杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究

周 玮， 朱 军， 吴 鹏， 丁访军， 崔迎春

（贵州省林科院，贵州 贵阳 550005）

杠寨小流域不同植被下土壤水分物理特性的研究

周 玮， 朱 军， 吴 鹏， 丁访军， 崔迎春

（贵州省林科院，贵州 贵阳 550005）

采用环刀法测定了杠寨小流域5种植被类型下土壤的水分物理特性。结果表明：（1）随着土层的增加，土壤密度增加，渗透系数减小，火棘灌丛土壤密度（1.24 g/cm3）最大，华山松马尾松混交林土壤密度（1.04 g/cm3）最小；华山松林渗透系数最大，为7.17 m/d，麻栎林渗透系数最小(2.2 m/d)。(2)杠寨小流域土壤的总孔隙度在50%左右，麻栎林及火棘灌丛毛管孔隙度所占比例最小，仅占总孔隙度的1/10，针叶林的非毛管孔隙度相对较大，占总孔隙度的1/5以上。（3）不同植被类型下土壤的现有含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量表现出相同的规律，即华山松林＞马尾松林＞火棘灌丛＞华山松马尾松混交林＞麻栎林。马尾松华山松混交林中土壤的蓄水、排水能力均最好，分别为165.00 t/hm2及203.33 t/hm2；火棘灌丛蓄水能力最差，仅为84.67 t/hm2，麻栎林排水能力最差，为92.18 t/hm2。

杠寨小流域; 植被类型; 土壤水分物理特性

土壤是森林生态系统的重要组成部分，是植物群落发生和发展的物质基础，植物群落又反过来影响着土壤性质和肥力状况[1]，是森林发挥水文调节作用的重要场所[2]。林地土壤的水文特征不仅是气候、植被、地形及地质等自然条件综合作用的结果，而且也是森林生态系统水分小循环中林分结构与功能特征的综合体现[3-5]。

森林具有涵养水源、保持水土、净化水质的功能，对于改善生态环境具有重要的作用。森林土壤的水分物理性质直接影响着土壤水分贮存量和贮存方式，关系到森林涵养水源能力的强弱。森林的水源涵养、水土保持功能中很重要的一个方面是保持河流水文的稳定状况，即对洪水流量的消减和枯水流量的补充，它决定于土壤的孔隙结构和质地，取决于孔隙度的大小和性质。水分只有在土壤中得到充分的涵蓄，才能有效地减弱地表径流的产生，调理河川径流，达到涵养水源的目的。

杠寨小流域属乌江水系的支流清水江流域，清水江是乌江中游右岸的大支流之一，通过对杠寨小流域的5种不同植被类型下的土壤水分物理性质进行研究，旨在为科学评价同森林类型的水文生态效益提供理论依据，并进一步研究不同森林类型的水文机理。

1 研究地自然概况

杠寨小流域主要涉及高寨苗族布依族乡的杠寨村，流域面积3 020.15 hm2，属乌江水系的支流清水江流域，清水江是乌江中游右岸的大支流之一，发源于苗岭山脉北麓的平坝县活龙冷水冲。地处开阳县南面，地理位置东经107º70´～117º00´，北纬 26º51´ ～ 26º55´，平均海拔 600～1 350 m。岩溶地貌类型以丘原山地为主，主要出露岩石为石灰岩、白云岩、灰质白云岩、砂页岩。石漠化以轻度、中度为主，以及部分强度石漠化。冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温11.6～15.3 ℃，年无霜期250 d左右，常年降水量约为1 200 mm，雨热同期，雨量充沛且多集中在夏季6、7、8这3个月，占降水量的50%左右。

森林覆盖率为35%，植被属亚热带常绿阔叶林和常绿针叶阔叶混交林，土壤主要为地带性黄壤。林地植被主要有白栎Quercus fabri、毛栗Castanea seguinii、小果南烛Lyonia ovalifoliavar.elliptica、小果蔷薇Rosa cymosa、杜鹃Rhododendronsimsii& R.spp.、火棘Pyracantha fortuneana、山胡椒Lindera glauca、 石 生 鼠 李Rhamnus davurica、盐 肤 木Rhus chinensis、 芒Miscanthus、 菜 蕨Callipteris esculenta、盖蕨Athyrium minimum、狗脊蕨Woodwardia japonica、金星蕨Parathelypteris nipponica、蝴蝶花Herba iridisJaponicae、苔草Carex tristachya、茅草Imperata cylindrica。

2 材料与方法

2. 1 样地选择与样品采集

于2010年12月选取杠寨小流域内的马尾松Pinus massoniana纯林（PM）、华山松Pinus armandii纯林(PA)、马尾松+华山松混交林(PMA)、麻栎（Quercus acutissima乔木林（QA）以及火棘Pyracantha fortuneana灌丛(PF)作为研究对象，其样地具体情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of plots

2. 2 土样采集和分析

2010年12月，分别对5种林型的土壤物理性质进行剖面取样调查：每个样方在四角及中心各设置5个调查点，每个调查点挖3个土壤剖面(彼此相距5 m)，按0～10、10～20、20～40 cm进行土壤分层，每层用100 cm3的环刀取原状土样，并用铝盒取土供土壤含水量测定，每层3个重复。

2.3 测定方法

采用烘干法测定土壤含水量；环刀法测定土壤的密度、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，并计算土壤的饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、现有土壤贮水量。

3 结果与分析

3.1 土壤基本物理性质

3.1.1 土壤密度

土壤密度说明土壤的松紧程度，是土壤物理性质的一个重要指标，直接影响其他土壤肥力因素和植物生长状况，综合反映了土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力。图1是研究区域内5种不同植被类型下的土壤密度。从图1中可以看出，5种植被类型下土壤密度的大小顺序为火棘灌丛PF＞麻栎林（QA）＞马尾松林（PM）＞华山松林(PA)＞华山松马尾松混交林（PMA），而0～20 cm土壤中火棘灌丛的土壤密度最低，其余两层的土壤密度最大，说明火棘灌丛的表层土壤比较松散，密度较小。随着土壤层次的加深，土壤密度增大，基本表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，3个层次土壤密度分别为0.97～1.23 、1.01～1.38 、1.07～1.37 g/cm3，这与土壤中有机物质的积累有关。

图1 不同植被类型的土壤密度Fig. 1 Soil density of different vegetation types

3.1.2 土壤孔隙状况

土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度,并且对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥不同的调节功能。森林对土壤孔隙度的影响是多方面的，不同森林类型土壤的孔隙度受林分土壤发育状况的影响很大。一般而言，林分发育到一定程度后可以改善和提高土壤的物理性状，特别是森林的枯落物和根系对土壤孔隙度的影响较显著。表2是不同植被类型下土壤的孔隙状况。从表2可以看出，不同植被类型下土壤的总孔隙度平均值分别为54.73%、55.12%、53.07%、45.10%及49.37%，表现为马尾松华山松混交林＞华山松林＞马尾松林＞火棘灌丛＞麻栎林。随着土层的增加，土壤总孔隙度呈减小趋势，基本表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm。经过方差分析得出，不同土壤层次总孔隙度差异不显著（F=7.90＜F0.05），不同植被类型之间存在极显著差异（F=53.62＞F0.01）。

毛管孔隙是土壤中水分流通和蒸发的孔道，对于土壤蒸发和植物吸收土壤水分具有重要意义。毛管孔隙度的水分可以长时间保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸发。不同植被类型下土壤毛管孔隙度的平均值分别为41.93%、40.75%、39.95%、38.60%及43.23%，表现为火棘灌丛＞华山松林＞马尾松华山松混交林＞马尾松林＞麻栎林。方差分析表明，不同植被下土壤毛管孔隙度存在极显著差异（F=17.85＞F0.01）。而不同土层毛管孔隙度基本表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，与总孔隙度表现趋势一致。各土层之间毛管孔隙度差异极显著（F=8.18＞F0.01）。

表2 土壤孔隙度Table 2 Soil porosity of different vegetation types

非毛管孔隙是土壤快速贮水的场所，在森林调节水分的过程中具有十分重要的作用。非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的无效水容量小，有效水的贮存容量越大。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗，更加有利于涵养水源[6]。不同植被类型下土壤非毛管孔隙度在马尾松华山松混交林中最大，占13.68%，马尾松林次之，占12.48%，火棘灌丛最小，占5.70%。方差分析表明，不同植被类型土壤非孔隙度存在极显著差异（F=120.28＞F0.01）。随着土层的增加，土壤非孔隙度基本表现为逐渐增加，且存在极显著差异（F=15.38＞F0.01）。

一般而言，土壤总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5时，土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调[7]。杠寨小流域土壤的总孔隙度在50%左右，麻栎林总孔隙度相对较小。但总的来说不同植被类型下非毛管孔隙度相对较小，麻栎林及火棘灌丛毛管孔隙度所占比例最小，仅占总孔隙度的1/10，土壤的通气透水性能相对较差。而针叶林的非毛管孔隙度相对较大，占总孔隙度的1/5以上，说明针叶林下土壤的通气性、持水性较好。

3.1.3 土壤渗滤系数

渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。图2是不同植被类型下各土层的土壤渗透系数。从图2中可以看出，随着土层的增加，渗透系数逐渐降低，表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm。经过显著分析表明，不同土层渗透系数差异极显著（F=23.47＞F0.01）。不同植被类型下渗透系数存在极显著差异（F=45.21＞F0.01），华山松林渗透系数最大，为7.17 m/d，马尾松林渗透系数（6.2 m/d）次之，麻栎林渗透系数（2.2 m/d）最小。

图2 不同植被类型的土壤渗透系数Fig. 2 Permeability coefficient of different vegetation types

3.2 土壤涵养水源特性

林地土壤是水分蓄积的主要场所，土壤的水源涵养能力是森林水源涵养功能的一个重要方面。水分在土壤非毛管孔隙和毛管孔隙中的运动和贮存方式是不同的。毛管部分是为植物提供水分或供地表蒸发，只有重力作用下的土层非毛管水才能进入河道或水库。土壤涵养水分能力是衡量土壤水分供给平衡及水土保持的重要指标，是反映土壤生态功能的重要指标。

3.2.1 土壤的持水特性

不同植被类型下土壤的现有含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量表现出相同的规律，表现为华山松林＞马尾松林＞火棘灌丛＞华山松马尾松混交林＞麻栎林（见表3），不同植被下含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量存在显著差异（F值分别8.13，13.25,15.78,20.33＞F0.05）。不同土壤层次之间表现出明显的规律性，且差异不显著（F值分别为3.01,2.91,1.32,3.11＜F0.05）。

3.2.2 土壤的蓄水能力

土壤的最大蓄水量取决于土壤非毛管孔隙度及土层厚度[8]，土壤的蓄水性能与土壤的前期含水量密切相关。而用非毛管孔隙度来反映土壤的蓄水特性，称为有效涵蓄量。它是用来评价不同土地类型土壤涵养水源及调节水分循环的一个重要指标。从表3中可以看出，5种植被类型下土壤的蓄水能力以马尾松华山松混交林蓄水能力最强，平均值达到196.17 t/hm2；马尾松林次之，为165.00 t/hm2；火棘灌丛蓄水能力最差，仅为84.67 t/hm2。不同植被类型下土壤蓄水能力差异显著（F=15.69＞F0.05）。不同土层中土壤蓄水能力表现出统一的规律性，即随着土层的增加而蓄水能力逐渐增加，且存在显著差异（F=9.46＞F0.05）。可能是因为上层土壤中的根系比较发达，微生物活动剧烈，从而增加土壤中水分的蒸发流失。

表3 土壤水分特性Table 3 Soil water characteristics of different vegetation types

3.2.3 土壤的排水能力

土壤排水能力是由最大持水量与最小持水量的差值决定的。排水能力反映在大雨过后土壤吸饱的水分通过土壤的大孔隙向下渗漏到地下水层或通过侧向径流和地下径流缓慢流向溪谷的能力[9]，是非降水时期、旱季森林溪谷径流水和江河、水库的泉源，是水源林水源涵养作用的真正所在[8]。表3中不同植被土壤排水能力表现为华山松马尾松混交林＞华山松林＞马尾松林＞火棘灌丛＞麻栎林。针叶混交林的排水能力最好，能够有效地调节径流,降低旱涝等自然灾害。麻栎林排水能力最差，且0～10 cm土壤层次排水能力均明显高于其余两层土壤的排水能力。

4 结 论

（1）土壤密度的大小顺序为火棘灌丛PF＞麻栎林（QA）＞马尾松林（PM）＞华山松林(PA)＞华山松马尾松混交林（PMA），随着土壤层次的加深，土壤密度、渗透系数增大，表现为0～10 cm ＞10～20 cm＞20～40 cm，3个层次土壤密度分别为0.97～1.23、1.01～1.38、1.07～1.37 g/cm3。不同植被类型下渗透系数存在极显著差异（F=45.21＞F0.01），华山松林渗透系数最大，为7.17 m/d，马尾松林渗透系数（6.2 m/d）次之，麻栎林渗透系数（2.2 m/d）最小。

（2）杠寨小流域土壤的总孔隙度在50%左右，但非毛管孔隙度相对较小，麻栎林及火棘灌丛毛管孔隙度所占比例最小，仅占总孔隙度的1/10，土壤的通气透水性能相对较差。而针叶林的非毛管孔隙度相对较大，占总孔隙度的1/5以上，说明针叶林下土壤的通气性、持水性较好。

（3）不同植被类型下土壤的现有含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量表现出相同的规律，表现为华山松林＞马尾松林＞火棘灌丛＞华山松马尾松混交林＞麻栎林。不同植被下土壤蓄水、排水能力存在显著差异。马尾松华山松混交林中土壤的蓄水排水能力均最好，分别为165.00 t/hm2及203.33 t/hm2；火棘灌丛蓄水能力最差，仅为84.67 t/hm2；麻栎林排水能力最差，为92.18 t/hm2。

[1] 中国林业科学研究院林业研究所.中国森林土壤[M].北京：科学出版社,1986.

[2] 张雷燕,刘常富,王彦辉,等.宁夏六盘山地区不同森林类型土壤的蓄水和渗透能力比较[J].水土保持学报，2007，21(1):95－98

[3] 党宏忠,周泽福,赵雨森,等.祁连山水源涵养林土壤水文特征研究[J].林业科学研究,2006(1):39－44.

[4] 王金叶,田大伦,王彦辉,等.祁连山林草复合流城土壤水分状况研究[J].中南林学院学报,2006,26(1):1-5.

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Study on soil moisture physical characteristics of different vegetation types in Gangzhai small watershed

ZHOU Wei, ZHU Jun, WU Peng, DІNG Fang-jun, СUІ Ying-chun
(Guizhou Academy of Forestry, Guiyang 550025,Guizhou ,Сhina)

The soil physical characteristics and water conservation characteristics of different vegetation types in Gangzhai small watershed were measured by cutting ring method. The test results show that（1) With the increase of soil layer depth, the soil density raised and the permeability coef fi cient decreased，the soil density in the shrub of Pyracantha fortuneana reached the maximum (1.24 g/cm3), that of the mixed forest of Pinus massoniana and Pinus armandii was reduced the minimum (1.04 g/cm3). The permeability coef fi cient of Pinus armandii was the maximum (7.17 m/d) and that of Quercus acutissima was the minimum (2.2 m/d). (2) The total capillary porosity in Gangzhai small watershed was about 50%, the capillary porosity of Quercus acutissima and shrub of Pyracantha fortuneana accounted for the least, being 1/10 of total capillary porosity，the non-capillary porosity of coniferous forest was relative large, accounted for over 1/5 of total capillary porosity. (3) The regularity of water content, max water content, capillary water content and fi eld water content in different vegetation types were accordant each other, they ordered from big to small as PA＞PM＞PF＞PMA＞QA.The water storage capacity and drainage capacity in PMA was the best (165.00 t/hm2and 203.33 t/hm2). The water storage capacity in PF was the worst (84.67 t/hm2). The drainage capacity in QA was the worst (92.18 t/hm2).

Gangzhai small watershed; vegetation types; physical properties of soil water

S715-3

A

1673-923X (2012)05-0092-05

2011-12-10

贵州喀斯特地区石漠化综合治理监测评价指标体系与监测示范(黔科合0Z字[2009]2)；贵州省公益林可持续经营技术研究创新能力建设（编号:黔科合院所创能[2009]4002）

周 玮(1982-)，女，贵州盘县人，博士，从事森林土壤生态研究；E-mail: zhwei1982802@126.com

朱 军(1962-)，上海人，研究员，从事森林土壤及“3S”技术研究；E-mail: zhujun8821@vip.163.com

[本文编校：谢荣秀]