巨桉人工林下土壤團聚體對水分入滲的影響

蔣德明，李小梅，丁 揚

（云南大學 資源環境與地球科學學院，云南省地理研究所，云南 昆明650091）

巨桉（Eucalyptus grandis）是桃金娘科桉樹屬雙蒴蓋亞屬橫脈組柳桉系中的樹種，原生地為澳洲大陸及附近島嶼［1］。近年來，因巨桉人工林的快速發展及其伐木周期較短的特點，大大緩解了我國木材和林產品的需求。但由于巨桉林的大面積栽種，也帶來了如“抽肥機”“綠色沙漠”“降低鄉土植被的多樣性”等 一 系 列 環 境 問 題［2－3］。時 忠 杰 等［4］指 出，由于巨桉的種植破壞了區域水量平衡，減少了流域產流量或地下水補給；謝賢健等［5］在巨桉人工林下土壤團聚體穩定性及分形特征研究中發現，巨桉林地的覆蓋增強了土壤的緊實度；石薇等［6］研究發現，自然林及坡耕地轉變為種植巨桉林后，土壤出現抗地力衰退、抗蝕性下降、生物多樣性降低、水土保持能力下降等多種問題。土壤團聚體是土壤結構的重要組成部分之一，各粒徑的團聚體在土壤中的空間分布以及排序，決定了土壤空隙的分布［7］。水分進入土壤后成為土壤水的過程就是土壤水分入滲［8］，其本質是水分進入土壤后流動并且不斷下滲的過程，其流動的速率在很大程度上受土壤孔隙的影響。土壤水分入滲速度越快，地表徑流量相對減少，土壤對水分的貯藏能力越強，越有利于減少水土流失。土壤的水分入滲能力對水土流失、土壤水分含量的多少以及生態環境的水土保持能力具有重要作用。土壤團聚體在土壤水分入滲過程中起著很大的作用。目前，對土壤水分入滲研究的相關文獻很多［9－12］，而關于土壤團聚體對土壤水分入滲的影響少有研究。此外，從土壤層面，研究生態環境效應，也是區域農業產業結構調整不可忽視的一部分，以之彌補產業結構的生態效應評估。為此，筆者選取川中丘陵地區，研究巨桉人工林地土壤的水分入滲特性，以期為巨桉人工林的栽種培育及生態效應的綜合評估提供理論參考。

1 材料與方法

1．1 材料

1．1．1 土壤樣品 在川中丘陵地區，選擇4 年生的巨桉純林（CL）、巨桉＋果樹（LG）、巨桉＋糧食作物（LL）土壤，以棄耕地（QG）土壤為對照（CK），共計采集土壤樣品20個及土壤原狀土若干，樣地選擇情況詳見表1。

1．1．2 儀器 TTF－100型土壤團粒分析儀，浙江省上虞市舜龍實驗儀器廠。

1．2 研究區概況

研究區主要在內江市東興區，位于四川盆地中部的長江以北以及沱江、涪江和嘉陵江的中下游沱江流域［13］，是我國最典型的方山丘陵區。經緯度為29°29′～29°48′N、105°04′～105°20′E，屬中亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫15～28℃，1 月均溫6～8℃，7月均溫26～28℃；年降雨量1 000mm 以下，多分布在夏季，約占全年雨量的60%，高溫期與多雨季基本一致，春季約占17%，冬季僅占4%，春夏旱出現頻率高。主要土壤類型：紫色土，占耕地面積的54．24%，以泥巖和砂巖為主，大部分為鈣質膠結，一般含有數量不等的碳酸鈣；水稻土類，占耕地面積的41．21%；黃壤，占耕地面積的3．20%，母質有砂巖、頁巖和花崗巖等風化物；新積土類，占耕地面積的0．92%；黑色石灰土類，占耕地面積的0．15%。

1．3 土樣采集方法

于2013年8月，在野外確定采集樣地后，去除土壤表層覆蓋層，每種樣地內設置20m×20 m 采樣單元，每個單元內按照S型，避開河邊，林邊，特殊位置設定5個樣點，每個樣地在0～20cm 深度內采集土樣約1kg，共采集20個樣品，樣品采集好后，帶回實驗室自然風干，用于土壤理化性質測定；同時使用環刀采集土壤原狀土，用于水分入滲試驗。

1．3 室內測定方法

1．3．1 理化性質 土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤容重采用環刀法測定，土壤團聚體采用機械干篩法（分別過5mm，2mm，1mm，0．5mm，0．25mm 篩）和濕篩法（TTF－100型土壤團粒分析儀）分別進行測定。

1．3．2 水分入滲力 將環刀上、下蓋取下后在預定時間內將環刀取出，在取土環刀上端增加一個空環刀，先用醫用膠布封好接口處，再通過透明膠布外封，嚴防從接口處漏水，將結合的環刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下放置一燒杯。往上面的空環刀中加水，保持水面比上部的環刀口低1mm，加水后從漏斗滴第1 滴水時開始計時，計時開始后的前5min內，每1min更換燒杯1次，分別量出滲入量。此后每間隔5min更換燒杯1次，每更換一次燒杯要將上面環刀中水面加至原來的高度，以連續5次更換的燒杯內水量相同時即為穩滲。最后測得水分入滲速率［14］。

1．4 研究方法

1．4．1 不同樣地類型中土壤粒徑的分布 通過機械干篩法和土壤團粒分析儀，分別測得土壤干篩團聚體和濕篩團聚體的百分比含量。

1．4．2 不同林地下土壤團聚體與容重的多重比較

選取干篩和濕篩得出的2個粒徑指標，另選取土壤容重指標，利用Duncan法對4 種樣地類型下的土壤團聚體、容重進行多重比較。

1．4．3 不同林地下土壤水分入滲速率 設0min、5min、15min、30min和45min 5個時段，測定不同時間段的水分入滲速率（mm／min）。

1．4．4 土壤干（濕）篩團聚體與容重和土壤水分入滲速率的相關性 選取土壤的干（濕）篩團聚體、容重以及水分入滲速率幾個指標進行相關性分析，得出其相關系數的矩陣結果。

2 結果與分析

2．1 不同樣地類型中土壤粒徑的分布

從表2看出，4種不同樣地類型的土壤粒徑，干篩和濕篩組成主要集中在＞5mm 和2～5mm 粒徑范圍內，以＞5mm 粒徑含量最高，土壤大團聚體含量較多。＞5 mm 粒徑，巨桉純林（CL）和棄耕地（QG）的含量較高。土壤干篩團聚體大小依次為棄耕地（QG）＞巨桉純林（CL）＞巨桉＋果樹（LG）＞巨桉＋糧食作物（LL），其占比分別為75．84%、67．90%、44．91%和42．62%；土壤濕篩團聚體大小依次為巨桉純林（CL）＞棄耕地（QG）＞巨桉＋糧食作物（LL）＞巨桉＋果樹（LG），其占比分別為63．32%、53．49%、23．47%以及12．79%。另外，在干篩和濕篩各粒徑含量中，粒徑大小占比最少的主要集中在0．25～0．5 mm；在＞5 mm、2～5mm、和1～2mm 3個粒徑范圍，干篩團聚體占比均高于濕篩；而0．5～1 mm、0．25～0．5 mm和＜0．25mm 3個粒徑范圍，干篩團聚體占比均小于濕篩。經對不同林地土壤粒徑進行單因素方差分析，得出干篩粒徑在0．05 顯著水平的臨界值F＝30．410＞F0．05（5，18）＝2．772，濕篩土壤粒徑在0．05顯著 水 平 的 臨 界 值F ＝3．870＞F0．05（5，18）＝2．772。表明，不同林地對土壤粒徑形成的影響差異顯著。

表2 不同樣地類型土壤各粒徑的含量分布Table 2 Content distribution of different soil aggregates from different land utilization patterns

2．2 不同林地土壤團聚體與容重的多重比較

從表3可見，＞5mm 和2～5mm 干篩土壤團聚體，巨桉＋果樹（LG）和巨桉＋糧食作物（LL）與巨桉純林（CL）和棄耕地（QG）差異顯著。＞5mm濕篩干篩團聚體，各種樣地類型差異均較為顯著，且巨桉純林與巨桉＋糧食作物2種樣地類型之間呈極顯著差異；2～5mm 濕篩團聚體無明顯差異。土壤容重，巨桉＋果樹最大，為1．55；其次為巨桉＋糧食作物，為1．53；巨桉純林和棄耕地最小，為1．51；且4種樣地類型無顯著差異。土壤有機質，各土地利用類型差異較顯著，巨桉＋果樹和巨桉＋糧食作物2種樣地類型呈極顯著差異，各樣地類型依次為巨桉＋果樹＞巨桉純林＞棄耕地＞巨桉＋糧食作物。

總體上，棄耕地和巨桉純林2個樣地類型的水分入滲能力較強，其次為巨桉＋糧食作物，巨桉＋果樹水分入滲能力最弱。Duncan法得出各土壤的大團聚體含量的不同，4種樣地類型的差異較明顯。

表3 4種樣地類型土壤干（濕）篩團聚體、容重的差異顯著性比較Table 3 Volume weight of soil aggregates of four land utilization patterns under dry and wet screening conditions

2．3 不同林地土壤水分的入滲速率

從表4 看出，4 種樣地類型初始入滲速率、5min、45min和穩滲時4個時間段的入滲速率都呈現出棄耕地（QG）＞巨桉純林（CL）＞巨桉＋糧食作物（LL）＞巨桉＋果樹（LG）。其中，開始5min時入滲速率最大，巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄 耕 地 分 別 為41．68 mm／min、13．84mm／min、41．36mm／min、和51．75mm／min。45min時入滲速率值最小，巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄耕地分別為15．76 mm／min、11．74 mm／min、12．28 mm／min 和15．80 mm／min；而15 min 和30min，水分入滲速率依次為巨桉純林棄耕地＞巨桉＋糧食作物＞巨桉＋果樹；4個樣地類型的平均入滲速率大小與穩滲入滲速率相同，而巨桉純林、巨桉＋果樹、巨桉＋糧食作物和棄耕地達到穩滲的時間分別為60min、45min、55min和50min。

表4 不同樣地類型土壤的水分入滲速率Table 4 Water infiltration rate of soils of different land utilization patterns

表5 土壤團聚體與水分入滲的相關性Table 5 Correlation between soil aggregate and water infiltration

2．4 土壤干（濕）篩團聚體與容重和土壤水分入滲速率的相關性

土壤的物理性質與土壤團聚體含量及大小有密切的關系，土壤團聚體對土壤質量、水分入滲以及抗侵蝕能力的強弱有較大關系。由表5可知，土壤平均水分入滲速率與＞5mm 干篩團聚體、＞5mm 濕篩團聚體、2～5 mm 濕篩團聚體表現為正相關趨勢。其中，與＞5mm 干篩團聚體呈顯著正相關，與2～5mm 干篩團聚體以及容重呈顯著負相關。

相關分析結果表明，＞5mm 干篩團聚體、濕篩團聚體和2～5mm 濕篩團聚含量越大土壤平均水分入滲能力越強。這是由于選取研究的不同樣地類型中，土壤團聚體主要集中在＞5mm、2～5mm 粒徑范圍內，土壤大團聚體含量較高，而隨著土壤大團聚體含量增多，土壤孔隙度在土壤中所占百分比得到提高，水分入滲能力相應增強，容重與平均水分入滲速率為負相關關系。整體上看，土壤團聚體在一定程度上可以反映水分入滲速率的大小，即土壤團聚體含量特別是大團聚體含量越高，土壤水分入滲速率越快。

3 結論與討論

1）研究結果表明，不同樣地類型的水分入滲速率各不相同，依次為棄耕地＞巨桉純林＞巨桉＋糧食作物＞巨桉＋果樹。不同樣地類型的土壤團聚體差異顯著，且團聚體含量主要集中于＞5mm 和2～5mm 粒徑范圍內，大團聚體含量較高。＞5mm 團聚體含量中棄耕地與巨桉純林的干（濕）篩團聚體均大于巨桉＋果樹和巨桉＋糧食作物。經方差分析，干 篩和濕 篩 團 聚 體 在0．05 顯 著 水 平（F＞F0．05＝2．772）下4種不同用地類型對土壤粒徑形成的影響差異較顯著。

2）水分入滲速率隨時間的變化而變化，即開始入滲速率較小，隨時間的延長水分入滲速率開始增高，當達到一定程度時，降低速率慢慢趨于穩滲。研究結果表明，棄耕地＞巨桉純林＞巨桉＋果樹＞巨桉＋糧食作物。經相關分析，土壤水分入滲速率與團聚體之間呈正相關，且差異顯著。說明，土壤團聚體含量對水分入滲影響較大，即土壤團聚體含量特別是大團聚體含量的增加，水分入滲也隨之增強。總之，棄耕地和巨桉純林的水分入滲速率較快，相比另外2個樣地類型的水分入滲速率較慢。另外，穩滲時間也以棄耕地和巨桉純林兩地較長，證明其總的水分入滲量較大，更加有利于減少水土流失，水土保持能力較好。

3）土壤粒徑的分布對土壤持水力、土壤肥力具有重要的影響，同時與土壤退化和侵蝕有著直接的關系［15］。土壤中大團聚體含量越多，能有效改善土壤的入滲能力、土壤持水量以及土壤的孔隙度［16］。土壤團粒結構與土壤容重有較大的關系，隨著土壤容重的增加，在一定程度上會破壞土壤的團粒結構，進而減少土壤的大空隙，增加土壤的緊實度，降低土壤水分入滲能力。土壤容重的含量越小其水分入滲能力越強［17］。

4）不同林地土壤團聚體含量的分布有很大的差異。巨桉＋糧食作物和巨桉＋果樹2 個樣地類型＞5mm土壤團聚體含量小于另外2個樣地類型，這是由于人為對土壤進行耕作、翻挖減少了土壤大團聚體含量，使土壤小粒徑的團聚體增多，降低了土壤的孔隙度；另一方面，棄耕地和巨桉純林2個樣地類型大團聚體含量較高，因人為擾動減少和容重含量較小有很大的關系。

5）在區域尺度內，農業各部門產業結構的調整，林種的選擇，都將對當地的大氣、土壤環境造成不同的影響。而通過生態服務價值測算出來的林地生態效應，則忽略了土壤層面的因素，對區域生態效應的評估也顯得片面。對林地土壤水滲透的研究，可以彌補以上不足，更全面地研究林業產業對生態環境的影響，合理地對產業結構進行調整。

［1］ L．D．普瑞爾（澳）．桉樹生物學［M］．曾齡英，譯．昆明：云南林業科學研究所出版，1995．

［2］ 崔炳華，蔣 勇，陳紹武，等．巨桉人工林根際可培養土壤微生物數量的季節變化［J］．四川林業科技，2012，5（23）：63－66．

［3］ 倪 彬，張 健，馮茂松，等．巨桉人工林生態系統根系土壤酶活性研究［J］．四川農業大學學報，2007，3（25）：311－315．

［4］ 時忠杰，徐大平，張寧南，等．桉樹人工林水文影響研究進展［J］．林業科學，2009，11（45）：135－140．

［5］ 謝賢健，張 繼．巨桉人工林下土壤團聚體穩定性及分形特征［J］．水土保持學報，2012，6（26）：175－179．

［6］ 石 薇，龔 偉，胡庭興，等．天然林及坡耕地轉變為巨桉林后土壤抗蝕性變化［J］．四川林業科技，2011，3（32）：18－22．

［7］ 徐小軍，何丙輝，胡 恒，等．新生水土流失對汶川震區土壤水分入滲的影響［J］．中國農業科學，2012，45（12）：2520－2529．

［8］ 王月玲，蔣 齊，蔡進軍，等．半干旱黃土丘陵區土壤水分入滲速率的空間變異性［J］．水土保持通報，2008，4（28）：52－55，74．

［9］ 張侃侃，卜崇峰，高國雄．黃土高原生物結皮對土壤水分入滲 的 影 響［J］．干 旱 區 研 究，2011，5（28）：808－812．

［10］ 郭維東，李寶筏，紀志軍，等．坐水播種時耕層土壤水分入滲的二維數值模擬［J］．農業工程學報，2001，2（27）：24－27．

［11］ 李 婧，張洪江，程金花．有機碳質量分數對森林土壤水分入滲過程的影響及其模擬［J］．中國水土保持科學，2012，10（3）：50－56．

［12］ 王 偉，張洪江，李 猛，等．重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評價［J］．水土保持學報，2008，4（22）：95－99．

［13］ 傅綬寧．川中丘陵地區的人口、資源、環境問題和國土整治對策［J］．經濟地理，1983，4（2）：16－21．

［14］ 累志棟，楊詩秀，謝森傳．土壤水動力學［M］．清華大學出版社，1988．

［15］ Hwang S I，Powers S E．Using particle－size distributionmodels to estimate soilhydraulic properties［J］．SoilScience SocietyofAmerica Journa，l 2003，67（4）：1103－1112．

［16］ 郗 靜，夏玉芳，鄭萬勇．香椿人工林土壤抗蝕性研究［J］．水土保持通報，2011，5（31）：182－185，234．

［17］ 吳軍虎，張鐵鋼，趙 偉．容重對不同有機質含量土壤水分入滲特性的影響［J］．水土保持學報，2013，3（27）：63－67，268．

［18］ 袁建平，張素麗，張春燕，等．黃土丘陵區小流域土壤穩定入滲速率空間變異［J］．土壤學報，2001，4（38）：579－583．