不同造林技术对水土保持林3种林型土壤蓄水效益的影响1)——以鲁中砂石山区为例

吴林川 孙婴婴 郭航

(国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室(陕西省土地工程建设集团有限责任公司)，西安,710075)



不同造林技术对水土保持林3种林型土壤蓄水效益的影响1)
——以鲁中砂石山区为例

吴林川 孙婴婴 郭航

(国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室(陕西省土地工程建设集团有限责任公司)，西安,710075)

采用野外调查、土壤样品采集和室内测定相结合的方法，探讨了不同整地深度、保水剂剂量、株行距等造林技术对鲁中砂石山区黑松林、板栗林、刺槐林3种水土保持林型土壤蓄水效益的影响，旨在为筛选鲁中砂石山区蓄水效益良好的造林技术提供基础数据。结果表明：造林整地可以显著地提高蓄水效益。整地深度为50 cm的刺槐林最大持水量为2 142 t·hm-2，分别比整地深度40、30 cm的刺槐林蓄水效益提高29、117 t·hm-2；保水剂对蓄水效益也有明显提高，造林时，施用30 g保水剂的刺槐林有效持水量为2 184 t·hm-2，分别比施用20、10 g保水剂提高30、45 t·hm-2；土壤蓄水量与株行距呈显著正相关，与整地深度呈极显著正相关。

蓄水效益；造林技术；水土保持林；砂石山地

森林土壤是森林生态系统与外界进行物质、能量和信息交换的媒介[1]。森林土壤蓄水量[2]包括土壤非毛管蓄水量和毛管蓄水量。学者针对不同林分类型研究得出，阔叶林较针叶林具有更高的蓄水效益，由于阔叶林枯落物较多，分解较快，从而增大了土壤非毛管孔隙度，提高了土壤的渗透率[3]。不同混交类型的森林土壤蓄水功能差异显著[4-5]，例如，刺槐紫穗槐和黄栌紫穗槐混交林的土壤蓄水效益较好[6]。学者对不同林龄的油松林蓄水能力研究发现[7]，成熟林的蓄水效益显著高于近熟林和中龄林，由于不同林龄下灌草多样性[8]、根系分布特征[9]、土壤生物量[10]、土壤酶活性[11]之间的差异造成。对秦岭不同用地类型土壤蓄水效益研究得出，松栎混交林的土壤蓄水性能比荒草地和农用地更高[12]。针对不同地貌类型森林土壤蓄水量得出，通过工程措施减小坡度后土壤蓄水效益显著增加[13]。对滇中高原森林土壤蓄水量研究得出，不同森林类型的土层最大容水量为112～562 mm[14]，六盘山地区森林土壤蓄水量为313～604 mm[15]；江淮低丘林地[16]的最大持水量为174～248 mm。另有研究发现[17]，黄土高原经过沙棘林改良后50 cm深度的土壤最大蓄水量可达12 mm。

前人针对不同林分种类、不同混交模型和不同地貌类型森林土壤蓄土效益的研究较多[18-21]，但关于种植前的不同造林措施对土壤蓄水效益的影响鲜见报道[22]。为此，本研究针对鲁中砂石山区不同造林技术对水土保持林3种林型土壤的改蓄水效益进行研究，分析土壤蓄水效益，旨在为筛选鲁中砂石山区蓄水效益良好的造林技术提供参考。

1 研究区概况

该试验区位于鲁中地区通天河小流域(36°27′15″N，117°31′15″E)，小流域涉及19个行政村，总面积86 km2，海拔高度230～400 m，属于砂石山低山丘陵区。小流域内土壤属棕壤，土质疏松，土体中粗砂成分较多，保水能力较差，并且坡度较大、土层较薄，遇暴雨时径流快，土壤蓄水效益差。山坡上部土层厚度小于20 cm，多砾石，冲刷严重；山坡中部土层厚度约30 cm，熟化度较高；山坡下部土层厚度约50 cm，土壤肥沃。该流域属温带亚湿润大陆性季风气候，年平均气温13.15 ℃，年平均最低气温-20 ℃，年平均最高气温36.2 ℃，大于10 ℃有效积温2 306 ℃，年平均日照时间2 654 h，无霜期189 d，年平均降水量667.5 mm，其中春、夏、秋、冬季平均降水量分别为33.0、460.0、140.5、34.0 mm。

小流域内自然生长的草本植物有中华结缕草(Zoysiasinica)、金毛草(Rumexchalepensis)等；灌木有荆条(Vitexnegundo)、酸枣(Ziziphusjujube)、胡枝子(Lespedezabicolor)、连翘(Forsythiasuspensa)等；防护林树种有油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、麻栎(Quercusacutissima)等；经济林树种有板栗(Castaneamollissima)、核桃(Juglansregia)、苹果(Maluspumila)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)等。

2 研究方法

试验地的选择：样地位于通天河小流域的中上部山坡，坡度约为20°，坡向为西南坡(半阴坡)，土层厚度约为50 cm。3种水土保持林于2003年3月份分别采用苗龄为1、2、3年的幼苗造林。2013年4月份，在3种林分内布设20 m×20 m标准样地，每个样地设置3个重复，林分的基本特征见表1。

表1 林分基本特征

试验设计：2013年4月份，分别选择黑松林、板栗林和刺槐林为研究对象。试验因素有株行距、苗龄、整地深度、保水剂。每种试验因素3个处理。林分株行距有2 m×2 m、2 m×3 m、2 m×4 m；林分苗龄有1年生、2年生、3年生；林分整地深度分别为30、40、50 cm；土壤保水剂(JFL，玉米淀粉丙烯酸类接枝共聚物，北京金福莱吸水材料有限公司)的施用量分别为10、20、30 g。每种处理取3个重复。

土壤样品采集：在样地内随机选取3个样点，采集每个样点的0～50 cm土壤进行混合，用保鲜袋封口带回实验室用于土壤有机质的测定；每个样点采集三个环刀和铝盒样品用于土壤密度、含水率和孔隙度的测定。

土壤理化性质测定：土壤密度采用环刀铝盒法测定；土壤孔隙度采用浸水法测定；土壤有机质质量分数采用重铬酸钾外加热法测定。

数据处理：数据分析处理及图表制作采用Microsoft Office Excel 2013软件，不同造林技术的土壤持水量差异及相关分析采用IBM SPSS Statistics 20软件。

3 结果与分析

3.1 不同造林技术对土壤密度的影响

不同造林技术下的土壤密度见表2。株行距2 m×2 m与2 m×4 m之间土壤密度存在显著差异(P<0.05)；3年生苗龄土壤密度显著低于1年生的；与不施用保水剂相比，施用保水剂土壤密度总体呈现降低的趋势，原因在于保水剂可以切断土壤与大气界面的水分通道，从而抑制土壤水分蒸发，为土壤中有机物的分解提供适宜的水分环境，进而改善土壤团粒结构。因此，不同造林技术对土壤密度具有一定的改良作用。在整地的造林技术下，整地深度为50 cm的土壤密度显著低于40、30 cm的，以板栗林为例，整地深度为50 cm的土壤密度比整地深度为30 cm的减小了10.4%，说明造林整地技术可以明显降低土壤密度。

不同林分类型比较得出，除了株行距2 m×4 m和保水剂30 g的处理，板栗林和刺槐林总体比黑松林土壤密度低，因为板栗林和刺槐林为冬季落叶的阔叶林，可为土壤提供较多的枯落物，枯落物分解有助于改良土壤物理结构，从而降低土壤密度。

表2 不同造林技术土壤密度

注：表中数据为平均值±标准差；对照组的株行距为2 m×3 m，苗龄为2年生，无保水剂，整地深度为40 cm；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 不同造林技术的土壤孔隙度

土壤孔隙是指土体中被水分和空气占据的部分。林地土壤孔隙与林分组成、林分年龄、经营状况等密切相关。林木在生长过程中可以通过根系、枯落物等在一定程度上改良土壤的理化性质，土壤孔隙度是反映森林改良土壤的重要指标之一。在其他条件相同的情况下，土壤孔隙状况较好的林地，具有较高的持水和透水能力。通过表3中黑松林不同造林技术下土壤孔隙度的变化得出，随着株行距的减少，土壤总孔隙度逐渐增加，毛管孔隙度先减小再增加，且株行距2 m×2 m的黑松林土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著高于其他两种株行距的。不同苗龄对土壤孔隙度的影响差异显著，3年生苗显著高于2年生和1年生苗的；施不同保水剂施用量的土壤毛管孔隙度由大到小表现为保水剂30 g、保水剂20 g、保水剂10 g、对照(无保水剂)，且施用30 g的土壤总孔隙度和毛管孔隙度与对照组存在显著差异；随着整地深度的增加，土壤总孔隙度显著提高。

表3 黑松林、板栗林、刺槐林不同造林技术的土壤孔隙度

注：表中数据为平均值±标准差；对照组的株行距为2 m×3 m，苗龄为2年生，无保水剂，整地深度为40 cm；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由表3可以看出，板栗林不同株行距造林技术的土壤孔隙度存在显著差异，其中株行距2 m×2 m的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均显著高于2 m×4 m的。随着苗龄的增加，土壤毛管孔隙度逐渐增加，非毛管孔隙度逐渐降低；保水剂可以显著提高板栗林土壤总孔隙度和毛管孔隙度；整地深度为50 cm的板栗林土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著高于其他两种处理的。

由表3数据可以看出，刺槐林不同株行距造林的土壤总孔隙度由大到小表现为2 m×2 m、对照(2 m×3 m)、2 m×4 m，且三者存在显著差异；随着造林苗龄的增加，土壤总孔隙度逐渐增加，且3种苗龄的总孔隙度存在显著差异；不同保水剂的土壤孔隙度由大到小表现为保水剂30 g、保水剂20 g、保水剂10 g、对照(无保水剂)；不同整地深度的土壤总孔隙度和毛管孔隙度由大到小表现为整地深度50 cm、对照(整地深度40 cm)、整地深度30 cm。由表3得出，造林技术对阔叶林和针叶林的土壤孔隙度具有相似的影响效果，在株行距较大的情况下，林木经过多年生长，施用保水剂和增加整地深度都有利于林地土壤孔隙度提高。

3.3 不同造林技术的土壤持水量

不同造林技术下3种林分的土壤持水量见表4。在鲁中砂石山区，不同造林技术表现为经保水剂处理土壤最大持水量均高于对照组的，其中施用保水剂30 g的处理显著高于对照组；造林整地对保水效益的影响较大，除了刺槐林土壤有效持水量外，整地深度为50 cm的土壤有效持水量和最大持水量均显著高于对照组。在一定株行距范围内，随着株行距的减小，刺槐林土壤有效持水量和最大持水量逐渐增加。板栗林和黑松林最大持水量则先增加再减小，这可能由于较小的株行距有助于提高森林土壤持水量，但随着株行距进一步减小，植物耗水量增加，导致森林土壤持水量减小。随着苗龄的增加，黑松林和刺槐林土壤最大持水量逐渐增加，即3年生植株的保水效益要高于2年生和1年生的，原因在于苗龄越高，植物根系越发达，进而对土壤的改良效果越明显。在苗龄方面，刺槐林、板栗林、黑松林3年生苗龄的土壤最大持水量分别比对照组(2年生)提高了191、290、104 t·hm-2。

3.4 不同林分的土壤最大持水量差异比较

森林土壤的蓄水效益，是反映森林生态效益的重要指标之一。土壤蓄水量包括土壤毛管贮水量和土壤饱和贮水量，反映土壤蓄水能力的大小。土壤毛管水是指被土壤毛管空隙所固持的水分，此部分水可以长时间固持在土壤中用于植物根系吸收和土壤蒸发，表现为土壤的保水性；土壤非毛管孔隙由于缺少对水分固持的毛管力，从而可以较快下渗。自然降水有利于涵养水源，因此表现为土壤的蓄水能力。

表4 不同造林技术对不同林分土壤持水量的影响

注：表中数据为平均值±标准差；对照组的株行距为2 m×3 m，苗龄为2年生，无保水剂，整地深度为40 cm；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

表5 相同造林技术下不同林分最大持水量

注：表中数据为平均值±标准差；同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

从表5中可以看出，对鲁中砂石山区不同林分的研究中，在不同造林技术下板栗林的最大持水量较好。当株行距为2 m×4 m、造林施用30 g保水剂和整地深度为50 cm时，板栗林土壤最大持水量显著高于刺槐林和黑松林的；当造林时选用3年生苗时，板栗林和刺槐林的蓄水效益显著高于黑松林，这是由于板栗和刺槐为阔叶树种，当苗龄较大时，生物量、枯落物蓄积量等均较黑松林高，土壤表层枯落物的分解矿化能够提高土壤养分和团聚体含量，进而提高土壤的蓄水能力。因此，提高鲁中砂石山区森林土壤蓄水效益可优选板栗为造林树种。

3.5 土壤蓄水效益及其影响因素的相关分析

土壤蓄水效益及其影响因素的相关分析表明(表6)，土壤蓄水效益与土壤密度呈显著负相关；与土壤有机质质量分数呈显著正相关；与株行距呈显著正相关，与整地深度呈极显著正相关。此外，土壤蓄水效益与保水剂施用量呈显著正相关。

表6 土壤蓄水效益及其影响因素的相关分析

注：*、** 分别表示在0.05、0.01水平(双侧)上显著相关。

3.6 不同造林技术对3种林型土壤蓄水效益影响的综合分析

通过4种造林技术对3种林型土壤蓄水量影响交互作用进行方差分析(表7)。由表7可知，保水剂施用量与整地深度、株行距与保水剂施用量、株行距与征地深度、苗龄与整地深度的交互作用可以显著(P<0.05)提高3种林分土壤蓄水效益，而苗龄与保水剂施用量、株行距与苗龄的交互作用对3种林分土壤蓄水效益没有显著(p>0.05)影响。

4 结束语

随着株行距的减小，刺槐林土壤有效持水量和最大持水量逐渐增加。板栗林和黑松林则先增加再减小；3年生苗龄森林土壤最大持水量显著高于对照组，其中刺槐林、板栗林、黑松林3年生苗龄的土壤最大持水量分别比对照组(2年生)提高了191、290、104 t·hm-2。

表7 不同造林技术交互作用的方差分析

保水剂可以显著地提高土壤蓄水效益，施用30 g保水剂的刺槐林有效持水量为2 184 t·hm-2，分别比施用20、10 g保水剂提高30、45 t·hm-2。

造林整地可以显著地提高土壤蓄水效益，随着整地深度的增加，土壤蓄水效益呈增加趋势，整地深度为50 cm的刺槐林最大持水量为2 142 t·hm-2，分别比整地深度40、30 cm的刺槐林蓄水效益提高29、117 t·hm-2。

土壤蓄水效益与土壤密度呈显著负相关，与土壤有机质质量分数呈显著正相关，与株行距呈显著正相关，与整地深度呈极显著正相关。

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Soil Water Storage Efficiency of Different Afforestation Technology of Three Types in Soil and Water Conservation Forest—A Case Study on Sand Mountain in Central Shandong//

Wu Linchuan, Sun Yingying, Guo Hang(Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, the Ministry of Land and Resources (Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd.)， Xi’an 710075, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(5)：75-79.

By field investigation, soil sample collection and laboratory measurement, we studied the effects of different land preparation depth, water-keep agent and planting spacing on soil water storage benefit ofPinusthunbergii,CastaneamollissimaandRobiniapseudoacaciasoil and water conservation forest in sandy mountainous of Central Shandong for improving the basic data in selecting afforestation techniques with good water storage in the sand mountainous areas of Central Shandong. The land preparation greatly improved the benefit of water conservation. The most effective afforestation technology ofR.pseudoacaciawas the depth of 50 cm land preparation, the water storage capacity of which was 2 142 t·hm-2, followed by that of 40 cm and 30 cm, which were 2 113 and 2 025 t·hm-2, respectively. The water storage was significantly improved by water-keep agent. Before afforestation, the water storage capacity ofR.pseudoacaciawas 2 184 t·hm-2by using 30 g water-keep agent, which was 30 and 45 t·hm-2higher than that by using 20 and 10 g water-keep agent, respectively. There was a significantly positive correlation between soil water storage and planting spacing, and significantly positive correlation with soil depth.

Soil water storage efficiency； Afforestation； Soil and water conservation forest; Sand mountain

吴林川，男， 1989年1月生， 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室(陕西省土地工程建设集团有限责任公司)；陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，硕士研究生。E-mail:wulinchuan@126.com。

2016年12月8日。

S715.3

1)陕西省重点科技创新团队计划项目(2016KCT-23)。

责任编辑：任 俐。