山东砂石山区不同林分类型土壤的蓄水效益

胡建朋，杨吉华，罗明达，李星辰

(山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室山东农业大学林学院，271018，山东泰安)

山东砂石山区不同林分类型土壤的蓄水效益

胡建朋，杨吉华†，罗明达，李星辰

(山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室山东农业大学林学院，271018，山东泰安)

以山东省临朐县辛庄水土保持试验站营造的5种林分为研究对象，研究不同林分类型土壤蓄水效益。结果表明：刺槐、五角枫、黄连木等阔叶树种林分的枯落物多，枯落物腐烂分解后改善土壤理化性状良好，增加了土壤蓄水量，3种阔叶树种林分与对照(各林分类型附近立地条件相同的荒坡)相比增加的土壤饱和贮水量以刺槐林的最大(为549.8m3/hm2)，其次是五角枫林(为416.9m3/hm2)和黄连木(为392.3m3/hm2);而黑松、侧柏等针叶树种林分相应地增加土壤饱和贮水量较少，分别仅为257.9和223.7m3/hm2。通过对枯落物已分解层蓄积量与0～20 cm土壤理化性状的相关分析表明，不同林分类型的枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数、土壤非毛管孔隙度呈极显著相关性，与土壤密度、土壤总孔隙度呈显著相关性，与土壤毛管孔隙度相关但不显著。计算结果显示，5种林分类型的土壤蓄水效益表现为刺槐林＞五角枫林＞黄连木林＞黑松林＞侧柏林。

林分类型;土壤饱和贮水量;土壤蓄水效益;山东砂石山区

山东省砂石山区面积较大，岩石的物理风化快， 地面土质松散，土体粗砂多，保水能力弱，而且坡度陡、坡长短、土层薄，夏季降雨集中，多以暴雨形式出现，流速大，汇流快，土壤蓄水能力差。营造水源涵养林可起到林冠截持降雨，枯落物拦蓄地表径流，改善土壤理化性状，促进水分下渗，增强土壤蓄水能力。水源涵养林可以通过乔灌层、枯落物层和土壤层3个水文层次对降水进行调蓄，在“大气水—植物水—土壤水”的循环系统中起着重要作用，是一个良好的天然蓄水库［1-2］。以往的研究注重单因子对林分蓄水功能的影响，忽视了多因子条件下对水源涵养林蓄水效益的综合评价［2］;为此，笔者通过对山东砂石山区不同林分类型土壤蓄水功能的定量分析，揭示各因子影响下的不同林分类型土壤蓄水效益的数量关系，探索山东砂石山区蓄水效益良好的林分类型，为山东砂石山区水源涵养林的营造，计算不同林分类型土壤蓄水效益提供理论依据和技术指导。

1 试验地概况

辛庄水土保持试验站位于山东省临朐县九山镇辛庄小流域，地处 E118°33'21″～ 118°36'28″，N36°16'18″～36°19'46″之间，属暖温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季雨量减少，冬季寒冷干燥。流域面积8.34 km2，试验区海拔310～431m，岩石为片麻岩，土壤为棕壤，坡向为西南坡，坡度18°～20°，坡位属于低山丘陵的中上部，土壤厚度30～40 cm，多年平均气温12℃，多年平均降水量798.4mm，降水多集中在6—9月，多年平均无霜期191 d。试验材料为刺槐(Robinia pseudoacaciaLinn)、五角枫(Acermonomaxim.)、黄连木(Pistacia chinensisBunge.)、黑松(Pinus thunbergiiParl)和侧柏(Platycladus orientalis(Linn.)Franco)5种林分类型。1996年冬季进行穴状整地，整地规格长宽深为50 cm×50 cm×40 cm，1997年春季植苗造林，密度为1 667株/hm2，在各林分类型附近立地条件相同的荒坡设置对照小区。造林后采取封育措施，禁止人为割草、砍灌、搂树叶和放牧等活动。2010年11月调查每个林分类型的林木生长量(表1)。

表1 不同林分类型林木生长状况Tab．1 Growth state of trees in different forest types

2 试验方法

2.1 标准地布设

2010年11月，在临朐县辛庄水土保持试验站选择1997年营造的刺槐、五角枫、黄连木、黑松、侧柏5个树种林分内布设标准地，每个林分设置3个20m×20m的标准地，在各林分类型附近立地条件相同的荒坡设置3个10m×10m的标准地作为对照，记录标准地的坡度、坡位，测定各林分类型的林木生长状况。

2.2 枯落物蓄积量的测定

在每个标准地的对角线上均匀布设5个1m×1m的样方［2］，测量枯落物的总厚度、未分解层、半分解层和已分解层厚度，收集未分解层、半分解层和已分解层的枯落物样品。称收取样品的鲜质量，并用烘箱烘干至恒质量，称其各自的干质量，以干质量计算单位面积的蓄积量。

2.3 土壤物理性状和土壤蓄水性能的测定

在每个林分类型的标准地内，用50 cm3的环刀在0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土壤内均匀采集土壤样品，倒入铝盒，用烘箱烘干测定土壤含水量;用50 cm3的环刀取0～10、10～20、20 ～30、30～40 cm层土壤样品，用浸水法测定土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤饱和贮水量等指标。求其每个林分0～20、20～40 cm土层的土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的平均值，用均值±标准差表示。采用各林分类型的土壤饱和贮水量减去对照区的土壤饱和贮水量得出各林分类型增加的土壤饱和贮水量。

2.4 土壤渗透性能的测定

采用单环定量加水法测定土壤的入渗速率［3］。在选定的测点上把渗透筒垂直插入土中至第二道刻度线(入土深度5 cm)，可减少水分侧渗。用量筒盛水(记录水温)100mL缓缓倒入渗透筒内，等水全部渗入土中，记录起始时间。马上再倒入100mL水，重复操作，看到渗水明显减慢时，计算初始入渗速率;再倒入50mL水，记录起始时间，重复操作，直到50mL水全部渗入土中所需时间与上一次时间接近，计算稳定入渗速率，得出平均入渗速率。

2.5 土壤有机质质量分数的测定

2010年11月，在标准地内分别取0～20和20～40 cm土层的土壤，将土样带回实验室，风干后制备土样，取通过0.25mm筛孔的风干土样，用油浴加热-K2Cr2O7容量法测定土壤有机质质量分数。

2.6 数据处理方法

运用EXCEL2003软件对原始数据进行初步处理和图表制作，运用SPSS11.5软件进行方差分析、回归分析和相关分析。

3 结果与分析

3.1 枯落物层蓄积量

林地枯落物层不仅能够吸持和拦截降水、促进径流下渗、减少林地蒸发量、改善土壤结构，而且能减少径流冲刷［2］。由表2(样本数为15)可以看出，枯落物未分解层、半分解层和已分解层的蓄积量以刺槐林的最大，五角枫林和黄连木林的次之，黑松林和侧柏林的较小。按不同林分类型对枯落物未分解层、半分解层和已分解层的蓄积量进行方差分析，分别为未分解层F0.05=343.557，Sig.=0.000;半分解层F0.05=455.802，Sig.=0.000;已分解层F0.05=1 188.327，Sig.=0.000，表明不同林分类型枯落物未分解层、半分解层和已分解层蓄积量均存在明显差异。由于刺槐、五角枫、黄连木在山东砂石山区生长量大，枝叶量大，枯落物多，所以未分解的枯落物层蓄积量大;刺槐、五角枫、黄连木为软阔叶树种，在高温高湿条件下，微生物活动强烈，加速枯落物的分解，所以半分解和已分解的枯落物层蓄积量较大。而黑松和侧柏生长慢，枝叶量小，枯落物少，未分解层蓄积量小，由于黑松和侧柏的枯落物含油脂多，分解慢，枯落物半分解层和已分解层蓄积量较少。

表2 不同林分类型枯落物蓄积量Tab．2 Amount of litter accumulation in different forest types

3.2 土壤理化性状及其渗透速率

土壤的理化性状主要指土壤密度、土壤孔隙度和土壤有机质质量分数等指标，土壤理化性状的优劣直接影响土壤的持水和渗透能力，优良的土壤理化性状对于减少地表径流、涵养水源、保持水土具有重要作用［4］。

表3和图1(样本数为9)显示，5种林分类型的土壤密度以刺槐林的最小，而土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数则以刺槐林的最大;其次是五角枫林和黄连木林，黑松林和侧柏林的土壤密度较大，而土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数较小。按不同林分类型对土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数进行方差分析，分别为土壤总孔隙度F0.05=352.65，Sig.=0.000;土壤毛管孔隙度F0.05=68.978，Sig.=0.000;土壤非毛管孔隙度F0.05=24.514，Sig.=0.000;土壤有机质质量分数F0.05=165.014，Sig.=0.000，表明不同林分类型的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数均存在明显差异，但均大于对照。同一林分类型0～20 cm土层内的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数均大于20～40 cm土层，而0～20 cm土层内的土壤密度小于20～40 cm土层内的土壤密度，说明不同林分类型对0～20 cm土层的理化性状改良效果更明显。

图2(样本数为9)显示，各林分类型的土壤渗透速率均大于对照，表现为刺槐林＞五角枫林＞黄连木林＞黑松林＞侧柏林＞对照;按不同林分类型对土壤平均渗透速率进行方差分析，F0.05=1 696.824，Sig.=0.000，表明不同林分类型的土壤渗透速率存在明显差异。

表3 不同林分类型土壤物理性状Tab．3 Soil physical properties in different forest types

图1 不同林分类型土壤有机质质量分数Fig．1 Soil organicmatter content in different forest types

图2 不同林分类型土壤渗透速率Fig．2 Soil infiltration rate in different forest types

这是由于刺槐、五角枫、黄连木等阔叶树种林分的枯落物多，分解快，腐烂分解后形成腐殖质层，腐殖质层被雨水淋洗到土壤层内，因腐殖质具有良好的黏结作用，把分散的单个土粒黏结成团粒结构，使土壤疏松多孔，从而减小土壤密度，增加了土壤的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，提高了土壤有机质质量分数，改善土壤理化性状较强，特别是非毛管孔隙度的增加，促进雨水下渗，增加了土壤渗透速率。而黑松、侧柏等针叶树种林分的枯落物较少，枯落物含大量油脂，分解慢，形成的腐殖质层较少，提高的土壤有机质质量分数较低，改善土壤理化性状较差，增加的土壤渗透速率较慢。

3.3 枯落物已分解层的蓄积量与0～20 cm土壤理化性状相关分析

表4显示，枯落物已分解层蓄积量与土壤密度呈负相关关系，枯落物已分解层蓄积量越大，土壤越疏松，土壤密度越小;枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度均呈正相关关系，即枯落物已分解层蓄积量大的林分，土壤有机质质量分数、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度都大。相关性系数表明，不同林分类型枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数、非毛管孔隙度呈极显著相关性，与土壤密度、土壤总孔隙度呈显著相关性，与土壤毛管孔隙度相关但不显著;说明枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数、非毛管孔隙度相关更密切。

表4 不同林分类型枯落物已分解层蓄积量与0～20 cm土层的土壤理化性状相关分析Tab．4 Correlation analysis between amount of decomposed litter layer and physical and chemical properties of 0-20 cm soil layer in different forest types

3.4 土壤水文效应

土壤水文效应主要取决于土壤物理性状，土壤总孔隙度决定土壤贮水量的大小，毛管孔隙是土壤中水分贮存和蒸发的孔道，是植物吸收水分的路径，非毛管孔隙间隙大，渗透到土壤中的水分在重力作用下逐渐下渗变为地下水，增加土壤渗透速率［5］。

由表5(样本数为9)可以看出，刺槐林的土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和土壤饱和贮水量最大，五角枫林和黄连木林的次之，黑松林和侧柏林的较小，对照的最小;按不同林分类型对土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和与对照相比增加的土壤饱和贮水量进行方差分析，分别为土壤毛管最大持水率F0.05=273.04，Sig.=0.000;土壤最大持水率F0.05=217.31，Sig.=0.000;与对照相比增加的土壤饱和贮水量F0.05=1360.96，Sig.=0.000，表明不同林分类型的土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和与对照相比增加的土壤饱和贮水量均差异显著。3种阔叶树种林分增加的土壤饱和贮水量以刺槐林的最大(为549.8m3/hm2)，其次是五角枫林(为416.9m3/hm2)和黄连木林(为392.3m3/hm2)，而黑松、侧柏等针叶树种林分改善土壤理化性状较差，增加的土壤饱和贮水量较少，黑松林为257.9m3/hm2，侧柏林为 223.7m3/hm2。

表5 不同林分类型土壤水文效应Tab．5 Effects of soil water in different forest types

3.5 土壤蓄水效益

在选取不同林分类型的枯落物层蓄积量、已分解层蓄积量、土壤总孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数、土壤渗透速率、不同林分类型与对照相比增加的土壤饱和贮水量等因子的单位不统一，无法进行直接汇总，在完成数据的整理后还需对数据进行量纲归一化的处理，笔者采用均值化法对数据进行处理，计算公式为X=Xi/Xi。结果见表6。

表6 不同林分类型量纲归一化后的各影响因子与土壤蓄水效益Tab．6 Efficiency of soil water storage and its impact factors after elimination of dimensionless in different forest types

运用水保分析法对不同林分类型的蓄水效益进行分析，根据各项蓄水数量的量纲归一化处理，按各项指标得分逐项相加得出蓄水效益［6］。

式中：W为土壤蓄水效益;X1为量纲归一化的枯落物层蓄积量;X2为量纲归一化的枯落物已分解层蓄积量;X3为量纲归一化的土壤总孔隙度;X4为量纲归一化的土壤非毛管孔隙度;X5为量纲归一化的土壤有机质质量分数;X6为量纲归一化的土壤渗透速率;X7为量纲归一化的不同林分类型与对照相比增加的土壤饱和贮水量。

由表6可以看出，各林分类型增加的土壤蓄水效益表现为刺槐林＞五角枫林＞黄连木林＞黑松林＞侧柏林，按不同林分类型对其进行方差分析F0.05=185.516，Sig.=0.000，表明不同林分类型与对照相比增加的蓄水效益差异极显著。

4 结论与讨论

1)由于刺槐、五角枫、黄连木等阔叶树种枯落物多，分解快，腐烂分解后被雨水淋洗到土壤层内，从而减小了土壤密度，增加了土壤孔隙度，提高了土壤有机质质量分数，特别是非毛管孔隙度的增加，提高了土壤渗透速率。结果表明：各林分类型改良土壤理化性状及其渗透速率以刺槐林最好，五角枫林和黄连木林次之，而黑松、侧柏等针叶树种林分的枯落物较少，分解速度慢，已分解的枯落物较少，改善土壤理化性状较差，土壤渗透速度较慢。通过对不同林分类型的枯落物蓄积量、土壤孔隙度、土壤有机质质量分数、土壤渗透速率等进行方差分析，均存在显著差异。枯落物层是森林结构中重要的组成部分，可以拦蓄和吸收地表水，使地表径流转变为流速缓慢的层间流和层下流，枯落物腐烂分解有效改善土壤理化性状，增加土壤入渗，增加林地蓄水。研究结果与相关研究［7］中不同林分类型枯落物蓄积量对改善土壤物理性状的结论基本相同。

2)通过对不同林分类型枯落物已分解层蓄积量与0～20 cm土壤理化性状进行相关分析，结果表明：枯落物已分解层蓄积量与土壤密度呈负相关关系，与土壤有机质质量分数、土壤总孔隙度、土壤非毛管孔隙度和土壤毛管孔隙度均呈正相关关系，不同林分类型的枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数、土壤非毛管孔隙度呈极显著相关性，与土壤密度、土壤总孔隙度呈显著相关性，与土壤毛管孔隙度相关但不显著。不同林分类型的枯落物已分解层蓄积量与土壤有机质质量分数呈极显著相关性，与相关研究结论“在土壤形成过程中，枯落物层是土壤有机质养分的重要来源之一”［4］基本相同，发现与已分解层蓄积量关系更密切。

3)对不同林分类型与对照相比增加的土壤饱和贮水量进行方差分析，均存在显著差异，其中以刺槐林的最大(为549.8m3/hm2)，其次是五角枫林(为416.9m3/hm2)和黄连木林(为392.3m3/hm2)，而黑松林和侧柏林的较小，分别为257.9m3/hm2和223.7m3/hm2。通过对5种林分类型的枯落物层蓄积量、枯落物已分解层蓄积量、土壤总孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有机质质量分数、土壤渗透速率、与对照相比增加的土壤饱和贮水量进行量纲归一化处理，按各项指标得分相加得出土壤蓄水效益大小排序为刺槐林＞五角枫林＞黄连木林＞黑松林＞侧柏林。蓄水效益大小为落叶阔叶树种大于针叶树种，与以往的研究结论“各样地土壤综合水文效应优劣依次为落叶阔叶林＞常绿阔叶林＞杉木林＞毛竹林＞马尾松林＞经济林”［8］基本一致。本文只选取上述7个指标计算综合蓄水效益，是否增加与蓄水效益相关的指标有待于进一步研究。

5 参考文献

［1］张彪，李文华，谢高地，等.森林生态系统的水源涵养功能及其计量方法［J］.生态学杂志，2009，28(3)：529-534

［2］黄承标，吴仁宏，黎家春，等.三匹虎自然保护区森林枯枝落叶层及土壤层涵养水源功能分析［J］.中国水土保持，2009(7)：16-18

［3］程勤波，陈喜，凌敏华，等.单环入渗试验与数值反演法结合推求土壤水力参数［J］.水文地质工程地质，2010，37(1)：118-122

［4］杨吉华，张永涛，李红云，等.不同林分枯落物的持水性能及对表层土壤理化性状的影响［J］.水土保持学报，2003，17(2)：141-144

［5］崔鸿侠，刘学全，唐万鹏，等.丹江口库区松柏混交林水文生态效应研究［J］.江西农业大学学报，2007，29(5)：784-787

［6］祁永新，刘则荣，王兴中.黄土高原水土保持二期世行贷款项目蓄水保土效益分析［J］.水土保持研究，2008，15(5)：204-207

［7］刘培娟，杨吉华，李申安，等.三里庄水库上游水源涵养林不同林分枯落物水容量研究［J］.水土保持研究，2007，14(1)：239-241

［8］黄进，杨会，张金池.桐庐生态公益林主要林分类型的土壤水文效应［J］.生态环境学报，2009，18(3)：1094-1099

Soil water storage efficiency of different stand types in Sandymountain of Shandong Province

Hu Jianpeng，Yang Jihua，Luomingda，Li Xingchen

(Shandong Province Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restroration，College of Forestry，Shandong Agricultural University，271018，Tai'an，Shangdong，China)

The study on soil water storage of five stand types were conducted in Soil and Water Conservation Experiment Station of Linqu County.The results show that：Robinia pseudoacaciaLinn.，Acermonomaxim.andPistacia chinensisBunge.stands ofmore litter layer，which improved soil physical and chemical properties and increased soil water storage capacity after decomping.Compared to control，the increased saturated water storage inRobinia pseudoacaciaLinn.was the largest by 549.8m3/hm2，followed byAcermonomaxim.andPistacia chinensisBunge.，416.9 and 392.3m3/hm2respectively，and in conifers species such asPinus thunbergiiParl.，Platycladus orientalis(Linn.)Franco were relatively not somuch by 257.9m3/hm2and 223.7m3/hm2correspondingly.The correlation analysis between the amount of decomposed litter layer and 0-20 cm soil physical and chemical properties shows that：the amount of decomposed litter layer were extremely significant correlated with soil organicmatter content and soil non-capillary porosity，significantly associated with soil bulk density and total soil porosity，but not significantly related to the soil capillary porosity.The soil water storage efficiency of the five different stands decreased in the order ofRobinia pseudoacaciaLinn.，Acermonomaxim.，Pistacia chinensisBunge.，Pinus thunbergiiParl.，Platycladus orientalis(Linn.)Franco.

forest types;soil water storage capacity;soil water storage efficiency;Sandmountain in Shandong

2011-03-15

2011-07-11

世界银行贷款山东生态造林项目“干旱瘠薄山地造林树种及造林模型选择研究”(SEAP-kr-1P112759)

胡建朋(1985—)，男，硕士研究生。主要研究方向：林业生态工程。E-mail：hujianpeng1205@163.com

†责任作者简介：杨吉华(1957—)，男，教授。主要研究方向：林业生态工程。E-mail：jhyang@sdau.edu.cn

(责任编辑：程 云)