沂蒙山区不同水土保持措施下土壤物理性状分析

陈新军，阮 芬，廉士增，许士欣

(1.临沂市水利局，山东 临沂 276001； 2.滨州市滨城区水利局，山东 滨州 256600； 3.平邑县水土保持局，山东 平邑 273300)

土壤的水文特征决定了土壤的蓄水、持水能力，土壤水文功能的强弱主要取决于土壤层的厚度、土壤容重、孔隙度等物理性状[1]。土壤层是大气降水的主要蓄存库和调节器。由于母岩、气候、地形和植被不同，所以土壤物理性质在空间和时间上存在明显的异质性；在较小的尺度上，主要受植被、微地形以及人为干扰的影响[2-3]。以往关于不同林地土壤物理性质的研究报道较多[4-5]，但以小流域为单元研究不同水土保持措施对土壤物理性质影响的还不多见。沂蒙山区九间棚小流域自20世纪90年代就开展了以小流域为单元的水土流失治理，流域内各项水土保持措施在削减地表径流、保持土壤肥力等方面发挥了巨大作用，因此九间棚小流域水土流失治理在沂蒙山区有很强的代表性。本研究分析了小流域内坡改梯、水土保持林、经济林等治理措施对土壤物理性状和土壤水文特征的影响，以期为沂蒙山区小流域治理措施布局与效益评价提供理论支持。

1 基本情况

九间棚小流域位于山东省平邑县东南部，地理坐标为117°44′30″—117°45′00″E、35°18′24″—35°19′05″N，总面积22.1 km2，地势西北高东南低，多低山丘陵，海拔245—390 m。地质岩性主要有花岗岩和石灰岩，土壤类型以棕壤为主，土质疏松，固结性差，有机质含量低，持水能力差，极易产生水土流失。年平均降水量为803 mm，其中汛期(7—9月)占70%；年平均气温17.4 ℃，年平均日照时数2 589.4 h，无霜期212 d。流域内植被主要有侧柏、黑松、刺槐、核桃、山楂、苹果等，此外还有多种灌木树种。1999年，九间棚小流域作为中央预算内投资水土保持项目开展了水土流失综合治理，目前保存的水土保持措施有石坎水平梯田122 hm2、经济林(核桃)45 hm2、水保林(黑松)108 hm2、封禁(草被)118 hm2，25°以上陡坡耕地全部进行退耕还林。截至调查取样之时(2013年5月)，各项措施已发挥效益13年。本研究从上述措施中选取了同一坡面、坡向和坡位的水平梯田、经济林(核桃)、水保林(黑松)、封禁(草被)4项水土保持措施进行比较分析。

2 研究方法

采用野外采样与室内分析相结合的方法，从土壤容重、孔隙(包括总孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙)状况、持水能力(毛管最大持水量)几个方面，对水平梯田、经济林、水保林、封禁4种水土保持措施的土壤物理性状进行比较分析。土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管最大持水量等用传统的环刀铝盒法，测定0—30 cm深度土壤。每种措施样地选择3个取样点，每个样点分0—10、10—20、20—30 cm共3个层次，每个层次重复3次。

3 结果与分析

3.1 不同水土保持措施下的土壤容重

土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，土壤容重越小，土壤结构、透气透水性能越好，土壤越疏松，越有利于拦渗地表径流，减缓地表径流冲刷，保持土壤肥力。从表1中看出，不同水土保持措施下的土壤容重有较大差异，平均土壤容重封禁状态下草坡>水平梯田>经济林>水土保持林。以黑松为建群种的水土保持林，成林郁闭后受到人为干扰少，多年的枯落物腐烂后增加了土壤中的腐殖质，有机质含量高，土壤团聚性较好，为土壤动物提供了生存条件，发达的植物根系进一步促进了林下土壤结构改良，因而土壤易形成松软多孔体，比人为干扰较多的经济林地土壤容重小。综合比较，水土保持林对土壤的改良作用最为明显。封禁状态下的草坡由于土壤发育时间短，植物对土壤的改良有限，因此土壤容重最大。

表1 不同水土保持措施土壤物理性质指标

从容重的垂直变化上来看(图1)，两种林地(包括水土保持林和经济林)土壤容重有着相同的变化规律，即土壤容重随着土壤层深度的增加而逐渐增大，且变化趋势明显。经济林地内，土壤容重由0—10 cm深度的1.07 g/cm3增加到20—30 cm深度的1.26 g/cm3；水土保持林地内，土壤容重由0—10 cm深度的1.03 g/cm3增加到20—30 cm深度的1.26 g/cm3。这与林地表层枯落物分解腐烂后增加了腐殖质的含量, 有利于表层土壤团粒结构的形成有关。水平梯田土壤容重的垂直变化没有出现以上规律，土壤容重最大值出现在10—20 cm深度(1.32 g/cm3)。这表明，坡改梯作为一种重要的水土保持措施虽然保持了土壤，但由于多年耕种扰动和使用化肥，导致土壤板结，土壤容重垂直变化不规律，且容重较大。

图1 不同水土保持措施土壤容重垂直变化

3.2 不同水土保持措施下的土壤持水能力

毛管水是借助毛管力保持在土壤上层的水分，易被植物吸收和利用，而养分在土壤中的迁移和转化与毛管水密切相关，因此毛管水也被视为植物生长的有效水分。当土壤中的水分含量高于毛管最大持水量时，土壤中开始出现重力水，则水分就要在重力的作用下流失，因而这部分水分对植物基本上是无效的。土壤毛管中的水分不因重力作用而流失，毛管中水分的多少取决于毛管孔隙度，因此土壤的持水能力与毛管孔隙度大小呈正相关。4种水土保持措施比较，土壤毛管孔隙度水土保持林(39.3%)>经济林(35.5%)>封禁状态下草坡(32.2%)>水平梯田(30.8%)，表明水土保持林土壤持水能力最强，土壤抵御自然干旱的能力增强，水平梯田土壤持水能力最弱。

在垂直变化上，随着土层深度增加，毛管孔隙度呈减小趋势(图2)。不同土层深度，水土保持林下土壤0—20 cm毛管孔隙度最大(43%)，土壤持水能力最强，这与水土保持林枯枝落叶有效改良了表层土壤结构有关；封禁状态下的草坡虽然土层薄，但在0—10 cm土壤孔隙度达到35.9%，表明草本植物根系活动层土壤改良状况较好，提高了土壤的持水能力。

图2 不同水土保持措施土壤持水能力垂直变化

3.3 不同水土保持措施下的土壤蓄水能力

土壤的蓄水能力与土壤孔隙的大小、数量及分配有很大关系。有关研究证明，土壤的渗透性能取决于非毛管孔隙度，因此有不少研究人员认为土壤蓄水能力取决于土壤非毛管孔隙度，以它作为计量土壤蓄水量的基准较为合适[2]。在土壤饱和含水量中，只有非毛管孔隙中滞留贮存的重力水在调蓄水分方面具有更重要的作用，这说明土壤非毛管孔隙度的大小决定着土壤的蓄水能力。不同水土保持措施下，土壤非毛管孔隙度水土保持林(17.0%)>经济林(16.3%)>水平梯田(16.0%)>封禁状态下草坡(15.3%)，说明发育良好的水土保持林对林下土壤改良效果最好，土壤蓄水能力最强。在垂直变化上(图3)，随着土层深度的增加，经济林、水平梯田两种措施下土壤非毛管孔隙度整体上有逐渐减小的趋势。这可能是由于靠近地表的土层人为生产干扰频繁，疏松了土壤，增加了土层的非毛管孔隙，也提高了相应土层的蓄水能力。水土保持林非毛管孔隙度最大值出现在20—30 cm土层深度，这与水保林木根系活动有关；封禁状态的草坡由于土层薄，在20—30 cm深度存在大量未风化完全的砾石，因而大孔隙增多，蓄水能力增加。

图3 不同土层深度非毛管孔隙度变化

3.4 不同水土保持措施下的土壤拦蓄地表径流能力

土壤中的毛管孔隙与非毛管孔隙决定了土壤持水与蓄水的能力。土壤的蓄水能力与土壤的持水能力构成土壤拦蓄地表径流的能力，这是反映水土保持措施功能的一项重要指标，土壤总孔隙度状况决定了土壤拦蓄地表径流的能力。由图4可知，除封禁状态下草坡由于底层石砾较多出现反常外，其他各项水土保持措施下的土壤，随着土层深度的增加土壤总孔隙度逐渐减小。不同水土保持措施下，土壤总孔隙度水土保持林(56.3%)>经济林(51.8%)>封禁状态下草坡(47.5%)>水平梯田(46.8%)，说明水土保持林对林下土壤改良效果最好，土壤拦蓄地表径流的能力最强。综合比较，林地拦蓄地表径流能力要强于梯田和草地，水土保持效果最好。

图4 不同土层深度总孔隙度变化

4 结 语

综合以上分析，4种水土保持措施下均为0—10 cm深度土壤容重最小。在垂直变化上，不同水土保持措施下毛管孔隙度随着土层深度的增加而减小，而非毛管孔隙度没有随着土层深度呈现规律性变化。4种水土保持措施下，土壤容重封禁状态下草坡>水平梯田>经济林>水土保持林，土壤的持水能力和拦蓄地表径流的能力均为水土保持林>经济林>封禁状态下草坡>水平梯田，土壤的蓄水能力水土保持林>经济林>水平梯田>封禁状态下草坡，表明水土保持林改良土壤效果最好，林下土壤持水、蓄水能力最强。

总的来说，水土保持林下的枯落物增加了土壤团聚体含量，改良了土壤，使毛管孔隙增加，土壤持水能力增强，乔木根系又增加了土壤非毛管孔隙，使土壤蓄水能力增加，因此水土保持林的水土保持功能最好。

[参考文献]

[1] 马雪华.森林水文学[M].北京:中国林业出版社,1993.

[2] 华孟,王坚.土壤物理学[M].北京:北京农业大学出版社,1993.

[3] 王金平.土壤物理学的研究动态及展望[J].土壤,1985(6):281-289.

[4] 张社奇,王国栋.黄土高原刺槐林地土壤水分物理性质研究[J].西北林学院学报,2004,19(3):11-14.

[5] 孙艳红,张洪江,程金花,等.缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报2006,20(2):106-109.