草海北坡工程区不同灌丛植被土壤的持水性能

吴佳伟， 杨 瑞*， 刘 志， 瞿 爽， 杨秀忠

(1.贵州大学 林学院， 贵州 贵阳 550025； 2.威宁自治县农牧局， 贵州 威宁 553100)

土壤水分对植被的恢复与重建有很大的影响。土壤的持水性能体现其对水分利用能力的强弱，主要表现在抗旱和水分调节方面，对植被生长发育至关重要[1-2]。

草海位于贵州省西北部威宁县的南部(N26°47′～26°52′，E104°10′～104°20′)，海拔2 169 m，年均温较低，仅10.5℃，不利于很多生物的生长发育。草海的年均降雨量虽不低(为950 mm)，但是由于其土壤主要由碳酸岩发育而成，土层较薄且土被不连续，致使土壤水土流失较为严重，土壤持水能力处于较低水平，很多地方严重缺水干旱。威宁县为国家重点贫困县，经济相对落后，生产力较为低下，对环境的依赖性较强，围湖造田和乱砍乱伐的现象随处可见，导致环境遭到极大破坏。近年来，国家开启很多工程恢复草海植被，因此，研究草海工程区不同植被类型土壤的持水性能对恢复植被具有重要意义。目前，国内对土壤持水能力的研究较多[3-5]，主要集中于自然条件下的不同立地条件和不同植被类型，但对同一工程区相同外部环境条件下不同植被类型土壤持水能力的研究相对较少。鉴于此，采用环刀法和铝盒燃烧法研究草海工程区北坡9种不同植被类型土壤的容重、自然含水率、孔隙度及土壤持水量等土壤持水性能，旨在为草海及周围地区生态综合治理工程中的物种选择与经营管理等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

茶(Camelliasinensis)、云南羊蹄甲(Bauhiniayunnanensis)、女贞(Ligustrumlucidum)、火棘(Pyracanthafortuneana)、红叶石楠(PhotiniaserratifoliaLindl.var.serrulata)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、花叶青木(Ancubajaponicavar.variegata)、南天竹(Nandinadomestica)及小果蔷薇(Rosacymosa)等灌木丛下0～60 cm土层的土壤，采自草海工程区。

1.2 方法

1.2.1 试验地概况 根据草海工程区种植的不同植物的灌木丛，选择具有代表性的地块对不同灌丛下土壤进行测定，并分别记录调查地段所处地理位置，海拔、坡度、坡向、坡形、人为干扰状况等因子。研究区域内调查的不同灌丛类型基本情况见表1。

1.2.2 样品采集 在研究区选择不同灌丛植被，以大小20 m×20 m的样方采用环刀和铝盒采集土壤[6]，记录样地的基本情况及样地内灌丛的情况。每个植物样地内选取3个点，分3层(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)取样，每层取3个土样。由于杜鹃、花叶青木、小果蔷薇和南天竹植被下的土壤浅薄，受工程的影响20 cm以下全是碎岩，所以此4种植被只采集0～20 cm的土壤，即第一层取81个土样，第二层和第三层取只取到90个土样，总计171个。

表1 不同灌丛类型的基本概况

1.2.3 指标测定 土壤容重能很好地反映土壤的物理性质和质量，间接地反映颗粒的大体情况和通气程度，土壤的物理性质可以较全面地体现土壤质量[7]。土壤容重受人为因素和自然因素等的影响，不仅能够体现土壤的松紧状况，而且还能体现孔隙的大小和数量，且呈现一定的相关关系[8]。参照《森林土壤定位研究方法》测定土壤容重[9]。将采集的土壤直接称重并记录；采用浸泡法[10]测定土壤最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和自然含水率。使用环刀法测定土壤饱和持水量、毛管持水量及非毛管持水量，即将装有自然状态结构土壤样品的环刀放在水中浸泡12 h后称取重量(m1，g)，计算最大持水量(cmax，g/kg)，然后放置于干砂上2 h，此时环刀中土壤的非毛管水已全部流出，称取重量(m2，g)，计算毛管持水量(c1，g/kg)，环刀内烘干土的质量(m0，g)。根据上述指标计算土壤的孔隙度。

cmax=[(m1-m0)/m0]×1 000

c1=[(m2-m0)/m0]×1 000

c2=[(m1-m2)/m0]×1 000

v1=(0.1×c1×p)/ρ

v2=(0.1×c2×p)/ρ

v总=v1+v2

式中，m0、m1和m2分别为环刀内的土壤干重、浸泡12 h后的土壤饱和重量和干砂上放置2 h后环刀内土壤的湿重(g)；1000为换算系数；cmax、c1和c2分别为土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量(g/kg)；ρ水的密度(g/cm3)，p土壤容重(g/cm3)，v1、v2和v总分别为土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度(%)。

1.3 数据统计

采用Excel 2010和SPSS 22.0对数据进行处理、分析及制图。

2 结果与分析

2.1 不同灌丛土壤的容重与孔隙度

从表2看出，不同灌丛各土层土壤的容重和孔隙度存在一定差异。

土壤容重：0～20 cm土层，不同灌丛土壤的容重为1.04～1.38 g/cm3，女贞最小，花叶青木最大。20～40 cm土层，土壤容重为0.90～1.57 g/cm3，女贞最小，火棘最大。40～60 cm土层，土壤容重为0.84～1.39 g/cm3，女贞最小，火棘最大。不同灌丛植被土壤的平均容重存在一定差异，火棘(1.35 g/cm3)>云南羊蹄甲(1.21 g/cm3)>茶(1.02 g/cm3)>红叶石楠(1.00 g/cm3)>女贞(0.93 g/cm3)，女贞土壤的平均容重显著低于其余灌丛植被土壤，土壤最疏松；火棘土壤的平均容重显著高于其余灌丛植被土壤，土壤紧实；云南羊蹄甲与茶、红叶石楠间差异显著。女贞的凋落物较多，对土壤储水和微生物含量有较大影响，因此，女贞对土壤的改良效果相对较好。在垂直结构上，随着土壤深度增加，茶和火棘的土壤容重呈先降后升趋势，云南羊蹄甲呈上升趋势，女贞和红叶石楠均呈下降趋势。火棘呈下降趋势原因在于回填土的影响；女贞对土壤容重的影响大于火棘。

总孔隙度：0～20 cm土层，不同灌丛土壤的总孔隙度为42.87%～54.58%，茶最高，小果蔷薇其次，云南羊蹄甲最低；20～40 cm土层为35.65%～51.35%，茶最高，女贞其次，云南羊蹄甲最低；40～60 cm土层为35.51%～50.19%，茶最高，女贞其次，云南羊蹄甲最低。5种灌丛土壤的总孔隙度均值为茶(52.04%)>女贞(47.12%)>红叶石楠(43.90%)>火棘(41.00%)>云南羊蹄甲(40.56%)，茶土壤的总孔隙度显著高于其余类型土壤；女贞显著高于红叶石楠、火棘和云南羊蹄甲；云南羊蹄甲显著低于其余类型土壤；红叶石楠和火棘间差异不显著。

毛管孔隙度：0～20 cm土层不同灌丛土壤的毛管孔隙度为38.08%～53.47%，茶最高，女贞其次，火棘最低；20～40 cm土层为34.13%～49.69%，茶最高，红叶石楠其次，云南羊蹄甲最低；40～60 cm土层为36.21%～48.87%，茶最高，女贞其次，红叶石楠最低。5种灌丛土壤的毛管孔隙度均值为茶(50.34%)>女贞(44.51%)>红叶石楠(40.88%)>云南羊蹄甲(38.84%)>火棘(38.42%)，茶土壤毛管孔隙度显著高于其余类型土壤；女贞显著高于红叶石楠、云南羊蹄甲和火棘；红叶石楠和云南羊蹄甲间差异不显著。

表2 不同灌丛林地土壤物理性质

注：同列不同大、小写字母表示不同灌丛植被土壤的物理性质指标均值和各相同水平处理间的差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significance of difference in average value of soil physical properties between different shrub vegetation and between different treatments with the same level atP<0.05 level respectively. The same below.

非毛管孔隙度：0～20 cm土层不同灌丛土壤的非毛管孔隙度为0.98%～6.77%，火棘最高，红叶石楠其次，女贞最低；20～40 cm土层为0.71%～3.82%，女贞最高，茶其次，火棘最低；40～60 cm土层为0.22%～4.04%，红叶石楠最高，女贞其次，火棘最低。5种灌丛土壤的毛管孔隙度均值为红叶石楠(3.49%)>女贞(2.62%)>火棘(2.59%)>云南羊蹄甲(1.73%)>茶(1.70%)。

灌丛林地土壤的总孔隙度为42.87%～54.58%，非毛管孔隙度为0.98%～6.77%，对灌丛的恢复很不利。土壤总孔隙度为50%～60%，非毛管孔隙和毛管孔隙同时存在，且比值为0.4～0.5最适宜植物生长。非毛管孔隙度低于10%时，通气状况受到阻碍[11]。因此，在灌丛恢复和园林绿化时要对土壤进行改良，当非毛管孔隙度小于6%时，一般植物的生长状况极大受阻，甚至不能生长。综合土壤的孔隙度看，植被对该地土壤改良效果不明显，仍不利于植被的生长。

2.3 不同灌丛林地土壤蓄水能力

从表3看出，不同灌丛各土层土壤的蓄水能力存在一定差异。

自然含水率：0～20 cm不同灌丛土壤的自然含水率为23.75%～36.28%，小果蔷薇最高，茶其次，火棘最低；20～40 cm土层为19.88%～32.85%，茶最高，女贞其次，火棘最低；40～60 cm土层为18.78%～32.04%，女贞最高，茶其次，火棘最低。5种灌丛土壤的自然含水率均值为茶(32.65%)>女贞(31.28%)>红叶石楠(28.11%)>云南羊蹄甲(28.10%)>火棘(20.80%)，茶土壤的自然含水率显著高于火棘，但与其余类型土壤间差异不显著。

最大持水量：0～20 cm不同灌丛土壤的最大持水量为363.15～512.66 g/kg，茶最高，女贞其次，花叶青木最低；20～40 cm土层为253.79 g/kg～567.58 g/kg，茶最高，女贞其次，火棘最低；40～60 cm土层为277.01～539.95 g/kg，女贞最高，茶其次，火棘最低。5种灌丛土壤的最大持水量均值为茶(516.32 g/kg)>女贞(515.13 g/kg)>红叶石 楠(439.22 g/kg)>云南羊蹄甲(332.11 g/kg)>火棘(321.84 g/kg)。茶和女贞的土壤最大持水量差异不显著，但均显著高于其余类型土壤；红叶石楠显著高于云南羊蹄甲和火棘；火棘与云南羊蹄甲间差异不显著。

表3 不同灌丛林地土壤持水性能

毛管持水量：0～20 cm不同灌丛土壤的毛管持水量为347.38～502.82 g/kg，女贞最高，茶其次，云南羊蹄甲最低；20～40 cm土层为248.83～548.98 g/kg，茶最高，女贞其次，火棘最低；40～60 cm土层为275.42～503.66 g/kg，女贞最高，茶其次，火棘最低。5种灌丛土壤毛管持水量均值为茶(499.32 g/kg)>女贞(485.67 g/kg)>红叶石楠(409.78 g/kg)>云南羊蹄甲(323.65 g/kg)>火棘(295.19 g/kg)。茶和女贞土壤毛管持水量差异不显著，但均显著高于其余类型土壤；红叶石楠显著高于云南羊蹄甲和火棘；火棘与云南羊蹄甲间差异不显著。

非毛管持水量：0～20 cm不同灌丛土壤的非毛管持水量为9.61～73.41 g/kg，火棘最高，红叶石楠其次，女贞最低；20～40 cm土层为4.95～42.48 g/kg，女贞最高，茶其次，火棘最低；40～60 cm土层为1.60～45.45 g/kg，红叶石楠最高，女贞其次，火棘最低。5种灌丛土壤的非毛管持水量均值为红叶石楠(34.30 g/kg)>火棘(26.65 g/kg)>女贞(29.46 g/kg)>茶(17.00 g/kg)>云南羊蹄甲(14.66 g/kg)。各处理土壤非毛管持水量土壤差异均不显著。

综合土壤采集因素和不同灌丛植被土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量可得到土壤持水量。由图1看出，草海工程区土壤持水量大致可划分为3个范围：800～900 g/kg，有火棘和云南羊蹄甲；900～1 000 g/kg，有杜鹃、红叶石楠和南天竹；1 000～1 100 g/kg，有茶、女贞、花叶青木和小果蔷薇。0～20 cm土层持水量为云南羊蹄甲<火棘<南天竹<杜鹃<红叶石楠<花叶青木<女贞<小果蔷薇<茶，其中，茶林最大，为1 091.6 g/kg，云南羊蹄甲最小，为857.4 g/kg。原因是茶的枯落物以及根系较多，对土壤的持水能力影响最大，在植被合理配置的情况下，应优先考虑茶树种植，由此可带来更大的生态和经济价值。

Fig.1 Soil water holding capacity of different shrub vegetation

3 结论与讨论

研究结果表明，不同灌丛林地土壤容重随土壤的深度增加呈无规律变化。0～20 cm土层不同灌丛土壤的容重为1.04～1.38 g/cm3，女贞最小，花叶青木最大。随着土壤深度增加，茶和火棘的土壤容重呈先降后升趋势，云南羊蹄甲呈上升趋势，女贞和红叶石楠均呈下降趋势。一般情况下土壤容重随着土壤深度增加而增大，但由于草海工程区长期施工的影响，人为干扰造成土壤各层的松紧程度发生变化。总体看，灌丛林地土壤的总孔隙度为42.87%～54.58%，非毛管孔隙度为0.98%～6.77%，这对灌丛的恢复很不利。从植物生长看，土壤总孔隙度为50%～60%，非毛管孔隙和毛管孔隙同时存在，且比值为0.4～0.5时才最适宜。当非毛管孔隙度小于6%时，一般植物的生长状况极大受阻，甚至不能生长。因此，在灌丛恢复和园林绿化时要对土壤进行一定程度的改良。要彻底改善草海工程区地植被恢复问题，需要改变土壤被破坏的状况，并进一步改进植被的合理配置才能取得成效。从土壤的物理性质可知，草海工程区植被的恢复对土壤的改良状况并未取得明显的效果，但是茶林的持水能力得到肯定，茶林不仅在水源涵养方面有重要的作用，且在经济和景观方面也有重要价值。

草海北坡不同的灌丛植被下土壤的孔隙度存在显著性差异。9种植被土壤的孔隙度均值为云南羊蹄甲<火棘<红叶石楠<女贞<南天竹<杜鹃<花叶青木<茶<小果蔷薇，云南羊蹄甲为最小(38.84%)，小果蔷薇为最大(53.45%)。植被对土壤孔隙度改良未取得明显效果，土壤的空隙状况不利于植被的生长。

通过对不同的灌丛植被下土壤的自然含水率、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量和孔隙度等指标测量，计算出在0～20 cm层土壤的持水量为云南羊蹄甲<火棘<南天竹<杜鹃<红叶石楠<花叶青木<女贞<小果蔷薇<茶，云南羊蹄甲为最小(857.4 g/kg)，茶为最大(1 091.6 g/kg)。从土壤的持水能力看出，总的灌丛植被下土壤的持水能力处于偏低水平，对草海北坡工程区的水源涵养没有起到明显的改善作用，但是茶林的持水能力相对较好。

在草海北坡人工植被的恢复与重建过程中进行茶与其他物种的块状混交配置，不仅有利于增加物种多样性，实现生态功能的发挥，也有利促进当地经济的发展，实现人与自然的和谐共生。植物根系在土壤中生长是一个动态过程，对土壤结构状况有一定的改善作用，还影响土壤的持水能力。土壤的保水与失水性能体现出土壤的水源涵养功能强弱[12]，很大程度上决定了工程区植被恢复的效果。通过对土壤的物理性质的分析可以得出其水源涵养能力的强弱，对植被的选择也有很好的指示作用。对土壤的物理性质的测量通常进行一些主要指标的测量，其中，最明显的因素是土壤的孔隙度和容重[13]。通常检测土壤的松紧程度和质量时需要测量容重，检测土壤保水能力时需要测量土壤持水量和孔隙度等[14]。