不同類型人工林下土壤斥水性的變化

彭家順，雷開敏，蘭龍焱，牛德奎，郭曉敏，劉曉君

（江西農(nóng)業(yè)大學 江西省森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045）

土壤斥水性（soil water repellencey）是指水分不能或者很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象[1]。水灑在斥水土壤的表面后，水分滯留在地表，不能滲入土壤中[2]。最早關(guān)于土壤斥水性的研究是在19世紀，地表的草本植物和土壤中的微生物所分泌的有機物具有疏水性，使得土壤產(chǎn)生了斥水現(xiàn)象，根據(jù)學者的研究發(fā)現(xiàn)，土壤斥水性是普遍存在的，當土壤含水率低于某一臨界值后，親水土壤也會逐漸向斥水土壤轉(zhuǎn)變[3]。斥水性土壤分布廣泛，并且斥水性受到土壤水分、土壤質(zhì)地、土地利用方式、氣候以及地上植被等諸多要素影響[4]。國內(nèi)關(guān)于土壤斥水性的研究起步較晚，20世紀末楊邦杰[5]對斥水性土壤的調(diào)查、研究以及改良提出了意見，并對斥水性土壤中的水熱運動進行了研究，從實際出發(fā)，建立了斥水性土壤中的水分運動數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)土壤斥水性會影響水分在土壤中的運動，從而影響植物的生長。土壤的pH 值、CEC、土壤質(zhì)地等因素均會影響斥水性[6]，從而進一步影響水分在土壤表面的運動，引起土壤侵蝕，造成水土流失等嚴重后果[7]。

人工林是森林資源的重要組成部分，在生態(tài)修復、景觀建設和改善環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。不同的經(jīng)營模式和撫育方法對土壤碳氮循環(huán)以及微生物活性有著顯著的影響[8-10]。改革開放以來，我國人工林面積和蓄積量在40年內(nèi)一直穩(wěn)步增長，但人工林的質(zhì)量受土壤質(zhì)量、土壤水分以及林分密度等因素影響，且我國人工林建設仍然存在質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)不合理、生產(chǎn)力低、生態(tài)功能弱、穩(wěn)定性差等諸多問題[8-10]。尤其在南方紅壤區(qū)通過飛播造林和退耕還林等一系列措施，人工林面積顯著提升，但是“遠看青山在，近看水在流”的特征明顯，所以南方紅壤區(qū)人工林仍然面臨著效益低下，水土流失嚴重等問題[14-15]。實現(xiàn)人工林的可持續(xù)經(jīng)營，有助于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展[16]。目前我國關(guān)于人工林下的土壤斥水性的相關(guān)研究較少，本研究試圖通過對不同類型人工林下的土壤斥水性的研究，進一步探討不同類型人工林下的土壤斥水性的變化規(guī)律以及影響因素。研究結(jié)果既對人工林的建設具有現(xiàn)實指導意義，也可以對南方紅壤地區(qū)人工林侵蝕治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地設于江西農(nóng)業(yè)大學校園內(nèi)。江西農(nóng)業(yè)大學位于南昌市西北部，地處梅嶺山腳。位于115°49′E，28°45′N。屬于亞熱帶季風濕潤氣候，全年平均氣溫17～17.7℃；最冷月為1月，最熱月為7月；年降水量為1 600～1 700 mm，降水日為147～157 d；年平均相對濕度較高，為75.5%；年無霜期為251～272 d。試驗區(qū)土壤為典型的花崗巖風化而來的南方紅壤。在江西農(nóng)業(yè)大學校園內(nèi)，選擇種植年限為10年的竹闊混交林、喬灌混交林和針闊混交林3 種類型的人工林，并以人工草地為對照組，在3 種不同的混交林以及草地內(nèi)分別設置20 m ×20 m 的樣地。草地主要草種為馬尼拉草Zoysia matrella和豬殃殃Galium aparine，竹闊混交林主要植被為孝順竹Bambusa multiplex、楓香Liquidambar formosana和三角楓Acer buergerianum，喬灌混交林的主要植被為桃樹Amygdalus persica、日本晚櫻Cerasus serrulata、樟樹Cinnamomum camphora和山茶Camellia japonica，針闊混交林的主要植被為馬尾松Pinus massoniana、濕地松Pinus elliottii、火炬松Pinus taeda、樺木蓮Sinomanglietia glauca和觀光木Tsoongiodendron odorum等。

1.2 采樣方法

在各個樣地內(nèi)設置一個10 m×10 m 的樣方，調(diào)查樣方內(nèi)物種數(shù)量以及各物種的個體數(shù)。再在各個樣地內(nèi)隨機設置3 個小樣方（1 m×1 m），分為上、下層（0～20 cm、20～40 cm）利用環(huán)刀采集原狀土，每層取1 個環(huán)刀。并按照五點采樣法，在樣地內(nèi)分上、下層采集非原狀土，裝入10 號自封袋中。將環(huán)刀和自封袋貼好標簽帶回試驗室。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤斥水性的測定

滴水穿透時間法（water drop penetration time）。將各樣地上、下兩層的共8 種土樣放置于65℃的烘箱內(nèi)烘24 h。將各土樣均分為50.0 g 每份，并分別裝入規(guī)格相同的小鋁盒內(nèi)。在裝有相同土樣的鋁盒內(nèi)依次緩慢均勻地加入0、1、2、3 g……的純水，直至土壤水分達到飽和。用滴管吸取純水滴于土壤表面（每滴為0.05 mL），為了避免重力對水滴的運動產(chǎn)生干擾，滴管口離土壤表面的距離不得大于1 cm。在每個鋁盒內(nèi)分別滴5滴純水，并用秒表記錄每滴水完全滲入土壤的時間，取5次時間的算數(shù)平均值作為WDPT 值。當WDPT＜5 s 為不斥水，5 s＜WDPT＜60 s 為輕微斥水，60 s＜WDPT＜600 s為強烈斥水，600 s＜WDPT＜3600 s 為嚴重斥水，WDPT＞3600 s 為極端斥水[17-18]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測定

參考《土壤農(nóng)化分析》，土壤容重采用烘干法測定，土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量用環(huán)刀法測定，土壤pH 值采用電位法測定，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤機械組成采用比重計法測定。

1.3.3 Margalef 豐富度指數(shù)M 的計算

M= (S- 1)/ln(n)。

式中S為群落中的物種數(shù)，n為群落中全部物種總個體數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對草地和不同類型人工林的郁閉度和物種豐富度M與林下的土壤的有機質(zhì)含量、pH 值、土壤容重以及土壤機械組成進行分析。使用Excel 2017 和Origin 9.0 軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的理化性質(zhì)及林分特征

如表1所示，草地、竹闊混交林、喬灌混交林和針闊混交林的郁閉度和豐富度指數(shù)M依次增大，且差異性顯著。各樣地土壤容重均在1.28～1.62 g/cm3之間，土壤均呈酸性，pH值在4.19～6.42之間，由于校園內(nèi)的植被都疏于管理，很少進行翻耕、澆水和施肥等措施，所以土壤有機質(zhì)含量較低，在2.58～14.86 g/kg 之間。在同一樣地中土壤容重和土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為上層大于下層。土壤的飽和持水量、毛管持水量和變化范圍分別為田間持水量276.20～409.70 g/kg，240.81～348.40 g/kg，213.09～308.27 g/kg。針闊混交林的土壤飽和持水量表現(xiàn)為上層大于下層，而草地、竹闊混交林和喬灌混交林的土壤飽和持水量則表現(xiàn)為下層大于上層。草地和喬灌混交林的土壤毛管持水量和田間持水量均表現(xiàn)為上層大于下層，而竹闊混交林和針闊混交林則與之相反。

表1 土壤理化性質(zhì)和林分特征?Table 1 Soil physicochemical properties and stand characteristics

2.2 土壤斥水性

如表2所示，用WDPT 法測定土壤的斥水性，結(jié)果如表2所示。各個土樣之間的土壤斥水性最大值差異顯著（P＜0.05），但是最小值之間差異不顯著（P＞0.05）。喬灌混交林上層、針闊混交林上層和下層土壤的WDPT 的最大值小于5 s，始終表現(xiàn)為親水性，而其他土壤的WDPT 最大值大于5 s 且小于60 s，表現(xiàn)為輕微斥水性。草地上層土壤的WDPT 最大值為14.75 s，斥水性最強；針闊混交林下層土壤的WDPT 最大值為2.67 s，斥水性最弱。在同一樣地內(nèi)的土壤斥水性均表現(xiàn)為，上層土大于下層土（P＜0.05）。整體上來說，草地、竹闊混交林、喬灌混交林和針闊混交林的WDPT最大值和均值依次減小，但是最小值變化不大，在0.1 s～1.54 s 范圍內(nèi)波動。

表2 土壤斥水性?Table 2 Soil water repellency

2.3 WDPT 最大值與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

通過對各個樣地內(nèi)的土壤斥水性進行比較，結(jié)果如表3所示，WDPT 的最大值與土壤砂粒含量（r2=0.72）以及容重（r2=0.84）呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系（P＜0.01），與土壤pH 值和粉粒含量呈顯著正相關(guān)的關(guān)系（P＜0.05），與土壤黏粒含量（r2=-0.66）、林分郁閉度（r2=-0.93）、豐富度指數(shù)M（r2=-0.85）、土壤飽和持水量（r2=-0.72）呈極顯著負相關(guān)的關(guān)系（P＜0.01），與有機質(zhì)含量、土壤毛管持水量和田間持水量呈顯著負相關(guān)的關(guān)系。

表3 土壤理化性質(zhì)和林分特征與WDPT 最大值相關(guān)性分析?Table 3 Correlation analysis of soil physicochemical properties and stand characteristics with the maximum value of WDPT

2.4 不同含水率條件下土壤斥水性的變化

通過對所采集的土壤樣品的土壤斥水性進行測定，得到了如圖1所示的結(jié)果。從圖1和表4可以看出，草地、竹闊混交林上層和下層土壤以及喬灌混交林上層土壤分別在70～220、180～220、120～200、90～140 和160～180 g·kg-1表現(xiàn)出斥水性。除了喬灌混交林下層土壤和針闊混交林上和下層土壤以外，其他土壤都表現(xiàn)出了輕微斥水性。

表4 土壤表現(xiàn)出斥水性的含水率范圍Table 4 The range of moisture content in which the soil exhibits water repellency

圖1 土壤含水率與斥水性之間的關(guān)系Fig.1 The relationship between soil moisture content and water repellency

隨著土壤含水率的不斷增大，除了針闊混交林以外，各個土壤的WDPT 值都具有一個顯著峰值，草地、竹闊混交林、喬灌混交林的上層和下層土壤分別在含水率為200、210、190、120、170和140 g·kg-1時達到峰值。在到達峰值之前，隨著土壤含水率的增大，土壤的斥水性整體上呈不斷增大的趨勢，達到峰值之后土壤的斥水性立即不斷降低直至土壤水分達到飽和，即土壤的WDPT值曲線呈單峰狀。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同類型人工林下的土壤斥水性的變化

土壤的斥水現(xiàn)象廣泛存在，在土壤質(zhì)地、土地利用方式和各種氣候條件的作用下土壤斥水性幾乎可以發(fā)生于任何種類的土壤[2,19]。本研究結(jié)果表明，土壤的斥水現(xiàn)象具有普遍性，此次試驗除了針闊混交林以外，草地和其余兩種類型人工林下的土壤都表現(xiàn)出了輕微斥水性。王杰等[6]對中南地區(qū)地帶性土壤的斥水性進行了研究，結(jié)果與本研究一致，發(fā)現(xiàn)土壤斥水性與土壤pH 值呈正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤pH 值的增大，土壤斥水性也會隨之增大。陳俊英等[20]對以色列不同質(zhì)地的土壤進行研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)含量是影響土壤斥水性的重要因素之一，因為土壤中的斥水性物質(zhì)主要來源于土壤有機物的分解，所以隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，土壤的斥水性也會隨之增大。還有學者對我國中南地區(qū)和西南地區(qū)土壤進行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤的斥水性與有機質(zhì)含量并沒有顯著相關(guān)性[6,21]。而本文的研究結(jié)果表明，土壤的斥水性與有機質(zhì)含量呈負相關(guān)關(guān)系。本文中，土壤的砂粒和粉粒含量與斥水性呈正相關(guān)關(guān)系，而黏粒則與斥水性呈負相關(guān)關(guān)系，因為隨著土壤中大顆粒物的減少與細顆粒物的增加，土壤的持水能力增強，從而導致斥水現(xiàn)象變?nèi)酢５峭踅艿萚6]和李金濤等[22]對土壤機械組成與斥水性之間的關(guān)系進行了研究，結(jié)果得出土壤斥水性與砂粒含量之間呈負相關(guān)關(guān)系。而朱凱等[21]經(jīng)過研究土壤斥水性與砂粒和粉粒含量并沒有顯著相關(guān)性，但是卻與黏粒含量有顯著正相關(guān)關(guān)系。可能因為土壤具有空間異質(zhì)性，所以不同地區(qū)土壤的斥水性與有機質(zhì)含量和機械組成之間的關(guān)系不同。林分對土壤的斥水性存在影響，復合林分下的土壤斥水性小于單一林分下的土壤斥水性，即林分越復雜則土壤斥水現(xiàn)象越弱[21]。本研究結(jié)果與前人的一致，隨著人工林的林分越復雜，土壤的斥水性越小，甚至針闊混交林下的土壤始終保持著親水性。因為隨著林分物種豐富度和郁閉度不斷增加，林冠層對降水的截留量也會隨之增大，地表沖刷就會減弱，土壤表面便不易結(jié)皮，能夠更好地使水分滲入到土壤中，從而使斥水性降低[23-26]。

3.2 不同含水率情況下土壤斥水性的變化

水分是影響土壤斥水性的一個重要因素，隨著土壤含水率的變化，土壤斥水性也會隨之改變。根據(jù)本研究得出，土壤斥水性的變化曲線隨著土壤含水率的增大呈單峰狀，而且隨著土壤持水能力的逐漸增強，土壤表現(xiàn)出斥水性的含水率范圍隨之變小，而且達到斥水峰值時的土壤含水率也隨之變低。陳俊英等[20]研究了土壤斥水性對含水率的響應，發(fā)現(xiàn)土壤斥水性對含水率的響應呈單峰曲線。這與本研究的結(jié)果基本一致，除了針闊混交林下的土壤隨著含水率的變化始終保持親水性以外，其他林分下的土壤都表現(xiàn)為隨著含水率的逐漸增加，土壤斥水性呈先增大后減小的趨勢，即曲線呈單峰狀。真正的土壤顆粒形狀各異，為不規(guī)則體。人們往往為了方便試驗研究，把土壤顆?？醋髑蝮w。當土壤含水率較低時，土粒與土壤中水分的液面所形成的接觸角較小，此時土壤水分的基質(zhì)勢主要由土壤孔隙氣壓和孔隙中的水壓決定[27]。所以當土壤含水率低時，土壤處于親水狀態(tài)。隨著土壤含水率的不斷增加，接觸角會逐漸增大，由于液體張力的作用，土壤的基質(zhì)吸力會減小，從而土壤逐漸表現(xiàn)出了斥水性[28-29]。

3.3 結(jié) 論

土壤的理化性質(zhì)和林分特征對斥水性都有顯著的影響，但根據(jù)本研究得出土壤的斥水性主要是由林分特征、土壤機械組成和土壤持水能力決定的，因此土壤斥水性可以作為一個表征人工林優(yōu)良的指標。土壤斥水性越低，林分結(jié)構(gòu)越復雜，土壤級配越良好，土壤斥水能力越強，而且水土保持效果也越好。

當含水率增大到一定程度后，土壤中的水分趨于飽和，而后土壤便會由斥水性向親水性轉(zhuǎn)變，因此土壤斥水性的變化曲線隨含水率逐漸增大呈單峰狀。并且土壤表現(xiàn)出斥水性的含水率范圍與土壤持水能力有關(guān)。隨著土壤持水能力的增強，表現(xiàn)出斥水性的含水率范圍逐漸減小。