華家嶺低效防護林帶改造對林地土壤蓄水性能的影響

黃 蓉，王 輝，王 蕙，董建剛，趙赫然，段雅楠

（1.甘肅農業大學 林學院，蘭州730070；2.定西市華家嶺林業站，甘肅 定西743000）

森林的蓄水性能是森林生態系統的重要功能之一，樹種組成及林分類型是影響土壤性質的重要因素，不同植被類型的土壤蓄水性能不同［1－3］。土壤是森林植被中最重要的組成部分之一，是森林水源涵養的主體，土壤結構、種類和孔隙度等指標與土壤的持水、保水及滲水能力直接相關［4－5］。20世紀70年代初期，華家嶺以楊樹（Populus hopeiensis）為主要造林樹種開始了防護林帶的營建工作。楊樹林帶對增加當地植被蓋度，控制水土流失，改變局部小氣候，發揮了一定的生態防護效益。但隨著林齡的增長，特別是在高海拔地段及梁峁、風口地方，由于氣候干旱、環境惡劣，致使林帶樹木生長不良，出現“小老樹”現象，加之病蟲危害，林木蓄積出現負增長，林帶整體防護效能開始不斷下降，進而逐步發展成了低產低效林分。20世紀80年代以來，為改變這種現象，該地區開始以云杉（Picea asperata）、油松（Pinus tabulaeformis）、落葉松（Larix prncipis－rupprechtii）等作為主要造林樹種，對區域內生長不良的低產低效楊樹防護林帶進行逐步地更新改造。但是，對該區低效林改造前后的林地土壤蓄水能力有無差異還未見研究報道。為了分析華家嶺低效林改造對土壤蓄水性能的影響，本文采用野外調查采樣和室內分析相結合的方法，以當地低效楊樹純林、改造后的云杉純林及其混交林為研究對象，分析研究不同林型下的土壤物理性狀、蓄水能力，以其為華家嶺地區低效防護林帶的改造和經營管理提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究地概況

華家嶺位于黃土高原丘陵溝壑區，地處甘肅中部的安定、通渭、會寧三縣接壤地帶，屬甘肅省中部干旱地區。境內海拔2 000～2 586m，地勢高寒，陰濕風大，溝壑縱橫，坡陡溝深。華家嶺林帶（35°225′4″—35°43′40″N，104°52′48″—105°28′06″E）分布在以華家嶺為中心、半徑50km的區域內，屬南溫帶半濕潤—中溫帶干旱氣候區，最大風力可達7～8級，最大風速可達30m／s，海拔2 000～2 586m，年均氣溫3.9℃，年降水量451.1mm，年蒸發量1 212.4mm，大氣相對濕度65%，干燥度1.0，年平均日照時數2 500.1h，無霜期148d。主要人工植被為云杉、楊樹、油松、落葉松、沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條（Caragana intermedia）林等。主要土壤類型是黑壚土和黃綿土。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣地設置 2012年5—6月，在甘肅省定西市華家嶺林帶分布區，選取有代表性的低效楊樹純林和經過由楊樹純林改造后的云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林5種林帶類型，在每種類型內設置3個面積為20m×20m的樣地，分別對樣地內林木進行每木檢尺，實測林木胸徑、樹高、林齡等，同時記載標準地的海拔、坡度、坡向、坡位、土壤類型及林木生長狀況，各樣地基本情況見表1。

表1 樣地的基本情況

1.2.2 樣品采集 在各樣地內去除表層的枯枝落葉，按照土層深度0—10cm，10—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm共6層用鋁盒采集土樣，同時用環刀（100cm3）分別取0—20cm，20—40cm的原狀土壤，每個組合3次重復，帶回實驗室進行土壤容重、孔隙度和蓄水量的測定。

1.2.3 指標測定與計算方法 土壤含水量采用恒溫箱烘干法（105℃）；土壤容重、孔隙度的測定采用環刀法，土壤孔隙度和蓄水量計算方法為［6－7］：

1.2.4 分析方法 應用Excel，SPSS 17.0軟件對數據進行分析處理，采用單因素方差分析和Duncan多重比較對不同林型防護林帶的土壤特征進行比較分析，用Pearson分析不同林型的土壤含水量和蓄水量與容重之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同林型的土壤容重和孔隙度

土壤容重和孔隙度是度量土壤物理特性的指標，直接影響到土壤的通氣性和透水性，其值的大小說明土壤涵蓄水分以及供應樹木生長所需水分的能力及根系穿插的難易程度，并間接影響到土壤肥力狀況［8－9］。由表2可知，0—40cm，各林型土壤容重基本呈隨著土層深度增加而逐漸增加的趨勢。造成這種現象的主要原因，是近地表層土壤受枯落物積累、腐爛形成腐殖質層的影響［10］。亞表層（20—40cm），云杉純林及其混交林的土壤容重顯著低于楊樹純林地（P＜0.05），云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林的土壤容重較楊樹純林降低1.43%，10.71%，15.00%，13.57%，土壤孔隙度較楊樹純林增加14.31%，13.76%，19.58%，16.28%，這是由于不同林型的凋落物量、分解速率、根系密度和林下植被覆蓋等條件的差異，造成不同林地土壤容重和孔隙度存在明顯的差異［11］?？梢?，在低效林改造后，云杉純林及其混交林在一定程度上改善了土壤的物理性質，較楊樹純林降低了土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤變得疏松，提高了土壤通氣性和透水性。

表2 不同林型土壤容重和孔隙度的變化

2.2 不同林型土壤含水量

土壤的水分特征是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映，對整個生態系統的水熱平衡起決定作用［12］。在生態恢復中，植被類型不同，根系分布深度、密度、自身的生長和延伸及葉片蒸騰強度也具有很大差異，從而土壤的蒸發和植被的蒸騰不同，由此引起的土壤干燥化程度和土壤水分的分布與梯度也不同［4，13］。由圖1可知，各林型的平均土壤含水量表現為云杉純林（25.10%）＞云杉×楊樹林（24.13%）＞云杉×油松林（21.80%）＞云杉×落葉松林（21.42%）＞楊樹純林（18.20%）。0—100cm，隨著土層深度的增加，各林型的土壤水分含量均呈下降趨勢，該區的土壤含水量剖面屬于底聚型［14］。表層（0—10cm），楊樹純林的土壤含水量比云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林低54.16%，35.43%，23.08%，10.59%；下層（80—100 cm），楊樹純林的土壤含水量比云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林低3.10%，37.13%，12.99%，42.33%。就云杉純林及其混交林而言，在0—100cm內，土壤含水量表現為云杉純林＞云杉×楊樹林＞云杉×油松林＞云杉×落葉松林，可見，楊樹純林與云杉純林及其混交林的表層土壤含水量的差異性大于下層，主要是因為楊樹的側根較多且樹冠蒸騰耗水量較大所致。云杉純林及其混交林在涵養水源和供給植物有效水利用方面好于楊樹純林，在低效林改造后，土壤含水量較楊樹純林有所增加。

圖1 0－100cm不同林型土壤含水量的變化

2.3 不同林型土壤蓄水性能

林地土壤物理性狀是反映林分水土保持功能強弱的重要指標，土壤物理性狀優良的土壤對于減少地表徑流、涵養水源、保持水土具有重要的作用，蓄水能力是評價森林涵養水源、調節水循環的一個重要指標［15－16］。而蓄水能力主要取決于土壤的孔隙度，由于各森林類型的孔隙度不同，因此各個土壤的蓄水量也必然存在差異［17］。由表3可知，0—40cm，各林型的土壤非毛管蓄水量、毛管蓄水量和總蓄水量呈波動性變化，變異系數為18.25%，5.77%，5.58%。云杉純林及其混交林的平均土壤蓄水量均高于楊樹純林。亞表層（20—40cm），云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林的毛管蓄水量較楊樹純林增加15.96%，6.65%，17.89%，10.83%，總蓄水量較楊樹純林增加14.33%，13.78%，19.57%，16.28%。方差分析表明，楊樹純林的非毛管蓄水量、毛管蓄水量、總蓄水量與云杉純林及其混交林之間差異顯著（P＜0.05），但云杉純林及其混交林之間的差異不顯著（P＞0.05）。由此可見，云杉純林及其混交林對土壤物理性質均有一定程度的改良作用，在很大程度上提高了土壤的蓄水性能力。而就云杉純林及其混交林而言，混交林又優于云杉純林。原因可能是混交林主要垂直根的分布達到了充分利用地力的效果，緩和了種間矛盾。另外林分凋落物、根系伸展、林冠擴張和氣候條件都會影響土壤物理性質，進而影響水分［18］。

表3 不同林型土壤蓄水量的變化

2.4 相關性分析

由表4可以看出，不同林型間的土壤含水量、土壤總蓄水量與土壤容重的相關性存在一定的差異。土壤容重通過影響土壤團聚體結構、林下微環境和枯落物的分解狀況，進而影響枯落物蓄水性能［19］。云杉純林及其混交林的土壤含水量、土壤總蓄水量與土壤容重的相關性均好于楊樹純林，這表明不同的植被類型對土壤蓄水性能的影響作用不同。經過低效林改造的云杉純林及其混交林，林木的旺盛生長促進了林分的改良土壤作用，土壤的各物理指標間較栽種楊樹純林時協調，物理性質和蓄水性能發生變化，在一定程度上較楊樹降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了土壤的蓄水能力。林分與林地土壤物理性質之間形成了一個相互影響，相互促進的耦合作用系統。

表4 不同林型的土壤含水量（Y1）和蓄水量（Y2）與容重（X）的相關關系

3 結論

華家嶺防護林帶5種林型土壤含水量呈隨著土層深度的增加而降低的趨勢，0—100cm層平均土壤含水量表現為云杉純林（25.10%）＞云杉×楊樹林（24.13%）＞云杉×油松林（21.80%）＞云杉×落葉松林（21.42%）＞楊樹純林（18.20%）。說明低效林改造后的云杉純林及其混交林對土壤水分的保持優于楊樹純林。張濤等［20］、劉韶輝等［21］研究表明，林地土壤水分含量隨著土壤深度的增加而降低，表層0—10cm的含水量最高；邱揚等［22］對我國黃土高原土壤水分研究認為，我國黃土高原土壤水分隨著土壤深度的增加，平均含水量顯著增加，為增長型，在雨季或植被生長期，則可能出現降低型。Singhl等［23］在美國西部科羅拉多州對30cm，45cm，60cm，75cm，90 cm土層的研究也有相似結論。本研究結果與上述各研究結果一致。

0—40cm，云杉純林及其混交林的平均土壤容重均低于楊樹純林，而平均土壤孔隙度、非毛管蓄水量、毛管蓄水量、總蓄水量均高于楊樹純林。亞表層（20—40cm），云杉純林、云杉×楊樹林、云杉×油松林、云杉×落葉松林的毛管蓄水量較楊樹純林增加15.96%，6.65%，17.89%，10.83%，總蓄水量較楊樹純林增加14.33%，13.78%，19.57%，16.28%。趙振磊等［3］研究了刺槐混交林的持水性能，研究結果表明刺槐混交林顯著改善了土壤的結構，增加了土壤的持水能力。造林后顯著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，且混交林對土壤的改善能力大于純林。本研究也表明，各林型間的土壤蓄水性能間存在一定的差異，在低效林改造后，云杉純林及其混交林在一定程度上改善了土壤結構，較楊樹純林降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了土壤的蓄水能力。而就云杉純林及其混交林而言，混交林對土壤結構的改善作用優于云杉純林。

不同林型間土壤含水量和總蓄水量與土壤容重的相關性存在一定差異，云杉純林及其混交林的土壤含水量和總蓄水量與土壤容重的相關性較楊樹純林好。這與土壤孔隙度的多少和分布的均勻程度有關。從林地土壤物理性狀改善及蓄水性能等方面綜合來看，云杉純林及其混交林地均優于楊樹純林，而就云杉純林及其混交林而言，各類混交林的蓄水量高于云杉純林，但未表現出顯著差異性，這表明混交林對土壤物理性質的改善作用優于云杉純林，這一研究結果與趙振磊等的研究結果一致［3］。但由于低效林改造的時間較短，對于不同類型混交林對土壤蓄水性能影響的差異，還有待于今后的跟蹤研究。

華家嶺5種林帶類型土壤蓄水性能的對比研究結果表明，云杉純林及其混交林的土壤蓄水能力優于楊樹純林，表明楊樹低效林改造對提高黃土高原丘陵溝壑區林地土壤的蓄水性能具有積極影響。因此建議，在西北黃土丘陵區干旱的環境下，應提倡實施以云杉及其混交林為主的楊樹低產低效林改造工程，以促進防護林帶涵養水源和水土保持功能的更好發揮。

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