甘肃泾川不同林龄人工刺槐林的土壤水分-物理特性及渗透性研究

景贯阳，邸 利*，王安民，史再军，牟 极，吴贤忠

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2.平凉市水土保持科学研究所，甘肃平凉 744000；3.泾川县官山林场，甘肃泾川 744306）

甘肃泾川不同林龄人工刺槐林的土壤水分-物理特性及渗透性研究

景贯阳1，邸 利1*，王安民2，史再军3，牟 极2，吴贤忠1

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2.平凉市水土保持科学研究所，甘肃平凉 744000；3.泾川县官山林场，甘肃泾川 744306）

【目的】通过对人工刺槐林的土壤水分-物理性质及渗透性进行分析，评估陇东黄土高原泾川县中沟小流域人工刺槐林土壤水文功能，为该地区生态恢复工程建设和流域水土资源管理提供理论参考。【方法】采用环刀法测定不同林龄（20、25、30和35 a）人工刺槐林的土壤水分-物理性质及渗透性。【结果】在0～100 cm土层，不同生长阶段刺槐林土壤容重（g/cm3）均值变化大小依次表现为：25 a（1.330）＞30 a（1.253）＞20 a（1.170）＞35 a（1.161）；35 a 生样地土壤的饱和蓄水量、毛管蓄水量及最小蓄水量均最大，25 a生样地的最小；4种林龄刺槐林土壤初渗速率的变化范围为2.045～4.718 mm/min，35 a生刺槐林土壤初渗速率最大，且不同林龄间的变化规律与土壤非毛管孔隙度的变化规律基本一致。【结论】35 a生刺槐林的土壤持水能力与渗透性较好，20 a和30 a生次之，25 a生最差。

林龄；孔隙度；持水性；渗透性；刺槐林；陇东黄土高原

长期以来，由于陇东黄土高原地区受自然环境变化和人类活动影响，致使水土流失严重、水资源紧缺、生态脆弱等一系列环境问题突出。作为国家生态建设工程实施的重要区域，陇东黄土高原把防护林的营造作为重点工程建设。刺槐（Robinia pseudoacacia）作为主要人工林树种，对遏制水土流失、改善生态环境产生了积极作用[1]。但由于黄土高原地区降水较少且时空分布不均，盲目提高覆盖率或过密造林可能会导致土壤干化、径流减少，不利于人工林的健康生长和长期稳定发展。进入20世纪90年代，黄土高原的人工刺槐林群落分异显著，刺槐林群落发展随土壤水分亏缺程度的不同而变化趋势明显[2]。这些现象与人工植被过度消耗土壤水分，引起土壤水分亏缺，致使林地土壤干化状况严重有关[3-5]。陇东黄土高原人工造林已有40多年[6]，但是由于造林树种单一，且人为盲目提高植被覆盖率，造成一些地块树种选择和配置不合理，进而产生了一系列的生态环境问题，如土壤干化、人工林衰退、小老树林等[7]。

土壤作为森林的主要载体，对林地水分的调节起着重要作用。既可以贮存水分涵养水源，也可以减少地表径流削减洪峰，土壤结构、持水特性以及渗滤率对土壤的水文功能有直接影响[8]。刘江华[9]在黄土高原研究表明，土壤物理性质不同与林分结构变化密切相关。土壤的水文功能还表现在土壤的持水性及渗透性上，包括自然含水量、毛管持水量、饱和持水量以及渗滤率等。本文基于各项土壤物理特性的调查，应用环刀法对陇东黄土高原区泾川县中沟小流域内4个不同林龄刺槐林地的土壤水分-物理性质及渗透性进行了差异比较和定量分析，为指导当地的森林植被建设和水资源综合管理提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陇东黄土高原的泾川县，属典型的黄土丘陵沟壑区，局部地区有一些破碎塬。地形地貌主要为四大类型：塬面、梁坡、沟台和沟谷；海拔1 005～1 351 m，属典型的大陆性气候，土壤为黑垆土、黄绵土、褐土，母质为原生黄土和次生黄土，现有林地面积5 420 km2，森林覆盖率达37.13%，官山林场栽植以刺槐为主的人工林达13.27 km2。本研究位于官山林场中沟小流域（107°30′～107°31′E，35°19′～35°20′N）内，面积 2.09 km2，海拔 1 072～1 351 m，年日照时数2 315.4 h，无霜期174 d，年平均气温10℃，降雨量年度变化较大且年内分布不均匀，年平均降雨555 mm，主要集中于7-9月份，年蒸发量1 181.6 mm，相对湿度69%，干燥度0.95～1.28[10]。

该区域地处森林草原过渡带，农垦历史较长，植被破坏严重、覆盖较低。20世纪70年代中后期开始大面积退耕还林，现有植被均是近40年来人工营造，乔木树种主要是刺槐，刺槐林面积占整个林分面积的92%；其次有杨树（Populus tremula）、旱柳（Saliz matsudana）、泡桐（Paulownia fortunei）、侧柏（Biota orientalis）和华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）等。林下草本植物主要为铁杆蒿（Artemisia gmelinii）、沙棘（Hippophae rhamnoides linn）、短花针茅（Stipa breviflora）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、狗尾草（Setaria faberii）、多花胡枝子（Lespedeza fioribunda）等[11]。

1.2 材料和方法

1.2.1 样地设置

根据研究区人工刺槐林龄级划分及分布格局，在泾川县官山林场分别选取20，25，30和35 a共4个林龄的人工刺槐林，样地面积为20 m×20 m，对样地内的密度、树高、胸径和郁闭度等林分结构进行调查，样地概况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 The general characteristics of sample plots

1.2.2 土壤物理性质及持水量测定

2016年8月，在每块样地未被扰动地随机挖土壤剖面2个，用容积为100 cm3的环刀分6个层次采集土样：0～10，10～20，20～40，40～80 和 80～100 cm，每个剖面每层重复取样3次，每个人工刺槐林样地共计采集样品36个，共计采土样144个。把土样带回实验室采用环刀法测定土壤容重[12]22、孔隙度[12]23、持水特性[12]23和渗透性[12]32等。

1.2.3 数据统计方法

通过Excel 2010进行图表生成，数据统计分析采用SPSS17.0软件进行不同生长林龄的4种刺槐人工林0～100 cm的土壤物理性状及持水能力的差异，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较进行差异显著性检验，显著水平设为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤容重

土壤容重作为表征土壤质量的重要指标，其大小反映了植被对土壤结构、土壤通气性能以及持水能力等的改善程度，其值愈小，土壤通透性愈好[13]。实验表明（表2），各样地土壤容重垂直变化明显，表现为随土层加深逐渐增大。这与表层土壤因枯落物分解腐殖质增加，致使根系和土壤生物活动增多有关。不同林龄的人工刺槐林在0～100 cm土层内土壤平均容重（g/cm3）由高到低依次为：25 a（1.330）＞30 a（1.253）＞20 a（1.170）＞35 a（1.161）。结果表明，人工刺槐林进入成熟期后容重逐渐增大（25 a生人工刺槐林容重最大），而后随着林龄的增大土壤平均容重又逐渐减小。

表2 样地土壤剖面特性Table 2 The description of soil profile in the standard plots

土壤容重在不同土层之间变化表现明显：0～40 cm表层土壤容重变化较大，不同林龄之间土壤容重差异显著（P＜0.05），总体表现为 25 a＞30 a＞35 a＞20 a；在40 cm以下的各土层中，25 a生样地土壤容重最大，35 a生最小，且与其他样地土壤容重差异显著。由此可见，随着林龄的增加，植被对深层土壤质量的改善逐渐明显。

2.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度对植物生长有着重要作用，其大小对土壤水分有直接影响，孔隙度高的土壤通气性较好，对植物根系生长有利。同时孔隙度越大，土壤的渗透性越强，越有利于土壤蓄水能力的提高[13-14]。毛管孔隙度与非毛管孔隙度分别反映植被吸持水分的能力与植被滞留水分涵养水源的能力[15]。

实验表明（表2），在0～100 cm土层，各样地平均总孔隙度由高到低依次为：35 a（53.070%）＞20 a（52.728%）＞30 a（49.528%）＞25 a（44.597%），毛管孔隙度由高到低依次为 35 a（42.495%）＞30 a（41.819%）＞20 a（40.723%）＞25 a（39.909%），非毛管孔隙度由高到低依次为20a（12.005%）＞35a（10.576%）＞30a（7.708%）＞25a（4.688%）。

随着林龄的变化，各土层总孔隙度变化差异明显，孔隙度在土壤表层明显大于底层。在0～40 cm总孔隙度差异显著（P＜0.05），20 a生人工刺槐林样地总孔隙度最大，35 a生样地次之，25 a生样地最小；40 cm以下随土层深度增加各样地土壤总孔隙度差异逐渐减小。人工刺槐林样地土壤毛管孔隙度与非毛管孔隙度变动范围分别为36.465%～44.635%和2.058%～22.550%之间，毛管孔隙度随土层与林龄的不同，变动较小，各土层差异不显著；非毛管孔隙度在各土层变化较大，在0～40 cm各样地非毛管孔隙度差异显著。一般认为，当非毛管孔隙度在6%～10%时，林木生长状况一般；在10%～15%时，林木生长中等；大于15%时，林木生长良好[16]，虽然20 a生人工刺槐林在0～100 cm土层的平均非毛管空隙度较大，但35 a生样地的深层孔隙度较大，整体较为均匀。总体来看，35 a生人工刺槐林有较好的通透性能。

表3 样地土壤蓄水量Table 3 The soil water storage in the standard plots mm

2.3 土壤持水能力

土壤持水率与土壤质地密切相关，林分类型变化会对土壤质地产生一定影响，土壤持水率也随之发生改变[17]。从表2看出，各样地最大持水率、毛管持水率和最小持水率都随土层深度增加不断减小。在各样地中，平均最大持水率是20 a生人工刺槐林地最大（46.863%），25 a生样地平均最大持水量最小（33.713%），前者是后者的1.37倍；毛管持水率和田间持水率分别分布在29.547%～43.831%和25.002%～39.983%之间，毛管持水率与最小持水率大小依次均为 35 a＞20 a＞30 a＞25 a。实验表明，表层土壤的最大持水率、毛管持水率与最小持水率均是20 a生样地最大，分别为66.244%、43.831%和39.983%，说明20 a生人工刺槐林的土壤水文功能较好，进入成熟期后迅速下降，随后又逐渐恢复。

2.4 土壤蓄水能力

土壤蓄水量反映了土壤调节和贮蓄水分的能力，是评价植被保持水分与涵养水源的重要参数指标[17]。土壤蓄水性能与土壤湿度密切相关，而土壤涵蓄降雨量为饱和蓄水量与土壤前期含水量之差。

由表3可知，各样地土壤在0～100 cm饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量和田间蓄水量的顺序均为，35 a＞20 a＞30 a＞25 a；25 a 生刺槐林的涵蓄降水量和有效含蓄降水量最小，35 a生刺槐林样地最大，后者分别是前者的1.32和1.16倍。但25 a生刺槐林的土壤贮水量却最高，可见土壤的蒸散发较小，土壤水分较高，这可能与样地位于阴坡，且林分密度较小有关（表1）。从整体来看，刺槐林进入过熟期后，土壤蓄水量、涵蓄降雨量及有效涵蓄降雨量能力逐渐增大，高于20 a生刺槐林。

2.5 土壤渗透性

土壤的渗透性作为土壤重要的水分物理性质，它与土壤结构、质地、有机质、土壤湿度和温度有关[18-19]。受不同林龄的影响，各样地土壤初渗率变化范围为4.718～1.730 mm/min（图 1），大小依次为 35 a＞20 a＞30 a＞25 a，土壤平均渗透速率变化范围为35 a＞20 a＞30 a＞25 a，稳渗速率最高的是35 a生人工刺槐林（3.397 mm/min），25 a生样地最低（0.824 mm/min）。

从土壤水分在各个时间的入渗过程（图2）看出，各个样地的入渗速率均随入渗时间的增加而逐渐减小，并最终趋于稳定。不同林龄人工刺槐林各时段内平均渗透速率最高的是35 a生人工刺槐林样地，25 a生人工刺槐林样地最小。其中35 a生人工刺槐林2 min内的渗透速率为4.718 mm/min，65 min后的渗透速率为3.397 mm/min；25 a人工刺槐林样地最初2 min内渗透速率为2.045 mm/min，65 min后为0.834 mm/min，分别比35 a生人工刺槐林样地在相应时间段内的渗透速率降低了56.7%和75.5%。20 a生刺槐林渗滤率高可能与受林内萌生的其他树种生长的影响有关。

3 讨论与结论

3.1 不同林龄人工刺槐林对土壤容重、孔隙度和持水特性的影响

因不同生态系统及土壤各层之间持水性能和土壤理化特性等差异影响，土壤持水能力会呈现不同程度的变化特征[18]。从研究区不同林龄刺槐林的土壤性状来看，35 a生刺槐林的土壤容重最小，土壤孔隙状况最优。因此，35 a生刺槐林土壤最大蓄水量、毛管蓄水量和最小蓄水量均高于其他样地；相反25 a生刺槐林土壤性状最差，土壤持水能力最低。随着林龄的增加，土壤物理性状得到了有效改善，持水性能逐渐增强。另外，土壤的持水能力不仅与物理性质的改善密切相关，土壤团粒结构、质地、机械组成等因素也会影响到土壤的持水能力[20]。实验缺乏对土壤质地、机械组成以及团聚体等方面的研究，且样地单元偏少，需综合多方面因素考虑，进一步深化研究。

图1 不同林龄人工刺槐林土壤渗透特性Figure 1 Different age Forests Soil Permeability

图2 不同林龄人工刺槐林土壤入渗过程Figue 2 The soil infiltration process in different age forests

3.2 不同林龄人工刺槐林对土壤渗透特性的影响

植被生长状况和土壤性状会对土壤的渗透性产生一定的影响，尤其是土壤密度和土壤非毛管孔隙度[21]。25 a生人工刺槐林土壤容重最大，且非毛管孔隙度最小。因此，25 a生刺槐林的初渗率、稳渗率和平均渗透速率均低于其他3个样地。从不同时段的林地入渗过程来看，在开始阶段各样地土壤初渗率最高，随着渗透时间推移土壤的渗透速率逐渐降低，渗透速率降低的幅度也随时间的增加而减缓，最终达到饱和状态，即稳定的渗透速率[22]。各样地的土壤渗透速率随着时间的增加逐渐降低，即刺槐林地的土壤渗透性具有相对一致的变化趋势。由此可见，随着恢复时期的增长，林地土壤渗滤性增强，对林地水分的调控能力逐渐增强。

比较4个林龄人工刺槐林样地的土壤水文特征，35 a生人工刺槐林对林地土壤蓄水能力较强。综合各样地林分结构看出：35 a生刺槐人工林生长状况较差，林间灌草杂生，可能对土壤质地改善产生了一定程度的影响；而成熟期刺槐林生长状况较好，为刺槐纯林，林间灌草植被较少且种类较为单一，对土壤质地改善程度较弱。因此，在经营人工刺槐林时应对进入成熟期的刺槐林进行间伐，改善林木生长状况，并适当套种其他适宜的当地树种，通过增加生物多样性，充分发挥人工刺槐林涵养水源与水土保持功能。

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Soil Hydrological Characteristics of Different Age Artificial Robinia pseudoacacia Forests in the Gully Area Loess Plateau of Eastern Gansu

JING Guan-yang1，DI Li1*，WANG An-min2，SHI Zai-jun3，MU Ji2，WU Xian-zhong1，
（1.College of Resources and Environmental Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070，China；2.Institute of Soil and Water Conservation of Pingliang，Pingliang 744000，China；3.Guanshan Forest Farm of Jingchuan County，Jingchuan 744306，Gansu，China）

【Objective】The objective of the study was to evaluate soil hydrological characteristics of artificial Robinia pseudoacacia forests by measuring soil moisture physical properties and permeability.This study also aimed to provide some theoretical reference for soil resource management in the Zhonggou small watershed of Loess Plateau of Jingchuan，Gansu.【Method】Soil moisture，physical properties and permeability of different ages（20 a，25 a，30 a and 35 a）R.pseudoacacia plantations were measured by cuttingringmethod.【Results】Inthe0～100cmsoillayer，theorderofmeansoilbulkdensitywas25a＞30 a＞20 a＞35 a.the 35 a plantatioin was the largest but the 25 a plantatioin was the smallest in saturated soil water content，capillary water capacity and minimum storage capacity.The initial soil infiltration rate was 2.045～4.718 mm/min.There was similar variation in soil infiltration rate，soil non-capillary porosity.【Conclusion】The results indicated that the 35 a plantation was the best with respect to soil water holding capacity and permeability，followed by the 20 a，whereas the 25 a was the worst.

age；porosity；water holding capacity；permeability；Robinia pseudoacacia forests；Loess Plateau of Eastern Gansu

S152.7 文献标志码：A 文章编号：1000-2650（2017）02-0193-06

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.02.009

2016-12-24

国家自然科学基金地区项目(41461112)；甘肃省国际合作项目（1504WKCA006）。

景贯阳，硕士研究生。*责任作者：邸利，教授，硕士生导师，主要从事森林生态与生态水文学研究，E-mail：dili@gsau.edu.cn。

（本文审稿：刘 洋；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）