冀西北不同林分类型土壤贮水与入渗特征

梁世兴,王娅茹,曹航,杨晓慧,李宏志,孟子龙,刘海翔,郭建军,杨新兵

(1张家口市涿鹿林场，河北 张家口 075600；2河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；3张家口市塞北林场(市国有林场管理处)，河北 张家口 075000)

水土保持是丘陵山区生态恢复及重建的基础，它关系到地方生态建设乃至整个社会与经济的可持续发展，水土保持的实质就是生态水文过程的控制与调节[1]。土壤水分入渗和水分贮存是反映森林植被保持水土和涵养水源作用的重要水文参数，是森林植被的主要水文功能[2]。土壤贮水量的大小主要取决于土壤厚度与土壤孔隙状况，土壤水分入渗与地表径流、表土结构、土壤密度、土壤孔隙状况、土壤持水量及植被特征等多种因素密切相关[3]。土壤孔隙状况、土壤含水量、土壤容重及有机质含量等理化性质随着土地利用类型的变化也会发生相应改变，进而直接或间接影响土壤入渗特征[4]。因此，研究不同林分类型土壤水分入渗和水分贮存规律对改善生态环境、提高森林植被保持水土与涵养水源能力、防止地表径流的产生具有十分重要的意义。

《京津冀协同发展规划纲要》将张家口市确定为京津冀西北部生态涵养区，承担着为首都提供优质水源和优良生态环境保障的重任。2019年12月河北省人民政府印发了《张家口首都水源涵养功能区和生态环境支撑区建设规划(2019-2035年)实施意见》，涿鹿林场属北京官厅水库上游重要水源保护林范畴。为了改善冀西北森林保持水土和涵养水源的能力，以河北省张家口市涿鹿林场分布最广泛的白桦、油松、山杨、华北落叶松4种林分为研究对象，研究其土壤贮水和入渗特征，为该地区的水源保护和水土流失综合治理提供理论依据。

1 研究区域概况

涿鹿林场位于河北省张家口市涿鹿县境内，E 114°55′～115°31′，N 39°40′～40°39′。属海河流域永定河上游，地势为南北低、中间高，海拔906～2 882 m。属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温9.1 ℃，年均降水量372.7 mm。土壤类型主要为褐土。主要生态树种有油松、华北落叶松、山杨、白桦、蒙古栎、小叶椴等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在涿鹿林场选取油松、山杨、白桦、华北落叶松4种优势树种的林分作为研究样地，撂荒地作为对照。每个林分内设置30 m×30 m的标准样地，进行每木检尺，样地基本特征详见表1。

表1 不同林分样地基本情况Table 1 Basic information of different stand plots

2.2 土壤贮水特征测定

在选取的样地内用体积100 cm3环刀分坡位取土样，每10 cm 1层取样，采用环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度和持水性能等土壤贮水量特征参数，计算公式为[5]：

Wc=1 000pch；Wnc=1 000pnch；

Wt=1 000pth

式中：Wc，Wnc和Wt分别为土壤最大吸持贮水量、土壤最大滞留贮水量和土壤饱和贮水量(单位：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为计算土层深度(m)。

利用斜率判断土壤贮水特征变化，斜率越大则土壤贮水特征参数变化程度越大(反之亦然)。

2.3 土壤入渗特征测定

利用双环渗透筒测定不同时段的土壤入渗过程。在样方的坡上和坡下分别取3个重复。记录初始入渗速率和稳定入渗速率等参数，并制作入渗曲线。利用SPSS软件对4种林分入渗速率进行差异性分析。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型的土壤贮水特征

土壤贮水是森林植被耗水的重要来源之一，在森林植被生长发育过程中起到非常重要的作用，也是森林植被水源涵养功能与水分保持的重要指标[6]。土壤贮水量的大小与其孔隙状况和土壤厚度密切相关。不同林分土壤贮水特征参数见图1。

图1 不同林分土壤贮水特征参数Figure 1 Characteristic parameters of soil water storage under different stand conditions

由图1可知：土壤饱和贮水量呈现为白桦林(373.24 mm)>油松林(352.72 mm)>山杨林(325.20 mm)>华北落叶松林(306.28 mm)>撂荒地(286.30 mm)，各林分的土壤蓄水能力(土壤饱和贮水量)均高于撂荒地，表明森林具有较好的土壤蓄水和持水能力。土壤滞留贮水量是饱和土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暂时贮存量，4种林分土壤滞留贮水量排序为：白桦林(119.82 mm)>油松林(117.97 mm)>山杨林(86.63 mm)>华北落叶松林(68.46 mm)>撂荒地(54.37 mm)，表明白桦林改良土壤滞留贮水的能力最好，撂荒地最差。土壤吸持贮水量是水分依靠毛管吸持力在毛管孔隙中的贮存量，4种林分土壤吸持贮水量排序为：白桦林(253.76 mm)>山杨林(238.57 mm)>华北落叶松林(238.53 mm)>油松林(234.49 mm)>撂荒地(231.93 mm)，白桦林总体贮水能力明显高于其他林分和撂荒地，撂荒地总体贮水能力最低。

3.2 不同林分土壤容重和孔隙度

土壤容重与孔隙度密切相关，可以较好地反映土壤水分入渗性能、透气性、持水能力等，土壤容重越小，表明土壤疏松多孔，其孔隙状况越好[7]。不同林分土壤容重见图2。不同林分土壤孔隙度见图3。

图2 不同林分土壤容重Figure 2 Soil bulk density of different stand types

图3 不同林分土壤孔隙度Figure 3 Soil porosity of different stand types

由图2和图3可知，不同林分土壤容重均值排序为：白桦林(0.90 g/cm3)<油松林(0.95 g/cm3)<山杨林(0.99 g/cm3)<华北落叶松(1.00 g/cm3)<撂荒地(1.27 g/cm3)。不同林分总孔隙度均值排序为：白桦林(62.24%)>油松林(59.01%)>山杨林(54.20%)>华北落叶松林(51.35%)>撂荒地(47.72%)，容重越小，土壤孔隙度就越大。

土壤容重与孔隙度、土壤贮水量的相关性见图4、图5。

图4 土壤容重与孔隙度的相关性Figure 4 Correlation between soil bulk density and porosity

图5 土壤容重与土壤贮水量的相关性Figure 5 Correlation between soil bulk density and soil water storage

由图4和图5可知，随着土壤容重不断增大，其总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和贮水量、吸持贮水量和滞留贮水量均呈现下降趋势。随着容重的增大，土壤滞留贮水量减小的程度(拟合方程的斜率为200.02)大于土壤吸持贮水量减小的程度(拟合方程的斜率为165.78)(图5)，非毛管孔隙减小的程度(拟合方程的斜率为0.3184)大于毛管孔隙减小的程度(拟合方程的斜率为0.2546)(图4)，这表明森林植被对非毛管孔隙(滞留贮水)的改善作用要大于毛管孔隙(吸持贮水)的改善作用。

3.3 不同林分土壤入渗特征

入渗是地表水、大气水、土壤水和地下水转化的中心环节，直接关系到地表径流的发生与土壤侵蚀程度[8]。不同林分土壤入渗曲线见图6。

图6 不同林分土壤入渗曲线Figure 6 Soil infiltration curves of different stand types

由图6可知，随着时间的延长入渗速率逐渐降低，各林分类型入渗速率与入渗时间呈幂函数关系。各林分的土壤初渗速率与稳渗速率均高于撂荒地。不同林分土壤入渗速率与多重比较见表2。

表2 不同林分土壤入渗速率与多重比较Table 2 Soil infiltration rate and multiple comparison of different stand types

由表2可知，各林分土壤平均初渗速率排序为：白桦林(20.70 mm/min)>油松林(16.67 mm/min)>山杨林(11.36 mm/min)>华北落叶松林(8.33 mm/min)>撂荒地(4.81 mm/min)。土壤平均稳渗速率排序为：白桦林(5.21 mm/min)>油松林(3.55 mm/min)>山杨林(2.42 mm/min)>华北落叶松林(1.89 mm/min)>撂荒地(1.23 mm/min)。初渗速率和稳渗速率林地均比撂荒地高，表明森林植被有提高土壤入渗能力的作用，可以有效防止水土流失和地表径流的产生。利用SPSS软件对4种林分入渗速率进行差异性分析(置信区间为95%)表明，在稳渗速率方面，4种林分与撂荒地均存在显著差异。在初渗速率方面，白桦林与油松林、山杨林、撂荒地存在显著差异，白桦林与华北落叶松林差异不显著。

4 讨论

植被对土壤具有良好的改善作用，不同林分土壤质地存在较大差异，进而直接或间接影响土壤水土保持功能。森林植被的根系生长和枯落物的分解，改良了土壤理化性质和结构，提高了土壤孔隙大小和数量，使得土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的贮存量增大，为降雨提供应急的水分贮存，可以有效避免地表径流的发生[9-10]。刘霞等研究发现森林植被对非毛管孔隙度改善程度要优于毛管孔隙度，土壤非毛管孔隙度对土壤贮水量的影响较大[5]。本研究对4种林分改善土壤贮水能力进行了探讨，发现森林对土壤容重、非毛管孔隙度和土壤容重等有明显改善，森林的水土保持能力较撂荒地均有较大提高，与刘霞的研究结果基本一致。

土壤水分入渗除了人为和降雨因素外，主要受到下垫面状况、植被类型、土壤物理性质、土地利用方式、孔隙状况、土壤有机质含量及密度等影响[5，11]。植被通过改变土壤结构进而影响土壤水分入渗特征，土壤物理性质的空间变异性决定了即使在同一植被情况下，因为植被生长状况不同，土壤质地也会不同，进而导致土壤入渗速率出现差异[12-13]。本研究表明，森林植被相比撂荒地明显提高了土壤入渗速率，改善了土壤水分贮存能力，原因可能是森林植被根系会影响土壤结构、枯落物的分解，增加了土壤有机质含量、土壤易形成团粒结构等，从而改善孔隙状况，提高土壤入渗速率，本文研究结果与高婵婵观点一致[12]。

5 结论

林分土壤贮水能力(饱和贮水量)均高于撂荒地，森林植被明显提高了土壤非毛管孔隙度，增加了土壤非毛管贮水量。森林植被对非毛管孔隙(滞留贮水)的改善作用要大于毛管孔隙(吸持贮水)的改善作用。土壤容重与土壤孔隙度、贮水量呈负相关关系。土壤入渗速率与入渗时间呈幂函数关系，不同林分的初渗速率与稳渗速率存在显著差异，林地的土壤渗透性能均高于撂荒地。