太行山低山丘陵花崗片麻巖區典型林地土壤持水能力研究

侯佳茗

（北京林業大學水土保持學院，北京100083）

森林是陸地上重要的生態系統類型，具有涵養水源、保持水土和維持生態系統平衡等重要生態服務功能[1]。特別是在干旱半干旱地區，森林水源涵養功能對維持區域的生態安全和水安全尤為重要。土壤作為森林生態系統的水分主要儲蓄庫，是森林水源涵養功能形成與發揮的關鍵。森林土壤的持水能力也成為了國內外學者在土壤水分調節能力和涵養水源研究中關注的重要指標。不同的森林植被擁有不同的林分組成、林冠結構、枯落物和根系，進而影響土壤理化性質、持水能力以及水分利用效率[2-3]。因此，研究不同類型林地與土壤持水能力的關系具有重要意義。

太行山是華北平原重要的水源補給區、京津冀地區重要的生態屏障和國家京津冀協同發展戰略的水源涵養功能區。因此，本文以中科院太行山山地生態試驗站內林地為例，采用野外定點采樣結合室內實驗的方法，以太行山低山丘陵花崗片麻巖區典型林型刺槐純林、油松×側柏混交林、核桃退耕還林地土壤為研究對象，對不同林型下土壤物理性質和持水量進行測定分析，揭示3種典型林地土壤持水能力的差異，以指導太行山低山丘陵花崗片麻巖區造林綠化和水源涵養林體系的建設及經營。

1 研究區概況

該研究在中科院太行山山地生態試驗站內進行，位于河北省元氏縣，E114°15′55″，N37°52′45″，海拔350m左右，屬于低山丘陵區。該區屬半干旱大陸性季風型氣候區，多年平均降雨量560mm，降雨集中在6~8月份（占全年80%以上），多年平均氣溫13℃，多年平均蒸發量為1600mm[4]。土壤主要為由花崗片麻巖成土母質發育而成的山地褐土，土層薄，有機質含量低[5]。典型林型是次生低矮刺槐闊葉林、退耕還林后的核桃經濟林，少量的油松側柏針葉混交林。

2 研究方法

2.1 樣地調查

在試驗站研究區內選取太行山低山丘陵花崗片麻巖區典型林型刺槐林、油松×側柏混交林、退耕還林后的核桃林3種林型設置標準地。所選3個標準地立地條件相近，海拔350m，均為陽坡，坡度15°左右，土壤類型系山地褐土。標準地面積為30m×30m，對各樣地的林分特征（樹高、胸徑、郁閉度等）進行調查記錄。各林地的基本情況見表1。

表1 標準地情況

2.2 土壤物理性質和持水量的測定

在各標準地選擇具有代表性的3個樣點，分別挖掘土壤剖面，用100cm3環刀分4層（10cm厚為一層）取原始土樣，帶回實驗室測定土壤容重、孔隙度及計算各項持水量指標，具體測定及計算按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/T 1215—1999）操作。

3 結果與分析

3.1 不同林型土壤物理性質

土壤容重和孔隙度直接影響著土壤的透水性和通氣性。由圖1、表2可看出：每個林型各土層土壤容重有所變化，刺槐林各土層土壤容重在1.34~1.62g/cm3，油松×側柏混交林各土層土壤容重在1.35~1.61g/cm3，核桃林各土層土壤容重在1.30~1.42g/cm3。各個林地的土壤容重整體上隨土層深度增加呈上升趨勢，但刺槐林和核桃林30~40cm的土壤容重反而小于20~30cm的土壤容重。由表4可看出：各個林地的土壤容重均值排序為油松×側柏混交林（1.47g/cm）3＞刺槐林（1.46g/cm）3＞核桃林（1.36g/cm3）。方差分析顯示，各類型林地內不同土層深度的土壤容重差異不顯著，不同類型林地的土壤容重差異也不顯著。

圖1 不同類型林地各土壤層容重

由表2可看出，各個林地土壤孔隙度與土層深度之間的變化規律不同。隨著土層深度的增加，刺槐林各土層土壤毛管孔隙度由38.22%下降到33.28%，總孔隙度由10~20cm土層的38.47%增加到30~40cm土層的41.37%；油松×側柏混交林各土層土壤毛管孔隙度變化在33.44%~37.71%，總孔隙度變化在35.7%~41.13%；核桃林土壤毛管孔隙度變化在42.83%~46.84%，總孔隙度由47.06%下降到43.24%。3種林型各土層土壤孔隙度隨土層深度增加整體上呈下降趨勢，但并未全部呈現出隨著土層深度的增加而逐層降低的規律性變化。

表2 各林型不同土層土壤物理特征參數

由表4可看出：3種林型土壤相比較，油松×側柏混交林的土壤毛管孔隙度和總孔隙度平均值均最小；核桃林的土壤毛管孔隙度和總孔隙度平均值均最大。

方差分析顯示，刺槐林、油松×側柏混交林各土層的土壤毛管孔隙度、總孔隙度差異不顯著；核桃林中0~10cm土層的土壤毛管孔隙度、總孔隙度顯著高于20~30cm，30~40cm土層。刺槐林與油松×側柏混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度之間差異不顯著；核桃林與刺槐林、油松×側柏混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度之間差異顯著。

結構良好的土壤總孔隙度為55%～70%，而這3種林型土壤的總孔隙度平均值在38.85%~44.74%之間，說明這3種林型林地土壤尚未達到結構良好。

3.2 不同林型土壤持水能力

我國的林學界和水土保持領域，通常用土壤非毛管蓄水量作為計量森林土壤蓄水量的基準。而半干旱地區，土壤毛管蓄水量是非毛管蓄水量的幾倍，土壤水分很難達到飽和，林地土壤水分經常處于虧缺狀態，土壤儲水以吸持蓄水為主，因此，用非毛管蓄水量評價土壤蓄水性能不全面，也不合理，應以非毛管孔隙和毛管孔隙蓄水（即飽和蓄水量）評價該區的土壤蓄水性能[6]。

由表3可知：刺槐林、油松×側柏混交林不同土層的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異不顯著；核桃林中0~10cm土層的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量與其他土層之間差異顯著。刺槐林與油松×側柏混交林的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異不顯著；核桃林與刺槐林、油松×側柏混交林的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異顯著（表4）。

表3 各林型不同土層土壤持水特性參數

由表4可看出：3種林分類型40cm厚土層內每10cm土層飽和蓄水量平均值大小排序依次為核桃林（447.38t/hm2）＞刺槐林（401.80t/hm2）＞油松×側柏混交林（388.49t/hm2），土壤毛管蓄水量表現為核桃林（443.63t/hm2）＞刺槐林（356.23t/hm2）＞油松×側柏混交林（354.41t/hm2）。

表4 不同林型40cm內土壤物理特征、土壤持水特性參數

由此可見，3種林型中核桃林的持水能力較強，刺槐林的持水能力次之，油松×側柏混交林的持水能力較弱。

4 結論與討論

森林類型和樹種的差異導致其地表凋落物構成及樹木根系生長發育存在一定差異，從而造成不同林地土壤物理性質不同。通過對太行山低山丘陵花崗片麻巖區3種典型林地土壤持水能力的研究發現，所測的刺槐林、油松×側柏混交林、核桃林3種林型的土壤容重整體上隨土層深度增加而增大，但刺槐林和核桃林30~40cm的土壤容重反而小于20~30cm的土壤容重，推測是因為刺槐和核桃都是深根性喬木，30cm以下的土壤中根系分布較多，改善了土壤結構，使得土壤容重變小。3種林型土壤容重均值變化在1.34~1.62g/cm3，差異不顯著，大小排序為油松×側柏混交林（1.47g/cm）3＞刺槐林（1.46g/cm）3＞核桃林（1.36g/cm）3。總孔隙度大小排序為核桃林（44.74%）＞刺槐林（40.19%）＞油松×側柏混交林（38.85%）。有研究表明，森林土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均隨深度的增加而減低[7-9]。但本研究并未得出完全相同的結論，所測的刺槐林、油松×側柏混交林、核桃林3種林型各土層土壤孔隙度隨土層深度增加整體上呈下降趨勢，但并未全部呈現出隨著土層深度的增加而逐層降低的規律性變化，這可能是因為不同土層的土壤孔隙度受多種因素的影響，枯落物、根系生長、蟲類活動都會影響土壤結構，進而影響孔隙度。如：刺槐為深根性喬木，30cm以下的土壤中根系分布較多，改善了土壤結構，使得30cm以下的土壤總孔隙度、非毛管孔隙度均高于10~20cm的土壤。土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量大小排序均為核桃林（447.38t/hm2，443.63t/hm2）＞刺槐林（401.90t/hm2，356.23t/hm2）＞油松×側柏混交林（388.49t/hm2，354.41t/hm2）。總體發現，3種林型中核桃林的持水能力較強，刺槐林的持水能力次之，油松×側柏混交林的持水能力較弱。說明闊葉林改善土壤質地結構、涵養水源的能力優于針葉林。與各個林地飽和蓄水量、毛管蓄水量的排序規律不同，核桃林的非毛管蓄水量遠小于其他兩種林型，這是因為核桃林屬于經濟林，人工耕作增加了有機質，改善了土壤質地、結構和上下層孔隙狀況，非毛管孔隙度大大減少，土壤保存的水分可被吸收利用的較多，更加有效地減少地表徑流。這表明影響森林土壤持水能力的因素除樹種外還有其他復雜因素，在以后的研究中需加強綜合研究。