济南南部山区几种水源涵养林土壤水文特性和酶活性研究

张刘东 郭建曜 厉锋 张义群 白树伟 朱葛 刘海燕 布凤琴

摘要：為提升济南南部山区水源涵养林的保水功能，以侧柏林、黑松林、刺槐林和荆条林为对象，分析其土壤水文特性和酶活性。结果表明：1）侧柏林、黑松林、刺槐林的毛管孔隙度、总孔隙度、孔隙比、毛管持水量、饱和贮水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量整体高于荆条林，而土壤容重、非毛管孔隙度、非毛管持水量整体低于荆条林。其中侧柏林的毛管孔隙度、总孔隙度、孔隙比、毛管持水量、饱和贮水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量增幅最大，分别为荆条林的1.87、1.43、2.14、2.62、1.43、1.56、2.50倍。2）侧柏林、刺槐林的脲酶、多酚氧化酶活性显著高于荆条林（P<0.05）。3）土壤容重和土壤脲酶、多酚氧化酶极显著负相关（P<0.01）;毛管持水量、饱和贮水量、有效涵蓄量和脲酶、多酚氧化酶极显著正相关（P<0.01）。综上所述，侧柏林在提高有效水利用、涵蓄降雨量、有效水分贮存、酶活性等方面均好于黑松林、刺槐林和荆条林。济南南部山区的水源涵养林营建中应尽量优先考虑营造侧柏林。

关键词：水源涵养林;土壤水文;土壤酶活性;济南南部山区

中图法分类号：S791             文献标示码：A           文章编号：

Abstract： Taking the Platycladus orientalis， Pinus thunbergii and Robinia pseudoacacia plantations， and Vitex negundo forest as research subject，  the soil hydrological characteristics and enzyme activitiesof the water conservation forests were analyzed to improve the water conservation effects in the southern mountainous areas of Jinan. The results showed that： 1） the capillary porosity， total porosity， porosity ratio， capillary water holding capacity， capillary saturated water holding capacity， saturated water holding capacity， precipitation holding capacity and effective water holding capacity of the forest were all higher than those of the V. negundo forest， while the soil bulk density， non-capillary porosity and non-capillary water holding capacity were all lower than those of the V. negundo forest.. Among them， The increase of capillary porosity， total porosity， capillary water holding capacity， saturated water storage capacity， storage precipitation and effective water storage capacity of P. orientalis plantations was the largest， which were 1.87， 1.43， 2.14， 2.62， 1.43， 1.56 and 2.50 times of that of V. negundo forest， respectively. 2） The activities of urease and polyphenol oxidase in P. orientalis and R. pseudoacacia plantation were significantly higher than those in V. negundo forest （P<0.05）. 3） Soil bulk density is extremely negatively correlated with soil urease and polyphenol oxidase （P<0.05）. The capillary water capacity， capillary saturated water holding capacity and effective water storage were positively correlated with urease and polyphenol oxidase （P<0.01）. In short， P. orientalis plantation was better than P. thunbergii， R. pseudoacacia and V. negundo of plant effective water use， storage precipitation， effective water storage and improvement of enzyme activity. In the construction of water conservation forest in the southern mountainous area of Jinan， priority should be given to the afforestation of the P. orientalis as far as possible.

Key words： water conservation forest; soil hydrological characteristics; soil enzyme activity; mountain area of southern Ji'nan

济南素有“泉城”雅号其南部山区是泉水的补给区，也是水源涵养区[1]。近年来随着人口快速增长，基础设施扩建，生态环境受到一定的破坏，水源涵蓄能力随之降低。所以改善南部山区生态环境，提高水源涵养能力对泉水保护具有重要意义[2]。

森林生长环境和发育状况直接影响水源涵养能力，保泉蓄水效果[3-4]。研究表明土壤水分是水循环、生态系统的重要组成部分[5]。土壤容重和孔隙度影响土壤持水和矿质元素的溶解和植物根系扎根和吸水，进而影响土壤肥力状况和植物生长发育[6-8]。土壤酶影响有机质分解和氮、磷的活性[9-10]，具有特殊的催化能力，可以直接或间接地反映土壤肥力和土壤健康程度[11-12]。

目前对济南水源涵养林的研究大多集中在林分涵养水源的建设和功能方面[13-14]，对于济南南部山区水源涵养林的土壤水文特性和酶活性的研究较少。因此，本文通过对济南南部山区几种主要水源涵养林的调查，分析它们对土壤水文特性和土壤酶活性的改善能力，为南部山区水源涵养林的营建以及可持续经营提供理论根据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

济南南部山区位于鲁中南山地北侧（36°21′-36°40′N，116°54′-117°17′E），海拔300-900 m，暖温带大陆性季风气候，年均气温10-14 ℃，年均降水量650-850 mm，大部分降水集中在6-9月，多暴雨，无霜期218 d。棕壤或褐土，平均厚度35 cm左右，pH为7.10-8.15，富钙、易漏水。

1.2 试验方法

以上世纪80年代营造的刺槐（Robinia pseudoacacia）、侧柏（Platycladus orientalis）、黑松（Pinus thunbergii）水源涵养林为研究对象，荆条（Vitex negundo）林为对照，林分基本概况见表1。每个林分类型选取1个标准地（30 m×30 m），按“S”型设置土壤样点，采用四分法分别取0-20 cm土壤样品，部分用于土壤酶活性测定[15]。土壤容重、孔隙度等采用环刀法测定，土壤含水量采用铝盒法测定，3次重复，计算持水量、贮水量等各项物理指标和持水性能指标。土壤涵蓄降水量是饱和贮水量与土壤前期含水量之差，土壤有效涵蓄降水量是毛管贮水量与土壤前期含水量之差[16-17]。

Wc = 1000 × Pc × h

Wt = 1000 × Pt × h

式中：Wc、Wt分别为土壤水分毛管贮水量和饱和贮水量（mm）;Pc、Pt分别为毛管孔隙度和总孔隙度（%）;h为计算土层深度（m），本研究取值0.20m。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行数据统计分析，差异显著性检验采用单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 水源涵养林土壤水文物理特性

土壤容重作为土壤最基本的物理性质之一，对土壤通气性、渗透性和持水性等有着重要的指示作用。如表2所示，荆条林土壤容重最大，营造水源涵养林后显著降低（P<0.05），其中刺槐林最小（仅为荆条林的60.58%），但与侧柏林和黑松林差异不显著（P>0.05）。土壤孔隙是直接反映土壤蓄水和调水能力的指标。如表2可知，非毛管孔隙度与土壤容重变化趋势相同，而土壤毛管孔隙度和总孔隙度则与土壤容重变化呈相反规律。侧柏林土壤毛管孔隙度和总孔隙度均显著高于其他林分（P<0.05），分别为荆条林的1.87和1.43倍;对于非毛管孔隙度而言，刺槐林最低，仅为荆条林的31.46%。

2.2 水源涵养林的土壤贮水性能

土壤的保水和供水能力主要体现在土壤对水分的调控能力，具体表现在毛管持水量、饱和贮水量等指标。如表3所示，侧柏林的毛管持水量、饱和贮水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均显著高于其他林分（P<0.05），分别是荆条林的2.62、1.43、1.56和2.50倍;而非毛管持水量变化趋势与其他指标相反，荆条林最高，达到7.812 t/hm2，刺槐林最低，仅为前者的51.86%。可见，侧柏林在持水特性能力上优于其他林分。

2.3 水源涵养林的土壤酶活性

土壤酶是一种对土壤理化性质敏感的活性物质。如表4所示，侧柏林的土壤脲酶、多酚氧化酶活性均显著高于其他林分（P<0.05），侧柏林、黑松林的过氧化氢酶活性均显著小于荆条林（P<0.05）。其中侧柏林土壤的脲酶、多酚氧化酶活性分别是荆条林的1.47倍、2.05倍;黑松林的过氧化氢酶活性最低，是荆条林的34.41%。

2.4 土壤水文特征和酶活性的相关性分析

由表5可知，土壤容重和脲酶、多酚氧化酶极显著负相关（P<0.01），非毛管孔隙度和脲酶、多酚氧化酶显著负相关（P<0.05），而毛管持水量、有效涵蓄量和脲酶、多酚氧化酶极显著正相关（P<0.01），毛管孔隙度和脲酶呈显著正相关，而与多酚氧化酶呈极显著正相关（P<0.05），总孔隙度、孔隙比、涵蓄降水量和过氧化氢酶呈显著负相关（P<0.01）。土壤持水特性会影响土壤酶的活性，当土壤容重、非毛管孔隙度增大，脲酶和多酚氧化酶的活性降低;当毛管孔隙度、毛管持水量、有效涵蓄量增大，脲酶和多酚氧化酶的活性增強;当总孔隙度、孔隙比、饱和贮水量、涵蓄降水量增大，过氧化氢酶的活性降低。

3 讨论

土壤容重和孔隙度的物理特性代表森林土壤涵养的能力，土壤容重越小，孔隙度越大，说明土壤状况利于水分保持与渗透[18-19];土壤孔隙影响着土壤保水通气能力和根系穿插的难易程度，对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等具有不同的调节功能[20-21]，毛管孔隙度和非毛管孔隙度反映森林植被吸持水分和滞留水分的能力，对土壤持水和通气性具有重要作用[22]。由表2可知，与荆条林相比，南部山区水源涵养林土壤容重和非毛管孔隙度降低，毛管孔隙度、总孔隙度、孔隙比等指标增大。其中侧柏林土壤容重和非毛管孔隙度降低幅度最大，比荆条林分别降低39.42%和68.54%，侧柏林的毛管孔隙度、总孔隙度、孔隙比提升幅度较大，比荆条林分别增加87.08%、43.38%、114%。说明侧柏林土壤改良效果相对较好，其透水性、通气性和持水能力都得提高，黑松林次之，刺槐林最差。

毛管持水量反映植物吸持水分和供自身正常生理活动所需的有效水分以及有机质含量、土壤的质地和结构等。非毛管持水量的大小反映森林涵养水源功能的强弱[23-25]。土壤饱和贮水量影响土壤调节和贮蓄水分能力，影响土壤水源涵养的能力[17]。本研究中侧柏林地的毛管持水量、饱和贮水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量表现为最大，分别是荆条林的2.26、1.43、1.56、2.50倍。

土壤酶可催化土壤中的有机物质，使其转化成为简单的有机物或无机物，主要来源于微生物，在评价土壤肥力、环境监测等方面有重要作用[26-27]。脲酶可以限制植物化肥和自然氮素的利用;多酚氧化酶是增加土壤有机肥料的重要酶类;过氧化氢酶活性的高底往往反映有害物质的多少[28]。本研究中，侧柏林土壤脲酶、多酚氧化酶活性最大，分别荆条林的1.47倍、2.05倍。侧柏林和黑松的过氧化氢酶活性远小于荆条林，而刺槐林与之大体相当。水源涵养林脲酶活性和多酚氧化酶活性明显提高，过氧化氢酶活性受到抑制，且各林地的脲酶和多酚氧化酶活性的表现为侧柏林>刺槐林>黑松林>荆条林。

相关性分析结果表明，土壤水文指数在很大程度上影响酶的活性，当土壤毛管持水量升高时，土壤脲酶、多酚氧化酶的活性也响应的提高;当土壤容重和非毛管孔隙度大时，土壤脲酶、多酚氧化酶的活性相应的降低;土壤总孔隙度、孔隙比、饱和贮水量、涵蓄降水量升高，土壤过氧化氢酶活性都降低。对于不同树种对土壤的改良作用，需要进一步确定林地水文参数、土壤贮水指标和土壤酶活性的相关性分析，土壤养分和微生物多样性等方面有待进一步研究。

4 结论

在济南南部山区的环境建设中，减少地表径流、涵养水源、保持水土、提高土壤酶活性等具有重要的意义。与荆条林相比，水源涵养林的毛管持水量、饱和贮水量、涵蓄降水量、有效涵蓄量等贮水指标均有较大的提升，而非毛管孔隙度则有降低的趋势。同样，乔木林脲酶活性和多酚氧化酶活性明显提高，过氧化氢酶活性受到抑制，且各林地的脲酶和多酚氧化酶活性的表现趋势相同，均为侧柏林>刺槐林>黑松林>荆条林。表明南部山区的乔木林显著改善土壤调节和贮水能力，提高了土壤的氮素和有机肥料，降低了有害物质的含量，其中侧柏林在水分调节、土壤营养方面均优于黑松林和刺槐林。在今后水源涵养林营建中应尽量优先考虑营造侧柏林。

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