酸沉降背景下馬尾松林土壤水文物理性質(zhì)比較研究

王軼浩，王彥輝

（1.重慶師范大學地理與旅游學院/重慶市三峽庫區(qū)地表生態(tài)過程野外科學觀測研究站，重慶 401331；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所/國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091）

土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要水文功能層，其水文功能發(fā)揮受到土壤水文物理性質(zhì)直接影響[1]。土壤水文物理性質(zhì)包括土壤容重、孔隙度、持水量和滲透率等多項指標，與森林類型、樹種組成以及林分密度等密切相關(guān)[2-3]。馬尾松（Pinus massoniana）在我國南方山地丘陵區(qū)分布廣泛，是當?shù)刂饕炝謽浞N和先鋒樹種，但對酸沉降危害極其敏感。已有研究表明，馬尾松受到酸沉降危害后會表現(xiàn)出明顯的落葉率增加[4]、根系分布變淺[5]、生物量下降等受害特征。同樣地，酸沉降也會嚴重危害森林土壤，最主要的就是引起土壤酸化，進而造成土壤鹽基離子淋失以及一些有毒元素活化[6]。以往關(guān)于酸沉降危害森林土壤研究更多關(guān)注對土壤化學性質(zhì)的影響[7-9]，而對酸沉降背景下的土壤水文物理性質(zhì)特征研究還很不足，直接制約著對酸沉降背景下森林土壤水文功能的認識與評價。

酸沉降已成為全球面臨的主要環(huán)境問題之一，重慶是我國老酸雨區(qū)，20世紀80年代就有報道重慶南山風景區(qū)馬尾松林受酸雨影響普遍生長不良，甚至大面積死亡的現(xiàn)象[10]。雖然自2010年開始重慶酸沉降量總體呈下降趨勢，但其降水pH值仍然較低[11]，并且酸沉降引起的土壤酸化現(xiàn)象短期內(nèi)不會消除。在長期酸沉降危害下，認識馬尾松林土壤水文物理性質(zhì)特征對評價受害馬尾松林的生態(tài)水文功能變化具有重要意義，尤其是對酸沉降區(qū)不同森林類型的土壤水文物理性質(zhì)對比研究，將有助于客觀評價馬尾松林林分改造成效和科學指導森林可持續(xù)經(jīng)營管理。

本文在酸沉降影響嚴重的重慶市江北區(qū)鐵山坪林場，選擇馬尾松林以及毛竹（Phyllostachys heterocycla）林、針闊混交林、闊葉林4種主要森林類型，開展其土壤水文物理性質(zhì)研究，以期掌握酸沉降背景下的馬尾松林土壤水文物理性質(zhì)和認識不同森林類型對土壤水文物理性質(zhì)的影響差異，從而為酸沉降背景下森林土壤水文功能評價和馬尾松林林分改造提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市江北區(qū)鐵山坪林場（N29°38′，E106°41′）的林中園小流域，流域面積 0.274 km2，屬亞熱帶濕潤氣候，多年平均降水量1 100 mm，年均氣溫18℃。該地屬四川盆周低山丘陵區(qū)，海拔變化在242～584 m，坡度變化在 5～30°。土壤以砂巖上發(fā)育的山地黃壤為主，土壤質(zhì)地為粉砂壤土和粉砂黏壤土，厚度50～80 cm。研究區(qū)酸沉降影響嚴重，測定的林外和林內(nèi)降水平均pH值為4.06和3.20，土壤酸化現(xiàn)象明顯。森林植被主要是20世紀60年代天然林被破壞后天然更新形成的馬尾松次生林，覆蓋率高達90%以上。因受酸沉降危害，馬尾松落葉率約為40%～50%。后經(jīng)過天然更新和林分改造，現(xiàn)已形成馬尾松林、針闊混交林、闊葉林和竹林多種森林植被類型。

1.2 樣地設(shè)置

在林中園小流域布設(shè)了7個典型樣地（表1），包括規(guī)格為30 m×30 m的馬尾松林樣地4個，規(guī)格為20 m×20 m的毛竹林樣地、闊葉林樣地和針闊混交林樣地各1個，其中，闊葉林樣地的主要樹種有楠木（Phoebe zhennan）、毛桐（Mallotus barbatus）、杜英（Elaeocarpus sylvestris）、石櫟（Lithocarpus glaber（Thunb.）Nakai）等，針闊混交林樣地的主要樹種有馬尾松、石櫟、香樟（Cinnamomum camphora）等。

表1 典型樣地基本概況Table 1 The basic situation of sample plots

1.3 數(shù)據(jù)采集

2011年2月—10月，在各典型樣地選擇兩處取樣點，每月用土鉆按 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50和 50～60 cm分土層取樣 2～3次，每層 2～3個重復；將土樣在105℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，測定其土壤質(zhì)量含水量。采用環(huán)刀法測定土壤水文物理性質(zhì)，2011年10月首先在各典型樣地選擇代表性地段開挖土壤剖面（1 m×1 m），深為80 cm，若土層厚度未達80 cm則挖至基巖，然后用容積為200 cm3（高 5.2 cm，直徑 7 cm）的環(huán)刀按 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm 等深度分層取原狀土樣，每層3個重復，在室內(nèi)測定土壤容重、孔隙度、持水量、滲透速率等土壤水文物理性質(zhì)。本試驗中土壤滲透速率一般在120 min前已達穩(wěn)定，為便于比較，故土壤滲透總量統(tǒng)一取120 min內(nèi)的滲透量。

降雨量數(shù)據(jù)利用林外空曠處設(shè)置的自動氣象站（WeatherHawk232）獲取。

1.4 數(shù)據(jù)處理

一定土層深度內(nèi)的土壤貯水量的計算公式如下：

式中，Wc、Wnc和 Wt分別為土壤吸持貯水量（mm）、土壤滯留貯存量（mm）和土壤飽和貯水量（mm）；Pc、Pnc和Pt分別為毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）和總孔隙度（%）；h為土層深度（m）。

采用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進行處理與繪圖，利用SPSS 23.0軟件進行不同森林類型土壤水文物理性質(zhì)、不同土層土壤滲透特征的單因素方差分析（one-way ANOVA）及LSD檢驗法的多重均值比較分析、馬尾松林土壤滲透特征與其他土壤水文物理性質(zhì)的Pearson相關(guān)分析和多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松林與其他森林類型的土壤濕度動態(tài)

對馬尾松林、毛竹林、針闊混交林和闊葉林4種森林類型的0～60 cm土層土壤濕度分析表明（圖1），馬尾松林和毛竹林的土壤濕度在6月份之前變化不大，基本都維持在21%左右，之后土壤濕度開始快速下降，9月份達到最低，分別為16%、16.58%。針闊混交林和闊葉林年內(nèi)變化規(guī)律為4月份之前土壤濕度緩慢上升，這可能與3、4月份降水明顯增多有關(guān)；5、6月份有小幅波動，之后與馬尾松林和毛竹林變化一致，土壤濕度快速下降。不同的是針闊混交林和闊葉林在7月—9月份間的土壤濕度變化不大，一直處于低谷，分別在維持在16%、13%左右的較低水平。9月份之后4種森林類型土壤濕度均明顯升高。

圖1 馬尾松林及其他森林類型0～60 cm土壤濕度動態(tài)和降雨量Figure 1 Variation of soil moisture of 0-60 cm soil layer for Masson pine forest and other forests and rainfall

由圖1可知，4種森林類型中馬尾松林和毛竹林的各月土壤濕度都比較接近，且高于闊葉林和針闊混交林，而以闊葉林最小。經(jīng)方差分析也表明，馬尾松林與毛竹林的月土壤濕度差異不顯著（P＞0.05），而闊葉林與馬尾松林、毛竹林的月土壤濕度差異均顯著（P＜0.05），針闊混交林則與其他3種森林類型的月土壤濕度差異均不顯著（P＞0.05）。

2.2 馬尾松林與其他森林類型的土壤容重和孔隙特征

由表2可知，馬尾松林、毛竹林、針闊混交林和闊葉林4種森林類型的土壤容重、孔隙度和持水量等各項土壤水文物理性質(zhì)均以表層0～10 cm最好（表現(xiàn)為土壤容重最小，而孔隙度和持水量最大），且與其他各土層差異顯著（P＜0.05）。相比表層土壤，10～20 cm土壤水文物理性質(zhì)均發(fā)生較大幅度變化，表現(xiàn)為土壤容重增大，而土壤孔隙度和持水量變小。針闊混交林的10～20 cm土壤容重達到最大值，之后又隨土層加深而減小。除非毛管孔隙度外，該土層其他孔隙度及持水量則基本達到最小值，之后又隨土層加深而增大。馬尾松林、毛竹林和闊葉林的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和持水量在20～40 cm土層達到最小值，之后隨土層加深而略有增大。毛竹林和闊葉林的土壤容重則在該土層達到最大，之后略有減小?？梢姡敲芸紫抖韧?，4種森林類型的土壤容重、孔隙度和持水量隨土層加深基本呈拋物線變化，但它們峰值或谷值出現(xiàn)的土層不同。

由表2可知，4種森林類型的土壤非毛管孔隙度基本隨土層加深呈減小趨勢，其中，闊葉林的土壤非毛管孔隙度變化在9.75%～25.00%之間，各土層均大于其他森林類型，以毛竹林和馬尾松林最小。同樣地，方差分析表明，闊葉林0～80 cm土壤非毛管孔隙度與其他森林類型差異顯著（P＜0.05），而馬尾松林與闊葉林、針闊混交林差異顯著（P＜0.05），與毛竹林差異不明顯（P＞0.05），它們大小排序為闊葉林（15.95%）＞針闊混交林（9.37%）＞毛竹林（5.90%）＞馬尾松林（5.37%）。4種森林類型的0～80 cm土壤總孔隙度和飽和持水量變化與非毛管孔隙度基本相同，均以闊葉林最大，針闊混交林次之，毛竹林和馬尾松林最小。方差分析也表明，闊葉林與其他森林類型均差異顯著（P＜0.05），而馬尾松林與針闊混交林、毛竹林差異不明顯（P＞0.05）。0～80 cm 土壤容重則以闊葉林最小，為1.46 g/cm3；其次是針闊混交林、毛竹林；馬尾松林最大，為1.57 g/cm3?？傮w上，相比其他3種森林類型，馬尾松林土壤容重、孔隙度和持水量均差于闊葉林和針闊混交林，與毛竹林差異不明顯。

表2 馬尾松林以及其它森林類型的土壤容重、孔隙度和持水量Table 2 Soil bulk density，soil porosity and soil water holding capacity in Masson pine forest and other forests

2.3 馬尾松林與其他森林類型的土壤貯水量

4種森林類型土壤貯水量對比分析表明（圖2），闊葉林的土壤飽和貯水量顯著高于其他3種類型（P＜0.05）；馬尾松林和毛竹林土壤吸持貯水量顯著高于針闊混交林和闊葉林，并且針闊混交林顯著高于闊葉林（P＜0.05）。然而，闊葉林土壤滯留貯水量最高，馬尾松林和毛竹林最低?？梢?，土壤貯水量受到森林類型顯著影響。4種森林類型的土壤飽和貯水量依次序為闊葉林（354.75 mm）＞針闊混交林（328.58 mm）＞馬尾松林（327.51 mm）＞毛竹林（321.00 mm）。土壤滯留貯水量同樣以闊葉林最大，為121.25 mm，其次為針闊混交林（72.25 mm），馬尾松林和毛竹林最小，分別為42.94和42.00 mm，不到闊葉林的50%。

圖2 馬尾松林以及其他森林類型0～80 cm土壤貯水量Figure 2 Soil water storage capacity of 0-80 cm soil layer in Masson pine forest and other forests

2.4 馬尾松林土壤滲透特征

由表3可知，馬尾松林土壤初滲率變化在0.53～18.24 mm/min之間，穩(wěn)滲率變化在0～7.33 mm/min之間，滲透總量變化在4.54～1185.31 mm之間，平均入滲率變化在0.05～9.58 mm/min之間。土壤各滲透特征的最大值均出現(xiàn)在0～10cm，且0～10cm的土壤滲透特征與其他土層差異均顯著（P＜0.05），說明馬尾松林表層土壤孔隙狀況好。之后土壤滲透特征隨土層加深急劇減小，在40～50 cm達到最小值，說明40～50 cm土壤緊實，這可能與成土過程中黏粒淀積作用有關(guān)[12]。50 cm之下的土壤各滲透特征均略有增大，這可能與底層土壤有較多石礫有關(guān)[13]。

表3 馬尾松林土壤滲透特征Table 3 Soil infiltration characteristics of Masson pine forest

馬尾松林土壤初滲率、穩(wěn)滲率與初始土壤含水量、土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度度、非毛管孔隙度、土壤石礫體積含量等其他水文物理性質(zhì)相關(guān)分析（表4）表明，土壤初滲率、穩(wěn)滲率均與土壤容重呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.757和-0.870，與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度則呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），但與初始土壤含水量和石礫體積含量不相關(guān)（P＞0.05）。說明馬尾松林土壤初滲率、穩(wěn)滲率均隨土壤容重增大而減少，隨總孔隙度和非毛管孔隙度增大而增大。

表4 馬尾松林土壤滲透速率與其他水文物理性質(zhì)的相關(guān)性（n=36）Table 4 Correlation between soil infiltration rate and other soil hydro physical properties of Masson pine forest

進一步對土壤初滲率、穩(wěn)滲率與初始土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度等其他水文物理性質(zhì)進行逐步回歸分析，表明馬尾松林土壤初滲率（Y1）和穩(wěn)滲率（Y2）均與土壤容重（X1）、初始土壤含水量（X2）呈顯著的二元一次函數(shù)關(guān)系（表5）。

表5 馬尾松林土壤滲透速率與其他水文物理性質(zhì)的擬合方程Table 5 Fitted equations between soil infiltration rate and other soil hydro physical properties of Masson pine forest

3 討論

土壤容重是表征土壤水文物理性質(zhì)的重要指標，一般認為，土壤容重小則土質(zhì)疏松，利于攔截降水、促進入滲和減緩地表徑流。與土壤酸化程度較輕（土壤pH值較大）的福建莘口林場[14]和武夷山[15]、江西大崗山[16]、廣西桂平金田[17]和橫縣[18]的馬尾松林相比（表6），本研究馬尾松林0～60 cm各土層的土壤容重均較大，如本研究馬尾松林0～20 cm土層的土壤容重為1.44 g/cm3，而福建莘口林場和廣西桂平金田的馬尾松林分別為1.07、1.06 g/cm3。同樣地，本研究馬尾松林0～60 cm土層的土壤容重為1.53 g/cm3，均高于福建莘口林場馬尾松中齡林（1.25 g/cm3）、福建武夷山馬尾松近熟林和成熟林（為0.99 g/cm3和1.00 g/cm3）、廣西桂平金田馬尾松中齡林（1.23 g/cm3）。說明與土壤酸化程度較輕的馬尾松林相比，本研究馬尾松林的土壤更為緊實，這可能與酸沉降影響下馬尾松林土壤營養(yǎng)元素淋失較多、枯落物分解較慢及其營養(yǎng)元素歸還土壤不足有關(guān)[19]，以及受馬尾松根系減少所致[5]。

研究表明馬尾松林各土層的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均低于土壤酸化程度較輕的馬尾松林（表6），其中，0～60 cm土層的土壤總孔隙度僅分別是福建莘口林場、福建武夷山和廣西桂平金田馬尾松林的79%、67%和75%。并且本研究馬尾松林的土壤非毛管孔隙度隨土層加深的變化更為劇烈，如相比0～20 cm土層，20～40 cm土層的土壤非毛管孔隙度減幅達到53%，但其他馬尾松林的土壤非毛管孔隙度隨土層加深的變化則更為緩和。這一方面可能與酸沉降背景下馬尾松根系生物量減少以及根系分布趨于土壤表層化有關(guān)[5]，另一方面可能是受酸沉降背景下土壤生物數(shù)量和多樣性下降及其活動減少所致[20]。同樣地，本研究馬尾松林各土層的土壤貯水能力基本都低于其他馬尾松林，如福建莘口林場、福建武夷山（近熟林和成熟林）、廣西桂平金田馬尾松林0～60 cm土壤飽和貯水量為309.24 mm、367.24 mm和365.76 mm、327.20 mm，是本研究馬尾松林（245.67 mm）的1.26倍、1.49倍和1.49倍、1.33倍。這說明相比土壤酸化程度較輕的馬尾松林，本研究馬尾松林土壤孔隙特征和貯水能力均較差。

土壤滲透特征影響著降雨入滲、地表徑流產(chǎn)生等水文過程，本研究馬尾松林各層土壤初滲率、穩(wěn)滲率均明顯低于廣西桂平金田和橫縣的馬尾松林（表6），其0～60 cm土層的土壤初滲率、穩(wěn)滲率為5.85 mm/min、1.41 mm/min，僅為廣西桂平金田馬尾松林的53%、22%，為廣西橫縣馬尾松林的26%、9%。本研究馬尾松林各土層之間的土壤初滲率和穩(wěn)滲率變化均較大，如土壤穩(wěn)滲率由0～20 cm土層的3.79mm/min急劇減小到20～40cm土層的0.44mm/min、40～60 cm土層的0.01 mm/min。與上一土層相比，20～40 cm、40～60 cm土層的土壤穩(wěn)滲率減幅達到88%和98%，但廣西桂平金田、橫縣的馬尾松林各土層之間的土壤初滲率和穩(wěn)滲率變化均更為緩和?？梢姡啾韧寥浪峄潭容^輕的馬尾松林，本研究馬尾松林土壤增加降雨入滲、削減地表徑流能力明顯下降。

表6 不同研究地點馬尾松林土壤水文物理性質(zhì)Table 6 Soil hydro physical properties in Masson pine forests from different study areas

土壤水文物理性質(zhì)不僅受森林類型影響，而且還與林齡有關(guān)，如秦佳雙等[18]研究表明，馬尾松林土壤容重隨林齡增長呈減小趨勢，而土壤飽和持水量、土壤毛管持水量和土壤滲透率隨林齡增加呈逐漸增加趨勢。游秀花[15]研究結(jié)果也表明，土壤物理性質(zhì)隨馬尾松林林齡增加而得到進一步改善。故由此可推測本研究馬尾松近熟林或成熟林的土壤水文物理性質(zhì)和水文功能理應處于各個林齡階段的最優(yōu)狀態(tài)，即應優(yōu)于其他林齡階段的土壤水文物理性質(zhì)和土壤水文功能。然而，與處于中齡林階段的福建莘口林場和廣西桂平金田馬尾松林相比，本研究馬尾松林的土壤水文物理性質(zhì)仍然較差，這進一步說明了酸沉降背景下馬尾松林土壤水文物理性質(zhì)和土壤水文功能明顯變差。因此，亟須通過營林管理措施改善土壤水文物理性質(zhì)，增強土壤水文功能。

本研究中馬尾松林和毛竹林的各月土壤濕度都比較接近，且高于闊葉林和針闊混交林，而以闊葉林最小，這可能與馬尾松冠層葉量較少（落葉率高）而蒸騰耗水較少有關(guān)。除森林結(jié)構(gòu)特征以外，4種森林類型的土壤濕度差異可能還與地形條件有關(guān)，毛竹林、針闊混交林和闊葉林樣地的坡度分別為0、5、18°，而坡度越大越容易形成徑流和深層滲漏[21]，故坡度越大而土壤濕度越低。研究表明酸沉降背景下4種森林類型中尤以闊葉林的土壤水文物理性質(zhì)最好，表現(xiàn)為土壤容重最小，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和飽和持水量最大，土壤飽和貯水量和滯留貯水量顯著強于其他3種森林類型，說明本研究區(qū)的地帶性植被——常綠闊葉林對酸沉降具有較好適應性，且能夠有效改善土壤水文物理性質(zhì)。作為馬尾松林正向演替的過渡類型——針闊混交林同樣也表現(xiàn)出較強的改善土壤水文物理性質(zhì)能力，這與殷沙等[22]研究結(jié)果一致。本研究馬尾松林由于受酸沉降影響而根系分布變淺、根系生物量下降[5]和凋落物分解緩慢[19]，使得土壤水文物理性質(zhì)較差，并且與毛竹林差異不顯著。

4 結(jié)論

酸沉降背景下馬尾松林和毛竹林、針闊混交林、闊葉林的土壤濕度在6月份之前維持在較高水平，之后急劇下降到低谷，直到9月份后又開始快速上升，其間馬尾松林和毛竹林的各月土壤濕度都比較接近，且高于闊葉林和針闊混交林，而以闊葉林最小。4種森林類型的土壤容重、孔隙度和持水量均隨土層加深基本呈拋物線變化，但其峰值或谷值出現(xiàn)的土層不同。馬尾松林土壤容重、孔隙度和持水量均與毛竹林相差不顯著，但顯著差于闊葉林及針闊混交林。土壤飽和貯水量和滯留貯水量以闊葉林最大，針闊混交林次之，馬尾松林和毛竹林最小。馬尾松林的土壤初滲率和穩(wěn)滲率以0～10 cm土層最大，40～50 cm土層最小，且與土壤容重呈極顯著負相關(guān)，與土壤總孔隙度、非毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)。由此可見，酸沉降背景下4種森林類型的土壤水文物理性質(zhì)以馬尾松林和毛竹林較差，而闊葉林最好。