太行山低山丘陵花崗片麻巖區(qū)典型林地土壤持水能力研究

侯佳茗

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083）

森林是陸地上重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，具有涵養(yǎng)水源、保持水土和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等重要生態(tài)服務(wù)功能[1]。特別是在干旱半干旱地區(qū)，森林水源涵養(yǎng)功能對維持區(qū)域的生態(tài)安全和水安全尤為重要。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的水分主要儲蓄庫，是森林水源涵養(yǎng)功能形成與發(fā)揮的關(guān)鍵。森林土壤的持水能力也成為了國內(nèi)外學(xué)者在土壤水分調(diào)節(jié)能力和涵養(yǎng)水源研究中關(guān)注的重要指標(biāo)。不同的森林植被擁有不同的林分組成、林冠結(jié)構(gòu)、枯落物和根系，進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)、持水能力以及水分利用效率[2-3]。因此，研究不同類型林地與土壤持水能力的關(guān)系具有重要意義。

太行山是華北平原重要的水源補(bǔ)給區(qū)、京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障和國家京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的水源涵養(yǎng)功能區(qū)。因此，本文以中科院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)林地為例，采用野外定點(diǎn)采樣結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法，以太行山低山丘陵花崗片麻巖區(qū)典型林型刺槐純林、油松×側(cè)柏混交林、核桃退耕還林地土壤為研究對象，對不同林型下土壤物理性質(zhì)和持水量進(jìn)行測定分析，揭示3種典型林地土壤持水能力的差異，以指導(dǎo)太行山低山丘陵花崗片麻巖區(qū)造林綠化和水源涵養(yǎng)林體系的建設(shè)及經(jīng)營。

1 研究區(qū)概況

該研究在中科院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行，位于河北省元氏縣，E114°15′55″，N37°52′45″，海拔350m左右，屬于低山丘陵區(qū)。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)型氣候區(qū)，多年平均降雨量560mm，降雨集中在6~8月份（占全年80%以上），多年平均氣溫13℃，多年平均蒸發(fā)量為1600mm[4]。土壤主要為由花崗片麻巖成土母質(zhì)發(fā)育而成的山地褐土，土層薄，有機(jī)質(zhì)含量低[5]。典型林型是次生低矮刺槐闊葉林、退耕還林后的核桃經(jīng)濟(jì)林，少量的油松側(cè)柏針葉混交林。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

在試驗(yàn)站研究區(qū)內(nèi)選取太行山低山丘陵花崗片麻巖區(qū)典型林型刺槐林、油松×側(cè)柏混交林、退耕還林后的核桃林3種林型設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地。所選3個標(biāo)準(zhǔn)地立地條件相近，海拔350m，均為陽坡，坡度15°左右，土壤類型系山地褐土。標(biāo)準(zhǔn)地面積為30m×30m，對各樣地的林分特征（樹高、胸徑、郁閉度等）進(jìn)行調(diào)查記錄。各林地的基本情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地情況

2.2 土壤物理性質(zhì)和持水量的測定

在各標(biāo)準(zhǔn)地選擇具有代表性的3個樣點(diǎn)，分別挖掘土壤剖面，用100cm3環(huán)刀分4層（10cm厚為一層）取原始土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤容重、孔隙度及計(jì)算各項(xiàng)持水量指標(biāo)，具體測定及計(jì)算按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》（LY/T 1215—1999）操作。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型土壤物理性質(zhì)

土壤容重和孔隙度直接影響著土壤的透水性和通氣性。由圖1、表2可看出：每個林型各土層土壤容重有所變化，刺槐林各土層土壤容重在1.34~1.62g/cm3，油松×側(cè)柏混交林各土層土壤容重在1.35~1.61g/cm3，核桃林各土層土壤容重在1.30~1.42g/cm3。各個林地的土壤容重整體上隨土層深度增加呈上升趨勢，但刺槐林和核桃林30~40cm的土壤容重反而小于20~30cm的土壤容重。由表4可看出：各個林地的土壤容重均值排序?yàn)橛退伞羵?cè)柏混交林（1.47g/cm）3＞刺槐林（1.46g/cm）3＞核桃林（1.36g/cm3）。方差分析顯示，各類型林地內(nèi)不同土層深度的土壤容重差異不顯著，不同類型林地的土壤容重差異也不顯著。

圖1 不同類型林地各土壤層容重

由表2可看出，各個林地土壤孔隙度與土層深度之間的變化規(guī)律不同。隨著土層深度的增加，刺槐林各土層土壤毛管孔隙度由38.22%下降到33.28%，總孔隙度由10~20cm土層的38.47%增加到30~40cm土層的41.37%；油松×側(cè)柏混交林各土層土壤毛管孔隙度變化在33.44%~37.71%，總孔隙度變化在35.7%~41.13%；核桃林土壤毛管孔隙度變化在42.83%~46.84%，總孔隙度由47.06%下降到43.24%。3種林型各土層土壤孔隙度隨土層深度增加整體上呈下降趨勢，但并未全部呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐層降低的規(guī)律性變化。

表2 各林型不同土層土壤物理特征參數(shù)

由表4可看出：3種林型土壤相比較，油松×側(cè)柏混交林的土壤毛管孔隙度和總孔隙度平均值均最??；核桃林的土壤毛管孔隙度和總孔隙度平均值均最大。

方差分析顯示，刺槐林、油松×側(cè)柏混交林各土層的土壤毛管孔隙度、總孔隙度差異不顯著；核桃林中0~10cm土層的土壤毛管孔隙度、總孔隙度顯著高于20~30cm，30~40cm土層。刺槐林與油松×側(cè)柏混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度之間差異不顯著；核桃林與刺槐林、油松×側(cè)柏混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度之間差異顯著。

結(jié)構(gòu)良好的土壤總孔隙度為55%～70%，而這3種林型土壤的總孔隙度平均值在38.85%~44.74%之間，說明這3種林型林地土壤尚未達(dá)到結(jié)構(gòu)良好。

3.2 不同林型土壤持水能力

我國的林學(xué)界和水土保持領(lǐng)域，通常用土壤非毛管蓄水量作為計(jì)量森林土壤蓄水量的基準(zhǔn)。而半干旱地區(qū)，土壤毛管蓄水量是非毛管蓄水量的幾倍，土壤水分很難達(dá)到飽和，林地土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)，土壤儲水以吸持蓄水為主，因此，用非毛管蓄水量評價土壤蓄水性能不全面，也不合理，應(yīng)以非毛管孔隙和毛管孔隙蓄水（即飽和蓄水量）評價該區(qū)的土壤蓄水性能[6]。

由表3可知：刺槐林、油松×側(cè)柏混交林不同土層的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異不顯著；核桃林中0~10cm土層的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量與其他土層之間差異顯著。刺槐林與油松×側(cè)柏混交林的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異不顯著；核桃林與刺槐林、油松×側(cè)柏混交林的土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量之間差異顯著（表4）。

表3 各林型不同土層土壤持水特性參數(shù)

由表4可看出：3種林分類型40cm厚土層內(nèi)每10cm土層飽和蓄水量平均值大小排序依次為核桃林（447.38t/hm2）＞刺槐林（401.80t/hm2）＞油松×側(cè)柏混交林（388.49t/hm2），土壤毛管蓄水量表現(xiàn)為核桃林（443.63t/hm2）＞刺槐林（356.23t/hm2）＞油松×側(cè)柏混交林（354.41t/hm2）。

表4 不同林型40cm內(nèi)土壤物理特征、土壤持水特性參數(shù)

由此可見，3種林型中核桃林的持水能力較強(qiáng)，刺槐林的持水能力次之，油松×側(cè)柏混交林的持水能力較弱。

4 結(jié)論與討論

森林類型和樹種的差異導(dǎo)致其地表凋落物構(gòu)成及樹木根系生長發(fā)育存在一定差異，從而造成不同林地土壤物理性質(zhì)不同。通過對太行山低山丘陵花崗片麻巖區(qū)3種典型林地土壤持水能力的研究發(fā)現(xiàn)，所測的刺槐林、油松×側(cè)柏混交林、核桃林3種林型的土壤容重整體上隨土層深度增加而增大，但刺槐林和核桃林30~40cm的土壤容重反而小于20~30cm的土壤容重，推測是因?yàn)榇袒焙秃颂叶际巧罡詥棠荆?0cm以下的土壤中根系分布較多，改善了土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤容重變小。3種林型土壤容重均值變化在1.34~1.62g/cm3，差異不顯著，大小排序?yàn)橛退伞羵?cè)柏混交林（1.47g/cm）3＞刺槐林（1.46g/cm）3＞核桃林（1.36g/cm）3。總孔隙度大小排序?yàn)楹颂伊郑?4.74%）＞刺槐林（40.19%）＞油松×側(cè)柏混交林（38.85%）。有研究表明，森林土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均隨深度的增加而減低[7-9]。但本研究并未得出完全相同的結(jié)論，所測的刺槐林、油松×側(cè)柏混交林、核桃林3種林型各土層土壤孔隙度隨土層深度增加整體上呈下降趨勢，但并未全部呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐層降低的規(guī)律性變化，這可能是因?yàn)椴煌翆拥耐寥揽紫抖仁芏喾N因素的影響，枯落物、根系生長、蟲類活動都會影響土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響孔隙度。如：刺槐為深根性喬木，30cm以下的土壤中根系分布較多，改善了土壤結(jié)構(gòu)，使得30cm以下的土壤總孔隙度、非毛管孔隙度均高于10~20cm的土壤。土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量大小排序均為核桃林（447.38t/hm2，443.63t/hm2）＞刺槐林（401.90t/hm2，356.23t/hm2）＞油松×側(cè)柏混交林（388.49t/hm2，354.41t/hm2）?？傮w發(fā)現(xiàn)，3種林型中核桃林的持水能力較強(qiáng)，刺槐林的持水能力次之，油松×側(cè)柏混交林的持水能力較弱。說明闊葉林改善土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)、涵養(yǎng)水源的能力優(yōu)于針葉林。與各個林地飽和蓄水量、毛管蓄水量的排序規(guī)律不同，核桃林的非毛管蓄水量遠(yuǎn)小于其他兩種林型，這是因?yàn)楹颂伊謱儆诮?jīng)濟(jì)林，人工耕作增加了有機(jī)質(zhì)，改善了土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和上下層孔隙狀況，非毛管孔隙度大大減少，土壤保存的水分可被吸收利用的較多，更加有效地減少地表徑流。這表明影響森林土壤持水能力的因素除樹種外還有其他復(fù)雜因素，在以后的研究中需加強(qiáng)綜合研究。