涪江中游不同林分土壤水分-物理性质研究

林 浩，吴丽君，曾 艳，李卫忠，刘 谣，杨玉莲，吴庆贵,*

(1.绵阳师范学院生态安全与保护四川省重点实验室，四川绵阳 621006；2.四川省环境政策研究与规划院，四川成都 610000；3.西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

水分是土壤肥力中最活跃的因素，土壤水分物理性质不仅反应土壤结构状况和养分状况[1]，也是定量研究土壤水源涵养能力的关键因素[2-3].通常认为，阔叶林土壤水源涵养功能优于针叶林[4-5]；但也有学者发现，针叶纯林[6]、针阔混交林[7]土壤的持蓄水能力优于阔叶纯林.这与研究区域的气候与土壤差异以及代表性树种选择、造林密度和经营管理[8]等有关，尚难得出一致的结论.一方面，树种选择影响森林对土壤水分-物理性质的调控过程，不同林分下树种生物学特性和林分结构差异影响物质周转与养分归还过程，对土壤水源涵养功能控制效应不同[9-10].其次区域气候和地形等也是影响土壤水分-物理性质的重要因素，同一树种在不同环境下林下土壤性质也不同[11-13].另一方面，造林密度和森林的经营管理也会对林下土壤造成差异，不合理造林和经营都会造成土壤肥力下降[14-15].但是，在局域范围内，树种本身生物学特性以及林分结构是影响土壤水分-物理性质的关键因素.因此，研究固定区域森林土壤水分-物理性质对评价森林涵养水源功能具有重要指导意义，可以为该森林的可持续发展提供科学依据.

涪江是嘉陵江右岸最大支流，发源于四川省松潘县黄龙乡岷山雪宝顶，是川西北地区一条重要河流，为当地的工农业生产和人们生活提供宝贵的水源[16].涪江作为长江流域的重要组成部分，是庇护川西北地区天然的重要生态屏障[17-18].涪江中游作为涪江流域重要组成部分，在植被的水源涵养和水土保持、淤沙固岸方面发挥着重要作用，具有重要的生态功能[19].受退耕还林和天然林保护等生态工程实施的影响，区域内森林面积不断增加[20-21]，但对于典型林分土壤物理性质和水源涵养功能仍不清晰，而有关于涪江中游不同森林土壤物理性质和水源涵养功能一直缺乏应有的关注.

鉴于此,本文以涪江中游7种不同林分为研究对象，测定不同林分下土壤容重、孔隙度与持水量等水分-物理性质，揭示不同林分下土壤结构及持水能力差异状况，以期为该区域内的水土保持和森林水源涵养提供科学参考.

1 研究地区自然概况和方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省绵阳市(103°45′～105°43′E, 30°42′～33°03′N)，涪江中上游地带，平均海拔为400～600 m，属于亚热带湿润气候区.多年平均气温在摄氏14.7 ℃～17.3 ℃之间，域内气候温和、湿度大、雨量丰沛，无霜期长平均为253 d～301 d，年平均降水量为826 ～1 417 mm，主要集中在6～8月.土壤类型主要为黄壤.植被类型丰富，以阔叶林、针叶林和低矮灌丛为主[18].

1.2 样方设置和样品采集

基于前期实地调查基础上，选择石桥铺、仙海以及磨家镇等林龄相近，林相整齐的7种林分.采用典型样地法，每个林地随机布设3个20 m×20 m的样方(样方之间的距离大于50 m)，测定样方基本特征(表1).在树干距地面1.3 m处，采用皮尺量取树木胸径，如1.3 m处树干异常，往上找离其最近的正常部位量取.如树木分枝点在1.3 m以下，则在分枝点下方量取[22].

采集土壤样品时，在各样方内按五点取样选定采样点，用铁锹挖开土层，用环刀(体积为100 cm3)依次按20～40 cm (M2)、0～20 cm (M1)分层采集原始土样，分装编号，带回实验室测定土壤物理性质及持水量.

1.3 土壤物理性质和持水性能测定

用环刀法测定土壤容重、孔隙度与最大持水量等指标，用烘干法测定土壤含水量，具体的操作及计算方法参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤水分-物理性质的测定》(LY/T1215—1999).

1.4 数据处理及统计分析

不同土层深度间土壤物理性质比较采用t-检验，采用单因素方差分析(One-way ANOVA) 比较不同林分间土壤物理性质.方差分析之前采用正态直方图法粗略检测数据是否符合正态分布，对不符合正态分布的数据采用取对数的方法进行数据转换，采用S-W方法检验方差齐性，一旦达到统计学差异显著性采用Duncan法进行多重比较.采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)分析不同林分和土层对土壤物理性质影响的显著性，在分析之前分别采用K-S检验和方差同质性检测数据是否符合正态分布和方差齐性.土壤持水能力与土壤物理性质指标的相关分析采用Person相关分析法.所有统计分析均采用Excel(2016)和SPSS 24.0进行，并运用Origin9.0软件完成作图.

表1 样地概况Tab.1 Introduction to the study site

续表1：

2 结果分析

2.1 不同林分下土壤容重比较

由表2可知，林分和土层深度显著影响土壤容重(P<0.05)，二者交互作用对容重影响不显著(P=0.234).不同林分土壤容重均值为1.35～1.85 g·cm-3，各林分中土壤容重随土层深度的增加而增加(图1)，不同林分相同土层间土壤容重变化规律不一致.M1土层的土壤容重由大到小依次是桤木×洋槐混交林>构树林>桉树林>柏木林>马尾松林>桤木×女贞混交林>柏木×青冈混交林；M2土层的土壤容重由大到小依次是桤木×洋槐混交林>桤木×女贞混交林>构树林>柏木林>桉树林>马尾松林>柏木×青冈混交林.从0～40 cm层来看，桤木×洋槐混交林(1.73 g·cm-3)土壤容重最大，显著高于其他林分(P<0.05)，其次是构树林、桉树林、柏木林、桤木×女贞混交林与马尾松林，柏木×青冈混交林最小.

图1 不同林分对土壤容重的影响Fig.1 The effect of variations in forest on soil bulk densitya. M1：表示0～20 cm的土层，M2表示20～40 cm的土层；b. 不同大写字母表示同一土层不同林分间差异显著(P<0.05)；不同的小写字母表示同一林型不同土层间差异显著(P<0.05)(下同).

2.2 不同林分下土壤孔隙度比较

由表2可知，林分和土层深度显著影响土壤总孔隙度、毛管孔隙度(P<0.05)，二者交互作用对土壤总孔隙度(P=0.788)、毛管孔隙度(P=0.848)无显著影响，土壤总孔隙度和毛管孔隙度均随土层深度的增加而减小(图2).各林分土壤总孔隙度、毛管孔隙度分别介于30.82%～42.18%和29.58%～40.78%之间.M1土层总孔隙度由大到小依次为：柏木林>桤木×女贞混交林>柏木×青冈混交林>构树林>马尾松林>桉树林>桤木×洋槐混交林.M1土层毛管孔隙度为：桤木×女贞混交林>柏木林>柏木×青冈混交林>构树林>桉树林>马尾松林>桤木×洋槐混交林；M2层毛管孔隙度和总孔隙度大小变化一致，均为：柏木林>构树林>马尾松林>桉树林>桤木×女贞混交林>桤木×洋槐混交林.从0～40 cm层来看，柏木林的总孔隙度和毛管孔隙都最大，桤木×洋槐混交林最小.

同一土层不同林分间间非毛管孔隙度存在显著差异(P<0.05，图3)，其中柏木林显著高于其他林分.M1土层非毛管孔隙度由大到小依次为柏木林>马尾松林、桤木×女贞混交林>桉树林>桤木×洋槐混交林>柏木×青冈混交林>构树林；M2土层为柏木林>桤木×洋槐混交林>桉树林>构树林>桤木×女贞混交林>柏木×青冈混交林>马尾松林.其中柏木林、柏木×青冈混交林、桤木×女贞混交林和马尾松林非孔隙度随土层的增加而减小，而桤木×洋槐混交林、桉树林和构树林则随土层的增加而增加.

图2 不同林分对土壤孔隙度的影响Fig.2 The effect of variations in forest on soil capillary porosity图3 不同林分对土壤持水能力的影响Fig.3 The effect of variations in forest on soil moisture capacity

2.3 不同林分下土壤持水能力比较

林分和土层深度显著影响土壤最大持水量、毛管持水量与田间持水量(P<0.05，表2).不同林分间土壤最大持水量、毛管持水量与田间持水量变化范围分别为215.87 ～304.73 g·kg-1、161.13～297.16 g·kg-1、158.20 ～287.04 g·kg-1.在M1土层中，最大持水量和毛管持水量由大到小均为：桤木×女贞混交林>柏木×青冈混交林>柏木林>马尾松林>构树林>桉树林>桤木×洋槐混交林，田间持水量为：桤木×女贞混交林>柏木×青冈混交林>柏木林>桉树林>构树林>马尾松林>桤木×洋槐混交林；在M2土层中，最大持水量和毛管持水量表现为：柏木林>构树林>柏木×青冈混交林>马尾松林>桉树林>桤木×女贞混交林>桤木×洋槐混交林，田间持水量为：柏木林>马尾松林>柏木×青冈混交林>构树林>桉树林>桤木×女贞混交林>桤木×洋槐混交林.在0～40 cm土层间土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量表现出相同的变化趋势.其中，柏木×青冈混交林最大，其次依次为柏木林、桤木×女贞混交林、构树林、马尾松林、桉树林与桤木×洋槐混交林.随着土层深度的增加土壤最大持水量、毛管持水量与田间持水量减小(图2).

2.4 林分对土壤持水能力与容重和孔隙度相关性的影响

土壤持水能力与容重和孔隙度的相关关系受林分类型的影响(表3).土壤持水量与容重均呈显著负相关(P<0.01, 除马尾松林和构树林外)，土壤持水量与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关(P<0.01, 除马尾松林外).马尾松林的土壤毛管持水量、田间持水量与总孔隙度之间均呈显著正相关(P<0.05).构树林最大持水量和毛管持水量与容重，以及最大持水量与非毛管孔隙度均呈显著正相关(P<0.05).

表3 不同林分类型条件下土壤物理性质相关性分析Tab.3 Correlation matrix showing the correlation coefficients among studied variables across forest

3 讨论

土壤水分-物理性质反应了土壤的结构状况、持水能力等，是林分结构与功能的综合体现[23-24].不同林分因其群落结构和树种差异，对凋落物的形成与分解、微生物群落等产生影响，进而改变了土壤物理性质和水源涵养能力[25-26].本研究结果表明，林分类型和土层深度都显著影响了土壤容重、孔隙度和持水量，土壤持水能力与容重和孔隙度的相关关系也受林分类型的影响.不同林分间土壤水分-物理性质存在显著差异，土壤容重随土层深度的增加而增加，土壤持水量和孔隙度则随土层深度的增加而减小，其中青冈×柏木混交林的土壤持水量明显优于其他林分，说明针阔混交林在一定程度上可以改善土壤水分-物理性质，提高土壤水源涵养能力[27].

3.1 不同林分对土壤容重的影响

土壤容重作为土壤主要结构特性之一，综合反映了土壤孔隙状况、通透性和持水能力等土壤物理性质[28-29].土壤容重越小，表明土壤比较疏松，透气性好.反之，表明土壤比较紧实，结构性差[30].土壤容重一般介于1.0～1.5 g·cm-3，结构良好的土壤在1.25～1.35 g·cm-3[31].与之相比，本研究中土壤容重值变动范围在1.35～1.85 g·cm-3，其中柏木×青冈混交林(1.39 g·cm-3)的土壤容重最小，土壤结构良好，其次是马尾松林和柏木林.桉树林与构树林土壤容重大于1.50 g·cm-3，可能引起土壤板结、肥力下降[32]，说明相对于单一林分，针阔混交林有利于改善土壤物理性状，明显优于单一林分针叶林和阔叶林[33].其原因可能是不同林分混交改变了林内小环境，调节了林内光和热的分配，从而促进凋落物的分解，降低土壤坚实度[34].桤木×洋槐混交林、桤木×女贞混交林两者同为阔叶混交林，但土壤容重差异显著，一方面可能是因不同树种间因其生物学特征的不同存在化感作用而影响其他树种生长[35]，另一方面可能是林龄的限制，森林植被对土壤的改善作用是由浅入深的过程，随着林龄的增加，其对土壤的改善逐渐深入到下层[36].

3.2 不同林分对土壤孔隙度的影响

土壤孔隙是土壤中养分、水分等的运输通道，主要分为毛管孔隙度和非毛管孔隙度，土壤孔隙度越大其潜在涵养水源能力越强[1,11].研究表明土壤总孔隙度在40%～60%之间，非毛管孔隙度与毛管孔隙度比例在1/5～2/5的土壤结构性良好，土壤通气性和持水能力较好[37].本研究中只有柏木林土壤总孔隙度大于40%，其余林分土壤总孔隙度介于33%～39%之间，而非毛管孔隙度与毛管孔隙度比例均在1/5下，说明土壤非孔隙数量少，土壤滞留水分能力较差.不同林分土壤孔隙度存在显著差异，柏木林孔隙度高，其次依次为柏木×青冈混交林、桤木×女贞混交林、构树林、桉树林、马尾松林、桤木×洋槐混交林.导致这种差异的原因可能是：首先，由于不同林分优势树种的差异使其林内小环境、凋落物的数量及分解速率不同，进而影响土壤孔隙度[38-39].其次是植物根系的分布，不同林分土壤根系生物量分布规律不同.地下细根越多越有利于毛管孔隙度的形成，此外根系在土壤中穿插挤压产生的机械力可以有效改善土壤结构，增加土壤孔隙度[40-41].

3.3 不同林分对持水能力的影响

土壤持水能力是评价土壤水分调节能力和涵养水源的重要指标[16]，受土壤容重和孔隙度的影响[17]，土壤容重越小，土壤孔隙度越大就意味着土壤潜在的水源涵养能力越强[14].本研究中土壤持水量与孔隙度均随着土层的增加而下降，这可能与土壤有机质、植物根系随土壤深度降低有关[42].不同林分土壤持水量存在显著差异，其中柏木×青冈混交林最大持水量、毛管持水量与田间持水量均最大，说明柏木×青冈混交林的持水能力明显大于针叶林和阔叶林[33].

综上所述，综合比较涪江中游7种林分水分-物理性质，不同林分间土壤水分-物理性质存在差异显著，土壤持水量与孔隙度和容重的相关性受林分类型的影响.土壤容重随土层的增加而减小，最大持水量、毛管持水量、田间持水量、总孔隙度与毛管孔隙度随土层深度的增加而减小.柏木×青冈混交林土壤具有较高的持水能力，因此在进行林地设计时可以考虑引入有助于土壤结构改良的树种进行混交从而改善其土壤结构，提高森林水源涵养的能力.