山東砂石山區不同林分類型土壤的蓄水效益

胡建朋，楊吉華，羅明達，李星辰

(山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室山東農業大學林學院，271018，山東泰安)

山東砂石山區不同林分類型土壤的蓄水效益

胡建朋，楊吉華?，羅明達，李星辰

(山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室山東農業大學林學院，271018，山東泰安)

以山東省臨朐縣辛莊水土保持試驗站營造的5種林分為研究對象，研究不同林分類型土壤蓄水效益。結果表明：刺槐、五角楓、黃連木等闊葉樹種林分的枯落物多，枯落物腐爛分解后改善土壤理化性狀良好，增加了土壤蓄水量，3種闊葉樹種林分與對照(各林分類型附近立地條件相同的荒坡)相比增加的土壤飽和貯水量以刺槐林的最大(為549.8m3/hm2)，其次是五角楓林(為416.9m3/hm2)和黃連木(為392.3m3/hm2);而黑松、側柏等針葉樹種林分相應地增加土壤飽和貯水量較少，分別僅為257.9和223.7m3/hm2。通過對枯落物已分解層蓄積量與0～20 cm土壤理化性狀的相關分析表明，不同林分類型的枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數、土壤非毛管孔隙度呈極顯著相關性，與土壤密度、土壤總孔隙度呈顯著相關性，與土壤毛管孔隙度相關但不顯著。計算結果顯示，5種林分類型的土壤蓄水效益表現為刺槐林＞五角楓林＞黃連木林＞黑松林＞側柏林。

林分類型;土壤飽和貯水量;土壤蓄水效益;山東砂石山區

山東省砂石山區面積較大，巖石的物理風化快， 地面土質松散，土體粗砂多，保水能力弱，而且坡度陡、坡長短、土層薄，夏季降雨集中，多以暴雨形式出現，流速大，匯流快，土壤蓄水能力差。營造水源涵養林可起到林冠截持降雨，枯落物攔蓄地表徑流，改善土壤理化性狀，促進水分下滲，增強土壤蓄水能力。水源涵養林可以通過喬灌層、枯落物層和土壤層3個水文層次對降水進行調蓄，在“大氣水—植物水—土壤水”的循環系統中起著重要作用，是一個良好的天然蓄水庫［1-2］。以往的研究注重單因子對林分蓄水功能的影響，忽視了多因子條件下對水源涵養林蓄水效益的綜合評價［2］;為此，筆者通過對山東砂石山區不同林分類型土壤蓄水功能的定量分析，揭示各因子影響下的不同林分類型土壤蓄水效益的數量關系，探索山東砂石山區蓄水效益良好的林分類型，為山東砂石山區水源涵養林的營造，計算不同林分類型土壤蓄水效益提供理論依據和技術指導。

1 試驗地概況

辛莊水土保持試驗站位于山東省臨朐縣九山鎮辛莊小流域，地處 E118°33'21″～ 118°36'28″，N36°16'18″～36°19'46″之間，屬暖溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季雨量減少，冬季寒冷干燥。流域面積8.34 km2，試驗區海拔310～431m，巖石為片麻巖，土壤為棕壤，坡向為西南坡，坡度18°～20°，坡位屬于低山丘陵的中上部，土壤厚度30～40 cm，多年平均氣溫12℃，多年平均降水量798.4mm，降水多集中在6—9月，多年平均無霜期191 d。試驗材料為刺槐(Robinia pseudoacaciaLinn)、五角楓(Acermonomaxim.)、黃連木(Pistacia chinensisBunge.)、黑松(Pinus thunbergiiParl)和側柏(Platycladus orientalis(Linn.)Franco)5種林分類型。1996年冬季進行穴狀整地，整地規格長寬深為50 cm×50 cm×40 cm，1997年春季植苗造林，密度為1 667株/hm2，在各林分類型附近立地條件相同的荒坡設置對照小區。造林后采取封育措施，禁止人為割草、砍灌、摟樹葉和放牧等活動。2010年11月調查每個林分類型的林木生長量(表1)。

表1 不同林分類型林木生長狀況Tab．1 Growth state of trees in different forest types

2 試驗方法

2.1 標準地布設

2010年11月，在臨朐縣辛莊水土保持試驗站選擇1997年營造的刺槐、五角楓、黃連木、黑松、側柏5個樹種林分內布設標準地，每個林分設置3個20m×20m的標準地，在各林分類型附近立地條件相同的荒坡設置3個10m×10m的標準地作為對照，記錄標準地的坡度、坡位，測定各林分類型的林木生長狀況。

2.2 枯落物蓄積量的測定

在每個標準地的對角線上均勻布設5個1m×1m的樣方［2］，測量枯落物的總厚度、未分解層、半分解層和已分解層厚度，收集未分解層、半分解層和已分解層的枯落物樣品。稱收取樣品的鮮質量，并用烘箱烘干至恒質量，稱其各自的干質量，以干質量計算單位面積的蓄積量。

2.3 土壤物理性狀和土壤蓄水性能的測定

在每個林分類型的標準地內，用50 cm3的環刀在0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土壤內均勻采集土壤樣品，倒入鋁盒，用烘箱烘干測定土壤含水量;用50 cm3的環刀取0～10、10～20、20 ～30、30～40 cm層土壤樣品，用浸水法測定土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤飽和貯水量等指標。求其每個林分0～20、20～40 cm土層的土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的平均值，用均值±標準差表示。采用各林分類型的土壤飽和貯水量減去對照區的土壤飽和貯水量得出各林分類型增加的土壤飽和貯水量。

2.4 土壤滲透性能的測定

采用單環定量加水法測定土壤的入滲速率［3］。在選定的測點上把滲透筒垂直插入土中至第二道刻度線(入土深度5 cm)，可減少水分側滲。用量筒盛水(記錄水溫)100mL緩緩倒入滲透筒內，等水全部滲入土中，記錄起始時間。馬上再倒入100mL水，重復操作，看到滲水明顯減慢時，計算初始入滲速率;再倒入50mL水，記錄起始時間，重復操作，直到50mL水全部滲入土中所需時間與上一次時間接近，計算穩定入滲速率，得出平均入滲速率。

2.5 土壤有機質質量分數的測定

2010年11月，在標準地內分別取0～20和20～40 cm土層的土壤，將土樣帶回實驗室，風干后制備土樣，取通過0.25mm篩孔的風干土樣，用油浴加熱-K2Cr2O7容量法測定土壤有機質質量分數。

2.6 數據處理方法

運用EXCEL2003軟件對原始數據進行初步處理和圖表制作，運用SPSS11.5軟件進行方差分析、回歸分析和相關分析。

3 結果與分析

3.1 枯落物層蓄積量

林地枯落物層不僅能夠吸持和攔截降水、促進徑流下滲、減少林地蒸發量、改善土壤結構，而且能減少徑流沖刷［2］。由表2(樣本數為15)可以看出，枯落物未分解層、半分解層和已分解層的蓄積量以刺槐林的最大，五角楓林和黃連木林的次之，黑松林和側柏林的較小。按不同林分類型對枯落物未分解層、半分解層和已分解層的蓄積量進行方差分析，分別為未分解層F0.05=343.557，Sig.=0.000;半分解層F0.05=455.802，Sig.=0.000;已分解層F0.05=1 188.327，Sig.=0.000，表明不同林分類型枯落物未分解層、半分解層和已分解層蓄積量均存在明顯差異。由于刺槐、五角楓、黃連木在山東砂石山區生長量大，枝葉量大，枯落物多，所以未分解的枯落物層蓄積量大;刺槐、五角楓、黃連木為軟闊葉樹種，在高溫高濕條件下，微生物活動強烈，加速枯落物的分解，所以半分解和已分解的枯落物層蓄積量較大。而黑松和側柏生長慢，枝葉量小，枯落物少，未分解層蓄積量小，由于黑松和側柏的枯落物含油脂多，分解慢，枯落物半分解層和已分解層蓄積量較少。

表2 不同林分類型枯落物蓄積量Tab．2 Amount of litter accumulation in different forest types

3.2 土壤理化性狀及其滲透速率

土壤的理化性狀主要指土壤密度、土壤孔隙度和土壤有機質質量分數等指標，土壤理化性狀的優劣直接影響土壤的持水和滲透能力，優良的土壤理化性狀對于減少地表徑流、涵養水源、保持水土具有重要作用［4］。

表3和圖1(樣本數為9)顯示，5種林分類型的土壤密度以刺槐林的最小，而土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數則以刺槐林的最大;其次是五角楓林和黃連木林，黑松林和側柏林的土壤密度較大，而土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數較小。按不同林分類型對土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數進行方差分析，分別為土壤總孔隙度F0.05=352.65，Sig.=0.000;土壤毛管孔隙度F0.05=68.978，Sig.=0.000;土壤非毛管孔隙度F0.05=24.514，Sig.=0.000;土壤有機質質量分數F0.05=165.014，Sig.=0.000，表明不同林分類型的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數均存在明顯差異，但均大于對照。同一林分類型0～20 cm土層內的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數均大于20～40 cm土層，而0～20 cm土層內的土壤密度小于20～40 cm土層內的土壤密度，說明不同林分類型對0～20 cm土層的理化性狀改良效果更明顯。

圖2(樣本數為9)顯示，各林分類型的土壤滲透速率均大于對照，表現為刺槐林＞五角楓林＞黃連木林＞黑松林＞側柏林＞對照;按不同林分類型對土壤平均滲透速率進行方差分析，F0.05=1 696.824，Sig.=0.000，表明不同林分類型的土壤滲透速率存在明顯差異。

表3 不同林分類型土壤物理性狀Tab．3 Soil physical properties in different forest types

圖1 不同林分類型土壤有機質質量分數Fig．1 Soil organicmatter content in different forest types

圖2 不同林分類型土壤滲透速率Fig．2 Soil infiltration rate in different forest types

這是由于刺槐、五角楓、黃連木等闊葉樹種林分的枯落物多，分解快，腐爛分解后形成腐殖質層，腐殖質層被雨水淋洗到土壤層內，因腐殖質具有良好的黏結作用，把分散的單個土粒黏結成團粒結構，使土壤疏松多孔，從而減小土壤密度，增加了土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，提高了土壤有機質質量分數，改善土壤理化性狀較強，特別是非毛管孔隙度的增加，促進雨水下滲，增加了土壤滲透速率。而黑松、側柏等針葉樹種林分的枯落物較少，枯落物含大量油脂，分解慢，形成的腐殖質層較少，提高的土壤有機質質量分數較低，改善土壤理化性狀較差，增加的土壤滲透速率較慢。

3.3 枯落物已分解層的蓄積量與0～20 cm土壤理化性狀相關分析

表4顯示，枯落物已分解層蓄積量與土壤密度呈負相關關系，枯落物已分解層蓄積量越大，土壤越疏松，土壤密度越小;枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數、土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度均呈正相關關系，即枯落物已分解層蓄積量大的林分，土壤有機質質量分數、土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度都大。相關性系數表明，不同林分類型枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數、非毛管孔隙度呈極顯著相關性，與土壤密度、土壤總孔隙度呈顯著相關性，與土壤毛管孔隙度相關但不顯著;說明枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數、非毛管孔隙度相關更密切。

表4 不同林分類型枯落物已分解層蓄積量與0～20 cm土層的土壤理化性狀相關分析Tab．4 Correlation analysis between amount of decomposed litter layer and physical and chemical properties of 0-20 cm soil layer in different forest types

3.4 土壤水文效應

土壤水文效應主要取決于土壤物理性狀，土壤總孔隙度決定土壤貯水量的大小，毛管孔隙是土壤中水分貯存和蒸發的孔道，是植物吸收水分的路徑，非毛管孔隙間隙大，滲透到土壤中的水分在重力作用下逐漸下滲變為地下水，增加土壤滲透速率［5］。

由表5(樣本數為9)可以看出，刺槐林的土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和土壤飽和貯水量最大，五角楓林和黃連木林的次之，黑松林和側柏林的較小，對照的最小;按不同林分類型對土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和與對照相比增加的土壤飽和貯水量進行方差分析，分別為土壤毛管最大持水率F0.05=273.04，Sig.=0.000;土壤最大持水率F0.05=217.31，Sig.=0.000;與對照相比增加的土壤飽和貯水量F0.05=1360.96，Sig.=0.000，表明不同林分類型的土壤毛管最大持水率、土壤最大持水率和與對照相比增加的土壤飽和貯水量均差異顯著。3種闊葉樹種林分增加的土壤飽和貯水量以刺槐林的最大(為549.8m3/hm2)，其次是五角楓林(為416.9m3/hm2)和黃連木林(為392.3m3/hm2)，而黑松、側柏等針葉樹種林分改善土壤理化性狀較差，增加的土壤飽和貯水量較少，黑松林為257.9m3/hm2，側柏林為 223.7m3/hm2。

表5 不同林分類型土壤水文效應Tab．5 Effects of soil water in different forest types

3.5 土壤蓄水效益

在選取不同林分類型的枯落物層蓄積量、已分解層蓄積量、土壤總孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數、土壤滲透速率、不同林分類型與對照相比增加的土壤飽和貯水量等因子的單位不統一，無法進行直接匯總，在完成數據的整理后還需對數據進行量綱歸一化的處理，筆者采用均值化法對數據進行處理，計算公式為X=Xi/Xi。結果見表6。

表6 不同林分類型量綱歸一化后的各影響因子與土壤蓄水效益Tab．6 Efficiency of soil water storage and its impact factors after elimination of dimensionless in different forest types

運用水保分析法對不同林分類型的蓄水效益進行分析，根據各項蓄水數量的量綱歸一化處理，按各項指標得分逐項相加得出蓄水效益［6］。

式中：W為土壤蓄水效益;X1為量綱歸一化的枯落物層蓄積量;X2為量綱歸一化的枯落物已分解層蓄積量;X3為量綱歸一化的土壤總孔隙度;X4為量綱歸一化的土壤非毛管孔隙度;X5為量綱歸一化的土壤有機質質量分數;X6為量綱歸一化的土壤滲透速率;X7為量綱歸一化的不同林分類型與對照相比增加的土壤飽和貯水量。

由表6可以看出，各林分類型增加的土壤蓄水效益表現為刺槐林＞五角楓林＞黃連木林＞黑松林＞側柏林，按不同林分類型對其進行方差分析F0.05=185.516，Sig.=0.000，表明不同林分類型與對照相比增加的蓄水效益差異極顯著。

4 結論與討論

1)由于刺槐、五角楓、黃連木等闊葉樹種枯落物多，分解快，腐爛分解后被雨水淋洗到土壤層內，從而減小了土壤密度，增加了土壤孔隙度，提高了土壤有機質質量分數，特別是非毛管孔隙度的增加，提高了土壤滲透速率。結果表明：各林分類型改良土壤理化性狀及其滲透速率以刺槐林最好，五角楓林和黃連木林次之，而黑松、側柏等針葉樹種林分的枯落物較少，分解速度慢，已分解的枯落物較少，改善土壤理化性狀較差，土壤滲透速度較慢。通過對不同林分類型的枯落物蓄積量、土壤孔隙度、土壤有機質質量分數、土壤滲透速率等進行方差分析，均存在顯著差異。枯落物層是森林結構中重要的組成部分，可以攔蓄和吸收地表水，使地表徑流轉變為流速緩慢的層間流和層下流，枯落物腐爛分解有效改善土壤理化性狀，增加土壤入滲，增加林地蓄水。研究結果與相關研究［7］中不同林分類型枯落物蓄積量對改善土壤物理性狀的結論基本相同。

2)通過對不同林分類型枯落物已分解層蓄積量與0～20 cm土壤理化性狀進行相關分析，結果表明：枯落物已分解層蓄積量與土壤密度呈負相關關系，與土壤有機質質量分數、土壤總孔隙度、土壤非毛管孔隙度和土壤毛管孔隙度均呈正相關關系，不同林分類型的枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數、土壤非毛管孔隙度呈極顯著相關性，與土壤密度、土壤總孔隙度呈顯著相關性，與土壤毛管孔隙度相關但不顯著。不同林分類型的枯落物已分解層蓄積量與土壤有機質質量分數呈極顯著相關性，與相關研究結論“在土壤形成過程中，枯落物層是土壤有機質養分的重要來源之一”［4］基本相同，發現與已分解層蓄積量關系更密切。

3)對不同林分類型與對照相比增加的土壤飽和貯水量進行方差分析，均存在顯著差異，其中以刺槐林的最大(為549.8m3/hm2)，其次是五角楓林(為416.9m3/hm2)和黃連木林(為392.3m3/hm2)，而黑松林和側柏林的較小，分別為257.9m3/hm2和223.7m3/hm2。通過對5種林分類型的枯落物層蓄積量、枯落物已分解層蓄積量、土壤總孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有機質質量分數、土壤滲透速率、與對照相比增加的土壤飽和貯水量進行量綱歸一化處理，按各項指標得分相加得出土壤蓄水效益大小排序為刺槐林＞五角楓林＞黃連木林＞黑松林＞側柏林。蓄水效益大小為落葉闊葉樹種大于針葉樹種，與以往的研究結論“各樣地土壤綜合水文效應優劣依次為落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞杉木林＞毛竹林＞馬尾松林＞經濟林”［8］基本一致。本文只選取上述7個指標計算綜合蓄水效益，是否增加與蓄水效益相關的指標有待于進一步研究。

5 參考文獻

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Soil water storage efficiency of different stand types in Sandymountain of Shandong Province

Hu Jianpeng，Yang Jihua，Luomingda，Li Xingchen

(Shandong Province Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restroration，College of Forestry，Shandong Agricultural University，271018，Tai'an，Shangdong，China)

The study on soil water storage of five stand types were conducted in Soil and Water Conservation Experiment Station of Linqu County.The results show that：Robinia pseudoacaciaLinn.，Acermonomaxim.andPistacia chinensisBunge.stands ofmore litter layer，which improved soil physical and chemical properties and increased soil water storage capacity after decomping.Compared to control，the increased saturated water storage inRobinia pseudoacaciaLinn.was the largest by 549.8m3/hm2，followed byAcermonomaxim.andPistacia chinensisBunge.，416.9 and 392.3m3/hm2respectively，and in conifers species such asPinus thunbergiiParl.，Platycladus orientalis(Linn.)Franco were relatively not somuch by 257.9m3/hm2and 223.7m3/hm2correspondingly.The correlation analysis between the amount of decomposed litter layer and 0-20 cm soil physical and chemical properties shows that：the amount of decomposed litter layer were extremely significant correlated with soil organicmatter content and soil non-capillary porosity，significantly associated with soil bulk density and total soil porosity，but not significantly related to the soil capillary porosity.The soil water storage efficiency of the five different stands decreased in the order ofRobinia pseudoacaciaLinn.，Acermonomaxim.，Pistacia chinensisBunge.，Pinus thunbergiiParl.，Platycladus orientalis(Linn.)Franco.

forest types;soil water storage capacity;soil water storage efficiency;Sandmountain in Shandong

2011-03-15

2011-07-11

世界銀行貸款山東生態造林項目“干旱瘠薄山地造林樹種及造林模型選擇研究”(SEAP-kr-1P112759)

胡建朋(1985—)，男，碩士研究生。主要研究方向：林業生態工程。E-mail：hujianpeng1205@163.com

?責任作者簡介：楊吉華(1957—)，男，教授。主要研究方向：林業生態工程。E-mail：jhyang@sdau.edu.cn

(責任編輯：程 云)