黑茶山油松人工林林地土壤水分特征

李衛珍

（山西省黑茶山國有林管理局，山西 呂梁 033000）

在干旱和半干旱地區，土壤水分是生態重建的主要限制性因子之一[1]。土壤水分受氣候和下墊面因素的影響，具有明顯的地帶性和周期性[2]。有關黃土高原對土壤水分的研究較多，高思遠[3]基于對晉西黃土區典型人工林地土壤含水量的長時間序列觀測，定量分析了晉西黃土區不同植被類型的土壤水分動態變化。趙丹陽[4]以晉西黃土區5 種典型林地土壤為研究對象，對其土壤水分年內時空變化進行了試驗研究；土壤水分是黃土高原植被恢復與生態環境重建的決定因子。王云強等人[5]利用網格布點，在黃土高原小流域中73 個樣點，對0～500 cm 的土壤水分的空間異質性進行了研究，結果表明土壤水分在水平和垂直方向都表現出明顯的空間異質性，受到土地利用方式、植被類型、地形要素、土壤質地等多因素綜合影響。強大宏等[6]以鄂爾多斯市煤礦復墾區沙棘人工林為研究對象，開展了不同林齡的中國沙棘和大果沙棘人工林土壤水分時空分布特征研究，結果表明煤礦復墾區沙棘林地土壤水分差異較大，生產中需要根據具體的林齡、樹木品種和土壤空間差異，采取適宜的水分管理措施。郭湘宇[7]采用不同取樣技術，并運用了示蹤技術，結合地統計方法，研究了黃河流域不同土地利用類型土壤干層的空間分異及主控因子等方面。白曉[8]借助Hydrus-1D 模型，以黃土高原典型黃土區為研究區域，表明人工引種高耗水植被會引起深層土壤干燥化，威脅恢復生態系統健康和可持續性。盡管不同學者在不同區域，采用不同方法，在不同尺度等方面對土壤水分開展了多種研究，但也必須指出，土壤水分異質性、土壤水分運動機制、土壤水分（低基質勢）對植被生長的有效性等方面的研究以及土壤水分測定方法的準確性、便利性等方面仍存在諸多問題需要解決[9]。

近20 a 來，晉西北開展了大規模的生態重建，取得了明顯的成就。生態重建對于減輕區域水土流失、改善生態環境、改良土壤結構及美化人居環境起到了不可替代的作用。據不完全統計，油松作為晉西北人工栽植的主要喬木樹種，在生態重建中發揮了突出的作用。

以往的研究著重于不同土地利用方式或不同植被類型對于林地土壤水分的影響。本研究針對晉西北近20 a 來大面積種植人工油松林，并獲得較大的生態建設成果的基礎上，根據實際情況選擇單一樹種、不同林齡和不同立地條件下黑茶山人工油松林地土壤水分變化為研究對象，采用定位測驗方法，對林地土壤容重、儲水量及入滲進行測定，分析不同林齡油松林地土壤水分在時間和空間上的動態變化，以期為該區域油松林的經營管護和水資源的有效利用提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于呂梁市嵐縣石橋林場, 地屬黃河流域。該林場為黑茶山國有林管理局下屬基層林場之一；為溫帶大陸性季風氣候區，多年平均氣溫3～5℃，無霜期105～135 d；多年平均降水量約450 mm，多集中于7-9 月。海拔1 000～1 550 m，地勢較高，氣候寒冷，生長期短，氣溫、降水等垂直變化明顯。春旱和秋霜為影響林木栽植、越冬的主要自然災害。境內變質巖廣泛分布，新生界松散土壤覆蓋面甚廣。林地主要土壤類型為棕壤和褐土。主要植被類型包括喬木樹種油松、云杉、側柏、山西楊、山楊、遼東櫟、山桃等；灌木樹種黃刺玫、杠柳、荊條等，草本主要有冰草、黃花蒿等。

2 研究方法

選擇不同造林時間、不同海拔和坡向的油松人工林地作為土壤水分監測樣地。樣地面積20 m×20 m；樣地基本信息見表1。

（1）土壤容重和含水量測定

在不同的油松林樣地內，開挖土壤剖面，用環刀（100 cm3）分層采樣（重復3 次），采集層次分別為0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80cm、80-100 cm、100-120 cm?，F場稱重（天平感量為0.1 g）并記錄，將環刀及其內土壤一起帶回實驗室后，采用烘干法測定土壤容重和含水量。

土壤容重計算公式采用

ρ=（m1-m2）/v

式中：ρ——土壤容重（g/cm3）；

m1——環刀及其內土壤干重（g）；

m2——環刀重（g）；

V—環刀容積（cm3）。

土壤儲水量計算公式采用

Wi=θi×hi

式中：hi——土層厚度（cm）；

θi——各土層的土壤體積含水量（%）。

θi＝θm×ρ

其中θm為質量含水量：θm＝（m3－m4）/m4，式中：m3為濕土質量（g），m4為干土質量（g）。

土層總儲水量W（mm）為各層土壤儲水量之和，即：W＝∑Wi。

（2）土壤水分入滲測定

采用雙環（高30 cm，內徑10 cm，外徑20 cm）法測定土壤水分入滲，即在固定樣地內選擇3 個具有代表性的樣點，測定樣點的初始土壤含水率后，將雙環壓入土體內，雙環高出土壤表面5 cm 為止。將水同時倒入內環和外環中，并分別保持約1 cm 的水深。內環加入1 cm 水后使用秒表記錄入滲時間；當環內水位下降0.5 cm 后再次加水至1 cm，保持水分入滲時間記錄的連續性；直至3 次入滲率接近時，方停止入滲測驗。

3 結果與分析

3.1 不同林地土壤容重變化分析

林地的土壤水分變化受成土母質、氣候和植被及人類活動等綜合影響，表現出不同程度的時空變異性[10]，是評估林地土壤蓄持水分性能和水土保持能力的重要依據。其中，土壤容重是評價林地土壤結構優劣及其儲水能力高低的重要指標。林地土壤緊實，容重偏大，則會導致降水不能及時下滲，產生較多地表徑流，誘發林地土壤侵蝕；同時也會造成油松對當季降水的利用效率下降等后果。相反，林地土壤疏松，容重偏小，則在林地內形成地表徑流的機會減少，更多的水分會蓄存至土體內部，供油松及其林下植物利用，從而提高了水分利用效率。

不同人工油松林地土壤容重平均值大小順序為GY1（1.46 g/cm3）＞ZY1（1.42 g/cm3）＞GY2（1.37 g/cm3）＞DY1（1.34 g/cm3）＞ZY2（1.31 g/cm3）＞DY2（1.30 g/cm3）；不同人工油松林地的土壤容重分布存在較大的空間異質性（表2）。從土層深度來看，隨著土層加深，土壤容重存在明顯的增大趨勢；結合不同造林年份，尤其在GY1 和GY2 兩個較高海拔地帶，土壤剖面開挖較為困難，甚至因為礫石存在無法進行取樣。結合植樹造林時間來看，石橋林場在2007-2017 年先后進行了數次大規模的人工造林，造林時遵循的一個原則是先易后難，即在海拔較低、立地條件較好的區域先行造林。因此較低海拔立地條件下土體較為深厚，土壤容重變異性較弱，而在較高海拔區域，土層相對較淺，且土層中含有較多礫石，導致容重變異性較大。

表3 不同林地類型土壤入滲特征

3.2 不同林地土壤儲水量變化分析

土壤儲水量受到降水量、林地土壤、林木生長及氣溫等因素共同影響。本研究表明（圖1），在2022年10 月中旬，研究區進入雨季末期，油松人工林6 個樣地0～120 cm 深度的土壤儲水量介于205.62 mm～231.59 mm；不同林地年內平均土壤儲水量按照排序為DY2（231.59mm）＞ZY2（223.52mm）＞DY1（216.14mm）＞ZY1（213.98mm）＞GY2（206.74mm）＞GY1（205.62mm）?？梢?，低海拔區域的人工油松林地DY2 土壤儲水量最高，較高海拔區域的人工油松林GY1 儲水量高出12.63%。同時可以看出，隨著土層深度增加，不同林地的土壤儲水量基本呈現出較為一致的規律，即隨著土層加深，土壤儲水量呈現減少的趨勢，且基本在40～60 cm 層次間達到峰值。同一海拔范圍內，位于陽坡林地的土壤儲水量均小于陰坡的土壤儲水量。

圖1 不同林地平均土壤儲水量變化特征

3.3 不同林地土壤入滲特征分析

石橋林場人工油松林位于黃土丘陵區，土壤厚度不均一。地下水位埋深較大，土壤結構疏松，降水產生地表徑流多為超滲產流形式。土壤蓄水特性決定于土壤水分入滲過程。為了了解不同油松人工林的土壤入滲特性，分別進行土壤入滲測定野外試驗。由于土壤初始含水量會明顯影響到土壤初始入滲速率，因此本開始入滲實驗之前，對土壤初始含水量進行了測定。

結果表明，不同立地類型的土壤初始入滲速率差異較大，處于3.62～5.21 mm/min，穩滲率維持在1.06～2.26 mm/min。GY1 的初始入滲速率最高，達到5.21 mm/min，而穩滲率為2.14 mm/min，初始入滲率和穩滲率均維持在較高水平，這可能與該立地條件下土壤下層含有較大的砂礫石有關。相比之下，DY1林地的初始入滲速率為4.13 mm/min，而穩滲率為1.06 mm/min，在6 種立地條件下土壤穩滲率最低。

以往的研究結果表明，某一類型土壤入滲達到穩滲階段主要受控于土壤質地，即土壤容重及孔隙度等的影響。6 種立地條件下，土壤容重與孔隙度較大的立地范圍內，土壤入滲速率也較高。除了受土壤本身質地影響外，林地表面枯落物累積，根系對土壤有機質、結構的改良也促進了土壤的入滲能力。較高的土壤入滲速率雖然可以在一定程度上促進了地表水向地下水的轉化，降低了地表徑流的形成，減緩了土壤侵蝕。但是，由于較多的水分向深層次滲漏，也會降低當季水分的利用效率。

4 討論與結論

晉西北黃土高原地區的土壤含水量主要受到氣象因素和下墊面因素共同影響。其中降水量是晉西北地區植被恢復和生態重建的制約因素，研究區雨水入滲深度與土壤水分通量運移的活躍層主要在120 cm 以上土層，這也是大多數植被根系的主要分布區域。區域年降雨量較低時土壤蓄水量會明顯減少，甚至在一定土壤范圍內幾乎無水分補給，從而形成土壤干化層次。由于土壤水分受降水影響明顯，且土壤水分季節變化和降水的季節變化基本一致。因此，一些研究在長時間定位監測的基礎上，采用聚類分析方法將全年土壤水分變化分為干濕兩季或消耗期—補償期—穩定期三個時期，甚至有的研究還進一步劃分為消耗期—積累期—消退期—穩定期四個時期[11]。

本研究表明，六種油松人工林地土壤儲水量介于205.62～231.59 mm；較低海拔地區的林地土壤儲水量高于較高海拔的土壤儲水量；且陽坡林地土壤儲水量均低于陰坡。這在一定程度上體現出人工油松林純林作為當地的主要造林樹種，其林地土壤的蓄持水分能力與造林時間有關，也與海拔等因素有關。通常情況下，造林時間越早，林地土壤結構會在植物根系及土壤微生物或動物的影響下，其蓄持水分性能會提高。海拔增高可能會帶來增雨效果，也可能會降低植物蒸騰和土壤水分蒸發，其對林地土壤水分的影響需要更先進的手段和更長時間的定位監測才可能得出準確結論。同時也表明地形影響林地土壤的儲水量。這與地形和土壤質地是影響土壤儲水量的主要因素研究結論較為接近[12]。

本研究中大部分林地土壤體積含水量在20～40cm會出現增加現象，這可能是在雨季末期，植物蒸騰減弱，加上近幾年秋季降水偏多，使得林地近表層土壤水分得到更多補充，加上林下植被和枯落物層的覆蓋減少了土壤蒸發，因此水分的積累大于消耗。隨著土層深度增加，得到有效水分的補充機會減少，且根系吸水以及蒸騰作用耗水，使得土壤儲水量變小[13]。

土壤的入滲性能可通過原狀土定位測試來獲取，植被恢復或生態重建可顯著影響土壤入滲性能。以往研究表明，不同植被類型和種植密度可對土壤平均入滲速率、穩滲率及入滲量形成有顯著增加作用[14]。本研究表明，成林時間越長，其達到穩滲率所需時間越長，下滲水量越大，穩滲率趨于較低，滯留在土壤中的水分越多，能為植被當季利用的可能性越高，這對于水土保持和植被重建較為有利。同時，也表明建植時間越長，林地內枯落物將趨于積累，從而減緩了林地土壤水分無效蒸發，這對于提高林地水分利用效率有利，應該在今后的管護過程中予以重視。