不同林分配置對土壤水分物理性質(zhì)的影響

徐雅潔，郭月峰*，姚云峰，祁 偉，2，王 鑫，劉曉宇

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，呼和浩特 010020）

土壤水分物理性質(zhì)（容重、孔隙度、持水量）能直接或間接影響到土壤蓄水性、通氣性和保肥性[1]，進而對植被產(chǎn)生顯著影響[2]，較大程度上能夠反映出森林植被對土壤理化性狀的改良效果[3-5]。不同林分類型由于其結(jié)構(gòu)及生物學特性不同，導致林分在保持水土、涵養(yǎng)水源的能力上有所差異[6-7]。受水資源短缺的影響，近年來土壤水分物理性質(zhì)的研究已成為熱點問題。水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，趙振磊等[8]研究表明混交林土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)好于純林；王穎等[9]在冀北山地研究表明土壤持水能力與林分結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。森林植被對涵養(yǎng)水源、保持水土和改良土壤具有巨大作用，其中土壤層對于抑制林地蒸發(fā)、減少水土流失至關(guān)重要[10]。因此，研究不同林分配置對土壤水分物理特性參數(shù)的影響，了解區(qū)域內(nèi)地帶性植被土壤水資源變化規(guī)律，可以為植被恢復與重建提供理論依據(jù)。

西柳溝位于河套平原中部，是黃河的一級支流[11]。流域處于砒砂巖、風沙分布區(qū)，土壤以栗鈣土和粗骨性栗鈣土為主，土層厚度在10～30 cm之間。質(zhì)地為壤質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散，透水性強，有機質(zhì)含量低，土壤侵蝕十分嚴重[12]。如何減小水土流失，快速有效地進行植被恢復是促進當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)的首要問題。近年來學者關(guān)于西柳溝水土流失已有大量研究[13-14]，主要集中在土壤侵蝕產(chǎn)沙量、水沙關(guān)系等方面，而對于土壤水分物理性質(zhì)的研究較為缺乏。本研究通過對比西柳溝3種造林樹種純林和混交林生長旺盛期的土壤水分物理性質(zhì)，揭示不同林分配置模式下土壤水分物理性質(zhì)的影響，以期為研究區(qū)人工林分可持續(xù)經(jīng)營和管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

西柳溝為十大孔兌典型流域之一，范圍為109°24′～110°45′E，39°47′～40°30′N，發(fā)源于鄂爾多斯市東勝區(qū)柴登鎮(zhèn)宗對壕張家山頂，全長106.5 km，流域面積1 356.3 km2，海拔在1 000～1 500 m之間，土壤大部分為栗鈣土和粗骨性栗鈣土，土層厚度在10～30 cm之間，流域具有典型的干旱大陸性季風氣候，降水少且年際變化大，降水保證率低，寒暑劇變，氣候干燥，風大沙多。多年平均降雨量為305.9 mm，76%的降水集中在6—9月份。流域內(nèi)水土流失極為嚴重，流失面積為1 302.05 km2，占流域面積的96%。西柳溝以人工林及草原植被為主，植被覆蓋度20%～40%，主要植被有油松（Pinustabulaeformis）、山杏（Armeniaca sibirica）、山桃（Prunusdavidiana）、檸條（Caraganakorshinskii）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、羊草（Leymuschinensis）、披堿草（Elymusdahuricus）、黃芪（Astragaluspropinquus）、胡枝子（Lespedezabicolor）等。

1.2 研究內(nèi)容與方法

試驗于2018年7月進行。為保證9種林分配置生態(tài)因子的相似性，選擇樣地時盡量保持地形因子一致。在不同類型人工林內(nèi)分別設(shè)置：檸條純林（NT）、油松純林（YS）、山杏純林（SX）、山桃×檸條混交林（ST×NT）、山杏×檸條混交林（SX×NT）、沙柳×檸條混交林（SL×NT）、沙棘×檸條混交林（SJ×NT）、油松×檸條混交林（YS×NT）、沙棘×檸條×油松混交林（SJ×NT×YS）9 種林分配置，樣地基本情況見表 1。在采樣過程中考慮到樣地的代表性及結(jié)果的準確性，每種林分配置模式分別選取3個典型樣方，在樣方內(nèi)布設(shè)25 m×25 m喬木樣方，每種類型的樣地均設(shè)置3次重復，共計樣地27塊。每塊樣地均設(shè)置S型布設(shè)5個取樣點，移除地表枯落物后，利用剖面法和環(huán)刀法采集各土層原狀土壤樣品，測定土壤水分物理性質(zhì)。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sampling plots

各指標測定方法如下：土壤含水量采用烘干法[15]；土壤容重采用環(huán)刀法[16]；土壤毛管孔隙度與非毛管孔隙度采用環(huán)刀吸水法[17]；土壤總孔隙度計算方法參照李焱秋[18]的方法：毛管孔隙度+非毛管孔隙度；土壤崩解量參照劉丹露等[19]的方法，利用土力學原理自制崩解儀測定土體崩解量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

單因素方差分析在農(nóng)業(yè)科研試驗數(shù)據(jù)分析中十分常用，用于比較不同施肥或耕作處理對試驗作物的生長品質(zhì)是否有顯著性差異，從而達到判斷處理的效用[20]。本文借助DPS 9.01軟件對同一林分類型 0～10、10～20 和 20～30 cm 土層間土壤含水量、容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和崩解量進行單因素方差分析，并采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行圖表處理。

在構(gòu)建多元線性模型時，由于模型設(shè)定和自變量等方面的問題，選取的自變量之間很有可能存在某種程度的線性關(guān)系，這時多元線性回歸模型存在多重共線性問題[21]。共線性問題會導致回歸參數(shù)不穩(wěn)定，增減一個樣本點，回歸系數(shù)的估計值會發(fā)生巨大改變[22]。因此，需要對自變量間的關(guān)系進行判定。本文借助DPS 9.01軟件通過線性回歸得到VIF值，進而判斷各自變量是否存在共線性問題。該模型的多重共線性未通過診斷，說明普通最小二乘法不適合對該模型進行無偏估計。因此，本文利用嶺回歸方法解決自變量中的多重共線性問題。

1962年A.E.Horel[23]首次提出嶺回歸法，用以控制與最小二乘估計相關(guān)的方差膨脹性和產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。當自變量間存在嚴重多重共線性時，會導致，而X′X+kI的奇異矩陣程度相比X′X會減弱（正的常數(shù)矩陣kI（k＞0）），這就是嶺回歸的思路。為了剔除變量量綱差異和數(shù)量級不同對結(jié)果造成的影響，應對數(shù)據(jù)進行標準化處理，處理后的數(shù)據(jù)矩陣用Z標志，定義[24]為

式（1）為系數(shù)矩陣β的嶺回歸矩陣；k為嶺系數(shù)，其大小反映了嶺估計的有偏程度；I為單位矩陣。此時得到的β其估計β（k）要比最小二乘法的估計更穩(wěn)定且接近真實值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分配置模式下林地土壤水分物理性質(zhì)

如圖1所示，不同林分配置下土壤含水量隨土層深度增加而增加，方差分析表明：0～10、10～20和20～30 cm土層之間存在顯著差異（P＜0.05）。不同林分配置0～30 cm土層平均含水量在9.52%～25.18%之間，總體表現(xiàn)為：SL×NT＞YS×NT＞ST×NT＞SJ×NT×YS＞SJ×NT＞SX×NT＞YS＞NT＞SX，即混交林＞純林，SL×NT含水量均值是SX的2.3倍，且SL×NT、NT、SX含水量與其他林分配置均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 不同林分配置下土壤含水量Figure 1 Soil moisture content under different stand configuration

由圖2可知，研究區(qū)0～30 cm土層土壤容重的變化呈現(xiàn)兩種趨勢，YS的土壤容重隨土層增加而減小；其他林分配置土壤容重隨土層增加而增加。方差分析表明，SL×NT 土壤容重在 0～10、10～20 和20～30 cm 均存在顯著差異（P＜0.05）；NT、YS×NT、YS在0～30 cm內(nèi)無顯著差異。對比不同林地土壤容重可以看出，SX、YS土壤容重均值是 SX×NT的1.36倍。不同林分配置模式下土壤容重達到顯著水平（P＜0.05）。

圖2 不同林分配置下土壤容重Figure 2 Soil bulk density under different stand configuration

如圖3所示，土壤孔隙度在0～30 cm范圍內(nèi)總體表現(xiàn)為遞減趨勢，SL×NT、SJ×NT、SX×NT 隨土層深度增加，先降低后略微增加。同一林分不同土層深度方差分析表明，在0～30 cm土層深度內(nèi)SJ×NT、SJ×NT×YS、SX×NT、SX 各土層間土壤孔隙度存在顯著差異（P＜0.05）。對比不同林地同一土層深度可以看出，土壤總孔隙度范圍在44.56%～35.43%之間，SX×NT是YS的1.57倍。在0～10 cm土層間，SX×NT、YS、SX分別與其他林分配置存在顯著差異（P＜0.05）；在10～20和20～30 cm土層中YS與其他林分配置均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 不同林分配置下土壤總孔隙度Figure 3 Total porosity of soil under different stand configurations

如圖所4所示，各林分配置0～30 cm土層范圍內(nèi)非毛管孔隙度均存在顯著差異（P＜0.05）。不同林分土壤非毛管孔隙度總體表現(xiàn)為：SL×NT＞NT＞SX＞ST×NT＞SX×NT＞YS×NT＞SJ×NT×YS＞YS＞SJ×NT，存在顯著差異（P＜0.05），其中SL×NT是ST的1.3倍。

圖4 不同林分配置下土壤非毛管孔隙度Figure 4 Soil noncapillary porosity under different stand configurations

如圖5所示，不同土層內(nèi)土壤毛管孔隙度隨土層深度增加總體呈現(xiàn)遞減趨勢，SL×NT、SJ×NT、ST×NT、SX×NT隨土層深度增加先遞減后略有增加。NT、ST×NT、SJ×NT×YS、YS×NT 土壤毛管孔隙度在0～10、10～20和 20～30 cm 土層范圍內(nèi)存在顯著差異（P＜0.05）。分析不同林分間土壤毛管孔隙度可知，YS、NT土壤毛管孔隙度在10～30 cm土層范圍內(nèi)與其他林分配置均存在顯著性差異（P＜0.05）。SX×NT的土壤毛管孔隙度是YS的1.61倍。

圖5 不同林分配置下土壤毛管孔隙度Figure 5 Soil capillary porosity under different stand configurations

2.2 不同林分配置模式下林地崩解量

如圖6所示，不同林分配置下土壤崩解量隨土層深度增加而減少。方差分析表明：NT、SL×NT、YS土壤崩解量 0～10 cm 范圍分別與 10～20、20～30 cm存在顯著性差異（P＜0.05）；SX 土壤崩解量在 0～10、10～20和20～30 cm土層范圍內(nèi)均存在顯著差異（P＜0.05）；不同林分配置模式下土壤崩解量達到顯著水平（P＜0.05）；SX與其他林分配置存在有顯著差異（P＜0.05），SL×NT、ST×NT 土壤崩解量均值是 SX 的0.5倍。

圖6 不同林分配置下土壤崩解量Figure 6 Soil disintegration without stand arrangement

2.3 不同林分配置模式下土壤崩解量與水物理性質(zhì)嶺回歸分析模型構(gòu)建

2.3.1 多重共線性分析

由表2可知，土壤含水量、非毛管孔隙度、總孔隙度的VIF值均大于10，表明自變量間的相關(guān)性很強，即自變量間存在嚴重的多重共線性。

表2 土壤水分物理性質(zhì)多重共線性診斷Table 2 Multicollinearity diagnosis of soill-moisture physical properties

2.3.2 嶺回歸

利用DPS軟件對所選取數(shù)據(jù)進行嶺回歸分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 土壤崩解量與土壤水分物理性質(zhì)變量嶺跡圖Figure 7 Ridge trace of soil disintegration and soil-moisture physical properties variables

由圖7可知，當嶺系數(shù)k=0時，X5估計系數(shù)β為正數(shù)且絕對值較高，但當k稍微增大一點時，估計值驟降；X3不穩(wěn)定，故應剔除X3、X5。從嶺跡圖看，嶺參數(shù)k=0.2時已經(jīng)基本穩(wěn)定，故給定k=0.2，重新做嶺回歸，結(jié)果如表3所示。

表3 土壤崩解量與土壤水分物理性質(zhì)嶺回歸系數(shù)Table 3 Soil disintegration and soil-moisture physical properties variable ridge regression coefficient

由表3可知，當k=0.2時各變量趨于平穩(wěn)，得到方程如下：

Y=0.033 8-0.004 9X1+0.071 6X2-0.000 2X3

當k=0.2時，土壤崩解量與土壤物理性質(zhì)領(lǐng)回歸方差分析表如表4所示。

表4 土壤崩解量與土壤水分物理性質(zhì)嶺回歸方差分析表Table 4 Table of variance analysis of ridge regression of soil disintrgration and soil-moisture physical properties variables

表4顯示，上述模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.853 732，表明上述3個變量可以解釋因變量的85.37%，P=0.022 6＜0.05，即模型的各變量具有統(tǒng)計學意義。

3 討論與結(jié)論

本研究于西柳溝選取了檸條、沙棘、油松純林及沙柳×檸條、沙棘×檸條、山桃×檸條、沙棘×檸條×油松、油松×檸條、山杏×檸條混交林9種林分配置模式，研究發(fā)現(xiàn)不同林分配置對土壤容重、孔隙度的影響差異顯著：山杏×檸條、山桃×檸條、沙柳×檸條混交林相較于山杏、油松純林能夠顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。相對于山杏、油松純林而言，山杏×檸條、山桃×檸條、沙柳×檸條混交林，更加有利于土壤結(jié)構(gòu)、透水性等物理性質(zhì)的改良，從而提高水源涵養(yǎng)能力。因此，相較于純林，混交林能顯著改善土壤水分物理性質(zhì)，這一結(jié)果與王月玲等研究結(jié)果一致[25]。產(chǎn)生這一影響的原因可能是：首先，對于混交林而言，林分結(jié)構(gòu)復雜，樹種多樣化，凋落物易分解，且分解過程中微生物的活性作用能降低土壤的緊實度，改善土壤的通氣狀況，有利于林地的長久利用[26]。再者，混交林能通過改變林分的群落結(jié)構(gòu)、林地微環(huán)境等，進而改善土壤物理性質(zhì)[27-28]。

林下枯落物作為森林涵養(yǎng)水源的主體之一，是森林水文效應的第二活動層，具有吸收與攔截降水、減少地表徑流、防止土壤濺蝕、增加土壤抗蝕性等功能[29]。羅夢嬌等[30]認為不同的植被群落，其根系在土壤中的分布深度及密度存在著差異，造成土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的情況不同，導致土壤干燥化程度和土壤水分的分布也不同。本研究發(fā)現(xiàn)不同林分配置土壤含水量和崩解量有顯著差異。沙柳×檸條、油松×檸條和山桃×檸條混交林相較于山杏、檸條純林，能夠顯著增加土壤含水量，減小土壤崩解量。這是因為沙柳×檸條、油松×檸條和山桃×檸條混交林對土壤孔隙度的影響更為顯著。土壤是由氣、液和固三相構(gòu)成，三相之間是既聯(lián)系又制約的有機整體，因而造成了不同林分之間含水量存在一定差異。這與陳莉莉等[31]的研究結(jié)果相似，即土壤孔隙度很大程度上決定土壤持水能力。于法展等[32]認為土壤孔隙度的差異導致土壤的透氣性能不同，對土壤的持水量有著重要影響。

不同林分配置未能改變土壤性質(zhì)垂直分布的特性，土壤孔隙度、崩解量隨土層深度增加而降低，土壤容重、含水量隨土層深度增加而增加。本研究通過嶺回歸分析得到土壤崩解量與土壤含水量、容重、毛管孔隙度的方程：Y（土壤崩解量）=0.033 8-0.004 9X1（土壤含水量）+0.071 6X2（土壤容重）-0.000 2X3（土壤毛管孔隙度）。且上述3個變量可以解釋因變量的85.37%。說明土壤含水量、土壤容重、毛管孔隙度能夠?qū)ν寥辣澜饬慨a(chǎn)生巨大影響。李敬王等[33]研究發(fā)現(xiàn)在相同土壤容重情況下，土壤崩解量隨土壤含水量增加而降低，在土壤含水量相同情況下，土壤崩解量隨容重減小而降低；谷天峰等[34]發(fā)現(xiàn)黃土的崩解速率與水文呈正相關(guān)，與土壤尺寸、初始含水率呈負相關(guān)。

不同林分類型改良土壤的效果有所差異。郭琦等[35]認為混交林的土壤物理性質(zhì)相較于純林更優(yōu)，豐富的林分結(jié)構(gòu)有助于土壤結(jié)構(gòu)的改善；芳菲等[36]等在陰山北麓進行研究，得出喬灌木混交林能更加有效地提高林地持水功能的結(jié)論。因此，未來還需要加強對林地土壤水分物理性質(zhì)的研究，以期全面認識林分配置對持水能力影響的機理。