不同类型人工林下土壤斥水性的变化

2022-04-29彭家顺雷开敏兰龙焱牛德奎郭晓敏刘晓君

中南林业科技大学学报 2022年3期

彭家顺，雷开敏，兰龙焱，牛德奎，郭晓敏，刘晓君

（江西农业大学江西省森林培育重点实验室，江西南昌 330045）

土壤斥水性（soil water repellencey）是指水分不能或者很难湿润土壤颗粒表面的物理现象[1]。水洒在斥水土壤的表面后，水分滞留在地表，不能渗入土壤中[2]。最早关于土壤斥水性的研究是在19世纪，地表的草本植物和土壤中的微生物所分泌的有机物具有疏水性，使得土壤产生了斥水现象，根据学者的研究发现，土壤斥水性是普遍存在的，当土壤含水率低于某一临界值后，亲水土壤也会逐渐向斥水土壤转变[3]。斥水性土壤分布广泛，并且斥水性受到土壤水分、土壤质地、土地利用方式、气候以及地上植被等诸多要素影响[4]。国内关于土壤斥水性的研究起步较晚，20世纪末杨邦杰[5]对斥水性土壤的调查、研究以及改良提出了意见，并对斥水性土壤中的水热运动进行了研究，从实际出发，建立了斥水性土壤中的水分运动数值模型，发现土壤斥水性会影响水分在土壤中的运动，从而影响植物的生长。土壤的pH 值、CEC、土壤质地等因素均会影响斥水性[6]，从而进一步影响水分在土壤表面的运动，引起土壤侵蚀，造成水土流失等严重后果[7]。

人工林是森林资源的重要组成部分，在生态修复、景观建设和改善环境等方面发挥着重要作用。不同的经营模式和抚育方法对土壤碳氮循环以及微生物活性有着显著的影响[8-10]。改革开放以来，我国人工林面积和蓄积量在40年内一直稳步增长，但人工林的质量受土壤质量、土壤水分以及林分密度等因素影响，且我国人工林建设仍然存在质量差、结构不合理、生产力低、生态功能弱、稳定性差等诸多问题[8-10]。尤其在南方红壤区通过飞播造林和退耕还林等一系列措施，人工林面积显著提升，但是“远看青山在，近看水在流”的特征明显，所以南方红壤区人工林仍然面临着效益低下，水土流失严重等问题[14-15]。实现人工林的可持续经营，有助于生态系统的稳定和经济的稳定发展[16]。目前我国关于人工林下的土壤斥水性的相关研究较少，本研究试图通过对不同类型人工林下的土壤斥水性的研究，进一步探讨不同类型人工林下的土壤斥水性的变化规律以及影响因素。研究结果既对人工林的建设具有现实指导意义，也可以对南方红壤地区人工林侵蚀治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地设于江西农业大学校园内。江西农业大学位于南昌市西北部，地处梅岭山脚。位于115°49′E，28°45′N。属于亚热带季风湿润气候，全年平均气温17～17.7℃；最冷月为1月，最热月为7月；年降水量为1 600～1 700 mm，降水日为147～157 d；年平均相对湿度较高，为75.5%；年无霜期为251～272 d。试验区土壤为典型的花岗岩风化而来的南方红壤。在江西农业大学校园内，选择种植年限为10年的竹阔混交林、乔灌混交林和针阔混交林3 种类型的人工林，并以人工草地为对照组，在3 种不同的混交林以及草地内分别设置20 m ×20 m 的样地。草地主要草种为马尼拉草Zoysia matrella和猪殃殃Galium aparine，竹阔混交林主要植被为孝顺竹Bambusa multiplex、枫香Liquidambar formosana和三角枫Acer buergerianum，乔灌混交林的主要植被为桃树Amygdalus persica、日本晚樱Cerasus serrulata、樟树Cinnamomum camphora和山茶Camellia japonica，针阔混交林的主要植被为马尾松Pinus massoniana、湿地松Pinus elliottii、火炬松Pinus taeda、桦木莲Sinomanglietia glauca和观光木Tsoongiodendron odorum等。

1.2 采样方法

在各个样地内设置一个10 m×10 m 的样方，调查样方内物种数量以及各物种的个体数。再在各个样地内随机设置3 个小样方（1 m×1 m），分为上、下层（0～20 cm、20～40 cm）利用环刀采集原状土，每层取1 个环刀。并按照五点采样法，在样地内分上、下层采集非原状土，装入10 号自封袋中。将环刀和自封袋贴好标签带回试验室。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤斥水性的测定

滴水穿透时间法（water drop penetration time）。将各样地上、下两层的共8 种土样放置于65℃的烘箱内烘24 h。将各土样均分为50.0 g 每份，并分别装入规格相同的小铝盒内。在装有相同土样的铝盒内依次缓慢均匀地加入0、1、2、3 g……的纯水，直至土壤水分达到饱和。用滴管吸取纯水滴于土壤表面（每滴为0.05 mL），为了避免重力对水滴的运动产生干扰，滴管口离土壤表面的距离不得大于1 cm。在每个铝盒内分别滴5滴纯水，并用秒表记录每滴水完全渗入土壤的时间，取5次时间的算数平均值作为WDPT 值。当WDPT＜5 s 为不斥水，5 s＜WDPT＜60 s 为轻微斥水，60 s＜WDPT＜600 s为强烈斥水，600 s＜WDPT＜3600 s 为严重斥水，WDPT＞3600 s 为极端斥水[17-18]。

1.3.2 土壤理化性质的测定

参考《土壤农化分析》，土壤容重采用烘干法测定，土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量用环刀法测定，土壤pH 值采用电位法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，土壤机械组成采用比重计法测定。

1.3.3 Margalef 丰富度指数M 的计算

M= (S- 1)/ln(n)。

式中S为群落中的物种数，n为群落中全部物种总个体数。

1.4 数据处理

使用SPSS 22.0 软件对数据进行统计分析，对草地和不同类型人工林的郁闭度和物种丰富度M与林下的土壤的有机质含量、pH 值、土壤容重以及土壤机械组成进行分析。使用Excel 2017 和Origin 9.0 软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 土壤的理化性质及林分特征

如表1所示，草地、竹阔混交林、乔灌混交林和针阔混交林的郁闭度和丰富度指数M依次增大，且差异性显著。各样地土壤容重均在1.28～1.62 g/cm3之间，土壤均呈酸性，pH值在4.19～6.42之间，由于校园内的植被都疏于管理，很少进行翻耕、浇水和施肥等措施，所以土壤有机质含量较低，在2.58～14.86 g/kg 之间。在同一样地中土壤容重和土壤有机质含量均表现为上层大于下层。土壤的饱和持水量、毛管持水量和变化范围分别为田间持水量276.20～409.70 g/kg，240.81～348.40 g/kg，213.09～308.27 g/kg。针阔混交林的土壤饱和持水量表现为上层大于下层，而草地、竹阔混交林和乔灌混交林的土壤饱和持水量则表现为下层大于上层。草地和乔灌混交林的土壤毛管持水量和田间持水量均表现为上层大于下层，而竹阔混交林和针阔混交林则与之相反。

表1 土壤理化性质和林分特征†Table 1 Soil physicochemical properties and stand characteristics

2.2 土壤斥水性

如表2所示，用WDPT 法测定土壤的斥水性，结果如表2所示。各个土样之间的土壤斥水性最大值差异显著（P＜0.05），但是最小值之间差异不显著（P＞0.05）。乔灌混交林上层、针阔混交林上层和下层土壤的WDPT 的最大值小于5 s，始终表现为亲水性，而其他土壤的WDPT 最大值大于5 s 且小于60 s，表现为轻微斥水性。草地上层土壤的WDPT 最大值为14.75 s，斥水性最强；针阔混交林下层土壤的WDPT 最大值为2.67 s，斥水性最弱。在同一样地内的土壤斥水性均表现为，上层土大于下层土（P＜0.05）。整体上来说，草地、竹阔混交林、乔灌混交林和针阔混交林的WDPT最大值和均值依次减小，但是最小值变化不大，在0.1 s～1.54 s 范围内波动。

表2 土壤斥水性†Table 2 Soil water repellency

2.3 WDPT 最大值与土壤理化性质的相关性分析

通过对各个样地内的土壤斥水性进行比较，结果如表3所示，WDPT 的最大值与土壤砂粒含量（r2=0.72）以及容重（r2=0.84）呈极显著正相关的关系（P＜0.01），与土壤pH 值和粉粒含量呈显著正相关的关系（P＜0.05），与土壤黏粒含量（r2=-0.66）、林分郁闭度（r2=-0.93）、丰富度指数M（r2=-0.85）、土壤饱和持水量（r2=-0.72）呈极显著负相关的关系（P＜0.01），与有机质含量、土壤毛管持水量和田间持水量呈显著负相关的关系。

表3 土壤理化性质和林分特征与WDPT 最大值相关性分析†Table 3 Correlation analysis of soil physicochemical properties and stand characteristics with the maximum value of WDPT

2.4 不同含水率条件下土壤斥水性的变化

通过对所采集的土壤样品的土壤斥水性进行测定，得到了如图1所示的结果。从图1和表4可以看出，草地、竹阔混交林上层和下层土壤以及乔灌混交林上层土壤分别在70～220、180～220、120～200、90～140 和160～180 g·kg-1表现出斥水性。除了乔灌混交林下层土壤和针阔混交林上和下层土壤以外，其他土壤都表现出了轻微斥水性。

表4 土壤表现出斥水性的含水率范围Table 4 The range of moisture content in which the soil exhibits water repellency

图1 土壤含水率与斥水性之间的关系Fig.1 The relationship between soil moisture content and water repellency

随着土壤含水率的不断增大，除了针阔混交林以外，各个土壤的WDPT 值都具有一个显著峰值，草地、竹阔混交林、乔灌混交林的上层和下层土壤分别在含水率为200、210、190、120、170和140 g·kg-1时达到峰值。在到达峰值之前，随着土壤含水率的增大，土壤的斥水性整体上呈不断增大的趋势，达到峰值之后土壤的斥水性立即不断降低直至土壤水分达到饱和，即土壤的WDPT值曲线呈单峰状。

3 结论与讨论

3.1 不同类型人工林下的土壤斥水性的变化

土壤的斥水现象广泛存在，在土壤质地、土地利用方式和各种气候条件的作用下土壤斥水性几乎可以发生于任何种类的土壤[2,19]。本研究结果表明，土壤的斥水现象具有普遍性，此次试验除了针阔混交林以外，草地和其余两种类型人工林下的土壤都表现出了轻微斥水性。王杰等[6]对中南地区地带性土壤的斥水性进行了研究，结果与本研究一致，发现土壤斥水性与土壤pH 值呈正相关关系，随着土壤pH 值的增大，土壤斥水性也会随之增大。陈俊英等[20]对以色列不同质地的土壤进行研究发现，土壤有机质含量是影响土壤斥水性的重要因素之一，因为土壤中的斥水性物质主要来源于土壤有机物的分解，所以随着土壤有机质含量的增加，土壤的斥水性也会随之增大。还有学者对我国中南地区和西南地区土壤进行了研究，发现土壤的斥水性与有机质含量并没有显著相关性[6,21]。而本文的研究结果表明，土壤的斥水性与有机质含量呈负相关关系。本文中，土壤的砂粒和粉粒含量与斥水性呈正相关关系，而黏粒则与斥水性呈负相关关系，因为随着土壤中大颗粒物的减少与细颗粒物的增加，土壤的持水能力增强，从而导致斥水现象变弱。但是王杰等[6]和李金涛等[22]对土壤机械组成与斥水性之间的关系进行了研究，结果得出土壤斥水性与砂粒含量之间呈负相关关系。而朱凯等[21]经过研究土壤斥水性与砂粒和粉粒含量并没有显著相关性，但是却与黏粒含量有显著正相关关系。可能因为土壤具有空间异质性，所以不同地区土壤的斥水性与有机质含量和机械组成之间的关系不同。林分对土壤的斥水性存在影响，复合林分下的土壤斥水性小于单一林分下的土壤斥水性，即林分越复杂则土壤斥水现象越弱[21]。本研究结果与前人的一致，随着人工林的林分越复杂，土壤的斥水性越小，甚至针阔混交林下的土壤始终保持着亲水性。因为随着林分物种丰富度和郁闭度不断增加，林冠层对降水的截留量也会随之增大，地表冲刷就会减弱，土壤表面便不易结皮，能够更好地使水分渗入到土壤中，从而使斥水性降低[23-26]。

3.2 不同含水率情况下土壤斥水性的变化

水分是影响土壤斥水性的一个重要因素，随着土壤含水率的变化，土壤斥水性也会随之改变。根据本研究得出，土壤斥水性的变化曲线随着土壤含水率的增大呈单峰状，而且随着土壤持水能力的逐渐增强，土壤表现出斥水性的含水率范围随之变小，而且达到斥水峰值时的土壤含水率也随之变低。陈俊英等[20]研究了土壤斥水性对含水率的响应，发现土壤斥水性对含水率的响应呈单峰曲线。这与本研究的结果基本一致，除了针阔混交林下的土壤随着含水率的变化始终保持亲水性以外，其他林分下的土壤都表现为随着含水率的逐渐增加，土壤斥水性呈先增大后减小的趋势，即曲线呈单峰状。真正的土壤颗粒形状各异，为不规则体。人们往往为了方便试验研究，把土壤颗粒看作球体。当土壤含水率较低时，土粒与土壤中水分的液面所形成的接触角较小，此时土壤水分的基质势主要由土壤孔隙气压和孔隙中的水压决定[27]。所以当土壤含水率低时，土壤处于亲水状态。随着土壤含水率的不断增加，接触角会逐渐增大，由于液体张力的作用，土壤的基质吸力会减小，从而土壤逐渐表现出了斥水性[28-29]。