黑茶山油松人工林林地土壤水分特征

李卫珍

（山西省黑茶山国有林管理局，山西 吕梁 033000）

在干旱和半干旱地区，土壤水分是生态重建的主要限制性因子之一[1]。土壤水分受气候和下垫面因素的影响，具有明显的地带性和周期性[2]。有关黄土高原对土壤水分的研究较多，高思远[3]基于对晋西黄土区典型人工林地土壤含水量的长时间序列观测，定量分析了晋西黄土区不同植被类型的土壤水分动态变化。赵丹阳[4]以晋西黄土区5 种典型林地土壤为研究对象，对其土壤水分年内时空变化进行了试验研究；土壤水分是黄土高原植被恢复与生态环境重建的决定因子。王云强等人[5]利用网格布点，在黄土高原小流域中73 个样点，对0～500 cm 的土壤水分的空间异质性进行了研究，结果表明土壤水分在水平和垂直方向都表现出明显的空间异质性，受到土地利用方式、植被类型、地形要素、土壤质地等多因素综合影响。强大宏等[6]以鄂尔多斯市煤矿复垦区沙棘人工林为研究对象，开展了不同林龄的中国沙棘和大果沙棘人工林土壤水分时空分布特征研究，结果表明煤矿复垦区沙棘林地土壤水分差异较大，生产中需要根据具体的林龄、树木品种和土壤空间差异，采取适宜的水分管理措施。郭湘宇[7]采用不同取样技术，并运用了示踪技术，结合地统计方法，研究了黄河流域不同土地利用类型土壤干层的空间分异及主控因子等方面。白晓[8]借助Hydrus-1D 模型，以黄土高原典型黄土区为研究区域，表明人工引种高耗水植被会引起深层土壤干燥化，威胁恢复生态系统健康和可持续性。尽管不同学者在不同区域，采用不同方法，在不同尺度等方面对土壤水分开展了多种研究，但也必须指出，土壤水分异质性、土壤水分运动机制、土壤水分（低基质势）对植被生长的有效性等方面的研究以及土壤水分测定方法的准确性、便利性等方面仍存在诸多问题需要解决[9]。

近20 a 来，晋西北开展了大规模的生态重建，取得了明显的成就。生态重建对于减轻区域水土流失、改善生态环境、改良土壤结构及美化人居环境起到了不可替代的作用。据不完全统计，油松作为晋西北人工栽植的主要乔木树种，在生态重建中发挥了突出的作用。

以往的研究着重于不同土地利用方式或不同植被类型对于林地土壤水分的影响。本研究针对晋西北近20 a 来大面积种植人工油松林，并获得较大的生态建设成果的基础上，根据实际情况选择单一树种、不同林龄和不同立地条件下黑茶山人工油松林地土壤水分变化为研究对象，采用定位测验方法，对林地土壤容重、储水量及入渗进行测定，分析不同林龄油松林地土壤水分在时间和空间上的动态变化，以期为该区域油松林的经营管护和水资源的有效利用提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于吕梁市岚县石桥林场, 地属黄河流域。该林场为黑茶山国有林管理局下属基层林场之一；为温带大陆性季风气候区，多年平均气温3～5℃，无霜期105～135 d；多年平均降水量约450 mm，多集中于7-9 月。海拔1 000～1 550 m，地势较高，气候寒冷，生长期短，气温、降水等垂直变化明显。春旱和秋霜为影响林木栽植、越冬的主要自然灾害。境内变质岩广泛分布，新生界松散土壤覆盖面甚广。林地主要土壤类型为棕壤和褐土。主要植被类型包括乔木树种油松、云杉、侧柏、山西杨、山杨、辽东栎、山桃等；灌木树种黄刺玫、杠柳、荆条等，草本主要有冰草、黄花蒿等。

2 研究方法

选择不同造林时间、不同海拔和坡向的油松人工林地作为土壤水分监测样地。样地面积20 m×20 m；样地基本信息见表1。

（1）土壤容重和含水量测定

在不同的油松林样地内，开挖土壤剖面，用环刀（100 cm3）分层采样（重复3 次），采集层次分别为0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80cm、80-100 cm、100-120 cm。现场称重（天平感量为0.1 g）并记录，将环刀及其内土壤一起带回实验室后，采用烘干法测定土壤容重和含水量。

土壤容重计算公式采用

ρ=（m1-m2）/v

式中：ρ——土壤容重（g/cm3）；

m1——环刀及其内土壤干重（g）；

m2——环刀重（g）；

V—环刀容积（cm3）。

土壤储水量计算公式采用

Wi=θi×hi

式中：hi——土层厚度（cm）；

θi——各土层的土壤体积含水量（%）。

θi＝θm×ρ

其中θm为质量含水量：θm＝（m3－m4）/m4，式中：m3为湿土质量（g），m4为干土质量（g）。

土层总储水量W（mm）为各层土壤储水量之和，即：W＝∑Wi。

（2）土壤水分入渗测定

采用双环（高30 cm，内径10 cm，外径20 cm）法测定土壤水分入渗，即在固定样地内选择3 个具有代表性的样点，测定样点的初始土壤含水率后，将双环压入土体内，双环高出土壤表面5 cm 为止。将水同时倒入内环和外环中，并分别保持约1 cm 的水深。内环加入1 cm 水后使用秒表记录入渗时间；当环内水位下降0.5 cm 后再次加水至1 cm，保持水分入渗时间记录的连续性；直至3 次入渗率接近时，方停止入渗测验。

3 结果与分析

3.1 不同林地土壤容重变化分析

林地的土壤水分变化受成土母质、气候和植被及人类活动等综合影响，表现出不同程度的时空变异性[10]，是评估林地土壤蓄持水分性能和水土保持能力的重要依据。其中，土壤容重是评价林地土壤结构优劣及其储水能力高低的重要指标。林地土壤紧实，容重偏大，则会导致降水不能及时下渗，产生较多地表径流，诱发林地土壤侵蚀；同时也会造成油松对当季降水的利用效率下降等后果。相反，林地土壤疏松，容重偏小，则在林地内形成地表径流的机会减少，更多的水分会蓄存至土体内部，供油松及其林下植物利用，从而提高了水分利用效率。

不同人工油松林地土壤容重平均值大小顺序为GY1（1.46 g/cm3）＞ZY1（1.42 g/cm3）＞GY2（1.37 g/cm3）＞DY1（1.34 g/cm3）＞ZY2（1.31 g/cm3）＞DY2（1.30 g/cm3）；不同人工油松林地的土壤容重分布存在较大的空间异质性（表2）。从土层深度来看，随着土层加深，土壤容重存在明显的增大趋势；结合不同造林年份，尤其在GY1 和GY2 两个较高海拔地带，土壤剖面开挖较为困难，甚至因为砾石存在无法进行取样。结合植树造林时间来看，石桥林场在2007-2017 年先后进行了数次大规模的人工造林，造林时遵循的一个原则是先易后难，即在海拔较低、立地条件较好的区域先行造林。因此较低海拔立地条件下土体较为深厚，土壤容重变异性较弱，而在较高海拔区域，土层相对较浅，且土层中含有较多砾石，导致容重变异性较大。

表3 不同林地类型土壤入渗特征

3.2 不同林地土壤储水量变化分析

土壤储水量受到降水量、林地土壤、林木生长及气温等因素共同影响。本研究表明（图1），在2022年10 月中旬，研究区进入雨季末期，油松人工林6 个样地0～120 cm 深度的土壤储水量介于205.62 mm～231.59 mm；不同林地年内平均土壤储水量按照排序为DY2（231.59mm）＞ZY2（223.52mm）＞DY1（216.14mm）＞ZY1（213.98mm）＞GY2（206.74mm）＞GY1（205.62mm）。可见，低海拔区域的人工油松林地DY2 土壤储水量最高，较高海拔区域的人工油松林GY1 储水量高出12.63%。同时可以看出，随着土层深度增加，不同林地的土壤储水量基本呈现出较为一致的规律，即随着土层加深，土壤储水量呈现减少的趋势，且基本在40～60 cm 层次间达到峰值。同一海拔范围内，位于阳坡林地的土壤储水量均小于阴坡的土壤储水量。

图1 不同林地平均土壤储水量变化特征

3.3 不同林地土壤入渗特征分析

石桥林场人工油松林位于黄土丘陵区，土壤厚度不均一。地下水位埋深较大，土壤结构疏松，降水产生地表径流多为超渗产流形式。土壤蓄水特性决定于土壤水分入渗过程。为了了解不同油松人工林的土壤入渗特性，分别进行土壤入渗测定野外试验。由于土壤初始含水量会明显影响到土壤初始入渗速率，因此本开始入渗实验之前，对土壤初始含水量进行了测定。

结果表明，不同立地类型的土壤初始入渗速率差异较大，处于3.62～5.21 mm/min，稳渗率维持在1.06～2.26 mm/min。GY1 的初始入渗速率最高，达到5.21 mm/min，而稳渗率为2.14 mm/min，初始入渗率和稳渗率均维持在较高水平，这可能与该立地条件下土壤下层含有较大的砂砾石有关。相比之下，DY1林地的初始入渗速率为4.13 mm/min，而稳渗率为1.06 mm/min，在6 种立地条件下土壤稳渗率最低。

以往的研究结果表明，某一类型土壤入渗达到稳渗阶段主要受控于土壤质地，即土壤容重及孔隙度等的影响。6 种立地条件下，土壤容重与孔隙度较大的立地范围内，土壤入渗速率也较高。除了受土壤本身质地影响外，林地表面枯落物累积，根系对土壤有机质、结构的改良也促进了土壤的入渗能力。较高的土壤入渗速率虽然可以在一定程度上促进了地表水向地下水的转化，降低了地表径流的形成，减缓了土壤侵蚀。但是，由于较多的水分向深层次渗漏，也会降低当季水分的利用效率。

4 讨论与结论

晋西北黄土高原地区的土壤含水量主要受到气象因素和下垫面因素共同影响。其中降水量是晋西北地区植被恢复和生态重建的制约因素，研究区雨水入渗深度与土壤水分通量运移的活跃层主要在120 cm 以上土层，这也是大多数植被根系的主要分布区域。区域年降雨量较低时土壤蓄水量会明显减少，甚至在一定土壤范围内几乎无水分补给，从而形成土壤干化层次。由于土壤水分受降水影响明显，且土壤水分季节变化和降水的季节变化基本一致。因此，一些研究在长时间定位监测的基础上，采用聚类分析方法将全年土壤水分变化分为干湿两季或消耗期—补偿期—稳定期三个时期，甚至有的研究还进一步划分为消耗期—积累期—消退期—稳定期四个时期[11]。

本研究表明，六种油松人工林地土壤储水量介于205.62～231.59 mm；较低海拔地区的林地土壤储水量高于较高海拔的土壤储水量；且阳坡林地土壤储水量均低于阴坡。这在一定程度上体现出人工油松林纯林作为当地的主要造林树种，其林地土壤的蓄持水分能力与造林时间有关，也与海拔等因素有关。通常情况下，造林时间越早，林地土壤结构会在植物根系及土壤微生物或动物的影响下，其蓄持水分性能会提高。海拔增高可能会带来增雨效果，也可能会降低植物蒸腾和土壤水分蒸发，其对林地土壤水分的影响需要更先进的手段和更长时间的定位监测才可能得出准确结论。同时也表明地形影响林地土壤的储水量。这与地形和土壤质地是影响土壤储水量的主要因素研究结论较为接近[12]。

本研究中大部分林地土壤体积含水量在20～40cm会出现增加现象，这可能是在雨季末期，植物蒸腾减弱，加上近几年秋季降水偏多，使得林地近表层土壤水分得到更多补充，加上林下植被和枯落物层的覆盖减少了土壤蒸发，因此水分的积累大于消耗。随着土层深度增加，得到有效水分的补充机会减少，且根系吸水以及蒸腾作用耗水，使得土壤储水量变小[13]。

土壤的入渗性能可通过原状土定位测试来获取，植被恢复或生态重建可显著影响土壤入渗性能。以往研究表明，不同植被类型和种植密度可对土壤平均入渗速率、稳渗率及入渗量形成有显著增加作用[14]。本研究表明，成林时间越长，其达到稳渗率所需时间越长，下渗水量越大，稳渗率趋于较低，滞留在土壤中的水分越多，能为植被当季利用的可能性越高，这对于水土保持和植被重建较为有利。同时，也表明建植时间越长，林地内枯落物将趋于积累，从而减缓了林地土壤水分无效蒸发，这对于提高林地水分利用效率有利，应该在今后的管护过程中予以重视。