王忠誠 ，鄧秀秀 ，崔卓卿 ，張 展 ，華 華

（1．中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412002）

洞庭湖區(qū)主要森林類型土壤持水性能研究

王忠誠1，鄧秀秀1，崔卓卿1，張 展1，華 華2

（1．中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412002）

采用野外定位觀測與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，對洞庭湖區(qū)具有代表性的森林土壤持水性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）土壤容重隨著土壤深度的增加而增大，土壤表層容重變化幅度大于土壤深層。不同林地土壤容重變化范圍為1.03～1.53 g·cm-3，平均值大小表現(xiàn)為杉木林（1.18 g·cm-3）＜楊樹林（1.36 g·cm-3）。（2）林地土壤孔隙度和非毛管孔隙度隨著土壤深度增加而減小，土壤孔隙度平均值大小為楊樹林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%）。 （3）土壤有效蓄水量平均值大小為楊樹林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2）。相對于楊樹林而言，杉木林的土壤蓄水能力較強。（4）土壤的持水性能和土壤物理性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析表明，

林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取決于土壤的孔隙狀況。

林地土壤；物理性質(zhì)；持水性能；洞庭湖

森林生態(tài)系統(tǒng)是維持和調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡和改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)[1]，森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一。森林土壤是降雨繼林冠層、灌草層和枯落物層截留后的第四個主要作用層[2]，對降水的分配調(diào)節(jié)作用十分明顯。國內(nèi)外許多研究者對森林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了較深入的研究，包括山地、自然保護(hù)區(qū)、林區(qū)、水庫等范圍內(nèi)林地持水性能[3-7]，然而對洞庭湖區(qū)森林土壤持水性能的研究相對較少。近年來，隨著“后三峽時代”的到來，洞庭湖區(qū)土地退化、水土流失等生態(tài)問題日益突出。本文中采用野外定位觀測和室內(nèi)分析方法，對洞庭湖區(qū)主要森林類型的持水性能進(jìn)行研究，以期為洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及相關(guān)理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域概況

洞庭湖位于北緯28°44′～ 29°35′、東 經(jīng)111°53′～ 113°05′之間，地處湖南省東北部，是我國第二大淡水湖。洞庭湖地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 302 mm。洞庭湖區(qū)國土面積300萬hm2，林業(yè)用地101.31萬hm2，有林地面積65.97萬hm2，占國土面積的22.1%，占林業(yè)用地面積的65.1%。森林總蓄積600.7萬m3，森林覆蓋率34.2%。洞庭湖區(qū)現(xiàn)有森林主要是人工林，以用材林、護(hù)岸林、護(hù)堤林、農(nóng)田防護(hù)林和四旁樹為主。其中，主要樹種有楊樹Populus、杉木Cunninghamia lanceolata、水杉Metasequoia glyptostroboides、池杉Taxodium ascendens、落羽杉Taxodium distichum、國外松Pinus sylvestrisvar.mongolica、喜樹Camptotheca等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地選擇與設(shè)置

本研究選取在洞庭湖區(qū)內(nèi)廣泛分布的主要森林類型楊樹、杉木進(jìn)行研究，試驗樣地設(shè)在西洞庭湖區(qū)的漢壽縣、桃源縣，南洞庭湖區(qū)的沅江市以及北洞庭湖區(qū)的岳陽縣。根據(jù)試驗地森林資源狀況，采用線路調(diào)查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法，分別建立面積為667 m2的標(biāo)準(zhǔn)樣地?；厩闆r見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況Table 1 The basic information of standard plot

2.2 林地土壤持水性能的測定

在設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，選擇具有代表性的樣點，劃一個長1.5 m、寬1 m的長方形，依次向下挖掘，挖取土壤剖面，采用機械分層取土法，用環(huán)刀（容積100 cm3）按照0～15 、15～30 、30～45 cm分層采集原始土塊，重復(fù)3次，帶回實驗室測定土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重、最大持水量及有效蓄水量[8-9]等土壤持水性能指標(biāo)。

式中：P為土壤容重（g·cm-3）；M為環(huán)刀和干土質(zhì)量（g）；M0為環(huán)刀的質(zhì)量（g）；V為環(huán)刀容積（cm3）；Q為水的比重（g·cm-3）；K為土壤非毛管孔隙度（%）；K1為土壤毛管孔隙度（%）；K2為土壤總孔隙度（%）；C為毛管持水量（%）；C1為最大持水量（%）；C2為土壤非毛管孔隙度（%）；C3為土壤毛管持水量（%）；C4為土壤有效持水量（t·hm-2）；C5為土壤最大持水量（t·hm-2）；H為土層厚度（m）。

2.3 試驗時間

樣地數(shù)據(jù)采集時間為2014年秋季，室內(nèi)試驗基本按采樣時間同步進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 林地土壤物理性質(zhì)分析

土壤物理性質(zhì)是土壤的基本特征，是土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一。其基本指標(biāo)情況見表2。

土壤的物理性質(zhì)主要有土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、非毛管孔隙度等指標(biāo)，這些指標(biāo)直接影響著林地土壤的持水性能和蓄水能力。土壤容重是用來說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)[10]。土壤孔隙是土壤養(yǎng)分、水分和空氣以及微生物、植物根系等的通道或貯存庫[11]。土壤孔隙度的大小與土壤的緊實程度密切相關(guān)。森林植被可以通過枯枝落葉、根系等來增加土壤的孔隙數(shù)量，從而增強土壤的持水性能[12]。土壤孔隙度可分為毛管孔隙度、非毛管孔隙度。土壤毛管孔隙度越高，土壤空隙越大，土壤蓄水能力越強。

從圖1分析得出，林地土壤容重總體上隨土壤深度增加而增大，土壤表層容重變化幅度大于土壤深層，主要在于森林土壤受到森林凋落物、樹根等的影響，有機質(zhì)和腐殖質(zhì)主要集中在土壤表層[13]。不同林地土壤容重范圍為1.03～1.53 g·cm-3，土壤容重平均值大小為杉木林（1.18 g·cm-3）＜楊樹林（1.36 g·cm-3），主要原因在于楊樹林受人類活動影響較大，使表層土壤壓緊，土壤比較堅實，容重值較大。

表2 不同森林類型土壤物理性質(zhì)Table 2 The physical properties of forest soil

圖1 林地土壤容重隨深度變化情況Fig.1 Forest soil bulk density changes with depth

從圖2可以看出，土壤孔隙度隨土壤深度增加而減小，與土壤容重變化趨勢相反。林地0～45 cm土壤孔隙度平均值大小為楊樹林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%），說明楊樹林和杉木林對土壤孔隙度的改良效果不相同。楊樹林為落葉闊葉林，枯落物分解較快，在一定程度上可以改善土壤的孔隙狀況，但湖區(qū)的楊樹林大部分位于環(huán)湖低丘平原地帶，多為湖區(qū)防護(hù)林和防浪護(hù)堤林，湖區(qū)豐水期湖水倒灌沖刷樣地，對楊樹林的林下植被造成一定影響，使樣地的枯落物較少。加上湖區(qū)人類經(jīng)營管理活動較多，使得樣地土壤容重較大，孔隙度較小。

圖2 土壤孔隙度隨深度變化情況Fig.2 Forest soil total porosity changes with depth

由圖3分析得出，隨著土壤層深度的增加，土壤非毛管孔隙度呈減低趨勢，主要原因是植物的根系多分布于土壤表層，并且土壤表層有機質(zhì)團(tuán)粒較多，土壤通氣和透水性較強。土壤非毛管孔隙度的變化范圍為9.55%～13.82%，林地0～45 cm土壤非毛管孔隙度平均值大小為楊樹（33.15%）＜ 杉木林（38.53%）。

圖3 土壤非孔隙度隨土層深度變化情況Fig.3 Forest soil noncapillary porosity changes with depth

研究表明，土壤總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占20%～40%時，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)[14]。從林地土壤孔隙狀況來看，洞庭湖區(qū)杉木林土壤孔隙狀況高于楊樹林土壤孔隙狀況，杉木林土壤透水性較強。

3.2 林地土壤持水特征分析

土壤最大蓄水量是毛管孔隙和非毛管孔隙蓄水量之和，反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力[15-16]，其中毛管水供植物根系吸收和林地蒸發(fā)，非毛管水可沿不透水層由高到低供應(yīng)湖泊、河流，起著調(diào)節(jié)流量、穩(wěn)定水位的功能。因此，通常把這部分水量叫涵養(yǎng)水源量[17]。

最大蓄水量是毛管水和非毛管水均達(dá)到飽和時土壤的蓄水量。毛管水供植物根系吸收和林地蒸發(fā)，只做垂直運動。非毛管水在重力的作用下不僅可以上下垂直運動，還可做橫向滲透，通常把這部分非毛管水量作為有效蓄水量[18]。森林土壤的貯水能力主要取決于土壤的非毛管孔隙度[19]，土壤的有效蓄水量是衡量林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一。不同林地土壤持水性能見表3。

表3 不同林地土壤持水性能Table 3 The water holding capacity of forest soil

從圖4可見，林地0～45 cm土壤最大蓄水量范圍為1 851.40～ 2 398.83 t·hm-2，最大蓄水量總量大小為楊樹林（2 065.66 t·hm-2）＜ 杉木林（2 254.15 t·hm-2）。

圖4 土壤最大蓄水量隨土壤深度變化情況Fig.4 The soil maximum water storage capacity changes with depth

由圖5可以看出，不同林地0～45 cm土壤有效蓄水量范圍為472.37～630.25 t·hm-2。有效蓄水量總量大小為楊樹林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2），主要是由于湖區(qū)杉木林林下更新較快、枯落物較多、地被物較豐富、土壤生物活動強度較大、有效改良了土壤等因素造成。不同林地0～45 cm土壤最大蓄水量和有效蓄水量總量大小為楊樹林（10 425.61 t·hm-2）＜ 杉木林（11 206.38 t·hm-2）。相比而言，杉木林土壤蓄水量大于湖區(qū)楊樹林蓄水量，杉木林的土壤蓄水較強。

3.3 土壤物理性質(zhì)與土壤持水性能之間的相關(guān)性分析

土壤的物理指標(biāo)容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等影響著土壤的持水性能，運用SPSS20.0軟件對土壤主要物理性指標(biāo)與持水性能進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

圖5 土壤有效蓄水量隨土壤深度變化情況Fig.5 The soil effective storage water capacity changes with depth

表4 林地土壤物理性質(zhì)與持水性能相關(guān)性?Table 4 The correlations of forest soil water holding capacity and soil physical property

從表4可以看出，土壤最大蓄水量與土壤容重的相關(guān)系數(shù)為0.441，呈低正相關(guān)關(guān)系；與毛管孔隙度、毛管總孔隙度相關(guān)系數(shù)分別為0.70、0.66，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明土壤孔隙度越大，則土壤最大蓄水量越大；土壤容重與土壤有效蓄水量呈低負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤非孔隙度與土壤有效蓄水量呈強正相關(guān)關(guān)系，說明土壤非毛管孔隙度越大，土壤的有效蓄水量越好，土壤的持水能力越強。

分析說明，林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取決于土壤的孔隙狀況，土壤毛管孔隙度越大，則土壤最大蓄水量越大；土壤非毛管孔隙度越大，土壤的蓄水量越好，土壤的持水能力越強。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

通過對洞庭湖區(qū)主要森林類型土壤的持水性能進(jìn)行研究分析，結(jié)論如下：

（1）不同林地類型土壤容重隨土壤深度增加而增大，土壤表層容重變化幅度大于土壤深層。土壤容重變化范圍為1.03～1.53 g·cm-3，土壤容重平均值大小為杉木林（1.18 g·cm-3）＜楊樹林（1.36 g·cm-3），主要與楊樹林的生長情況和人類活動有關(guān)。一方面，湖區(qū)豐水期湖水沖刷使楊樹林林下地被物較少；另一方面，楊樹林的人類經(jīng)營和管理強度大于杉木林，使土壤表層比較堅實，土壤容重值較大。

（2）林地土壤孔隙度隨土壤深度增加而減小，與土壤容重變化趨勢相反。林地0～45 cm土壤孔隙度平均值大小分別為楊樹林（33.15%）＜ 杉木林（38.53%），表明楊樹林和杉木林對土壤孔隙度的改良效果存在一定的差異性；隨著土壤層深度的增加，土壤非毛管孔隙度呈減低趨勢，主要原因是植物的根系多分布于土壤表層，并且表層土壤有機質(zhì)團(tuán)粒較多，土壤通氣和透水性較強。

（3）土壤最大蓄水量平均值大小表現(xiàn)為楊樹林（2 065.66 t·hm-2）＜ 杉木林（2 254.15 t·hm-2）。土壤有效蓄水量平均值大小表現(xiàn)為楊樹林（2 206.50 t·hm-2）＜ 杉木林（2 235.91 t·hm-2）。相比而言，杉木林的土壤蓄水能力較強。

（4）土壤的持水性能和土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析表明：林地土壤的最大蓄水量和有效蓄水量主要取決于土壤的孔隙狀況，土壤孔隙度越大，則土壤最大蓄水量越大，土壤非毛管孔隙度越大，土壤的有效蓄水量越好，土壤的持水能力越強。

4.2 討 論

森林土壤蓄水是森林水源涵養(yǎng)功能的重要組成部分，洞庭湖區(qū)主要森林類型的土壤總孔隙度變化范圍為38.03%～57.23%，這與中國大部分森林生態(tài)系統(tǒng)土壤（總孔隙度40%～60%）保持一致[20]，其中楊樹林地土壤總孔隙度平均值為44.43%，與謝亞軍等[21]所取得的研究結(jié)果相當(dāng)。

森林土壤持水性能受多種生態(tài)因子的影響，與研究區(qū)域的林地立地條件、土地利用方式、植被類型、海拔、坡度、樹種、年齡以及人類活動等有關(guān)，是生態(tài)因子綜合作用的結(jié)果。海拔可以引起水熱條件變化[22]，會影響枯落物分解，土壤有機質(zhì)、土壤容重、孔隙度等隨之變化，從而影響土壤持水性能。于乃勝等[23]研究表明，楊樹人工林土壤的水源涵養(yǎng)功能與造林品種、造林年限、造林密度和管理方式等密切相關(guān)。本研究主要從植被類型和林地土壤物理性質(zhì)方面對森林土壤持水性能做了初步研究，而生態(tài)因子如何綜合影響森林土壤持水性能和土壤蓄水能力等方面，在今后的研究中有待進(jìn)一步加強。

本研究僅對洞庭湖區(qū)2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了取樣分析，缺少縱向的對比。如果能對研究區(qū)主要森林土壤進(jìn)行多季節(jié)、連續(xù)多年、多區(qū)域的綜合監(jiān)測分析，則可以在時間空間尺度上，實現(xiàn)對洞庭湖區(qū)森林土壤蓄水能力的動態(tài)監(jiān)測，為洞庭湖區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能的研究提供更為科學(xué)的依據(jù)。

[1]劉樹華,李 浩,陸宏芳.鼎湖山南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2011, 20(6-7): 1042-1047.

[2]王忠誠,張 展,呂 磊,等.鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同植被類型土壤的水源涵養(yǎng)功能[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2011,31(10): 21-25.

[3]駱土壽,李意德,陳德祥,等.廣東白盆珠水庫水源林土壤水源涵養(yǎng)能力研究[J].生態(tài)學(xué)報, 2007, 26(2): 159-164.

[4]姜海燕,趙雨森,陳祥偉,等.大興安嶺嶺南幾種主要森林類型土壤水文功能研究[J].水土保持學(xué)報, 2010, 5(2): 149-153.

[5]黃金玲,李曉明,王永安,等.湖南省主要森林植被類型涵養(yǎng)水源能力的研究[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃, 1997, 16(4): 37-42.

[6]孫艷紅,張洪江,杜士才,等.四面山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學(xué)報, 2009, 23(5): 109-112.

[7]陳東立,余新曉,廖邦洪.中國森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能分析[J].世界林業(yè)研究, 2005, 18(1): 49-54.

[8]孫艷紅,張洪江,程金花,等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學(xué)報, 2006, 20(2): 106-109.

[9]張雷燕,劉常富,王彥輝,等.寧夏六盤山地區(qū)不同森林類型土壤的蓄水和滲透能力比較[J].水土保持學(xué)報, 2007, 21(1): 95-98.

[10]王 燕,王 兵,趙廣東,等.江西大崗山3種林型土壤水分物理性質(zhì)研究[J].水土保持學(xué)報, 2008, 22(1): 51-153.

[11]吳建平,袁正科,袁通志.湘西南溝谷森林土壤水文——物理特性與涵養(yǎng)水源功能研究[J].水土保持研究,2004,11(1):74-81.

[12]王忠誠,華 華,王淮永,等.八大公山國家級自然保護(hù)區(qū)林地水源涵養(yǎng)功能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014,34(2): 99-100.

[13]楊 弘,李 忠,裴鐵璠,等.長白山北坡闊葉紅松林和暗針葉林的土壤水分物理性質(zhì)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007, 18(2):272-276.

[14]周云娥,毛美紅,朱志建.湖州市不同竹林土壤理化性質(zhì)比較分析[J].竹子研究匯刊, 2008, 27(3): 31-36.

[15]肖 洋,滿秀玲,范金鳳.公別拉河流域主要森林類型的土壤肥力與涵養(yǎng)水源功能[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006,34(1):28-30.

[16]馬雪華.森林水文學(xué)[M].北京: 中國林業(yè)出版社,1993:92-93.

[17]彭明俊,郎南軍,溫紹龍,等.金沙江流域不同林分類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學(xué)報, 2005,19(6): 106-109.

[18]羅 寧,孫桂英,劉桂華.不同人工林土壤水分涵蓄量的初步研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 1999, 20(4): 353-355.

[19]田大倫,陳書軍.樟樹人工林土壤水文-物理性質(zhì)特征分析[J].中南林學(xué)院學(xué)報, 2005, 25(2): 1-6.

[20]魯紹偉,毛富玲,靳 芳,等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持研究, 2005, 12(4): 223-226.

[21]謝亞軍,謝永宏,陳心勝,等.洞庭湖濕地土壤持水能力及其影響因素研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2014,23(8):1155-1156.

[22]薛曉娟,李英年,杜明遠(yuǎn),等.祁連山東段南麓不同海拔土壤有機質(zhì)及全氮的分布狀況[J].冰川凍土,2009,31(4):642-649.

[23]于乃勝,李傳榮,許景偉,等.黃河下游灘地楊樹人工林林下土壤水源涵養(yǎng)功能研究[J]. 水土保持學(xué)報,2009,23(2):65-66.

Research on water holding capacity of forest soil around Dongting Lake

WANG Zhong-cheng1, DENG Xiu-xiu1, CUI Zhuo-qing1, ZHANG Zhan1, HUA Hua2
(1.School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Zhuzhou Research Institute of Forestry Science, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

Dongting Lake is our country’s important wetland ecological function area, which has the extremely important ecological function. Based on fi eld observation and indoor experiment methods, The author choose the typical forest soil water holding capacity from it and make a quantitative analysis. The results are as follows: (1) Woodland soil bulk density increases with increasing soil depth,variations in soil bulk density is greater than the deep soil. And the soil bulk density ranged between 1.03 ～ 1.53 g·cm-3, and the average of soil bulk density was Chinese fi r forest (1.18 g·cm-3) ＜ Poplar forest (1.36 g·cm-3); (2) Forest soil porosity and non-capillary porosity decreased with soil depth, and the average of soil porosity was Poplar forest (33.15%) ＜ Chinese fi r forest (38.53%); (3) The average of soil effective storage water capacity was Poplar forest (2 206.50 t·hm-2) ＜ Chinese fi r forest (2 235.91 t·hm-2). By comparison, the water storage capacity of Chinese fi r forest was stronger than the Poplar forest; (4) Soil water holding capacity and the soil physical properties index correlation analysis showed that the soil of the largest storage capacity and the effective storage capacity mainly depends on the porosity of the soil condition. The above conclusions provide data support for forest water conservation function around Dongting Lake.

forest soil; physical property; water-holding capacity; Dongting Lake

S714.7

A

1673-923X(2016)05-0079-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.015

2015-03-10

國家科技支撐計劃項目：南方丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)集成與示范（20012BAD15B04）；中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研啟動基金項目“典型森林生態(tài)系統(tǒng)固土保肥價值研究”（0323）

王忠誠，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師；E-mail：wzc366@163.com

王忠誠，鄧秀秀，崔卓卿，等. 洞庭湖區(qū)主要森林類型土壤持水性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(5): 79-84.

[本文編校：謝榮秀]