酸沉降背景下马尾松林土壤水文物理性质比较研究

王轶浩，王彦辉

（1.重庆师范大学地理与旅游学院/重庆市三峡库区地表生态过程野外科学观测研究站，重庆 401331；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091）

土壤层是森林生态系统的重要水文功能层，其水文功能发挥受到土壤水文物理性质直接影响[1]。土壤水文物理性质包括土壤容重、孔隙度、持水量和渗透率等多项指标，与森林类型、树种组成以及林分密度等密切相关[2-3]。马尾松（Pinus massoniana）在我国南方山地丘陵区分布广泛，是当地主要造林树种和先锋树种，但对酸沉降危害极其敏感。已有研究表明，马尾松受到酸沉降危害后会表现出明显的落叶率增加[4]、根系分布变浅[5]、生物量下降等受害特征。同样地，酸沉降也会严重危害森林土壤，最主要的就是引起土壤酸化，进而造成土壤盐基离子淋失以及一些有毒元素活化[6]。以往关于酸沉降危害森林土壤研究更多关注对土壤化学性质的影响[7-9]，而对酸沉降背景下的土壤水文物理性质特征研究还很不足，直接制约着对酸沉降背景下森林土壤水文功能的认识与评价。

酸沉降已成为全球面临的主要环境问题之一，重庆是我国老酸雨区，20世纪80年代就有报道重庆南山风景区马尾松林受酸雨影响普遍生长不良，甚至大面积死亡的现象[10]。虽然自2010年开始重庆酸沉降量总体呈下降趋势，但其降水pH值仍然较低[11]，并且酸沉降引起的土壤酸化现象短期内不会消除。在长期酸沉降危害下，认识马尾松林土壤水文物理性质特征对评价受害马尾松林的生态水文功能变化具有重要意义，尤其是对酸沉降区不同森林类型的土壤水文物理性质对比研究，将有助于客观评价马尾松林林分改造成效和科学指导森林可持续经营管理。

本文在酸沉降影响严重的重庆市江北区铁山坪林场，选择马尾松林以及毛竹（Phyllostachys heterocycla）林、针阔混交林、阔叶林4种主要森林类型，开展其土壤水文物理性质研究，以期掌握酸沉降背景下的马尾松林土壤水文物理性质和认识不同森林类型对土壤水文物理性质的影响差异，从而为酸沉降背景下森林土壤水文功能评价和马尾松林林分改造提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市江北区铁山坪林场（N29°38′，E106°41′）的林中园小流域，流域面积 0.274 km2，属亚热带湿润气候，多年平均降水量1 100 mm，年均气温18℃。该地属四川盆周低山丘陵区，海拔变化在242～584 m，坡度变化在 5～30°。土壤以砂岩上发育的山地黄壤为主，土壤质地为粉砂壤土和粉砂黏壤土，厚度50～80 cm。研究区酸沉降影响严重，测定的林外和林内降水平均pH值为4.06和3.20，土壤酸化现象明显。森林植被主要是20世纪60年代天然林被破坏后天然更新形成的马尾松次生林，覆盖率高达90%以上。因受酸沉降危害，马尾松落叶率约为40%～50%。后经过天然更新和林分改造，现已形成马尾松林、针阔混交林、阔叶林和竹林多种森林植被类型。

1.2 样地设置

在林中园小流域布设了7个典型样地（表1），包括规格为30 m×30 m的马尾松林样地4个，规格为20 m×20 m的毛竹林样地、阔叶林样地和针阔混交林样地各1个，其中，阔叶林样地的主要树种有楠木（Phoebe zhennan）、毛桐（Mallotus barbatus）、杜英（Elaeocarpus sylvestris）、石栎（Lithocarpus glaber（Thunb.）Nakai）等，针阔混交林样地的主要树种有马尾松、石栎、香樟（Cinnamomum camphora）等。

表1 典型样地基本概况Table 1 The basic situation of sample plots

1.3 数据采集

2011年2月—10月，在各典型样地选择两处取样点，每月用土钻按 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50和 50～60 cm分土层取样 2～3次，每层 2～3个重复；将土样在105℃烘箱内烘干至恒重，测定其土壤质量含水量。采用环刀法测定土壤水文物理性质，2011年10月首先在各典型样地选择代表性地段开挖土壤剖面（1 m×1 m），深为80 cm，若土层厚度未达80 cm则挖至基岩，然后用容积为200 cm3（高 5.2 cm，直径 7 cm）的环刀按 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm 等深度分层取原状土样，每层3个重复，在室内测定土壤容重、孔隙度、持水量、渗透速率等土壤水文物理性质。本试验中土壤渗透速率一般在120 min前已达稳定，为便于比较，故土壤渗透总量统一取120 min内的渗透量。

降雨量数据利用林外空旷处设置的自动气象站（WeatherHawk232）获取。

1.4 数据处理

一定土层深度内的土壤贮水量的计算公式如下：

式中，Wc、Wnc和 Wt分别为土壤吸持贮水量（mm）、土壤滞留贮存量（mm）和土壤饱和贮水量（mm）；Pc、Pnc和Pt分别为毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）和总孔隙度（%）；h为土层深度（m）。

采用Excel 2019软件对数据进行处理与绘图，利用SPSS 23.0软件进行不同森林类型土壤水文物理性质、不同土层土壤渗透特征的单因素方差分析（one-way ANOVA）及LSD检验法的多重均值比较分析、马尾松林土壤渗透特征与其他土壤水文物理性质的Pearson相关分析和多元回归分析。

2 结果与分析

2.1 马尾松林与其他森林类型的土壤湿度动态

对马尾松林、毛竹林、针阔混交林和阔叶林4种森林类型的0～60 cm土层土壤湿度分析表明（图1），马尾松林和毛竹林的土壤湿度在6月份之前变化不大，基本都维持在21%左右，之后土壤湿度开始快速下降，9月份达到最低，分别为16%、16.58%。针阔混交林和阔叶林年内变化规律为4月份之前土壤湿度缓慢上升，这可能与3、4月份降水明显增多有关；5、6月份有小幅波动，之后与马尾松林和毛竹林变化一致，土壤湿度快速下降。不同的是针阔混交林和阔叶林在7月—9月份间的土壤湿度变化不大，一直处于低谷，分别在维持在16%、13%左右的较低水平。9月份之后4种森林类型土壤湿度均明显升高。

图1 马尾松林及其他森林类型0～60 cm土壤湿度动态和降雨量Figure 1 Variation of soil moisture of 0-60 cm soil layer for Masson pine forest and other forests and rainfall

由图1可知，4种森林类型中马尾松林和毛竹林的各月土壤湿度都比较接近，且高于阔叶林和针阔混交林，而以阔叶林最小。经方差分析也表明，马尾松林与毛竹林的月土壤湿度差异不显著（P＞0.05），而阔叶林与马尾松林、毛竹林的月土壤湿度差异均显著（P＜0.05），针阔混交林则与其他3种森林类型的月土壤湿度差异均不显著（P＞0.05）。

2.2 马尾松林与其他森林类型的土壤容重和孔隙特征

由表2可知，马尾松林、毛竹林、针阔混交林和阔叶林4种森林类型的土壤容重、孔隙度和持水量等各项土壤水文物理性质均以表层0～10 cm最好（表现为土壤容重最小，而孔隙度和持水量最大），且与其他各土层差异显著（P＜0.05）。相比表层土壤，10～20 cm土壤水文物理性质均发生较大幅度变化，表现为土壤容重增大，而土壤孔隙度和持水量变小。针阔混交林的10～20 cm土壤容重达到最大值，之后又随土层加深而减小。除非毛管孔隙度外，该土层其他孔隙度及持水量则基本达到最小值，之后又随土层加深而增大。马尾松林、毛竹林和阔叶林的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和持水量在20～40 cm土层达到最小值，之后随土层加深而略有增大。毛竹林和阔叶林的土壤容重则在该土层达到最大，之后略有减小。可见，除非毛管孔隙度外，4种森林类型的土壤容重、孔隙度和持水量随土层加深基本呈抛物线变化，但它们峰值或谷值出现的土层不同。

由表2可知，4种森林类型的土壤非毛管孔隙度基本随土层加深呈减小趋势，其中，阔叶林的土壤非毛管孔隙度变化在9.75%～25.00%之间，各土层均大于其他森林类型，以毛竹林和马尾松林最小。同样地，方差分析表明，阔叶林0～80 cm土壤非毛管孔隙度与其他森林类型差异显著（P＜0.05），而马尾松林与阔叶林、针阔混交林差异显著（P＜0.05），与毛竹林差异不明显（P＞0.05），它们大小排序为阔叶林（15.95%）＞针阔混交林（9.37%）＞毛竹林（5.90%）＞马尾松林（5.37%）。4种森林类型的0～80 cm土壤总孔隙度和饱和持水量变化与非毛管孔隙度基本相同，均以阔叶林最大，针阔混交林次之，毛竹林和马尾松林最小。方差分析也表明，阔叶林与其他森林类型均差异显著（P＜0.05），而马尾松林与针阔混交林、毛竹林差异不明显（P＞0.05）。0～80 cm 土壤容重则以阔叶林最小，为1.46 g/cm3；其次是针阔混交林、毛竹林；马尾松林最大，为1.57 g/cm3。总体上，相比其他3种森林类型，马尾松林土壤容重、孔隙度和持水量均差于阔叶林和针阔混交林，与毛竹林差异不明显。

表2 马尾松林以及其它森林类型的土壤容重、孔隙度和持水量Table 2 Soil bulk density，soil porosity and soil water holding capacity in Masson pine forest and other forests

2.3 马尾松林与其他森林类型的土壤贮水量

4种森林类型土壤贮水量对比分析表明（图2），阔叶林的土壤饱和贮水量显著高于其他3种类型（P＜0.05）；马尾松林和毛竹林土壤吸持贮水量显著高于针阔混交林和阔叶林，并且针阔混交林显著高于阔叶林（P＜0.05）。然而，阔叶林土壤滞留贮水量最高，马尾松林和毛竹林最低。可见，土壤贮水量受到森林类型显著影响。4种森林类型的土壤饱和贮水量依次序为阔叶林（354.75 mm）＞针阔混交林（328.58 mm）＞马尾松林（327.51 mm）＞毛竹林（321.00 mm）。土壤滞留贮水量同样以阔叶林最大，为121.25 mm，其次为针阔混交林（72.25 mm），马尾松林和毛竹林最小，分别为42.94和42.00 mm，不到阔叶林的50%。

图2 马尾松林以及其他森林类型0～80 cm土壤贮水量Figure 2 Soil water storage capacity of 0-80 cm soil layer in Masson pine forest and other forests

2.4 马尾松林土壤渗透特征

由表3可知，马尾松林土壤初渗率变化在0.53～18.24 mm/min之间，稳渗率变化在0～7.33 mm/min之间，渗透总量变化在4.54～1185.31 mm之间，平均入渗率变化在0.05～9.58 mm/min之间。土壤各渗透特征的最大值均出现在0～10cm，且0～10cm的土壤渗透特征与其他土层差异均显著（P＜0.05），说明马尾松林表层土壤孔隙状况好。之后土壤渗透特征随土层加深急剧减小，在40～50 cm达到最小值，说明40～50 cm土壤紧实，这可能与成土过程中黏粒淀积作用有关[12]。50 cm之下的土壤各渗透特征均略有增大，这可能与底层土壤有较多石砾有关[13]。

表3 马尾松林土壤渗透特征Table 3 Soil infiltration characteristics of Masson pine forest

马尾松林土壤初渗率、稳渗率与初始土壤含水量、土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度度、非毛管孔隙度、土壤石砾体积含量等其他水文物理性质相关分析（表4）表明，土壤初渗率、稳渗率均与土壤容重呈极显著负相关（P＜0.01），相关系数分别为-0.757和-0.870，与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度则呈极显著正相关（P＜0.01），但与初始土壤含水量和石砾体积含量不相关（P＞0.05）。说明马尾松林土壤初渗率、稳渗率均随土壤容重增大而减少，随总孔隙度和非毛管孔隙度增大而增大。

表4 马尾松林土壤渗透速率与其他水文物理性质的相关性（n=36）Table 4 Correlation between soil infiltration rate and other soil hydro physical properties of Masson pine forest

进一步对土壤初渗率、稳渗率与初始土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度等其他水文物理性质进行逐步回归分析，表明马尾松林土壤初渗率（Y1）和稳渗率（Y2）均与土壤容重（X1）、初始土壤含水量（X2）呈显著的二元一次函数关系（表5）。

表5 马尾松林土壤渗透速率与其他水文物理性质的拟合方程Table 5 Fitted equations between soil infiltration rate and other soil hydro physical properties of Masson pine forest

3 讨论

土壤容重是表征土壤水文物理性质的重要指标，一般认为，土壤容重小则土质疏松，利于拦截降水、促进入渗和减缓地表径流。与土壤酸化程度较轻（土壤pH值较大）的福建莘口林场[14]和武夷山[15]、江西大岗山[16]、广西桂平金田[17]和横县[18]的马尾松林相比（表6），本研究马尾松林0～60 cm各土层的土壤容重均较大，如本研究马尾松林0～20 cm土层的土壤容重为1.44 g/cm3，而福建莘口林场和广西桂平金田的马尾松林分别为1.07、1.06 g/cm3。同样地，本研究马尾松林0～60 cm土层的土壤容重为1.53 g/cm3，均高于福建莘口林场马尾松中龄林（1.25 g/cm3）、福建武夷山马尾松近熟林和成熟林（为0.99 g/cm3和1.00 g/cm3）、广西桂平金田马尾松中龄林（1.23 g/cm3）。说明与土壤酸化程度较轻的马尾松林相比，本研究马尾松林的土壤更为紧实，这可能与酸沉降影响下马尾松林土壤营养元素淋失较多、枯落物分解较慢及其营养元素归还土壤不足有关[19]，以及受马尾松根系减少所致[5]。

研究表明马尾松林各土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均低于土壤酸化程度较轻的马尾松林（表6），其中，0～60 cm土层的土壤总孔隙度仅分别是福建莘口林场、福建武夷山和广西桂平金田马尾松林的79%、67%和75%。并且本研究马尾松林的土壤非毛管孔隙度随土层加深的变化更为剧烈，如相比0～20 cm土层，20～40 cm土层的土壤非毛管孔隙度减幅达到53%，但其他马尾松林的土壤非毛管孔隙度随土层加深的变化则更为缓和。这一方面可能与酸沉降背景下马尾松根系生物量减少以及根系分布趋于土壤表层化有关[5]，另一方面可能是受酸沉降背景下土壤生物数量和多样性下降及其活动减少所致[20]。同样地，本研究马尾松林各土层的土壤贮水能力基本都低于其他马尾松林，如福建莘口林场、福建武夷山（近熟林和成熟林）、广西桂平金田马尾松林0～60 cm土壤饱和贮水量为309.24 mm、367.24 mm和365.76 mm、327.20 mm，是本研究马尾松林（245.67 mm）的1.26倍、1.49倍和1.49倍、1.33倍。这说明相比土壤酸化程度较轻的马尾松林，本研究马尾松林土壤孔隙特征和贮水能力均较差。

土壤渗透特征影响着降雨入渗、地表径流产生等水文过程，本研究马尾松林各层土壤初渗率、稳渗率均明显低于广西桂平金田和横县的马尾松林（表6），其0～60 cm土层的土壤初渗率、稳渗率为5.85 mm/min、1.41 mm/min，仅为广西桂平金田马尾松林的53%、22%，为广西横县马尾松林的26%、9%。本研究马尾松林各土层之间的土壤初渗率和稳渗率变化均较大，如土壤稳渗率由0～20 cm土层的3.79mm/min急剧减小到20～40cm土层的0.44mm/min、40～60 cm土层的0.01 mm/min。与上一土层相比，20～40 cm、40～60 cm土层的土壤稳渗率减幅达到88%和98%，但广西桂平金田、横县的马尾松林各土层之间的土壤初渗率和稳渗率变化均更为缓和。可见，相比土壤酸化程度较轻的马尾松林，本研究马尾松林土壤增加降雨入渗、削减地表径流能力明显下降。

表6 不同研究地点马尾松林土壤水文物理性质Table 6 Soil hydro physical properties in Masson pine forests from different study areas

土壤水文物理性质不仅受森林类型影响，而且还与林龄有关，如秦佳双等[18]研究表明，马尾松林土壤容重随林龄增长呈减小趋势，而土壤饱和持水量、土壤毛管持水量和土壤渗透率随林龄增加呈逐渐增加趋势。游秀花[15]研究结果也表明，土壤物理性质随马尾松林林龄增加而得到进一步改善。故由此可推测本研究马尾松近熟林或成熟林的土壤水文物理性质和水文功能理应处于各个林龄阶段的最优状态，即应优于其他林龄阶段的土壤水文物理性质和土壤水文功能。然而，与处于中龄林阶段的福建莘口林场和广西桂平金田马尾松林相比，本研究马尾松林的土壤水文物理性质仍然较差，这进一步说明了酸沉降背景下马尾松林土壤水文物理性质和土壤水文功能明显变差。因此，亟须通过营林管理措施改善土壤水文物理性质，增强土壤水文功能。

本研究中马尾松林和毛竹林的各月土壤湿度都比较接近，且高于阔叶林和针阔混交林，而以阔叶林最小，这可能与马尾松冠层叶量较少（落叶率高）而蒸腾耗水较少有关。除森林结构特征以外，4种森林类型的土壤湿度差异可能还与地形条件有关，毛竹林、针阔混交林和阔叶林样地的坡度分别为0、5、18°，而坡度越大越容易形成径流和深层渗漏[21]，故坡度越大而土壤湿度越低。研究表明酸沉降背景下4种森林类型中尤以阔叶林的土壤水文物理性质最好，表现为土壤容重最小，土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和饱和持水量最大，土壤饱和贮水量和滞留贮水量显著强于其他3种森林类型，说明本研究区的地带性植被——常绿阔叶林对酸沉降具有较好适应性，且能够有效改善土壤水文物理性质。作为马尾松林正向演替的过渡类型——针阔混交林同样也表现出较强的改善土壤水文物理性质能力，这与殷沙等[22]研究结果一致。本研究马尾松林由于受酸沉降影响而根系分布变浅、根系生物量下降[5]和凋落物分解缓慢[19]，使得土壤水文物理性质较差，并且与毛竹林差异不显著。

4 结论

酸沉降背景下马尾松林和毛竹林、针阔混交林、阔叶林的土壤湿度在6月份之前维持在较高水平，之后急剧下降到低谷，直到9月份后又开始快速上升，其间马尾松林和毛竹林的各月土壤湿度都比较接近，且高于阔叶林和针阔混交林，而以阔叶林最小。4种森林类型的土壤容重、孔隙度和持水量均随土层加深基本呈抛物线变化，但其峰值或谷值出现的土层不同。马尾松林土壤容重、孔隙度和持水量均与毛竹林相差不显著，但显著差于阔叶林及针阔混交林。土壤饱和贮水量和滞留贮水量以阔叶林最大，针阔混交林次之，马尾松林和毛竹林最小。马尾松林的土壤初渗率和稳渗率以0～10 cm土层最大，40～50 cm土层最小，且与土壤容重呈极显著负相关，与土壤总孔隙度、非毛管孔隙度呈极显著正相关。由此可见，酸沉降背景下4种森林类型的土壤水文物理性质以马尾松林和毛竹林较差，而阔叶林最好。