飞播马尾松林土壤水分垂直变化特征及其影响因素1)

纪仁展 潘萍 饶金凤

(鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室(江西农业大学)，南昌，330045)

欧阳勋志 宁金魁 具琳静

(江西农业大学)

土壤水分作为水资源的重要组分，是衔接大气水、地表水、地下水转换与物质循环的基础[1-2]，也是土壤-植被-大气连续体的核心部分，在各种生态水文过程中至关重要[3-4]。森林生态系统是陆地生态系统的主体，水源涵养作为其生态功能的一部分[5]，主要依赖于林冠层、枯枝落叶层、土壤层来完成，其中土壤层是森林生态系统水源涵养功能得以实现的主要部分[6]。林地土壤水分不仅直接影响土壤特性、植物的生长，还对植被的分布与局部小气候的形成有着间接的影响[7-8]。林地土壤水分具有强烈的异质性，其受到气象、植被、地形、土壤等诸多因子的共同作用[9]，这些因子通过直接或间接的方式影响林地土壤水分，且各因子间存在交互作用。一般认为，林地土壤水分在大尺度上主要由气象(降雨、蒸散等)因子控制，在小尺度上则取决于土地利用类型(植被)、地形、土壤的共同作用[10]。其在干旱季节主要受土地利用类型(植被)、土壤因子的影响，在湿润季节则主要受地形因子的控制[1，11]。林地土壤水分异质性的主控因子因时因地因尺度而异[12]。目前，国内对林地土壤水分影响因子的研究多集中在黄土区[13-15]与喀斯特地区[16-18]。针对红壤地区，多数研究主要是探讨土壤水分与气象因子的关系，如戴军杰等[2]探究了南方红壤丘陵区樟树(Cinnamomuncamphora)林地不同深度土壤水分时空变化与气象因子的关系，发现林地土壤水分受降水、蒸散发的影响，并具有显著时空分异；殷建华[19]研究了不同强度降水对江西省泰和县红壤区百喜草(Paspalumnotatumn)地、马尾松(Pinusmassoniana)林地及裸地不同土层土壤含水率的影响，其研究表明，对同一土层，降雨后百喜草土壤含水率增长最快，其次为马尾松、裸地；而在同一降水类型条件下，百喜草地土壤退水时间最长，其次为马尾松林地、裸地。总体而言，目前的研究基本仅考虑某种因素对土壤水分的影响，而林地土壤水分的异质性往往是气象、植被、地形、土壤等多种因素共同作用的综合结果[12]。因此，研究多个因子与林地土壤水分的关系，探究多个因子与林地土壤水分间的相互影响具有重要意义。

马尾松是我国南方的乡土树种，具有耐旱、耐贫瘠、分布广等诸多优点，是森林演替与水土保持优先考虑的树种。赣南曾是我国水土流失较为严重的地区之一，特别是该区的兴国县，其水土流失现象强度大、范围广。20世纪60—90年代，为遏制水土流失，大面积的马尾松飞播造林活动在赣南陆续实施，取得了阶段性成效。在严重水土流失背景下进行的马尾松林造林活动，提高其涵养水源能力是主要经营目标之一。目前，对飞播马尾松林土壤水分的研究主要是不同密度[5]、马尾松-木荷混交林[20]、不同林下植被类型[6]对土壤水分的影响。由于飞播马尾松林分结构及其土壤水分影响因子的复杂性，较全面了解其土壤水分与环境因子的关系，可为提高其水源涵养能力经营措施的制订提供参考。因此，本研究以兴国县为研究区，采用统计分析、冗余分析等相关方法研究飞播马尾松林土壤水分垂直变化特征及其与植被、地形、土壤等因素间的定量关系，以期为飞播马尾松林水源涵养能力的提高提供参考。

1 研究区概况

研究区位于江西省赣州市北部的兴国县。母岩以花岗岩为主，主要土壤类型为红壤。气候属亚热带温暖湿润气候，降雨多集中在4—6月，年均降雨量为1 539 mm。地貌以低山、丘陵为主，海拔130～1 200 m。该区森林资源丰富，森林覆盖率高达72.2%，主要植被类型有杉木(Cunninghamialanceolata)林、常绿阔叶林、马尾松林等。由于人为及自然等因素的干扰，目前的飞播马尾松林主要为中龄林，其林下植被主要有栀子(Gardeniajasminoides)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

选择人为干扰较少且具有代表性的飞播马尾松林，于2012、2014年的7—8月期间设置典型样地共52个，根据研究区地形及林分状况等综合考虑，确定样地大小，面积分别为400 m2(20 m×20 m)、900 m2(30 m×30 m)，乔木起测胸径为2 cm。在每个样地上、中、下具有代表性的位置分别设置1个4 m×4 m的灌木样方，在此基础上布设2 m×2 m的草本样方，调查并记录林下植被的盖度、高度等因子。

2.2 土壤取样与指标测定

在每个样地内具有代表性的地段，挑选2处挖掘土壤剖面并记录枯落物、土层厚等。将林地土层按土壤深度(d)进行土层划定，其中0

2.3 数据处理

数据包括土壤水分数据、环境因子数据。土壤水分数据为不同土层的土壤水分，根据相关文献[22-23]并结合飞播马尾松林地实际情况，选择能较好反映林地土壤水分的土壤含水量、田间持水量2个指标。由于本研究的尺度较小且采样时的气象因子相差不大，所以仅选择植被因子、地形因子、土壤因子进行分析。考虑因子之间共线性的问题，参考相关文献[24]，本研究初步筛选的原则为，当1对因子间的Pearson相关系数大于0.75(P<0.01)时，只保留其中1个因子，优先保留有研究表明对土壤水分有直接影响的因子，经筛选总计共获得18个因子。植被因子包括平均胸径、郁闭度、株数密度、灌木盖度、灌木平均高、草本盖度、草本平均高、地被盖度、枯落物厚度9个因子。地形因子包括坡度、坡位、坡向、海拔4个因子。将定性因子进行数量化以便统计分析，其中坡向参考邵方丽等[25]的方法并结合样地的情况将其量化，用1、2、3、4分别代表阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡；用1、2、3分别代表上坡、中坡、下坡。土壤因子包括有机质质量分数、土层厚度、毛管孔隙度、土壤密度、非毛管孔隙度5个因子。除赋值的定性因子外，其他因子均采用实际观测值或测量值进行代入计算。

采用简单相关分析与冗余分析结合的方法分析各环境因子与不同土层土壤水分的关系，两者结合筛选影响不同土层土壤水分的主要因子，避免只用相关性代表的简单因果关系而引起判读错误[26-27]。最后利用偏冗余分析探究植被因子、地形因子、土壤因子对不同土层土壤水分的独立作用及交互作用。对各土层的土壤水分数据进行去趋势对应分析，若得出各土层土壤水分数据各个排序轴的排序梯度最大值小于3，则选择冗余分析[26]。分析前，先使用前向选择法进行量化，再运用蒙特卡洛检验法检验环境因子与土壤水分在统计学上是否有显著的相关性，避免冗余变量产生的共轭效应。本研究仅选择经蒙特卡洛检验RDA排序达到显著水平(P<0.05)的因子进行分析，因此研究结果可信。简单相关分析在软件SPSS 19.0中完成，冗余分析在软件Canoco 4.5中完成。

3 结果与分析

3.1 土壤水分的变化

各层土壤水分特征如表1所示。由表层到深层，土壤含水量、田间持水量均表现为上升趋势。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ土层的土壤含水量与Ⅰ土层的相比，分别增加了19.05%、33.62%、47.07%；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ土层的田间持水量与Ⅰ土层的相比，分别增加了14.10%、18.78%、28.72%。其中，Ⅳ土层的土壤含水量显著高于Ⅰ、Ⅱ土层的(P<0.05)，Ⅲ土层的土壤含水量显著高于Ⅰ土层(P<0.05)，其他土层间差异未达显著水平(P>0.05)。对于田间持水量，仅Ⅳ土层的显著高于Ⅰ土层(P<0.05)，其他土层间差异未达显著水平(P>0.05)。从各土层土壤水分的变异系数(CV)来看，由表层到深层，土壤水分的变异系数均表现为下降趋势。土壤含水量、田间持水量的变异系数分别处于32.1%～47.5%、50.3%～63.5%，均属中等变异(10%≤CV≤100%)[28]。

表1 不同土层土壤水分统计特征

3.2 土壤水分与环境因子的关系

3.2.1 土壤水分与环境因子的相关性

土壤水分与环境因子的相关性如表2所示。各土层的土壤含水量、田间持水量与土壤密度呈极显著负相关(P<0.01)，与毛管孔隙度、枯落物厚度呈显著正相关(P<0.05)。其中土壤密度与土壤含水量、田间持水量的相关性由表层到深层逐渐增加，而土层厚度、草本平均高则相反。土层厚度对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土层的田间持水量有显著正相关性(P<0.05)，而草本平均高仅对Ⅰ、Ⅱ土层的土壤含水量、田间持水量有显著正相关性(P<0.05)。

表2 不同土层土壤水分与环境因子的相关系数

3.2.2 土壤水分与环境因子的冗余分析

从土壤水分与环境因子的简单相关分析中，仅仅可以得到两者之间存在简单的相关关系，缺乏较为详细的定量描述。对土壤水分数据进行去趋势对应分析的结果表明，4个排序轴的排序梯度值均小于3。因此，本研究采用冗余分析对各层土壤水分指标与各环境因子之间的定量关系进一步分析。由表3可知，在Ⅰ、Ⅱ土层，通过前向选择与Monte Carlo检验从18个环境因子筛选出10个与土壤水分相关的因子，分别提取了73.7%、70.7%的环境信息量；对于Ⅲ、Ⅳ土层，分别筛选出9个和6个环境因子，分别提取83.0%、81.6%的环境信息量。从所选环境因子的个数与所提取的环境信息量的大小来看，包含环境信息量大且与影响土壤水分变异较大的因子可以很好地在前向选择法与蒙特卡洛检验的筛选中被保留，而包含环境信息量小且对土壤水分变异影响较小的冗余因子则会在筛选中被淘汰，这有助于RDA排序分析。

表3 环境因子对不同土层土壤水分影响的前项选择及Monte Carlo检验

由表4可知，在各个土层中，筛选出的主要环境因子对土壤水分前2个排序轴的累计贡献率占特征值总和的比例均为100%，这充分表明，前2个排序轴对土壤水分与环境因子的关系贡献显著。而第1排序轴已涵盖了环境因子的绝大部分信息，其中毛管孔隙度与其关系最为密切，其次为草本盖度、地被盖度、土壤密度、枯落物厚度，说明第1排序轴主要反映了与土壤密度、毛管孔隙度有关的土壤因子变异梯度以及草本盖度、地被盖度、枯落物厚度所体现的植被因子变异梯度，这种现象在Ⅰ土层表现更为明显。

表4 不同土层土壤水分RDA排序前2轴与环境因子的相关系数

根据图1可知，RDA排序图可以较好地描述土壤水分与环境因子的关系。从图中主要环境因子的连线长度可以看出，土壤因子与植被因子的连线长度相对较长，地形因子的次之。结合表3的显著性检验结果可知，在各个土层中，土壤含水量、田间持水量与枯落物厚度、毛管孔隙度呈正相关，与土壤密度呈负相关；草本盖度与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土层的土壤含水量、田间持水量有较高的正相关性；地被盖度、海拔与各土层的田间持水量有较高的正相关性。其中，土壤密度对土壤含水量、田间持水量的影响程度随着土层深度的增加逐渐增强，而草本盖度则相反。地被盖度对田间持水量的影响表现为Ⅰ、Ⅱ土层大于Ⅲ、Ⅳ土层，海拔对田间持水量的影响在各土层中的规律不明显。

直线代表环境因子；虚线代表土壤水分。

3.2.3 土壤水分影响因子的方差分解

为了解各类型环境因子组的作用及其在不同土层间的相对重要性，需要区分不同环境因子的协同作用。本研究采用偏冗余分析进一步探究土壤因子、植被因子、地形因子等3组不同环境因子组对各层土壤水分的影响(图2)。由图2可知，3组环境因子的总叠加效应对Ⅰ～Ⅳ土层土壤水分变异的贡献率分别为73.7%、70.7%、83.0%、81.6%。不同环境因子组对各层土壤水分变异的贡献率不同，但大致相似，表现为土壤因子对各层土壤水分变异的贡献率最大，植被因子次之，地形因子最小。在各土层中，影响土壤水分变异的主要因子是土壤因子。在Ⅰ～Ⅳ土层中，土壤因子单独贡献率占总贡献率的比例分别为40.4%、47.4%、47.5%、51.2%，表现为由表层到深层逐渐增加。在Ⅰ与Ⅱ土层中，影响土壤水分变异的次要因子为土壤与植被因子的交互作用、植被因子的独立作用，其贡献率占总贡献率的比例分别为22.7%、20.2%和24.2%、16.7%。影响Ⅲ、Ⅳ土层土壤水分变异的次要因子为土壤与植被因子的交互作用、植被因子的独立作用以及土壤、植被、地形因子三者的交互作用，其贡献率占总贡献率的比例分别为19.6%、12.9%、16.9%和15.3%、13.5%、14.2%。从植被因子的单独贡献率看，其表现为Ⅰ、Ⅱ土层的大于Ⅲ、Ⅳ土层。地形因子的独立作用及其与其他因子的交互作用在各土层中对土壤水分变异的贡献率占总贡献率的比例均较小，说明地形因子与土壤水分变异的关系不大。

图2 影响不同土层土壤水分的植被、地形与土壤因子的方差分解

综上所述，土壤因子的独立作用对各层土壤水分的影响最大，其次是为植被因子及其与其他因子的交互作用，地形因子对土壤水分的影响最小，说明飞播马尾松林土壤水分主要受土壤因子的影响。

4 结论与讨论

4.1 土壤水分的变化

本研究表明，飞播马尾松林土壤水分由表层到深层呈上升趋势，其变异系数则相反，这与相关学者的研究结论相似。如戴军杰等[2]研究表明，土壤水分含量由表层至深层表现为逐渐上升，土壤水分变异系数则表现为逐渐下降。究其原因，是由于采样时段在相对干旱的7—8月份。有研究表明，在湿润季节土壤水分由表层到深层表现为逐渐递减趋势[7]。此外，由于土壤表层是水分循环的交界面，受环境因子的影响较为显著，因此，表层土壤水分的波动幅度较大，在垂直方向上随着土层的下移，下层土壤水分由于受上层土壤的隔离与缓冲作用，环境因子对其的影响较小或具有滞后效应，导致其变化较小[2，8]。此外，相关研究表明，马尾松细根(<2 mm)生物量主要集中在0～20 cm土层[29-30]，干旱时期细根吸水也是导致0～20 cm土层的土壤水分含量低、波动幅度大的原因之一[18，31]。但也有研究表明，由表层到深层，林地土壤含水量的垂直变化表现为双峰波动型[32]。究其原因，这与研究的对象以及时段有关。

4.2 土壤水分与环境因子的关系

本研究表明，土壤密度、毛管孔隙度是影响飞播马尾松林土壤水分的主要因子。刘祖香等[33]研究证明，对旱地红壤水力学特性影响最为关键的因子为土壤孔隙度及土壤密度。Famiglietti et al.[34]的研究也表明，土壤孔隙度对土壤水分有显著的影响，这也与研究时段有关。相关研究表明，在相对干旱时期，土壤水分主要由土地利用类型(植被)、土壤因子等局地因子控制[1,11]，在持续无雨时，土壤水分移动以垂直方向为主[1]。田风霞等[35]研究发现，土壤孔隙度是众多因子中影响土壤水分垂直分布的主要因子。韩姣姣等[27]研究发现，在相对干旱的季节，林地土壤水分与土壤的通气孔隙度关系最密切。同时，本研究发现，土壤密度对土壤水分的影响随土层深度的增加逐渐增强，土壤因子单独贡献率逐渐增加，这是由于土壤密度随着土层深度的增加而增大所导致。土层厚度与土壤水分的相关性则随土层深度的增加逐渐减弱。土层厚度与Ⅳ土层的田间持水量相关性不显著，这是由于土层厚度是土壤因子中包含多个土壤属性的综合因子，其不仅与土壤质地、孔隙状况、导水率等有关，还与植被生长有关[36]。一般来说，植被根系的生物量随土层深度的增加逐渐减少[37]，而本研究中，林下植被以草本植物为主，其根系分布相对较浅，对Ⅳ土层土壤的孔隙状况、导水率等的影响小，Ⅳ土层土壤状况变化差异较小，从而导致土层厚度与Ⅳ土层的田间持水量相关性不显著。此外，本研究发现有机质质量分数对土壤水分的影响不显著，这与付同刚等[38]的研究结果相一致，但与其他学者的发现不一致[16]。究其原因，一方面是由于本研究的飞播马尾松林是基于水土流失严重背景下恢复起来的，其土壤养分较低[39]；另一方面，与其植被恢复的年限有关，本研究的飞播马尾松林尚处于中林龄。王燕等[40]指出，林龄与土壤肥力关系密切，与其他林龄的养分相比，中龄林与近熟林的土壤肥力处于较低水平。虽然植被恢复可以改善土壤质量，但土壤肥力的提高需要长期的过程[41]。

林下植被的缺乏会影响林地土壤的水土保持能力。本研究发现，林下植被盖度与土壤水分呈正相关，这与丁松等[42]研究结果一致。此外，本研究中，草本盖度对Ⅰ、Ⅱ土层土壤水分的影响大于Ⅳ土层。孙飞达等[43]也得出，草本盖度与浅层土壤水分的正相关性较高，究其原因，这与草本植物的根系分布以及水分入渗速率有关。由于飞播马尾松林中林下灌木较少，主要是以芒萁类为主的草本植物，而芒萁大部分须根集中分布在表层土壤[44]，地下生物量由表层到深层逐渐减少。余蔚青等[45]研究发现，林地土壤在垂直方向的入渗速率表现为逐层递减。本研究的样地内存在一定的苔藓类植物覆盖。有研究表明[46]，苔藓不仅具有环境污染监测的作用，还具有蓄水保土的功能。本研究中，地被盖度与田间持水量呈正相关，地被盖度与田间持水量的正相关性在Ⅰ、Ⅱ土层大于在Ⅲ、Ⅳ土层。这是因为在相对干旱的条件时，苔藓层的保水效应主要发生在土壤深度为0～15 cm的土层[47]。植被因子的单独贡献率在Ⅰ、Ⅱ土层大于Ⅲ、Ⅳ土层，这是由于采样时段是在相对干旱的7—8月份，且样地的林下植被主要为草本植物及地被覆盖物，其根系分布较浅，对上层土壤水分影响较大。枯落物层作为森林生态系统结构的重要组分，其在水源涵养与水土保持过程中扮演重要角色[5]。本研究发现，枯落物厚度与各层土壤水分呈正相关，这与大多学者的结果相一致[6,48]。究其原因，是因为枯落物厚度越大其所能截留的降水量也越多，而被枯落物截留的该部分降水将会以活塞流的形式继续向土壤补给[49]。此外，枯落物层越厚其对土壤结构的改善作用也越明显[22]，有助于降水的入渗。同时，本研究发现灌木平均高仅与Ⅰ土层的土壤含水量无显著相关性，一方面是因为表层土壤依次由地被物、枯落物、草本植物覆盖，灌木平均高对表层土壤水分的影响会被地被物盖度、枯落物厚度、草本盖度所掩盖；另一方面，由于本研究的样地其草本植物主要是芒萁，而芒萁发达的根状茎朝水平方向蔓延生长且主要分布在表层土壤，对其他林下植被具有过滤的作用，能与芒萁共存的其他林下植被，具有更深的根系分布[44]，因此，芒萁在表层发达的根系弱化了灌木根系对表层土壤水分的影响。Yang et al.[15]研究发现，相比于表层，深层土壤水分更容易受到植被因子的影响。但本研究中，平均胸径、郁闭度、株数密度等林分因子与深层土壤水分关系不显著，这与马尾松细根主要分布在表层等因素有关[29-30]。

本研究表明，地形因子对飞播马尾松林土壤水分的影响最小。原因是由于研究区的地形起伏较小，地形因子总体差异不大。Grayson et al.[11]研究表明，地形因子仅在地势差异显著的地区对土壤水分影响较大。其次，与研究的时段有关，本研究的采样时间在相对干旱的7—8月份。有研究表明，在相对干旱时期，土壤水分主要受土地利用类型(植被)、土壤因子等局地因子影响；在相对湿润时期，地形等非局地因子是土壤水分主控因子[1,11]。徐飞等[50]研究也表明，土壤水分的主控因子随季节的不同而不同。此外，通过进一步分析发现，地形因子的单独贡献率较小，主要是通过影响土壤、植被因子，从而影响土壤水分。付同刚等[38]研究也表明，土壤因子是对土壤水分变异产生直接作用的因子，其他因子作用于土壤水分均是通过影响土壤因子来间接实现的。何其华等[7]研究指出，地形因子主要是通过作用于其他因子如降雨、太阳辐射、土层厚度等来影响土壤水分。

土壤水分受土壤、植被、地形等因子的共同作用，且各因子间具有交互作用。本研究发现，影响Ⅰ、Ⅱ土层土壤水分的主要环境因子个数比影响Ⅲ、Ⅳ土层的个数多，但其总贡献率却相反，这是由于表层土壤水分受环境因子影响复杂导致的。而下层土壤水分受上层土壤的隔离、缓冲，因此环境因子对其影响较小或具有滞后性[2,8]，其主要受土壤因子影响。本研究发现，植被、地形因子主要通过影响土壤因子作用于土壤水分，其中植被因子、土壤因子的交互作用与植被因子的独立作用相近，而植被因子中以草本盖度、枯落物厚度对土壤水分的影响为主。相关研究表明，实施水土保持工程措施可以直接改善土壤因子，其中建造水平沟对土壤的产流、产沙、土壤理化性质的改善效果较好[51]。同时，还可以通过调控植被因子，如提高林下植被盖度[42]、补植阔叶树种[6]等措施间接改善土壤条件以增强土壤的水源涵养能力。