc8.40±0.88bc0.70±0.02bPic+Bep62.26±1.66ab14.86±1.30b142.16±12.98bc10.29±1.81abc0.75±0.05abBep72.64±1.38a9.37±0.34b157.07±20.11a13.98±2.05a0.95±0.08aPoc50.67±2.20c19.28±1.94a99.74±4.01c7.74±0.36c0.61±0.05c

1)同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercases in the same column indicate the significant (P<0.05) difference.

2)Lgp： 華北落葉松人工針葉林Artificial coniferous forest ofLarixgmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic： 青海云杉人工針葉林Artificial coniferous forest ofPiceacrassifoliat； Pic+Lgp： 青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林Artificial coniferous mixed forest ofP.crassifolia+L.gmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic+Bep： 青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林Mixed forest of artificial coniferous forest and natural secondary broad-leaved forest ofP.crassifolia+Betulaplatyphylla； Bep： 白樺天然次生闊葉林Natural secondary broad-leaved forest ofB.platyphylla； Poc： 青楊人工闊葉林Artificial broad-leaved forest ofPopuluscathayana.

從土壤理化指標可以看出：在各水源涵養(yǎng)林中，青楊林土壤的容重和非毛管孔隙度均最大，而其總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量均最??；白樺林土壤的容重和非毛管孔隙度均最小，而其總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量均最大。方差分析結(jié)果顯示：部分水源涵養(yǎng)林土壤的容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量存在顯著差異，且這些指標在白樺林與青楊林間均存在顯著差異。說明各水源涵養(yǎng)林對土壤理化性質(zhì)有不同程度的影響。

2.1.2 土壤機械組成與理化指標的相關(guān)性分析 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤機械組成與理化指標的Pearson相關(guān)系數(shù)見表3。

由表3可見：砂粒含量與容重和非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，與總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量呈顯著或極顯著(P<0.01)負相關(guān)；粉粒含量與容重呈極顯著負相關(guān)，與非毛管孔隙度呈不顯著負相關(guān)，與總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量呈極顯著正相關(guān)；黏粒含量與各理化指標均無顯著相關(guān)性。說明各類水源涵養(yǎng)林土壤的砂粒含量和粉粒含量對土壤理化性質(zhì)有顯著影響。

表3 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤機械組成與理化指標間的Pearson相關(guān)系數(shù)1)

Table 3 Pearson correlation coefficients of mechanical components with physical and chemical indexes of soil in six types of water conservation forests in cold highland area of Qinghai1)

1)*：P<0.05； ** ：P<0.01.

2.2 土壤飽和導水率的差異及其影響因子的統(tǒng)計分析

2.2.1 土壤飽和導水率的差異分析 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林的土壤飽和導水率差異見圖1。由圖1可見：在各類水源涵養(yǎng)林中，白樺林的土壤飽和導水率最大，達到0.748 mm·min-1；華北落葉松林、青海云杉+白樺混交林和青海云杉+華北落葉松混交林的土壤飽和導水率也較大，分別為0.089、0.084和0.045 mm·min-1；青海云杉林和青楊林的土壤飽和導水率均較小，分別為0.024和0.010 mm·min-1。

方差分析結(jié)果顯示：白樺林的土壤飽和導水率顯著(P<0.05)高于其他5類林分；華北落葉松林、青海云杉+華北落葉松混交林和青海云杉+白樺混交林的土壤飽和導水率也顯著高于青楊林。說明各水源涵養(yǎng)林對土壤飽和導水率有不同程度的影響。

2.2.2 土壤飽和導水率影響因子的統(tǒng)計分析 對青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林的土壤飽和導水率與土壤機械組成和理化指標進行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示：土壤飽和導水率與土壤的砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.413、0.417、0.478、-0.965、0.965、0.977、-0.490、0.924、0.821和0.739，其中，飽和導水率與容重呈極顯著(P<0.01)負相關(guān)，與非毛管孔隙度呈顯著負相關(guān)，與總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量呈極顯著正相關(guān)，與黏粒含量呈顯著正相關(guān)，但與砂粒含量和粉粒含量無顯著(P>0.05)相關(guān)性。說明各土壤機械組成和理化指標與土壤飽和導水率有不同程度的相關(guān)性。

不同小寫字母表示差異顯著(PP<0.05) difference．

Lgp： 華北落葉松人工針葉林Artificial coniferous forest ofLarixgmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic： 青海云杉人工針葉林Artificial coniferous forest ofPiceacrassifoliat； Pic+Lgp： 青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林Artificial coniferous mixed forest ofP.crassifolia+L.gmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic+Bep： 青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林Mixed forest of artificial coniferous forest and natural secondary broad-leaved forest ofP.crassifolia+Betulaplatyphylla； Bep： 白樺天然次生闊葉林Natural secondary broad-leaved forest ofB.platyphylla； Poc： 青楊人工闊葉林Artificial broad-leaved forest ofPopuluscathayana.

圖1 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤飽和導水率的差異

Fig. 1 Difference in saturated hydraulic conductivity of soil in six types of water conservation forests in cold highland area of Qinghai

多元逐步回歸分析結(jié)果顯示：毛管孔隙度和有機質(zhì)含量是影響土壤飽和導水率的主要因子，土壤飽和導水率(Ks10)與毛管孔隙度(X3)和有機質(zhì)含量(X5)顯著(α=0.05)相關(guān)，多元線性方程為Ks10=-5.095+0.030X3+0.016X5(R2=0.972)。

為判斷毛管孔隙度和有機質(zhì)含量對土壤飽和導水率的影響程度，進一步進行了通徑分析(表4)。結(jié)果顯示：剩余通徑系數(shù)為0.167，Durbin-Watson統(tǒng)計量為2.732，說明對土壤飽和導水率有影響的自變量已被納入多元線性方程中，且多元線性方程的殘差獨立。毛管孔隙度的直接通徑系數(shù)大于有機質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)，說明毛管孔隙度對土壤飽和導水率的直接正效應(yīng)更強，是影響土壤飽和導水率的主導因子；毛管孔隙度的間接通徑系數(shù)為0.243，小于其直接通徑系數(shù)，說明毛管孔隙度可通過改變有機質(zhì)含量間接對土壤飽和導水率產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，但這種間接效應(yīng)弱于直接效應(yīng)。有機質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)小于其間接通徑系數(shù)，說明有機質(zhì)含量可通過毛管孔隙度的改變對土壤飽和導水率間接產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，且這種間接效應(yīng)強于直接效應(yīng)。

綜上所述，在供試6類水源涵養(yǎng)林的土壤中，毛管孔隙度是影響土壤飽和導水率的直接主導因子，而有機質(zhì)含量則主要通過毛管孔隙度的改變對土壤飽和導水率產(chǎn)生間接影響。

表4 青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤毛管孔隙度和有機質(zhì)含量與飽和導水率間的通徑系數(shù)1)

Table 4 Path coefficients of capillary porosity and organic matter content with saturated hydraulic conductivity of soil in water conservation forests in cold highland area of Qinghai1)

指標Index直接通徑系數(shù)Direct path coefficient間接通徑系數(shù)Indirect path coefficientPc→Ks10COM→Ks10總計TotalPc0.734—0.2430.243COM0.2750.649—0.649

1)Pc： 毛管孔隙度Capillary porosity；COM： 有機質(zhì)含量Organic matter content；Ks10： 飽和導水率Saturated hydraulic conductivity. →： 作用方向Direction of action. —： 無數(shù)據(jù)No datum.

2.3 土壤田間持水量的差異及其影響因子的統(tǒng)計分析

2.3.1 土壤田間持水量的差異分析 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林的土壤田間持水量差異見圖2。由圖2可見：在各水源涵養(yǎng)林中，白樺林的土壤田間持水量最大，達到152.3%；華北落葉松林的土壤田間持水量也較大，為109.5%；青楊林的土壤田間持水量最小，僅為63.6%。

方差分析結(jié)果顯示：白樺林的土壤田間持水量顯著(P<0.05)大于青海云杉林、青海云杉+華北落葉松混交林和青楊林；華北落葉松林、青海云杉+華北落葉松混交林和青海云杉+白樺混交林的土壤田間持水量顯著大于青楊林。說明各水源涵養(yǎng)林對土壤田間持水量有不同程度的影響。

不同小寫字母表示差異顯著(PP<0.05 difference.

Lgp： 華北落葉松人工針葉林Artificial coniferous forest ofLarixgmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic： 青海云杉人工針葉林Artificial coniferous forest ofPiceacrassifoliat； Pic+Lgp： 青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林Artificial coniferous mixed forest ofP.crassifolia+L.gmeliniivar.principis-rupprechtii； Pic+Bep： 青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林Mixed forest of artificial coniferous forest and natural secondary broad-leaved forest ofP.crassifolia+Betulaplatyphylla； Bep： 白樺天然次生闊葉林Natural secondary broad-leaved forest ofB.platyphylla； Poc： 青楊人工闊葉林Artificial broad-leaved forest ofPopuluscathayana.

圖2 青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤田間持水量的差異

Fig. 2 Difference in field capacity of soil in six types of water conservation forests in the cold highland area of Qinghai

2.3.2 土壤田間持水量影響因子的統(tǒng)計分析 對青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林的土壤田間持水量與土壤機械組成和理化指標進行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示：土壤田間持水量與土壤的砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.529、0.678、0.280、-0.970、0.970、0.979、-0.523、0.942、0.867和0.854，其中，土壤田間持水量與土壤容重呈極顯著(P<0.01)負相關(guān)，與非毛管孔隙度和砂粒含量呈顯著負相關(guān)，與總孔隙度、毛管孔隙度、有機質(zhì)含量和粉粒含量呈極顯著正相關(guān)，與全氮含量和全磷含量呈顯著正相關(guān)。說明各土壤機械組成和理化指標與土壤田間持水量有不同程度的相關(guān)性。

多元逐步回歸分析結(jié)果顯示：毛管孔隙度和有機質(zhì)含量是影響土壤田間持水量的主要因子，土壤田間持水量(Wfc)與毛管孔隙度(X3)和有機質(zhì)含量(X5)顯著(α=0.05)相關(guān)，多元線性方程為Wfc=-87.444+1.782X3+0.642X5(R2=0.980)。

為判斷毛管孔隙度和有機質(zhì)含量對土壤田間持水量的影響程度，進一步進行了通徑分析(表5)。結(jié)果顯示：剩余通徑系數(shù)為0.141，Durbin-Watson統(tǒng)計量為2.111，說明對土壤田間持水量有影響的自變量已被納入多元線性方程中，且多元線性方程殘差獨立。毛管孔隙度的直接通徑系數(shù)大于有機質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)，說明毛管孔隙度對田間持水量的直接正效應(yīng)更強，是影響土壤田間持水量的主導因子；毛管孔隙度的間接通徑系數(shù)為0.318，小于其直接通徑系數(shù)，說明毛管孔隙度可通過改變有機質(zhì)含量對土壤田間持水量間接產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，但這種間接效應(yīng)弱于直接效應(yīng)。有機質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)略小于其間接通徑系數(shù)，說明有機質(zhì)含量可通過毛管孔隙度的改變對土壤田間持水量間接產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，且這種間接效應(yīng)略強于直接效應(yīng)。

綜上所述，在供試6類水源涵養(yǎng)林的土壤中，毛管孔隙度是影響土壤田間持水量的直接主導因子，而有機質(zhì)含量則主要通過毛管孔隙度的改變對土壤田間持水量產(chǎn)生間接影響。

表5 青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤毛管孔隙度和有機質(zhì)含量與田間持水量間的通徑系數(shù)1)

Table 5 Path coefficients of capillary porosity and organic matter content with field capacity of soil in water conservation forests in cold highland area of Qinghai1)

指標Index直接通徑系數(shù)Direct pathcoefficient間接通徑系數(shù)Indirect path coefficientPc→WfcCOM→Wfc總計TotalPc0.661—0.3180.318COM0.3600.582—0.582

1)Pc： 毛管孔隙度Capillary porosity；COM： 有機質(zhì)含量Organic matter content；Wfc： 田間持水量Field capacity. →： 作用方向Direction of action. —： 無數(shù)據(jù)No datum.

3 討論和結(jié)論

上述研究結(jié)果顯示：供試6類水源涵養(yǎng)林的土壤飽和導水率有明顯差異，根據(jù)華孟分級法[21]可推斷其土壤水分滲透性。其中，白樺林的土壤飽和導水率大于0.694 mm·min-1，表明其水分滲透性很高，能有效減少地表徑流，增加土壤持水量；華北落葉松林、青海云杉+白樺混交林和青海云杉+華北落葉松混交林的土壤飽和導水率為0.042～0.111 mm·min-1，表明這些林分土壤的水分滲透性較低；青海云杉林和青楊林的土壤飽和導水率均小于0.042 mm·min-1，表明這2類林分土壤的水分滲透性很低。

相關(guān)性分析結(jié)果顯示：在供試6類水源涵養(yǎng)林土壤中，砂粒含量和粉粒含量與其理化指標存在顯著或極顯著的相關(guān)性，但黏粒含量與各理化指標均無顯著相關(guān)性，說明土壤中的砂粒含量和粉粒含量是影響其理化性質(zhì)的2個重要因子。供試6類水源涵養(yǎng)林土壤的飽和導水率和田間持水量與容重呈極顯著負相關(guān)，這是因為隨容重增大，土壤更加緊密堅實且孔隙減少，土壤內(nèi)部的連通性變差，水分在土壤內(nèi)流動時受到的阻力增大，導致水流量減少，因而使土壤的田間持水量和飽和導水率相應(yīng)降低[23]。王賢等[23]認為，土壤飽和導水率與非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，但與黏粒含量無顯著相關(guān)性；付同剛等[24]等則認為，土壤飽和導水率與毛管孔隙度呈極顯著負相關(guān)，與非毛管孔隙度無顯著相關(guān)性；而本研究結(jié)果顯示：土壤飽和導水率與毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與非毛管孔隙度呈顯著負相關(guān)，導致土壤飽和導水率與其理化性質(zhì)相關(guān)性不一致的原因可能與研究區(qū)域的植被類型、土地利用類型以及土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的不同有關(guān)。

在青海高寒區(qū)6類水源涵養(yǎng)林土壤的機械組成和理化指標中，有機質(zhì)含量和毛管孔隙度是影響飽和導水率與田間持水量的主導因子，但二者的作用效應(yīng)不同，其中，毛管孔隙度對土壤的飽和導水率和田間持水量有直接影響效應(yīng)，而有機質(zhì)含量則主要通過毛管孔隙度的改變對土壤的飽和導水率和田間持水量產(chǎn)生間接影響。毛管孔隙是土壤孔隙的主要組成部分，在很大程度上反映了土壤的通氣性和透水性，隨毛管孔隙度的增大，土壤顆粒越來越疏松，土壤內(nèi)部毛管孔隙的連通性也隨之增大，使土壤中水分流動的阻力減小，因此，土壤的飽和導水率與田間持水量均相應(yīng)提高。本研究結(jié)果顯示：毛管孔隙的作用效應(yīng)大于非毛管孔隙，這可能與本研究區(qū)內(nèi)林地土壤中的石礫使非毛管孔隙的連通性變差，導致水分垂直下移速度降低有關(guān)。相關(guān)研究結(jié)果表明：土壤有機質(zhì)是土壤中動物的食物來源之一，其含量與土壤中動物數(shù)量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[25-26]。因而，土壤有機質(zhì)含量的提高可使土壤中動物數(shù)量增加，而動物在土壤中的活動可使土壤粉粒含量升高、容重減小、毛管孔隙度增加，進而改善土壤結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)提高土壤的水分滲透能力；另外，有機質(zhì)還可通過促進土壤顆粒形成水穩(wěn)性團聚體[27]來增強土壤的持水性能、改善土壤的膠體狀況、使土壤的水分吸附作用增強[28]，因而，有機質(zhì)含量提高可間接使土壤的飽和導水率和田間持水量升高。

不同地區(qū)土壤的飽和導水率與田間持水量會隨土壤特征的變化而改變。在同一區(qū)域內(nèi)，不同類型的植被也因根系活動、枯落物輸入和分解等方式造成土壤特征的改變，進而有差別地對土壤的飽和導水率和田間持水量產(chǎn)生影響[17]。本研究中，白樺天然次生闊葉林土壤的水分滲透性與持水能力均大于人工針葉林(華北落葉松林和青海云杉林)、青海云杉+華北落葉松人工針葉混交林、青海云杉+白樺人工針葉林與天然次生闊葉林混交林和青楊人工闊葉林。由于天然次生闊葉林林下的枯落物現(xiàn)存量和灌草覆蓋度大、枯落物腐化速率快，導致土壤中有機質(zhì)含量和土壤疏松度增加，加之人為干擾較少，故其土壤的水分滲透性和持水能力更強。人工闊葉林的水分滲透性和持水能力均最差，可能與其林下枯枝物較少，土壤的有機質(zhì)含量和毛管孔隙度較低有關(guān)。北川河流域地處半干旱地區(qū)，降水量小于蒸發(fā)量，提高該流域內(nèi)土壤的飽和導水率與田間持水量有利于充分利用當?shù)赜邢薜慕邓Y源，促進地表水分下滲，減少地表徑流，增加土壤儲水量，對水源涵養(yǎng)具有重要意義。在北川河流域內(nèi)，與其他水源涵養(yǎng)林相比，天然次生闊葉林土壤的貯水能力更強，能夠充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源的作用，因而，如果能夠擴大封山育林面積，盡可能恢復天然林，將明顯增強北川河流域土壤的水源涵養(yǎng)功能，也有利于該流域生態(tài)景觀的優(yōu)化。

綜上所述，在青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林的土壤中，毛管孔隙度和有機質(zhì)含量是影響土壤飽和導水率和田間持水量的主要因子，其中，毛管孔隙度對土壤的飽和導水率和田間持水量有直接影響，而有機質(zhì)含量主要通過毛管孔隙度的改變對土壤的飽和導水率和田間持水量產(chǎn)生間接影響。在青海高寒區(qū)，天然次生闊葉林土壤具有更好的水分滲透性和持水能力，因而保護與恢復天然次生闊葉林是改善當?shù)厮春B(yǎng)狀況的重要途徑之一。本研究中，作者僅對青海高寒區(qū)典型水源涵養(yǎng)林土壤的飽和導水率和田間持水量特征及其影響因子進行了初步分析，并沒有考慮地形和林齡的影響效應(yīng)，因此，還有待進一步深入細致的研究。