連栽桉樹人工林土壤大孔隙特征及其對飽和導(dǎo)水率的影響

王金悅,鄧羽松,*,李典云,黃智剛,楊鈣仁,蔣代華,王 玲

1 廣西大學(xué)林學(xué)院,南寧 530004 2 廣西國有黃冕林場,柳州 545600 3 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南寧 530004 4 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430070

桉樹是世界三大人工林樹種之一,具有生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、輪伐周期短和病蟲害少的特點[1- 2]。目前,世界上已有100多個國家或地區(qū)引種栽培,我國桉樹人工林的種植面積超過450萬hm2,輪伐周期為6—8 a[3]。桉樹的經(jīng)濟(jì)價值較高,廣西以桉樹木材為主的商品材產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的三分之一,促進(jìn)了造紙等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。短周期多代連栽是速生桉樹人工林普遍采取的經(jīng)營方式[5]。經(jīng)營1—3代基本可以保持桉樹人工林生產(chǎn)力,但地力逐漸退化,生物多樣性減少；經(jīng)營5代后,生產(chǎn)力、地力與生物多樣性明顯退化[6]。相關(guān)學(xué)者[7- 9]對多地人工林土壤的容重、通氣度、入滲及持水性能等指標(biāo)進(jìn)行了綜合分析,均認(rèn)為桉樹人工林土壤的水源涵養(yǎng)能力顯著低于其它人工林,將直接或間接影響土壤蓄水抗旱、保肥性能和耕作質(zhì)量。在實際經(jīng)營過程中,桉樹的連栽措施對土壤理化性質(zhì)的影響更為顯著,多代連栽會加速林地水土流失,導(dǎo)致林地退化,生產(chǎn)力下降。目前,桉樹連栽導(dǎo)致的“第n代效應(yīng)”引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,Zhou等[10]、溫遠(yuǎn)光等[11]、劉紅英等[12]從養(yǎng)分含量、植物功能群組成、生物活性等方面研究了土壤肥力及生物多樣性的變化。但是對連栽桉樹土壤物理性質(zhì)的定量分析及其影響導(dǎo)水性能的內(nèi)在機(jī)制還鮮有報道,而大孔隙特征、飽和導(dǎo)水率等性質(zhì)的變化是導(dǎo)致土壤退化的重要因素,影響桉樹根系的伸展、呼吸、吸收養(yǎng)分和水分的能力[13]。

土壤大孔隙是土壤中可優(yōu)先傳導(dǎo)地表降水或灌溉水的物理孔隙,是評價土壤基本性質(zhì)的重要指標(biāo)之一[14]。大孔隙的形成主要是由土壤質(zhì)地、植物根系、土壤動物運動、土壤干濕交替和凍融作用以及耕作等因素綜合作用的結(jié)果[15]。大孔隙可以使水分以優(yōu)先流的形式快速運移和補(bǔ)給地下水,是深層土壤水分可能來源的唯一通道[16]。大孔隙流的發(fā)生可以減少地表徑流,促進(jìn)水資源交換及補(bǔ)給,是森林發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能的關(guān)鍵[17]。大孔隙數(shù)量僅占土壤孔隙的0.32%,卻能夠傳導(dǎo)90%的土壤水流通量,具有重要的生態(tài)水文學(xué)意義[18]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤大孔隙特征及其對土壤導(dǎo)水性能的影響做了大量研究,研究方法主要包括水分穿透曲線法、染色示蹤法、土壤切片、CT掃描和X線斷層攝像術(shù)等[19]。其中,水分穿透曲線法原理是將大孔隙近似為管狀,根據(jù)Poiseulle方程分析土壤中水分流通量的變化計算出不同孔徑范圍的大孔隙數(shù)量[17,20]。Kluitenberg等[21]用水分穿透曲線法驗證了溶質(zhì)輸送過程對不同溶質(zhì)施加方法或溶質(zhì)邊界條件的敏感性；陳風(fēng)琴等[22]用水分穿透曲線法并建立Poiseulle方程得出,土壤飽和入滲性能與大孔隙半徑和數(shù)量在很大程度上相關(guān)；劉目興等[17]通過三峽庫區(qū)原狀土柱的水分穿透實驗說明,土壤飽和導(dǎo)水率與大孔隙密度、面積比均呈顯著的相關(guān)關(guān)系等。目前對于土壤大孔隙的研究多為各地區(qū)不同土地利用方式的對比研究,土壤性質(zhì)對大孔隙特征的作用機(jī)制、大孔隙特征對飽和導(dǎo)水率的影響機(jī)制尚不明確。

桉樹營林導(dǎo)致土壤保水保肥性能降低,多次輪伐后土壤截留降水及吸收養(yǎng)分性能退化明顯[6]。大孔隙是傳導(dǎo)優(yōu)先流和溶質(zhì)優(yōu)先運移的唯一途徑,對連栽桉樹土壤大孔隙特征定量研究,探究其影響飽和導(dǎo)水率的內(nèi)在機(jī)制是揭示土壤侵蝕的重要環(huán)節(jié),對人工林水源涵養(yǎng)具有重要意義。本研究選取亞熱帶桉樹人工純林為研究對象,測定土壤基本性質(zhì),并采用水分穿透曲線法對大孔隙的數(shù)量、半徑及導(dǎo)水能力進(jìn)行量化分析,研究其對水分運移的影響,從而為研究大孔隙水分運移機(jī)理提供理論基礎(chǔ),為亞熱帶地區(qū)人工林水文研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 實驗樣地位置Fig.1 Location of the experimental sites

研究區(qū)選擇在廣西壯族自治區(qū)柳州市鹿寨縣(108°28′—110°12′E, 24°14′—24°50′N),樣地位置如圖1所示。研究區(qū)海拔約300 m,為低山丘陵地貌,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫19 ℃左右,夏季最高氣溫38 ℃,冬季最低氣溫0 ℃。雨量充沛,年均降雨量約1800 mm,主要集中在4—8月。日照充足,年平均日照量約1600小時,無霜期長達(dá)320天以上。土壤以砂頁巖發(fā)育的紅壤為主,pH值范圍為4.8—5.2,土層厚度50 — 70 cm,表土層厚度 20 — 25 cm[23]。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

研究區(qū)內(nèi)多年生連栽1—4代桉樹人工林中選擇成土母質(zhì)相同、坡向坡度基本一致、栽種前茬林分均為馬尾松林、營林措施等基本一致的林地(記錄為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。植株密度約為1500株/hm2,平均胸徑15.75 cm,樹高19.78 m,郁閉度約為0.7。在每個林地中隨機(jī)設(shè)置3個20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。為消除邊界效應(yīng),樣方間距離約800 m。分別在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線隨機(jī)布設(shè)樣點,除去表土的凋落物層,挖取土壤剖面(寬度為50 cm,深度為100 cm),土壤剖面分為5層,按20 cm間隔分層取樣。剔除土樣中植物根系、石塊等,利用100 cm3的環(huán)刀采集原狀土,收集1—2 kg散土,重復(fù)3次。將采集的樣品放入方形鋁盒中,做好標(biāo)簽,減少震動以保持土樣的原狀,帶回實驗室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.3 基本原理

本文根據(jù)Radulovish等[24]學(xué)者提出的方法,將土壤由田間持水量到飽和含水量過程中導(dǎo)水的孔隙界定為大孔隙。土壤大孔隙水勢一般不超過5 kPa,當(dāng)其達(dá)到田間持水量后,土壤基質(zhì)(固體)的吸附力和毛管力較低,即土壤水勢幾乎為0,此時供水強(qiáng)度是影響土壤水分入滲速率的主導(dǎo)因素。由于土壤中水分運移速度較慢,處于層流范圍,假設(shè)大孔隙近似為管狀,利用Poiseulle方程建立流量與土壤孔徑之間的關(guān)系：

Q=πr4Δp/(8ητL)

(1)

待水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),公式可簡化為：

Q=πτr2L/t

(2)

根據(jù)土壤學(xué)基本原理,在田間持水量與飽和含水量之間,飽和土柱入滲時首先通過半徑最大的大孔隙排水,然后參與排水的大孔隙半徑逐漸減小,即土壤最大孔隙半徑是第1次排水的半徑,最小孔隙半徑是水流達(dá)到穩(wěn)定時的半徑。當(dāng)水流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,土壤大孔隙均持續(xù)排水。因此,聯(lián)合(1)、(2)兩式即可算出土壤大孔隙的當(dāng)量孔徑：

r=τL[8η/(tΔp)]1/2

(3)

式中,Q為單位出流量(cm3/s)；r為孔隙半徑(cm)；Δp為水頭壓強(qiáng)(pa)；η為水的粘滯系數(shù)(g cm-1s-1)；τ為實際水流路徑的彎曲系數(shù),本研究取值為1.2；L為土柱長度(cm)；t為從首次加水開始計時的時間(s)

通過(3)式可計算出任意時段土壤大孔隙半徑,按照0.1—0.4的間隔劃分相應(yīng)的孔徑范圍(假設(shè)有出流時間t1

Q=nSv=nπr2τL/t

(4)

將公式變形,大孔隙數(shù)量(n)的計算式為：

n=Qt/(πr2τL)

(5)

求出大孔隙半徑范圍后,利用中值半徑轉(zhuǎn)化得到大孔隙面積,乘以大孔隙數(shù)量可以得到大孔隙的總面積,從而得到大孔隙面積比(土壤大孔隙總斷面面積與土柱總過水?dāng)嗝婷娣e的比值)；大孔隙面積乘以土柱長度可以得到大孔隙體積。

1.4 試驗方法

1.4.1土壤基本性質(zhì)的測定

土壤容重、飽和含水量、總孔隙度采用環(huán)刀法測定；機(jī)械組成采用吸管法測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[25]；pH值用pH計測定。

1.4.2水分穿透曲線的測定

將采集的土樣靜置在去離子水中12 h充分飽和,再放置于粗砂上12 h,使其達(dá)到田間持水量[17,24]。在環(huán)刀邊緣接觸土壤樣品的部分涂抹薄層(<0.5 mm)凡士林,以防止水分通過土壤與環(huán)刀壁之間的孔隙流出。在原狀土環(huán)刀上放置一個相同規(guī)格的空環(huán)刀,空環(huán)刀內(nèi)放置一張濾紙,防止水分沖刷使土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)性孔隙受到破壞。用馬氏瓶測定土壤大孔隙特征,控制水頭高2 cm,從加水開始計時,當(dāng)土柱下部有水流出時,每隔5 s收集并測定出水流量,直至水流達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)出水流量與時間制作水分穿透曲線,計算大孔隙的相關(guān)指標(biāo)。計算出土壤的飽和導(dǎo)水率(Kt)后,根據(jù)公式換算為10℃的飽和導(dǎo)水率(K10)。

Kt=10QnL/[tnA(H+L)]

(6)

K10=Kt/(0.7+0.03t°)

(7)

式中,Kt為t℃時的飽和導(dǎo)水率(mm/min)；Qn為n次出水量(cm3)；tn為每次滲透間隔的時間(s)；A為土柱橫截面積(cm2)；H為水層厚度(cm)；K10為10℃時的土壤飽和導(dǎo)水率(mm/min)；t°為測定時水的溫度(℃)。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

使用SPSS 19.0、Origin 2018及Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同代次桉樹人工林土壤基本性質(zhì)

桉樹人工林土壤基本性質(zhì)如圖2所示。總體來看,土壤基本性質(zhì)隨著桉樹連栽變化明顯。土壤容重隨連栽代次增加而增加,第Ⅰ代林0—20 cm土層容重為1.15 g/cm3,連栽4代后增加了14.8%。飽和含水量、總孔隙度均隨著連栽代次的增加而減少,第Ⅰ代林0—40 cm土層與其它代次差異顯著(P<0.05)。土壤粘粒、粉粒、砂粒的含量分別在22.02%—28.52%、37.07%—48.96%、24.80%—37.17%,在不同代次、土層之間較為穩(wěn)定。土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在5.43—32.33 g/kg,隨著桉樹連栽呈下降的趨勢。第Ⅰ代林0—20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量是第Ⅳ代林的1.63倍,0—60 cm土層與第Ⅳ代差異顯著(P<0.05)。表層土壤的pH值呈增加趨勢,但差異值僅在0.03—0.29。

圖2 桉樹人工林土壤基本性質(zhì)Fig.2 Basic properties of Eucalyptus plantation soil不同大寫字母表示相同土層不同代次間差異顯著；不同小寫字母表示同一代次不同土層間差異顯著,P<0.05

2.2 不同代次桉樹人工林土壤水分穿透曲線

對采集的土樣進(jìn)行水分穿透試驗,根據(jù)出流時間與速率得到桉樹土壤的水分穿透曲線(圖3)。大孔隙的出流速率總體上表現(xiàn)為先勻速增加,至從第1滴水流出后30—55 s增加速率降低,55—70 s達(dá)到穩(wěn)定,這說明在水分運移初期大孔隙對土壤導(dǎo)水有更加積極的影響。

桉樹土壤的出流速率總體表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ。從不同層次來看,0—60 cm土層的穩(wěn)定出流速率在第Ⅱ—Ⅲ代間差異較大,說明桉樹連栽2代內(nèi)土壤大孔隙的相關(guān)性質(zhì)不會發(fā)生明顯變化,而第Ⅲ代連栽之后性質(zhì)變化明顯。60—100 cm土層各連栽代次變化規(guī)律與整體變化規(guī)律有所差異,分別表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ、Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ,但出流速率僅相差0.01—0.03 mL/s。由此可知,0—60 cm是大孔隙性質(zhì)發(fā)生明顯退化的主要土層。從初始出流時間來看,各樣地各土層的出流時間范圍在5—50 s,與連栽代次呈正相關(guān)。在0—20 cm土層,各樣地出流時間在5.3—14.5 s,其余隨土層增加延遲2.5—15 s。

圖3 不同連栽代次桉樹林土壤水分穿透曲線Fig.3 The water breakthrough curve of successive Eucalyptus plantation

2.3 不同代次桉樹人工林土壤大孔隙特征

2.3.1大孔隙分布特征

桉樹人工林土壤大孔隙平均半徑及總數(shù)量見表1；具體當(dāng)量孔徑與數(shù)量見表2。不同連栽代次桉樹土壤大孔隙半徑范圍在0.3—1.5 mm,隨連栽代次及土層深度的增加而減小,主要集中在0.4—0.6 mm。第Ⅰ代林加權(quán)平均半徑顯著大于Ⅱ—Ⅳ代林(P<0.05)。大孔隙最大半徑出現(xiàn)在第Ⅰ代林0—20 cm土層(1.5 mm)；最小半徑出現(xiàn)在第Ⅳ代林60—80 cm土層(0.3 mm)。隨著連栽代次及土層深度的增加,大孔隙半徑逐漸減小,孔徑范圍縮小。在0—40 cm土層,各樣地大孔隙半徑范圍差異明顯,其中0—20 cm土層第Ⅰ—Ⅳ代桉樹土壤孔隙半徑分別為0.5—1.5 mm、0.4—1.2 mm、0.5—0.9 mm、0.5—0.9 mm,大于其它土層。在40—100 cm土層中,雖然各樣地中大孔隙半徑范圍相近,但同等半徑范圍的大孔隙數(shù)量均隨連栽代次的增加而減少。

桉樹土壤大孔隙數(shù)量如表1、2所示,單位面積中大孔隙數(shù)量范圍在3.56×104—4.81×105個,第Ⅱ代0—20 cm土層最多,第Ⅲ代80—100 cm土層最少。除第Ⅳ代林外,其余樣地大孔隙總數(shù)量差異顯著(P<0.05)。隨著土層的加深,同等孔徑范圍的大孔隙數(shù)量減少。0—40 cm土層大孔隙總數(shù)量差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅰ。大半徑的大孔隙數(shù)量少,較小半徑的大孔隙數(shù)量多。第Ⅰ代林半徑為1.1—1.5 mm的大孔隙僅有3297個,占總數(shù)量的0.30%；集中在0.4—0.6 cm的大孔隙有5.26×105個,占總量的48.26%。第Ⅱ代林中半徑為0.9—1.2 cm的大孔隙數(shù)量為5740個,占總量的0.40%；集中在0.4—0.6 mm的大孔隙數(shù)量為1.25×106個,占大孔隙數(shù)量的85.90%；第Ⅲ、Ⅳ代林中大孔隙徑級差異不顯著,最大孔徑均不超過1.0 mm,半徑范圍分別主要分布在0.4—0.6 mm、0.3—0.6 mm。在同一土層,同孔徑的大孔隙數(shù)量總體表現(xiàn)為隨著桉樹連栽代次的增加而減少。

表1 不同連栽代次桉樹土壤大孔隙特征

表2 不同連栽代次桉樹土壤大孔隙當(dāng)量孔徑及數(shù)量

2.3.2大孔隙面積比與平均體積

土壤大孔隙面積比與平均體積是綜合反映土壤中水分運動的重要指標(biāo)(表1)[20]。除第Ⅰ代20—60 cm土層及第Ⅳ代40—60 cm土層外,其余樣地之間均有顯著差異(P<0.05)。大孔隙面積比在第Ⅱ代0—20 cm土層最大,為45.2%；在第Ⅲ代80—100 cm土層最小,為2.26%。大孔隙面積隨著土層的增加而減小。0—20 cm土層的大孔隙面積均值為38.7%,80—100 cm土層均不超過5%。除第Ⅳ代林外,各樣地40—80 cm土層的大孔隙面積均有明顯下降。大孔隙面積比整體表現(xiàn)為隨著連栽代次的增加而減少,總面積比大小表現(xiàn)為：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ。

單位體積土壤的大孔隙加權(quán)平均體積范圍在0.02—0.13 cm3,第Ⅱ代0—20 cm土層最大,第Ⅲ代80—100 cm土層最小,與大孔隙面積比分析結(jié)果一致。各樣地0—60 cm土層大孔隙體積與60—80 cm土層有顯著差異(P<0.05)。總體來看,各土層大孔隙平均體積隨著土層深度的增加呈減小趨勢。隨著連栽代次的增加,0—60 cm土層大孔隙平均體積呈先增加后減小的趨勢,與半徑、面積比呈現(xiàn)的規(guī)律不同。各樣地大孔隙的總體積從大到小的順序為：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ,與大孔隙總面積比的排序一致。

2.3.3土壤基本性質(zhì)對大孔隙特征的影響

對桉樹土壤大孔隙特征與基本性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。結(jié)果表明土壤容重與大孔隙平均半徑、總數(shù)量、面積比、平均體積呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；總孔隙度與大孔隙特征呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；飽和含水量與大孔隙總數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與其余大孔隙特征呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這說明土壤結(jié)構(gòu)越緊實,通氣透水能力下降,不利于大孔隙的形成。土壤粒徑組成未對土壤大孔隙特征造成顯著影響。土壤有機(jī)質(zhì)含量與大孔隙特征呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明有機(jī)質(zhì)對大孔隙的形成有促進(jìn)作用。桉樹連栽后,土壤容重逐漸增加,有機(jī)質(zhì)含量逐漸減小,土壤大孔隙的半徑減小、數(shù)量減少。

表3 土壤基本性質(zhì)與大孔隙特征相關(guān)性分析

2.4 大孔隙特征對飽和導(dǎo)水率的影響

土壤截留降水、保持水土能力是多種因素共同作用的結(jié)果,飽和導(dǎo)水率是其中重要的物理指標(biāo)[26]。將土壤大孔隙總數(shù)量、平均體積與飽和導(dǎo)水率進(jìn)行線性擬合(圖4),可以看出,大孔隙的數(shù)量、體積與飽和導(dǎo)水率之間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。擬合方程均為y=ax+b,其中y為飽和導(dǎo)水率(mm/min)；x為大孔隙數(shù)量(105個/m2)及平均體積(cm3/cm3),R2>0.66。半徑>0.03 mm的大孔隙數(shù)量決定了飽和導(dǎo)水率66%的變異；大孔隙體積占土體體積的2%—13%,決定了飽和導(dǎo)水率79%的變異。這說明大孔隙的數(shù)量與體積對土壤水分的運移與分布有著重要的影響,大孔隙的數(shù)量越多、體積越大,土壤的飽和導(dǎo)水率就越大,土壤的入滲性能越強(qiáng),水土流失越低。根據(jù)表2可知，同一代林各土層中相同孔徑范圍的大孔隙數(shù)量及平均體積隨著連栽代次的增加而減小,飽和導(dǎo)水率整體表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,第Ⅰ代與第Ⅲ代之間有顯著差異,不同土層間飽和導(dǎo)水率有顯著差異(P<0.05)。

圖4 土壤大孔隙數(shù)量、平均體積與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation analysis between the number and mean volume of soil macropores and saturated hydraulic conductivity

3 討論

桉樹是典型的速生樹種,速生人工純林經(jīng)營會造成凋落物的分解較慢，養(yǎng)分歸還速率低的現(xiàn)象，易造成土壤養(yǎng)分元素虧缺。研究表明，連栽對4.5a生桉樹林分養(yǎng)分積累和循環(huán)有明顯的負(fù)效應(yīng)[27]。因此多代純林連栽后易導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化，即包括物理、化學(xué)等屬性的全面退化，加速水土流失。桉樹連栽后土壤容重增加,有機(jī)質(zhì)含量降低,到第Ⅳ代退化明顯。Banfield等[28]將智利藍(lán)桉人工林與次生林進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)藍(lán)桉比次生林容重增加了22%,有機(jī)質(zhì)含量下降了20%,有更高的土壤侵蝕風(fēng)險；本文指標(biāo)與楊玉盛等[29]測定杉木人工林連栽土壤指標(biāo)相比,桉樹人工林有機(jī)質(zhì)含量下降更快。土壤基本性質(zhì)對大孔隙特征及飽和導(dǎo)水率有顯著影響。容重高的土壤緊實,大孔隙半徑減小、數(shù)量變少,從而導(dǎo)致快速傳導(dǎo)水分及養(yǎng)分的通道變少,飽和含水量及導(dǎo)水率也相應(yīng)降低[30- 32]。由于土壤中腐殖質(zhì)及微生物分解產(chǎn)物的存在,有機(jī)質(zhì)可作為有機(jī)粘合劑長期影響土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定,團(tuán)聚體之間的結(jié)構(gòu)性孔隙可改良土壤通氣狀況及透水性能[8]。除此之外,有機(jī)質(zhì)影響動物通道的空間分布,動物通道與根系通道可構(gòu)成大孔隙空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[31]。因此,桉樹連栽2代內(nèi)大孔隙分布較多、孔隙度較大、透水性較好,而多代連栽后由于土壤基本性質(zhì)的綜合作用使得大孔隙徑級縮小、數(shù)量減少,透水性變差。

桉樹土壤出流速率均表現(xiàn)為先勻速增加后趨于穩(wěn)定,達(dá)到穩(wěn)定出流速率。這與多位學(xué)者的研究結(jié)果一致[33-34]。但與呂剛等[35]對遼西地區(qū)半干旱森林土壤水分穿透曲線規(guī)律不同。呂剛等[35]研究樹種多為水土保持林的造林樹種,有利于涵養(yǎng)水源；樹種林齡較高、根系發(fā)達(dá),土壤結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,容重小,孔隙度高；凋落物層較厚,腐殖質(zhì)較高、表層土壤活動頻繁,有機(jī)質(zhì)含量相對較高；動物活動通道也有利于促進(jìn)大孔隙的形成。因此該地區(qū)的多個土層的出流速率在70 s內(nèi)無變化。本研究中各樣地的出流速率總體表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,經(jīng)過連栽的桉樹土壤的大孔隙在剖面上存在分化,表現(xiàn)為大孔隙的半徑、數(shù)量隨著連栽代次的增加從土壤的表層向深層依次遞減。不同連栽代次桉樹土壤穩(wěn)定時間的大小排序為Ⅰ>Ⅲ>Ⅲ>Ⅳ。第Ⅱ代穩(wěn)定時間較慢,可能由于40—80 cm土層粘粒含量較多,導(dǎo)致土壤質(zhì)地粘重、結(jié)構(gòu)緊實,影響水分入滲時間及入滲量。

土壤大孔隙的半徑范圍和數(shù)量可以反映大孔隙在各層土壤中的分布情況[36]。本研究中大孔隙半徑范圍在0.3 —1.5 mm,最小孔徑與土壤學(xué)中水分能自由移動的孔徑最小值一致,說明大孔隙中水分運動以重力水為主,是降雨后水分快速到達(dá)土壤深層的主要通道[17]。半徑范圍與官琦等[31]、石輝等[15]學(xué)者研究結(jié)果類似,略小于Vermeul等[37]、陳風(fēng)琴等[22]學(xué)者對大孔隙半徑的定義。這說明連栽措施加速了土壤大孔隙孔徑范圍縮小及數(shù)量減少。隨著土層的加深,大孔隙孔徑范圍及平均半徑呈減小的趨勢。第Ⅳ代林60—80 cm土層中出現(xiàn)了半徑為0.3 mm的大孔隙,這是由于多代連栽后深層土壤植物根系及生物活動減少,容重變大,有機(jī)質(zhì)含量變低(圖2)。本研究表明半徑大的大孔隙數(shù)量少,孔徑>0.8 mm的大孔隙數(shù)量僅占總大孔隙數(shù)量的2%左右,研究結(jié)果與劉目興等[17]一致。但本研究中大孔隙半徑小于相關(guān)研究,劉目興等[17]選擇的溫性落葉闊葉林棕壤與常綠落葉針闊混交林黃棕壤容重低于本研究,而有機(jī)質(zhì)含量高,因此大孔隙半徑大、數(shù)量多。各樣地孔徑范圍及同孔徑的大孔隙數(shù)量均表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,這與葉紹明等[38]、駱嘵等[13]對連栽桉樹土壤孔隙度及其它物理性質(zhì)的研究結(jié)果相似。各樣地中大孔隙面積比在2.26%—45.2%,比劉目興等[17]對三峽庫區(qū)大孔隙的研究結(jié)果稍大,這與林分組成相關(guān),其研究選擇的林分包括是針葉林,凋落物含量少于闊葉林,不利于有機(jī)質(zhì)形成；棄耕草地受人為影響較大,大孔隙數(shù)量大幅減少。土壤大孔隙面積比及平均體積均表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ。其中第Ⅰ、Ⅱ代之間出現(xiàn)差異的原因是由于第Ⅰ、Ⅱ代林之間的大孔隙數(shù)量、半徑的退化不明顯,第Ⅱ代桉樹人工林0—40 cm土層大孔隙略小于第Ⅰ代林,而數(shù)量卻遠(yuǎn)大于第Ⅰ代林。

本研究選取的桉樹人工林土壤飽和導(dǎo)水率整體表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ。飽和導(dǎo)水率分別與大孔隙的總數(shù)量、平均體積呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。大孔隙的總數(shù)量決定了飽和導(dǎo)水率66%的變異；大孔隙的平均體積決定了飽和導(dǎo)水率79%的變異。這與多位學(xué)者的研究結(jié)果一致,劉目興等[17]認(rèn)為半徑>1 mm的大孔隙數(shù)量決定了土壤飽和導(dǎo)水率85%的變異；呂剛等[35]學(xué)者研究結(jié)果表明大孔隙的平均半徑?jīng)Q定了50%飽和導(dǎo)水率的變異,而陸斌等[20]認(rèn)為大孔隙率與飽和導(dǎo)水率呈冪函數(shù)關(guān)系,決定了飽和導(dǎo)水率84%的變異,這可能是因為大孔隙的數(shù)量、體積增加到一定程度時,決定導(dǎo)水的主要因素轉(zhuǎn)換為水流形態(tài)及大孔隙連通性。土壤大孔隙數(shù)量越多、平均體積越大,則提供大孔隙流的通道越多。降雨后,土壤截流能力變強(qiáng),短時間內(nèi)更多的水分可滲透到土壤深層,減弱了地表徑流對表層土的沖刷,泥沙遷移減少。隨著桉樹連栽代次的增加,土壤中同一孔徑的大孔隙數(shù)量、平均體積均減少。在大孔隙特征的綜合影響下,桉樹人工林土壤飽和導(dǎo)水率減小,說明桉樹的連栽在一定程度上影響了土壤大孔隙分布特征,從而影響了土壤的截留降水、持水導(dǎo)水能力,容易加重水土流失。

4 結(jié)論

1—4代桉樹人工林土壤容重范圍在1.15—1.45 g/cm3,隨連栽代次的增加而增加；有機(jī)質(zhì)含量范圍在5.43—32.33 g/kg,隨連栽代次的增加而減少。各樣地的水分穿透曲線總體上先勻速增加后趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定出流速率總體表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ。土壤大孔隙半徑范圍在0.3—1.5 mm,平均半徑為0.39—0.64 mm,半徑范圍在0.4—0.6 mm的大孔隙較多,>1 mm的較少。隨著連栽代次的增加,大孔隙平均半徑、同一孔徑范圍的大孔隙數(shù)量、面積比、體積均呈減少趨勢。土壤基本性質(zhì)對大孔隙特征有較大影響,土壤容重與大孔隙特征呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；飽和含水量、總孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量與大孔隙特征呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率范圍在0.41—4.50 mm/min,大孔隙數(shù)量、平均體積與土壤飽和導(dǎo)水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系,分別決定了和飽和導(dǎo)水率66%和79%的變異。桉樹人工林連栽初期,土壤大孔隙特征發(fā)生變化,飽和導(dǎo)水率降低；連栽至第Ⅳ代,大孔隙特征退化明顯,飽和導(dǎo)水率顯著下降,水土流失嚴(yán)重。