洞庭湖区主要森林类型土壤持水性能研究

王忠诚 ，邓秀秀 ，崔卓卿 ，张 展 ，华 华

（1．中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412002）

洞庭湖区主要森林类型土壤持水性能研究

王忠诚1，邓秀秀1，崔卓卿1，张 展1，华 华2

（1．中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412002）

采用野外定位观测与室内实验相结合的方法，对洞庭湖区具有代表性的森林土壤持水性能进行研究。结果表明：（1）土壤容重随着土壤深度的增加而增大，土壤表层容重变化幅度大于土壤深层。不同林地土壤容重变化范围为1.03～1.53 g·cm-3，平均值大小表现为杉木林（1.18 g·cm-3）＜杨树林（1.36 g·cm-3）。（2）林地土壤孔隙度和非毛管孔隙度随着土壤深度增加而减小，土壤孔隙度平均值大小为杨树林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%）。 （3）土壤有效蓄水量平均值大小为杨树林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2）。相对于杨树林而言，杉木林的土壤蓄水能力较强。（4）土壤的持水性能和土壤物理性质指标之间的相关性分析表明，

林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取决于土壤的孔隙状况。

林地土壤；物理性质；持水性能；洞庭湖

森林生态系统是维持和调节陆地生态系统平衡和改善生态环境的基础[1]，森林的水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一。森林土壤是降雨继林冠层、灌草层和枯落物层截留后的第四个主要作用层[2]，对降水的分配调节作用十分明显。国内外许多研究者对森林水源涵养功能进行了较深入的研究，包括山地、自然保护区、林区、水库等范围内林地持水性能[3-7]，然而对洞庭湖区森林土壤持水性能的研究相对较少。近年来，随着“后三峡时代”的到来，洞庭湖区土地退化、水土流失等生态问题日益突出。本文中采用野外定位观测和室内分析方法，对洞庭湖区主要森林类型的持水性能进行研究，以期为洞庭湖区生态环境建设及相关理论研究提供基础数据参考。

1 研究区域概况

洞庭湖位于北纬28°44′～ 29°35′、东 经111°53′～ 113°05′之间，地处湖南省东北部，是我国第二大淡水湖。洞庭湖地属亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛。年平均气温17 ℃，年平均降水量1 302 mm。洞庭湖区国土面积300万hm2，林业用地101.31万hm2，有林地面积65.97万hm2，占国土面积的22.1%，占林业用地面积的65.1%。森林总蓄积600.7万m3，森林覆盖率34.2%。洞庭湖区现有森林主要是人工林，以用材林、护岸林、护堤林、农田防护林和四旁树为主。其中，主要树种有杨树Populus、杉木Cunninghamia lanceolata、水杉Metasequoia glyptostroboides、池杉Taxodium ascendens、落羽杉Taxodium distichum、国外松Pinus sylvestrisvar.mongolica、喜树Camptotheca等。

2 研究方法

2.1 标准地选择与设置

本研究选取在洞庭湖区内广泛分布的主要森林类型杨树、杉木进行研究，试验样地设在西洞庭湖区的汉寿县、桃源县，南洞庭湖区的沅江市以及北洞庭湖区的岳阳县。根据试验地森林资源状况，采用线路调查和典型调查相结合的方法，分别建立面积为667 m2的标准样地。基本情况见表1。

表1 各标准样地基本情况Table 1 The basic information of standard plot

2.2 林地土壤持水性能的测定

在设置的标准样地内，选择具有代表性的样点，划一个长1.5 m、宽1 m的长方形，依次向下挖掘，挖取土壤剖面，采用机械分层取土法，用环刀（容积100 cm3）按照0～15 、15～30 、30～45 cm分层采集原始土块，重复3次，带回实验室测定土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重、最大持水量及有效蓄水量[8-9]等土壤持水性能指标。

式中：P为土壤容重（g·cm-3）；M为环刀和干土质量（g）；M0为环刀的质量（g）；V为环刀容积（cm3）；Q为水的比重（g·cm-3）；K为土壤非毛管孔隙度（%）；K1为土壤毛管孔隙度（%）；K2为土壤总孔隙度（%）；C为毛管持水量（%）；C1为最大持水量（%）；C2为土壤非毛管孔隙度（%）；C3为土壤毛管持水量（%）；C4为土壤有效持水量（t·hm-2）；C5为土壤最大持水量（t·hm-2）；H为土层厚度（m）。

2.3 试验时间

样地数据采集时间为2014年秋季，室内试验基本按采样时间同步进行。

3 结果与分析

3.1 林地土壤物理性质分析

土壤物理性质是土壤的基本特征，是土壤水源涵养功能的重要指标之一。其基本指标情况见表2。

土壤的物理性质主要有土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、非毛管孔隙度等指标，这些指标直接影响着林地土壤的持水性能和蓄水能力。土壤容重是用来说明土壤的松紧程度及孔隙状况，反映土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力状况，是土壤物理性质的一个重要指标[10]。土壤孔隙是土壤养分、水分和空气以及微生物、植物根系等的通道或贮存库[11]。土壤孔隙度的大小与土壤的紧实程度密切相关。森林植被可以通过枯枝落叶、根系等来增加土壤的孔隙数量，从而增强土壤的持水性能[12]。土壤孔隙度可分为毛管孔隙度、非毛管孔隙度。土壤毛管孔隙度越高，土壤空隙越大，土壤蓄水能力越强。

从图1分析得出，林地土壤容重总体上随土壤深度增加而增大，土壤表层容重变化幅度大于土壤深层，主要在于森林土壤受到森林凋落物、树根等的影响，有机质和腐殖质主要集中在土壤表层[13]。不同林地土壤容重范围为1.03～1.53 g·cm-3，土壤容重平均值大小为杉木林（1.18 g·cm-3）＜杨树林（1.36 g·cm-3），主要原因在于杨树林受人类活动影响较大，使表层土壤压紧，土壤比较坚实，容重值较大。

表2 不同森林类型土壤物理性质Table 2 The physical properties of forest soil

图1 林地土壤容重随深度变化情况Fig.1 Forest soil bulk density changes with depth

从图2可以看出，土壤孔隙度随土壤深度增加而减小，与土壤容重变化趋势相反。林地0～45 cm土壤孔隙度平均值大小为杨树林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%），说明杨树林和杉木林对土壤孔隙度的改良效果不相同。杨树林为落叶阔叶林，枯落物分解较快，在一定程度上可以改善土壤的孔隙状况，但湖区的杨树林大部分位于环湖低丘平原地带，多为湖区防护林和防浪护堤林，湖区丰水期湖水倒灌冲刷样地，对杨树林的林下植被造成一定影响，使样地的枯落物较少。加上湖区人类经营管理活动较多，使得样地土壤容重较大，孔隙度较小。

图2 土壤孔隙度随深度变化情况Fig.2 Forest soil total porosity changes with depth

由图3分析得出，随着土壤层深度的增加，土壤非毛管孔隙度呈减低趋势，主要原因是植物的根系多分布于土壤表层，并且土壤表层有机质团粒较多，土壤通气和透水性较强。土壤非毛管孔隙度的变化范围为9.55%～13.82%，林地0～45 cm土壤非毛管孔隙度平均值大小为杨树（33.15%）＜ 杉木林（38.53%）。

图3 土壤非孔隙度随土层深度变化情况Fig.3 Forest soil noncapillary porosity changes with depth

研究表明，土壤总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占20%～40%时，土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调[14]。从林地土壤孔隙状况来看，洞庭湖区杉木林土壤孔隙状况高于杨树林土壤孔隙状况，杉木林土壤透水性较强。

3.2 林地土壤持水特征分析

土壤最大蓄水量是毛管孔隙和非毛管孔隙蓄水量之和，反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[15-16]，其中毛管水供植物根系吸收和林地蒸发，非毛管水可沿不透水层由高到低供应湖泊、河流，起着调节流量、稳定水位的功能。因此，通常把这部分水量叫涵养水源量[17]。

最大蓄水量是毛管水和非毛管水均达到饱和时土壤的蓄水量。毛管水供植物根系吸收和林地蒸发，只做垂直运动。非毛管水在重力的作用下不仅可以上下垂直运动，还可做横向渗透，通常把这部分非毛管水量作为有效蓄水量[18]。森林土壤的贮水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙度[19]，土壤的有效蓄水量是衡量林地土壤水源涵养能力的重要指标之一。不同林地土壤持水性能见表3。

表3 不同林地土壤持水性能Table 3 The water holding capacity of forest soil

从图4可见，林地0～45 cm土壤最大蓄水量范围为1 851.40～ 2 398.83 t·hm-2，最大蓄水量总量大小为杨树林（2 065.66 t·hm-2）＜ 杉木林（2 254.15 t·hm-2）。

图4 土壤最大蓄水量随土壤深度变化情况Fig.4 The soil maximum water storage capacity changes with depth

由图5可以看出，不同林地0～45 cm土壤有效蓄水量范围为472.37～630.25 t·hm-2。有效蓄水量总量大小为杨树林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2），主要是由于湖区杉木林林下更新较快、枯落物较多、地被物较丰富、土壤生物活动强度较大、有效改良了土壤等因素造成。不同林地0～45 cm土壤最大蓄水量和有效蓄水量总量大小为杨树林（10 425.61 t·hm-2）＜ 杉木林（11 206.38 t·hm-2）。相比而言，杉木林土壤蓄水量大于湖区杨树林蓄水量，杉木林的土壤蓄水较强。

3.3 土壤物理性质与土壤持水性能之间的相关性分析

土壤的物理指标容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等影响着土壤的持水性能，运用SPSS20.0软件对土壤主要物理性指标与持水性能进行相关性分析，结果见表4。

图5 土壤有效蓄水量随土壤深度变化情况Fig.5 The soil effective storage water capacity changes with depth

表4 林地土壤物理性质与持水性能相关性†Table 4 The correlations of forest soil water holding capacity and soil physical property

从表4可以看出，土壤最大蓄水量与土壤容重的相关系数为0.441，呈低正相关关系；与毛管孔隙度、毛管总孔隙度相关系数分别为0.70、0.66，呈显著正相关关系，表明土壤孔隙度越大，则土壤最大蓄水量越大；土壤容重与土壤有效蓄水量呈低负相关关系，土壤非孔隙度与土壤有效蓄水量呈强正相关关系，说明土壤非毛管孔隙度越大，土壤的有效蓄水量越好，土壤的持水能力越强。

分析说明，林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取决于土壤的孔隙状况，土壤毛管孔隙度越大，则土壤最大蓄水量越大；土壤非毛管孔隙度越大，土壤的蓄水量越好，土壤的持水能力越强。

4 结论与讨论

4.1 结 论

通过对洞庭湖区主要森林类型土壤的持水性能进行研究分析，结论如下：

（1）不同林地类型土壤容重随土壤深度增加而增大，土壤表层容重变化幅度大于土壤深层。土壤容重变化范围为1.03～1.53 g·cm-3，土壤容重平均值大小为杉木林（1.18 g·cm-3）＜杨树林（1.36 g·cm-3），主要与杨树林的生长情况和人类活动有关。一方面，湖区丰水期湖水冲刷使杨树林林下地被物较少；另一方面，杨树林的人类经营和管理强度大于杉木林，使土壤表层比较坚实，土壤容重值较大。

（2）林地土壤孔隙度随土壤深度增加而减小，与土壤容重变化趋势相反。林地0～45 cm土壤孔隙度平均值大小分别为杨树林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%），表明杨树林和杉木林对土壤孔隙度的改良效果存在一定的差异性；随着土壤层深度的增加，土壤非毛管孔隙度呈减低趋势，主要原因是植物的根系多分布于土壤表层，并且表层土壤有机质团粒较多，土壤通气和透水性较强。

（3）土壤最大蓄水量平均值大小表现为杨树林（2 065.66 t·hm-2）＜ 杉木林（2 254.15 t·hm-2）。土壤有效蓄水量平均值大小表现为杨树林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2）。相比而言，杉木林的土壤蓄水能力较强。

（4）土壤的持水性能和土壤物理性质相关性分析表明：林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取决于土壤的孔隙状况，土壤孔隙度越大，则土壤最大蓄水量越大，土壤非毛管孔隙度越大，土壤的有效蓄水量越好，土壤的持水能力越强。

4.2 讨 论

森林土壤蓄水是森林水源涵养功能的重要组成部分，洞庭湖区主要森林类型的土壤总孔隙度变化范围为38.03%～57.23%，这与中国大部分森林生态系统土壤（总孔隙度40%～60%）保持一致[20]，其中杨树林地土壤总孔隙度平均值为44.43%，与谢亚军等[21]所取得的研究结果相当。

森林土壤持水性能受多种生态因子的影响，与研究区域的林地立地条件、土地利用方式、植被类型、海拔、坡度、树种、年龄以及人类活动等有关，是生态因子综合作用的结果。海拔可以引起水热条件变化[22]，会影响枯落物分解，土壤有机质、土壤容重、孔隙度等随之变化，从而影响土壤持水性能。于乃胜等[23]研究表明，杨树人工林土壤的水源涵养功能与造林品种、造林年限、造林密度和管理方式等密切相关。本研究主要从植被类型和林地土壤物理性质方面对森林土壤持水性能做了初步研究，而生态因子如何综合影响森林土壤持水性能和土壤蓄水能力等方面，在今后的研究中有待进一步加强。

本研究仅对洞庭湖区2014年的监测数据进行了取样分析，缺少纵向的对比。如果能对研究区主要森林土壤进行多季节、连续多年、多区域的综合监测分析，则可以在时间空间尺度上，实现对洞庭湖区森林土壤蓄水能力的动态监测，为洞庭湖区森林水源涵养功能的研究提供更为科学的依据。

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Research on water holding capacity of forest soil around Dongting Lake

WANG Zhong-cheng1, DENG Xiu-xiu1, CUI Zhuo-qing1, ZHANG Zhan1, HUA Hua2
(1.School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Zhuzhou Research Institute of Forestry Science, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

Dongting Lake is our country’s important wetland ecological function area, which has the extremely important ecological function. Based on fi eld observation and indoor experiment methods, The author choose the typical forest soil water holding capacity from it and make a quantitative analysis. The results are as follows: (1) Woodland soil bulk density increases with increasing soil depth,variations in soil bulk density is greater than the deep soil. And the soil bulk density ranged between 1.03 ～ 1.53 g·cm-3, and the average of soil bulk density was Chinese fi r forest (1.18 g·cm-3) ＜ Poplar forest (1.36 g·cm-3); (2) Forest soil porosity and non-capillary porosity decreased with soil depth, and the average of soil porosity was Poplar forest (33.15%) ＜ Chinese fi r forest (38.53%); (3) The average of soil effective storage water capacity was Poplar forest (2 206.50 t·hm-2) ＜ Chinese fi r forest (2 235.91 t·hm-2). By comparison, the water storage capacity of Chinese fi r forest was stronger than the Poplar forest; (4) Soil water holding capacity and the soil physical properties index correlation analysis showed that the soil of the largest storage capacity and the effective storage capacity mainly depends on the porosity of the soil condition. The above conclusions provide data support for forest water conservation function around Dongting Lake.

forest soil; physical property; water-holding capacity; Dongting Lake

S714.7

A

1673-923X(2016)05-0079-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.015

2015-03-10

国家科技支撑计划项目：南方丘陵地区农业面源污染防控技术集成与示范（20012BAD15B04）；中南林业科技大学引进高层次人才科研启动基金项目“典型森林生态系统固土保肥价值研究”（0323）

王忠诚，副教授，博士，硕士研究生导师；E-mail：wzc366@163.com

王忠诚，邓秀秀，崔卓卿，等. 洞庭湖区主要森林类型土壤持水性能研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(5): 79-84.

[本文编校：谢荣秀]