巨桉人工林下土壤团聚体对水分入渗的影响

蒋德明，李小梅，丁 扬

（云南大学 资源环境与地球科学学院，云南省地理研究所，云南 昆明650091）

巨桉（Eucalyptus grandis）是桃金娘科桉树属双蒴盖亚属横脉组柳桉系中的树种，原生地为澳洲大陆及附近岛屿［1］。近年来，因巨桉人工林的快速发展及其伐木周期较短的特点，大大缓解了我国木材和林产品的需求。但由于巨桉林的大面积栽种，也带来了如“抽肥机”“绿色沙漠”“降低乡土植被的多样性”等 一 系 列 环 境 问 题［2－3］。时 忠 杰 等［4］指 出，由于巨桉的种植破坏了区域水量平衡，减少了流域产流量或地下水补给；谢贤健等［5］在巨桉人工林下土壤团聚体稳定性及分形特征研究中发现，巨桉林地的覆盖增强了土壤的紧实度；石薇等［6］研究发现，自然林及坡耕地转变为种植巨桉林后，土壤出现抗地力衰退、抗蚀性下降、生物多样性降低、水土保持能力下降等多种问题。土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分之一，各粒径的团聚体在土壤中的空间分布以及排序，决定了土壤空隙的分布［7］。水分进入土壤后成为土壤水的过程就是土壤水分入渗［8］，其本质是水分进入土壤后流动并且不断下渗的过程，其流动的速率在很大程度上受土壤孔隙的影响。土壤水分入渗速度越快，地表径流量相对减少，土壤对水分的贮藏能力越强，越有利于减少水土流失。土壤的水分入渗能力对水土流失、土壤水分含量的多少以及生态环境的水土保持能力具有重要作用。土壤团聚体在土壤水分入渗过程中起着很大的作用。目前，对土壤水分入渗研究的相关文献很多［9－12］，而关于土壤团聚体对土壤水分入渗的影响少有研究。此外，从土壤层面，研究生态环境效应，也是区域农业产业结构调整不可忽视的一部分，以之弥补产业结构的生态效应评估。为此，笔者选取川中丘陵地区，研究巨桉人工林地土壤的水分入渗特性，以期为巨桉人工林的栽种培育及生态效应的综合评估提供理论参考。

1 材料与方法

1．1 材料

1．1．1 土壤样品 在川中丘陵地区，选择4 年生的巨桉纯林（CL）、巨桉＋果树（LG）、巨桉＋粮食作物（LL）土壤，以弃耕地（QG）土壤为对照（CK），共计采集土壤样品20个及土壤原状土若干，样地选择情况详见表1。

1．1．2 仪器 TTF－100型土壤团粒分析仪，浙江省上虞市舜龙实验仪器厂。

1．2 研究区概况

研究区主要在内江市东兴区，位于四川盆地中部的长江以北以及沱江、涪江和嘉陵江的中下游沱江流域［13］，是我国最典型的方山丘陵区。经纬度为29°29′～29°48′N、105°04′～105°20′E，属中亚热带季风气候，全年平均气温15～28℃，1 月均温6～8℃，7月均温26～28℃；年降雨量1 000mm 以下，多分布在夏季，约占全年雨量的60%，高温期与多雨季基本一致，春季约占17%，冬季仅占4%，春夏旱出现频率高。主要土壤类型：紫色土，占耕地面积的54．24%，以泥岩和砂岩为主，大部分为钙质胶结，一般含有数量不等的碳酸钙；水稻土类，占耕地面积的41．21%；黄壤，占耕地面积的3．20%，母质有砂岩、页岩和花岗岩等风化物；新积土类，占耕地面积的0．92%；黑色石灰土类，占耕地面积的0．15%。

1．3 土样采集方法

于2013年8月，在野外确定采集样地后，去除土壤表层覆盖层，每种样地内设置20m×20 m 采样单元，每个单元内按照S型，避开河边，林边，特殊位置设定5个样点，每个样地在0～20cm 深度内采集土样约1kg，共采集20个样品，样品采集好后，带回实验室自然风干，用于土壤理化性质测定；同时使用环刀采集土壤原状土，用于水分入渗试验。

1．3 室内测定方法

1．3．1 理化性质 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤团聚体采用机械干筛法（分别过5mm，2mm，1mm，0．5mm，0．25mm 筛）和湿筛法（TTF－100型土壤团粒分析仪）分别进行测定。

1．3．2 水分入渗力 将环刀上、下盖取下后在预定时间内将环刀取出，在取土环刀上端增加一个空环刀，先用医用胶布封好接口处，再通过透明胶布外封，严防从接口处漏水，将结合的环刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下放置一烧杯。往上面的空环刀中加水，保持水面比上部的环刀口低1mm，加水后从漏斗滴第1 滴水时开始计时，计时开始后的前5min内，每1min更换烧杯1次，分别量出渗入量。此后每间隔5min更换烧杯1次，每更换一次烧杯要将上面环刀中水面加至原来的高度，以连续5次更换的烧杯内水量相同时即为稳渗。最后测得水分入渗速率［14］。

1．4 研究方法

1．4．1 不同样地类型中土壤粒径的分布 通过机械干筛法和土壤团粒分析仪，分别测得土壤干筛团聚体和湿筛团聚体的百分比含量。

1．4．2 不同林地下土壤团聚体与容重的多重比较

选取干筛和湿筛得出的2个粒径指标，另选取土壤容重指标，利用Duncan法对4 种样地类型下的土壤团聚体、容重进行多重比较。

1．4．3 不同林地下土壤水分入渗速率 设0min、5min、15min、30min和45min 5个时段，测定不同时间段的水分入渗速率（mm／min）。

1．4．4 土壤干（湿）筛团聚体与容重和土壤水分入渗速率的相关性 选取土壤的干（湿）筛团聚体、容重以及水分入渗速率几个指标进行相关性分析，得出其相关系数的矩阵结果。

2 结果与分析

2．1 不同样地类型中土壤粒径的分布

从表2看出，4种不同样地类型的土壤粒径，干筛和湿筛组成主要集中在＞5mm 和2～5mm 粒径范围内，以＞5mm 粒径含量最高，土壤大团聚体含量较多。＞5 mm 粒径，巨桉纯林（CL）和弃耕地（QG）的含量较高。土壤干筛团聚体大小依次为弃耕地（QG）＞巨桉纯林（CL）＞巨桉＋果树（LG）＞巨桉＋粮食作物（LL），其占比分别为75．84%、67．90%、44．91%和42．62%；土壤湿筛团聚体大小依次为巨桉纯林（CL）＞弃耕地（QG）＞巨桉＋粮食作物（LL）＞巨桉＋果树（LG），其占比分别为63．32%、53．49%、23．47%以及12．79%。另外，在干筛和湿筛各粒径含量中，粒径大小占比最少的主要集中在0．25～0．5 mm；在＞5 mm、2～5mm、和1～2mm 3个粒径范围，干筛团聚体占比均高于湿筛；而0．5～1 mm、0．25～0．5 mm和＜0．25mm 3个粒径范围，干筛团聚体占比均小于湿筛。经对不同林地土壤粒径进行单因素方差分析，得出干筛粒径在0．05 显著水平的临界值F＝30．410＞F0．05（5，18）＝2．772，湿筛土壤粒径在0．05显著 水 平 的 临 界 值F ＝3．870＞F0．05（5，18）＝2．772。表明，不同林地对土壤粒径形成的影响差异显著。

表2 不同样地类型土壤各粒径的含量分布Table 2 Content distribution of different soil aggregates from different land utilization patterns

2．2 不同林地土壤团聚体与容重的多重比较

从表3可见，＞5mm 和2～5mm 干筛土壤团聚体，巨桉＋果树（LG）和巨桉＋粮食作物（LL）与巨桉纯林（CL）和弃耕地（QG）差异显著。＞5mm湿筛干筛团聚体，各种样地类型差异均较为显著，且巨桉纯林与巨桉＋粮食作物2种样地类型之间呈极显著差异；2～5mm 湿筛团聚体无明显差异。土壤容重，巨桉＋果树最大，为1．55；其次为巨桉＋粮食作物，为1．53；巨桉纯林和弃耕地最小，为1．51；且4种样地类型无显著差异。土壤有机质，各土地利用类型差异较显著，巨桉＋果树和巨桉＋粮食作物2种样地类型呈极显著差异，各样地类型依次为巨桉＋果树＞巨桉纯林＞弃耕地＞巨桉＋粮食作物。

总体上，弃耕地和巨桉纯林2个样地类型的水分入渗能力较强，其次为巨桉＋粮食作物，巨桉＋果树水分入渗能力最弱。Duncan法得出各土壤的大团聚体含量的不同，4种样地类型的差异较明显。

表3 4种样地类型土壤干（湿）筛团聚体、容重的差异显著性比较Table 3 Volume weight of soil aggregates of four land utilization patterns under dry and wet screening conditions

2．3 不同林地土壤水分的入渗速率

从表4 看出，4 种样地类型初始入渗速率、5min、45min和稳渗时4个时间段的入渗速率都呈现出弃耕地（QG）＞巨桉纯林（CL）＞巨桉＋粮食作物（LL）＞巨桉＋果树（LG）。其中，开始5min时入渗速率最大，巨桉纯林、巨桉＋果树、巨桉＋粮食作物和弃 耕 地 分 别 为41．68 mm／min、13．84mm／min、41．36mm／min、和51．75mm／min。45min时入渗速率值最小，巨桉纯林、巨桉＋果树、巨桉＋粮食作物和弃耕地分别为15．76 mm／min、11．74 mm／min、12．28 mm／min 和15．80 mm／min；而15 min 和30min，水分入渗速率依次为巨桉纯林弃耕地＞巨桉＋粮食作物＞巨桉＋果树；4个样地类型的平均入渗速率大小与稳渗入渗速率相同，而巨桉纯林、巨桉＋果树、巨桉＋粮食作物和弃耕地达到稳渗的时间分别为60min、45min、55min和50min。

表4 不同样地类型土壤的水分入渗速率Table 4 Water infiltration rate of soils of different land utilization patterns

表5 土壤团聚体与水分入渗的相关性Table 5 Correlation between soil aggregate and water infiltration

2．4 土壤干（湿）筛团聚体与容重和土壤水分入渗速率的相关性

土壤的物理性质与土壤团聚体含量及大小有密切的关系，土壤团聚体对土壤质量、水分入渗以及抗侵蚀能力的强弱有较大关系。由表5可知，土壤平均水分入渗速率与＞5mm 干筛团聚体、＞5mm 湿筛团聚体、2～5 mm 湿筛团聚体表现为正相关趋势。其中，与＞5mm 干筛团聚体呈显著正相关，与2～5mm 干筛团聚体以及容重呈显著负相关。

相关分析结果表明，＞5mm 干筛团聚体、湿筛团聚体和2～5mm 湿筛团聚含量越大土壤平均水分入渗能力越强。这是由于选取研究的不同样地类型中，土壤团聚体主要集中在＞5mm、2～5mm 粒径范围内，土壤大团聚体含量较高，而随着土壤大团聚体含量增多，土壤孔隙度在土壤中所占百分比得到提高，水分入渗能力相应增强，容重与平均水分入渗速率为负相关关系。整体上看，土壤团聚体在一定程度上可以反映水分入渗速率的大小，即土壤团聚体含量特别是大团聚体含量越高，土壤水分入渗速率越快。

3 结论与讨论

1）研究结果表明，不同样地类型的水分入渗速率各不相同，依次为弃耕地＞巨桉纯林＞巨桉＋粮食作物＞巨桉＋果树。不同样地类型的土壤团聚体差异显著，且团聚体含量主要集中于＞5mm 和2～5mm 粒径范围内，大团聚体含量较高。＞5mm 团聚体含量中弃耕地与巨桉纯林的干（湿）筛团聚体均大于巨桉＋果树和巨桉＋粮食作物。经方差分析，干 筛和湿 筛 团 聚 体 在0．05 显 著 水 平（F＞F0．05＝2．772）下4种不同用地类型对土壤粒径形成的影响差异较显著。

2）水分入渗速率随时间的变化而变化，即开始入渗速率较小，随时间的延长水分入渗速率开始增高，当达到一定程度时，降低速率慢慢趋于稳渗。研究结果表明，弃耕地＞巨桉纯林＞巨桉＋果树＞巨桉＋粮食作物。经相关分析，土壤水分入渗速率与团聚体之间呈正相关，且差异显著。说明，土壤团聚体含量对水分入渗影响较大，即土壤团聚体含量特别是大团聚体含量的增加，水分入渗也随之增强。总之，弃耕地和巨桉纯林的水分入渗速率较快，相比另外2个样地类型的水分入渗速率较慢。另外，稳渗时间也以弃耕地和巨桉纯林两地较长，证明其总的水分入渗量较大，更加有利于减少水土流失，水土保持能力较好。

3）土壤粒径的分布对土壤持水力、土壤肥力具有重要的影响，同时与土壤退化和侵蚀有着直接的关系［15］。土壤中大团聚体含量越多，能有效改善土壤的入渗能力、土壤持水量以及土壤的孔隙度［16］。土壤团粒结构与土壤容重有较大的关系，随着土壤容重的增加，在一定程度上会破坏土壤的团粒结构，进而减少土壤的大空隙，增加土壤的紧实度，降低土壤水分入渗能力。土壤容重的含量越小其水分入渗能力越强［17］。

4）不同林地土壤团聚体含量的分布有很大的差异。巨桉＋粮食作物和巨桉＋果树2 个样地类型＞5mm土壤团聚体含量小于另外2个样地类型，这是由于人为对土壤进行耕作、翻挖减少了土壤大团聚体含量，使土壤小粒径的团聚体增多，降低了土壤的孔隙度；另一方面，弃耕地和巨桉纯林2个样地类型大团聚体含量较高，因人为扰动减少和容重含量较小有很大的关系。

5）在区域尺度内，农业各部门产业结构的调整，林种的选择，都将对当地的大气、土壤环境造成不同的影响。而通过生态服务价值测算出来的林地生态效应，则忽略了土壤层面的因素，对区域生态效应的评估也显得片面。对林地土壤水渗透的研究，可以弥补以上不足，更全面地研究林业产业对生态环境的影响，合理地对产业结构进行调整。

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