不同造林技術(shù)對(duì)水土保持林3種林型土壤蓄水效益的影響1)
——以魯中砂石山區(qū)為例

吳林川 孫嬰嬰 郭航

(國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司)，西安,710075)

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不同造林技術(shù)對(duì)水土保持林3種林型土壤蓄水效益的影響1)
——以魯中砂石山區(qū)為例

吳林川 孫嬰嬰 郭航

(國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司)，西安,710075)

采用野外調(diào)查、土壤樣品采集和室內(nèi)測(cè)定相結(jié)合的方法，探討了不同整地深度、保水劑劑量、株行距等造林技術(shù)對(duì)魯中砂石山區(qū)黑松林、板栗林、刺槐林3種水土保持林型土壤蓄水效益的影響，旨在為篩選魯中砂石山區(qū)蓄水效益良好的造林技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：造林整地可以顯著地提高蓄水效益。整地深度為50 cm的刺槐林最大持水量為2 142 t·hm-2，分別比整地深度40、30 cm的刺槐林蓄水效益提高29、117 t·hm-2；保水劑對(duì)蓄水效益也有明顯提高，造林時(shí)，施用30 g保水劑的刺槐林有效持水量為2 184 t·hm-2，分別比施用20、10 g保水劑提高30、45 t·hm-2；土壤蓄水量與株行距呈顯著正相關(guān)，與整地深度呈極顯著正相關(guān)。

蓄水效益；造林技術(shù)；水土保持林；砂石山地

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的媒介[1]。森林土壤蓄水量[2]包括土壤非毛管蓄水量和毛管蓄水量。學(xué)者針對(duì)不同林分類型研究得出，闊葉林較針葉林具有更高的蓄水效益，由于闊葉林枯落物較多，分解較快，從而增大了土壤非毛管孔隙度，提高了土壤的滲透率[3]。不同混交類型的森林土壤蓄水功能差異顯著[4-5]，例如，刺槐紫穗槐和黃櫨紫穗槐混交林的土壤蓄水效益較好[6]。學(xué)者對(duì)不同林齡的油松林蓄水能力研究發(fā)現(xiàn)[7]，成熟林的蓄水效益顯著高于近熟林和中齡林，由于不同林齡下灌草多樣性[8]、根系分布特征[9]、土壤生物量[10]、土壤酶活性[11]之間的差異造成。對(duì)秦嶺不同用地類型土壤蓄水效益研究得出，松櫟混交林的土壤蓄水性能比荒草地和農(nóng)用地更高[12]。針對(duì)不同地貌類型森林土壤蓄水量得出，通過工程措施減小坡度后土壤蓄水效益顯著增加[13]。對(duì)滇中高原森林土壤蓄水量研究得出，不同森林類型的土層最大容水量為112～562 mm[14]，六盤山地區(qū)森林土壤蓄水量為313～604 mm[15]；江淮低丘林地[16]的最大持水量為174～248 mm。另有研究發(fā)現(xiàn)[17]，黃土高原經(jīng)過沙棘林改良后50 cm深度的土壤最大蓄水量可達(dá)12 mm。

前人針對(duì)不同林分種類、不同混交模型和不同地貌類型森林土壤蓄土效益的研究較多[18-21]，但關(guān)于種植前的不同造林措施對(duì)土壤蓄水效益的影響鮮見報(bào)道[22]。為此，本研究針對(duì)魯中砂石山區(qū)不同造林技術(shù)對(duì)水土保持林3種林型土壤的改蓄水效益進(jìn)行研究，分析土壤蓄水效益，旨在為篩選魯中砂石山區(qū)蓄水效益良好的造林技術(shù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

該試驗(yàn)區(qū)位于魯中地區(qū)通天河小流域(36°27′15″N，117°31′15″E)，小流域涉及19個(gè)行政村，總面積86 km2，海拔高度230～400 m，屬于砂石山低山丘陵區(qū)。小流域內(nèi)土壤屬棕壤，土質(zhì)疏松，土體中粗砂成分較多，保水能力較差，并且坡度較大、土層較薄，遇暴雨時(shí)徑流快，土壤蓄水效益差。山坡上部土層厚度小于20 cm，多礫石，沖刷嚴(yán)重；山坡中部土層厚度約30 cm，熟化度較高；山坡下部土層厚度約50 cm，土壤肥沃。該流域?qū)贉貛啙駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.15 ℃，年平均最低氣溫-20 ℃，年平均最高氣溫36.2 ℃，大于10 ℃有效積溫2 306 ℃，年平均日照時(shí)間2 654 h，無霜期189 d，年平均降水量667.5 mm，其中春、夏、秋、冬季平均降水量分別為33.0、460.0、140.5、34.0 mm。

小流域內(nèi)自然生長(zhǎng)的草本植物有中華結(jié)縷草(Zoysiasinica)、金毛草(Rumexchalepensis)等；灌木有荊條(Vitexnegundo)、酸棗(Ziziphusjujube)、胡枝子(Lespedezabicolor)、連翹(Forsythiasuspensa)等；防護(hù)林樹種有油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、麻櫟(Quercusacutissima)等；經(jīng)濟(jì)林樹種有板栗(Castaneamollissima)、核桃(Juglansregia)、蘋果(Maluspumila)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)等。

2 研究方法

試驗(yàn)地的選擇：樣地位于通天河小流域的中上部山坡，坡度約為20°，坡向?yàn)槲髂掀?半陰坡)，土層厚度約為50 cm。3種水土保持林于2003年3月份分別采用苗齡為1、2、3年的幼苗造林。2013年4月份，在3種林分內(nèi)布設(shè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)，林分的基本特征見表1。

表1 林分基本特征

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：2013年4月份，分別選擇黑松林、板栗林和刺槐林為研究對(duì)象。試驗(yàn)因素有株行距、苗齡、整地深度、保水劑。每種試驗(yàn)因素3個(gè)處理。林分株行距有2 m×2 m、2 m×3 m、2 m×4 m；林分苗齡有1年生、2年生、3年生；林分整地深度分別為30、40、50 cm；土壤保水劑(JFL，玉米淀粉丙烯酸類接枝共聚物，北京金福萊吸水材料有限公司)的施用量分別為10、20、30 g。每種處理取3個(gè)重復(fù)。

土壤樣品采集：在樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，采集每個(gè)樣點(diǎn)的0～50 cm土壤進(jìn)行混合，用保鮮袋封口帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定；每個(gè)樣點(diǎn)采集三個(gè)環(huán)刀和鋁盒樣品用于土壤密度、含水率和孔隙度的測(cè)定。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定：土壤密度采用環(huán)刀鋁盒法測(cè)定；土壤孔隙度采用浸水法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。

數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)分析處理及圖表制作采用Microsoft Office Excel 2013軟件，不同造林技術(shù)的土壤持水量差異及相關(guān)分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同造林技術(shù)對(duì)土壤密度的影響

不同造林技術(shù)下的土壤密度見表2。株行距2 m×2 m與2 m×4 m之間土壤密度存在顯著差異(P<0.05)；3年生苗齡土壤密度顯著低于1年生的；與不施用保水劑相比，施用保水劑土壤密度總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，原因在于保水劑可以切斷土壤與大氣界面的水分通道，從而抑制土壤水分蒸發(fā)，為土壤中有機(jī)物的分解提供適宜的水分環(huán)境，進(jìn)而改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。因此，不同造林技術(shù)對(duì)土壤密度具有一定的改良作用。在整地的造林技術(shù)下，整地深度為50 cm的土壤密度顯著低于40、30 cm的，以板栗林為例，整地深度為50 cm的土壤密度比整地深度為30 cm的減小了10.4%，說明造林整地技術(shù)可以明顯降低土壤密度。

不同林分類型比較得出，除了株行距2 m×4 m和保水劑30 g的處理，板栗林和刺槐林總體比黑松林土壤密度低，因?yàn)榘謇趿趾痛袒绷譃槎韭淙~的闊葉林，可為土壤提供較多的枯落物，枯落物分解有助于改良土壤物理結(jié)構(gòu)，從而降低土壤密度。

表2 不同造林技術(shù)土壤密度

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；對(duì)照組的株行距為2 m×3 m，苗齡為2年生，無保水劑，整地深度為40 cm；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 不同造林技術(shù)的土壤孔隙度

土壤孔隙是指土體中被水分和空氣占據(jù)的部分。林地土壤孔隙與林分組成、林分年齡、經(jīng)營(yíng)狀況等密切相關(guān)。林木在生長(zhǎng)過程中可以通過根系、枯落物等在一定程度上改良土壤的理化性質(zhì)，土壤孔隙度是反映森林改良土壤的重要指標(biāo)之一。在其他條件相同的情況下，土壤孔隙狀況較好的林地，具有較高的持水和透水能力。通過表3中黑松林不同造林技術(shù)下土壤孔隙度的變化得出，隨著株行距的減少，土壤總孔隙度逐漸增加，毛管孔隙度先減小再增加，且株行距2 m×2 m的黑松林土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著高于其他兩種株行距的。不同苗齡對(duì)土壤孔隙度的影響差異顯著，3年生苗顯著高于2年生和1年生苗的；施不同保水劑施用量的土壤毛管孔隙度由大到小表現(xiàn)為保水劑30 g、保水劑20 g、保水劑10 g、對(duì)照(無保水劑)，且施用30 g的土壤總孔隙度和毛管孔隙度與對(duì)照組存在顯著差異；隨著整地深度的增加，土壤總孔隙度顯著提高。

表3 黑松林、板栗林、刺槐林不同造林技術(shù)的土壤孔隙度

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；對(duì)照組的株行距為2 m×3 m，苗齡為2年生，無保水劑，整地深度為40 cm；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表3可以看出，板栗林不同株行距造林技術(shù)的土壤孔隙度存在顯著差異，其中株行距2 m×2 m的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均顯著高于2 m×4 m的。隨著苗齡的增加，土壤毛管孔隙度逐漸增加，非毛管孔隙度逐漸降低；保水劑可以顯著提高板栗林土壤總孔隙度和毛管孔隙度；整地深度為50 cm的板栗林土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著高于其他兩種處理的。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，刺槐林不同株行距造林的土壤總孔隙度由大到小表現(xiàn)為2 m×2 m、對(duì)照(2 m×3 m)、2 m×4 m，且三者存在顯著差異；隨著造林苗齡的增加，土壤總孔隙度逐漸增加，且3種苗齡的總孔隙度存在顯著差異；不同保水劑的土壤孔隙度由大到小表現(xiàn)為保水劑30 g、保水劑20 g、保水劑10 g、對(duì)照(無保水劑)；不同整地深度的土壤總孔隙度和毛管孔隙度由大到小表現(xiàn)為整地深度50 cm、對(duì)照(整地深度40 cm)、整地深度30 cm。由表3得出，造林技術(shù)對(duì)闊葉林和針葉林的土壤孔隙度具有相似的影響效果，在株行距較大的情況下，林木經(jīng)過多年生長(zhǎng)，施用保水劑和增加整地深度都有利于林地土壤孔隙度提高。

3.3 不同造林技術(shù)的土壤持水量

不同造林技術(shù)下3種林分的土壤持水量見表4。在魯中砂石山區(qū)，不同造林技術(shù)表現(xiàn)為經(jīng)保水劑處理土壤最大持水量均高于對(duì)照組的，其中施用保水劑30 g的處理顯著高于對(duì)照組；造林整地對(duì)保水效益的影響較大，除了刺槐林土壤有效持水量外，整地深度為50 cm的土壤有效持水量和最大持水量均顯著高于對(duì)照組。在一定株行距范圍內(nèi)，隨著株行距的減小，刺槐林土壤有效持水量和最大持水量逐漸增加。板栗林和黑松林最大持水量則先增加再減小，這可能由于較小的株行距有助于提高森林土壤持水量，但隨著株行距進(jìn)一步減小，植物耗水量增加，導(dǎo)致森林土壤持水量減小。隨著苗齡的增加，黑松林和刺槐林土壤最大持水量逐漸增加，即3年生植株的保水效益要高于2年生和1年生的，原因在于苗齡越高，植物根系越發(fā)達(dá)，進(jìn)而對(duì)土壤的改良效果越明顯。在苗齡方面，刺槐林、板栗林、黑松林3年生苗齡的土壤最大持水量分別比對(duì)照組(2年生)提高了191、290、104 t·hm-2。

3.4 不同林分的土壤最大持水量差異比較

森林土壤的蓄水效益，是反映森林生態(tài)效益的重要指標(biāo)之一。土壤蓄水量包括土壤毛管貯水量和土壤飽和貯水量，反映土壤蓄水能力的大小。土壤毛管水是指被土壤毛管空隙所固持的水分，此部分水可以長(zhǎng)時(shí)間固持在土壤中用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)，表現(xiàn)為土壤的保水性；土壤非毛管孔隙由于缺少對(duì)水分固持的毛管力，從而可以較快下滲。自然降水有利于涵養(yǎng)水源，因此表現(xiàn)為土壤的蓄水能力。

表4 不同造林技術(shù)對(duì)不同林分土壤持水量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；對(duì)照組的株行距為2 m×3 m，苗齡為2年生，無保水劑，整地深度為40 cm；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表5 相同造林技術(shù)下不同林分最大持水量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

從表5中可以看出，對(duì)魯中砂石山區(qū)不同林分的研究中，在不同造林技術(shù)下板栗林的最大持水量較好。當(dāng)株行距為2 m×4 m、造林施用30 g保水劑和整地深度為50 cm時(shí)，板栗林土壤最大持水量顯著高于刺槐林和黑松林的；當(dāng)造林時(shí)選用3年生苗時(shí)，板栗林和刺槐林的蓄水效益顯著高于黑松林，這是由于板栗和刺槐為闊葉樹種，當(dāng)苗齡較大時(shí)，生物量、枯落物蓄積量等均較黑松林高，土壤表層枯落物的分解礦化能夠提高土壤養(yǎng)分和團(tuán)聚體含量，進(jìn)而提高土壤的蓄水能力。因此，提高魯中砂石山區(qū)森林土壤蓄水效益可優(yōu)選板栗為造林樹種。

3.5 土壤蓄水效益及其影響因素的相關(guān)分析

土壤蓄水效益及其影響因素的相關(guān)分析表明(表6)，土壤蓄水效益與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)；與土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)；與株行距呈顯著正相關(guān)，與整地深度呈極顯著正相關(guān)。此外，土壤蓄水效益與保水劑施用量呈顯著正相關(guān)。

表6 土壤蓄水效益及其影響因素的相關(guān)分析

注：*、** 分別表示在0.05、0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.6 不同造林技術(shù)對(duì)3種林型土壤蓄水效益影響的綜合分析

通過4種造林技術(shù)對(duì)3種林型土壤蓄水量影響交互作用進(jìn)行方差分析(表7)。由表7可知，保水劑施用量與整地深度、株行距與保水劑施用量、株行距與征地深度、苗齡與整地深度的交互作用可以顯著(P<0.05)提高3種林分土壤蓄水效益，而苗齡與保水劑施用量、株行距與苗齡的交互作用對(duì)3種林分土壤蓄水效益沒有顯著(p>0.05)影響。

4 結(jié)束語

隨著株行距的減小，刺槐林土壤有效持水量和最大持水量逐漸增加。板栗林和黑松林則先增加再減??；3年生苗齡森林土壤最大持水量顯著高于對(duì)照組，其中刺槐林、板栗林、黑松林3年生苗齡的土壤最大持水量分別比對(duì)照組(2年生)提高了191、290、104 t·hm-2。

表7 不同造林技術(shù)交互作用的方差分析

保水劑可以顯著地提高土壤蓄水效益，施用30 g保水劑的刺槐林有效持水量為2 184 t·hm-2，分別比施用20、10 g保水劑提高30、45 t·hm-2。

造林整地可以顯著地提高土壤蓄水效益，隨著整地深度的增加，土壤蓄水效益呈增加趨勢(shì)，整地深度為50 cm的刺槐林最大持水量為2 142 t·hm-2，分別比整地深度40、30 cm的刺槐林蓄水效益提高29、117 t·hm-2。

土壤蓄水效益與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與株行距呈顯著正相關(guān)，與整地深度呈極顯著正相關(guān)。

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Soil Water Storage Efficiency of Different Afforestation Technology of Three Types in Soil and Water Conservation Forest—A Case Study on Sand Mountain in Central Shandong//

Wu Linchuan, Sun Yingying, Guo Hang(Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, the Ministry of Land and Resources (Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd.)， Xi’an 710075, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(5)：75-79.

By field investigation, soil sample collection and laboratory measurement, we studied the effects of different land preparation depth, water-keep agent and planting spacing on soil water storage benefit ofPinusthunbergii,CastaneamollissimaandRobiniapseudoacaciasoil and water conservation forest in sandy mountainous of Central Shandong for improving the basic data in selecting afforestation techniques with good water storage in the sand mountainous areas of Central Shandong. The land preparation greatly improved the benefit of water conservation. The most effective afforestation technology ofR.pseudoacaciawas the depth of 50 cm land preparation, the water storage capacity of which was 2 142 t·hm-2, followed by that of 40 cm and 30 cm, which were 2 113 and 2 025 t·hm-2, respectively. The water storage was significantly improved by water-keep agent. Before afforestation, the water storage capacity ofR.pseudoacaciawas 2 184 t·hm-2by using 30 g water-keep agent, which was 30 and 45 t·hm-2higher than that by using 20 and 10 g water-keep agent, respectively. There was a significantly positive correlation between soil water storage and planting spacing, and significantly positive correlation with soil depth.

Soil water storage efficiency； Afforestation； Soil and water conservation forest; Sand mountain

吳林川，男， 1989年1月生， 國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司)；陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，碩士研究生。E-mail:wulinchuan@126.com。

2016年12月8日。

S715.3

1)陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2016KCT-23)。

責(zé)任編輯：任 俐。