黄河三角洲盐碱地造林对土壤水分特性的影响

王丽琴，李红丽，董智，沈运扩，张志鹏

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

土壤水分是土壤-植被-大气连续体(SPAC)的一个关键因子，是土壤系统养分循环和流动的载体［1-2］，直接影响土壤的特性和植物的生长［3］。土壤水分特性制约着土壤对水的吸持、储存，不仅直接影响土壤对植物生长的水分供给能力，而且通过影响土壤的其他性质影响植物的生长［4］。黄河三角洲地区土壤以盐化潮土和滨海盐土为主，盐渍化土地面积占整个区域面积的1/2 以上，呈插花状分布。滨海盐土是重度盐渍化土壤，其特点是土壤含盐量高，土壤水分有效性差，已成为该地区植被分布、造林成活率及林木生长最为主要的限制因子。许多研究者就滨海盐碱地造林树种选择、造林技术、土壤改良效果、水盐变化规律等进行了研究［5-10］，但对滨海盐碱地土壤水分特性的研究较少。土壤水分特征曲线是土壤水分基质势或土壤水吸力与土壤含水量之间的关系曲线，可以反映土壤的水分能态和持水特征，对研究土壤水分运移及植物生长等方面有重要意义［11-15］。鉴于此，笔者以土壤水分的有效性和持水性为切入点，对黄河三角洲滨海盐碱地不同造林树种林地的土壤水分特性进行系统研究，以期揭示造林对土壤水分特性的影响，阐明造林树种与土壤水分之间的关系，为盐碱地造林、土壤改良和综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区为山东生态造林项目区，位于山东省滨州市沾化县西部的下洼镇枣旺林场，地理坐标为E 118°02＇70″，N 37°43＇92″。地貌类型为黄河冲积平原浅平洼地，海拔1.6 ～2.4 m。研究区属暖温带半干旱东亚季风区，多年平均温度12 ℃，平均降水量610.3 mm，降水多集中于6—9 月;年蒸发量为2 095.1 mm。多年平均日照时间2 699.2 h，日照比例为61%。多年平均大风时间每年21 d，多在3—5 月份发生。研究区地势平坦，土壤类型为盐化潮土，土壤养分含量低、保水保肥性差，盐碱程度严重，含盐量在0.3%～1.0%之间，局部地块高达2%～3%，pH 值＞7.5，盐分阴离子以Cl-为主，阳离子以K+、Na+为主。

研究区人工林造林树种分别为白蜡(Fraxinus chinensis Roxb)、杨树(Populus spp.)和冬枣(Zizyphus jujube Mill)。各树种均于2010 年春季造林，2012 年调查时苗龄为4 a。各树种的生长状况为:白蜡平均树高5.3 m，平均冠幅3.2 m×2.5 m，造林密度1 666 株/hm2;杨树平均树高7.4 m，平均冠幅2.6 m×2.5 m，造林密度2 000 株/hm2;冬枣平均树高2.2 m，平均冠幅2.5 m×2.3 m，造林密度约为株2 200 株/hm2。造林前各地块均为荒地，植被盖度＜10%，0 ～100 cm 土体加权平均含盐量达1.48%，土壤pH 值7.9，有机质质量分数平均为0.33%，土壤碱解氮质量分数28.5 mg/kg，速效磷质量分数3.2 mg/kg，速效钾质量分数76.5 mg/kg。造林后各树种林地与对照地的土壤基本特性见表1。试验地块土壤均为粉质壤土，黏土体积分数差异不明显，粉粒和砂粒体积分数在40 ～60 cm 层有较显著差异。3 种造林地不同层次的土壤含盐量差异不明显，均与对照地各层次差异极显著。

2 材料与方法

2.1 土样采集与处理

2012 年10 月，选择3 种造林地(杨树林地、白蜡林地、冬枣林地)及距造林地150 m 外的荒地为研究对象，在每个地块内选择有代表性的地段设立0.1 hm2的固定标准地，每个地块内选取3 个样点，挖取土壤剖面，分层取样测定土壤理化性质。根据造林树种根系生长与分布状况，每个样点按0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 取样500 g，带回室内自然风干，测定粒径与含盐量;同时用铝盒与环刀采集0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 层原状土，测定土壤含水量、孔隙度与土壤水分特征曲线。

表1 不同造林树种林地土壤的机械组成与含盐量Tab.1 Soil mechanical composition and salt content of different afforestation tree species %

2.2 土壤物理性质的测定

土壤密度及土壤孔隙度采用环刀法测定，土壤含水量采用铝盒烘干法测定，土壤含盐量采用残渣烘干-质量法测定，土壤颗粒分析采用MSN-2000 激光粒度仪测定。

2.3 土壤水分特征曲线的测定

土壤水吸力是随土壤含水量而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线是土壤主要的水力学性质之一，反映了土壤颗粒的表面吸附力和土壤孔隙的毛管力对土壤水的作用，表示在土壤水非饱和状态下土壤水的能态与数量之间的关系，是研究土壤水分保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线［16］。

将野外取得的0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 层的环刀原状土(100 cm3)称量后分别浸泡于水位略低于土样表面的蒸馏水中，经24 h 饱和后，使用日本生产的Kokusan H-1400pF 土壤水分特征曲线测定仪测定土壤水分特征曲线，测定时将环刀放入H-1400pF 转子中，分别测定在1、10、30、80、100、300、600、800 和1 000 kPa 压力下环刀内土壤含水量，测定时温度恒定为20 ℃。

土壤水分特征曲线是土壤水动力学特性的一个重要指标，实测的水分特征曲线反映了土壤含水量和土壤水吸力之间存在着函数关系。目前，常采用Gardner 等在1970 提出的土壤水分特征曲线数学经验方程［16］进行拟合，其方程为

式中:θ 为土壤含水量，%;S 为土壤吸力，kPa;A 和B 均为参数。

参数A 表示曲线的高低程度，即土壤持水能力的大小，A 值越大，土壤持水能力就越强;B 表示曲线的走向，即土壤含水量随土壤水吸力降低而递减的快慢。参数A 和B 的大小主要受土壤质地(主要是小于0.01 mm 物理性黏粒量)、有机质和结构的影响［16］。

2.4 统计方法

利用Excel 拟合土壤水分特征曲线，利用SPSS17.0 进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 不同造林树种土壤水分特征曲线与持水性能

测定的不同水吸力下土壤含水量结果见表2，土壤水分特征曲线见图1。

由表2 可知:各树种与对照地土壤含水量随着土壤水吸力的增大而减小;在同一吸力范围内，各地块不同层次的土壤含水量也不同，其中杨树林土壤含水量最高，白蜡林、冬枣林次之，荒地最低;同一地块不同层次间的土壤含水量则表现为0 ～20 cm ＞20 ～40 cm ＞40 ～60 cm。

表2 不同吸力段的土壤含水量Tab.2 Soil moisture at different water suctions %

图1 不同造林树种不同土层土壤水分特征曲线图Fig.1 Water characteristic curves at different soil layers with afforestation tree species

由图1 可知:在低吸力范围(1 ～10 kPa)，土壤均能释放较多的水分，图1(a)～图1(c)土壤水分特征曲线均比较陡直，这是因为低吸力段毛管孔隙大，对土壤施加微小的吸力，大孔隙水分就会被释放能有效地被植物根系所吸收的水分，所以曲线均比较陡直;在低吸力范围(1 ～10 kPa)，各地块释放的水分表现为杨树林(17.58%)＞白蜡林(15.81%)＞冬枣林(11.95%)＞荒地(11.77%)，而且低吸力下释放的水分可以直接为植物所利用，成为植物生长的有效水。由图1(a)可知，低吸力下杨树林、白蜡林、冬枣林的土壤平均含水量分别为25.77%、26.63%、25.13%，均 高 于 荒 地 的 平 均 含 水 量(18.29%)，其中3 种林地间无差异，均与荒地差异显著。由图1(b)和图1(c)可知，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 层的土壤含水量均低于表层(图1(a))，且随着土壤吸力的增加，不同造林地之间的土壤含水量差异逐渐减小，土壤释放水分能力减弱。

在中吸力范围(300 ～1 000 kPa)，由于土壤得到了更大程度的压实，孔隙度减少，特别是大孔隙大为减少，中等孔隙则相对增加，这时，随吸力的提高，曲线则变得比较平缓。由于保持在中等孔隙中的水分主要依土壤颗粒的表面吸附起作用才能缓慢排出，土壤中水分很难被植物根系吸收，各层土壤含水量的变化趋势基本相似，杨树林、白蜡林、冬枣林、荒地的土壤平均含水量分别为12.70%、10.49%、10.04%和7.49%，而在此阶段，土壤向外释放的水分由大到小为杨树林(5.45%)＞白蜡林(5.07%)＞冬枣林(3.95%)＞荒地(2.47%)，杨树林与白蜡林间差异不显著，二者均与冬枣林、荒地间差异显著。从水分有效性大小来看，杨树林与白蜡林地较冬枣林地与荒地可提供更多的有效水分;因此，不同造林树种对土壤含水量及不同吸力下的释水能力影响各异，其中杨树林影响最大，荒地最小。

测定的土壤含水量与土壤水吸力拟合的参数及数学模型见表3。可知，采用Gardner 等人提出的经验方程对盐碱地不同造林模式土壤水分特征曲线进行拟合，具有较良好的拟合性，相关系数R2较高。表中参数A 随着造林地的不同而呈现规律的变化，杨树林、白蜡林、冬枣林和荒地土壤表层(0 ～20 cm)的A 值分别为0.197、0.191、0.143 和0.128，即持水能力的大小表现为杨树林＞白蜡林＞冬枣林＞荒地，各造林地的A 值均大于荒地，这说明了造林后土壤的持水性和土壤水的有效性均较荒地高。随着土壤深度的加深，A 值呈减小趋势，说明土壤表层持水能力较中、下层强。这与尹勤瑞等［17］研究的结果相一致。

表3 土壤水分特征曲线的数学模型及相关系数Tab.3 Soil moisture characteristic curve mathematical model and relevant coefficient

3.2 不同造林树种对土壤持水性能参数的影响

不同造林树种土壤水分物理性质见表4。可知，不同造林地土壤田间持水量较低，土壤水分库容较小。土壤田间持水量、有效水含量较低，0 ～60 cm土层内土壤田间持水量为86.60 ～98.10 mm，有效水分含量为43.90 ～65.48 mm。不同造林地土壤田间持水量和有效水分含量均表现为杨树林＞冬枣林＞白蜡林＞荒地，表明杨树林地的持水性最好，有效水供给最多，在水分充足的条件下，更有利于生长。同一林地土壤下层水分优于表层，在同一种造林地上，20 ～40 cm、40 ～60 cm 土壤密度、土壤田间持水量均大于0 ～20 cm，而孔隙度小于0 ～20 cm，说明表层土壤更容易受到影响。这与赵世伟等［13］、武永智［18］的研究结果相一致。

土壤密度是反映土壤紧密程度的一个重要指标，直接影响着土壤的孔隙状况［19-21］。由表4 可知，同一造林地的土壤密度随着土层深度的增加而变大，不同造林地土壤密度表现为荒地明显大于造林地，且各造林地0 ～20 cm 土层的土壤密度表现为荒地＞冬枣林＞白蜡林＞杨树林，在20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层中，土壤密度表现为荒地＞白蜡林＞杨树林＞冬枣林。在整个剖面层中，荒地、白蜡林、杨树林、冬枣林的土壤密度均值分别为1.57、1.41、1.37 和1.28 g/cm3，说明造林后盐碱地的土壤密度有了不同程度降低，土壤得到了明显的改善。

总孔隙度是土壤物理的重要特征之一，与土壤水分、导热性及作物养分等均有关系。整体来看，总孔隙度随着土层深度的增加而降低，在不同土层中，4 种试验地的土壤总孔隙度表现为杨树林＞白蜡林＞冬枣林＞荒地。杨树林与白蜡林表层总孔隙度高可能与其地表不进行人为除草和枯落物清理有关，使得表层枯落物积累，增加了土壤团粒结构的形成，孔隙度增大;而冬枣林与荒地可能与地表缺乏草被覆盖，枯落物缺乏有关。在整个剖面层中，冬枣林、白蜡林、杨树林的总孔隙度分别为42.57%、43.45%、43.61%，均大于荒地36.27%。说明造林改善了土壤的结构，使得盐碱地的总孔隙度有了明显的提高，总孔隙度提高则可以蓄持更多的土壤水分。

表4 不同造林树种土壤水分物理性质Tab.4 Soil moisture physical properties of different afforestation tree species

毛管孔隙度随着土层深度的增加而降低，0 ～20 cm 土层冬枣林地土壤毛管孔隙度小于荒地，而其他林地均大于荒地，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层的毛管孔隙度的变化则各不相同。整体上，荒地、冬枣林、白蜡林、杨树林的土壤毛管孔隙度分别为34.99%、30.13%、39.21%、39.30%，除冬枣林地低于荒地外，其他造林地远远大于荒地。而土壤毛管孔隙度表层土壤受造林影响最大，同时其人为干扰因素较大。不同造林地非毛管孔隙度在各层次上均呈现林地大于荒地的趋势，且表现为冬枣林＞杨树林＞白蜡林＞荒地，这表明人工造林均使土壤非毛管孔隙度有所提高。在低吸力下土壤水分主要受毛管力作用，而非毛管孔隙的孔隙直径大于0.1 mm，为大、中孔隙。在低吸力下水分可以通过大孔隙被释放排出，因而相同的吸力条件下，荒地释放的水分较其他林地为少。

3.3 不同造林模式林地持水性能参数的相关性

采用SPSS17.0 对不同造林模式土壤各持水性能参数进行相关性分析，结果见表5。可知，土壤密度与总孔隙度、非毛管孔隙度呈极显著负相关，说明土壤密度越小，孔隙度越大，非毛管孔隙也越多。毛管孔隙度与凋萎含水量呈极显著负相关，根据前人对土壤水势的研究，土壤凋萎含水量相当于吸力为1 500 kPa 时所对应的含水量;当吸力增大时，土壤被压实，保持在土壤中的毛管孔隙度水分被排出，因此，毛管孔隙度大的土壤，在1 500 kPa 吸力作用下排出的土壤水分多，保持在土壤中的水分就少，凋萎含水量就小，二者呈现极显著的负相关。凋萎含水量与30 和300 kPa 吸力下的土壤含水量呈显著负相关，即在低、中2 种吸力下土壤含水量越大，在1 500 kPa 高吸力的条件下越易被排出，凋萎含水量越小，土壤有效性就越高，植物从土壤中吸收水分越容易。30 与300 kPa 吸力下的土壤含水量呈极显著正相关，二者共同反映了土壤质地对土壤水分的吸持能力，其值越大，在同一吸力下其含水量就越高，水分越不易丢失。

4 结论与讨论

1)人工造林可改善土壤结构，降低土壤密度和含盐量，增大土壤孔隙，提高土壤持水性能。

2)造林地与荒地的土壤含水量与土壤吸力间的关系符合θ=AS-B，且相关系数达极显著。

表5 不同造林模式林地持水性能参数的相关性分析Tab.5 Correlation analysis of water-holding performance parameters of different afforestation tree species

3)不同造林地土壤田间持水量和有效水分含量表现为杨树林＞冬枣林＞白蜡林＞荒地，同一林地土壤下层田间持水量与有效水含量优于表层。在研究区下洼镇枣旺株场进行植物种植时，可优先选择杨树、冬枣种植。

4)毛管孔隙度、30 和300 kPa 吸力下的含水量与凋萎含水量呈极显著负相关，凋萎含水量与不同吸力下的含水量揭示了盐碱地土壤的持水性能与脱水性能，是土壤水分有效性的直接反映。

不同土壤类型的水分特征曲线的主要影响因子是质地、结构和密度［22-23］。在低吸力段土壤所能保持或释放出的水量取决于土壤结构较粗的孔隙分布，主要是毛管力起作用;在中高吸力段主要决定于土壤质地，主要是土壤颗粒的表面吸附起作用［24］。各地块在低吸力阶段水分都较易排出，虽然荒地的非毛管孔隙最大，但其排出释放的水分并不是各地块中最大的，显然，除了毛管力的作用外，土壤溶质(盐分)的存在可能是造成释水量不同的原因。荒地与3 种造林地的最大差异是其盐分含量是前三者的5.20 ～22.6 倍，盐分浓度高可能其吸持水分的能力就强，因而释放的水分相应减弱。在中吸力阶段，土壤水分的吸持主要由土壤颗粒的表面吸附起作用，而试验地土壤质地均为粉质壤土，且荒地的黏粒含量在4 种土壤中最低，因而除密度与孔隙度外，荒地对土壤水分的吸持可能受土壤中盐分含量高的影响;同样，在中吸力阶段，各地块40 ～60 cm 释放水分能力低于20 ～40 cm 和0 ～20 cm，也可能与其盐分含量较上2 层的含盐量高有关。这说明造林降低了土壤盐分含量，使得土壤水分更易释放并被植物所吸收，而盐分含量高的荒地则因盐分离子的作用使得土壤释放水分能力降低，土壤水分有效性变得各不相同。实际上，造林不仅减小了土层中的含盐量，还使得土壤结构得以改善，孔隙度增大，密度减小，这些因素均使造林地的持水性和有效水含量增大，土壤水分特征曲线异于荒地。关于含盐量大小对土壤水分特征曲线及有效水分的影响，笔者正在进行室内不同浓度盐水模拟灌溉下土壤水分特征曲线的测试。