新余市不同功能區樟樹土壤水分特征研究

肖 斌，羅 蓉，董星宇，段 毅

（1.中國林業科學研究院 亞熱帶林業實驗中心，江西 分宜 336600；2.新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338000；3.宜春市袁州區林業局，江西 宜春 336000）

樟樹[Cinnamomum camphora(L.) Presl.]為樟科(Lauraceae)樟屬(Cinnamomum)常綠高大闊葉喬木，是我國重要的經濟樹種和綠化樹種［1］，在中國南部各省份廣泛分布，現已成為南方許多城市生態建設的首選樹種，被譽為江南寶樹［2-4］。樟樹在城市園林植物造景中發揮著重要的作用，其既可以呈帶狀分布作為行道樹，或孤植成為重點觀賞樹種，也可以散點植配合其他樹種作為點綴［5］。但隨著城市化和工業化進程的加快，人類活動加速了土壤結構的破壞和功能的減弱，如土壤壓實板結易導致水分滯留不透水，且因土壤利用方式的改變使得土壤環境和土壤理化性質發生了明顯的變化，引起了城市化過程中不透水面積增加，加劇了城市內澇災害，這對植被生長及城市園林綠化景觀效果造成了嚴重影響［6-10］。以往的研究大多是針對不同功能區城市綠地或者不同植被類型土壤性質的［6，11-12］，對樟樹的相關研究很少體現在城市不同功能區上。由于南方城市樟樹分布面積廣，受環境和人為因素的影響大，且土壤水分特征存在空間變異性，因此，研究城市不同功能區樟樹的土壤水分特征，將對城市園林綠化養護、景觀美化具有重要的意義。本文以樟樹為研究對象，通過探討城市不同功能區樟樹的土壤水分特征，以期為城市園林綠化樟樹栽培與養護提供參考性數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新余市位于江西省中部偏西，地處九嶺、武功山、峰頂山三山交接地帶，屬于亞熱帶濕潤季風氣候。該地區具有氣候溫和、日照充足、雨量充沛、無霜期長、嚴冬較短的特征。年平均氣溫17.7 ℃，年平均降水量為1595 mm。夏、秋季雨水少，多干旱，冬季則多霜雪天氣，常有凍害出現。境內多數山地主要由變質巖系、花崗巖、石灰巖、砂質巖等組成，森林覆蓋率達55.8%。目前，新余市城市綠化覆蓋率達54.1%，綠地率達52.5%，人均公園綠地面積為18.95 m2。在城市發展過程中，新余市將綠色發展貫穿于城市建設和改造的始終，種植開花樹種（含綠籬色帶）共26.25萬棵，且人行道行道樹以大樟樹為主。

1.2 樣品采集與處理

本研究以種植樟樹的土壤為研究對象，2022年7月分別在新余市高新區、渝水區、仙女湖區選擇具有地標性和代表性的工業區、校園、風景區、居住區和商業區進行采樣，每個區設3個采樣地，每個采樣地設置3個取樣點，共設置取樣點45個（表1）。取樣點選擇在樟樹占比多，種植時間久的取樣地，經移除地表枯落物后，采用環刀分別取0～20、20～40 cm兩層土樣，每層土樣3個重復。取出的環刀樣及時稱重，并帶回實驗室分別進行土壤容重、含水率、持水性、滲透性的測定。土壤容重、持水性、滲透性采用環刀法測定，含水率采用烘干法測定。

表1 采樣地相關信息

帶回實驗室的環刀先用水浸泡12 h（水面不超過環刀上口），再去掉上蓋，在上面套上一個空環刀，接口處用膠帶密封以防漏水。將組裝好的環刀放到漏斗上，通過滲透架固定，漏斗底下用燒杯承接。準備好計時器和量筒，控制每次注入的水量一致，依次為50、20、20 mL……，同時記錄水分完全滲透下去的時間為t1、t2、t3……，一直到水分完全滲透下去所用的時間穩定保持不變為止。選取初滲率、穩滲率、平均入滲率作為研究滲透特征的指標。

初滲率(mL/min)=最初入滲時段內滲透量/入滲時間，本研究選取第1次加水50 mL作為最初入滲滲透量。穩滲率(mL/min)=單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率。平均入滲率(mL/min)=達到穩滲時的滲透總量/達到穩滲時的總時間。

通過稱量土壤樣品烘干前后質量的差異（105℃ 烘干至恒重），計算土壤含水率。土壤含水率(%)=土壤水分/烘干土質量×100%，土壤容重(g/cm3)=烘干土質量/環刀體積。土壤孔隙度和土壤持水性依據《森林土壤水分—物理性質的測定》（LY/T 1215—1999）的操作及計算方法。

1.3 土壤入滲過程的擬合

有關土壤水分入滲的數學模型有很多種，參照相關研究結果，分別選用了物理意義明確的Philip模型、半經驗的Horton模型和經驗性的Kostiakov模型對城市不同功能區樟樹土壤入滲量的實測數據進行擬合。

Philip模型：

式（1）中：f(t)為土壤入滲率(mL/min)，t為入滲時間(min)，A為穩滲率(mL/min)；S為土壤吸水率(%)。

Horton模型：

式（2）中：fc、fo、k分別為穩滲率、初滲率、常數。

Kostiakov模型：

式（3）中：a、b為擬合參數。

1.4 數據統計分析

使用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和LSD多重檢驗法進行差異顯著性分析(P＜0.05)，采用Pearson相關系數法進行相關性分析。數據采用相同功能區3個取樣地的平均值±標準差表示，采用Origin 8.0軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同功能區樟樹土壤容重、含水率比較分析

對城市不同功能區樟樹土壤容重和含水率特征進行了分析，結果見圖1。由圖1可知，各功能區土壤容重均大于1.30 g/cm3。在0～20 cm土層中，居住區的土壤容重最大，達到1.57 g/cm3，其次分別為校園、工業區、商業區和風景區，其中居住區與風景區的土壤容重存在顯著性差異。因居住區人流較大，兒童嬉戲踩踏時容易造成土壤板結，而風景區樟樹以游客觀賞為主，人為擾動較少，而且林下植被豐富、根系發達，區內樹種多樣化，其枯枝落葉腐化后又能改善土壤的理化性質［13］。在20～40 cm土層中，除居住區外，各功能區20～40 cm土層的土壤容重高于0～20 cm的土層的，其中工業區的土壤容重最大，達到1.59 g/cm3，其次分別為居住區、校園、商業區、風景區，不同土層、不同功能區間土壤容重的差異性不顯著。各功能區土壤含水率范圍在16.0%～23.2%，2個土層均以商業區含水率最高，其次為工業區和風景區，校園和居住區的土壤含水率均顯著低于商業區的。

圖1 不同功能區不同土層土壤容重與含水率特征

2.2 不同功能區樟樹土壤孔隙度、持水性比較分析

對城市不同功能區土壤孔隙度、持水性特征進行了分析，結果見表2。由表2可知，各功能區0～20 cm土層的土壤毛管孔隙度均高于20～40 cm土層的，表明土壤表層擁有更多的水分來保障植物的生長所需。各功能區土壤毛管孔隙度范圍在25.0%～41.5%，非毛管孔隙度范圍在2.3%～12.4%，土壤總孔隙度范圍在33.2%～48.7%。其中，風景區土壤毛管孔隙度最大，顯著高于居住區的；居住區的土壤非毛管孔隙度最大，顯著高于校園的；風景區的土壤總孔隙度最大，顯著高于工業區的。相比而言，風景區土壤結構好、土壤容重小、總孔隙度大、土質疏松，更有利于保水保肥。從各功能區持水性特征可以看出，風景區的毛管持水量和最大持水量均為最高，除居住區外，0～20 cm土層的土壤毛管持水量和最大持水量均大于20～40 cm土層的，各功能區的毛管持水量、田間持水量、最大持水量范圍分別為163.3～310.0、55.0～175.5、211.4～364.4 g/kg。

表2 不同功能區不同土層的土壤孔隙度、持水性特征

2.3 不同功能區樟樹土壤滲透模型擬合情況

城市不同功能區土壤入滲速率的變化趨勢總體較為一致，前期入滲速率下降快，后期逐漸趨于平穩（圖2）。總體來看，0～20 cm土層土壤入滲速率高于20～40 cm土層的，表層土壤下滲速率相對較快，但當滲透量達到150 mL時，各功能區的土壤滲透速率接近0，因此在下暴雨等惡劣天氣情況下，容易出現內澇現象。以前50 mL滲透量的入滲速率作為初入滲率來比較，居住區土壤入滲速率最高，0～20 cm的為303.47 mL/min，20～40 cm的初入滲率為266.08 mL/min，其他功能區土壤初入滲率均相對較低。0～20 cm土壤穩滲率以工業園最高，土壤穩滲率為5.15 mL/min，其次依次為風景區、校園、商業區、居住區；20～40 cm土壤穩滲率以商業區最高，土壤穩滲率為0.89 mL/min，其次分別為風景區、居住區、工業園和校園。

圖2 不同土層、不同功能區土壤入滲特征

對城市不同功能區土壤入滲特征進行模型擬合（表3）發現，各個擬合模型的精度存在差異，Philip模型擬合的相關系數為0.854～1.000，Kostiakov模型擬合的相關系數為0.880～0.990，Horton模型擬合的相關系數為0.386～0.830。總體相比而言，Philip模型擬合效果更好，Kostiakov模型次之，Horton模型擬合效果較差。校園、居住區、風景區的土壤入滲特征用Philip模型能較好地擬合土壤水分入滲過程，工業區0～20 cm、商業區20～40 cm土壤入滲以Kostiakov模型擬合效果最佳。

表3 不同土層、不同功能區土壤入滲特征的擬合參數

2.4 不同功能區土壤水分因子相關性分析 對城市不同功能區土壤容重、含水率、孔隙度、持水性、滲透性進行相關性分析（表4）可知，土壤容重與毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、最大持水量呈極顯著負相關關系，其中土壤容重與最大持水量的相關系數達到了-0.922，即土壤容重越大，土壤就越緊實，孔隙度小，其持水性也相應較差。土壤毛管孔隙度與總孔隙度、毛管持水量、田間持水量、最大持水量呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.777、0.981、0.823、0.776；與初滲率、平均入滲率呈顯著負相關關系。非毛管孔隙度與初滲率、平均入滲率呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.779和0.778；與田間持水量呈極顯著負相關性，這與非毛管孔隙度會直接影響水分下滲并吸收降水從而影響土壤水分滲透速率有關［14］。總孔隙度與毛管持水量、最大持水量分別呈顯著、極顯著正相關關系，相關系數分別達到了0.842、0.981。毛管持水量與田間持水量、最大持水量呈顯著、極顯著正相關關系，與平均入滲率呈顯著負相關關系。田間持水量與初滲率、平均入滲率呈顯著負相關關系。初滲率與平均入滲率呈極顯著正相關關系，相關系數達到了0.925，這表明在土壤入滲過程中，初滲率直接影響到了整個入滲的平均速率，這可能與初滲率過大有關。

表4 不同功能區土壤水分因子相關性分析

3 討論

3.1 不同功能區樟樹土壤容重和含水率特征

城市不同功能區的土壤容重可以反映人類活動對土壤的壓實作用程度，一般正常土壤容重約為1.30 g/cm3，當土壤容重達到1.50 g/cm3時，植物根系就難以伸入，從而影響植物的正常生長［15］。本研究表明，城市各功能區樟樹土壤容重總體偏大，其中居住區0～20 cm土層的土壤容重顯著大于風景區的，說明風景區土壤結構優于居住區的，風景區人為干擾相對較少，尤其是該區樹種豐富、枯枝落葉多，根系發達，有利于改善土壤結構，這與李曉英等［6］的研究結果較為一致。大多數研究表明，土壤容重隨土壤深度的增加而增加［16-18］，本研究居住區樟樹0～20 cm土層的土壤容重高于20～40 cm的，因調查的居住區中樟樹移栽時間并不長，這可能與在樟樹移栽過程中人為翻耕有關。土壤含水率反映了土壤的蓄水、保水能力。本研究中商業區的土壤含水率最高，顯著高于居住區和校園的，雖然商業區人為流動較為集中，但是其土壤容重相對較小，土壤疏松，透氣性能好，保水能力強，這與卓文珊等［19］的研究結果不一致，可能原因是兩者的土壤類型和基礎地力不同，其次是新余市城區商業區人為管護、養護較好，土壤植被能得到及時有效的水分補充。

3.2 不同功能區樟樹土壤孔隙度、持水性特征

土壤孔隙度與土壤容重具有反相關的特征，與容重一樣，土壤孔隙度也可以用來表征土壤的壓實程度，土壤孔隙度越大，土壤就越疏松［20］。本研究表明，風景區樟樹的土壤毛管孔隙度和總孔隙度相較其他功能區高，土壤壓實程度低，保水保肥能力好。從土壤持水性也可以看出，風景區毛管持水量和最大持水量均為最大，這與盧小遮等［21］的研究結果一致。土壤持水能力是多種因素綜合作用的結果，土壤結構好能增強土壤吸附能力，更利于水分的保持。相較而言，風景區樟樹土壤結構相對較好，更有利于保水保肥，以供應植物的正常生長所需。

3.3 不同功能區樟樹土壤滲透特征及模型擬合

土壤入滲性能是土壤重要的物理性質，反映了土壤涵養水源和抗侵蝕的能力，是影響土壤侵蝕與地表徑流的重要因素［22］。與大多數研究一致［10，23］，城市各功能區樟樹土壤入滲特征為前期快，后期逐漸趨于平穩。由于土壤表層0～20 cm容重小，土壤疏松，相對于20～40 cm土層，土壤滲透速率更快。城市中的綠地削減和管理徑流基本是依靠土壤入滲功能［13］，本研究表明，當滲透量達到150 mL時，土壤滲透速率變慢，若遇暴雨導致地表徑流無法及時削減，則容易產生內澇現象。土壤滲透速率受多種因素影響［24］，本研究居住區樟樹土壤初滲率最高，這可能與天氣溫度高有關。總體相較而言，各功能區樟樹土壤入滲特征Philip模型擬合效果更好，這與檀海洋［25］的研究結果相一致。

3.4 不同功能區土壤水分因子相關性

土壤容重、含水率、孔隙度、持水性、滲透性都為土壤的基本物理性質，它們之間存在著一定的相關關系，本研究表明，土壤最大持水量與土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量存在極顯著相關關系，相關系數分別為-0.922、0.776、0.981、0.866，即土壤容重越大，孔隙度越小，土壤保水能力越差。土壤滲透特征用初滲率、穩滲率、平均入滲率表征，其中土壤非毛管孔隙度與土壤初滲率、平均入滲率存在極顯著相關關系，相關系數分別為0.779、0.778。一般地，土壤非毛管孔隙度處于缺水狀態使得土壤初始入滲率快，這與陳致富等［26］研究荒草地土壤入滲特征的結果一致。土壤初滲率與土壤平均入滲率相關系數為0.925。可見，土壤初滲率越大，土壤平均入滲率也越大。

4 結論

（1）新余市不同功能區樟樹土壤容重總體偏大，其中0～20 cm土層的土壤容重表現為居住區＞校園＞工業區＞商業區＞風景區，20～40 cm土層的土壤容重表現為工業區＞居住區＞校園＞商業區＞風景區，土壤含水率范圍在16.0%～23.2%，各土層不同功能區以商業區含水率最高，其次為工業區和風景區。

（2）風景區樟樹的土壤毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、最大持水量相較其他功能區均為最大，相較而言，風景區樟樹土壤結構相對較好，更有利于保水保肥，以供植物的正常生長所需。

（3）新余市各功能區樟樹土壤入滲特征為前期快，后期逐漸趨于平穩，0～20 cm土層的土壤滲透速率快于20～40 cm土層的。總體而言，各功能區樟樹土壤入滲特征以Philip模型擬合效果更好，Kostiakov模型次之，Horton模型擬合效果較差。

（4）城市不同功能區樟樹土壤最大持水量與土壤容重存在極顯著負相關關系、與土壤總孔隙度存在極顯著正相關關系，相關系數分別為-0.922、0.981；土壤非毛管孔隙度與土壤初滲率、平均入滲率存在極顯著正相關關系；土壤初滲率與平均入滲率之間存在極顯著正相關關系。