黃土丘陵區3種典型林地土壤持水能力研究

隋聚艷 王建文

摘 要：為了揭示黃土丘陵區不同林地土壤涵養水源功能的差異，指導水源涵養林建設和經營，對屬黃土丘陵區的山西省中陽縣車鳴峪林場進行實地踏勘與咨詢，選取山楊、刺槐、油松3種典型人工林為研究對象，分別設置20 m×20 m標準樣地，在每個標準樣地內采集0～10、10～20、20～30 cm土層土壤樣品，包括土壤環刀樣品和土壤散樣，通過室內試驗分析，測定土壤機械組成、土壤團聚體、土壤含水率、土壤容重、土壤總孔隙度等物理性質指標，系統研究了3種典型林地土壤物理性質及土壤持水能力。結果表明：3種典型林地土壤物理性質存在差異：土壤含水率表現為油松>刺槐>山楊;土壤容重刺槐樣地最大、山楊樣地最小，樣地之間差異顯著;土壤總孔隙度表現為山楊>油松>刺槐;各樣地濕篩的團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑均小于干篩的，0～30 cm土層干篩團聚體平均質量直徑總體表現為刺槐>油松>山楊，濕篩團聚體平均質量直徑最大為山楊、最小為刺槐，即刺槐土壤團聚體穩定性最差、山楊團聚體穩定性最強;不同樣地土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數、土壤有效水存在差異，但整體上油松樣地的水分狀況較好，不同樣地田間持水量和土壤有效水表現為油松>山楊>刺槐，凋萎系數表現為山楊>油松>刺槐。

關鍵詞：土壤持水能力;土壤團聚體;平均質量直徑;林地;土壤物理性質;黃土丘陵區

中圖分類號：S157;S714.2 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.022

引用格式：隋聚艷，王建文.黃土丘陵區3種典型林地土壤持水能力研究[J].人民黃河，2021，43（7）：114-119.

Abstract： The purpose of this paper is to reveal the difference of soil water holding capacity of different forest lands in the loess hilly region and guide the construction and management of water conservation forest system in this area. Based on the field survey and consultation of Chemingyu Forestry Station in Zhongyang County， Shanxi Province， which belongs to the loess hilly area， three typical forest lands of Populus davidiana Dode， Robinia pseudoacacia L. and Pinus tabulaeformis were selected as the research objects and 20 m × 20 m standard plots were set up respectively. Soil sample in 0-10， 10-20 and 20-30 cm soil layers were collected in each standard plot， including soil ring knife samples and soil loose samples. Soil mechanical composition， soil aggregate， soil water content， soil bulk density， soil total porosity and other physical property indexes were measured by laboratory test， and soil physical properties and soil water holding capacity of three typical forest lands were systematically studied. The results indicate that the soil physical properties of three typical forest lands exist differences. Soil water content of the typical forest land in the loess hilly region is Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L. > Populus davidiana Dode. The soil bulk density of Robinia pseudoacacia L. is the largest and Populus davidiana Dode is the smallest， and the difference between each plot is significant. The soil total porosity is Populus davidiana Dode > Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L.. The mean weight diameter and geometric mean diameter of soil aggregates with wet sieves are smaller than those of dry sieves. The mean weight diameter of dry sieve soil aggregate in 0-30 cm soil layer is Robinia pseudoacacia L. > Pinus tabulaeformis > Populus davidiana Dode. The maximum of mean weight diameter with wet sieve soil aggregate is Populus davidiana Dode and which of the minimum is Robinia pseudoacacia L.. That is to say， the soil aggregate stability of Robinia pseudoacacia L. is the worst and which of Populus davidiana Dode is the strongest. There are differences in soil saturated water content， field water capacity， wilting coefficient and soil available water in different plots， but the overall water status of Pinus tabulaeformis is better. The field water capacity and soil available water with different plots are Pinus tabulaeformis > Populus davidiana Dode > Robinia pseudoacacia L.， and the wilting coefficient is Populus davidiana Dode > Pinus tabulaeformis > Robinia pseudoacacia L..

Key words： soil water holding capacity; soil aggregate; mean weight diameter; forest land; soil physical characteristics; loess hilly region

土壤是生態系統進行物質交換和能量循環以及植物賴以生存的重要基礎[1-2]，是森林涵養水源的主要載體，是繼林冠層和枯枝落葉層下的第三功能層，在調節氣候、降低洪澇災害、防治水土流失等方面具有重要的作用[3-4]。土壤與植物關系密切、相互作用，為植物生長提供所需的養分和水分，森林植被的差異會造成林分組成、林冠結構、枯枝落葉層蓄積量及分解能力、根系構型及其穿插能力等不同，進而影響土壤理化性質、持水能力以及水文過程[5-7]。土壤容重和孔隙度是反映土壤緊實程度的重要指標，植被恢復會影響土壤容重及孔隙度、改善土壤結構，土壤容重越大、總孔隙度越小則土壤越緊實[8]。土壤團聚體是土壤結構的基本組成單元，不僅影響土壤透氣性、透水性、抗蝕性和持水性，也反映土壤結構狀況，在提高土壤抗蝕能力、土壤肥力、土壤質量等方面具有重要作用[9-11]。植被恢復可以顯著提高土壤團聚體穩定性[12]，植被類型會影響和改變同一母質發育條件下土壤團聚體的組成和數量[13]。土壤物理性質影響土壤貯水量、土壤涵養水源的能力[14];不同林地之間土壤蓄水能力存在差異，云杉純林及其混交林土壤蓄水能力高于其他林地[15]。晉西黃土丘陵區地形破碎、降雨少，土層厚度較薄，土壤持水能力對于該區域水源涵養具有重要作用，筆者研究了該區不同林地土壤物理性質，揭示3種典型林地土壤涵養水源功能的差異，以期指導該類區域水源涵養林體系的建設和經營。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省中陽縣車鳴峪林場，屬黃河流域典型的半干旱黃土丘陵區。該區屬暖溫帶亞干旱區和大陸性季風氣候區，年降水量500～550 mm，降雨集中在7—9月（占全年70%以上），年均水面蒸發量1 019.7 mm，年均氣溫6 ℃，無霜期125～150 d;土壤以褐土居多，其次是棕壤，水土流失嚴重;植被區劃屬于森林草原灌叢植被區，現有樹種少，區內喬木以人工林為主，主要有油松、刺槐、山楊等，林下主要野生灌木有胡枝子、黃刺玫、沙棘、檸條等，草本植物以菊科和禾本科為主，菊科蒿屬居多。

1.2 研究方法

2018年8月在實地踏勘基礎上，選取山楊、刺槐、油松3種典型人工林（均為純林）為研究對象。每種林地設置1塊20 m×20 m臨時標準樣地（見表1），在每個標準樣地內采集土層深度分別為0～10、10～20、20～30 cm的土壤樣品（均為褐土），包括土壤環刀樣品和土壤散樣。土壤環刀樣品用于測定土壤含水率、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量、田間持水量，其中土壤含水率采用烘干法測定，其余指標采用環刀法測定。土壤散樣帶回實驗室后進行風干，去除石塊、植物根系等雜質，用于測定凋萎系數、土壤有效水、土壤機械組成、土壤團聚體和土壤有機質，其中：凋萎系數利用最大吸濕水量計算，最大吸濕水量采用飽和硫酸鉀法測定;土壤有效水為田間持水量與凋萎系數的差值;土壤機械組成采用吸管法測定，計算沙粒（粒徑2～0.02 mm）、粉粒（粒徑0.02～0.002 mm）、黏粒（粒徑<0.002 mm）含量;土壤團聚體采用薩維諾夫法測定，包括干篩團聚體和濕篩團聚體;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。上述指標測定方法詳見文獻[16-17]。各樣地土壤均屬粉沙質壤土，機械組成和有機質含量見表2。

土壤團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑采用如下公式[18-19]計算：

式中：wi為第i粒級團聚體質量百分數，%;xi為第i粒級團聚體的平均粒徑，mm;Wi為第i粒級團聚體的質量，g。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質

土壤物理性質指標測定結果見表3。

土壤含水率是影響植被生長的重要因素，其垂直分布不僅受土壤自身特性的影響，而且還受植被類型、降雨、蒸發等因素的影響[20]。由表3可知：各樣地0～30 cm土層土壤含水率表現為油松>刺槐>山楊，刺槐和油松顯著大于山楊;各樣地0～10 cm土層土壤含水率最高，隨著土層深度的增加，土壤含水率均呈減小趨勢，山楊0～10、10～20、20～30 cm土層土壤含水率依次為11.70%、10.24%、10.47%，油松0～10、10～20、20～30 cm土層土壤含水率依次為21.58%、17.59%、18.54%，0～10 cm土層土壤含水率顯著大于10～20 cm和20～30 cm土層。不同樣地相同土層的土壤含水率具有明顯差異：0～10 cm土層，刺槐和油松土壤含水率顯著大于山楊，這與林分類型、地表枯落物覆蓋情況關系密切;10～20 cm土層，各樣地土壤含水率的大小與0～10 cm土層相一致;20～30 cm土層，山楊、刺槐、油松之間相互差異顯著。各樣地土壤含水率與土層深度之間顯著負相關，可以用線性函數擬合，其擬合方程的決定系數均在0.5以上：

式中：y為土壤含水率;x為土層深度;R2為決定系數。

土壤容重是反映土壤緊實程度的重要指標之一，表征土壤質量的同時也體現土壤蓄水保水能力[21]，土壤容重越小、土壤越疏松，則土壤結構性越好、越有利于通氣透水和貯水能力的提高[9]。由表3可知：3種樣地0～30 cm土層土壤容重表現為刺槐>油松>山楊，各樣地之間差異顯著;山楊、刺槐、油松樣地0～10 cm土層土壤容重依次為0.94、1.16、1.00 g/cm3，該層土壤容重小于10～20 cm土層和20～30 cm土層的，原因是枯落物分解為表層土壤、提供大量的土壤有機質和腐殖質，有利于土壤團聚體的形成，改善土壤結構，進而影響土壤容重。土壤容重隨著土層加深而增大，其中：刺槐樣地0～10、10～20、20～30 cm土層土壤容重依次為1.16、1.20、1.45 g/cm3，20～30 cm土層顯著大于0～10 cm和10～20 cm土層，該樣地各土層土壤容重變化范圍最大，20～30 cm土層土壤容重是0～10 cm土層的1.25倍;山楊和油松各土層土壤容重分別在0.94～1.01 g/cm3和1.00～1.16 g/cm3之間，各土層之間差異不顯著。

土壤孔隙度是反映土壤物理性質的基礎指標，體現了土壤結構及其通氣透水能力，影響樣地的水文過程[3]。土壤總孔隙度由土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度組成：毛管孔隙度反映土壤的蓄水能力，用于維持植物生長發育;非毛管孔隙度反映土壤的通氣透水能力，為土壤水分的暫時貯存提供空間，起到增強水分入滲、水源涵養的作用[22-23]。森林植被在生長過程中，植物根系通過穿插、網絡、纏繞土壤，改善土壤結構及其理化性質，進而影響土壤的透水和持水能力。由表3可知：各樣地0～30 cm土層土壤總孔隙度均表現為山楊>油松>刺槐，這與土壤容重相反;隨著土層深度的增加，土壤總孔隙度呈現減小的趨勢，表層土壤孔隙狀況優于下層，即表層土壤結構較為松散，具有較好的通氣、透水和保水能力。山楊、刺槐、油松樣地0～30 cm土層土壤毛管孔隙度分別在38.48%～51.06%、29.74%～45.40%、42.19%～48.62%之間，刺槐林地不同土層之間毛管孔隙度差異顯著，山楊和油松樣地不同土層之間無顯著差異;3種樣地土壤毛管孔隙度的最大值均出現在0～10 cm土層，隨土層深度的增加，土壤毛管孔隙度呈減小的趨勢，表層土壤毛管孔隙度偏大不僅可以提高毛管中水的毛管傳導率，也決定該土層及深層土壤的貯水能力，為植物生長提供必需的水分。土壤毛管孔隙度最小值出現在刺槐樣地20～30 cm土層，僅為29.74%，顯著低于山楊和油松樣地，3種樣地0～10 cm和10～20 cm土層土壤毛管孔隙度均無顯著差異。山楊、刺槐、油松樣地0～30 cm土層土壤非毛管孔隙度分別在11.86%～22.13%、12.15%～16.38%、9.45%～13.33%之間，不同土層之間無顯著差異;3種樣地0～10 cm和20～30 cm土層土壤非毛管孔隙度大小依次為刺槐>油松>山楊，樣地之間無顯著差異;而10～20 cm土層非毛管孔隙度大小則表現為山楊>刺槐>油松，樣地之間差異顯著，山楊樣地顯著大于刺槐和油松樣地。各樣地土壤非毛管孔隙度隨土層深度的增加無明顯的變化規律，刺槐樣地0～10 cm土層為15.23%，大于山楊和油松樣地的，說明刺槐樣地表層土壤的通氣透水能力較強，入滲能力較好，降雨時土壤可快速吸收雨水，有利于減少水土流失。

2.2 土壤團聚體特征

土壤團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑是評價土壤團聚體穩定性的2個重要指標，土壤團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑越大，土壤結構性越好，土壤團聚體穩定性越強，土壤抗蝕能力越強[24]。由表4可知各樣地濕篩的團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑均小于干篩的，原因是干篩團聚體是由非水穩性團聚體和水穩性團聚體構成，遇到雨水時或在浸泡狀態下，土壤非水穩性團聚體被破壞、崩解。各樣地不同土層干篩團聚體平均質量直徑變化情況不同，0～10 cm土層表現為刺槐>油松>山楊，10～20 cm和20～30 cm土層表現為油松>刺槐>山楊，0～30 cm土層總體表現為刺槐（2.62 mm）>油松（2.58 mm）>山楊（2.28 mm），而濕篩團聚體平均質量直徑以刺槐林地最小、山楊林地最大，說明山楊林地土壤團聚體抵御降雨及徑流侵蝕的能力較強，刺槐樣地土壤團聚體穩定性最差、抗蝕性差。各樣地團聚體幾何平均直徑的變化情況與平均質量直徑變化情況相同，均表現為干篩大于濕篩，山楊、刺槐、油松樣地各土層干篩團聚體幾何平均直徑均表現為刺槐>油松>山楊，0～10 cm土層刺槐、油松、山楊樣地干篩團聚體幾何平均直徑依次為1.46、1.18、1.17 mm，而0～10 cm濕篩團聚體幾何平均直徑依次為0.33、0.36、0.65 mm，其變化特征與干篩相反，說明0～10 cm土層山楊林地土壤團聚體穩定性最好，刺槐樣地的穩定性最差，這與根據平均質量直徑得出的結論相同。

2.3 土壤持水特征

土壤飽和含水量是指土壤在完全飽和狀態下的最大含水量[25]。由表5可知，油松樣地0～30 cm土層土壤飽和含水量為55.52%～61.15%，刺槐樣地的為46.12%～60.62%，山楊樣地的為60.52%～62.93%，各樣地10～20 cm和20～30 cm土層土壤飽和含水量差異顯著，刺槐林地不同土層之間差異顯著。

田間持水量是土壤所能穩定保持的最大土壤含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量[25]。由表5可知，3種樣地0～30 cm土層土壤田間持水量依次為油松>山楊>刺槐，油松和山楊樣地20～30 cm土層田間持水量顯著大于刺槐樣地的，而0～10 cm和10～20 cm土層無顯著差異;刺槐樣地0～10 cm土層和10～20 cm土層田間持水量顯著大于20～30 cm土層，而油松和山楊樣地各土層之間無顯著差異。

凋萎系數是指植物發生永久性凋萎時的含水量，是植物可利用水的下限[26]。由表5可知，3種樣地凋萎系數表現為山楊>油松>刺槐，刺槐0～10、10～20、20～30 cm土層凋萎系數依次為1.76%、2.25%、3.02%，刺槐樣地0～10 cm土層凋萎系數顯著小于油松和山楊樣地的，說明在相同水分條件下油松和山楊更容易發生永久性凋萎。

土壤有效水是指可以被植物利用的水，低于凋萎含水量的水是不能被植物吸收利用的[26]。 由表5可知，3種樣地0～30 cm土層土壤有效水大小依次為油松>山楊>刺槐，說明油松樣地的水分有效性要優于山楊和刺槐樣地;0～10 cm土層和10～20 cm土層土壤有效水各樣地之間無顯著差異，20～30 cm土層土壤有效水油松和山楊樣地顯著大于刺槐樣地。

2.4 討 論

黃土丘陵區處于暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡區，降水稀少，土壤水分是生態恢復的重要制約因素[27]。土壤層作為森林持水的主要場所，其持水能力的大小決定了森林水源涵養功能強弱，對調節區域水分循環具有重要意義[28]。本研究結果表明，3種樣地土壤飽和含水量大小依次為山楊（61.35%）>油松（57.89%）>刺槐（53.68%），山楊樣地土壤飽和含水量最高，這與其疏松的土壤結構和發達的土壤孔隙有關[25]。然而，土壤飽和含水量不能反映土壤的真實持水能力，土壤有效水與植被恢復和作物生長關系更為密切[29]，其決定土壤水源涵養能力的大小[30]。呂文強等[31]對黃土高原檸條和山杏坡面植物籬土壤有效水差異性的研究表明，2種植物籬不同部位土壤有效水均差異顯著。代海燕等[32]以大青山不同植被類型為研究對象，分析了旱季和雨季土壤有效水的供給能力，結果表明旱季不同植被類型土壤水分利用有效性表現為落葉松>荒草地>白樺>油松>灌木，而降雨后則表現為油松>荒草地>白樺>落葉松>灌木，說明灌木和油松在旱季最先出現水分虧缺，而降雨后油松和荒草地土壤水分最先得到補充。由本研究結果可知，3種樣地0～30 cm土層土壤有效水大小依次為油松>山楊>刺槐，說明油松對土壤水分的利用效率和抗旱能力高于山楊。林冠層和枯落物層作為森林植被水文作用的第1功能層和第2功能層，是森林生態系統水分循環的重要環節，今后應加強該方面的研究，以期完善水源涵養功能評價體系，為合理構建水源涵養林提供科學依據。

3 結 論

黃土丘陵區不同林地土壤物理性質存在差異。3種樣地土壤含水率表現為油松>刺槐>山楊;土壤容重刺槐樣地最大、山楊樣地最小，樣地之間差異顯著;土壤總孔隙度表現為山楊>油松>刺槐;各樣地濕篩的團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑均小于干篩的，0～30 cm土層干篩團聚體平均質量直徑總體表現為刺槐>油松>山楊，濕篩團聚體平均質量直徑最大為山楊、最小為刺槐，即刺槐土壤團聚體穩定性最差、山楊團聚體穩定性最強;不同樣地土壤飽和含水量、田間持水量、凋萎系數、土壤有效水存在差異，整體上油松樣地的水分狀況較好，不同樣地田間持水量和土壤有效水表現為油松>山楊>刺槐，凋萎系數表現為山楊>油松>刺槐。

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【責任編輯 張智民】