新豐江水庫庫區水源涵養林土壤飽和導水率特征

劉佩伶，劉效東，馮英杰，蘇宇喬，甘先華，張衛強*

1. 華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業科學研究院，廣東 廣州 510520

土壤飽和導水率是指土壤處于飽和狀態時，單位水勢梯度下通過單位面積土壤的水流通量，對于評估森林生態系統土壤層響應降雨的效率、補給地下水和供給河川淡水能力至關重要（姚淑霞等，2013）。探討不同森林類型的土壤飽和導水率大小及其影響因素是科學認知森林生態系統的水源涵養功能的重要基礎。

土壤飽和導水率影響地表水文變化過程，對水的轉化儲存起關鍵性作用，是水文模型中的重要參數（曾建輝等，2022）。森林生態系統90%以上的水文功能過程由土壤層進行調節（石培禮等，2004；潘春翔等，2012），眾多學者研究分析了影響森林土壤飽和導水率的主要因子（Tian et al.，2016；Li et al.，2019a；梁向鋒等，2009）。彭舜磊等（2010）在浙江天童森林生態系統的研究表明，土壤容重、非毛管孔隙度和粉粒含量為影響土壤飽和導水率的主要因子。Hao et al.（2019）研究表明，南亞熱帶森林土壤水力性質主要受孔隙度和大水穩性團聚體含量的影響。許振欣等（2021）在南亞熱帶地區開展的研究認為，相比（Castanopsis hystrix）、尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）和米老排（Mytilaria laosensis），杉木（Cunninghamia lanceolata）和馬尾松（Pinus massoniana）人工林顯著提高土壤飽和導水率，延緩地表徑流并減少水土流失。總體上，影響土壤飽和導水率主要因素包括土壤質地、土壤結構、植被類型等。在森林生態系統中，土壤-植被之間交互反饋，森林植被變化通過改變植被物種多樣性、枯落物歸還量、根系分泌物等生理生態過程來影響土壤理化性質進而改變土壤飽和導水率。植物多樣性的提高有利于土壤理化性質的改善，表現為土壤有機質的積累、土壤容重下降和土壤孔隙度增加（Zhao et al.，2022）。另外，地下生物量的增加促進生物性通氣孔隙形成并加快了土壤層中水分移動的速度。南亞熱帶地區高溫多雨，較高的土壤飽和導水率有利于提升森林的水源涵養潛力。

新豐江水庫作為廣東省第一、全國第七大水庫，是珠三角地區重要的飲用水源地和東江水量調節樞紐，對粵港澳大灣區社會經濟發展起著重要支撐作用（文曉慧等，2016）。為了保障周邊城市供水的持續穩定，該地區在19世紀80年代實施了大面積的林分改造工程，并在后期對這些林分進行嚴格保護，旨在提升水庫周邊森林水源涵養能力。水源涵養林是有特殊意義森林，發揮著保持水土和改善土壤水文物理性質的作用，對于增加森林生態系統土壤層的蓄水容量有重要作用（尹釗等，2021）。土壤飽和導水率反映土壤滲透性能和水流通量，可用于評估水源涵養林工程的建設成效。選取新豐江水庫庫區內3種水源涵養林包括針葉林、針闊葉混交林和常綠闊葉林為研究對象，探討各林分下土壤飽和導水率、土壤理化性質的垂直分布特征及其相關關系，以揭示該地區不同森林類型各土層的理水效能，為區域水源涵養林建設、生態系統水文服務功能評估以及粵港澳大灣區供水安全研究等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究地位于廣東省河源市新豐江國家森林公園內（114°15′—114°50′E，23°40′—23°10′N），是中國第一家通過國際環境管理體系 ISO14001認證森林公園，其中萬綠湖（即新豐江水庫）是華南地區第一大湖，被譽為“中國好水”水源地，是廣東省最重要的“政治水、經濟水、生命水”（涂縵縵等，2019）。公園內森林面積約1.6×105hm2，地帶性植被為常綠闊葉林。氣候類型屬南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.2 ℃，年平均降水量約1420 mm，主要集中在3—8月，平均相對濕度約76%。基巖分為花崗巖、玄武巖和砂頁巖。土壤類型為黃壤和紅壤，質地以中壤土和重壤土居多。樣地位置如圖1所示。該地區20世紀50年代經歷過大規模的森林砍伐，形成大面積次生林。上世紀80年代，新豐江林業管理局對次生林進行皆伐改造，種植杉木；其中，部分杉木林（除雜撫育）為針葉林，沒有撫育的杉木林形成針闊混交林。而常綠闊葉林受人為干擾較少，經自然演替形成較好的森林。植被調查結果顯示，不同森林類型喬木層物種豐富度指數介于19—32、Shannon-Wiener指數介于2.02—2.92、Simpson優勢度指數介于0.77—0.92、Pielou均勻度指數介于 0.69—0.85，物種多樣性總體上呈現常綠闊葉林＞針闊混交林＞針葉林的變化趨勢（李文娟等，2022）。

圖1 研究區位置圖Figure 1 Location of the study area

1.2 試驗設計

代表性樣地分別設置在新豐江水庫庫區內3種森林類型內，即針葉林、針闊葉混交林和常綠闊葉林。以上樣地的地形地貌、植被分布等相同或相近，其基本信息如表 1所示。野外調查和土壤取樣于2021年5月進行，在不同林分內各選取1 hm2代表性樣地，每個樣地中隨機設置4個20 m×20 m樣方，并在每個樣方中取3個具有代表性和典型性的土壤剖面，挖至母巖層，按照0—20、20—40、40—60、60—80和 80—100 cm 進行分層采樣，重復取樣 3次。每層采集環刀樣品和原狀土，同時在每個樣方內沿S型隨機布設采樣點，用直徑為3.5 cm的土鉆采集擾動土壤樣品并混合（每份樣品留取約1 kg）。

表1 試驗樣地概況Table 1 Summary of the sample plot

1.3 分析方法

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度物理性質的測定采用環刀法（Piaszczyk et al.，2020）；土壤飽和導水率采用恒定水頭法，結果換算成10 ℃下的飽和導水率（Tian et al.，2016）；土壤水穩性團聚體的測定采用改進的Yoder濕篩法（Elliott，1986）；土壤機械組成采用MS2000顆粒光柵分析儀測定（Li et al.，2012），按粒徑分為砂粒（2—0.05 mm）、粉粒（0.05—0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）；土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定（鮑士旦，2000）。

土壤飽和導水率的計算公式如下：

式中：

Ks——土壤飽和導水率（mm·min-1）；

10——單位換算系數，將土壤飽和導水率從cm·min-1換算為 mm·min-1；

Q——穩定滲流體積（cm3）；

L——環刀樣品長度（cm）；

h——水頭高度（cm）；

A——環刀樣品截面積（cm2）；

t——時間間隔（min）；

θ——實驗溫度（℃）。

K10——10 ℃條件下測得的土壤飽和導水率。

后文所提到的Ks均表示在10 ℃條件下的土壤飽和導水率。

1.4 數據處理

應用Excel 2010對實驗數據進行整理，計算所有指標的算術平均值和標準誤。采用SPSS 23.0軟件中的單因素方差分析方法（One-way ANOVA）比較不同土層和林型間的土壤性質，當F值顯示方差分析結果顯著時，采用Duncan’s檢驗方法比較土壤變量均值之間的差異。另外，采用Pearson相關分析和多元線性回歸分析方法研究土壤性質之間的關系。數據結果作圖應用Sigmaplot 14.0和Origin 2018軟件完成。

2 結果分析

2.1 不同林分的土壤飽和導水率

新豐江水庫庫區水源涵養林各土層的土壤飽和導水率大小如表2所示。0—100 cm土層范圍內，不同林分土壤飽和導水率大致隨著土層的增加呈下降趨勢。針葉林土壤飽和導水率介于 (0.07±0.03)—(0.30±0.06) mm·min-1之間，針闊葉混交林和常綠闊葉林的土壤飽和導水率分別在 (0.05±0.02)—(0.26±0.06) mm·min-1和 (0.08±0.02)—(0.41±0.13)mm·min-1之間變化。土壤垂直剖面上，常綠闊葉林飽和導水率的平均值最大，達 (0.24±0.06)mm·min-1。表層（0—20 cm）土壤飽和導水率的大小關系在林型間表現為常綠闊葉林 [(0.34±0.05)mm·min-1]＞針葉林 [(0.29±0.09) mm·min-1]＞針闊混交林 [(0.26±0.06) mm·min-1]，常綠闊葉林表層土壤飽和導水率是針闊混交林1.3倍和針葉林的1.2倍。各林型20—40 cm土層土壤飽和導水率和0—20 cm土層的相當，60—80 cm土層的土壤飽和導水率均最小。常綠闊葉林 0—20 cm 土層土壤飽和導水率是60—80 cm土層的4.1倍，針葉林和針闊葉混交林則分別為3.9倍和4.8倍。

表2 不同林分的土壤飽和導水率特征Table 2 The characteristics of soil saturated hydraulic conductivity in different stands

2.2 不同林分的土壤理化性質

由圖 2可知，針闊混交林表層砂粒質量分數(34.3%±3.2%) 顯著高于其他林型（F=9.409，P=008），80—100 cm土層針葉林土壤砂粒質量分數 (26.8%±1.8%) 顯著高于其他林型（F=7.655，P=0.017）。0—100 cm土壤剖面范圍內，林型間砂粒質量分數平均值的大小關系為針葉林 (24.1%±2.6%)＞針闊混交林 (22.8%±3.3%)＞常綠闊葉林(17.8%±1.1%)。各土層針葉林粉粒質量分數均高于其他林型，平均值為42.7%±1.2%。針闊混交林和常綠闊葉林各土層土壤粉粒質量分數接近且土層間波動少，平均值分別為34.4%±1.0%和35.3%±1.0%。常綠闊葉林各土層土壤粘粒質量分數均最高，土壤垂直剖面上針葉林土壤粘粒質量分數的平均值(33.2%±1.8%) 顯著低于其他林型（F=14.438，P=0.001）。由于歷史上3個林分均受到人為干擾，土壤機械組成各指標剖面上變化趨勢不明顯。

圖2 不同林分土壤機械組成Figure 2 Soil particle compositions of different stands

如圖3所示，伴隨森林物種組成的復雜化，土壤總孔隙度逐漸增加。0—100 cm土壤垂直剖面上，各林型總孔隙度隨著土層增加呈下降趨勢。針闊葉混交林（F=4.884，P=0.010）和常綠闊葉林（F=3.276，P=0.049）表層（0—20 cm）總孔隙度顯著高于深層土壤相應值（60—100 cm）。常綠闊葉林孔隙度的平均值最高，達47.4%±1.2%。各林型土壤毛管孔隙度約占土壤總孔隙度的80%左右，是土壤孔隙的主要組成部分。土壤垂直剖面上，毛管孔隙度平均值在林型間的大小關系表現為常綠闊葉林(37.7%±0.6%)＞針闊葉混交林 (36.6%±1.4%)＞針葉林 (34.1%±0.6%)。各林型非毛管孔隙度大致隨土層深度的增加而降低。常綠闊葉林土壤非毛管孔隙度介于6.3%—13.0%之間，其中0—20、20—40 cm土層土壤非毛管孔隙度顯著高于深層土壤（60—100 cm）的相應值（F=5.805，P=0.008）。針葉林和針闊葉混交林土壤非毛管孔隙度分別在7.2%—15.1%和6.2%—10.8%之間波動。

圖3 不同林分土壤孔隙度組成Figure 3 Composition of soil porosity in different stands

由表3可知，0—100 cm土層范圍內，各林型土壤有機質含量均隨著土層深度的增加而下降，深層（40—100 cm）土壤有機質含量顯著低于上層土壤相應值（針葉林：F=11.154，P=0.002；針闊葉混交林：F=15.714，P=0.000；常綠闊葉林：F=40.836，P=0.000）。土壤垂直剖面上，土壤有機質含量的平均值在林型間表現為針葉林[(13.7±3.0) g·kg-1]＜針闊混交林[(15.8±4.6) g·kg-1]＜常綠闊葉林[(21.7±5.4)g·kg-1]。隨著森林物種豐富度的增加，0—20 cm土層土壤容重從[(1.1±0.1) g·cm-3]（針葉林）下降到[(1.0±0.1) g·cm-3]（常綠闊葉林）；土壤垂直剖面上，常綠闊葉林上層（0—20、20—40 cm）土壤容重顯著低于其他土層（F=9.542，P=0.000），針葉林和針闊混交林土層間土壤容重變化小，變異系數分別為8.6%和 11.8%。0—100 cm 土層范圍內，不同林型＞0.25 mm水穩性團聚體質量占比隨著土層深度增加呈下降趨勢，表層水穩性團聚體含量顯著高于其他土層(針葉林：F=39.843，P=0.000；針闊葉混交林：F=22.506，P=0.000；常綠闊葉林：F=34.106，P=0.000)，剖面上＞0.25 mm水穩性團聚體質量占比平均值的大小關系為常綠闊葉林 (26.7%±9.3%)＞針闊葉混交林 (24.7%±8.3%)＞針葉林 (22.9%±8.0%)。

表3 不同林型各土層土壤有機質、土壤容重和＞0.25 mm水穩性團聚體質量分數變化Table 3 Changes of soil organic matter, bulk density and mass fraction of ＞0.25 mm water stable aggregates in different forest types

2.3 土壤理化性質對土壤飽和導水率的影響

由圖4可知新豐江水庫庫區森林不同土壤理化性質間的關系。土壤飽和導水率和容重呈極顯著負相關關系（r=-0.84，P=0.000），與非毛管孔隙度（r=0.65，P=0.009）、土壤有機質（r=0.81，P=0.000）和＞0.25 mm 水穩性團聚體質量分數（r=0.76，P=0.001）呈極顯著正相關關系。由于土壤理化性質間存在較強的相關關系，本研究采用多元逐步回歸分析方法篩選出影響土壤飽和導水率的主要土壤因子。把砂粒質量分數（X1）、粉粒質量分數（X2）、粘粒質量分數（X3）、毛管孔隙度（X4）、非毛管孔隙度（X5）、土壤總孔隙度（X6）、土壤有機質含量（X7）、土壤容重（X8）和＞0.25 mm水穩性團聚體質量分數（X9）9個因子作為自變量，土壤飽和導水率作為因變量。回歸分析結果顯示，只有土壤容重（X8）自變量進入回歸模型（Y=1.045-0.683X8，r2=0.677，F=30.380，P=0.000），擬合效果較好。

圖4 土壤飽和導水率和土壤理化性質間的相關系數Figure 4 The correlation coefficient between soil saturated hydraulic conductivity and soil physico-chemical properties

3 討論

3.1 森林植被對土壤理化性質的影響

根據土壤和植被的交互反饋關系，土壤為植被的生長和發育提供了必要的條件，反過來可能會推動土壤形成和改良（Li et al.，2013；Faucon，2020）。通常，隨著森林植被多樣性的提高，凋落物和根系輸入量的增加會逐漸積累土壤有機質（Huang et al.，2018；劉效東等，2011）。腐殖質分解、微生物代謝活動的增強產生大量有機酸進一步溶解土壤中的黏土礦物并促進土壤顆粒細化發展（彭舜磊等，2010）。本研究中，從針葉林到常綠闊葉林，土壤砂粒、粉粒含量平均值下降而粘粒含量平均值增加。土壤有機質是團聚體形成過程中最重要的膠結物質，顯著影響土壤團聚體數量（呂貽忠等，2006；王紫薇等，2021）。Gu et al.（2019）和梁向鋒等（2009）研究顯示，植被恢復進程中的土壤有機質和土壤水穩性團聚體的數量均呈增加趨勢。本研究土壤中＞0.25 mm水穩性團聚體質量占比沿從針葉林到常綠闊葉林逐步增加，土壤總孔隙度增加同時容重下降，這主要歸因于土壤有機質通過影響土壤團聚體孔隙特征、土壤質地的組成來改變土壤孔隙分布和土壤容重大小。

土壤結構改變直接影響水分在土壤的遷移和貯存過程，了解土壤結構特征是認識森林生態系統水源涵養機理的重要基礎。本研究中，從表層到深層，不同森林植被土壤有機質和孔隙度逐漸減少，同時土壤容重增加。植物的地上部與地下部形態結構具有鮮明的“對稱性映射關系”，即根系具備樹種特異性（于貴瑞等，2013）。在土壤垂直剖面上，不同植被類型根系有明顯的表聚性，根長密度和根表面積密度隨著土層深度的增加而下降（Hao et al.，2019）。表層土壤活躍的根系生長通過機械力改善土壤質地，同時豐富的凋落物和根系首先歸還到表層土壤中；因此，不同林型表層土壤中存在較多的生物性通氣孔隙，該土層整體變得疏松多孔，單位時間內的水分流量增加。隨著土層深度的增加，根系數量下降，深層根系生長還會產生土壤壓實效應，導致深層土壤孔隙的減少和容重增加，水流通量下降（Li et al.，2019b）。

3.2 土壤理化性質對土壤飽和導水率的影響

本研究中，3種林分土壤垂直剖面上飽和導水率的平均值表現為針葉林＜針闊葉混交林＜常綠闊葉林。與處于同一緯度地帶鼎湖山演替序列典型林分土壤飽和導水率平均值相比（0.37 mm·min-1），本研究地區的平均水平略低（0.20 mm·min-1），歸因于當地較長時間的人為干擾歷史和較短的保護年限（Huang et al.，2018；Liu et al.，2020）。

土壤飽和導水率反映土壤滲透性能，與大多數的土壤理化性質相關，可指示土壤結構的變化（Khlosi et al.，2013；Zema et al.，2021）。已有研究表明，不同地區土壤飽和導水率的主要影響因子存在明顯差異（Becker et al.，2018；Hao et al.，2019；Ottoni et al.，2019；Usowicz et al.，2021），多元回歸分析結果顯示，新豐江水庫庫區森林的土壤飽和導水率主要受土壤容重的影響。與Gu et al.（2019）、Neris et al.（2012）研究相似，土壤容重和土壤飽和導水率存在顯著的函數關系。土壤容重是一定體積（包括土壤孔隙）的土壤烘干質量，代表著土壤的緊實狀況，它不僅是土壤基本水文結構的基礎指標，又常被農林業用作表征土壤質量、土壤肥力和生產力（Soko?owska et al.，2020；柴華等，2016）。由圖4可知，該地區土壤有機質和容重呈極顯著負相關（r= -0.92，P=0.000），土壤有機質和土壤飽和導水率呈極顯著正相關（r=0.81，P=0.000），因此土壤有機質也是影響土壤透水性能的重要方面。劉效東等（2011）和Zema et al.（2021）的研究也報道過森林土壤有機質是影響土壤水力特性的關鍵參數。土壤有機質通過改善土壤膠體的質量和土壤結構的穩定性對土壤的透水性起控制作用（Lado et al.，2004；Bittelli et al.，2015；Gu et al.，2019）。從針葉林—針闊葉混交林—常綠闊葉林，土壤有機質逐漸積累，土壤孔隙增加的同時土壤結構穩定性增強，因此常綠闊葉林土壤飽和導水率最大。土壤垂直剖面上，從表層到深層，一方面土壤愈加緊實，另一方面土壤有機質減少導致土壤顆粒分散性增加，土壤孔隙愈容易堵塞從而降低了土壤飽和導水率，這與彭舜磊等（2010）、張一璇等（2019）、尹釗等（2021）研究結果一致。梁向鋒等（2009）發現草地和先鋒草地在5—10 cm處有一強透水層，是根系活躍和土壤動物活動形成的大孔隙所致。相反，該地區各林型60—80 cm土層土壤飽和導水率最小，80—100 cm的相應值有所上升，說明60—80 cm處存在弱透水層，這可能與水分運動過程中的孔隙堵塞有關。

總體上，森林固碳效益與水文效益之間存在緊密聯系，是森林經營管理中需要重點關注的方面。在陸面氣候變暖的大環境下，季節降雨分配不均的嚴重程度將繼續增加，水源涵養功能作為森林生態系統服務功能的重要組成部分，對于森林資源經營、生態安全和人類可持續發展有重要意義（Zhou et al.，2011；尹釗等，2021）。土壤滲透性作為評價土壤層的水源涵養效能的主要方面，土壤容重是新豐江水庫庫區林分土壤飽和導水率的主要影響因素，未來當地需要加強水庫周邊的水源涵養林保護，提高森林生態系統枯枝落葉的歸還量，以更好發揮當地森林生態系統的水文效益，保障區域水資源的平衡供給，實現生態建設的可持續發展并為水源涵養林的建設提供支撐。

4 結論

（1）從0—100 cm土壤剖面范圍內各項土壤指標的平均值看，隨著森林物種組成的復雜化，砂粒質量分數逐漸減少，粘粒質量分數逐漸增加，土壤容重則呈下降趨勢。常綠闊葉林總孔隙度、毛管孔隙度顯著高于針葉林。土壤有機質含量和＞0.25 mm水穩性團聚體質量占比在林型間均表現為針葉林＜針闊葉混交林＜常綠闊葉林。總體上，新豐江水庫庫區森林土壤理化性質之間存在較強的相關關系，土壤理化性質伴隨森林物種多樣性的提高而不斷改善。

（2）新豐江水庫庫區不同水源涵養林的土壤飽和導水率介于 (0.05±0.02)—(0.41±0.13) mm·min-1之間。林型間，常綠闊葉林0—20 cm土層土壤飽和導水率大于針闊混交林和針葉林的相應值。不同林分土壤飽和導水率大致隨著土層深度的增加呈下降趨勢。相關性分析結果顯示，不同土壤理化性質對土壤飽和導水率的作用大小和方向不同；多元線性回歸分析結果表明，影響森林土壤飽和導水率的主導因子為土壤容重，土壤飽和導水率和容重呈顯著負相關關系。飽和導水率是評價森林生態系統水源涵養能力的重要指標，森林管理過程中應注重土壤結構的改良，提高土壤飽和導水率。