梁世興,王婭茹,曹航,楊曉慧,李宏志,孟子龍,劉海翔,郭建軍,楊新兵

(1張家口市涿鹿林場，河北 張家口 075600；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3張家口市塞北林場(市國有林場管理處)，河北 張家口 075000)

水土保持是丘陵山區(qū)生態(tài)恢復(fù)及重建的基礎(chǔ)，它關(guān)系到地方生態(tài)建設(shè)乃至整個社會與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，水土保持的實質(zhì)就是生態(tài)水文過程的控制與調(diào)節(jié)[1]。土壤水分入滲和水分貯存是反映森林植被保持水土和涵養(yǎng)水源作用的重要水文參數(shù)，是森林植被的主要水文功能[2]。土壤貯水量的大小主要取決于土壤厚度與土壤孔隙狀況，土壤水分入滲與地表徑流、表土結(jié)構(gòu)、土壤密度、土壤孔隙狀況、土壤持水量及植被特征等多種因素密切相關(guān)[3]。土壤孔隙狀況、土壤含水量、土壤容重及有機質(zhì)含量等理化性質(zhì)隨著土地利用類型的變化也會發(fā)生相應(yīng)改變，進而直接或間接影響土壤入滲特征[4]。因此，研究不同林分類型土壤水分入滲和水分貯存規(guī)律對改善生態(tài)環(huán)境、提高森林植被保持水土與涵養(yǎng)水源能力、防止地表徑流的產(chǎn)生具有十分重要的意義。

《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》將張家口市確定為京津冀西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，承擔(dān)著為首都提供優(yōu)質(zhì)水源和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境保障的重任。2019年12月河北省人民政府印發(fā)了《張家口首都水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2019-2035年)實施意見》，涿鹿林場屬北京官廳水庫上游重要水源保護林范疇。為了改善冀西北森林保持水土和涵養(yǎng)水源的能力，以河北省張家口市涿鹿林場分布最廣泛的白樺、油松、山楊、華北落葉松4種林分為研究對象，研究其土壤貯水和入滲特征，為該地區(qū)的水源保護和水土流失綜合治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

涿鹿林場位于河北省張家口市涿鹿縣境內(nèi)，E 114°55′～115°31′，N 39°40′～40°39′。屬海河流域永定河上游，地勢為南北低、中間高，海拔906～2 882 m。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.1 ℃，年均降水量372.7 mm。土壤類型主要為褐土。主要生態(tài)樹種有油松、華北落葉松、山楊、白樺、蒙古櫟、小葉椴等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在涿鹿林場選取油松、山楊、白樺、華北落葉松4種優(yōu)勢樹種的林分作為研究樣地，撂荒地作為對照。每個林分內(nèi)設(shè)置30 m×30 m的標準樣地，進行每木檢尺，樣地基本特征詳見表1。

表1 不同林分樣地基本情況Table 1 Basic information of different stand plots

2.2 土壤貯水特征測定

在選取的樣地內(nèi)用體積100 cm3環(huán)刀分坡位取土樣，每10 cm 1層取樣，采用環(huán)刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度和持水性能等土壤貯水量特征參數(shù)，計算公式為[5]：

Wc=1 000pch；Wnc=1 000pnch；

Wt=1 000pth

式中：Wc，Wnc和Wt分別為土壤最大吸持貯水量、土壤最大滯留貯水量和土壤飽和貯水量(單位：mm)；pc、pnc和pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)；h為計算土層深度(m)。

利用斜率判斷土壤貯水特征變化，斜率越大則土壤貯水特征參數(shù)變化程度越大(反之亦然)。

2.3 土壤入滲特征測定

利用雙環(huán)滲透筒測定不同時段的土壤入滲過程。在樣方的坡上和坡下分別取3個重復(fù)。記錄初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率等參數(shù)，并制作入滲曲線。利用SPSS軟件對4種林分入滲速率進行差異性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型的土壤貯水特征

土壤貯水是森林植被耗水的重要來源之一，在森林植被生長發(fā)育過程中起到非常重要的作用，也是森林植被水源涵養(yǎng)功能與水分保持的重要指標[6]。土壤貯水量的大小與其孔隙狀況和土壤厚度密切相關(guān)。不同林分土壤貯水特征參數(shù)見圖1。

圖1 不同林分土壤貯水特征參數(shù)Figure 1 Characteristic parameters of soil water storage under different stand conditions

由圖1可知：土壤飽和貯水量呈現(xiàn)為白樺林(373.24 mm)>油松林(352.72 mm)>山楊林(325.20 mm)>華北落葉松林(306.28 mm)>撂荒地(286.30 mm)，各林分的土壤蓄水能力(土壤飽和貯水量)均高于撂荒地，表明森林具有較好的土壤蓄水和持水能力。土壤滯留貯水量是飽和土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暫時貯存量，4種林分土壤滯留貯水量排序為：白樺林(119.82 mm)>油松林(117.97 mm)>山楊林(86.63 mm)>華北落葉松林(68.46 mm)>撂荒地(54.37 mm)，表明白樺林改良土壤滯留貯水的能力最好，撂荒地最差。土壤吸持貯水量是水分依靠毛管吸持力在毛管孔隙中的貯存量，4種林分土壤吸持貯水量排序為：白樺林(253.76 mm)>山楊林(238.57 mm)>華北落葉松林(238.53 mm)>油松林(234.49 mm)>撂荒地(231.93 mm)，白樺林總體貯水能力明顯高于其他林分和撂荒地，撂荒地總體貯水能力最低。

3.2 不同林分土壤容重和孔隙度

土壤容重與孔隙度密切相關(guān)，可以較好地反映土壤水分入滲性能、透氣性、持水能力等，土壤容重越小，表明土壤疏松多孔，其孔隙狀況越好[7]。不同林分土壤容重見圖2。不同林分土壤孔隙度見圖3。

圖2 不同林分土壤容重Figure 2 Soil bulk density of different stand types

圖3 不同林分土壤孔隙度Figure 3 Soil porosity of different stand types

由圖2和圖3可知，不同林分土壤容重均值排序為：白樺林(0.90 g/cm3)<油松林(0.95 g/cm3)<山楊林(0.99 g/cm3)<華北落葉松(1.00 g/cm3)<撂荒地(1.27 g/cm3)。不同林分總孔隙度均值排序為：白樺林(62.24%)>油松林(59.01%)>山楊林(54.20%)>華北落葉松林(51.35%)>撂荒地(47.72%)，容重越小，土壤孔隙度就越大。

土壤容重與孔隙度、土壤貯水量的相關(guān)性見圖4、圖5。

圖4 土壤容重與孔隙度的相關(guān)性Figure 4 Correlation between soil bulk density and porosity

圖5 土壤容重與土壤貯水量的相關(guān)性Figure 5 Correlation between soil bulk density and soil water storage

由圖4和圖5可知，隨著土壤容重不斷增大，其總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和貯水量、吸持貯水量和滯留貯水量均呈現(xiàn)下降趨勢。隨著容重的增大，土壤滯留貯水量減小的程度(擬合方程的斜率為200.02)大于土壤吸持貯水量減小的程度(擬合方程的斜率為165.78)(圖5)，非毛管孔隙減小的程度(擬合方程的斜率為0.3184)大于毛管孔隙減小的程度(擬合方程的斜率為0.2546)(圖4)，這表明森林植被對非毛管孔隙(滯留貯水)的改善作用要大于毛管孔隙(吸持貯水)的改善作用。

3.3 不同林分土壤入滲特征

入滲是地表水、大氣水、土壤水和地下水轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到地表徑流的發(fā)生與土壤侵蝕程度[8]。不同林分土壤入滲曲線見圖6。

圖6 不同林分土壤入滲曲線Figure 6 Soil infiltration curves of different stand types

由圖6可知，隨著時間的延長入滲速率逐漸降低，各林分類型入滲速率與入滲時間呈冪函數(shù)關(guān)系。各林分的土壤初滲速率與穩(wěn)滲速率均高于撂荒地。不同林分土壤入滲速率與多重比較見表2。

表2 不同林分土壤入滲速率與多重比較Table 2 Soil infiltration rate and multiple comparison of different stand types

由表2可知，各林分土壤平均初滲速率排序為：白樺林(20.70 mm/min)>油松林(16.67 mm/min)>山楊林(11.36 mm/min)>華北落葉松林(8.33 mm/min)>撂荒地(4.81 mm/min)。土壤平均穩(wěn)滲速率排序為：白樺林(5.21 mm/min)>油松林(3.55 mm/min)>山楊林(2.42 mm/min)>華北落葉松林(1.89 mm/min)>撂荒地(1.23 mm/min)。初滲速率和穩(wěn)滲速率林地均比撂荒地高，表明森林植被有提高土壤入滲能力的作用，可以有效防止水土流失和地表徑流的產(chǎn)生。利用SPSS軟件對4種林分入滲速率進行差異性分析(置信區(qū)間為95%)表明，在穩(wěn)滲速率方面，4種林分與撂荒地均存在顯著差異。在初滲速率方面，白樺林與油松林、山楊林、撂荒地存在顯著差異，白樺林與華北落葉松林差異不顯著。

4 討論

植被對土壤具有良好的改善作用，不同林分土壤質(zhì)地存在較大差異，進而直接或間接影響土壤水土保持功能。森林植被的根系生長和枯落物的分解，改良了土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，提高了土壤孔隙大小和數(shù)量，使得土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的貯存量增大，為降雨提供應(yīng)急的水分貯存，可以有效避免地表徑流的發(fā)生[9-10]。劉霞等研究發(fā)現(xiàn)森林植被對非毛管孔隙度改善程度要優(yōu)于毛管孔隙度，土壤非毛管孔隙度對土壤貯水量的影響較大[5]。本研究對4種林分改善土壤貯水能力進行了探討，發(fā)現(xiàn)森林對土壤容重、非毛管孔隙度和土壤容重等有明顯改善，森林的水土保持能力較撂荒地均有較大提高，與劉霞的研究結(jié)果基本一致。

土壤水分入滲除了人為和降雨因素外，主要受到下墊面狀況、植被類型、土壤物理性質(zhì)、土地利用方式、孔隙狀況、土壤有機質(zhì)含量及密度等影響[5，11]。植被通過改變土壤結(jié)構(gòu)進而影響土壤水分入滲特征，土壤物理性質(zhì)的空間變異性決定了即使在同一植被情況下，因為植被生長狀況不同，土壤質(zhì)地也會不同，進而導(dǎo)致土壤入滲速率出現(xiàn)差異[12-13]。本研究表明，森林植被相比撂荒地明顯提高了土壤入滲速率，改善了土壤水分貯存能力，原因可能是森林植被根系會影響土壤結(jié)構(gòu)、枯落物的分解，增加了土壤有機質(zhì)含量、土壤易形成團粒結(jié)構(gòu)等，從而改善孔隙狀況，提高土壤入滲速率，本文研究結(jié)果與高嬋嬋觀點一致[12]。

5 結(jié)論

林分土壤貯水能力(飽和貯水量)均高于撂荒地，森林植被明顯提高了土壤非毛管孔隙度，增加了土壤非毛管貯水量。森林植被對非毛管孔隙(滯留貯水)的改善作用要大于毛管孔隙(吸持貯水)的改善作用。土壤容重與土壤孔隙度、貯水量呈負相關(guān)關(guān)系。土壤入滲速率與入滲時間呈冪函數(shù)關(guān)系，不同林分的初滲速率與穩(wěn)滲速率存在顯著差異，林地的土壤滲透性能均高于撂荒地。