辽东半岛主要人工林土壤物理性质及其持水特性分析

摘要：  以辽东半岛地区的红松、落叶松、红松针阔混交林和灌草4种主要林地为研究对象，利用方差分析、Pearson相关性等方法进行计算与分析。结果显示：（1）土层深度与土壤容重呈正相关，与总孔隙度、毛管孔隙度呈负相关;容重、总孔隙度和毛管孔隙度范围分别在0.50～1.30 g/cm3、40%～88%、30%～80%。（2）林分土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量，随着土层深度增加逐渐降低，波动幅度先逐渐降低最后有所增加。不同林分持水能力不同，有林地>灌草地;落叶松林>红松林和红松针阔混交林>灌草地。（3）林分土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量，与土壤厚度和土壤容重呈极显著负相关，与毛管孔隙度和总孔隙度呈极显著正相关，与非毛管孔隙度差异性不显著。林分主要土壤物理性及其持水性受到林分类型和土壤深度的影响，表现出浅层和中层土壤保水持水能力强;落叶松林土壤结构质地更优，保水持水性更强。

关键词：  辽东半岛;  人工林;  土壤物理性质;  土壤持水性

中图分类号：   S 714. 2; S 152. 7               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2022）03 - 0018 - 06

近年來对土壤物理性质及其持水性研究[ 1 ， 2 ]在不断深入且成果斐然。付鹏程等[ 3 ]分析了河西走廊固沙植物土壤物理性质及持水性，认为土壤持水特性与容重、总孔隙度、毛管孔隙度呈显著正相关;王飞等[ 4 ]利用相关分析法，研究了不同林龄胡杨（Populus euphratica）根际土壤理化性质，指出随着林龄的增加，改善了胡杨根区土壤的理化性质;李青林等[ 5 ]以花溪区城镇乔木、灌木和草地3种典型绿地为研究对象，分析其土壤物理性质、饱和导水率和持水特性，认为灌木林地土壤保水能力强，旱季蒸发速率小;乔木持水能力强，雨季保持水分。可见，当前对土壤物理性质及其持水特性的研究，开展范围之广、分析内容之深。

辽东半岛地区是我国棕壤的主要分布地区之一，其森林土壤理化性质及其持水性研究也在不断完善与发展[ 6 ]。洪畅等[ 7 ]分析了熊岳镇不同土地利用类型对土壤特性的影响，表明林地和果园的土壤特性存在显著差异;祁金虎等[ 8 ]分析了抚育间伐对辽东山区红松林土壤物理性质及其持水性的影响，认为抚育间伐能够改变土壤物理性质及其持水性，中度和重度间伐效果更好。可见对辽东半岛和辽东山区土壤理化性质的研究还存在空白，特别是研究对象单一、典型林分种类少、深层土壤研究缺乏。

本文以辽宁辽东半岛国家级森林生态观测研究站的草河口镇站点为研究区域，选择红松（Pinus koraiensis）、落叶松（Larix gmelinii）、红松针阔叶混交林和灌草地为研究对象，分析不同林分类型的土壤孔隙度、密度、容重等主要物理性质及其持水特性，旨在完善辽东半岛土壤物理性质数据库，为本地区的水土保持工作提供参考。

1 研究区域与研究方法

1. 1 研究区域概况

辽宁辽东半岛森林生态系统国家定位观测研究的位于辽宁本溪满族自治县草河口镇（123°52'41"N，40°51'75"E），平均海拔645 m，地带性土壤为棕壤，pH 5.0～6.2，呈微酸性;属于温带大陆性季风气候，年平均气温6.5℃，最高气温32 ℃，最低气温-33 ℃，年平均降雨量900 mm左右，无霜期平均约127天，平均相对湿度69%。

以天然次生栎类林、人工红松针阔混交林、人工落叶松林、人工红松林为主。其中，栎类林优势树种为蒙古栎（Quercus mongolica）、麻栎（Quercus acutissima）等，伴生树种有水曲柳（Fraxinus mands-hurica）、胡桃楸（Juglans mandshurica）等;红松混交林优势树种为红松、栎类、水曲柳（Fraxinus mands-hurica）等，伴生树种稀少多为胡桃楸、赤杨（Alnus japonica）等;落叶松林伴生树种为麻栎。

1. 2 研究方法

1. 2. 1 样地设置与样品采集

2020年7月中下旬，按照典型性和代表性的原则，在研究区域选择坡度、坡向和海拔相近的典型林分，主要包括红松针阔混交林（MF）、落叶松林（LF）和红松林（KF），以研究区域相近、且土壤本底值相似的灌草地（SL）作为对照，各典型林分选择3处观测点。海拔利用GPS测定，坡度、坡向利用罗盘仪测定（表1）。

采用剖面法获取土壤样品，每种林分设置3个标准样地，每个样地按照“S”形随机选择3个样点，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm分层采集土壤样品。每层采集2个环刀（100 cm3）样品和铝盒样品，测定5种典型林分的土壤主要物理性质。共获取450个环刀样和450个铝盒样，采用烘干法和浸泡法测定土壤物理性质及其持水性，具体操作方法参照《中华人民共和国林业行业标准LY/T 1213-1999、LY/T 1215-1999》[ 9 - 10 ]。

1. 2. 2 数据处理与分析

用Excel 2016软件进行数据处理，每种林分的3个样点取平均计算情况下土壤的物理性质及其持水量。利用SPSS 24软件进行方差分析（ANOVA），得出不同林分类型、不同土层深度与土壤物理性质的差异显著性，并进行多重比较（P<0.05，P<0.001）;对土壤主要物理性质和持水性进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 林分土壤物理性质分析

土壤容重和孔隙度可以表征土壤结构，一般情况下土壤容重较小、孔隙度越大时，土壤结构疏松、通气透水性强，有利于植物生长，而土壤容重较大时则相反[ 11 ]。

从图1中显示，森林土壤容重与土层深度呈正相关（表2），随着土层深度的增加，土壤容重逐渐增大，最后有稳定趋势，且土壤容重变化区间在0.50～1.30 g/cm3。同时，变化幅度最大的是MF，其余林分变化幅度差异性不大，且集中在0～40 cm土层。在0～20 cm的土层中，土壤容重由小到大为红松针阔混交林（MF）<落叶松林（LF）<灌草地（SL）<红松林（KF）;在20～60 cm土层中，土壤容重表现为落叶松林<红松针阔混交林<灌草地<红松林。

森林土壤总孔隙度、毛管孔隙度与土层深度呈负相关（表2），而非毛管孔隙度无明显规律。其中，总孔隙度化范围在40%～88%，毛管孔隙度范围在30%～80%。受土层深度的影响，总孔隙度平均值大小，在0～20 cm土层中表现为红松针阔混交林>落叶松林>灌草地>红松，在20～60 cm土层为落叶松林>红松针阔混交林>红松>灌草地;毛管孔隙度平均值大小，在0～20 cm土层土为落叶松林>红松针阔混交林>红松>灌草地，在20～60 cm土层为落叶松林>红松>红松针阔混交林>灌草地。

由表2可知，土壤容重和孔隙度在垂直向上存在显著差异，受土层深度影响差异性存在区别。对于土壤容重在0～10 cm与40～60 cm土层呈极显著差异，在10～20 cm与30～40 cm土层呈显著差异。土壤孔隙度受林分类型的影响更大，表现出显著性存在较大差异，总体是土层越深差异性越大。

对比不同林分土壤孔隙度和容重，落叶松林毛管孔隙度和总孔隙度最大，通透性最好，更有利于乔木、灌木、草本等植物根系生长;红松针阔混交林和红松林毛管孔隙度次之，通气透水性处于中间位置;灌草地土壤较为紧实，通气透水性差，易产生水土流失，影响植被生根。

2. 2 林分土壤持水特性分析

由表3可知，辽东半岛主要林分土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量，随着土层深度增加逐渐降低，而波动幅度先逐渐降低最后有所增加。

辽东半岛主要林分最大持水量平均值表现为：落叶松（644.9 t/hm2）>红松针阔混交林（604.4 t/hm2）>紅松林（571.7 t/hm2）>灌草地（561.3 t/hm2），说明有林地最大持水能力大于灌草地，且落叶松林最大储水能力较强。毛管持水量均值由大到小为落叶松（533.6 t/hm2）>红松林（470.6 t/hm2）>红松针阔混交林（463.6 t/hm2）>灌草地（423.7 t/hm2），说明落叶松林能够更有效保持水分，更有利于植被的生长发育。田间持水量均值排序：落叶松（452.5 t/hm2）>红松林（405.8 t/hm2）>红松针阔混交林（378.7 t/hm2）>灌草地（323.5 t/hm2），说明落叶松林的抗旱、保水能力较强。

对比不同林分土壤持水能力可知，有林地大于灌草地，表明植树造林能够显著改变土壤的物理持水性，降低水土流失。同时，在有林地中，落叶松林持水保水能力最强;其次是红松和红松针阔混交林;最后是灌草地，保水持水能力最差，易发生水土流失。

2. 3 林分土壤物理性质与持水性的相关性分析

土壤持水特性与其理化性质紧密相关，利用土壤主要物理性质和持水特性指标进行Pearson相关性分析（表4），结果显示林分土壤厚度和土壤容重与毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著负相关（P<0.01），土壤厚度与土壤容重呈极显著正相关（P<0.01）。毛管孔隙度和总孔隙度与最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著正相关。但是非毛管孔隙度与土壤容重、土壤持水能力无显著相关性。

对比Pearson相关性系数，发现对土壤持水能力影响大小顺序为毛管孔隙度>土层厚度>土壤容重>总孔隙度，且正相关因子是毛管孔隙度和总孔隙度，而负相关因子是土壤容重和土壤厚度。

3 讨 论

辽东半岛主要林分内由于枯枝落叶保水[ 13 ]、植物根系固定水分[ 14 ]、微生物活动[ 15 ]等多种生态过程的影响，不同林分间土壤物理性质及其持水、保水、蓄水能力都有所差异[ 12 ]。

3. 1 林分类型与土层深度对土壤物理性质的影响

辽东半岛区域土壤多为山地棕壤，其容重、孔隙度、颗粒密度等，直接影响土壤质地与结构、化学性质、酶活性等，间接影响水分循环与成土快慢[ 3 ]。

对比不同林分土壤孔隙度和容重可知，落叶松林和红松针阔混交林孔隙度最大，通透性最好，更有利于乔木、灌木、草本等植物根系生长;灌草地土壤较为紧实，通气透水性差，易产生水土流失，影响植被生根。同时，土壤容重随着土层深度增加逐渐增大，变化速率有降低趋势;土壤孔隙度随着土层深度的增加，总孔隙度和毛管孔隙度呈现下降趋势，而非毛管孔隙度的变化规律不明显。该结果与刘俊廷等[ 16 ]和张晓霞[ 17 ]等关于晋西黄土区土壤容重的变化情况相似，也与其他人在土壤孔隙度的研究相同[ 15 - 16 ]。可能是受到植被根系分布[ 18 ]、林分年龄[ 19 ]、林分类型[ 20 ]、种植模式[ 21 ]、人为干扰[ 22 ]等多种因素的影响，主要包括林内枯枝落叶的积累[ 23 ]，植被主根与细根的数量[ 24 ]，碳、氮、磷、钾、有机质等矿物质的含量，林内优势树种的年龄等[ 24 - 27 ]。

3. 2 土壤物理性质对持水特性的影响

辽东半岛区域主要林分土壤容重、孔隙度等物理性质，具有一定的空间特性且存在相似性，导致土壤持水性与土壤物理性质是相互作用的[ 27 ]。

本研究显示，不同林分土壤持水能力，有林地>灌草地;落叶松林>红松和红松针阔混交林>灌草地。表明有林地能够有效改变土壤的蓄水能力、供水作用，从而提高林分水土保持作用[ 12 ]。同时，落叶松林的持水能力较强，与其地表枯枝落叶较多、土壤容重较小有密切的关系[ 6 ]。

最大持水量、毛管持水量、田间持水量，与土壤厚度和土壤容重呈极显著负相关（P<0.01），与毛管孔隙度和总孔隙度呈极显著正相关，与非毛管孔隙度无显著相关性。

4 结 论

4. 1 森林土壤容重与土层深度呈正相关，随着土层深度的增加，土壤容重逐渐增大，其变化区间为0.50～1.30 g/cm3。森林土壤总孔隙度、毛管孔隙度与土层深度呈负相关，而非毛管孔隙度无明显规律。其中，总孔隙度范围为40%～88%，毛管孔隙度范围为30%～80%。土壤容重和孔隙度在垂直向上存在显著差异，且土层越深差异性越大。

4. 2 对不同林分土壤持水能对比显示，有林地>灌草地;落叶松林>红松针阔混交林和红松林>灌草地。林分土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量，随着土层深度增加逐渐降低，而波动幅度先逐渐降低最后有所增加。

4. 3 Pearson相关性分析显示，林分土壤厚度和土壤容重与毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著负相关（P<0.01），土壤厚度与土壤容重呈极显著正相关（P<0.01）。毛管孔隙度和总孔隙度与最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著正相关。但是非毛管孔隙度与土壤容重、土壤持水能力无显著相关性。

辽东半岛区域林分土壤物理性及其持水性受到林分类型和土壤深度的影响，表现出浅层土壤更有利于植被生长，保水、蓄水、持水能力更强;同时，落叶松林土壤质地、结构更优，保水、持水能力也更强，能有效增强林分水土保持能力。

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第1作者简介：  李连强（1991-），  男，  硕士，  助理工程师，  研究方向为森林生态学。

收稿日期： 2022 - 02 -  20

Analysis of Soil Physical Properties and Soil Water Retention of Three Forest Stand Types in Liaodong Peninsula

LI Lianqiang

（Liaoning Research Institute of Forest Management，  Liaoning Dandong 118003）

Abstract Four typical forests of Pinus koraiensis， Larix gmelinii， and Korean pine mixed coniferous， broad-leaved forests and shrubs and grasses in the Liaodong Peninsula are divided into research objects. And methods such as analysis of variance， Pearson correlation are used. The main soil physical properties and water holding capacity of the main forests in the Liaodong Peninsula area were studied. The results show that： （1）The depth of the soil layer is positively correlated with soil bulk density， and negatively correlated with total porosity and capillary porosity. The range of bulk density， total porosity and capillary porosity are respectively about 0.50～1.30 g/cm3， about 40～88%， and about 30～80%. （2）The maximum soil water holding capacity， capillary water holding capacity and field water holding capacity of forest stand gradually decrease with the increase of soil depth， and the fluctuation range first gradually decreases and finally increases. Different forest stands hade different water holding capacity， such as woodland>shrub and grassland; larch forest>Korean pine forest and coniferous and broad-leaved mixed forest>shrub and grassland. （3）Forest stand soil maximum water holding capacity， capillary water holding capacity and field water holding capacity were extremely negatively correlated with soil thickness and soil bulk density， extremely significantly positively correlated with capillary porosity and total porosity， and different from non-capillary porosity Sex was not significant. The physical properties and water holding capacity of regional forest stand soil were affected by stand type and soil depth. It shows that the shallow soil and the middle soil have strong water retention capacity. The soil structure and texture of the larch forest were better， and the water retention was stronger

Key words Liaodong Peninsula; Typical forest stand; Soil physical properties; Soil water retention

遼宁省农业绿色高质量发展专项（2021HQ1915）