涪江中游不同林分土壤水分-物理性質研究

林 浩，吳麗君，曾 艷，李衛忠，劉 謠，楊玉蓮，吳慶貴,*

(1.綿陽師范學院生態安全與保護四川省重點實驗室，四川綿陽 621006；2.四川省環境政策研究與規劃院，四川成都 610000；3.西北農林科技大學林學院，陜西楊凌 712100)

0 引言

水分是土壤肥力中最活躍的因素，土壤水分物理性質不僅反應土壤結構狀況和養分狀況[1]，也是定量研究土壤水源涵養能力的關鍵因素[2-3].通常認為，闊葉林土壤水源涵養功能優于針葉林[4-5]；但也有學者發現，針葉純林[6]、針闊混交林[7]土壤的持蓄水能力優于闊葉純林.這與研究區域的氣候與土壤差異以及代表性樹種選擇、造林密度和經營管理[8]等有關，尚難得出一致的結論.一方面，樹種選擇影響森林對土壤水分-物理性質的調控過程，不同林分下樹種生物學特性和林分結構差異影響物質周轉與養分歸還過程，對土壤水源涵養功能控制效應不同[9-10].其次區域氣候和地形等也是影響土壤水分-物理性質的重要因素，同一樹種在不同環境下林下土壤性質也不同[11-13].另一方面，造林密度和森林的經營管理也會對林下土壤造成差異，不合理造林和經營都會造成土壤肥力下降[14-15].但是，在局域范圍內，樹種本身生物學特性以及林分結構是影響土壤水分-物理性質的關鍵因素.因此，研究固定區域森林土壤水分-物理性質對評價森林涵養水源功能具有重要指導意義，可以為該森林的可持續發展提供科學依據.

涪江是嘉陵江右岸最大支流，發源于四川省松潘縣黃龍鄉岷山雪寶頂，是川西北地區一條重要河流，為當地的工農業生產和人們生活提供寶貴的水源[16].涪江作為長江流域的重要組成部分，是庇護川西北地區天然的重要生態屏障[17-18].涪江中游作為涪江流域重要組成部分，在植被的水源涵養和水土保持、淤沙固岸方面發揮著重要作用，具有重要的生態功能[19].受退耕還林和天然林保護等生態工程實施的影響，區域內森林面積不斷增加[20-21]，但對于典型林分土壤物理性質和水源涵養功能仍不清晰，而有關于涪江中游不同森林土壤物理性質和水源涵養功能一直缺乏應有的關注.

鑒于此,本文以涪江中游7種不同林分為研究對象，測定不同林分下土壤容重、孔隙度與持水量等水分-物理性質，揭示不同林分下土壤結構及持水能力差異狀況，以期為該區域內的水土保持和森林水源涵養提供科學參考.

1 研究地區自然概況和方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省綿陽市(103°45′～105°43′E, 30°42′～33°03′N)，涪江中上游地帶，平均海拔為400～600 m，屬于亞熱帶濕潤氣候區.多年平均氣溫在攝氏14.7 ℃～17.3 ℃之間，域內氣候溫和、濕度大、雨量豐沛，無霜期長平均為253 d～301 d，年平均降水量為826 ～1 417 mm，主要集中在6～8月.土壤類型主要為黃壤.植被類型豐富，以闊葉林、針葉林和低矮灌叢為主[18].

1.2 樣方設置和樣品采集

基于前期實地調查基礎上，選擇石橋鋪、仙海以及磨家鎮等林齡相近，林相整齊的7種林分.采用典型樣地法，每個林地隨機布設3個20 m×20 m的樣方(樣方之間的距離大于50 m)，測定樣方基本特征(表1).在樹干距地面1.3 m處，采用皮尺量取樹木胸徑，如1.3 m處樹干異常，往上找離其最近的正常部位量取.如樹木分枝點在1.3 m以下，則在分枝點下方量取[22].

采集土壤樣品時，在各樣方內按五點取樣選定采樣點，用鐵鍬挖開土層，用環刀(體積為100 cm3)依次按20～40 cm (M2)、0～20 cm (M1)分層采集原始土樣，分裝編號，帶回實驗室測定土壤物理性質及持水量.

1.3 土壤物理性質和持水性能測定

用環刀法測定土壤容重、孔隙度與最大持水量等指標，用烘干法測定土壤含水量，具體的操作及計算方法參照中華人民共和國林業行業標準《森林土壤水分-物理性質的測定》(LY/T1215—1999).

1.4 數據處理及統計分析

不同土層深度間土壤物理性質比較采用t-檢驗，采用單因素方差分析(One-way ANOVA) 比較不同林分間土壤物理性質.方差分析之前采用正態直方圖法粗略檢測數據是否符合正態分布，對不符合正態分布的數據采用取對數的方法進行數據轉換，采用S-W方法檢驗方差齊性，一旦達到統計學差異顯著性采用Duncan法進行多重比較.采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析不同林分和土層對土壤物理性質影響的顯著性，在分析之前分別采用K-S檢驗和方差同質性檢測數據是否符合正態分布和方差齊性.土壤持水能力與土壤物理性質指標的相關分析采用Person相關分析法.所有統計分析均采用Excel(2016)和SPSS 24.0進行，并運用Origin9.0軟件完成作圖.

表1 樣地概況Tab.1 Introduction to the study site

續表1：

2 結果分析

2.1 不同林分下土壤容重比較

由表2可知，林分和土層深度顯著影響土壤容重(P<0.05)，二者交互作用對容重影響不顯著(P=0.234).不同林分土壤容重均值為1.35～1.85 g·cm-3，各林分中土壤容重隨土層深度的增加而增加(圖1)，不同林分相同土層間土壤容重變化規律不一致.M1土層的土壤容重由大到小依次是榿木×洋槐混交林>構樹林>桉樹林>柏木林>馬尾松林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林；M2土層的土壤容重由大到小依次是榿木×洋槐混交林>榿木×女貞混交林>構樹林>柏木林>桉樹林>馬尾松林>柏木×青岡混交林.從0～40 cm層來看，榿木×洋槐混交林(1.73 g·cm-3)土壤容重最大，顯著高于其他林分(P<0.05)，其次是構樹林、桉樹林、柏木林、榿木×女貞混交林與馬尾松林，柏木×青岡混交林最小.

圖1 不同林分對土壤容重的影響Fig.1 The effect of variations in forest on soil bulk densitya. M1：表示0～20 cm的土層，M2表示20～40 cm的土層；b. 不同大寫字母表示同一土層不同林分間差異顯著(P<0.05)；不同的小寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著(P<0.05)(下同).

2.2 不同林分下土壤孔隙度比較

由表2可知，林分和土層深度顯著影響土壤總孔隙度、毛管孔隙度(P<0.05)，二者交互作用對土壤總孔隙度(P=0.788)、毛管孔隙度(P=0.848)無顯著影響，土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小(圖2).各林分土壤總孔隙度、毛管孔隙度分別介于30.82%～42.18%和29.58%～40.78%之間.M1土層總孔隙度由大到小依次為：柏木林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>構樹林>馬尾松林>桉樹林>榿木×洋槐混交林.M1土層毛管孔隙度為：榿木×女貞混交林>柏木林>柏木×青岡混交林>構樹林>桉樹林>馬尾松林>榿木×洋槐混交林；M2層毛管孔隙度和總孔隙度大小變化一致，均為：柏木林>構樹林>馬尾松林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林.從0～40 cm層來看，柏木林的總孔隙度和毛管孔隙都最大，榿木×洋槐混交林最小.

同一土層不同林分間間非毛管孔隙度存在顯著差異(P<0.05，圖3)，其中柏木林顯著高于其他林分.M1土層非毛管孔隙度由大到小依次為柏木林>馬尾松林、榿木×女貞混交林>桉樹林>榿木×洋槐混交林>柏木×青岡混交林>構樹林；M2土層為柏木林>榿木×洋槐混交林>桉樹林>構樹林>榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>馬尾松林.其中柏木林、柏木×青岡混交林、榿木×女貞混交林和馬尾松林非孔隙度隨土層的增加而減小，而榿木×洋槐混交林、桉樹林和構樹林則隨土層的增加而增加.

圖2 不同林分對土壤孔隙度的影響Fig.2 The effect of variations in forest on soil capillary porosity圖3 不同林分對土壤持水能力的影響Fig.3 The effect of variations in forest on soil moisture capacity

2.3 不同林分下土壤持水能力比較

林分和土層深度顯著影響土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量(P<0.05，表2).不同林分間土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量變化范圍分別為215.87 ～304.73 g·kg-1、161.13～297.16 g·kg-1、158.20 ～287.04 g·kg-1.在M1土層中，最大持水量和毛管持水量由大到小均為：榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>柏木林>馬尾松林>構樹林>桉樹林>榿木×洋槐混交林，田間持水量為：榿木×女貞混交林>柏木×青岡混交林>柏木林>桉樹林>構樹林>馬尾松林>榿木×洋槐混交林；在M2土層中，最大持水量和毛管持水量表現為：柏木林>構樹林>柏木×青岡混交林>馬尾松林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林，田間持水量為：柏木林>馬尾松林>柏木×青岡混交林>構樹林>桉樹林>榿木×女貞混交林>榿木×洋槐混交林.在0～40 cm土層間土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量表現出相同的變化趨勢.其中，柏木×青岡混交林最大，其次依次為柏木林、榿木×女貞混交林、構樹林、馬尾松林、桉樹林與榿木×洋槐混交林.隨著土層深度的增加土壤最大持水量、毛管持水量與田間持水量減小(圖2).

2.4 林分對土壤持水能力與容重和孔隙度相關性的影響

土壤持水能力與容重和孔隙度的相關關系受林分類型的影響(表3).土壤持水量與容重均呈顯著負相關(P<0.01, 除馬尾松林和構樹林外)，土壤持水量與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(P<0.01, 除馬尾松林外).馬尾松林的土壤毛管持水量、田間持水量與總孔隙度之間均呈顯著正相關(P<0.05).構樹林最大持水量和毛管持水量與容重，以及最大持水量與非毛管孔隙度均呈顯著正相關(P<0.05).

表3 不同林分類型條件下土壤物理性質相關性分析Tab.3 Correlation matrix showing the correlation coefficients among studied variables across forest

3 討論

土壤水分-物理性質反應了土壤的結構狀況、持水能力等，是林分結構與功能的綜合體現[23-24].不同林分因其群落結構和樹種差異，對凋落物的形成與分解、微生物群落等產生影響，進而改變了土壤物理性質和水源涵養能力[25-26].本研究結果表明，林分類型和土層深度都顯著影響了土壤容重、孔隙度和持水量，土壤持水能力與容重和孔隙度的相關關系也受林分類型的影響.不同林分間土壤水分-物理性質存在顯著差異，土壤容重隨土層深度的增加而增加，土壤持水量和孔隙度則隨土層深度的增加而減小，其中青岡×柏木混交林的土壤持水量明顯優于其他林分，說明針闊混交林在一定程度上可以改善土壤水分-物理性質，提高土壤水源涵養能力[27].

3.1 不同林分對土壤容重的影響

土壤容重作為土壤主要結構特性之一，綜合反映了土壤孔隙狀況、通透性和持水能力等土壤物理性質[28-29].土壤容重越小，表明土壤比較疏松，透氣性好.反之，表明土壤比較緊實，結構性差[30].土壤容重一般介于1.0～1.5 g·cm-3，結構良好的土壤在1.25～1.35 g·cm-3[31].與之相比，本研究中土壤容重值變動范圍在1.35～1.85 g·cm-3，其中柏木×青岡混交林(1.39 g·cm-3)的土壤容重最小，土壤結構良好，其次是馬尾松林和柏木林.桉樹林與構樹林土壤容重大于1.50 g·cm-3，可能引起土壤板結、肥力下降[32]，說明相對于單一林分，針闊混交林有利于改善土壤物理性狀，明顯優于單一林分針葉林和闊葉林[33].其原因可能是不同林分混交改變了林內小環境，調節了林內光和熱的分配，從而促進凋落物的分解，降低土壤堅實度[34].榿木×洋槐混交林、榿木×女貞混交林兩者同為闊葉混交林，但土壤容重差異顯著，一方面可能是因不同樹種間因其生物學特征的不同存在化感作用而影響其他樹種生長[35]，另一方面可能是林齡的限制，森林植被對土壤的改善作用是由淺入深的過程，隨著林齡的增加，其對土壤的改善逐漸深入到下層[36].

3.2 不同林分對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙是土壤中養分、水分等的運輸通道，主要分為毛管孔隙度和非毛管孔隙度，土壤孔隙度越大其潛在涵養水源能力越強[1,11].研究表明土壤總孔隙度在40%～60%之間，非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例在1/5～2/5的土壤結構性良好，土壤通氣性和持水能力較好[37].本研究中只有柏木林土壤總孔隙度大于40%，其余林分土壤總孔隙度介于33%～39%之間，而非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例均在1/5下，說明土壤非孔隙數量少，土壤滯留水分能力較差.不同林分土壤孔隙度存在顯著差異，柏木林孔隙度高，其次依次為柏木×青岡混交林、榿木×女貞混交林、構樹林、桉樹林、馬尾松林、榿木×洋槐混交林.導致這種差異的原因可能是：首先，由于不同林分優勢樹種的差異使其林內小環境、凋落物的數量及分解速率不同，進而影響土壤孔隙度[38-39].其次是植物根系的分布，不同林分土壤根系生物量分布規律不同.地下細根越多越有利于毛管孔隙度的形成，此外根系在土壤中穿插擠壓產生的機械力可以有效改善土壤結構，增加土壤孔隙度[40-41].

3.3 不同林分對持水能力的影響

土壤持水能力是評價土壤水分調節能力和涵養水源的重要指標[16]，受土壤容重和孔隙度的影響[17]，土壤容重越小，土壤孔隙度越大就意味著土壤潛在的水源涵養能力越強[14].本研究中土壤持水量與孔隙度均隨著土層的增加而下降，這可能與土壤有機質、植物根系隨土壤深度降低有關[42].不同林分土壤持水量存在顯著差異，其中柏木×青岡混交林最大持水量、毛管持水量與田間持水量均最大，說明柏木×青岡混交林的持水能力明顯大于針葉林和闊葉林[33].

綜上所述，綜合比較涪江中游7種林分水分-物理性質，不同林分間土壤水分-物理性質存在差異顯著，土壤持水量與孔隙度和容重的相關性受林分類型的影響.土壤容重隨土層的增加而減小，最大持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度與毛管孔隙度隨土層深度的增加而減小.柏木×青岡混交林土壤具有較高的持水能力，因此在進行林地設計時可以考慮引入有助于土壤結構改良的樹種進行混交從而改善其土壤結構，提高森林水源涵養的能力.