黄土丘陵区3种典型林地土壤持水能力研究

隋聚艳 王建文

摘 要：为了揭示黄土丘陵区不同林地土壤涵养水源功能的差异，指导水源涵养林建设和经营，对属黄土丘陵区的山西省中阳县车鸣峪林场进行实地踏勘与咨询，选取山杨、刺槐、油松3种典型人工林為研究对象，分别设置20 m×20 m标准样地，在每个标准样地内采集0～10、10～20、20～30 cm土层土壤样品，包括土壤环刀样品和土壤散样，通过室内试验分析，测定土壤机械组成、土壤团聚体、土壤含水率、土壤容重、土壤总孔隙度等物理性质指标，系统研究了3种典型林地土壤物理性质及土壤持水能力。结果表明：3种典型林地土壤物理性质存在差异：土壤含水率表现为油松>刺槐>山杨;土壤容重刺槐样地最大、山杨样地最小，样地之间差异显著;土壤总孔隙度表现为山杨>油松>刺槐;各样地湿筛的团聚体平均质量直径和几何平均直径均小于干筛的，0～30 cm土层干筛团聚体平均质量直径总体表现为刺槐>油松>山杨，湿筛团聚体平均质量直径最大为山杨、最小为刺槐，即刺槐土壤团聚体稳定性最差、山杨团聚体稳定性最强;不同样地土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数、土壤有效水存在差异，但整体上油松样地的水分状况较好，不同样地田间持水量和土壤有效水表现为油松>山杨>刺槐，凋萎系数表现为山杨>油松>刺槐。

关键词：土壤持水能力;土壤团聚体;平均质量直径;林地;土壤物理性质;黄土丘陵区

中图分类号：S157;S714.2 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.022

引用格式：隋聚艳，王建文.黄土丘陵区3种典型林地土壤持水能力研究[J].人民黄河，2021，43（7）：114-119.

Abstract： The purpose of this paper is to reveal the difference of soil water holding capacity of different forest lands in the loess hilly region and guide the construction and management of water conservation forest system in this area. Based on the field survey and consultation of Chemingyu Forestry Station in Zhongyang County， Shanxi Province， which belongs to the loess hilly area， three typical forest lands of Populus davidiana Dode， Robinia pseudoacacia L. and Pinus tabulaeformis were selected as the research objects and 20 m × 20 m standard plots were set up respectively. Soil sample in 0-10， 10-20 and 20-30 cm soil layers were collected in each standard plot， including soil ring knife samples and soil loose samples. Soil mechanical composition， soil aggregate， soil water content， soil bulk density， soil total porosity and other physical property indexes were measured by laboratory test， and soil physical properties and soil water holding capacity of three typical forest lands were systematically studied. The results indicate that the soil physical properties of three typical forest lands exist differences. Soil water content of the typical forest land in the loess hilly region is Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L. > Populus davidiana Dode. The soil bulk density of Robinia pseudoacacia L. is the largest and Populus davidiana Dode is the smallest， and the difference between each plot is significant. The soil total porosity is Populus davidiana Dode > Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L.. The mean weight diameter and geometric mean diameter of soil aggregates with wet sieves are smaller than those of dry sieves. The mean weight diameter of dry sieve soil aggregate in 0-30 cm soil layer is Robinia pseudoacacia L. > Pinus tabulaeformis > Populus davidiana Dode. The maximum of mean weight diameter with wet sieve soil aggregate is Populus davidiana Dode and which of the minimum is Robinia pseudoacacia L.. That is to say， the soil aggregate stability of Robinia pseudoacacia L. is the worst and which of Populus davidiana Dode is the strongest. There are differences in soil saturated water content， field water capacity， wilting coefficient and soil available water in different plots， but the overall water status of Pinus tabulaeformis is better. The field water capacity and soil available water with different plots are Pinus tabulaeformis > Populus davidiana Dode > Robinia pseudoacacia L.， and the wilting coefficient is Populus davidiana Dode > Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L..

Key words： soil water holding capacity; soil aggregate; mean weight diameter; forest land; soil physical characteristics; loess hilly region

土壤是生態系统进行物质交换和能量循环以及植物赖以生存的重要基础[1-2]，是森林涵养水源的主要载体，是继林冠层和枯枝落叶层下的第三功能层，在调节气候、降低洪涝灾害、防治水土流失等方面具有重要的作用[3-4]。土壤与植物关系密切、相互作用，为植物生长提供所需的养分和水分，森林植被的差异会造成林分组成、林冠结构、枯枝落叶层蓄积量及分解能力、根系构型及其穿插能力等不同，进而影响土壤理化性质、持水能力以及水文过程[5-7]。土壤容重和孔隙度是反映土壤紧实程度的重要指标，植被恢复会影响土壤容重及孔隙度、改善土壤结构，土壤容重越大、总孔隙度越小则土壤越紧实[8]。土壤团聚体是土壤结构的基本组成单元，不仅影响土壤透气性、透水性、抗蚀性和持水性，也反映土壤结构状况，在提高土壤抗蚀能力、土壤肥力、土壤质量等方面具有重要作用[9-11]。植被恢复可以显著提高土壤团聚体稳定性[12]，植被类型会影响和改变同一母质发育条件下土壤团聚体的组成和数量[13]。土壤物理性质影响土壤贮水量、土壤涵养水源的能力[14];不同林地之间土壤蓄水能力存在差异，云杉纯林及其混交林土壤蓄水能力高于其他林地[15]。晋西黄土丘陵区地形破碎、降雨少，土层厚度较薄，土壤持水能力对于该区域水源涵养具有重要作用，笔者研究了该区不同林地土壤物理性质，揭示3种典型林地土壤涵养水源功能的差异，以期指导该类区域水源涵养林体系的建设和经营。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省中阳县车鸣峪林场，属黄河流域典型的半干旱黄土丘陵区。该区属暖温带亚干旱区和大陆性季风气候区，年降水量500～550 mm，降雨集中在7—9月（占全年70%以上），年均水面蒸发量1 019.7 mm，年均气温6 ℃，无霜期125～150 d;土壤以褐土居多，其次是棕壤，水土流失严重;植被区划属于森林草原灌丛植被区，现有树种少，区内乔木以人工林为主，主要有油松、刺槐、山杨等，林下主要野生灌木有胡枝子、黄刺玫、沙棘、柠条等，草本植物以菊科和禾本科为主，菊科蒿属居多。

1.2 研究方法

2018年8月在实地踏勘基础上，选取山杨、刺槐、油松3种典型人工林（均为纯林）为研究对象。每种林地设置1块20 m×20 m临时标准样地（见表1），在每个标准样地内采集土层深度分别为0～10、10～20、20～30 cm的土壤样品（均为褐土），包括土壤环刀样品和土壤散样。土壤环刀样品用于测定土壤含水率、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量、田间持水量，其中土壤含水率采用烘干法测定，其余指标采用环刀法测定。土壤散样带回实验室后进行风干，去除石块、植物根系等杂质，用于测定凋萎系数、土壤有效水、土壤机械组成、土壤团聚体和土壤有机质，其中：凋萎系数利用最大吸湿水量计算，最大吸湿水量采用饱和硫酸钾法测定;土壤有效水为田间持水量与凋萎系数的差值;土壤机械组成采用吸管法测定，计算沙粒（粒径2～0.02 mm）、粉粒（粒径0.02～0.002 mm）、黏粒（粒径<0.002 mm）含量;土壤团聚体采用萨维诺夫法测定，包括干筛团聚体和湿筛团聚体;土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定。上述指标测定方法详见文献[16-17]。各样地土壤均属粉沙质壤土，机械组成和有机质含量见表2。

土壤团聚体的平均质量直径和几何平均直径采用如下公式[18-19]计算：

式中：wi为第i粒级团聚体质量百分数，%;xi为第i粒级团聚体的平均粒径，mm;Wi为第i粒级团聚体的质量，g。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

土壤物理性质指标测定结果见表3。

土壤含水率是影响植被生长的重要因素，其垂直分布不仅受土壤自身特性的影响，而且还受植被类型、降雨、蒸发等因素的影响[20]。由表3可知：各样地0～30 cm土层土壤含水率表现为油松>刺槐>山杨，刺槐和油松显著大于山杨;各样地0～10 cm土层土壤含水率最高，随着土层深度的增加，土壤含水率均呈减小趋势，山杨0～10、10～20、20～30 cm土层土壤含水率依次为11.70%、10.24%、10.47%，油松0～10、10～20、20～30 cm土层土壤含水率依次为21.58%、17.59%、18.54%，0～10 cm土层土壤含水率显著大于10～20 cm和20～30 cm土层。不同样地相同土层的土壤含水率具有明显差异：0～10 cm土层，刺槐和油松土壤含水率显著大于山杨，这与林分类型、地表枯落物覆盖情况关系密切;10～20 cm土层，各样地土壤含水率的大小与0～10 cm土层相一致;20～30 cm土层，山杨、刺槐、油松之间相互差异显著。各样地土壤含水率与土层深度之间显著负相关，可以用线性函数拟合，其拟合方程的决定系数均在0.5以上：

式中：y为土壤含水率;x为土层深度;R2为决定系数。

土壤容重是反映土壤紧实程度的重要指标之一，表征土壤质量的同时也体现土壤蓄水保水能力[21]，土壤容重越小、土壤越疏松，则土壤结构性越好、越有利于通气透水和贮水能力的提高[9]。由表3可知：3种样地0～30 cm土层土壤容重表现为刺槐>油松>山杨，各样地之间差异显著;山杨、刺槐、油松样地0～10 cm土层土壤容重依次为0.94、1.16、1.00 g/cm3，该层土壤容重小于10～20 cm土层和20～30 cm土层的，原因是枯落物分解为表层土壤、提供大量的土壤有机质和腐殖质，有利于土壤团聚体的形成，改善土壤结构，进而影响土壤容重。土壤容重随着土层加深而增大，其中：刺槐样地0～10、10～20、20～30 cm土层土壤容重依次为1.16、1.20、1.45 g/cm3，20～30 cm土层显著大于0～10 cm和10～20 cm土层，该样地各土层土壤容重变化范围最大，20～30 cm土层土壤容重是0～10 cm土层的1.25倍;山杨和油松各土层土壤容重分别在0.94～1.01 g/cm3和1.00～1.16 g/cm3之间，各土层之间差异不显著。

土壤孔隙度是反映土壤物理性质的基础指标，体现了土壤结构及其通气透水能力，影响样地的水文过程[3]。土壤总孔隙度由土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度组成：毛管孔隙度反映土壤的蓄水能力，用于维持植物生长发育;非毛管孔隙度反映土壤的通气透水能力，为土壤水分的暂时贮存提供空间，起到增强水分入渗、水源涵养的作用[22-23]。森林植被在生长过程中，植物根系通过穿插、网络、缠绕土壤，改善土壤结构及其理化性质，进而影响土壤的透水和持水能力。由表3可知：各样地0～30 cm土层土壤总孔隙度均表现为山杨>油松>刺槐，这与土壤容重相反;随着土层深度的增加，土壤总孔隙度呈现减小的趋势，表层土壤孔隙状况优于下层，即表层土壤结构较为松散，具有较好的通气、透水和保水能力。山杨、刺槐、油松样地0～30 cm土层土壤毛管孔隙度分别在38.48%～51.06%、29.74%～45.40%、42.19%～48.62%之间，刺槐林地不同土层之间毛管孔隙度差异显著，山杨和油松样地不同土层之间无显著差异;3种样地土壤毛管孔隙度的最大值均出现在0～10 cm土层，随土层深度的增加，土壤毛管孔隙度呈减小的趋势，表层土壤毛管孔隙度偏大不仅可以提高毛管中水的毛管传导率，也决定该土层及深层土壤的贮水能力，为植物生长提供必需的水分。土壤毛管孔隙度最小值出现在刺槐样地20～30 cm土层，仅为29.74%，显著低于山杨和油松样地，3种样地0～10 cm和10～20 cm土层土壤毛管孔隙度均无显著差异。山杨、刺槐、油松样地0～30 cm土层土壤非毛管孔隙度分别在11.86%～22.13%、12.15%～16.38%、9.45%～13.33%之间，不同土层之间无显著差异;3种样地0～10 cm和20～30 cm土层土壤非毛管孔隙度大小依次为刺槐>油松>山杨，样地之间无显著差异;而10～20 cm土层非毛管孔隙度大小则表现为山杨>刺槐>油松，样地之间差异显著，山杨样地显著大于刺槐和油松样地。各样地土壤非毛管孔隙度随土层深度的增加无明显的变化规律，刺槐样地0～10 cm土层为15.23%，大于山杨和油松样地的，说明刺槐样地表层土壤的通气透水能力较强，入渗能力较好，降雨时土壤可快速吸收雨水，有利于减少水土流失。

2.2 土壤团聚体特征

土壤团聚体平均质量直径和几何平均直径是评价土壤团聚体稳定性的2个重要指标，土壤团聚体平均质量直径和几何平均直径越大，土壤结构性越好，土壤团聚体稳定性越强，土壤抗蚀能力越强[24]。由表4可知各样地湿筛的团聚体平均质量直径和几何平均直径均小于干筛的，原因是干筛团聚体是由非水稳性团聚体和水稳性团聚体构成，遇到雨水时或在浸泡状态下，土壤非水稳性团聚体被破坏、崩解。各样地不同土层干筛团聚体平均质量直径变化情况不同，0～10 cm土层表现为刺槐>油松>山杨，10～20 cm和20～30 cm土层表现为油松>刺槐>山杨，0～30 cm土层总体表现为刺槐（2.62 mm）>油松（2.58 mm）>山杨（2.28 mm），而湿筛团聚体平均质量直径以刺槐林地最小、山杨林地最大，说明山杨林地土壤团聚体抵御降雨及径流侵蚀的能力较强，刺槐样地土壤团聚体稳定性最差、抗蚀性差。各样地团聚体几何平均直径的变化情况与平均质量直径变化情况相同，均表现为干筛大于湿筛，山杨、刺槐、油松样地各土层干筛团聚体几何平均直径均表现为刺槐>油松>山杨，0～10 cm土层刺槐、油松、山杨样地干筛团聚体几何平均直径依次为1.46、1.18、1.17 mm，而0～10 cm湿筛团聚体几何平均直径依次为0.33、0.36、0.65 mm，其变化特征与干筛相反，说明0～10 cm土层山杨林地土壤团聚体稳定性最好，刺槐样地的稳定性最差，这与根据平均质量直径得出的结论相同。

2.3 土壤持水特征

土壤饱和含水量是指土壤在完全饱和状态下的最大含水量[25]。由表5可知，油松样地0～30 cm土层土壤饱和含水量为55.52%～61.15%，刺槐样地的为46.12%～60.62%，山杨样地的为60.52%～62.93%，各样地10～20 cm和20～30 cm土层土壤饱和含水量差异显著，刺槐林地不同土层之间差异显著。

田间持水量是土壤所能稳定保持的最大土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量[25]。由表5可知，3种样地0～30 cm土层土壤田间持水量依次为油松>山杨>刺槐，油松和山杨样地20～30 cm土层田间持水量显著大于刺槐样地的，而0～10 cm和10～20 cm土层无显著差异;刺槐样地0～10 cm土层和10～20 cm土层田间持水量显著大于20～30 cm土层，而油松和山杨样地各土层之间无显著差异。

凋萎系数是指植物发生永久性凋萎时的含水量，是植物可利用水的下限[26]。由表5可知，3種样地凋萎系数表现为山杨>油松>刺槐，刺槐0～10、10～20、20～30 cm土层凋萎系数依次为1.76%、2.25%、3.02%，刺槐样地0～10 cm土层凋萎系数显著小于油松和山杨样地的，说明在相同水分条件下油松和山杨更容易发生永久性凋萎。

土壤有效水是指可以被植物利用的水，低于凋萎含水量的水是不能被植物吸收利用的[26]。 由表5可知，3种样地0～30 cm土层土壤有效水大小依次为油松>山杨>刺槐，说明油松样地的水分有效性要优于山杨和刺槐样地;0～10 cm土层和10～20 cm土层土壤有效水各样地之间无显著差异，20～30 cm土层土壤有效水油松和山杨样地显著大于刺槐样地。

2.4 讨 论

黄土丘陵区处于暖温带半湿润气候向半干旱气候的过渡区，降水稀少，土壤水分是生态恢复的重要制约因素[27]。土壤层作为森林持水的主要场所，其持水能力的大小决定了森林水源涵养功能强弱，对调节区域水分循环具有重要意义[28]。本研究结果表明，3种样地土壤饱和含水量大小依次为山杨（61.35%）>油松（57.89%）>刺槐（53.68%），山杨样地土壤饱和含水量最高，这与其疏松的土壤结构和发达的土壤孔隙有关[25]。然而，土壤饱和含水量不能反映土壤的真实持水能力，土壤有效水与植被恢复和作物生长关系更为密切[29]，其决定土壤水源涵养能力的大小[30]。吕文强等[31]对黄土高原柠条和山杏坡面植物篱土壤有效水差异性的研究表明，2种植物篱不同部位土壤有效水均差异显著。代海燕等[32]以大青山不同植被类型为研究对象，分析了旱季和雨季土壤有效水的供给能力，结果表明旱季不同植被类型土壤水分利用有效性表现为落叶松>荒草地>白桦>油松>灌木，而降雨后则表现为油松>荒草地>白桦>落叶松>灌木，说明灌木和油松在旱季最先出现水分亏缺，而降雨后油松和荒草地土壤水分最先得到补充。由本研究结果可知，3种样地0～30 cm土层土壤有效水大小依次为油松>山杨>刺槐，说明油松对土壤水分的利用效率和抗旱能力高于山杨。林冠层和枯落物层作为森林植被水文作用的第1功能层和第2功能层，是森林生态系统水分循环的重要环节，今后应加强该方面的研究，以期完善水源涵养功能评价体系，为合理构建水源涵养林提供科学依据。

3 结 论

黄土丘陵区不同林地土壤物理性质存在差异。3种样地土壤含水率表现为油松>刺槐>山杨;土壤容重刺槐样地最大、山杨样地最小，样地之间差异显著;土壤总孔隙度表现为山杨>油松>刺槐;各样地湿筛的团聚体平均质量直径和几何平均直径均小于干筛的，0～30 cm土层干筛团聚体平均质量直径总体表现为刺槐>油松>山杨，湿筛团聚体平均质量直径最大为山杨、最小为刺槐，即刺槐土壤团聚体稳定性最差、山杨团聚体稳定性最强;不同样地土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数、土壤有效水存在差异，整体上油松样地的水分状况较好，不同样地田间持水量和土壤有效水表现为油松>山杨>刺槐，凋萎系数表现为山杨>油松>刺槐。

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【责任编辑 张智民】