冀北山地6種林分類型土壤水分-物理性質(zhì)變化

王 穎, 楊新兵

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定071000)

冀北山地6種林分類型土壤水分-物理性質(zhì)變化

王 穎1, 楊新兵2

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定071000)

為改善冀北山地林地生態(tài)功能，提高該地區(qū)森林涵養(yǎng)水源的能力，選取冀北山地6種典型林分為研究對(duì)象，采用環(huán)刀法對(duì)土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明：(1) 土壤容重與土層深度呈正相關(guān)，土壤容重均值排序?yàn)椋喝A北落葉松林(1.20 g/cm3)>蒙古櫟林(1.14 g/cm3)>油松林(1.12 g/cm3)>黑樺林(1.03 g/cm3)>白樺林(0.98 g/cm3)>山楊林(0.81 g/cm3)；(2) 土壤總孔隙度與土層深度呈負(fù)相關(guān)，土壤總孔隙度均值排序?yàn)椋荷綏盍?57.6%)>白樺林(51.4%)>黑樺林(51.1%)>油松林(49.1%)>華北落葉松林(45.9%)>蒙古櫟林(44.8%)；土壤毛管孔隙度均值山楊林最大(48.9%)，油松林最小(35.1%)；非毛管孔隙度均值為油松林最大(14.0%)，白樺林最小(3.6%)；(3) 土壤持水量與土層深度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤最大持水量均值為山楊林最大，華北落葉松林最??；(4) 土壤入滲速率與入滲時(shí)間呈明顯冪函數(shù)關(guān)系，穩(wěn)滲速率油松林最大(15.00 mm/min)，華北落葉松林最小(0.68 mm/min)。研究結(jié)果可為森林土壤資源可持續(xù)利用提供依據(jù)。

冀北山地; 林分類型; 土壤水分—物理性質(zhì); 土壤入滲

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是最主要的水分存儲(chǔ)和水文調(diào)節(jié)系統(tǒng)。土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和最有影響力的要素之一，在流域水量平衡乃至地區(qū)水文循環(huán)中占有重要地位[1]。土壤物理性質(zhì)以及與其相適應(yīng)的土壤中水分動(dòng)態(tài)特征構(gòu)成了土壤水分—物理性質(zhì)，反映出土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況和持水、保水、滲透能力，對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)以及土壤水分傳輸研究具有指導(dǎo)意義。土壤水分—物理性質(zhì)的好壞對(duì)涵養(yǎng)水源、保持水土和土壤與水分的關(guān)系有重要影響[2]。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的重要場(chǎng)所[3]，不同林分中樹(shù)種的生物學(xué)特性、林分空間結(jié)構(gòu)不盡相同，因此其土壤水文生態(tài)特征也差異顯著[4]。冀北山地處在京津水源的上游區(qū)，其森林的水文作用更顯得十分重要，因此研究冀北山地各林分類型土壤水分—物理性質(zhì)具有重大意義[5]。本文以河北木蘭圍場(chǎng)6種不同林分類型土壤為研究對(duì)象，分析探討不同林分類型的土壤水分—物理性質(zhì)和土壤入滲差異，為冀北山地植被的恢復(fù)重建、森林的有效培育、科學(xué)營(yíng)林等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，屬陰山、大興安嶺、燕山余脈的匯接地帶，地理坐標(biāo)為41°35′—42°40′N，116°32′—117°14′E，海拔高度750～1 998 m。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，中溫帶向寒溫帶以及半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡帶，無(wú)霜期67～128 d，主要表現(xiàn)為春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年均降水量380～560 mm，主要集中在6—8月份。年均氣溫-1.4～4.7℃。土壤類型以棕壤、褐土和灰色森林土為主。主要樹(shù)種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、山楊(Populusdavidilana)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。

2 研究方法

考慮到冀北山地植被類型、土壤特性、土地利用等因素，在木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)局選取6種林分類型的樣地作為研究對(duì)象，在每個(gè)林分類型樣地內(nèi)布設(shè)30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，并進(jìn)行每木檢尺。樣地基本特征見(jiàn)表1。選取代表性樣點(diǎn)，采用剖面法在每塊樣地隨機(jī)挖取5個(gè)土壤層剖面，按0—10，10—20，20—40，40—60，60 cm以下分別取土樣，帶回室內(nèi)測(cè)定，其中土壤容重和土壤孔隙度應(yīng)用環(huán)刀浸泡法，土壤持水量應(yīng)用烘干法，土壤入滲應(yīng)用野外樣地內(nèi)原狀土雙環(huán)法[6]。

表1 林地基本特征信息

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重變化

從圖1可得，各林分類型土壤容重與土層深度基本呈正相關(guān)，但并不顯著。土壤容重受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤緊實(shí)度和有機(jī)質(zhì)含量等影響，通常土壤容重小，土壤結(jié)構(gòu)好且疏松多孔[7]，主要與土層深度增加、土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤變緊實(shí)相關(guān)。不同林地0—60 cm土壤容重均值介于0.81～1.20 g/cm3，其排序?yàn)椋喝A北落葉松林(1.20 g/cm3)>蒙古櫟林(1.14 g/cm3)>油松林(1.12 g/cm3)>黑樺林(1.03 g/cm3)>白樺林(0.98 g/cm3)>山楊林(0.81 g/cm3)，各林分土壤容重具有一定的差異，產(chǎn)生差異的原因主要是不同植被的枯落物成分、分解情況以及地下根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況各不相同[8]，至此，山楊林土壤有機(jī)質(zhì)含量高，疏松多孔，結(jié)構(gòu)良好。

圖1不同林分類型土壤容重變化

土壤容重分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。表層土壤各個(gè)群落的容重為0.65～1.09 g/cm3，其中華北落葉松林最大(1.09 g/cm3)，說(shuō)明其林地表層土壤難于分解，腐殖質(zhì)少，土壤動(dòng)物、微生物數(shù)量少；山楊林最小(0.65 g/cm3)，說(shuō)明山楊林表層土壤有機(jī)質(zhì)多、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)好；各林地群落表層土壤緊實(shí)狀況比較適宜。

表2 土壤容重分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度在一定程度上反映了土壤的物理性質(zhì)和涵養(yǎng)水源的能力，所以土壤的松緊程度，與土壤空氣容量、土壤水分、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)。不同林分根系分布、枝葉凋落物成分等不同，其土壤理化性質(zhì)也不同，因此不同植被土壤蓄水能力和調(diào)節(jié)水分的能力也不相同[9]。

3.2.1 土壤毛管孔隙度 土壤中最有效的水分是毛管孔隙中儲(chǔ)存的水分，而有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤中毛管孔隙也較多[10]。土壤毛管孔隙度是毛管孔隙容積占土壤容積的比例，是森林植被吸持水分并用于維持其生長(zhǎng)發(fā)育能力的體現(xiàn)。由圖2可見(jiàn)，在0—60 cm土層內(nèi)，林地土壤毛管孔隙度均值依次為：山楊林(48.9%)>白樺林(47.8%)>黑樺林(42.4%)>華北落葉松林(40.8%)>蒙古櫟林(35.2%)>油松林(35.1%)。土壤毛管孔隙度最大的是山楊林，而油松林最小。土壤毛管孔隙度大小關(guān)系到土壤中可用于林木正常蒸騰耗水和生長(zhǎng)消耗水分的多少，即土壤中有效水的貯存量與林木耗水量呈正比關(guān)系，說(shuō)明山楊林地樹(shù)木生長(zhǎng)所需有效水貯存量較大。

圖2不同林分類型土壤毛管孔隙度變化

3.2.2 土壤非毛管孔隙度 土壤非毛管孔隙由微孔隙和空氣孔隙組成。如圖3所示，土壤非毛管孔隙度均值在0—60 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為：油松林(14.0%)>蒙古櫟林(9.7%)>黑樺林(8.7%)=山楊林(8.7%)>華北落葉松林(5.2%)>白樺林(3.6%)。非毛管孔隙是土壤重力水分運(yùn)動(dòng)的重要途徑，主要對(duì)水分的調(diào)節(jié)和土壤的滲透能力產(chǎn)生影響[9]，具體表現(xiàn)為森林植被對(duì)水分滯留以及涵養(yǎng)水源、削減洪水能力的發(fā)揮[6]。非毛管孔隙度關(guān)系到大孔隙的多少，是水分入滲的主要孔隙，有利于降水下滲、固持土壤，減小徑流，提高水源涵養(yǎng)功能[8]，因此油松林涵養(yǎng)水源的能力最強(qiáng)。

圖3不同林分類型土壤非毛管孔隙度變化

3.2.3 土壤總孔隙度 土壤孔隙按大小及其作用分為毛管孔隙和非毛管孔隙[10]。大多數(shù)土壤總孔隙度介于30%～60%，而最適合樹(shù)木生長(zhǎng)的則是稍大于或等于50%。從圖4可以看出，隨著土層的加深土壤總孔隙度大致呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，土壤總孔隙度均值介于44.8%～57.6%，其大小順序?yàn)椋荷綏盍?57.6%)>白樺林(51.4%)>黑樺林(51.1%)>油松林(49.1%)>華北落葉松林(45.9%)>蒙古櫟林(44.8%)，總孔隙度對(duì)土壤的蓄水能力有著重要的影響，所以山楊林土壤的蓄水能力最強(qiáng)。6種林分類型表層土壤總孔隙度為44.0%～69.5%，山楊林最大，黑樺林、蒙古櫟林、油松林、華北落葉松林次之，白樺林最小，原因主要是林地表層枯落物分解腐爛快慢程度，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，土壤中植物根系分布、微生物的活動(dòng)。

圖4不同林分類型土壤總孔隙度變化

3.3 土壤持水量

通常，林地土壤持水量由最大持水量(飽和持水量)和有效持水量共同構(gòu)成。土壤最大持水量是所有土壤孔隙全部飽和時(shí)土壤的含水量。毛管水上下垂直運(yùn)動(dòng)，主要是供植物根系吸收和林地蒸發(fā)用，而非毛管水既可垂直滲透又可橫向運(yùn)動(dòng)，多是通過(guò)重力從高處到低處沿著不透水層匯入湖泊、河流等，達(dá)到調(diào)節(jié)流量、穩(wěn)定水位平衡的功能。

3.3.1 土壤田間持水量 土壤田間持水量與土壤孔隙狀況和有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)。田間持水量是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限，是決定植物有效水的最大值[10]。從圖5可以看出，土壤田間持水量均值大小依次為：山楊林(60.2%)>白樺林(45.7%)>黑樺林(41.3%)>華北落葉松林(31.1%)>蒙古櫟林(29.2%)>油松林(26.9%)。各林分在土層0—10 cm處土壤田間持水量最大，在土層40—60 cm處田間持水量最小，主要是由于土壤隨著深度增加而變緊實(shí)，土壤孔隙減少，土壤田間持水量減小。山楊林的表層土壤田間持水量(75.0%)和平均田間持水量(60.2%)都最大，因此其有效水容量最大。

圖5不同林分類型土壤田間持水量變化

3.3.2 土壤毛管持水量 毛管持水量也是有效水分，植物能夠利用。一般情況下，毛管持水量比田間持水量高。如圖6所示，各個(gè)林分類型的土壤毛管持水量均值為：山楊林(63.6%)>白樺林(49.1%)>黑樺林(42.7%)>華北落葉松林(35.0%)>油松林(31.5%)>蒙古櫟林(31.4%)。各林地在0—10 cm土層內(nèi)毛管持水量最大，在40—60 cm土層內(nèi)最小，這是因?yàn)楸韺油寥烙袡C(jī)質(zhì)含量高，毛管孔隙度大，相應(yīng)的毛管持水量達(dá)到最大值；隨著土層深度的增加，毛管孔隙度減小，相應(yīng)的毛管持水量也減小。

圖6不同林分類型土壤毛管持水量變化

3.3.3 土壤最大持水量 土壤最大持水量表示林地土壤最大的持水能力。6種林分類型土壤最大持水量見(jiàn)圖7，其變化范圍介于21.9%～107.8%，均值大小排序?yàn)椋荷綏盍?75.6%)>白樺林(52.8%)>黑樺林(51.3%)>油松林(49.4%)>蒙古櫟林(40.3%)>華北落葉松林(38.4%)，說(shuō)明山楊林林地土壤持水能力最強(qiáng)。各林地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高、較疏松，所以表層土壤最大持水量達(dá)到頂峰。

圖7不同林分類型土壤最大持水量變化

3.4 土壤入滲速率

由圖8可知，6種林分類型土壤入滲速率在5 min左右迅速下降，在25～30 min左右漸漸平緩并逐步穩(wěn)定，處于穩(wěn)滲狀態(tài)。油松林和白樺林趨于平穩(wěn)狀態(tài)較慢，大致在30～35 min，蒙古櫟林所需時(shí)間最短。土壤入滲水平?jīng)Q定土壤涵養(yǎng)水源的能力，也影響地表徑流產(chǎn)生量[11]。如果土壤入滲速率較高，不但可以減少地表徑流，還能夠讓更多的降水滲透到土壤中，進(jìn)而形成壤中流、地下徑流[12]。表3說(shuō)明，每種林地的土壤初滲速率相差較大，其排序?yàn)椋喊讟辶?105.88 mm/min)>油松林(100.00 mm/min)>山楊林(70.59 mm/min)>黑樺林(40.00 mm/min)>蒙古櫟林(31.03 mm/min)>華北落葉松林(14.00 mm/min)；而穩(wěn)滲速率在0.68～15.00 mm/min，油松林最大，華北落葉松林最小。所以，油松林、白樺林土壤滲透性最高，涵養(yǎng)水源的能力最大。圖8呈現(xiàn)出土壤入滲率與入滲時(shí)間的冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較顯著。

表3 不同林分土壤滲透速率

圖8不同林分類型土壤入滲曲線

4 結(jié) 論

(1) 各林地土壤容重與土層深度呈正相關(guān)，即土層越深，容重越大。針葉林土壤容重均值大于闊葉林，大小順序?yàn)椋喝A北落葉松林>蒙古櫟林>油松林>黑樺林>白樺林>山楊林，其中山楊林土壤疏松多孔，土壤容重最小為0.81 g/cm3。

(2) 林地內(nèi)土壤總孔隙度隨土層深度增加而逐漸減少。闊葉林土壤總孔隙度多于針葉林，大小順序?yàn)椋荷綏盍?白樺林>黑樺林>油松林>華北落葉松林>蒙古櫟林，其中山楊林土壤總孔隙度最大為57.6%，有效水的貯存量最多、蓄水能力最強(qiáng)。

(3) 土壤持水量隨著土層深度的增加而減小，闊葉林持水能力強(qiáng)于針葉林，綜合排序?yàn)椋荷綏盍?白樺林>黑樺林>油松林>華北落葉松林>蒙古櫟林，其中，山楊林土壤中有效水含量最多、土壤持水能力最高。

(4) 6種林分土壤入滲速率與入滲時(shí)間有顯著冪函數(shù)關(guān)系，土壤穩(wěn)滲大約出現(xiàn)在25～30 min，油松林穩(wěn)滲速率最大為15.00 mm/min，其水土保持的能力最好。

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SoilWater-PhysicalPropertiesofSixForestTypesinNorthernMountainofHebeiProvince

WANG Ying1, YANG Xinbing2

(1.DepartmentofEcologly,HebeiUniversityofEnvironmentalEngineering,Qinhuangdao,Hebei066102,China; 2.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

In order to make better the ecological function of mountain forest land and improve the ability of forest water conservation in this area, six typical forest stands in Northern Mountain of Hebei Province were selected as the research samples. Meanwhile the author analyzed and compared the soil physical properties by ring knife method. The results showed that: (1) the soil bulk density was positively correlated with soil depth, soil bulk density average decreased in the orger:Larixprincipis-rupprechtiforest (1.20 g/cm3)>Quercusmongolicaforest (1.14 g/cm3)>Pinustabulaeformisforest (1.12 g/cm3)>Betuladavuricaforest (1.03 g/cm3)>Betulaplatyphyllaforest (0.98 g/cm3)>Populusdavidianaforest (0.81 g/cm3); (2) the total soil porosity was negatively correlated with soil depth and the average order of total porosity was:Populusdavidianaforest (57.6%)>Betulaplatyphyllaforest (51.4%)>Betuladavuricaforest (51.1%)>Pinustabulaeformisforest (49.1%)>Larixgmelinii-rupprechtiforest (45.9%)>Quercusmongolicaforest (44.8%);Populusdavidianaforest′s average soil capillary porosity was maximum(48.9%),Pinustabulaeformisforest was minimum (35.1%); The maximum non-capillary porosity averages wasPinustabulaeformisforest (14.0%), the minimum wasBetulaplatyphyllaforest (3.6%); (3) there was a negative correlation between soil moisture and soil depth, The maximum water holding capacity of the soil wasPopulusdavidianaforest and the smallest isLarixgmelinii-rupprechtiforest; (4) the relationship between soil infiltration rate and infiltration time followed the power function. The largest steady infiltration rate wasPinustabulaeformisforest (15.00 mm/min) and the minimum wasLarixgmelinii-rupprechtiforest (0.68 mm/min). The research results can provide the basis for sustainable utilization of forest soil resources.

Northern Mountain of Hebei Province; forest types; soil moisture-physical property; soil infiltration

2016-05-20

：2016-06-13

河北省林業(yè)廳科技項(xiàng)目“冀北山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)技術(shù)研究”(1403451);林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)子課題“冀北山區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)健康經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究與示范”(200804022F)

王穎(1977—),女,河北唐山人,碩士,副教授,主要從事園林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:wangying0651@126.com

S714.7

：A

：1005-3409(2017)03-0108-05