劉瑞亮，龐丹波，何文強，李學(xué)斌，馬進鵬，楊勇，陳林

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021；4.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

青海云杉（Pinus tabulaeformis）是賀蘭山區(qū)森林群落主要的建群樹種，分布范圍大，具有非常重要的生態(tài)價值和研究意義［1］。但目前賀蘭山云杉林生態(tài)環(huán)境較脆弱，而土壤物理特性與水文效應(yīng)又是影響森林植被生態(tài)功能的基礎(chǔ)，具有提高土壤的通氣透水性、土層質(zhì)量、水土保持、涵養(yǎng)水源、降水再分配以及防御旱澇等功能［2-3］。而林分土壤不同于其他土壤類型，其物理特性與水文效應(yīng)通常會受到植被土壤發(fā)育、枯落物構(gòu)成、根系及各種各樣生物群落等因素的影響［2］，因此，合理改良土壤質(zhì)量也是維持植被生態(tài)平衡的重中之重［3］。林分土壤水文效應(yīng)常因林分土壤類型的不同而存在差異，其中土壤物理特性與持水能力反映了土壤的結(jié)構(gòu)狀況、持水性能、保水能力及水分滲透能力［4］。土壤孔隙度作為土壤結(jié)構(gòu)特性評價指標(biāo)的同時也是土壤水文效應(yīng)的主要影響因素之一，孔隙度的大小及數(shù)量直接影響土壤層水分含量入滲程度及貯存［5］。叢日亮等［6］研究認為，毛管孔隙度較大時，土壤中有效水的貯存量越大，非毛管孔隙度越大時，土壤通透性則越好。景貫陽等［7］認為土壤容重隨土層深度增加時，孔隙度會隨土層深度的增加而呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。多項研究表明，不同林分類型由于樹種生物學(xué)特性與結(jié)構(gòu)的影響，其林地土壤的水分物理效應(yīng)和物理性質(zhì)差異較大［4，8］。因此，土壤層水文效應(yīng)在較大程度上能夠反映植被對土壤理化性狀的改良效果和植被類型與土壤水文物理特性的關(guān)聯(lián)程度［5］。

寧夏賀蘭山作為中國重要的自然地理分界線之一，是西北地區(qū)最后一道生態(tài)安全屏障［9］。因此加強該區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)極為重要。近年來有不少學(xué)者對植被土壤物理性質(zhì)研究較多［6，10-11］，不同坡向下各云杉林的水文效應(yīng)鮮見報道。因此，本研究以寧夏賀蘭山自然保護區(qū)典型的3種林分類型（云杉林、云杉2種混交林和云杉3種混交林）為研究對象，通過野外調(diào)查與室內(nèi)試驗分析，探究云杉林分類型陰、陽坡下的土壤理化性質(zhì)與持水特性的關(guān)系，評價其水文特性，進一步了解植被類型對土壤層水文循環(huán)的功能和作用，為賀蘭山森林生態(tài)平衡提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于賀蘭山國家級自然保護區(qū)，地處銀川平原和阿拉善高原之間，地理坐標(biāo)為E 105°49'～106°41'，N 38°19'～39°22'；處在典型大陸性氣候區(qū)域范圍內(nèi)，具有山地氣候特征。年平均溫度-0.9℃，極端最高氣溫25.2℃，極端最低氣溫-31℃，1月平均氣溫-14.2℃，7月份平均氣溫11.9℃，≥10℃積溫478.6℃，無霜期122.6 d，年平均降水量420 mm，最高達627.5 mm，6～8月份最為集中，年均日照時數(shù)3 100 h。研究區(qū)內(nèi)的土壤類型主要是山地灰褐土和山地灰鈣土，主要的植被類型為針闊混交林［12］。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在前期樣地踏查的基礎(chǔ)上，于2021年6月中旬在寧夏賀蘭山自然保護區(qū)西坡展開試驗樣地調(diào)查。在研究區(qū)域內(nèi)選擇青海云杉純林（purePinus tabu?laeformis）、山楊云杉杜松混交林（mixed forest ofPopulus davidiana，Pinus tabulaeformisandJuni?per）、云杉杜松混交林（the mixed ofPinus tabulaefor?misandJuniper）等3種典型的植被類型樣地［12］，在3種典型的植被類型樣地的陰陽面分別設(shè)置20 m×20 m樣地，共計6塊樣地。記錄海拔、坡向、坡度等基本樣地信息，并對林木進行每木檢尺，測量胸徑、樹高、冠幅等因子，進行詳細記錄。在6塊樣地內(nèi)選取代表性樣點，每個樣地內(nèi)選取3個采樣點，挖取土壤剖面，分別按0～10 cm、10～20 cm土層取樣。各樣地基本調(diào)查信息見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本概況Table 1 Basic overiew of standard site

1.3 測量方法

用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀浸泡法測定土壤物理特性［13］。將土樣浸水8 h后稱質(zhì)量并計算出土壤最大持水量（%），靜置2 h后稱質(zhì)量并計算出毛管持水量（%），靜置24 h后稱質(zhì)量并計算出最小持水量（%）［14］。土壤的容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度計算公式如下［15］：

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2020軟件和SPSS 21軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。采用LSD法檢驗α=0.05水平上的差異性，用Origin 2020軟件進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向各林分類型土壤容重特征

如圖1所示，陰坡0～10和10～20 cm土層，云杉和云杉2種混交林土壤容重均顯著低于云杉3種混交林（P<0.05），陽坡0～10和10～20 cm土層各林分類型間均無顯著性差異（P>0.05）。

圖1 不同坡向各林分類型的土壤容重Figure 1 Soil bulk density of different slope and stand types

由表2可知，陰坡與陽坡對0～10 cm土層土壤容重影響顯著（P<0.05），而對10～20 cm土層土壤容重影響不顯著（P>0.05）；各林分類型對0～10、10～20 cm土層土壤容重影響均不顯著（P>0.05），坡向與各林分類型的交互作用對0～10 cm土層土壤容重影響不顯著（P>0.05），而對10～20 cm土層土壤容重影響顯著（P<0.05）。

表2 土壤容重方差分析表Table 2 Analysis of variance of soil bulk density

2.2 不同坡向各林分類型毛管孔隙度特征

如圖2所示，陰坡0～10 cm土層云杉2種混交林土壤毛管孔隙度較云杉及云杉3種混交林顯著增加12%和37%（P<0.05），10～20 cm土層無顯著性差異（P>0.05）；陽坡0～10、10～20 cm土層云杉各林分間土壤毛管孔隙度均無顯著性差異（P>0.05）。

圖2 不同坡向各林分類型的毛管孔隙度Figure 2 Soil capillary porosity of different slope and stand types

由表3可知，坡向?qū)?～10、10～20 cm土層的毛管孔隙度影響不顯著（P>0.05）；各林分類型對0～10、10～20 cm土層土壤孔隙度影響不顯著（P>0.05），坡向與各林分類型的交互作用對0～10 cm土層影響顯著（P<0.05），而對10～20 cm土層影響不顯著（P>0.05）。

表3 土壤毛管孔隙度方差分析Table 3 Analysis of variance of soil capillary porosity

2.3 不同坡向各林分類型土壤非毛管孔隙度特征

如圖3所示，陰坡0～10、10～20 cm土層各林分類型土壤非毛管孔隙度均不顯著（P>0.05）。陽坡0～10 cm土層云杉2種混交林土壤非毛管孔隙度較云杉顯著增高161%（P<0.05）；10～20 cm土層云杉3種混交林較云杉及云杉2種混交林分別顯著提高34%、53%（P<0.05）。

圖3 不同坡向各林分類型的土壤非毛管孔隙度Figure 3 Soil non-capillary porosity of different slope and stand types

由表4可知，坡向?qū)?～10、10～20 cm土層的毛管孔隙度影響不顯著（P>0.05）；各林分類型對0～10、10～20 cm土層土壤孔隙度影響不顯著（P>0.05），坡向與各林分類型的交互作用對0～10 cm土層毛管孔隙度影響顯著（P<0.05），而對10～20 cm土層毛管孔隙度影響不顯著（P>0.05）。

表4 土壤非毛管孔隙度方差分析表Table 4 Analysis of variance of soil non-capillary porosity

2.4 不同坡向各林分類型土壤總孔隙度特征

如圖4所示，陰坡0～10 cm土層云杉2種混交林土壤總孔隙度較云杉3種混交林顯著增加33%（P<0.05），10～20 cm土層云杉林與2種云杉混交林土壤總孔隙度較云杉3種混交林分別增加20%、39%；陽坡0～10、10～20 cm土層各林分類型間均無顯著性差異（P>0.05）。

圖4 不同坡向各林分類型的土壤總孔隙度Figure 4 Total soil porosity of different slope and stand types

由表5可知，坡向?qū)?～10、10～20 cm土層土壤孔隙度影響均不顯著（P>0.05）；各林分類型對0～10、10～20 cm土層土壤孔隙度影響均不顯著（P>0.05）；坡向與各林分類型的交互作用對0～10 cm土層土壤孔隙度影響也不顯著（P>0.05），而對10～20 cm土層土壤孔隙度影響顯著（P<0.05）。

表5 土壤總孔隙度方差分析表Table 5 Variance analysis of total soil porosity

2.5 不同坡向各林分類型土壤持水能力

如表6所示，陰坡不同土層處理下云杉和云杉2種混交林土壤含水量、毛管最大持水量、土壤飽和含水量較云杉3種混交林均有顯著性差異（P<0.05），陽坡處理則不顯著（P>0.05）。陰坡0～20 cm土層下，云杉和云杉3種混交林土壤含水量和土壤最大滯水量隨土層增加而降低，云杉2種混交林則增加；陰坡云杉2種混交林和云杉3種混交林毛管最大持水力和土壤飽和含水量隨著土層的增加而降低，云杉林則相反；陰坡云杉、云杉2種混交林及云杉3種混交林現(xiàn)有土壤貯水量及土壤飽和貯水量均隨著土層的增加而降低。陽坡0～20 cm土層下，云杉和云杉2種混交林土壤含水量、毛管最大持水量、土壤飽和含水量、現(xiàn)有土壤貯水量、土壤最大滯水量及土壤飽和貯水量均隨著土層的增加而降低，云杉3種混交林則相反。

表6 不同坡向各林分類型土壤持水能力Table 6 Soil water-holding capacity of different slope and stand types

如表7所示，坡向?qū)?～20 cm土層土壤含水量、毛管最大持水量、土壤飽和含水量、現(xiàn)有土壤貯水量、土壤最大滯水量、土壤飽和貯水量的影響均不顯著（P>0.05）；各林分類型對0～20 cm土壤含水量、毛管最大持水量、土壤飽和含水量、現(xiàn)有土壤貯水量、土壤最大滯水量、土壤飽和貯水量、土壤飽和含水量的影響也均不顯著（P>0.05），但坡向與各林分類型交互作用對0～20 cm土層土壤持水力的影響，除了對0～10 cm土壤最大滯水量和10～20 cm土壤飽和貯水量影響不顯著（P>0.05），對其他各土層土壤持水力指標(biāo)均有顯著性差異（P<0.05）。

表7 土壤持水能力方差分析Table 7 Variance analysis of soil water-holding capacity

2.6 不同坡向各林分類型土壤物理性質(zhì)與持水能力的主成分分析

為了探究賀蘭山西坡陰、陽兩面不同林分的土層物理性質(zhì)和土壤持水能力的綜合特性，對其進行主成分分析。如表8所示，各主成分的特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率，前兩主成分特征值大于1，其中第1、2主成分累計貢獻率為97.47%，即這兩個主成分涵蓋10個土壤層評價指標(biāo)90%以上的信息。

表8 各主成分特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率Table 8 Eigenvalue，variance contribution rate and cumulative variance contribution rate of each principal

為了更加直觀地評價賀蘭山西坡陰、陽兩面土層物理性質(zhì)和土壤持水能力，對其主成分值之和進行綜合評價。以每個主成分的方差貢獻率作為權(quán)重構(gòu)建綜合評價指數(shù)：F綜=7.39X1+2.35X2。如表9所示，通過陰、陽兩面不同林分類型土壤層處理下各土壤評定指標(biāo)的主成分值和綜合值分析均得出：云杉2種混交林>云杉>云杉3種混交林，其中陰面3種林分類型綜合值高于陽面，表明賀蘭山西坡陰面云杉2種混交林的土層物理性質(zhì)和土壤持水能力較好。

表9 不同坡向各林分類型土壤物理特性與持水能力綜合分析Table 9 Comprehensive analysis of soil water-holding capacity of different slope directions and stand types

3 討論

3.1 不同坡向?qū)Ω髁址诸愋屯寥廊葜睾涂紫抖鹊挠绊?/h3>

土壤容重是反映土壤緊實度的重要指標(biāo)，主要受林分土壤發(fā)育狀況的影響，也是象征土壤質(zhì)量的一個重要參數(shù)，同時也反映著土壤通氣性和透水性［16］。劉興明等［17］研究表明，青海云杉純林由于分布在陰坡，并且林下分布較厚的苔蘚和凋落物，從而使土壤容重顯著小于陽坡其他林分類型。本研究結(jié)果表明，賀蘭山陰面與陽面云杉純林土壤容重均較小于混交林，且陰坡較小于陽坡。分析其原因可能是陰坡由于受陽光照射較弱，水分蒸發(fā)較小，土壤較為疏松，容重較?。?8-19］。毛管孔隙度是土壤毛管水所占據(jù)的孔隙，主要用于根系吸收和土壤蒸發(fā)，是土壤孔隙的重要組成部分之一［20］。Rivero R G等［21］和W?sten J H M等［22］認為多樹種混交能提高土壤毛管和非毛管孔隙度，改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤蓄水能力，其中以混交林最好，純林稍差。而本研究結(jié)果表明，各坡向土壤毛管孔隙度均為云杉混交林較優(yōu)于云杉純林?；旖涣值奈⑸场⒌蚵湮镉袡C質(zhì)含量和根系分布及數(shù)量可有效調(diào)節(jié)土壤物理結(jié)構(gòu)，毛管孔隙增多［23-24］。同時混交林土壤毛管孔隙度一般較大于純林，另一些原因是純林土壤容重較小，土壤相對緊實，土壤疏松性差，而混交根系和落葉種類較多，根系和落葉腐爛后可促使孔隙度的提升，進而增加毛管孔隙度［25-26］。非毛管孔隙度是土壤快速儲水的場所，非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸收有效水的儲存容量越大［27］。土壤總孔隙度是非毛管孔隙度和毛管孔隙度之和，是評價土壤物理性質(zhì)的基本指標(biāo)之一［28］。田大倫等［29］研究認為土壤總孔隙度在40%～60%，非毛管孔隙度占20%～40%時，土壤持水能力比較好。本研究中賀蘭山各坡向下云杉混交林非毛管孔隙特性相比云杉純林較高，表明云杉混交林土壤蓄水力較純林更好，有效水含量較高，從而改善陰、陽坡植被類型的土壤蓄水能力和水分調(diào)節(jié)功能［30］。云杉2種混交林總孔隙度均顯著高于云杉及云杉3種混交林，表明陰、陽坡對土壤總孔隙度影響不顯著，而不同林分間存在顯著差異，這主要與表層的凋落物組成狀況、地下根系的生長發(fā)育和分布狀況及凋落物的分解狀況等密切相關(guān)［31］。

3.2 不同坡向?qū)Ω髁址诸愋屯寥莱炙Φ挠绊?/h3>

土壤持水力反映了森林涵養(yǎng)水源的能力，其好

壞直接關(guān)系到植被的生長發(fā)育以及地表徑流量和潛流量［32］。土壤水分作為土壤的重要組成物質(zhì)之一，不僅受氣候、地形和土壤物理性質(zhì)等影響，還受物種組成、郁閉度及凋落物層厚度等特征制約［33］。本研究中賀蘭山西坡陰面云杉2種混交林土壤含水量較高，由于陽面林分受流水和風(fēng)力的影響，導(dǎo)致土壤容重增大，水分入滲困難，含水量降低［34］，同時，云杉混交林對陰面環(huán)境地理條件的適應(yīng)性更強，其地表覆蓋物也較優(yōu)越。本研究中土壤飽和含水量和毛管最大持水量陰坡優(yōu)于陽坡，云杉2種混交林優(yōu)于其他林分類型。首先，陰坡降雨量及土壤層保水蓄水力更優(yōu)于陽坡；其次，不同云杉林分類型之間枯落物的分解程度越大，即持水能力越強，當(dāng)水分含量增加到一定數(shù)量后，土壤毛管孔隙中的水分受到外界作用，土壤水就在毛管力的吸持下保持在土壤中［35］。土壤貯水量的變化是土壤內(nèi)部水分向上蒸散、向下滲透及與大氣降水共同作用的動態(tài)變化結(jié)果［36］。張先來等［37］研究指出，果園中0～20 cm土層土壤貯水量相比無覆蓋物的草地總體提高5.79%。那平山等［38］研究表明，當(dāng)土壤滯水量平均<5%時，天然林和混交林等植被衰亡、加速荒漠化，當(dāng)滯水量達過飽和狀態(tài)時，則易形成不良現(xiàn)象，生態(tài)平衡遭受威脅。有秸稈和雜草覆蓋的土層土壤飽和貯水量、吸持貯水量及滯留貯水量較無覆蓋物土壤分別高2.18、0.84、1.34 mm［39］。本研究中陰坡下各林分類型現(xiàn)有土壤貯水量、土壤最大滯水量及土壤飽和貯水量均值均比陽坡高，現(xiàn)有土壤貯水量越小，越不利于水源涵養(yǎng)。陰坡云杉2種混交林顯著高于其他林分類型，說明2種混交林植被土壤更有利于降水的貯蓄，能夠有效減少地表徑流，水土保持功能較優(yōu)［40］；.土壤最大滯水量表現(xiàn)為云杉3種混交林最高，非毛管孔隙作為存儲有效水分的主要場所，與非毛管孔隙度密切相關(guān)，對土壤最大滯水量有重要意義［41］；土壤飽和貯水量表現(xiàn)為云杉2種混交林最好，土壤飽和貯水量與容重有負相關(guān)關(guān)系，與總孔隙度有密切正相關(guān)關(guān)系，表明土壤物理性質(zhì)改良越好，土層飽和貯水量就越高［42］。

4 結(jié)論

研究表明，賀蘭山西坡陰面各土層土壤物理性質(zhì)和水文效應(yīng)均優(yōu)于陽面，其中云杉2種混交林綜合特性較好，云杉和云杉3種混交林次之，不同林分類型均可顯著改良土壤理化性質(zhì)及持水狀況，但它們之間存在差異，以云杉2種混交林更適宜在研究區(qū)生長種植。