冀北山地6種林分類型土壤水分-物理性質變化

王 穎, 楊新兵

(1.河北環境工程學院 生態學系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北農業大學 林學院, 河北 保定071000)

冀北山地6種林分類型土壤水分-物理性質變化

王 穎1, 楊新兵2

(1.河北環境工程學院 生態學系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北農業大學 林學院, 河北 保定071000)

為改善冀北山地林地生態功能，提高該地區森林涵養水源的能力，選取冀北山地6種典型林分為研究對象，采用環刀法對土壤物理性質進行了分析比較。結果表明：(1) 土壤容重與土層深度呈正相關，土壤容重均值排序為：華北落葉松林(1.20 g/cm3)>蒙古櫟林(1.14 g/cm3)>油松林(1.12 g/cm3)>黑樺林(1.03 g/cm3)>白樺林(0.98 g/cm3)>山楊林(0.81 g/cm3)；(2) 土壤總孔隙度與土層深度呈負相關，土壤總孔隙度均值排序為：山楊林(57.6%)>白樺林(51.4%)>黑樺林(51.1%)>油松林(49.1%)>華北落葉松林(45.9%)>蒙古櫟林(44.8%)；土壤毛管孔隙度均值山楊林最大(48.9%)，油松林最小(35.1%)；非毛管孔隙度均值為油松林最大(14.0%)，白樺林最小(3.6%)；(3) 土壤持水量與土層深度之間存在負相關關系，土壤最大持水量均值為山楊林最大，華北落葉松林最??；(4) 土壤入滲速率與入滲時間呈明顯冪函數關系，穩滲速率油松林最大(15.00 mm/min)，華北落葉松林最小(0.68 mm/min)。研究結果可為森林土壤資源可持續利用提供依據。

冀北山地; 林分類型; 土壤水分—物理性質; 土壤入滲

在陸地生態系統中，土壤是最主要的水分存儲和水文調節系統。土壤水分是陸地生態系統中最活躍和最有影響力的要素之一，在流域水量平衡乃至地區水文循環中占有重要地位[1]。土壤物理性質以及與其相適應的土壤中水分動態特征構成了土壤水分—物理性質，反映出土壤結構、養分狀況和持水、保水、滲透能力，對土壤質量評價以及土壤水分傳輸研究具有指導意義。土壤水分—物理性質的好壞對涵養水源、保持水土和土壤與水分的關系有重要影響[2]。土壤是森林生態系統發揮水文調節作用的重要場所[3]，不同林分中樹種的生物學特性、林分空間結構不盡相同，因此其土壤水文生態特征也差異顯著[4]。冀北山地處在京津水源的上游區，其森林的水文作用更顯得十分重要，因此研究冀北山地各林分類型土壤水分—物理性質具有重大意義[5]。本文以河北木蘭圍場6種不同林分類型土壤為研究對象，分析探討不同林分類型的土壤水分—物理性質和土壤入滲差異，為冀北山地植被的恢復重建、森林的有效培育、科學營林等提供理論依據。

1 研究區概況

研究區域位于河北省木蘭圍場國有林場管理局，屬陰山、大興安嶺、燕山余脈的匯接地帶，地理坐標為41°35′—42°40′N，116°32′—117°14′E，海拔高度750～1 998 m。該區屬大陸性季風型高原山地氣候，中溫帶向寒溫帶以及半干旱向半濕潤過渡帶，無霜期67～128 d，主要表現為春季干旱多風，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年均降水量380～560 mm，主要集中在6—8月份。年均氣溫-1.4～4.7℃。土壤類型以棕壤、褐土和灰色森林土為主。主要樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、山楊(Populusdavidilana)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。

2 研究方法

考慮到冀北山地植被類型、土壤特性、土地利用等因素，在木蘭圍場國有林場局選取6種林分類型的樣地作為研究對象，在每個林分類型樣地內布設30 m×30 m的標準樣地，并進行每木檢尺。樣地基本特征見表1。選取代表性樣點，采用剖面法在每塊樣地隨機挖取5個土壤層剖面，按0—10，10—20，20—40，40—60，60 cm以下分別取土樣，帶回室內測定，其中土壤容重和土壤孔隙度應用環刀浸泡法，土壤持水量應用烘干法，土壤入滲應用野外樣地內原狀土雙環法[6]。

表1 林地基本特征信息

3 結果與分析

3.1 土壤容重變化

從圖1可得，各林分類型土壤容重與土層深度基本呈正相關，但并不顯著。土壤容重受土壤質地、土壤結構、土壤緊實度和有機質含量等影響，通常土壤容重小，土壤結構好且疏松多孔[7]，主要與土層深度增加、土壤中有機質含量降低、土壤變緊實相關。不同林地0—60 cm土壤容重均值介于0.81～1.20 g/cm3，其排序為：華北落葉松林(1.20 g/cm3)>蒙古櫟林(1.14 g/cm3)>油松林(1.12 g/cm3)>黑樺林(1.03 g/cm3)>白樺林(0.98 g/cm3)>山楊林(0.81 g/cm3)，各林分土壤容重具有一定的差異，產生差異的原因主要是不同植被的枯落物成分、分解情況以及地下根系的生長發育狀況各不相同[8]，至此，山楊林土壤有機質含量高，疏松多孔，結構良好。

圖1不同林分類型土壤容重變化

土壤容重分級標準見表2。表層土壤各個群落的容重為0.65～1.09 g/cm3，其中華北落葉松林最大(1.09 g/cm3)，說明其林地表層土壤難于分解，腐殖質少，土壤動物、微生物數量少；山楊林最小(0.65 g/cm3)，說明山楊林表層土壤有機質多、團聚結構好；各林地群落表層土壤緊實狀況比較適宜。

表2 土壤容重分級標準

3.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度在一定程度上反映了土壤的物理性質和涵養水源的能力，所以土壤的松緊程度，與土壤空氣容量、土壤水分、結構、質地、有機質含量等有關。不同林分根系分布、枝葉凋落物成分等不同，其土壤理化性質也不同，因此不同植被土壤蓄水能力和調節水分的能力也不相同[9]。

3.2.1 土壤毛管孔隙度 土壤中最有效的水分是毛管孔隙中儲存的水分，而有機質含量豐富的土壤中毛管孔隙也較多[10]。土壤毛管孔隙度是毛管孔隙容積占土壤容積的比例，是森林植被吸持水分并用于維持其生長發育能力的體現。由圖2可見，在0—60 cm土層內，林地土壤毛管孔隙度均值依次為：山楊林(48.9%)>白樺林(47.8%)>黑樺林(42.4%)>華北落葉松林(40.8%)>蒙古櫟林(35.2%)>油松林(35.1%)。土壤毛管孔隙度最大的是山楊林，而油松林最小。土壤毛管孔隙度大小關系到土壤中可用于林木正常蒸騰耗水和生長消耗水分的多少，即土壤中有效水的貯存量與林木耗水量呈正比關系，說明山楊林地樹木生長所需有效水貯存量較大。

圖2不同林分類型土壤毛管孔隙度變化

3.2.2 土壤非毛管孔隙度 土壤非毛管孔隙由微孔隙和空氣孔隙組成。如圖3所示，土壤非毛管孔隙度均值在0—60 cm土層內表現為：油松林(14.0%)>蒙古櫟林(9.7%)>黑樺林(8.7%)=山楊林(8.7%)>華北落葉松林(5.2%)>白樺林(3.6%)。非毛管孔隙是土壤重力水分運動的重要途徑，主要對水分的調節和土壤的滲透能力產生影響[9]，具體表現為森林植被對水分滯留以及涵養水源、削減洪水能力的發揮[6]。非毛管孔隙度關系到大孔隙的多少，是水分入滲的主要孔隙，有利于降水下滲、固持土壤，減小徑流，提高水源涵養功能[8]，因此油松林涵養水源的能力最強。

圖3不同林分類型土壤非毛管孔隙度變化

3.2.3 土壤總孔隙度 土壤孔隙按大小及其作用分為毛管孔隙和非毛管孔隙[10]。大多數土壤總孔隙度介于30%～60%，而最適合樹木生長的則是稍大于或等于50%。從圖4可以看出，隨著土層的加深土壤總孔隙度大致呈現出遞減的趨勢，土壤總孔隙度均值介于44.8%～57.6%，其大小順序為：山楊林(57.6%)>白樺林(51.4%)>黑樺林(51.1%)>油松林(49.1%)>華北落葉松林(45.9%)>蒙古櫟林(44.8%)，總孔隙度對土壤的蓄水能力有著重要的影響，所以山楊林土壤的蓄水能力最強。6種林分類型表層土壤總孔隙度為44.0%～69.5%，山楊林最大，黑樺林、蒙古櫟林、油松林、華北落葉松林次之，白樺林最小，原因主要是林地表層枯落物分解腐爛快慢程度，土壤團粒結構的形成，土壤中植物根系分布、微生物的活動。

圖4不同林分類型土壤總孔隙度變化

3.3 土壤持水量

通常，林地土壤持水量由最大持水量(飽和持水量)和有效持水量共同構成。土壤最大持水量是所有土壤孔隙全部飽和時土壤的含水量。毛管水上下垂直運動，主要是供植物根系吸收和林地蒸發用，而非毛管水既可垂直滲透又可橫向運動，多是通過重力從高處到低處沿著不透水層匯入湖泊、河流等，達到調節流量、穩定水位平衡的功能。

3.3.1 土壤田間持水量 土壤田間持水量與土壤孔隙狀況和有機質含量相關。田間持水量是大多數植物可利用的土壤水上限，是決定植物有效水的最大值[10]。從圖5可以看出，土壤田間持水量均值大小依次為：山楊林(60.2%)>白樺林(45.7%)>黑樺林(41.3%)>華北落葉松林(31.1%)>蒙古櫟林(29.2%)>油松林(26.9%)。各林分在土層0—10 cm處土壤田間持水量最大，在土層40—60 cm處田間持水量最小，主要是由于土壤隨著深度增加而變緊實，土壤孔隙減少，土壤田間持水量減小。山楊林的表層土壤田間持水量(75.0%)和平均田間持水量(60.2%)都最大，因此其有效水容量最大。

圖5不同林分類型土壤田間持水量變化

3.3.2 土壤毛管持水量 毛管持水量也是有效水分，植物能夠利用。一般情況下，毛管持水量比田間持水量高。如圖6所示，各個林分類型的土壤毛管持水量均值為：山楊林(63.6%)>白樺林(49.1%)>黑樺林(42.7%)>華北落葉松林(35.0%)>油松林(31.5%)>蒙古櫟林(31.4%)。各林地在0—10 cm土層內毛管持水量最大，在40—60 cm土層內最小，這是因為表層土壤有機質含量高，毛管孔隙度大，相應的毛管持水量達到最大值；隨著土層深度的增加，毛管孔隙度減小，相應的毛管持水量也減小。

圖6不同林分類型土壤毛管持水量變化

3.3.3 土壤最大持水量 土壤最大持水量表示林地土壤最大的持水能力。6種林分類型土壤最大持水量見圖7，其變化范圍介于21.9%～107.8%，均值大小排序為：山楊林(75.6%)>白樺林(52.8%)>黑樺林(51.3%)>油松林(49.4%)>蒙古櫟林(40.3%)>華北落葉松林(38.4%)，說明山楊林林地土壤持水能力最強。各林地表層土壤有機質含量較高、較疏松，所以表層土壤最大持水量達到頂峰。

圖7不同林分類型土壤最大持水量變化

3.4 土壤入滲速率

由圖8可知，6種林分類型土壤入滲速率在5 min左右迅速下降，在25～30 min左右漸漸平緩并逐步穩定，處于穩滲狀態。油松林和白樺林趨于平穩狀態較慢，大致在30～35 min，蒙古櫟林所需時間最短。土壤入滲水平決定土壤涵養水源的能力，也影響地表徑流產生量[11]。如果土壤入滲速率較高，不但可以減少地表徑流，還能夠讓更多的降水滲透到土壤中，進而形成壤中流、地下徑流[12]。表3說明，每種林地的土壤初滲速率相差較大，其排序為：白樺林(105.88 mm/min)>油松林(100.00 mm/min)>山楊林(70.59 mm/min)>黑樺林(40.00 mm/min)>蒙古櫟林(31.03 mm/min)>華北落葉松林(14.00 mm/min)；而穩滲速率在0.68～15.00 mm/min，油松林最大，華北落葉松林最小。所以，油松林、白樺林土壤滲透性最高，涵養水源的能力最大。圖8呈現出土壤入滲率與入滲時間的冪函數關系，且相關性較顯著。

表3 不同林分土壤滲透速率

圖8不同林分類型土壤入滲曲線

4 結 論

(1) 各林地土壤容重與土層深度呈正相關，即土層越深，容重越大。針葉林土壤容重均值大于闊葉林，大小順序為：華北落葉松林>蒙古櫟林>油松林>黑樺林>白樺林>山楊林，其中山楊林土壤疏松多孔，土壤容重最小為0.81 g/cm3。

(2) 林地內土壤總孔隙度隨土層深度增加而逐漸減少。闊葉林土壤總孔隙度多于針葉林，大小順序為：山楊林>白樺林>黑樺林>油松林>華北落葉松林>蒙古櫟林，其中山楊林土壤總孔隙度最大為57.6%，有效水的貯存量最多、蓄水能力最強。

(3) 土壤持水量隨著土層深度的增加而減小，闊葉林持水能力強于針葉林，綜合排序為：山楊林>白樺林>黑樺林>油松林>華北落葉松林>蒙古櫟林，其中，山楊林土壤中有效水含量最多、土壤持水能力最高。

(4) 6種林分土壤入滲速率與入滲時間有顯著冪函數關系，土壤穩滲大約出現在25～30 min，油松林穩滲速率最大為15.00 mm/min，其水土保持的能力最好。

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SoilWater-PhysicalPropertiesofSixForestTypesinNorthernMountainofHebeiProvince

WANG Ying1, YANG Xinbing2

(1.DepartmentofEcologly,HebeiUniversityofEnvironmentalEngineering,Qinhuangdao,Hebei066102,China; 2.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

In order to make better the ecological function of mountain forest land and improve the ability of forest water conservation in this area, six typical forest stands in Northern Mountain of Hebei Province were selected as the research samples. Meanwhile the author analyzed and compared the soil physical properties by ring knife method. The results showed that: (1) the soil bulk density was positively correlated with soil depth, soil bulk density average decreased in the orger:Larixprincipis-rupprechtiforest (1.20 g/cm3)>Quercusmongolicaforest (1.14 g/cm3)>Pinustabulaeformisforest (1.12 g/cm3)>Betuladavuricaforest (1.03 g/cm3)>Betulaplatyphyllaforest (0.98 g/cm3)>Populusdavidianaforest (0.81 g/cm3); (2) the total soil porosity was negatively correlated with soil depth and the average order of total porosity was:Populusdavidianaforest (57.6%)>Betulaplatyphyllaforest (51.4%)>Betuladavuricaforest (51.1%)>Pinustabulaeformisforest (49.1%)>Larixgmelinii-rupprechtiforest (45.9%)>Quercusmongolicaforest (44.8%);Populusdavidianaforest′s average soil capillary porosity was maximum(48.9%),Pinustabulaeformisforest was minimum (35.1%); The maximum non-capillary porosity averages wasPinustabulaeformisforest (14.0%), the minimum wasBetulaplatyphyllaforest (3.6%); (3) there was a negative correlation between soil moisture and soil depth, The maximum water holding capacity of the soil wasPopulusdavidianaforest and the smallest isLarixgmelinii-rupprechtiforest; (4) the relationship between soil infiltration rate and infiltration time followed the power function. The largest steady infiltration rate wasPinustabulaeformisforest (15.00 mm/min) and the minimum wasLarixgmelinii-rupprechtiforest (0.68 mm/min). The research results can provide the basis for sustainable utilization of forest soil resources.

Northern Mountain of Hebei Province; forest types; soil moisture-physical property; soil infiltration

2016-05-20

：2016-06-13

河北省林業廳科技項目“冀北山區森林生態系統健康評價技術研究”(1403451);林業公益性行業科研專項子課題“冀北山區典型森林生態系統健康經營技術研究與示范”(200804022F)

王穎(1977—),女,河北唐山人,碩士,副教授,主要從事園林生態學研究。E-mail:wangying0651@126.com

S714.7

：A

：1005-3409(2017)03-0108-05