蘭州市北山典型側(cè)柏混交林地土壤水分物理性質(zhì)研究

朱潮，武利玉，魏翻江，王燕茹，蔣仕敏，何媛

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省人大機(jī)關(guān)官山林場(chǎng),甘肅 蘭州 730070)

土壤水分物理性質(zhì)是衡量土壤水分供應(yīng)狀況和評(píng)價(jià)森林土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)[1-2]。水分是穩(wěn)定森林水循環(huán)的關(guān)鍵，是影響干旱、半干旱地區(qū)造林成活率以及林木生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子，土壤容重、孔隙度和持水能力等指標(biāo)與土壤的水土保持和水源涵養(yǎng)能力密切相關(guān)[3]。土壤水分物理特性在較大程度上能夠反映出森林植被對(duì)土壤理化性狀的改良效果，林木的生長(zhǎng)也能有效地減少土壤侵蝕和提高土壤質(zhì)量，而不同樹(shù)種或不同群落組成的森林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響或改善作用是不同的[4-5]。

蘭州位于黃土高原西部，其獨(dú)特的區(qū)位和資源優(yōu)勢(shì)在我國(guó)的西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中占有十分重要的地位。該地區(qū)受大陸性氣候的影響，多年來(lái)一直干旱少雨，土壤貧瘠，地表裸露嚴(yán)重，植被稀疏，水土流失情況嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，不僅影響蘭州人民的生產(chǎn)生活，而且影響到黃河下游地區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)安全。蘭州北山區(qū)是重要的生態(tài)治理區(qū)，作為祁連山天然生態(tài)屏障的東緣，其生態(tài)建設(shè)是全國(guó)生態(tài)安全屏障建設(shè)的重要組成部分，對(duì)西北乃至全國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)[6]。人工造林是該區(qū)域控制土壤流失，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和城市形象的重要措施[7]。尤其是蘭州自2000年實(shí)施南北兩山環(huán)境綠化工程以來(lái)，造林面積迅速增加，基本形成了以人工林為主的森林群落環(huán)境，生態(tài)建設(shè)取得顯著成效。

側(cè)柏(Platycladusorientalis)作為一種典型針葉優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，具有較耐旱、耐貧瘠和抗病蟲(chóng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)北方各地廣泛種植，是荒山綠化的主要造林樹(shù)種[8]，也是蘭州市南北兩山人工造林最主要的樹(shù)種。

目前對(duì)該區(qū)域人工林的相關(guān)研究大多集中在植被恢復(fù)和重建[9]、不同林齡側(cè)柏純林對(duì)土壤蓄水的影響[8]及土壤微生物與土壤理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性等方面[10]，缺乏有關(guān)側(cè)柏與其他樹(shù)種的混交林土壤水分物理性質(zhì)的系統(tǒng)研究?；诖?，本文以蘭州市北山仁壽山省人大官山林場(chǎng)的側(cè)柏×榆樹(shù)(Ulmuspumila)、側(cè)柏×山毛桃(Prunusdavidiana)、側(cè)柏×山杏(Armeniacasibirica)、側(cè)柏×刺槐(Robiniapseudoacacia)、側(cè)柏純林等5種典型側(cè)柏林地為研究對(duì)象，探討樹(shù)種組成和土層深度對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響，揭示不同類(lèi)型側(cè)柏人工林土壤水分物理性質(zhì)特征和空間分布規(guī)律，以期為蘭州市人工林營(yíng)造和生態(tài)恢復(fù)中的植物配置提供指導(dǎo)，也為類(lèi)似區(qū)域的植被恢復(fù)以及水源涵養(yǎng)和水土保持建設(shè)工作提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原西部的蘭州市北山，北山區(qū)東起城關(guān)青白石鄉(xiāng)張兒溝，西至西固區(qū)達(dá)川鄉(xiāng)達(dá)家溝，南臨黃河，北以面城主山脊線為界。地勢(shì)北高南低，由西北向東南方向傾斜，海拔1 560～2 067 m，坡度一般在30°以上。土壤以淡灰鈣土為主，顆粒較粗，溝坡分布有紅膠泥和紅沙土，pH值8.0～9.0[11]。大陸性氣候特點(diǎn)明顯，年均氣溫9.3℃，最高氣溫30℃左右，最低氣溫-10℃左右，年均降水量250 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，年日照時(shí)數(shù)2 600 h，年均風(fēng)速2.3 m/s，最大風(fēng)速20 m/s，年無(wú)霜期180 d[6]。

1.2 樣地設(shè)置

在對(duì)蘭州市南北兩山綠化區(qū)踏查的基礎(chǔ)上，2019年9月在蘭州市北山仁壽山省人大官山林場(chǎng)(E 103°41′25″～103°41′35″，N 36°8′0″～36°8′15″N)選取人工灌溉下造林年限相同、立地條件相似的側(cè)柏×榆樹(shù)、側(cè)柏×山毛桃、側(cè)柏×山杏、側(cè)柏×刺槐、側(cè)柏純林等5種典型樹(shù)種組成為研究對(duì)象，分別用S1、S2、S3、S4和S5代表，在每種林地均設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè)，在每一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)測(cè)定并記錄喬木樹(shù)種的株數(shù)、樹(shù)高、胸徑，同時(shí)記錄樣地內(nèi)草本層植物物種，樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況

1.3 樣品采集與測(cè)定

在每一標(biāo)準(zhǔn)地中心挖土壤剖面1個(gè)，用100 cm3環(huán)刀分0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm共5層，重復(fù)3次采集土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、非毛管持水量等[12]；同時(shí)分層取土樣裝入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定各層土壤質(zhì)量含水量。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

土壤質(zhì)量含水量=(m2-m1)/m1×100%

(1)

土壤容重=m1/v

(2)

飽和持水量=(m3-m1)/m1×100%

(3)

毛管持水量=(m4-m1)/m1×100%

(4)

田間持水量=(m5-m1)/m1×100%

(5)

非毛管孔隙=(飽和持水量-毛管持水量)×土壤容重

(6)

毛管孔隙=毛管持水量×土壤容重

(7)

總孔隙度=毛管孔隙+非毛管孔隙

(8)

其中，m1為干土質(zhì)量(g)；m2為濕土質(zhì)量(g)；m3為浸潤(rùn)12 h后濕土質(zhì)量(g)；m4為在干砂上擱置2 h后濕土質(zhì)量(g)；m5為在干沙上擱置一定時(shí)間后濕土質(zhì)量(g)；v為環(huán)刀體積(cm3)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。運(yùn)用Origin 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)種組成和土層深度對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響

樹(shù)種組成對(duì)容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，毛管持水量和田間持水量為顯著影響(P<0.05)；土層深度對(duì)容重、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和田間持水量為顯著影響(P<0.05)；二者交互作用對(duì)土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，毛管持水量和田間持水量為顯著影響(P<0.05)(表2)。

表2 樹(shù)種組成和土層深度對(duì)土壤水分物理性質(zhì)影響的方差分析結(jié)果

2.2 不同樹(shù)種組成土壤容重變化

不同樹(shù)種組成林地0～100 cm土壤容重均值介于1.11～1.19 g/cm3，其大小順序依次為；S1(1.192 g/cm3)>S5(1.186 g/cm3)>S2(1.172 g/cm3)>S3(1.163 g/cm3)>S4(1.109 g/cm3)，其中，側(cè)柏×刺槐土壤容重顯著小于其他林地(P<0.05)。不同樹(shù)種組成林地的土壤容重均隨土層深度增加而增大，不同土層間各林地土壤容重沒(méi)有明顯變化規(guī)律，0～10、10～20和40～60 cm土層土壤容重均表現(xiàn)為S1最大，S4最小，但只有0～10、40～60 cm土層存在顯著差異(P<0.05)；在20～40和60～100 cm土層土壤容重均表現(xiàn)為S5最大，S4最小；且有顯著差異(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同樹(shù)種組成的土壤容重Fig.1 The soil bulk density of different forest types注：不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同樹(shù)種組成在間的差異水平(P<0.05)。不同小寫(xiě)字母表示同一樹(shù)種組成在不同土層間的差異水平(P<0.05)。下同

2.3 不同樹(shù)種組成土壤孔隙度變化

不同樹(shù)種組成在0～100 cm土層，土壤總孔隙度毛管孔隙度分別介于50.63%～55.31%和45.83%～48.58%，其均值大小變化一致，均表現(xiàn)為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)；各林地土壤總孔隙度與毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小；而非毛管孔隙度隨土層深度變化不同，其中S1和S2表現(xiàn)為隨土層深度增加而減小，S3、S4和S5表現(xiàn)為隨土層深度增加先減小后增大，然后又減小?？傮w來(lái)看：0～100 cm土層土壤的總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度均是S4最大，分別為55.31%、48.58%和6.72%。

隨著土層深度的增加，不同樹(shù)種組成的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，總體趨勢(shì)表現(xiàn)一致，孔隙度在土壤表層明顯大于底層。其中總孔隙度在10～60 cm土層S4與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100 cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)；毛管孔隙度在20～60 cm土層S4與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100 cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)；非毛管孔隙度在20～40 cm土層S3與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同樹(shù)種組成土壤持水狀況

不同林地在0～100 cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量與田間持水量變化分別為42.63%～50.04%、38.56%～43.96%和26.98%～31.81%。其均值均表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)；各林地土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量均隨土層深度的增加而減小。總體來(lái)看：0～100 cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，均是S4最大，S1的最小，前者持水量分別是后者的1.17倍、1.14倍和1.18倍(圖3)。

圖2 不同樹(shù)種組成土壤孔隙度的變化Fig.2 The soil porosity of different forest types

圖3 不同樹(shù)種組成土壤持水量Fig.3 The soil water holding capacity of different forest types

隨著土層深度的增加不同林地的土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，總體趨勢(shì)表現(xiàn)一致，持水量在土壤表層明顯大于底層。在0～40cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量均表現(xiàn)為S1最小，S4最大，存在顯著差異(P<0.05)；在40～100 cm土層均表現(xiàn)為S5最小，S4最大，存在顯著差異(P<0.05)；田間持水量在0～10和40～60 cm土層表現(xiàn)為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)，在10～20和60～100 cm土層表現(xiàn)為S4>S3>S2>S1>S5，存在顯著差異(P<0.05)。

3 討論

3.1 不同樹(shù)種組成對(duì)土壤容重的影響

土壤容重作為土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，其大小變化反映了植被對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤通氣性能以及持水能力等的改善程度，其值愈小，土壤通透性愈好[13]。本研究中，0～100 cm土層，5種典型側(cè)柏人工林土壤容重從小到大依次為側(cè)柏×刺槐、側(cè)柏×山杏、側(cè)柏×山毛桃、側(cè)柏純林和側(cè)柏×榆樹(shù)，說(shuō)明相對(duì)于側(cè)柏純林，側(cè)柏混交林更有利于改善林地環(huán)境，從而促進(jìn)土壤物理性狀的改善，這與時(shí)鐘瑜等[14]研究一致。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)側(cè)柏純林的土壤容重小于側(cè)柏×榆樹(shù)，但無(wú)顯著差異(P>0.05)，這可能跟樹(shù)木根系的生長(zhǎng)及分布不同有關(guān)[15]，從而影響到不同土層間的土壤物理性狀，也可能與樹(shù)種間凋落物的分解情況有關(guān)，導(dǎo)致林地內(nèi)凋落物沒(méi)有充分利用，延緩了凋落物的分解，有些樹(shù)種凋落物之間有相互促進(jìn)分解作用，而有些則有相互抑制分解的作用[16]。

3.2 不同樹(shù)種組成對(duì)土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度可以反映土壤浸水和通氣狀況[17]。本研究中，在0～100 cm土層，不同林地間土壤孔隙度存在顯著差異，4種側(cè)柏混交林的土壤孔隙度均大于側(cè)柏純林?？紫抖葟拇蟮叫∫来螢閭?cè)柏×刺槐、側(cè)柏×山杏、側(cè)柏×山毛桃、側(cè)柏純林和側(cè)柏×榆樹(shù)。造成這種差異的原因可能是側(cè)柏的葉片為鱗形葉，短小，每年葉片的更新速度和生長(zhǎng)量遠(yuǎn)小于側(cè)柏混交林，導(dǎo)致側(cè)柏混交林形成的凋落物蓄積量顯著高于側(cè)柏純林，這與魏雅麗等[18]的研究結(jié)果一致。另外，可能是不同側(cè)柏混交林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種差異使其林內(nèi)小環(huán)境、植被構(gòu)成和生長(zhǎng)狀況不同，影響了林木根系的分布和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和傳輸，所以對(duì)土壤的改良效果不同，影響土壤孔隙度的大小，這與蒲嘉霖[19]、王穎[20]、李銀等[21]研究結(jié)果相似。

3.3 不同樹(shù)種組成對(duì)土壤持水能力的影響

土壤的最大持水量反映了土壤的蓄水能力，而毛管持水量則能反映林地的供水能力[22]。本研究中土壤持水量與土壤容重和土壤孔隙度密切相關(guān)，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，土壤蓄水能力越強(qiáng)，這與陳莉莉等[23]研究一致。不同林分類(lèi)型土壤持水量與孔隙度均隨著土層深度的增加而降低，這可能與凋落物分解速率、植物根系隨土壤深度增加分布不同有關(guān)[24]。在0～100 cm土層，不同林地間土壤持水量存在顯著差異，其中側(cè)柏×刺槐飽和持水量、毛管持水量與田間持水量均為最大，持水能力明顯大于其他林分，說(shuō)明側(cè)柏混交林中樹(shù)種搭配不同影響到土壤的孔隙度，對(duì)土壤質(zhì)地產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而對(duì)土壤持水能力產(chǎn)生了影響[25-27]。

4 結(jié)論

蘭州市北山5種典型側(cè)柏人工林土壤水分物理性質(zhì)存在差異顯著。土壤容重隨土層深度的增加而增大，飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度與毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減??；側(cè)柏混交林土壤水分物理性狀整體優(yōu)于側(cè)柏純林，其中側(cè)柏×刺槐土壤涵養(yǎng)水源能力最好。因此，在蘭州市北山進(jìn)行人工林造林時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮營(yíng)造側(cè)柏混交林，尤其是側(cè)柏×刺槐林更有利于改善林地土壤水分物理性狀。