蘭州市北山典型側柏混交林地土壤水分物理性質研究

朱潮，武利玉，魏翻江，王燕茹，蔣仕敏，何媛

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省人大機關官山林場,甘肅 蘭州 730070)

土壤水分物理性質是衡量土壤水分供應狀況和評價森林土壤水源涵養能力的重要指標[1-2]。水分是穩定森林水循環的關鍵，是影響干旱、半干旱地區造林成活率以及林木生長發育的重要因子，土壤容重、孔隙度和持水能力等指標與土壤的水土保持和水源涵養能力密切相關[3]。土壤水分物理特性在較大程度上能夠反映出森林植被對土壤理化性狀的改良效果，林木的生長也能有效地減少土壤侵蝕和提高土壤質量，而不同樹種或不同群落組成的森林對土壤理化性質的影響或改善作用是不同的[4-5]。

蘭州位于黃土高原西部，其獨特的區位和資源優勢在我國的西部大開發戰略中占有十分重要的地位。該地區受大陸性氣候的影響，多年來一直干旱少雨，土壤貧瘠，地表裸露嚴重，植被稀疏，水土流失情況嚴重，生態環境脆弱，不僅影響蘭州人民的生產生活，而且影響到黃河下游地區的社會、經濟和生態安全。蘭州北山區是重要的生態治理區，作為祁連山天然生態屏障的東緣，其生態建設是全國生態安全屏障建設的重要組成部分，對西北乃至全國經濟社會可持續發展意義深遠[6]。人工造林是該區域控制土壤流失，改善區域生態環境和城市形象的重要措施[7]。尤其是蘭州自2000年實施南北兩山環境綠化工程以來，造林面積迅速增加，基本形成了以人工林為主的森林群落環境，生態建設取得顯著成效。

側柏(Platycladusorientalis)作為一種典型針葉優勢樹種，具有較耐旱、耐貧瘠和抗病蟲等優勢，在我國北方各地廣泛種植，是荒山綠化的主要造林樹種[8]，也是蘭州市南北兩山人工造林最主要的樹種。

目前對該區域人工林的相關研究大多集中在植被恢復和重建[9]、不同林齡側柏純林對土壤蓄水的影響[8]及土壤微生物與土壤理化性質的關聯性等方面[10]，缺乏有關側柏與其他樹種的混交林土壤水分物理性質的系統研究。基于此，本文以蘭州市北山仁壽山省人大官山林場的側柏×榆樹(Ulmuspumila)、側柏×山毛桃(Prunusdavidiana)、側柏×山杏(Armeniacasibirica)、側柏×刺槐(Robiniapseudoacacia)、側柏純林等5種典型側柏林地為研究對象，探討樹種組成和土層深度對土壤水分物理性質的影響，揭示不同類型側柏人工林土壤水分物理性質特征和空間分布規律，以期為蘭州市人工林營造和生態恢復中的植物配置提供指導，也為類似區域的植被恢復以及水源涵養和水土保持建設工作提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃土高原西部的蘭州市北山，北山區東起城關青白石鄉張兒溝，西至西固區達川鄉達家溝，南臨黃河，北以面城主山脊線為界。地勢北高南低，由西北向東南方向傾斜，海拔1 560～2 067 m，坡度一般在30°以上。土壤以淡灰鈣土為主，顆粒較粗，溝坡分布有紅膠泥和紅沙土，pH值8.0～9.0[11]。大陸性氣候特點明顯，年均氣溫9.3℃，最高氣溫30℃左右，最低氣溫-10℃左右，年均降水量250 mm，年蒸發量1 800 mm，年日照時數2 600 h，年均風速2.3 m/s，最大風速20 m/s，年無霜期180 d[6]。

1.2 樣地設置

在對蘭州市南北兩山綠化區踏查的基礎上，2019年9月在蘭州市北山仁壽山省人大官山林場(E 103°41′25″～103°41′35″，N 36°8′0″～36°8′15″N)選取人工灌溉下造林年限相同、立地條件相似的側柏×榆樹、側柏×山毛桃、側柏×山杏、側柏×刺槐、側柏純林等5種典型樹種組成為研究對象，分別用S1、S2、S3、S4和S5代表，在每種林地均設置20 m×20 m標準地3個，在每一標準地內測定并記錄喬木樹種的株數、樹高、胸徑，同時記錄樣地內草本層植物物種，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.3 樣品采集與測定

在每一標準地中心挖土壤剖面1個，用100 cm3環刀分0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm共5層，重復3次采集土壤樣品，帶回實驗室測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、非毛管持水量等[12]；同時分層取土樣裝入鋁盒帶回實驗室，測定各層土壤質量含水量。各指標計算公式如下：

土壤質量含水量=(m2-m1)/m1×100%

(1)

土壤容重=m1/v

(2)

飽和持水量=(m3-m1)/m1×100%

(3)

毛管持水量=(m4-m1)/m1×100%

(4)

田間持水量=(m5-m1)/m1×100%

(5)

非毛管孔隙=(飽和持水量-毛管持水量)×土壤容重

(6)

毛管孔隙=毛管持水量×土壤容重

(7)

總孔隙度=毛管孔隙+非毛管孔隙

(8)

其中，m1為干土質量(g)；m2為濕土質量(g)；m3為浸潤12 h后濕土質量(g)；m4為在干砂上擱置2 h后濕土質量(g)；m5為在干沙上擱置一定時間后濕土質量(g)；v為環刀體積(cm3)。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理，利用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。運用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 樹種組成和土層深度對土壤水分物理性質的影響

樹種組成對容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，毛管持水量和田間持水量為顯著影響(P<0.05)；土層深度對容重、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和田間持水量為顯著影響(P<0.05)；二者交互作用對土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量為極顯著影響(P<0.01)，毛管持水量和田間持水量為顯著影響(P<0.05)(表2)。

表2 樹種組成和土層深度對土壤水分物理性質影響的方差分析結果

2.2 不同樹種組成土壤容重變化

不同樹種組成林地0～100 cm土壤容重均值介于1.11～1.19 g/cm3，其大小順序依次為；S1(1.192 g/cm3)>S5(1.186 g/cm3)>S2(1.172 g/cm3)>S3(1.163 g/cm3)>S4(1.109 g/cm3)，其中，側柏×刺槐土壤容重顯著小于其他林地(P<0.05)。不同樹種組成林地的土壤容重均隨土層深度增加而增大，不同土層間各林地土壤容重沒有明顯變化規律，0～10、10～20和40～60 cm土層土壤容重均表現為S1最大，S4最小，但只有0～10、40～60 cm土層存在顯著差異(P<0.05)；在20～40和60～100 cm土層土壤容重均表現為S5最大，S4最小；且有顯著差異(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同樹種組成的土壤容重Fig.1 The soil bulk density of different forest types注：不同大寫字母表示同一土層不同樹種組成在間的差異水平(P<0.05)。不同小寫字母表示同一樹種組成在不同土層間的差異水平(P<0.05)。下同

2.3 不同樹種組成土壤孔隙度變化

不同樹種組成在0～100 cm土層，土壤總孔隙度毛管孔隙度分別介于50.63%～55.31%和45.83%～48.58%，其均值大小變化一致，均表現為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)；各林地土壤總孔隙度與毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小；而非毛管孔隙度隨土層深度變化不同，其中S1和S2表現為隨土層深度增加而減小，S3、S4和S5表現為隨土層深度增加先減小后增大，然后又減小。總體來看：0～100 cm土層土壤的總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度均是S4最大，分別為55.31%、48.58%和6.72%。

隨著土層深度的增加，不同樹種組成的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，總體趨勢表現一致，孔隙度在土壤表層明顯大于底層。其中總孔隙度在10～60 cm土層S4與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100 cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)；毛管孔隙度在20～60 cm土層S4與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100 cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)；非毛管孔隙度在20～40 cm土層S3與S1差異顯著(P<0.05)，在60～100cm土層S4與S5差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同樹種組成土壤持水狀況

不同林地在0～100 cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量與田間持水量變化分別為42.63%～50.04%、38.56%～43.96%和26.98%～31.81%。其均值均表現出一致的變化趨勢，均表現為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)；各林地土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量均隨土層深度的增加而減小。總體來看：0～100 cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，均是S4最大，S1的最小，前者持水量分別是后者的1.17倍、1.14倍和1.18倍(圖3)。

圖2 不同樹種組成土壤孔隙度的變化Fig.2 The soil porosity of different forest types

圖3 不同樹種組成土壤持水量Fig.3 The soil water holding capacity of different forest types

隨著土層深度的增加不同林地的土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，總體趨勢表現一致，持水量在土壤表層明顯大于底層。在0～40cm土層土壤飽和持水量、毛管持水量均表現為S1最小，S4最大，存在顯著差異(P<0.05)；在40～100 cm土層均表現為S5最小，S4最大，存在顯著差異(P<0.05)；田間持水量在0～10和40～60 cm土層表現為S4>S3>S2>S5>S1，存在顯著差異(P<0.05)，在10～20和60～100 cm土層表現為S4>S3>S2>S1>S5，存在顯著差異(P<0.05)。

3 討論

3.1 不同樹種組成對土壤容重的影響

土壤容重作為土壤物理性質的重要指標，其大小變化反映了植被對土壤結構、土壤通氣性能以及持水能力等的改善程度，其值愈小，土壤通透性愈好[13]。本研究中，0～100 cm土層，5種典型側柏人工林土壤容重從小到大依次為側柏×刺槐、側柏×山杏、側柏×山毛桃、側柏純林和側柏×榆樹，說明相對于側柏純林，側柏混交林更有利于改善林地環境，從而促進土壤物理性狀的改善，這與時鐘瑜等[14]研究一致。同時，本研究發現側柏純林的土壤容重小于側柏×榆樹，但無顯著差異(P>0.05)，這可能跟樹木根系的生長及分布不同有關[15]，從而影響到不同土層間的土壤物理性狀，也可能與樹種間凋落物的分解情況有關，導致林地內凋落物沒有充分利用，延緩了凋落物的分解，有些樹種凋落物之間有相互促進分解作用，而有些則有相互抑制分解的作用[16]。

3.2 不同樹種組成對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度可以反映土壤浸水和通氣狀況[17]。本研究中，在0～100 cm土層，不同林地間土壤孔隙度存在顯著差異，4種側柏混交林的土壤孔隙度均大于側柏純林。孔隙度從大到小依次為側柏×刺槐、側柏×山杏、側柏×山毛桃、側柏純林和側柏×榆樹。造成這種差異的原因可能是側柏的葉片為鱗形葉，短小，每年葉片的更新速度和生長量遠小于側柏混交林，導致側柏混交林形成的凋落物蓄積量顯著高于側柏純林，這與魏雅麗等[18]的研究結果一致。另外，可能是不同側柏混交林優勢樹種差異使其林內小環境、植被構成和生長狀況不同，影響了林木根系的分布和土壤養分的轉化和傳輸，所以對土壤的改良效果不同，影響土壤孔隙度的大小，這與蒲嘉霖[19]、王穎[20]、李銀等[21]研究結果相似。

3.3 不同樹種組成對土壤持水能力的影響

土壤的最大持水量反映了土壤的蓄水能力，而毛管持水量則能反映林地的供水能力[22]。本研究中土壤持水量與土壤容重和土壤孔隙度密切相關，土壤容重越小，土壤孔隙度越大，土壤蓄水能力越強，這與陳莉莉等[23]研究一致。不同林分類型土壤持水量與孔隙度均隨著土層深度的增加而降低，這可能與凋落物分解速率、植物根系隨土壤深度增加分布不同有關[24]。在0～100 cm土層，不同林地間土壤持水量存在顯著差異，其中側柏×刺槐飽和持水量、毛管持水量與田間持水量均為最大，持水能力明顯大于其他林分，說明側柏混交林中樹種搭配不同影響到土壤的孔隙度，對土壤質地產生一定影響，進而對土壤持水能力產生了影響[25-27]。

4 結論

蘭州市北山5種典型側柏人工林土壤水分物理性質存在差異顯著。土壤容重隨土層深度的增加而增大，飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度與毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小；側柏混交林土壤水分物理性狀整體優于側柏純林，其中側柏×刺槐土壤涵養水源能力最好。因此，在蘭州市北山進行人工林造林時可以優先考慮營造側柏混交林，尤其是側柏×刺槐林更有利于改善林地土壤水分物理性狀。