阴山北麓不同林分类型土壤持水性能研究

芳菲, 秦富仓, 李龙, 杨振奇

(内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 010018)

林地是陆地生态系统的主体，是维护调节陆地生态系统平衡和改善生态环境的基础，是人类生存与可持续发展的保障[1]。大量研究表明，植被能够通过其强大的根系以及对地下有机质的输入降低土壤容重[2-3]，提高团聚体的稳定性[4-5]，改善土壤持水能力和入渗性能[6]，从而改良土壤，具有蓄水保肥的功能。水土流失对生态环境有较强的威胁，因此，合理配置树种可以有效涵养水源，保持水土[7]。

由于不同林分类型的组成树种的生物特性和林分结构不同，其固持水土的效益也存在一定差异。近年来，为营造良好的生态环境，研究不同林地的水土保持功能，很多学者对不同林分类型下的土壤水文效应进行了研究。敖特根其木格等[8]调查了内蒙古自治区多伦县不同林地枯落物及土壤层的持水性能，发现灌木林土壤含水率低于乔木林，人工林土壤含水率低于天然林；邢晓光等[9]调查发现，白桦林的持水能力大于华北落叶松纯林；吴迪等[10]研究发现，在北京九龙山地区侧柏纯林的土壤持水量最大，黄栌和油松纯林次之；郭宇嘉等[11]通过多方面比较3种纯林和混交林的土壤持水性能，得出白桦×山杨阔叶混交林的持水能力最好，落叶松×白桦针阔混交林稍差，落叶松纯林最差；刘春利等[12]指出，不同的林分类型不但对土壤持水量、容重、饱和导水率等水分物理性质影响效果不同，对于改变土壤中水分的分布规律也有所不同。特别是在干旱、半干旱地区，土壤水分的补给主要来自降水，因此，分析不同林分类型对土壤持水能力的影响就显得尤为重要。本研究以阴山北麓的内蒙古武川县六乡连体区域为研究区，以研究区内柠条(CaraganaKorshinskiiKom.)、油松(PinustabuliformisCarr.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、油松×柠条混交林、沙棘×柠条混交林5种林分类型为研究对象，测定了土壤物理性质、土壤水分入渗和水分贮存特征值等指标，并对5种林分类型的水分入渗特征和持水能力进行测定和分析，研究了纯林、乔灌木混交林、灌木混交林的土壤持水性能的差异性，以期为提高武川县林地持水功能、增加土壤持水量研究提供理论依据，为科学管理植被提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北方农牧交错带的中段，阴山北麓，呼和浩特市北部武川县，地处内蒙古高原的南缘，大青山及其余脉在境内东、西、南三面围绕，构成向东北四子王旗展开的未封闭盆地——武川盆地，平均海拔2 000 m。该地区属中温带大陆性季风气候。年平均气温3.0 ℃，降雨量350 mm。武川县总土地面积中林业用地面积67 426.24 km2，占全县总土地面积的13.8%，森林覆盖率13.0%，林木绿化率 13.1%。

1.2 试验方法

2018年7月，在研究区内选取油松、柠条、沙棘、油松×柠条乔灌混交林、沙棘×柠条灌木混交林5种主要的人工林树种为研究对象，每种林分选取3组样地，在地形地貌(均处于阴坡坡上)、土壤类型(均为栗钙土)等立地条件一致的区域内，充分考虑林分特征，选取林龄、郁闭度相同的林地进行试验，对林分进行充分调查，进行每木检尺，以反映各个林分类型的基本自然情况(表1)，每个样地设置1个样方，样方规格为100 m2(10 m×10 m)。每个样方内挖开1个1 m深的土壤剖面，每个剖面分4层(0～10、10～20、20～40、40～60 cm)，用环刀取得原状土，测定土壤物理性质。

表1 试验地基本概况

1.3 测定项目及方法

1.3.1土壤物理性质 土壤孔隙度及容重的测定采用环刀法[13]，含水率的测定采用烘干法[14]。

1.3.2土壤水分入渗 土壤水分入渗的测定采用双环法[15]。采用考斯加柯夫公式[16]对5个样地土壤入渗过程的测定数据进行回归分析和模型拟合。

f=a×t-1/2

式中，f为入渗率，a为常数，t为时间。

1.3.3土壤持水量 计算100 cm土层深度内土壤毛管持水量、最大持水量和饱和持水量，公式[17]如下。

Wc=10 000Pchr；

Wnc=10 000Pnchr；

Wt=Wc+Wnc

式中，Wc为土壤毛管持水量(t·hm-2)；Pc为毛管孔隙度；Wnc为土壤最大持水量(t·hm-2)；Pnc为非毛管孔隙度；Wt为土壤饱和持水量(t·hm-2)；h为土层深度(m)；r为水的比重(kg·m-3)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS19.0对数据进行处理，利用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性分析，用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型的土壤物理性质

2.1.1不同林分类型的土壤容重 由图1可知，随着土层深度的增加，各个林地的土壤容重整体呈现上升趋势，即土壤容重随着土层深度的增加而增加，土壤层越深，土壤的紧实程度越大，土壤容重随之增加。由表2可知，不同林分类型的土壤容重具有差异性(P<0.05)，其中，油松纯林的土壤容重显著低于其他林分。在相同的土层范围内，0～60 cm土层内土壤容重的均值排列顺序为沙棘(1.452 g·cm-3)>油松×柠条混交林(1.337 g·cm-3)>沙棘×柠条混交林(1.335 g·cm-3)>柠条(1.302 g·cm-3)>油松(1.042 g·cm-3)，即沙棘纯林的容重最大，油松纯林的容重最小，沙棘纯林容重比油松纯林容重高39.34%。油松纯林容重最小，表明油松纯林下的土壤疏松多孔，土壤结构型良好;沙棘纯林容重最大，其土壤最紧实、板结，土壤退化趋势强。

图1 不同林分类型各土壤层容重

2.1.2不同林分类型的土壤孔隙度 表2显示，土壤的毛管孔隙度之间有显著差异(P<0.05)。图2也表明，各林地土壤毛管孔隙度随着土层深度的增大而减小，土层深度越深，植被吸收用于维持自身生长的水分越少；各林地土壤毛管孔隙度的排列顺序为柠条(51.162%)>沙棘(36.518%)>油松(33.612%)>油松×柠条混交林(30.810%)>沙棘×柠条混交林(29.462%)。柠条纯林的毛管孔隙度最大，说明柠条纯林吸持水分用于维持自身生长发育的能力强。沙棘×柠条混交林地用于其自身生长发育所需的有效水比例最小，为29.462%。图2还表明，土壤非毛管孔隙度具有显著差异(P<0.05)，同一林分类型下，土壤非毛管孔隙度随着土层深度的增大而增大，土层深度越深，植被滞留在土壤中的水分越多。比较各林地的土壤非毛管孔隙度可知，油松纯林的非毛管孔隙度最大，为16.495%，说明油松纯林的土壤通透性最好，这与土壤容重中得出的油松纯林地土壤最为疏松的结论相一致；柠条纯林的非毛管孔隙度最小，为5.610%；除油松纯林以外，油松×柠条混交林和沙棘×柠条混交林滞留水分的能力要比其他纯林的能力强。各林地土壤的总孔隙度大小顺序依次为柠条(56.772%)>油松(50.107%)>沙棘(44.810%)>油松×柠条混交林(43.045%)>沙棘×柠条混交林(39.913%)。

表2 不同林分类型土壤物理性质方差分析

图2 不同林分类型土壤层孔隙度

2.2 不同林分类型的土壤渗透性能

通过观测土壤入渗可以研究不同林分类型持水能力的强弱。从图3可以看出，不同林分类型的土壤入渗速率随时间延长情况，不同林分类型的土壤入渗速率均随时间呈现先急剧减小后趋于稳定的变化规律。5种林分类型的土壤入渗速率在0～10 min具有明显的区别，10～45 min土壤入渗速率下降幅度明显变缓并逐渐趋于稳定。

图3 不同林分类型的土壤入渗速率

表3显示，土壤的初渗速率与土壤的含水率有关，土壤含水率越大，初渗速率越小；土壤含水率越小，初渗速率越大。柠条纯林的初渗速率最大，为18.08 mm·min-1；含水率最小，为4.95%。沙棘×柠条混交林的初渗速率最小，为7.31 mm·min-1;含水率最大，为9.69%。随着时间的推移，入渗速率逐渐减慢，当达到一定时间后趋于稳渗。而土壤的稳渗速率与土壤的含水率无关，与植被类型有关。各样地的稳渗速率在0.47～1.32 mm·min-1之间波动，变动不大，其大小顺序依次为油松(1.32 mm·min-1)>油松×柠条混交林(1.22 mm·min-1)>沙棘×柠条混交林(0.59 mm·min-1)>沙棘(0.56 mm·min-1)>柠条(0.47 mm·min-1)。可以看出，油松纯林的土壤渗透性能最好，纯林除油松外，油松×柠条混交林和沙棘×柠条混交林的土壤渗透性能较其他纯林较好，主要是因为该林分很好地改善了土壤的非毛管孔隙，提高土壤的稳渗速率，这与土壤非毛管孔隙的排序相一致，与之前在土壤孔隙度中得出的结论相符合。

土壤渗透性的好坏直接关系到地表产生径流的大小，而合适的入渗模型是研究林地植被蓄水功能的重要部分。通过对5个样地土壤入渗过程的测定数据进行回归分析，结果(表3)显示，土壤入渗过程的回归方程为乘幂函数形式。

表3 土壤渗透速率及渗透模型

f=at-b

式中，f为t时刻的入渗率，a、b为常数，t为时间。

从表3可以看出，相关系数R2在0.89～0.94之间，说明方程的拟合效果较好。从模拟回归方程幂指数b的大小来看，只有油松纯林和油松×柠条混交林更接近考斯加柯夫公式中的系数1/2。

2.3 不同林分类型的土壤持水能力

根据孔隙度及土层厚度计算得出不同林分内土壤各类孔隙持水量(表4)，5种林分类型100 cm土层内饱和持水量大小排序依次为柠条(3 406.35 t·hm-2)>沙棘(2 688.6 t·hm-2)>油松×柠条混交林(2 582.7 t·hm-2)>沙棘×柠条混交林(2 394.75 t·hm-2)>油松(1 024.3 t·hm-2)，柠条纯林的持水能力较强，油松纯林的持水能力较弱。柠条的毛管持水量最大(3 069.75 t·hm-2)，说明柠条吸收用于自身生长发育的水分最多。

由表4可知，土壤最大持水量表现为油松×柠条混交林(739.80 t·hm-2)>沙棘×柠条混交林(627.00 t·hm-2)>沙棘(392.55 t·hm-2)>柠条(336.60 t·hm-2)>油松(330.20 t·hm-2)。由此可见，混交林的水分贮存能力要比纯林强，可以比纯林地更加有效地减少地表径流，表明植被土壤持水功能的大小与树种的交叉配置具有明显的相关性。油松×柠条混交林这样的乔灌木混交林和沙棘×柠条混交林这样的灌木混交林对土壤最大持水能力的改善作用最明显，这表明这两种林分类型对土壤的非毛管孔隙度和最大持水功能的改善效果明显，从而能够有效地提高水分的快速贮存以及蓄洪作用。而油松×柠条混交林的乔灌混交林要比沙棘×柠条混交林的灌木混交林的最大持水量高112.80 t·hm-2，这表明了乔灌混交林比灌木混交林减少地表径流的能力强。而油松纯林的最大持水量最小，为330.20 t·hm-2，其减少地表径流的效果不理想。

表4 不同林分类型土壤持水能力

3 讨论

3.1 不同林分类型对土壤持水性能的影响不同

不同林分类型改良土壤的效果不同，赵江宁等[18]研究表明不同林分类型下的土壤物理性质存在差异性。而土壤物理性质是影响土壤持水性能的重要因素。土壤容重是衡量土壤紧实程度的一个重要指标，容重大时，土壤板结紧实，孔隙度小，渗透性能差；容重小时，土体疏松，渗透能力强，这与吴江琪等[19]的研究结果一致。本研究中5种林分类型中容重的排列顺序为沙棘>油松×柠条混交林>沙棘×柠条混交林>柠条>油松。说明油松纯林下土壤质地为疏松，有利于水分的下渗，土壤结构好；沙棘纯林下土壤最为紧实、板结，不利于水分下渗。邹文秀等[15]的研究表明，土壤容重与植物根系和土壤中的有机质含量也有关。由于沙棘枯落物相对于其他林分类型较少，缺少植物根系及凋落物等有机质的输入，使得土壤容重最大。不同林分类型下土壤容重均随着土层深度的增加而增加，土壤水分也随之减少，这主要是因为上层土壤中的植物根系相对于下层土壤较密集，植物根系使得土壤疏松多孔。随着土层的加深，土壤中的植物根系逐渐减少，从而增加了土壤的紧实程度，降低了土壤水分，这与赵建生等[20]研究冀北山地6种典型森林的土壤水文效应的结果一致。Wang等[21]等对美国内布拉斯加州沙地的研究也同样表明，土壤容重随土层深度增加而增大。林分类型及其植被对土壤物理性质的改善作用，尤其是对土壤非毛管孔隙状况的改善作用是决定土壤渗透能力的重要因素。土壤孔隙组成直接影响土壤通气透水性，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于水分的下渗。陈波等[22]同样指出，不同林分类型下的非孔隙度不同，非毛管孔隙度越大，植被滞留水分、发挥涵养水源和削减洪水的能力越强。各样地达到稳渗速率的大小顺序依次为油松(1.32 mm·min-1)>油松×柠条混交林(1.22 mm·min-1)>沙棘×柠条混交林(0.59 mm·min-1)>沙棘(0.56 mm·min-1)>柠条(0.47 mm·min-1)，这与各样地非毛管孔隙度的排列顺序相一致。

由于不同林分类型下的土壤物理性质不同，因此，不同林分类型对土壤持水性能的影响不同。本研究中，混交林地较纯林地的持水能力强，而油松×柠条乔灌木混交林比沙棘×柠条灌木混交林的持水能力强。这主要是因为混交林林分下的土壤物理性质好，土壤疏松多孔，有利于水分的下渗，增大了土壤的持水能力。这与杨良辰等[23]的研究结果一致。陈继东等[24]的研究也表明，混交林地较纯林地土壤持水性能好。

3.2 土层深度对土壤持水能力的限制作用

毛管持水与毛管孔隙有关，是水分吸持在毛管孔隙中的贮存，其水分主要供给植物根系吸收，能为植物生长提供必需的水肥条件，反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力。最大持水与非毛管孔隙有关，是饱和土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暂时贮存，为大雨或暴雨提供应急的水分贮存，能够有效地减少地表径流，反映了植被滞留水分削减洪水的能力。在研究区内，不同林分类型土层深度不同，进而对土壤的持水能力影响效果不同。吕贻忠等[25]的研究表明土壤水分与土层深度具有明显的空间相关性。另有学者基于不同林分类型和地表覆盖度对土壤水分纵向分布的影响，建立了土壤水分随土层深度变化的数学模型[26]。尹笑笑等[27]同样通过研究麦田持水量与土壤水分的关系得出，一定深度土体各土层土壤水分的纵向分布差异显著，从而影响土壤含水量和一定深度土层土壤持水量。在本研究中，土层深度也对土壤持水量有着一定的限制作用，虽然油松纯林的非毛管孔隙度最大(16.495%)，土壤的渗透能力最强，但是土壤持水量最小，这是由于土壤持水能力也与土层深度有关。在研究区内，油松纯林的土层深度只有0～40 cm，而其他林分类型的土层深度则到达了0～60 cm。总体而言，油松纯林的土层深度比其他林分类型的土层深度浅，所以，其综合持水能力相对较弱；而在0～40 cm的表层土壤中，油松纯林的持水能力最强。