海子流域土壤物理特性及其水源涵养能力分析

莫小娥 张维江 梁如心

摘要：为了研究宁夏海子流域水源涵养林下土壤的水源涵养能力，采用野外实地采样和室内环刀法测定分析6种林分类型10块林地的土壤容重、孔隙度、田间持水量、渗透性和土壤蓄水量等指标。研究结果表明：2016年海子流域水源涵养林10块林地的表层（0～20cm）土壤的平均容重最小，为1.35g/cm3，中层（20～40cm）和下层（40～60cm）平均容重分别为1.55g/cm3和1.48g/cm3；天然次生林地的表层土壤容重小于人工林地的；天然次林地的表层土壤总孔隙度和非毛管孔隙度较人工林地的高；阴坡植被土壤的平均土壤稳渗率大于阳坡的；人工林土壤中层的渗透性大于表层的；同种植被不同影响因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2），刺槐林2（3155.93t/hm2）>刺槐林1（2660.64t/hm2）；10块林地的平均土壤蓄水容量为2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量为524.05t/hm2。

关键词：水源涵养林；土壤物理特性；土壤蓄水能力；渗透性能；海子流域

中图分类号：S157.1 文献标志码：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.016

水源涵养林有涵养水源、保育土壤等生态服务功能，有森林普遍具有的生态效益、经济效益和社会效益。水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，不同森林类型因其树种生物学特性与林分结构不同，故水源涵养效应存在一定的差异[1-2]。森林群落的地上部分通过截留降雨削弱降雨侵蚀力、降低径流冲刷力。林木地上部分的持水量通常仅占林分水源涵养能力的15%以下，森林土壤则是涵养水源的主体[3]，是森林最大的贮水库和水分调节器。不同树种的生物学特性不同，凋落物数量和分解速度及根系的生长与穿插能力有差异，土壤的物理特性如土壤容重、土壤孔隙度和土壤渗透性等就不一样，所以土壤的水源涵养能力也存在一定的差异。在土壤水源涵养能力方面，骆土寿等[4]对广东省白盆珠水库不同海拔不同林地类型的灌丛草甸、针叶林、阔叶林的土壤蓄水能力进行了研究；杞金华等[5]以云南省哀牢山湿性常绿阔叶林和砍伐烧垦后形成的毛蕨菜-玉山竹群丛为研究对象，对不同样地土壤性质和蓄水量进行了研究，结果表明，哀牢山常绿阔叶林具有良好的水源涵养功能，使得常绿阔叶林中的树木在百年一遇的干旱中依然有足够的水分供应；贾彦龙等[6]研究了燕山北部山地的人工落叶松林、天然次生杨桦林、棒子灌丛及绣线菊灌丛土壤的水源涵养能力，结果表明，天然次生杨桦林和棒子灌丛具有较好的水源涵养功能，而受到强烈人为干扰的绣线菊灌丛水源涵养功能较差。

海子流域位于宁夏泾源县城北28km处，地处东亚季风区边缘，流域面积为5.68 km2。年平均气温5.8℃，年平均日照时数2300h，年平均水面蒸发量为810 mm，干旱指数为1.73。多年平均降水量为469mm，降水年际、年内分配不均，汛期6-9月降水量为313 mm（占多年平均降水量的66.7%）。长期的乱砍滥伐使该流域水土流失严重（多年平均土壤侵蚀模数为3500t/km2），土壤涵养水分能力下降，生态环境脆弱，立地条件差，植被类型属森林草原向干旱草原过渡区，土壤大多为黑垆土，少数林地为黄绵土。笔者以海子流域水源涵养林为研究对象，对几种主要林地的土壤物理特性及其水源涵养能力进行调查分析，以期为该地区治理水土流失、改善生态环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在流域内选择10块具有代表性且生长正常的林地，不同林地的基本概况见表1。其中：油松林4和落叶松林为次生天然林，树龄分别为12a和11a，其余均为人工林地；旱柳林的土壤类型为黄绵土，其余均为黑垆土。鉴于研究区林地地形复杂，试验影响因素较多，根据研究区的实际地理条件，为保证试验结果的可靠性和代表性，便于比较分析同种植被在不同影响因素下的土壤水源涵养能力，选择4块生长正常的油松林、2块刺槐林、云杉林、旱柳林、河北杨林、落叶松林测定分析其土壤水源涵养能力。

1.2 样品采集与试验方法

2016年8月底，在宁夏海子流域内6种主要林分类型的10块样地中，每块样地选择3个具有代表性的样方挖掘土壤剖面，每个样方剖面在0～20、20～40、40～60cm土壤层取样，每层取3个。取样时将腐殖质层清除掉，用100cm3环刀分层分别取5.1cm深的原状土，样品编号后放入密封袋内，共采集样品270个。根据样地的实际条件，土壤相对密度采用密度瓶法测定，土壤田间持水量采用室内环刀法测定[7]，土壤孔隙度（总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）均采用环刀法测定。各指标计算公式[8]为

γ=m/v （1）

p1=（1-γ/ρm）×100% （2）

p2=θγ （3）

p3=p1-p2 （4）式中：γ為土壤容重，g/cm3；m为土样烘干质量，g；v为土样体积，cm3；p1为土壤总孔隙度，%；p2为土壤毛管孔隙度，%；θ为土壤田间持水量，%；p3为土壤非毛管孔隙度，%；ρm为土壤相对密度。

土壤渗透速度测定采用环刀法[9]。根据土壤渗透试验结果，获取土壤初渗率和稳渗率。初渗率为最初入渗时段内的渗透速率，本试验取最初入渗时间为1min；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率。

土壤蓄水容量、土壤毛管持水量、土壤有效蓄水容量采取如下公式[10]计算：

w1=10000p1ρm（5）

w2=10000p2ρm（6）

w3=10000p3ρm （7）式中：w1、w2、w3分别为土壤蓄水容量、土壤毛管持水量、土壤有效蓄水容量，t/hm2。

2 结果与分析

2.1 土壤物理特性和蓄水能力

2.1.1 土壤容重

土壤容重表示单位原状土壤固体的质量，是衡量土壤松紧状况的指标。容重大小是土壤质地、结构、孔隙等物理性状的综合反映。宁夏海子流域内的黑垆土受到黄土母质的侵蚀，腐殖质层的颜色上下差别比较大，上半段为黄棕灰色，下半段为灰带褐色，腐殖质的积累和有机质含量不高。质地越细的土壤越紧实[11]，土壤越紧实则土壤容重越大。样地土壤多为壤土至黏壤土，能保持较多的水分，土壤颗粒间的内聚力强。土壤中的水分像润滑剂一样，使土壤颗粒“滑”到一起，导致紧实[12]，所以样地的土壤容重值整体较大。落叶松林多年连续生长后，根系下扎深度一致，减弱了对土壤的穿透力，还有单一种植方式使根系周围离子平衡被打破，影响团粒结构体的形成，导致土壤紧实，土壤容重增大，甚至达到1.70g/cm3。10块样地土壤的容重见表2，由表2可知：①0～20、20～40、40～60cm土壤层的容重平均值分别为1.35、1.55、1.48g/cm3；表层（0～20cm）土壤的平均容重最小，其性能明显好于中层（20～40cm）和下层（40～60cm）土壤；②天然次生落叶松林（S10）表层的土壤容重最小，人工林地的表层土壤容重普遍大于天然林地的表层土壤容重，说明天然林地的表层土壤结构更优。

2.1.2 土壤田間持水率

田间持水率是土壤保持水分能力的指标，是反映土壤水分运动的一个参考数据。各样地土壤的田间持水率见表3。

根据表3可知，0～20、20～40、40～60cm土壤层的平均田间持水率分别为25.61%、25.69%和26.38%。总体来看，林地表层土壤的土质疏松，毛管力小，水分下渗和蒸散发较多，因此表层土壤持水能力较低；下层土壤的土质相对密实，孔隙小且密，毛管悬着力强，所以下层土壤比表层土壤田间持水率大；林地土壤大多为黑垆土，颗粒细，表面积大，孔隙小，对水的吸持能力大，田间持水率大，其变化范围为20.80%～34.14%，平均值为25.90%。

2.1.3 土壤孔隙度

土壤孔隙度是土壤重要物理特性之一，是反映土壤通透性的指标，毛管孔隙使土壤具有贮水性能，而非毛管孔隙使土壤具有透水性能。一般来说，总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5为好，这种情况使得土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调。土壤的非毛管孔隙度小于10%时，便不能保证通气良好；小于6%时，许多作物便不能正常生长[13]。各样地土壤的孔隙度见表4。

从表4可以看出：①不同样地不同土层土壤孔隙度变化幅度较大，土壤总孔隙度变化范围为36.60%～58.30%，平均值为46.2%；土壤毛管孔隙度变化范围为23.22%～47.34%，平均值为37.44%；土壤非毛管孔隙度变化范围为0.15%～35.08%，平均值为8.73%；②天然次生油松林和天然次生落叶松林的表层土壤的总孔隙度和非毛管孔隙度较高，说明天然次生林表层土壤结构更优；油松林3（S7）表层土壤的总孔隙度和非毛管孔隙度也较高，可能是对油松林3进行多次人工灌水和除草所致；③油松林1（S1）和刺槐林1（S2）的表层和中层土壤总孔隙度分别比油松林3（S7）和刺槐林2（S5）的小，而油松林3（S7）的长势好于油松林1（S1），刺槐林2（S5）的长势好于刺槐林1（S2），原因是这两块长势差的林地位于阳坡坡顶，受太阳辐射和风力影响大，总孔隙度较小，对植被的生长不利；④不同样地中，天然落叶松林（S10）的表层土壤总孔隙度最大，为58.30%，其表层土壤容重也最小，为1.11g/cm3（见表2），说明天然落叶松林地表层土壤结构最优。

2.1.4 土壤蓄水容量、有效蓄水容量和毛管持水量

60cm土层深度的土壤蓄水能力指标计算结果见表5。从表5可以看出：①刺槐林2（S5）的土壤蓄水容量和有效蓄水容量最大，分别为3155.93、1018.53t/hm2；河北杨林（S9）的土壤蓄水容量和有效蓄水容量最小，分别为2445.59、155.56t/hm2；②同种植被不同影响因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2）；油松林4树龄为12a的次生天然林，为深根性树种，根系发达，土壤容重较小，田间持水率较大，因此土壤蓄水容量也最大；位于阴坡的刺槐林2的土壤蓄水容量（3155.93t/hm2）大于位于阳坡的刺槐林1的（2660.64t/hm2），原因是位于阳坡的刺槐林1受太阳辐射和风力影响较大，蒸发量较大，因而土壤蓄水容量较小；③非毛管孔隙所对应的有效蓄水容量占总蓄水容量的18.9%，原因是土壤土质主要为黑垆土，质地比较黏重，非毛管孔隙所占比重较小，所以土壤有效蓄水容量占总蓄水容量的比重也较小；④10块林地的平均土壤蓄水容量为2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量为524.05t/hm2，说明海子流域土壤蓄水容量较高，土壤水源涵养能力较强。

林地土壤是最主要的涵养水源的贮水库，其涵养水源的能力主要取决于土壤的状况，不同林地土壤条件下观测到的土壤水源涵养能力常有较大的差别。与近年来一些关于森林土壤水源涵养能力的研究结果（见表6）[13-16]相比，海子流域林地的土壤最大蓄水容量和有效蓄水容量均较高，说明海子流域林地土壤的水源涵养能力较强。

2.2 土壤渗透能力

土壤渗透能力对地面径流量的调节和转换起着决定性作用，是反映森林水源涵养作用的重要指标，研究区各样地的土壤渗透能力见表7。

从表7可以看出：①不同样地不同土层深度土壤初渗率变化较大，0～20、20～40、40～60cm深度土壤初渗率平均值分别为11.52、15.44、5.72mm/min，土壤稳渗率平均值分别为1.08、1.62、0.95mm/min；②落叶松林（S1o）表层土壤的初渗率和稳渗率最大，分别为28.02、2.55mm/min；油松林1（S1）中层土壤的初渗率最大（为49.92mm/min），油松林4（S8）中层土壤的稳渗率最大（为3.46mm/min）；下层土壤中，油松林1（S1）的初渗率最大（为30.57mm/min），刺槐林1（S2）的稳渗率最大（为2.24mm/min）；③总体上，落叶松林（S10）等阴坡植被的平均土壤稳渗率大于油松林1（S1）等阳坡植被的；④油松林1（S1）和刺槐林1（S2）等几种人工种植林土壤中层的稳渗率大于表层的，原因是植树时表层土壤被人为踩实，中层土壤则相对疏松；而天然落叶松林（S10）表层土壤稳渗率（2.55mm/min ）大于中层土壤的（1.22mm/min）。

3 结论

对宁夏境内的海子流域水源涵养林土壤的物理特性及其水源涵养能力的分析表明：

（1）海子流域水源涵养林10块林地的表层土壤的平均容重最小（为1.35g/cm3），其土壤性能明显好于中层和下层土壤；天然林地表层土壤容重小于人工林地，说明天然林地表层土壤结构更优。

（2）海子流域水源涵养林地表层土壤土质疏松，总孔隙最大（为50.24%），毛管力小，水分下渗和蒸散发多，表层土壤持水能力低，而下层土壤土质密实，孔隙小且密，毛管悬着力强，因此下层土壤比表层土壤田间持水率略大；林地土壤大多为黑垆土，颗粒细，表面积大，孔隙小，对水的吸持能力大，田间持水率高，其变化范围为20.82%～34.14%，平均值为25.89%。

（3）研究区林地土壤非毛管孔隙度为0.15%～35.08%，总孔隙度为36.60%～58.30%；天然次生油松林和天然次生落葉松林的表层土壤总孔隙度和非毛管孔隙度较高，说明天然次生林表层土壤结构更优。

（4）阴坡植被的平均土壤稳渗率大于阳坡的，人工林土壤中层的稳渗率大于表层的。

（5）同种植被不同影响因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2），刺槐林2（3155.93t/hm2）>刺槐林1（2660.64t/hm2）；10块林地的平均土壤蓄水容量为2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量为524.05t/hm2，与其他流域相比，海子流域林地的土壤最大蓄水容量和有效蓄水容量均较高，说明海子流域林地土壤的水源涵养能力较强。

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