黄土高原典型林分土壤水文物理性质及持水性能

张晓梅，邸利，王彦辉，史再军，张曦慧，王正安，费俊娥，郭保才，唐瑜敏，杨宝宝

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091；3.泾川县官山林场，甘肃 泾川 744306；4.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000；5.黄河水利职业技术学院水利水电学院，河南 郑州 450000；6.泾川县林业局，甘肃 泾川 744306)

森林土壤由于受森林凋落物、植物根系以及依存于森林植被下特殊生物群的影响，因而具有一些独特的水文-物理特征[1].森林土壤的水文物理性质是决定森林生态水文功能的重要基础，是森林生态系统服务功能研究的重中之重[2-3].研究表明，土壤层供给的森林涵养水源量超过85%，而地上植被和枯落物的持水量不足15%[4-5].目前，国内外专家及学者对林地土壤层水文功能已作了大量的研究工作，并取得了一定成果.王忠诚等[7]对洞庭湖区杨树林与杉木林土壤持水性能的研究发现杉木林蓄水能力优于杨树林，且土壤的蓄水量主要取决于土壤孔隙状况.王正安等[6]对六盘山4种植被类型土壤层物理性质研究表明，华北落叶松林和白桦林的蓄水性能优于沙棘灌丛和草.刘宇等[8]对秦岭火地塘林区3种土地利用类型的土壤潜在水源涵养能力研究表明，松栎混交林地>农用地>荒草地.赵世伟等[9]对子午岭次生植被土壤蓄水性能及有效性的研究发现，乔木林地蓄水量最大而撂荒地最小.黄土高原干旱、半干旱区不同林分类型受多种因素影响诸如研究区的森林立地条件、林木生长状况、海拔、坡度、根系分布、枯落物数量等生态因子及人工活动等的影响[5-6]，其土壤物理性质呈现不同的变化规律.以往研究多集中在同一区域不同树种及模型的研究，对不同区域的研究相对较少，因此，文中基于各项土壤物理特性的调查，应用方差分析对黄土高原地区3种典型林分土壤水文功能进行了定量评价和差异比较，有利于当地水资源综合管理，为黄土高原地区林业生态工程植被建设中的林分种类选择提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

在黄土高原大尺度范围内，选择3种典型林分：贺兰山油松天然林、子午岭油松次生林、六盘山华北落叶松人工林及陇东黄土高原刺槐人工林，采样地点分别位于贺兰山苏峪口国家森林公园、延安官庄林场、固原叠叠沟林场与泾川官山林场.苏峪口国家森林公园位于银川市西北的贺兰山国家自然保护区内，地处中温带干旱气候区，海拔2 960 m,植被覆盖率为70%；官庄林场位于黄龙县崾岘乡境内，地处子午岭东南，森林资源丰富，植被覆盖率达86%；叠叠沟林场位于六盘山北侧的土石山区，海拔1 975～2 615 m,流域面积25.4 km2，流域形状系数1.58，植被覆盖率为80%；官山林场位于陇东黄土高原泾川县中沟小流域，典型的大陆性气候，流域面积2.09 km2，海拔1 072～1 351 m，刺槐林占整个林分面积的92%.研究区地理位置与详细情况见图1与表1.

图1 研究区域与位置Figure 1 The geographical position of sample areas

表1 研究区基本概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 刺槐、油松、华北落叶松作为黄土高原主要的水保林营造树种，分布较为广泛且有较好的水土保持效益.于2016年8月在黄土高原选取环境条件相近并均有黄土分布的3种林分类型(华北落叶松林、油松天然林/次生林、刺槐林)，按长1.5 m、宽1 m挖土壤剖面，采用机械分层取土法，用体积100 m3的环刀按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm分6层采集原状土，每层取3个重复.

1.2.2 土壤物理性质及持水量测定 依据国标《LY/T1215-1999森林土壤水分-物理性质的测定》，采用环刀法测定土壤容重、孔隙度、总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性质.依据公式计算土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量，以其作为土壤持水性能指标.公式分别为：

土壤最大持水量Wt= 10 000Pt·h

土壤非毛管持水量W0=10 000P0·h

土壤毛管持水量Wc= 10 000Pc·h

式中，PT为土壤总孔隙度(%)，P0为土壤非毛管孔隙度(%)，Pc为土壤毛管孔隙度(% )，h为土层厚度(m).

1.3 数据分析与处理

数据处理采用Excel 2007及SPSS 19.0的Duncan’s多重比较法进行土壤水文物理性质差异性分析，采用Pearson相关分析法进行土壤物理性质与持水性能相关性分析.

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤容重、孔隙度的差异

土壤容重、孔隙度是土壤中水分、养分、微生物等的重要通道与活动场所，也是土壤物理性质的重要指标[10].土壤容重小则土壤较为疏松，通气性良好，反之则土壤较为紧实，通气性能较差.由表2可知，子午岭油松次生林、贺兰山油松天然林与六盘山华北落叶松人工林的土壤容重均随土层加深而增大，陇东黄土高原刺槐人工林土壤容重最大值出现在20～40 cm处.子午岭油松次生林与贺兰山油松天然林在0～20 cm深度内差异极显著(P<0.01),20～60 cm范围内差异显著(P<0.05)，在60～100 cm深度范围内子午岭油松次生林与陇东黄土高原刺槐人工林差异显著(P<0.05)；贺兰山油松天然林与陇东黄土高原刺槐人工林在0～10、10～40 cm范围内分别为差异极显著(P<0.01)与差异显著(P<0.05),贺兰山油松天然林与六盘山华北落叶松人工林在0～10、10～20 cm与40～60 cm范围内分别为差异极显著(P<0.01)与差异显著(P<0.05),其它相同土层不同林分类型间土壤容重无显著差异.在0～100 cm深度范围内，土壤容重变化范介于0.98～1.24 g/cm3之间，土壤容重均值以子午岭次生油松(1.24 g/cm3)最大，陇东黄土高原人工刺槐(1.16 g/cm3)与六盘山华北落叶松(1.16 g/cm3)次之，贺兰山油松天然林(0.98 g/cm3)最小.

土壤总孔隙度的大小是决定林地土壤通气透水性能与涵养能力的重要指标，总孔隙度大表明土壤疏松通透性好利于植物根系伸展[13].非毛管孔隙度对森林蓄水性能有至关重要的影响，是评价林地水源涵养功能的重要指标[14].由表2可知，不同林分类型同一土层间的土壤总孔隙度与毛管孔隙度存在显著差异，刺槐林土壤总孔隙度最大值在10～20 cm处(52.68%)，其他林分土壤总孔隙度均随土层深度增加而减小，子午岭油松次生林与陇东黄土高原刺槐人工林土壤毛管孔隙度随土层加深而增大，贺兰山油松天然林毛管孔隙度随土层加深而减小，六盘山华北落叶松人工林土壤毛管孔隙度呈波动变化.不同林分类型间的土壤非毛管孔隙度无显著差异，除贺兰山油松天然林存在波动变化外，其它林分类型均随土层加深逐渐减小.在0～100 cm深度内，土壤总孔隙度大小依次为贺兰山油松天然林(54.78%)>陇东黄土高原刺槐人工林(51.75%)>六盘山华北落叶松人工林(48.31%)>子午岭油松次生林(48.27%),毛管孔隙度为贺兰山油松天然林(45.42%)>陇东黄土高原刺槐人工林(41.44%)>六盘山华北落叶松人工林(39.90%)>子午岭油松次生林(38.71%),土壤非毛管孔隙度为陇东黄土高原刺槐人工林(10.31%)>子午岭油松次生林(9.56%)>贺兰山油松天然林(9.36%)>六盘山华北落叶松人工林(8.42%).

表2 不同林分类型0～100 cm土壤容重和孔隙度

同列数据后标不同小写字母表示同一土层下不同林分类型间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一土层下不同林分类型间差异极显著(P<0.01).

Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference between different stand types under the same soil layer(P<0.05),Different uppercase letters show extremely significant differences between different stand types under the same soil layer(P<0.01).

2.2 不同林分类型土壤持水性能差异

土壤水分是土壤中营养循环流动与物质转化的载体，对不同林分类型土壤蓄水能力的研究有助于了解不同林分类型的森林土壤保水性能[15].饱和持水量代表土壤最大含蓄水的能力，毛管水为植物生存的基础，可为植物根毛及土壤中细菌所利用，非毛管持水主要受重力作用向下运动，运动速度较快，可起到调蓄洪峰的重要作用[4,13].由表3可知，0～100 cm土层内，除贺兰山油松天然林土壤饱和持水率、毛管持水率与非毛管持水率在各层无显著差异以外，其它林分在土壤剖面垂直分层上的持水能力大部分存在显著差异.土壤饱和持水率最大值均出现在0～20 cm的表层土壤，随土层加深呈波动降低的趋势.贺兰山油松天然林与六盘山华北落叶松人工林随土层深度增加土壤毛管持水率与非毛管持水率逐层降低，而子午岭油松次生林毛管持水率与非毛管持水率波动变化且在80～100 cm深度处达到最大值，陇东黄土高原刺槐人工林最大毛管持水率与最大非毛管持水率分别出现在80～100 cm与0～10 cm处，这主要与表层枯落物累积状况、分解速率及不同树种在不同土层根系分布的密集程度有关.

综合Duncan’s多重比较的结果，0～100 cm深度内，贺兰山油松天然林土壤饱和持水率、毛管持水率与非毛管持水率的均值都与其他3种林分类型差异极显著(P<0.01),土壤饱和持水率、毛管持水率与非毛管持水率大小依次为贺兰山油松天然林>陇东黄土高原刺槐人工林>六盘山华北落叶松人工林>子午岭油松次生林.

2.3 不同林分类型土壤水文物理指标的相关性

土壤水文物理指标受成土过程影响的同时也影响林地土壤的持水性能，各物理指标在一定程度上存在关联[16].运用SPSS 19.0软件对土壤物理性质与持水性能进行了Pearson相关性分析(表4)，结果表明，土壤容重与土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水率、毛管持水率、非毛管持水率均存在极显著负相关关系，其中以土壤容重与土壤饱和持水率的相关性最好，相关系数为-0.961；土壤的总孔隙度、毛管孔隙度与持水性能存在极显著正相关关系，非毛管孔隙度与土壤饱和持水率呈极显著正相关，与毛管持水率及非毛管持水率仍存在正相关关系但影响不显著，说明土壤总孔隙度与非毛管孔隙度越大土壤的饱和持水率越高，则土壤持水性能越好.

表3 不同林分类型0～100 cm土壤持水能力

同列数据后标不同小写字母表示同一土层下不同林分类型间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示同一土层下不同林分类型间差异极显著(P<0.01).

Different lowercase letters after the same column data indicate significant difference between different stand types under the same soil layer(P<0.05),Different uppercase letters show extremely significant differences between different stand types under the same soil layer(P<0.01).

表4 不同林分类型各物理指标的相关性

**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关.n=72.

**Singnificant correlation at 0.01 level (bilateral).

3 讨论

在黄土高原大尺度内，不同林分类型0～100 cm深度的土壤容重随土层加深而增大，孔隙度则随土壤加深而减小，这与顾宇书[13]、孙艳红[17]等对森林土壤物理性质随土层深度变化的研究一致.3种不同林分类型土壤总孔隙度变化范围为45.28%～59.45%，与鲁邵伟[18]对中国大部分森林生态系统土壤总孔隙度范围为40%～60%的研究结果相一致.1 m深度内土壤容重以子午岭油松次生林为最大，陇东黄土高原刺槐人工林与六盘山华北落叶松人工林次之，贺兰山油松天然林最小，而土壤总孔隙度以贺兰山油松天然林最大，子午岭油松次生林为最小，这说明贺兰山油松天然林土壤质地疏松，有较好的水源涵养能力.

不同林分类型同一土层间的持水性能存在差别，1 m深度内，贺兰山油松天然林与子午岭油松次生林、陇东黄土高原刺槐人工林以及六盘山华北落叶松人工林的土壤饱和持水率、毛管持水率及非毛管持水率均存在极显著差异(P<0.01),土壤持水率以贺兰山油松林为最大，陇东黄土高原刺槐人工林与六盘山华北落叶松人工林次之，子午岭油松次生林最差.土壤孔隙度是影响土壤蓄水能力的关键因素，贺兰山油松天然林地受到人为扰动较小，林下有机质的大量堆积形成“林褥层”[7]，土壤质地疏松，总孔隙度(54.78%)与毛管孔隙度(45.42%)均最大，因而其持水性能最好.子午岭油松次生林的土壤总孔隙度与非毛管孔隙度均优于六盘山华北落叶松，但其饱和持水率、毛管持水率和非毛管持水率却最低，这可能与枯落物分解状况及植物根系分布有关，也与土壤质地以及人类活动都有关.不同林分土壤持水率受土壤容重的影响最为显著.

本研究对不同林分类型物理性质和持水性能的差异比较发现，贺兰山油松天然林的持水性能最好，陇东黄土高原刺槐人工林与六盘山华北落叶松人工林次之，子午岭油松次生林最差，这与部分学者认为的天然林对土壤的改善能力优于人工林的研究结论一致[19-20].但是子午岭油松次生林与六盘山华北落叶松人工林的土壤孔隙度与持水性能的反差需在以后的研究中更加深入，未来需综合考虑树种差异及人工林与天然林林分结构、立地条件等因子的综合影响，以期对黄土高原大尺度内不同林分类型土壤物理性质与持水性能提出更科学的理论指导.

4 结论

不同林分类型的土壤容重及孔隙度有显著差异.土壤容重随土层深度增加而增大，而孔隙度则随土壤深度增加而减小，不同林分类型的土壤容重为子午岭油松次生林>陇东黄土高原刺槐人工林与六盘山华北落叶松人工林>贺兰山油松天然林,土壤总孔隙度与毛管孔隙度为贺兰山油松天然林>陇东黄土高原刺槐人工林>六盘山华北落叶松人工林>子午岭油松次生林,土壤非毛管孔隙度为陇东黄土高原刺槐人工林>子午岭油松次生林>贺兰山油松天然林>六盘山华北落叶松人工林，可见贺兰山油松天然林对土壤改善具有优越性.

贺兰山油松天然林含蓄水源能力最好，陇东黄土高原刺槐人工林与六盘山华北落叶松人工林次之，子午岭油松次生林最差.贺兰山油松天然林土壤饱和持水率、毛管持水率与非毛管持水率均值均与其它三种林分类型差异极显著(P<0.01).

土壤容重与其它所有指标均存在极显著负相关关系，其中与土壤饱和持水率负相关性及正相关性最好的分别是土壤容重与总孔隙度，说明土壤容重通过影响孔隙度进而影响土壤持水性能.