海子流域土壤物理特性及其水源涵養能力分析

2018-05-30 07:44:24莫小娥張維江梁如心

人民黃河 2018年1期

莫小娥張維江梁如心

摘要：為了研究寧夏海子流域水源涵養林下土壤的水源涵養能力，采用野外實地采樣和室內環刀法測定分析6種林分類型10塊林地的土壤容重、孔隙度、田間持水量、滲透性和土壤蓄水量等指標。研究結果表明：2016年海子流域水源涵養林10塊林地的表層（0～20cm）土壤的平均容重最小，為1.35g/cm3，中層（20～40cm）和下層（40～60cm）平均容重分別為1.55g/cm3和1.48g/cm3；天然次生林地的表層土壤容重小于人工林地的；天然次林地的表層土壤總孔隙度和非毛管孔隙度較人工林地的高；陰坡植被土壤的平均土壤穩滲率大于陽坡的；人工林土壤中層的滲透性大于表層的；同種植被不同影響因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2），刺槐林2（3155.93t/hm2）>刺槐林1（2660.64t/hm2）；10塊林地的平均土壤蓄水容量為2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量為524.05t/hm2。

關鍵詞：水源涵養林；土壤物理特性；土壤蓄水能力；滲透性能；海子流域

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.016

水源涵養林有涵養水源、保育土壤等生態服務功能，有森林普遍具有的生態效益、經濟效益和社會效益。水源涵養功能是森林生態系統的重要功能之一，不同森林類型因其樹種生物學特性與林分結構不同，故水源涵養效應存在一定的差異[1-2]。森林群落的地上部分通過截留降雨削弱降雨侵蝕力、降低徑流沖刷力。林木地上部分的持水量通常僅占林分水源涵養能力的15%以下，森林土壤則是涵養水源的主體[3]，是森林最大的貯水庫和水分調節器。不同樹種的生物學特性不同，凋落物數量和分解速度及根系的生長與穿插能力有差異，土壤的物理特性如土壤容重、土壤孔隙度和土壤滲透性等就不一樣，所以土壤的水源涵養能力也存在一定的差異。在土壤水源涵養能力方面，駱土壽等[4]對廣東省白盆珠水庫不同海拔不同林地類型的灌叢草甸、針葉林、闊葉林的土壤蓄水能力進行了研究；杞金華等[5]以云南省哀牢山濕性常綠闊葉林和砍伐燒墾后形成的毛蕨菜-玉山竹群叢為研究對象，對不同樣地土壤性質和蓄水量進行了研究，結果表明，哀牢山常綠闊葉林具有良好的水源涵養功能，使得常綠闊葉林中的樹木在百年一遇的干旱中依然有足夠的水分供應；賈彥龍等[6]研究了燕山北部山地的人工落葉松林、天然次生楊樺林、棒子灌叢及繡線菊灌叢土壤的水源涵養能力，結果表明，天然次生楊樺林和棒子灌叢具有較好的水源涵養功能，而受到強烈人為干擾的繡線菊灌叢水源涵養功能較差。

海子流域位于寧夏涇源縣城北28km處，地處東亞季風區邊緣，流域面積為5.68 km2。年平均氣溫5.8℃，年平均日照時數2300h，年平均水面蒸發量為810 mm，干旱指數為1.73。多年平均降水量為469mm，降水年際、年內分配不均，汛期6-9月降水量為313 mm（占多年平均降水量的66.7%）。長期的亂砍濫伐使該流域水土流失嚴重（多年平均土壤侵蝕模數為3500t/km2），土壤涵養水分能力下降，生態環境脆弱，立地條件差，植被類型屬森林草原向干旱草原過渡區，土壤大多為黑壚土，少數林地為黃綿土。筆者以海子流域水源涵養林為研究對象，對幾種主要林地的土壤物理特性及其水源涵養能力進行調查分析，以期為該地區治理水土流失、改善生態環境提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

在流域內選擇10塊具有代表性且生長正常的林地，不同林地的基本概況見表1。其中：油松林4和落葉松林為次生天然林，樹齡分別為12a和11a，其余均為人工林地；旱柳林的土壤類型為黃綿土，其余均為黑壚土。鑒于研究區林地地形復雜，試驗影響因素較多，根據研究區的實際地理條件，為保證試驗結果的可靠性和代表性，便于比較分析同種植被在不同影響因素下的土壤水源涵養能力，選擇4塊生長正常的油松林、2塊刺槐林、云杉林、旱柳林、河北楊林、落葉松林測定分析其土壤水源涵養能力。

1.2 樣品采集與試驗方法

2016年8月底，在寧夏海子流域內6種主要林分類型的10塊樣地中，每塊樣地選擇3個具有代表性的樣方挖掘土壤剖面，每個樣方剖面在0～20、20～40、40～60cm土壤層取樣，每層取3個。取樣時將腐殖質層清除掉，用100cm3環刀分層分別取5.1cm深的原狀土，樣品編號后放入密封袋內，共采集樣品270個。根據樣地的實際條件，土壤相對密度采用密度瓶法測定，土壤田間持水量采用室內環刀法測定[7]，土壤孔隙度（總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）均采用環刀法測定。各指標計算公式[8]為

γ=m/v （1）

p1=（1-γ/ρm）×100% （2）

p2=θγ （3）

p3=p1-p2 （4）式中：γ為土壤容重，g/cm3；m為土樣烘干質量，g；v為土樣體積，cm3；p1為土壤總孔隙度，%；p2為土壤毛管孔隙度，%；θ為土壤田間持水量，%；p3為土壤非毛管孔隙度，%；ρm為土壤相對密度。

土壤滲透速度測定采用環刀法[9]。根據土壤滲透試驗結果，獲取土壤初滲率和穩滲率。初滲率為最初入滲時段內的滲透速率，本試驗取最初入滲時間為1min；穩滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率。

土壤蓄水容量、土壤毛管持水量、土壤有效蓄水容量采取如下公式[10]計算：

w1=10000p1ρm（5）

w2=10000p2ρm（6）

w3=10000p3ρm （7）式中：w1、w2、w3分別為土壤蓄水容量、土壤毛管持水量、土壤有效蓄水容量，t/hm2。

2 結果與分析

2.1 土壤物理特性和蓄水能力

2.1.1 土壤容重

土壤容重表示單位原狀土壤固體的質量，是衡量土壤松緊狀況的指標。容重大小是土壤質地、結構、孔隙等物理性狀的綜合反映。寧夏海子流域內的黑壚土受到黃土母質的侵蝕，腐殖質層的顏色上下差別比較大，上半段為黃棕灰色，下半段為灰帶褐色，腐殖質的積累和有機質含量不高。質地越細的土壤越緊實[11]，土壤越緊實則土壤容重越大。樣地土壤多為壤土至黏壤土，能保持較多的水分，土壤顆粒間的內聚力強。土壤中的水分像潤滑劑一樣，使土壤顆粒“滑”到一起，導致緊實[12]，所以樣地的土壤容重值整體較大。落葉松林多年連續生長后，根系下扎深度一致，減弱了對土壤的穿透力，還有單一種植方式使根系周圍離子平衡被打破，影響團粒結構體的形成，導致土壤緊實，土壤容重增大，甚至達到1.70g/cm3。10塊樣地土壤的容重見表2，由表2可知：①0～20、20～40、40～60cm土壤層的容重平均值分別為1.35、1.55、1.48g/cm3；表層（0～20cm）土壤的平均容重最小，其性能明顯好于中層（20～40cm）和下層（40～60cm）土壤；②天然次生落葉松林（S10）表層的土壤容重最小，人工林地的表層土壤容重普遍大于天然林地的表層土壤容重，說明天然林地的表層土壤結構更優。

2.1.2 土壤田間持水率

田間持水率是土壤保持水分能力的指標，是反映土壤水分運動的一個參考數據。各樣地土壤的田間持水率見表3。

根據表3可知，0～20、20～40、40～60cm土壤層的平均田間持水率分別為25.61%、25.69%和26.38%。總體來看，林地表層土壤的土質疏松，毛管力小，水分下滲和蒸散發較多，因此表層土壤持水能力較低；下層土壤的土質相對密實，孔隙小且密，毛管懸著力強，所以下層土壤比表層土壤田間持水率大；林地土壤大多為黑壚土，顆粒細，表面積大，孔隙小，對水的吸持能力大，田間持水率大，其變化范圍為20.80%～34.14%，平均值為25.90%。

2.1.3 土壤孔隙度

土壤孔隙度是土壤重要物理特性之一，是反映土壤通透性的指標，毛管孔隙使土壤具有貯水性能，而非毛管孔隙使土壤具有透水性能。一般來說，總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5為好，這種情況使得土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協調。土壤的非毛管孔隙度小于10%時，便不能保證通氣良好；小于6%時，許多作物便不能正常生長[13]。各樣地土壤的孔隙度見表4。

從表4可以看出：①不同樣地不同土層土壤孔隙度變化幅度較大，土壤總孔隙度變化范圍為36.60%～58.30%，平均值為46.2%；土壤毛管孔隙度變化范圍為23.22%～47.34%，平均值為37.44%；土壤非毛管孔隙度變化范圍為0.15%～35.08%，平均值為8.73%；②天然次生油松林和天然次生落葉松林的表層土壤的總孔隙度和非毛管孔隙度較高，說明天然次生林表層土壤結構更優；油松林3（S7）表層土壤的總孔隙度和非毛管孔隙度也較高，可能是對油松林3進行多次人工灌水和除草所致；③油松林1（S1）和刺槐林1（S2）的表層和中層土壤總孔隙度分別比油松林3（S7）和刺槐林2（S5）的小，而油松林3（S7）的長勢好于油松林1（S1），刺槐林2（S5）的長勢好于刺槐林1（S2），原因是這兩塊長勢差的林地位于陽坡坡頂，受太陽輻射和風力影響大，總孔隙度較小，對植被的生長不利；④不同樣地中，天然落葉松林（S10）的表層土壤總孔隙度最大，為58.30%，其表層土壤容重也最小，為1.11g/cm3（見表2），說明天然落葉松林地表層土壤結構最優。

2.1.4 土壤蓄水容量、有效蓄水容量和毛管持水量

60cm土層深度的土壤蓄水能力指標計算結果見表5。從表5可以看出：①刺槐林2（S5）的土壤蓄水容量和有效蓄水容量最大，分別為3155.93、1018.53t/hm2；河北楊林（S9）的土壤蓄水容量和有效蓄水容量最小，分別為2445.59、155.56t/hm2；②同種植被不同影響因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2）；油松林4樹齡為12a的次生天然林，為深根性樹種，根系發達，土壤容重較小，田間持水率較大，因此土壤蓄水容量也最大；位于陰坡的刺槐林2的土壤蓄水容量（3155.93t/hm2）大于位于陽坡的刺槐林1的（2660.64t/hm2），原因是位于陽坡的刺槐林1受太陽輻射和風力影響較大，蒸發量較大，因而土壤蓄水容量較小；③非毛管孔隙所對應的有效蓄水容量占總蓄水容量的18.9%，原因是土壤土質主要為黑壚土，質地比較黏重，非毛管孔隙所占比重較小，所以土壤有效蓄水容量占總蓄水容量的比重也較小；④10塊林地的平均土壤蓄水容量為2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量為524.05t/hm2，說明海子流域土壤蓄水容量較高，土壤水源涵養能力較強。

林地土壤是最主要的涵養水源的貯水庫，其涵養水源的能力主要取決于土壤的狀況，不同林地土壤條件下觀測到的土壤水源涵養能力常有較大的差別。與近年來一些關于森林土壤水源涵養能力的研究結果（見表6）[13-16]相比，海子流域林地的土壤最大蓄水容量和有效蓄水容量均較高，說明海子流域林地土壤的水源涵養能力較強。

2.2 土壤滲透能力

土壤滲透能力對地面徑流量的調節和轉換起著決定性作用，是反映森林水源涵養作用的重要指標，研究區各樣地的土壤滲透能力見表7。

從表7可以看出：①不同樣地不同土層深度土壤初滲率變化較大，0～20、20～40、40～60cm深度土壤初滲率平均值分別為11.52、15.44、5.72mm/min，土壤穩滲率平均值分別為1.08、1.62、0.95mm/min；②落葉松林（S1o）表層土壤的初滲率和穩滲率最大，分別為28.02、2.55mm/min；油松林1（S1）中層土壤的初滲率最大（為49.92mm/min），油松林4（S8）中層土壤的穩滲率最大（為3.46mm/min）；下層土壤中，油松林1（S1）的初滲率最大（為30.57mm/min），刺槐林1（S2）的穩滲率最大（為2.24mm/min）；③總體上，落葉松林（S10）等陰坡植被的平均土壤穩滲率大于油松林1（S1）等陽坡植被的；④油松林1（S1）和刺槐林1（S2）等幾種人工種植林土壤中層的穩滲率大于表層的，原因是植樹時表層土壤被人為踩實，中層土壤則相對疏松；而天然落葉松林（S10）表層土壤穩滲率（2.55mm/min ）大于中層土壤的（1.22mm/min）。

3 結論

對寧夏境內的海子流域水源涵養林土壤的物理特性及其水源涵養能力的分析表明：

（1）海子流域水源涵養林10塊林地的表層土壤的平均容重最小（為1.35g/cm3），其土壤性能明顯好于中層和下層土壤；天然林地表層土壤容重小于人工林地，說明天然林地表層土壤結構更優。

（2）海子流域水源涵養林地表層土壤土質疏松，總孔隙最大（為50.24%），毛管力小，水分下滲和蒸散發多，表層土壤持水能力低，而下層土壤土質密實，孔隙小且密，毛管懸著力強，因此下層土壤比表層土壤田間持水率略大；林地土壤大多為黑壚土，顆粒細，表面積大，孔隙小，對水的吸持能力大，田間持水率高，其變化范圍為20.82%～34.14%，平均值為25.89%。

（3）研究區林地土壤非毛管孔隙度為0.15%～35.08%，總孔隙度為36.60%～58.30%；天然次生油松林和天然次生落葉松林的表層土壤總孔隙度和非毛管孔隙度較高，說明天然次生林表層土壤結構更優。

（4）陰坡植被的平均土壤穩滲率大于陽坡的，人工林土壤中層的穩滲率大于表層的。

（5）同種植被不同影響因素下的土壤蓄水容量不同，油松林4（3050.56t/hm2）>油松林3（2946.60t/hm2）>油松林2（2903.47t/hm2）>油松林1（2608.53t/hm2），刺槐林2（3155.93t/hm2）>刺槐林1（2660.64t/hm2）；10塊林地的平均土壤蓄水容量為2772.16t/hm2，平均土壤有效蓄水容量為524.05t/hm2，與其他流域相比，海子流域林地的土壤最大蓄水容量和有效蓄水容量均較高，說明海子流域林地土壤的水源涵養能力較強。

參考文獻：

[1]王紅勝，劉苑秋，郭圣茂，等.退化石灰巖紅壤重建森林的土壤水分物理性質與水源涵養能力的研究[J].江西農業大學學報，2008，30（3）：489-493.

[2]王勤，張宗應，徐小牛.安徽大別山庫區不同林分類型的土壤特性及其水源涵養功能[J].水土保持學報，2003，17（3）：59-62.

[3]蔣秋怡.林地地上部分的持水性能及其對林地水文學性質的影響[J].浙江林學院學報，1989，6（2）：68-73.

[4]駱土壽，李意德，陳德祥，等.廣東白盆珠水庫水源林土壤水源涵養能力研究[J].生態科學.926（2）：159-164.

[5]杞金華，章永江，張一平，等.哀牢山常綠闊葉林水源涵養功能及其在應對西南干旱中的作用[J].生態學報，2012，32（6）：1692-1702.

[6]賈彥龍，許晴，許中旗，等.燕山北部山地典型植物群落水源涵養能力研究[J].水土保持通報，2012，32（6）：16-21.

[7]袁娜娜.室內環刀法測定土壤田間持水量[J].中國新技術新產品，2014（9）：184.

[8]任成，南夷非，馬晨歌，等.秦嶺松棟混交林土壤水源涵養功能評價[J].陜西農業科學，2016，62（8）：40-44.

[9]胡順軍，田長彥，宋郁東，等.土壤滲透系數測定與計算方法的探討[J].農業工程學報，2011，27（5）：68-72.

[10]孫艷紅，張洪江，程金花，等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養功能[J].水土保持學報，2006，20（2）：106-109.

[11]石彥琴，陳源泉，隋鵬，等.農田土壤緊實的發生、影響及其改良[J].生態學雜志，2010，29（10）：2057-2064.