草海北坡工程區(qū)不同灌叢植被土壤的持水性能

吳佳偉， 楊 瑞*， 劉 志， 瞿 爽， 楊秀忠

(1.貴州大學 林學院， 貴州 貴陽 550025； 2.威寧自治縣農牧局， 貴州 威寧 553100)

土壤水分對植被的恢復與重建有很大的影響。土壤的持水性能體現(xiàn)其對水分利用能力的強弱，主要表現(xiàn)在抗旱和水分調節(jié)方面，對植被生長發(fā)育至關重要[1-2]。

草海位于貴州省西北部威寧縣的南部(N26°47′～26°52′，E104°10′～104°20′)，海拔2 169 m，年均溫較低，僅10.5℃，不利于很多生物的生長發(fā)育。草海的年均降雨量雖不低(為950 mm)，但是由于其土壤主要由碳酸巖發(fā)育而成，土層較薄且土被不連續(xù)，致使土壤水土流失較為嚴重，土壤持水能力處于較低水平，很多地方嚴重缺水干旱。威寧縣為國家重點貧困縣，經濟相對落后，生產力較為低下，對環(huán)境的依賴性較強，圍湖造田和亂砍亂伐的現(xiàn)象隨處可見，導致環(huán)境遭到極大破壞。近年來，國家開啟很多工程恢復草海植被，因此，研究草海工程區(qū)不同植被類型土壤的持水性能對恢復植被具有重要意義。目前，國內對土壤持水能力的研究較多[3-5]，主要集中于自然條件下的不同立地條件和不同植被類型，但對同一工程區(qū)相同外部環(huán)境條件下不同植被類型土壤持水能力的研究相對較少。鑒于此，采用環(huán)刀法和鋁盒燃燒法研究草海工程區(qū)北坡9種不同植被類型土壤的容重、自然含水率、孔隙度及土壤持水量等土壤持水性能，旨在為草海及周圍地區(qū)生態(tài)綜合治理工程中的物種選擇與經營管理等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

茶(Camelliasinensis)、云南羊蹄甲(Bauhiniayunnanensis)、女貞(Ligustrumlucidum)、火棘(Pyracanthafortuneana)、紅葉石楠(PhotiniaserratifoliaLindl.var.serrulata)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、花葉青木(Ancubajaponicavar.variegata)、南天竹(Nandinadomestica)及小果薔薇(Rosacymosa)等灌木叢下0～60 cm土層的土壤，采自草海工程區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 試驗地概況 根據(jù)草海工程區(qū)種植的不同植物的灌木叢，選擇具有代表性的地塊對不同灌叢下土壤進行測定，并分別記錄調查地段所處地理位置，海拔、坡度、坡向、坡形、人為干擾狀況等因子。研究區(qū)域內調查的不同灌叢類型基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集 在研究區(qū)選擇不同灌叢植被，以大小20 m×20 m的樣方采用環(huán)刀和鋁盒采集土壤[6]，記錄樣地的基本情況及樣地內灌叢的情況。每個植物樣地內選取3個點，分3層(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)取樣，每層取3個土樣。由于杜鵑、花葉青木、小果薔薇和南天竹植被下的土壤淺薄，受工程的影響20 cm以下全是碎巖，所以此4種植被只采集0～20 cm的土壤，即第一層取81個土樣，第二層和第三層取只取到90個土樣，總計171個。

表1 不同灌叢類型的基本概況

1.2.3 指標測定 土壤容重能很好地反映土壤的物理性質和質量，間接地反映顆粒的大體情況和通氣程度，土壤的物理性質可以較全面地體現(xiàn)土壤質量[7]。土壤容重受人為因素和自然因素等的影響，不僅能夠體現(xiàn)土壤的松緊狀況，而且還能體現(xiàn)孔隙的大小和數(shù)量，且呈現(xiàn)一定的相關關系[8]。參照《森林土壤定位研究方法》測定土壤容重[9]。將采集的土壤直接稱重并記錄；采用浸泡法[10]測定土壤最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和自然含水率。使用環(huán)刀法測定土壤飽和持水量、毛管持水量及非毛管持水量，即將裝有自然狀態(tài)結構土壤樣品的環(huán)刀放在水中浸泡12 h后稱取重量(m1，g)，計算最大持水量(cmax，g/kg)，然后放置于干砂上2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水已全部流出，稱取重量(m2，g)，計算毛管持水量(c1，g/kg)，環(huán)刀內烘干土的質量(m0，g)。根據(jù)上述指標計算土壤的孔隙度。

cmax=[(m1-m0)/m0]×1 000

c1=[(m2-m0)/m0]×1 000

c2=[(m1-m2)/m0]×1 000

v1=(0.1×c1×p)/ρ

v2=(0.1×c2×p)/ρ

v總=v1+v2

式中，m0、m1和m2分別為環(huán)刀內的土壤干重、浸泡12 h后的土壤飽和重量和干砂上放置2 h后環(huán)刀內土壤的濕重(g)；1000為換算系數(shù)；cmax、c1和c2分別為土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量(g/kg)；ρ水的密度(g/cm3)，p土壤容重(g/cm3)，v1、v2和v總分別為土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2010和SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行處理、分析及制圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌叢土壤的容重與孔隙度

從表2看出，不同灌叢各土層土壤的容重和孔隙度存在一定差異。

土壤容重：0～20 cm土層，不同灌叢土壤的容重為1.04～1.38 g/cm3，女貞最小，花葉青木最大。20～40 cm土層，土壤容重為0.90～1.57 g/cm3，女貞最小，火棘最大。40～60 cm土層，土壤容重為0.84～1.39 g/cm3，女貞最小，火棘最大。不同灌叢植被土壤的平均容重存在一定差異，火棘(1.35 g/cm3)>云南羊蹄甲(1.21 g/cm3)>茶(1.02 g/cm3)>紅葉石楠(1.00 g/cm3)>女貞(0.93 g/cm3)，女貞土壤的平均容重顯著低于其余灌叢植被土壤，土壤最疏松；火棘土壤的平均容重顯著高于其余灌叢植被土壤，土壤緊實；云南羊蹄甲與茶、紅葉石楠間差異顯著。女貞的凋落物較多，對土壤儲水和微生物含量有較大影響，因此，女貞對土壤的改良效果相對較好。在垂直結構上，隨著土壤深度增加，茶和火棘的土壤容重呈先降后升趨勢，云南羊蹄甲呈上升趨勢，女貞和紅葉石楠均呈下降趨勢?；鸺氏陆第厔菰蛟谟诨靥钔恋挠绊?；女貞對土壤容重的影響大于火棘。

總孔隙度：0～20 cm土層，不同灌叢土壤的總孔隙度為42.87%～54.58%，茶最高，小果薔薇其次，云南羊蹄甲最低；20～40 cm土層為35.65%～51.35%，茶最高，女貞其次，云南羊蹄甲最低；40～60 cm土層為35.51%～50.19%，茶最高，女貞其次，云南羊蹄甲最低。5種灌叢土壤的總孔隙度均值為茶(52.04%)>女貞(47.12%)>紅葉石楠(43.90%)>火棘(41.00%)>云南羊蹄甲(40.56%)，茶土壤的總孔隙度顯著高于其余類型土壤；女貞顯著高于紅葉石楠、火棘和云南羊蹄甲；云南羊蹄甲顯著低于其余類型土壤；紅葉石楠和火棘間差異不顯著。

毛管孔隙度：0～20 cm土層不同灌叢土壤的毛管孔隙度為38.08%～53.47%，茶最高，女貞其次，火棘最低；20～40 cm土層為34.13%～49.69%，茶最高，紅葉石楠其次，云南羊蹄甲最低；40～60 cm土層為36.21%～48.87%，茶最高，女貞其次，紅葉石楠最低。5種灌叢土壤的毛管孔隙度均值為茶(50.34%)>女貞(44.51%)>紅葉石楠(40.88%)>云南羊蹄甲(38.84%)>火棘(38.42%)，茶土壤毛管孔隙度顯著高于其余類型土壤；女貞顯著高于紅葉石楠、云南羊蹄甲和火棘；紅葉石楠和云南羊蹄甲間差異不顯著。

表2 不同灌叢林地土壤物理性質

注：同列不同大、小寫字母表示不同灌叢植被土壤的物理性質指標均值和各相同水平處理間的差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significance of difference in average value of soil physical properties between different shrub vegetation and between different treatments with the same level atP<0.05 level respectively. The same below.

非毛管孔隙度：0～20 cm土層不同灌叢土壤的非毛管孔隙度為0.98%～6.77%，火棘最高，紅葉石楠其次，女貞最低；20～40 cm土層為0.71%～3.82%，女貞最高，茶其次，火棘最低；40～60 cm土層為0.22%～4.04%，紅葉石楠最高，女貞其次，火棘最低。5種灌叢土壤的毛管孔隙度均值為紅葉石楠(3.49%)>女貞(2.62%)>火棘(2.59%)>云南羊蹄甲(1.73%)>茶(1.70%)。

灌叢林地土壤的總孔隙度為42.87%～54.58%，非毛管孔隙度為0.98%～6.77%，對灌叢的恢復很不利。土壤總孔隙度為50%～60%，非毛管孔隙和毛管孔隙同時存在，且比值為0.4～0.5最適宜植物生長。非毛管孔隙度低于10%時，通氣狀況受到阻礙[11]。因此，在灌叢恢復和園林綠化時要對土壤進行改良，當非毛管孔隙度小于6%時，一般植物的生長狀況極大受阻，甚至不能生長。綜合土壤的孔隙度看，植被對該地土壤改良效果不明顯，仍不利于植被的生長。

2.3 不同灌叢林地土壤蓄水能力

從表3看出，不同灌叢各土層土壤的蓄水能力存在一定差異。

自然含水率：0～20 cm不同灌叢土壤的自然含水率為23.75%～36.28%，小果薔薇最高，茶其次，火棘最低；20～40 cm土層為19.88%～32.85%，茶最高，女貞其次，火棘最低；40～60 cm土層為18.78%～32.04%，女貞最高，茶其次，火棘最低。5種灌叢土壤的自然含水率均值為茶(32.65%)>女貞(31.28%)>紅葉石楠(28.11%)>云南羊蹄甲(28.10%)>火棘(20.80%)，茶土壤的自然含水率顯著高于火棘，但與其余類型土壤間差異不顯著。

最大持水量：0～20 cm不同灌叢土壤的最大持水量為363.15～512.66 g/kg，茶最高，女貞其次，花葉青木最低；20～40 cm土層為253.79 g/kg～567.58 g/kg，茶最高，女貞其次，火棘最低；40～60 cm土層為277.01～539.95 g/kg，女貞最高，茶其次，火棘最低。5種灌叢土壤的最大持水量均值為茶(516.32 g/kg)>女貞(515.13 g/kg)>紅葉石 楠(439.22 g/kg)>云南羊蹄甲(332.11 g/kg)>火棘(321.84 g/kg)。茶和女貞的土壤最大持水量差異不顯著，但均顯著高于其余類型土壤；紅葉石楠顯著高于云南羊蹄甲和火棘；火棘與云南羊蹄甲間差異不顯著。

表3 不同灌叢林地土壤持水性能

毛管持水量：0～20 cm不同灌叢土壤的毛管持水量為347.38～502.82 g/kg，女貞最高，茶其次，云南羊蹄甲最低；20～40 cm土層為248.83～548.98 g/kg，茶最高，女貞其次，火棘最低；40～60 cm土層為275.42～503.66 g/kg，女貞最高，茶其次，火棘最低。5種灌叢土壤毛管持水量均值為茶(499.32 g/kg)>女貞(485.67 g/kg)>紅葉石楠(409.78 g/kg)>云南羊蹄甲(323.65 g/kg)>火棘(295.19 g/kg)。茶和女貞土壤毛管持水量差異不顯著，但均顯著高于其余類型土壤；紅葉石楠顯著高于云南羊蹄甲和火棘；火棘與云南羊蹄甲間差異不顯著。

非毛管持水量：0～20 cm不同灌叢土壤的非毛管持水量為9.61～73.41 g/kg，火棘最高，紅葉石楠其次，女貞最低；20～40 cm土層為4.95～42.48 g/kg，女貞最高，茶其次，火棘最低；40～60 cm土層為1.60～45.45 g/kg，紅葉石楠最高，女貞其次，火棘最低。5種灌叢土壤的非毛管持水量均值為紅葉石楠(34.30 g/kg)>火棘(26.65 g/kg)>女貞(29.46 g/kg)>茶(17.00 g/kg)>云南羊蹄甲(14.66 g/kg)。各處理土壤非毛管持水量土壤差異均不顯著。

綜合土壤采集因素和不同灌叢植被土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量可得到土壤持水量。由圖1看出，草海工程區(qū)土壤持水量大致可劃分為3個范圍：800～900 g/kg，有火棘和云南羊蹄甲；900～1 000 g/kg，有杜鵑、紅葉石楠和南天竹；1 000～1 100 g/kg，有茶、女貞、花葉青木和小果薔薇。0～20 cm土層持水量為云南羊蹄甲<火棘<南天竹<杜鵑<紅葉石楠<花葉青木<女貞<小果薔薇<茶，其中，茶林最大，為1 091.6 g/kg，云南羊蹄甲最小，為857.4 g/kg。原因是茶的枯落物以及根系較多，對土壤的持水能力影響最大，在植被合理配置的情況下，應優(yōu)先考慮茶樹種植，由此可帶來更大的生態(tài)和經濟價值。

Fig.1 Soil water holding capacity of different shrub vegetation

3 結論與討論

研究結果表明，不同灌叢林地土壤容重隨土壤的深度增加呈無規(guī)律變化。0～20 cm土層不同灌叢土壤的容重為1.04～1.38 g/cm3，女貞最小，花葉青木最大。隨著土壤深度增加，茶和火棘的土壤容重呈先降后升趨勢，云南羊蹄甲呈上升趨勢，女貞和紅葉石楠均呈下降趨勢。一般情況下土壤容重隨著土壤深度增加而增大，但由于草海工程區(qū)長期施工的影響，人為干擾造成土壤各層的松緊程度發(fā)生變化。總體看，灌叢林地土壤的總孔隙度為42.87%～54.58%，非毛管孔隙度為0.98%～6.77%，這對灌叢的恢復很不利。從植物生長看，土壤總孔隙度為50%～60%，非毛管孔隙和毛管孔隙同時存在，且比值為0.4～0.5時才最適宜。當非毛管孔隙度小于6%時，一般植物的生長狀況極大受阻，甚至不能生長。因此，在灌叢恢復和園林綠化時要對土壤進行一定程度的改良。要徹底改善草海工程區(qū)地植被恢復問題，需要改變土壤被破壞的狀況，并進一步改進植被的合理配置才能取得成效。從土壤的物理性質可知，草海工程區(qū)植被的恢復對土壤的改良狀況并未取得明顯的效果，但是茶林的持水能力得到肯定，茶林不僅在水源涵養(yǎng)方面有重要的作用，且在經濟和景觀方面也有重要價值。

草海北坡不同的灌叢植被下土壤的孔隙度存在顯著性差異。9種植被土壤的孔隙度均值為云南羊蹄甲<火棘<紅葉石楠<女貞<南天竹<杜鵑<花葉青木<茶<小果薔薇，云南羊蹄甲為最小(38.84%)，小果薔薇為最大(53.45%)。植被對土壤孔隙度改良未取得明顯效果，土壤的空隙狀況不利于植被的生長。

通過對不同的灌叢植被下土壤的自然含水率、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量和孔隙度等指標測量，計算出在0～20 cm層土壤的持水量為云南羊蹄甲<火棘<南天竹<杜鵑<紅葉石楠<花葉青木<女貞<小果薔薇<茶，云南羊蹄甲為最小(857.4 g/kg)，茶為最大(1 091.6 g/kg)。從土壤的持水能力看出，總的灌叢植被下土壤的持水能力處于偏低水平，對草海北坡工程區(qū)的水源涵養(yǎng)沒有起到明顯的改善作用，但是茶林的持水能力相對較好。

在草海北坡人工植被的恢復與重建過程中進行茶與其他物種的塊狀混交配置，不僅有利于增加物種多樣性，實現(xiàn)生態(tài)功能的發(fā)揮，也有利促進當?shù)亟洕陌l(fā)展，實現(xiàn)人與自然的和諧共生。植物根系在土壤中生長是一個動態(tài)過程，對土壤結構狀況有一定的改善作用，還影響土壤的持水能力。土壤的保水與失水性能體現(xiàn)出土壤的水源涵養(yǎng)功能強弱[12]，很大程度上決定了工程區(qū)植被恢復的效果。通過對土壤的物理性質的分析可以得出其水源涵養(yǎng)能力的強弱，對植被的選擇也有很好的指示作用。對土壤的物理性質的測量通常進行一些主要指標的測量，其中，最明顯的因素是土壤的孔隙度和容重[13]。通常檢測土壤的松緊程度和質量時需要測量容重，檢測土壤保水能力時需要測量土壤持水量和孔隙度等[14]。