四川盆地丘陵區(qū)農林復合系統(tǒng)林地土壤的穩(wěn)滲速率

駱宗詩，章 路，向成華，謝大軍，陳俊華，羅曉華

（1.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081；2.四川省林業(yè)調查規(guī)劃院，四川 成都 610081）

林地土壤是森林水文效應的第3個活動層面［1－2］，即降水在通過林冠層和枯枝落葉層的分配后，滲入并儲存于土中。根據(jù)土壤入滲曲線，土壤層對降水有3次調解分配過程［3－5］。一是降水初期的土壤入滲和地表徑流，此時土壤水還沒有達到飽和狀態(tài)，土壤初滲速率較快，地表徑流較小；其次是降水進一步加強，降水入滲不斷補充土壤水分，雨水在土壤中達到飽和穩(wěn)定階段；最后是降水進一步加強，雨水在土壤中打破穩(wěn)定階段，出現(xiàn)穩(wěn)滲。可見，土壤穩(wěn)滲是土壤入滲的一部分，穩(wěn)滲速率是土壤重要的物理性質之一，是判斷土壤透水性能優(yōu)劣的重要指標。土壤水分運動是一個復雜的過程，它涉及到土壤飽和、非飽和帶中的水、空氣、水汽在水力梯度、溫度梯度、濃度梯度和滲透梯度等影響下的動態(tài)流過程，進而影響到森林流域的界面產流［6］。森林植被又以其獨特的方式對土壤入滲性能產生直接和間接的影響［7］，而不同森林土壤的入滲特性有很大的差異［8－10］。采用Hood IL-2700自動采集土壤入滲儀測定了四川盆地丘陵區(qū)農林復合系統(tǒng)林帶中 3種典型林地（柏木Cupressus funebris純林、麻櫟Quercus acutissima-柏木混交林和榿木Alnus cremastogyne-柏木混交林）土壤的土壤穩(wěn)滲速率，旨在為四川盆地丘陵區(qū)農林復合系統(tǒng)景觀格局的優(yōu)化模式配置提供參數(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于四川省閬中市啞口鄉(xiāng)，屬于典型的四川盆地丘陵區(qū)。氣候為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為17.1°C，1月平均氣溫為6.3°C，7月平均氣溫為 27.1°C，≥10°C積溫為5 460°C，無霜期292 d，年平均降水量為1 049 mm，主要集中在7－9月。土壤為紫色土，厚20～50 cm，呈微酸性，pH 6左右［11］。研究區(qū)曾經是荒山禿嶺，20世紀80年代初開始綠化造林，1989年長防林工程啟動，大規(guī)模營造水土保持林，形成了現(xiàn)有以片林、帶林、林盤和臺地等3～7級交錯分布為主體的農林復合生態(tài)景觀。人工林主要是柏木純林、櫟柏混交林和榿柏混交林。林下灌木以黃荊Vitex negundo，鐵籽Myrsine africanan，火棘 Pyracantha fortuneana等為主；草本植物以薹草 Carex spp.，圓果雀稗Paspalum orbiculare，竹葉草Oplismenus compositus等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及群落基本情況 在對閬中市啞口鄉(xiāng)踏查的基礎上，選擇3種典型林地類型，即柏木純林、櫟柏混林和榿柏混交林，并在典型地段設置樣地，各樣地間的環(huán)境條件基本一致（表1）。以林緣內8～10 m為樣地的外緣線確定樣地（避開邊緣效應），樣地大小為20 m×20 m。喬木層進行每木檢測，并記錄灌木層和草本層的覆蓋度和林下凋落物層厚度。3種林地的群落結構較簡單，可分喬、灌、草為3層。柏木純林喬木層由單一樹種構成，林下灌木和草本稀疏，呈小叢分布，灌木平均高度1.6 m，蓋度10%；草本平均高度為0.8 m，蓋度15%；林下土壤呈斑塊狀裸露，地表無苔蘚和地衣覆蓋，凋落物層平均厚度為0.5 cm，林內生境相對干燥。櫟柏混交林喬木層由麻櫟和柏木組成，林下灌木和草本較多，呈叢狀分布，灌木平均高度為2.7 m，蓋度30%；草本平均高度為1.2 m，蓋度35%；地被物層中有苔蘚和地衣出現(xiàn)，林內枯枝落葉厚，平均厚度為4.5 cm；榿柏混交林喬木層由榿木和柏木組成，林灌木平均高度為2.2 m，蓋度25%；草本平均高度為1.3 m，蓋度30%；地被物層中有苔蘚和地衣出現(xiàn)，林內枯枝落葉層平均厚度為3.0 cm。

表1 3種森林類型樣地基本情況Table 1 Situation of three sampling forest stands

1.2.2 土壤物理性質和儲水量測定 在樣地中央確定3個土壤剖面點，各剖面之間的距離為3～4 m。土層分3層，即0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm。物理性質測定時，各個土層取3個重復，土壤穩(wěn)滲速率各個土層取2個重復。采用烘干法分層測定土壤含水量，用環(huán)刀法分層測定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度［3］，并由下列公式［12］計算各層土壤最大吸持儲水量、最大滯留儲水量和飽和儲水量。即：Wc（mm）＝ 1 000Pch；Wn（mm）＝ 1 000Pnh；W（mm）＝ Wc+Wn。其中，Wc，Wn和W分別為土壤水分最大吸持儲水量、最大滯留儲水量和飽和儲水量；Pc和Pn分別為毛管孔隙度和非毛管孔隙度（%）；h為土層深度（m）。

1.2.3 土壤穩(wěn)滲速率的測定 采用德國產Hood IL-2700自動采集土壤入滲儀測定土壤穩(wěn)滲速率。滲透室直接位于土壤表面，無需專門接觸層，也不需要土壤表面預處理，通過馬氏瓶原理的導水管路導水，滲透室壓力由 “馬里奧特”供水系統(tǒng)調節(jié)。可隨時通過向馬氏瓶加水以補充壓力。土壤表面壓力可以在0和任何負壓間調節(jié)，直到土壤起泡點為止。土壤表面壓力及起泡點可以通過U型管壓力計直接測量出來，儀器自動采集和記錄數(shù)據(jù)。在實驗過程中可以通過不同水壓、同水壓以及不同半徑的情況進行測定，得到多組數(shù)據(jù)，從而計算得到土壤穩(wěn)滲系數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計分析 統(tǒng)計分析使用SPSS 13.0。土壤容重、孔隙度等土壤特性采用3個剖面的平均值表示，其差異的顯著性用完全隨機設計的單因素方差分析（one-way ANOVA檢驗），并對差異顯著者對其平均值進行最小顯著差數(shù)（LSD）多重比較。

2 結果與分析

2.1 林地土壤孔隙度及蓄水能力比較

由表2和表3可知，表征土壤物理性質的土壤容重和孔隙度以及評價土壤涵養(yǎng)水源和調節(jié)水分循環(huán)的最大滯留儲水量、最大吸持儲水量和飽和儲水量在不同森林、不同土層間表現(xiàn)出一定的差異。同一林地不同土層間，隨土層厚度加深，土壤容重顯著增大（P＜0.05），土壤孔隙度相應地顯著減少（P＜0.05）；土壤儲水量隨土層厚度加深亦相應地顯著減少（P＜0.05）（表2）。同一土層不同森林類型間的容重、孔隙度和儲水量等土壤性質有明顯的差異（P＜0.05）（表3），各層土壤容重表現(xiàn)為柏木純林＞櫟柏混交林＞榿柏混交林；土壤總孔隙度表現(xiàn)為櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，但混交林之間差異不顯著；林地總土層的飽和儲水量和最大滯留儲水量表現(xiàn)為櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，但混交林之間差異不顯著。

表2 同一林分不同土層的土壤物理性狀及儲水特征比較Table 2 Comparison of soil physical characteristic and water holding capacities at the same forest stands

表3 同一土層不同林分類型森林土壤物理性狀及儲水特征比較Table 3 Comparison of soil physical characteristic and water holding capacities in the same soil depth

2.2 林地土壤穩(wěn)滲速率比較

由表4可知，同一森林不同土層之間的穩(wěn)滲速率存在極顯著差異（P＜0.01），0～10 cm土層的穩(wěn)滲速率遠高于10～20 cm和20～30 cm土層，3個林分總的趨勢是0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm土層。通過LSD比較，柏木純林和榿柏混交林10～20 cm，20～30 cm土層之間穩(wěn)滲速率的差異沒達到顯著水平，而櫟柏混交林3個土層的差異都達到顯著水平。由表5可知，同一土層不同林分之間的土壤穩(wěn)滲速率有顯著性差異（P＜0.05）。通過LSD多重檢驗，0～10 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，達到0.01的差異極顯著水平；10～20 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：櫟柏混交林＞榿柏混交林＞柏木純林，混交林與純林之間差異達到0.01的差異水平，而混交林之間的差異不顯著；20～30 cm土層穩(wěn)滲率的大小為：榿柏混交林＞櫟柏混交林＞柏木純林，混交林與純林之間達到0.05的差異水平，而混交林之間的差異不顯著。

表4 同一森林類型、不同土層的土壤穩(wěn)滲速率及LSD多重比較Table 4 Comparison of soil steady infiltration rate of different soil layers and their LSD multiple comparisons

表5 同一土層不同森林類型的土壤穩(wěn)滲速率方差分析Table 5 ANOVA analysis of soil steady infiltration rate of three forest stands

3 結論與討論

3.1 土壤物理性狀與土壤穩(wěn)滲率的關系

土壤入滲是水分在土壤內部分布的一個動態(tài)過程［6］，它的運動勢必受到土壤物理性狀的影響。有研究表明［1，4，13］，土壤穩(wěn)滲率與土壤容重、土壤孔隙度和非毛管孔隙度之間具有顯著相關性，與大于0.25 mm的水穩(wěn)性團粒含量關系十分密切。一般而言，土壤容重越小，土壤穩(wěn)滲率就越大；孔隙度越大，土壤穩(wěn)滲也越大；隨著非毛管孔隙度的增加，土壤穩(wěn)滲速率也不斷增大。混交林林地土壤容重比純林小，毛管孔隙度和非毛管孔隙度比純林大，土壤穩(wěn)滲速率較純林高。土壤容重、孔隙度和土壤穩(wěn)滲速率也反映了林地持水量的大小，反映了森林水源涵養(yǎng)能力［2，5，12］。可見櫟柏混交林、榿柏混交林的生態(tài)功能優(yōu)于純林。

3.2 林分結構與土壤穩(wěn)滲速率的關系

植被對土壤入滲的影響主要是通過植被生物量，尤其是根系的發(fā)育實現(xiàn)的，而植被生物量和根系發(fā)育情況與林分結構如樹種組成、林齡和郁閉度等存在十分密切的關系，不同的林分結構對改變林下土壤理化性質能力強弱不同。研究表明［7－10，12］，闊葉林的土壤入滲性能優(yōu)于針葉林，天然次生林優(yōu)于人工林；成熟林優(yōu)于中、幼齡林。在喬木層郁閉度適中的林分中，林冠透光性較好，林下灌木、草本豐富和地表覆蓋物較多，土壤中根量、死亡的老根增多，有機質含量較高，食腐的土壤動物相應增多，這有利于大量的孔隙和毛管孔隙的形成，增加土壤孔隙度，提高了土壤的入滲能力。在喬木層郁閉度過大的林分中則正好相反。研究的3種林地類型，柏木純林結構簡單，地表無苔蘚和地衣覆蓋，林地裸露，而榿柏和櫟柏混交林結構相對復雜，地被物層有苔蘚和地衣，林地覆蓋大，土壤穩(wěn)滲速率的測定結果也表明混交林土壤的穩(wěn)滲速率顯著高于柏木純林。

3.3 林地凋落物與土壤穩(wěn)滲速率的關系

林地枯枝落葉是森林生產力的一部分，一方面是土壤動物和微生物的食物和能源，通過生物活動，增加孔隙，從而改善土壤結構，增加土壤入滲能力；另一方面枯枝落葉腐爛分解后形成的腐殖質與黏粒結合形成為微團聚體，使土體變得疏松透水，減小土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤表面的粗燥率，延緩徑流，增加土壤入滲，也增大了土壤穩(wěn)滲速率。Kohl等［14］的研究表明，地面覆蓋可明顯提高土壤入滲性能，并且隨著覆蓋度的增加入滲率明顯提高；Bradford等［15］的研究也表明，去除覆蓋在土壤上的秸桿，土壤入滲率明顯降低。本研究的3種林地類型，柏木純林林地表面覆蓋物少，土壤裸露板結，因而土壤穩(wěn)滲率低；而混交林中林地凋落物厚，凋落物中闊葉占有較大的比例，闊葉較針葉易于分解，土壤的物理性狀較針葉純林——柏木純林得到極大的改善，土壤穩(wěn)滲率高；混交林中，櫟柏混交林的穩(wěn)滲率又比榿柏混交林高。

人工柏木純林是四川盆地丘陵區(qū)農林復合系統(tǒng)林帶中的主要森林類型。據(jù)2007年四川省森林資料監(jiān)測數(shù)據(jù)，人工柏木純林占整個盆地丘陵區(qū)面積的58.32%。然而，由于栽植密度過大，群落結構簡單，林下灌木和草本稀疏，土壤裸露率高，大多柏木林已淪為低產低效林。從土壤入滲的角度看，建議在四川盆地丘陵區(qū)農林復系統(tǒng)景觀格局模式配置以及柏木低效林改造中，積極營建混交林，以達到改良土壤，增強土壤生態(tài)功能的目的，繼而提高森林的水土保持功能。

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