兰州市北山典型侧柏混交林地土壤水分物理性质研究

朱潮，武利玉，魏翻江，王燕茹，蒋仕敏，何媛

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省人大机关官山林场,甘肃 兰州 730070)

土壤水分物理性质是衡量土壤水分供应状况和评价森林土壤水源涵养能力的重要指标[1-2]。水分是稳定森林水循环的关键，是影响干旱、半干旱地区造林成活率以及林木生长发育的重要因子，土壤容重、孔隙度和持水能力等指标与土壤的水土保持和水源涵养能力密切相关[3]。土壤水分物理特性在较大程度上能够反映出森林植被对土壤理化性状的改良效果，林木的生长也能有效地减少土壤侵蚀和提高土壤质量，而不同树种或不同群落组成的森林对土壤理化性质的影响或改善作用是不同的[4-5]。

兰州位于黄土高原西部，其独特的区位和资源优势在我国的西部大开发战略中占有十分重要的地位。该地区受大陆性气候的影响，多年来一直干旱少雨，土壤贫瘠，地表裸露严重，植被稀疏，水土流失情况严重，生态环境脆弱，不仅影响兰州人民的生产生活，而且影响到黄河下游地区的社会、经济和生态安全。兰州北山区是重要的生态治理区，作为祁连山天然生态屏障的东缘，其生态建设是全国生态安全屏障建设的重要组成部分，对西北乃至全国经济社会可持续发展意义深远[6]。人工造林是该区域控制土壤流失，改善区域生态环境和城市形象的重要措施[7]。尤其是兰州自2000年实施南北两山环境绿化工程以来，造林面积迅速增加，基本形成了以人工林为主的森林群落环境，生态建设取得显著成效。

侧柏(Platycladusorientalis)作为一种典型针叶优势树种，具有较耐旱、耐贫瘠和抗病虫等优势，在我国北方各地广泛种植，是荒山绿化的主要造林树种[8]，也是兰州市南北两山人工造林最主要的树种。

目前对该区域人工林的相关研究大多集中在植被恢复和重建[9]、不同林龄侧柏纯林对土壤蓄水的影响[8]及土壤微生物与土壤理化性质的关联性等方面[10]，缺乏有关侧柏与其他树种的混交林土壤水分物理性质的系统研究。基于此，本文以兰州市北山仁寿山省人大官山林场的侧柏×榆树(Ulmuspumila)、侧柏×山毛桃(Prunusdavidiana)、侧柏×山杏(Armeniacasibirica)、侧柏×刺槐(Robiniapseudoacacia)、侧柏纯林等5种典型侧柏林地为研究对象，探讨树种组成和土层深度对土壤水分物理性质的影响，揭示不同类型侧柏人工林土壤水分物理性质特征和空间分布规律，以期为兰州市人工林营造和生态恢复中的植物配置提供指导，也为类似区域的植被恢复以及水源涵养和水土保持建设工作提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原西部的兰州市北山，北山区东起城关青白石乡张儿沟，西至西固区达川乡达家沟，南临黄河，北以面城主山脊线为界。地势北高南低，由西北向东南方向倾斜，海拔1 560～2 067 m，坡度一般在30°以上。土壤以淡灰钙土为主，颗粒较粗，沟坡分布有红胶泥和红沙土，pH值8.0～9.0[11]。大陆性气候特点明显，年均气温9.3℃，最高气温30℃左右，最低气温-10℃左右，年均降水量250 mm，年蒸发量1 800 mm，年日照时数2 600 h，年均风速2.3 m/s，最大风速20 m/s，年无霜期180 d[6]。

1.2 样地设置

在对兰州市南北两山绿化区踏查的基础上，2019年9月在兰州市北山仁寿山省人大官山林场(E 103°41′25″～103°41′35″，N 36°8′0″～36°8′15″N)选取人工灌溉下造林年限相同、立地条件相似的侧柏×榆树、侧柏×山毛桃、侧柏×山杏、侧柏×刺槐、侧柏纯林等5种典型树种组成为研究对象，分别用S1、S2、S3、S4和S5代表，在每种林地均设置20 m×20 m标准地3个，在每一标准地内测定并记录乔木树种的株数、树高、胸径，同时记录样地内草本层植物物种，样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

1.3 样品采集与测定

在每一标准地中心挖土壤剖面1个，用100 cm3环刀分0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm共5层，重复3次采集土壤样品，带回实验室测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、非毛管持水量等[12]；同时分层取土样装入铝盒带回实验室，测定各层土壤质量含水量。各指标计算公式如下：

土壤质量含水量=(m2-m1)/m1×100%

(1)

土壤容重=m1/v

(2)

饱和持水量=(m3-m1)/m1×100%

(3)

毛管持水量=(m4-m1)/m1×100%

(4)

田间持水量=(m5-m1)/m1×100%

(5)

非毛管孔隙=(饱和持水量-毛管持水量)×土壤容重

(6)

毛管孔隙=毛管持水量×土壤容重

(7)

总孔隙度=毛管孔隙+非毛管孔隙

(8)

其中，m1为干土质量(g)；m2为湿土质量(g)；m3为浸润12 h后湿土质量(g)；m4为在干砂上搁置2 h后湿土质量(g)；m5为在干沙上搁置一定时间后湿土质量(g)；v为环刀体积(cm3)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和双因素方差分析(Two-way ANOVA)。运用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 树种组成和土层深度对土壤水分物理性质的影响

树种组成对容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量为极显著影响(P<0.01)，毛管持水量和田间持水量为显著影响(P<0.05)；土层深度对容重、饱和持水量为极显著影响(P<0.01)，总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和田间持水量为显著影响(P<0.05)；二者交互作用对土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量为极显著影响(P<0.01)，毛管持水量和田间持水量为显著影响(P<0.05)(表2)。

表2 树种组成和土层深度对土壤水分物理性质影响的方差分析结果

2.2 不同树种组成土壤容重变化

不同树种组成林地0～100 cm土壤容重均值介于1.11～1.19 g/cm3，其大小顺序依次为；S1(1.192 g/cm3)>S5(1.186 g/cm3)>S2(1.172 g/cm3)>S3(1.163 g/cm3)>S4(1.109 g/cm3)，其中，侧柏×刺槐土壤容重显著小于其他林地(P<0.05)。不同树种组成林地的土壤容重均随土层深度增加而增大，不同土层间各林地土壤容重没有明显变化规律，0～10、10～20和40～60 cm土层土壤容重均表现为S1最大，S4最小，但只有0～10、40～60 cm土层存在显著差异(P<0.05)；在20～40和60～100 cm土层土壤容重均表现为S5最大，S4最小；且有显著差异(P<0.05)(图1)。

图1 不同树种组成的土壤容重Fig.1 The soil bulk density of different forest types注：不同大写字母表示同一土层不同树种组成在间的差异水平(P<0.05)。不同小写字母表示同一树种组成在不同土层间的差异水平(P<0.05)。下同

2.3 不同树种组成土壤孔隙度变化

不同树种组成在0～100 cm土层，土壤总孔隙度毛管孔隙度分别介于50.63%～55.31%和45.83%～48.58%，其均值大小变化一致，均表现为S4>S3>S2>S5>S1，存在显著差异(P<0.05)；各林地土壤总孔隙度与毛管孔隙度均随土层深度的增加而减小；而非毛管孔隙度随土层深度变化不同，其中S1和S2表现为随土层深度增加而减小，S3、S4和S5表现为随土层深度增加先减小后增大，然后又减小。总体来看：0～100 cm土层土壤的总孔隙度、毛管孔隙度与非毛管孔隙度均是S4最大，分别为55.31%、48.58%和6.72%。

随着土层深度的增加，不同树种组成的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，总体趋势表现一致，孔隙度在土壤表层明显大于底层。其中总孔隙度在10～60 cm土层S4与S1差异显著(P<0.05)，在60～100 cm土层S4与S5差异显著(P<0.05)；毛管孔隙度在20～60 cm土层S4与S1差异显著(P<0.05)，在60～100 cm土层S4与S5差异显著(P<0.05)；非毛管孔隙度在20～40 cm土层S3与S1差异显著(P<0.05)，在60～100cm土层S4与S5差异显著(P<0.05)。

2.4 不同树种组成土壤持水状况

不同林地在0～100 cm土层土壤饱和持水量、毛管持水量与田间持水量变化分别为42.63%～50.04%、38.56%～43.96%和26.98%～31.81%。其均值均表现出一致的变化趋势，均表现为S4>S3>S2>S5>S1，存在显著差异(P<0.05)；各林地土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量均随土层深度的增加而减小。总体来看：0～100 cm土层土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，均是S4最大，S1的最小，前者持水量分别是后者的1.17倍、1.14倍和1.18倍(图3)。

图2 不同树种组成土壤孔隙度的变化Fig.2 The soil porosity of different forest types

图3 不同树种组成土壤持水量Fig.3 The soil water holding capacity of different forest types

随着土层深度的增加不同林地的土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，总体趋势表现一致，持水量在土壤表层明显大于底层。在0～40cm土层土壤饱和持水量、毛管持水量均表现为S1最小，S4最大，存在显著差异(P<0.05)；在40～100 cm土层均表现为S5最小，S4最大，存在显著差异(P<0.05)；田间持水量在0～10和40～60 cm土层表现为S4>S3>S2>S5>S1，存在显著差异(P<0.05)，在10～20和60～100 cm土层表现为S4>S3>S2>S1>S5，存在显著差异(P<0.05)。

3 讨论

3.1 不同树种组成对土壤容重的影响

土壤容重作为土壤物理性质的重要指标，其大小变化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]。本研究中，0～100 cm土层，5种典型侧柏人工林土壤容重从小到大依次为侧柏×刺槐、侧柏×山杏、侧柏×山毛桃、侧柏纯林和侧柏×榆树，说明相对于侧柏纯林，侧柏混交林更有利于改善林地环境，从而促进土壤物理性状的改善，这与时钟瑜等[14]研究一致。同时，本研究发现侧柏纯林的土壤容重小于侧柏×榆树，但无显著差异(P>0.05)，这可能跟树木根系的生长及分布不同有关[15]，从而影响到不同土层间的土壤物理性状，也可能与树种间凋落物的分解情况有关，导致林地内凋落物没有充分利用，延缓了凋落物的分解，有些树种凋落物之间有相互促进分解作用，而有些则有相互抑制分解的作用[16]。

3.2 不同树种组成对土壤孔隙度的影响

土壤孔隙度可以反映土壤浸水和通气状况[17]。本研究中，在0～100 cm土层，不同林地间土壤孔隙度存在显著差异，4种侧柏混交林的土壤孔隙度均大于侧柏纯林。孔隙度从大到小依次为侧柏×刺槐、侧柏×山杏、侧柏×山毛桃、侧柏纯林和侧柏×榆树。造成这种差异的原因可能是侧柏的叶片为鳞形叶，短小，每年叶片的更新速度和生长量远小于侧柏混交林，导致侧柏混交林形成的凋落物蓄积量显著高于侧柏纯林，这与魏雅丽等[18]的研究结果一致。另外，可能是不同侧柏混交林优势树种差异使其林内小环境、植被构成和生长状况不同，影响了林木根系的分布和土壤养分的转化和传输，所以对土壤的改良效果不同，影响土壤孔隙度的大小，这与蒲嘉霖[19]、王颖[20]、李银等[21]研究结果相似。

3.3 不同树种组成对土壤持水能力的影响

土壤的最大持水量反映了土壤的蓄水能力，而毛管持水量则能反映林地的供水能力[22]。本研究中土壤持水量与土壤容重和土壤孔隙度密切相关，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，土壤蓄水能力越强，这与陈莉莉等[23]研究一致。不同林分类型土壤持水量与孔隙度均随着土层深度的增加而降低，这可能与凋落物分解速率、植物根系随土壤深度增加分布不同有关[24]。在0～100 cm土层，不同林地间土壤持水量存在显著差异，其中侧柏×刺槐饱和持水量、毛管持水量与田间持水量均为最大，持水能力明显大于其他林分，说明侧柏混交林中树种搭配不同影响到土壤的孔隙度，对土壤质地产生一定影响，进而对土壤持水能力产生了影响[25-27]。

4 结论

兰州市北山5种典型侧柏人工林土壤水分物理性质存在差异显著。土壤容重随土层深度的增加而增大，饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、总孔隙度与毛管孔隙度均随土层深度的增加而减小；侧柏混交林土壤水分物理性状整体优于侧柏纯林，其中侧柏×刺槐土壤涵养水源能力最好。因此，在兰州市北山进行人工林造林时可以优先考虑营造侧柏混交林，尤其是侧柏×刺槐林更有利于改善林地土壤水分物理性状。