王麗琴，李紅麗，董智，沈運(yùn)擴(kuò)，張志鵬

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安)

土壤水分是土壤-植被-大氣連續(xù)體(SPAC)的一個(gè)關(guān)鍵因子，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體［1-2］，直接影響土壤的特性和植物的生長(zhǎng)［3］。土壤水分特性制約著土壤對(duì)水的吸持、儲(chǔ)存，不僅直接影響土壤對(duì)植物生長(zhǎng)的水分供給能力，而且通過影響土壤的其他性質(zhì)影響植物的生長(zhǎng)［4］。黃河三角洲地區(qū)土壤以鹽化潮土和濱海鹽土為主，鹽漬化土地面積占整個(gè)區(qū)域面積的1/2 以上，呈插花狀分布。濱海鹽土是重度鹽漬化土壤，其特點(diǎn)是土壤含鹽量高，土壤水分有效性差，已成為該地區(qū)植被分布、造林成活率及林木生長(zhǎng)最為主要的限制因子。許多研究者就濱海鹽堿地造林樹種選擇、造林技術(shù)、土壤改良效果、水鹽變化規(guī)律等進(jìn)行了研究［5-10］，但對(duì)濱海鹽堿地土壤水分特性的研究較少。土壤水分特征曲線是土壤水分基質(zhì)勢(shì)或土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系曲線，可以反映土壤的水分能態(tài)和持水特征，對(duì)研究土壤水分運(yùn)移及植物生長(zhǎng)等方面有重要意義［11-15］。鑒于此，筆者以土壤水分的有效性和持水性為切入點(diǎn)，對(duì)黃河三角洲濱海鹽堿地不同造林樹種林地的土壤水分特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期揭示造林對(duì)土壤水分特性的影響，闡明造林樹種與土壤水分之間的關(guān)系，為鹽堿地造林、土壤改良和綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為山東生態(tài)造林項(xiàng)目區(qū)，位于山東省濱州市沾化縣西部的下洼鎮(zhèn)棗旺林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為E 118°02＇70″，N 37°43＇92″。地貌類型為黃河沖積平原淺平洼地，海拔1.6 ～2.4 m。研究區(qū)屬暖溫帶半干旱東亞季風(fēng)區(qū)，多年平均溫度12 ℃，平均降水量610.3 mm，降水多集中于6—9 月;年蒸發(fā)量為2 095.1 mm。多年平均日照時(shí)間2 699.2 h，日照比例為61%。多年平均大風(fēng)時(shí)間每年21 d，多在3—5 月份發(fā)生。研究區(qū)地勢(shì)平坦，土壤類型為鹽化潮土，土壤養(yǎng)分含量低、保水保肥性差，鹽堿程度嚴(yán)重，含鹽量在0.3%～1.0%之間，局部地塊高達(dá)2%～3%，pH 值＞7.5，鹽分陰離子以Cl-為主，陽離子以K+、Na+為主。

研究區(qū)人工林造林樹種分別為白蠟(Fraxinus chinensis Roxb)、楊樹(Populus spp.)和冬棗(Zizyphus jujube Mill)。各樹種均于2010 年春季造林，2012 年調(diào)查時(shí)苗齡為4 a。各樹種的生長(zhǎng)狀況為:白蠟平均樹高5.3 m，平均冠幅3.2 m×2.5 m，造林密度1 666 株/hm2;楊樹平均樹高7.4 m，平均冠幅2.6 m×2.5 m，造林密度2 000 株/hm2;冬棗平均樹高2.2 m，平均冠幅2.5 m×2.3 m，造林密度約為株2 200 株/hm2。造林前各地塊均為荒地，植被蓋度＜10%，0 ～100 cm 土體加權(quán)平均含鹽量達(dá)1.48%，土壤pH 值7.9，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.33%，土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.5 mg/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.2 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)76.5 mg/kg。造林后各樹種林地與對(duì)照地的土壤基本特性見表1。試驗(yàn)地塊土壤均為粉質(zhì)壤土，黏土體積分?jǐn)?shù)差異不明顯，粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)在40 ～60 cm 層有較顯著差異。3 種造林地不同層次的土壤含鹽量差異不明顯，均與對(duì)照地各層次差異極顯著。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與處理

2012 年10 月，選擇3 種造林地(楊樹林地、白蠟林地、冬棗林地)及距造林地150 m 外的荒地為研究對(duì)象，在每個(gè)地塊內(nèi)選擇有代表性的地段設(shè)立0.1 hm2的固定標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)地塊內(nèi)選取3 個(gè)樣點(diǎn)，挖取土壤剖面，分層取樣測(cè)定土壤理化性質(zhì)。根據(jù)造林樹種根系生長(zhǎng)與分布狀況，每個(gè)樣點(diǎn)按0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 取樣500 g，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，測(cè)定粒徑與含鹽量;同時(shí)用鋁盒與環(huán)刀采集0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 層原狀土，測(cè)定土壤含水量、孔隙度與土壤水分特征曲線。

表1 不同造林樹種林地土壤的機(jī)械組成與含鹽量Tab.1 Soil mechanical composition and salt content of different afforestation tree species %

2.2 土壤物理性質(zhì)的測(cè)定

土壤密度及土壤孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤含水量采用鋁盒烘干法測(cè)定，土壤含鹽量采用殘?jiān)娓?質(zhì)量法測(cè)定，土壤顆粒分析采用MSN-2000 激光粒度儀測(cè)定。

2.3 土壤水分特征曲線的測(cè)定

土壤水吸力是隨土壤含水量而變化的，其關(guān)系曲線稱為土壤水分特征曲線。土壤水分特征曲線是土壤主要的水力學(xué)性質(zhì)之一，反映了土壤顆粒的表面吸附力和土壤孔隙的毛管力對(duì)土壤水的作用，表示在土壤水非飽和狀態(tài)下土壤水的能態(tài)與數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水分保持和運(yùn)動(dòng)所用到的反映土壤水分基本特性的曲線［16］。

將野外取得的0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 層的環(huán)刀原狀土(100 cm3)稱量后分別浸泡于水位略低于土樣表面的蒸餾水中，經(jīng)24 h 飽和后，使用日本生產(chǎn)的Kokusan H-1400pF 土壤水分特征曲線測(cè)定儀測(cè)定土壤水分特征曲線，測(cè)定時(shí)將環(huán)刀放入H-1400pF 轉(zhuǎn)子中，分別測(cè)定在1、10、30、80、100、300、600、800 和1 000 kPa 壓力下環(huán)刀內(nèi)土壤含水量，測(cè)定時(shí)溫度恒定為20 ℃。

土壤水分特征曲線是土壤水動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)測(cè)的水分特征曲線反映了土壤含水量和土壤水吸力之間存在著函數(shù)關(guān)系。目前，常采用Gardner 等在1970 提出的土壤水分特征曲線數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)方程［16］進(jìn)行擬合，其方程為

式中:θ 為土壤含水量，%;S 為土壤吸力，kPa;A 和B 均為參數(shù)。

參數(shù)A 表示曲線的高低程度，即土壤持水能力的大小，A 值越大，土壤持水能力就越強(qiáng);B 表示曲線的走向，即土壤含水量隨土壤水吸力降低而遞減的快慢。參數(shù)A 和B 的大小主要受土壤質(zhì)地(主要是小于0.01 mm 物理性黏粒量)、有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響［16］。

2.4 統(tǒng)計(jì)方法

利用Excel 擬合土壤水分特征曲線，利用SPSS17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同造林樹種土壤水分特征曲線與持水性能

測(cè)定的不同水吸力下土壤含水量結(jié)果見表2，土壤水分特征曲線見圖1。

由表2 可知:各樹種與對(duì)照地土壤含水量隨著土壤水吸力的增大而減小;在同一吸力范圍內(nèi)，各地塊不同層次的土壤含水量也不同，其中楊樹林土壤含水量最高，白蠟林、冬棗林次之，荒地最低;同一地塊不同層次間的土壤含水量則表現(xiàn)為0 ～20 cm ＞20 ～40 cm ＞40 ～60 cm。

表2 不同吸力段的土壤含水量Tab.2 Soil moisture at different water suctions %

圖1 不同造林樹種不同土層土壤水分特征曲線圖Fig.1 Water characteristic curves at different soil layers with afforestation tree species

由圖1 可知:在低吸力范圍(1 ～10 kPa)，土壤均能釋放較多的水分，圖1(a)～圖1(c)土壤水分特征曲線均比較陡直，這是因?yàn)榈臀Χ蚊芸紫洞?，?duì)土壤施加微小的吸力，大孔隙水分就會(huì)被釋放能有效地被植物根系所吸收的水分，所以曲線均比較陡直;在低吸力范圍(1 ～10 kPa)，各地塊釋放的水分表現(xiàn)為楊樹林(17.58%)＞白蠟林(15.81%)＞冬棗林(11.95%)＞荒地(11.77%)，而且低吸力下釋放的水分可以直接為植物所利用，成為植物生長(zhǎng)的有效水。由圖1(a)可知，低吸力下楊樹林、白蠟林、冬棗林的土壤平均含水量分別為25.77%、26.63%、25.13%，均 高 于 荒 地 的 平 均 含 水 量(18.29%)，其中3 種林地間無差異，均與荒地差異顯著。由圖1(b)和圖1(c)可知，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 層的土壤含水量均低于表層(圖1(a))，且隨著土壤吸力的增加，不同造林地之間的土壤含水量差異逐漸減小，土壤釋放水分能力減弱。

在中吸力范圍(300 ～1 000 kPa)，由于土壤得到了更大程度的壓實(shí)，孔隙度減少，特別是大孔隙大為減少，中等孔隙則相對(duì)增加，這時(shí)，隨吸力的提高，曲線則變得比較平緩。由于保持在中等孔隙中的水分主要依土壤顆粒的表面吸附起作用才能緩慢排出，土壤中水分很難被植物根系吸收，各層土壤含水量的變化趨勢(shì)基本相似，楊樹林、白蠟林、冬棗林、荒地的土壤平均含水量分別為12.70%、10.49%、10.04%和7.49%，而在此階段，土壤向外釋放的水分由大到小為楊樹林(5.45%)＞白蠟林(5.07%)＞冬棗林(3.95%)＞荒地(2.47%)，楊樹林與白蠟林間差異不顯著，二者均與冬棗林、荒地間差異顯著。從水分有效性大小來看，楊樹林與白蠟林地較冬棗林地與荒地可提供更多的有效水分;因此，不同造林樹種對(duì)土壤含水量及不同吸力下的釋水能力影響各異，其中楊樹林影響最大，荒地最小。

測(cè)定的土壤含水量與土壤水吸力擬合的參數(shù)及數(shù)學(xué)模型見表3?？芍?，采用Gardner 等人提出的經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)鹽堿地不同造林模式土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，具有較良好的擬合性，相關(guān)系數(shù)R2較高。表中參數(shù)A 隨著造林地的不同而呈現(xiàn)規(guī)律的變化，楊樹林、白蠟林、冬棗林和荒地土壤表層(0 ～20 cm)的A 值分別為0.197、0.191、0.143 和0.128，即持水能力的大小表現(xiàn)為楊樹林＞白蠟林＞冬棗林＞荒地，各造林地的A 值均大于荒地，這說明了造林后土壤的持水性和土壤水的有效性均較荒地高。隨著土壤深度的加深，A 值呈減小趨勢(shì)，說明土壤表層持水能力較中、下層強(qiáng)。這與尹勤瑞等［17］研究的結(jié)果相一致。

表3 土壤水分特征曲線的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)系數(shù)Tab.3 Soil moisture characteristic curve mathematical model and relevant coefficient

3.2 不同造林樹種對(duì)土壤持水性能參數(shù)的影響

不同造林樹種土壤水分物理性質(zhì)見表4?？芍?，不同造林地土壤田間持水量較低，土壤水分庫容較小。土壤田間持水量、有效水含量較低，0 ～60 cm土層內(nèi)土壤田間持水量為86.60 ～98.10 mm，有效水分含量為43.90 ～65.48 mm。不同造林地土壤田間持水量和有效水分含量均表現(xiàn)為楊樹林＞冬棗林＞白蠟林＞荒地，表明楊樹林地的持水性最好，有效水供給最多，在水分充足的條件下，更有利于生長(zhǎng)。同一林地土壤下層水分優(yōu)于表層，在同一種造林地上，20 ～40 cm、40 ～60 cm 土壤密度、土壤田間持水量均大于0 ～20 cm，而孔隙度小于0 ～20 cm，說明表層土壤更容易受到影響。這與趙世偉等［13］、武永智［18］的研究結(jié)果相一致。

土壤密度是反映土壤緊密程度的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響著土壤的孔隙狀況［19-21］。由表4 可知，同一造林地的土壤密度隨著土層深度的增加而變大，不同造林地土壤密度表現(xiàn)為荒地明顯大于造林地，且各造林地0 ～20 cm 土層的土壤密度表現(xiàn)為荒地＞冬棗林＞白蠟林＞楊樹林，在20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層中，土壤密度表現(xiàn)為荒地＞白蠟林＞楊樹林＞冬棗林。在整個(gè)剖面層中，荒地、白蠟林、楊樹林、冬棗林的土壤密度均值分別為1.57、1.41、1.37 和1.28 g/cm3，說明造林后鹽堿地的土壤密度有了不同程度降低，土壤得到了明顯的改善。

總孔隙度是土壤物理的重要特征之一，與土壤水分、導(dǎo)熱性及作物養(yǎng)分等均有關(guān)系。整體來看，總孔隙度隨著土層深度的增加而降低，在不同土層中，4 種試驗(yàn)地的土壤總孔隙度表現(xiàn)為楊樹林＞白蠟林＞冬棗林＞荒地。楊樹林與白蠟林表層總孔隙度高可能與其地表不進(jìn)行人為除草和枯落物清理有關(guān)，使得表層枯落物積累，增加了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，孔隙度增大;而冬棗林與荒地可能與地表缺乏草被覆蓋，枯落物缺乏有關(guān)。在整個(gè)剖面層中，冬棗林、白蠟林、楊樹林的總孔隙度分別為42.57%、43.45%、43.61%，均大于荒地36.27%。說明造林改善了土壤的結(jié)構(gòu)，使得鹽堿地的總孔隙度有了明顯的提高，總孔隙度提高則可以蓄持更多的土壤水分。

表4 不同造林樹種土壤水分物理性質(zhì)Tab.4 Soil moisture physical properties of different afforestation tree species

毛管孔隙度隨著土層深度的增加而降低，0 ～20 cm 土層冬棗林地土壤毛管孔隙度小于荒地，而其他林地均大于荒地，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層的毛管孔隙度的變化則各不相同。整體上，荒地、冬棗林、白蠟林、楊樹林的土壤毛管孔隙度分別為34.99%、30.13%、39.21%、39.30%，除冬棗林地低于荒地外，其他造林地遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于荒地。而土壤毛管孔隙度表層土壤受造林影響最大，同時(shí)其人為干擾因素較大。不同造林地非毛管孔隙度在各層次上均呈現(xiàn)林地大于荒地的趨勢(shì)，且表現(xiàn)為冬棗林＞楊樹林＞白蠟林＞荒地，這表明人工造林均使土壤非毛管孔隙度有所提高。在低吸力下土壤水分主要受毛管力作用，而非毛管孔隙的孔隙直徑大于0.1 mm，為大、中孔隙。在低吸力下水分可以通過大孔隙被釋放排出，因而相同的吸力條件下，荒地釋放的水分較其他林地為少。

3.3 不同造林模式林地持水性能參數(shù)的相關(guān)性

采用SPSS17.0 對(duì)不同造林模式土壤各持水性能參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5?？芍?，土壤密度與總孔隙度、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤密度越小，孔隙度越大，非毛管孔隙也越多。毛管孔隙度與凋萎含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，根據(jù)前人對(duì)土壤水勢(shì)的研究，土壤凋萎含水量相當(dāng)于吸力為1 500 kPa 時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水量;當(dāng)吸力增大時(shí)，土壤被壓實(shí)，保持在土壤中的毛管孔隙度水分被排出，因此，毛管孔隙度大的土壤，在1 500 kPa 吸力作用下排出的土壤水分多，保持在土壤中的水分就少，凋萎含水量就小，二者呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)。凋萎含水量與30 和300 kPa 吸力下的土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，即在低、中2 種吸力下土壤含水量越大，在1 500 kPa 高吸力的條件下越易被排出，凋萎含水量越小，土壤有效性就越高，植物從土壤中吸收水分越容易。30 與300 kPa 吸力下的土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，二者共同反映了土壤質(zhì)地對(duì)土壤水分的吸持能力，其值越大，在同一吸力下其含水量就越高，水分越不易丟失。

4 結(jié)論與討論

1)人工造林可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤密度和含鹽量，增大土壤孔隙，提高土壤持水性能。

2)造林地與荒地的土壤含水量與土壤吸力間的關(guān)系符合θ=AS-B，且相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著。

表5 不同造林模式林地持水性能參數(shù)的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of water-holding performance parameters of different afforestation tree species

3)不同造林地土壤田間持水量和有效水分含量表現(xiàn)為楊樹林＞冬棗林＞白蠟林＞荒地，同一林地土壤下層田間持水量與有效水含量?jī)?yōu)于表層。在研究區(qū)下洼鎮(zhèn)棗旺株場(chǎng)進(jìn)行植物種植時(shí)，可優(yōu)先選擇楊樹、冬棗種植。

4)毛管孔隙度、30 和300 kPa 吸力下的含水量與凋萎含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，凋萎含水量與不同吸力下的含水量揭示了鹽堿地土壤的持水性能與脫水性能，是土壤水分有效性的直接反映。

不同土壤類型的水分特征曲線的主要影響因子是質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和密度［22-23］。在低吸力段土壤所能保持或釋放出的水量取決于土壤結(jié)構(gòu)較粗的孔隙分布，主要是毛管力起作用;在中高吸力段主要決定于土壤質(zhì)地，主要是土壤顆粒的表面吸附起作用［24］。各地塊在低吸力階段水分都較易排出，雖然荒地的非毛管孔隙最大，但其排出釋放的水分并不是各地塊中最大的，顯然，除了毛管力的作用外，土壤溶質(zhì)(鹽分)的存在可能是造成釋水量不同的原因?；牡嘏c3 種造林地的最大差異是其鹽分含量是前三者的5.20 ～22.6 倍，鹽分濃度高可能其吸持水分的能力就強(qiáng)，因而釋放的水分相應(yīng)減弱。在中吸力階段，土壤水分的吸持主要由土壤顆粒的表面吸附起作用，而試驗(yàn)地土壤質(zhì)地均為粉質(zhì)壤土，且荒地的黏粒含量在4 種土壤中最低，因而除密度與孔隙度外，荒地對(duì)土壤水分的吸持可能受土壤中鹽分含量高的影響;同樣，在中吸力階段，各地塊40 ～60 cm 釋放水分能力低于20 ～40 cm 和0 ～20 cm，也可能與其鹽分含量較上2 層的含鹽量高有關(guān)。這說明造林降低了土壤鹽分含量，使得土壤水分更易釋放并被植物所吸收，而鹽分含量高的荒地則因鹽分離子的作用使得土壤釋放水分能力降低，土壤水分有效性變得各不相同。實(shí)際上，造林不僅減小了土層中的含鹽量，還使得土壤結(jié)構(gòu)得以改善，孔隙度增大，密度減小，這些因素均使造林地的持水性和有效水含量增大，土壤水分特征曲線異于荒地。關(guān)于含鹽量大小對(duì)土壤水分特征曲線及有效水分的影響，筆者正在進(jìn)行室內(nèi)不同濃度鹽水模擬灌溉下土壤水分特征曲線的測(cè)試。