晋北风沙区杨树退化林分改造对林地土壤蓄水能力的影响

周玉泉，姚建忠，王 富，杨 斌

(1.山西省桑干河杨树丰产林实验局，山西 大同 037006；2.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

水源涵养是森林生态系统的主要功能之一[1]。许多研究表明，森林土壤层孔隙网络丰富，是森林系统截留降水后入渗、贮存和调配的主要场所[2]。土壤层的最大持水量能占整个森林系统综合持水量的90%以上[3]，被认为是发挥水源涵养功能的核心部分。特别是在水资源短缺的晋北风沙区，森林土壤层的蓄水能力更值得关注。

土壤孔隙度和容重影响着土壤的通透性，是决定土壤层蓄水能力大小的主要因素[4]。土壤孔隙度反映了水分在土层中可以填充的空间情况，其包含的毛管孔隙和非毛管孔隙能够将70%～80%的降水储存于土壤中[5]。毛管孔隙具有明显的毛管作用，其中的水分不易流失，可以被植物根毛和微生物伸入到孔隙中吸收利用，是植物吸收的主要水源。非毛管孔隙比较粗大，可以快速地吸收降水补充地下水，是水分进入土壤再分配的主要通道[6]。因此，开展土壤孔隙度的研究对生态系统水资源的管理非常重要。

一般来说，土壤孔隙度大小受土壤容重的影响，即容重增加后，土壤的孔隙度就会随之减小，从而影响土壤的水分状况。相反，土壤容重小，其孔隙度就大，土壤的通透性就好，对水分的渗透和蓄存能力也就更强[4]。林分退化后，其根系的活动能力大大下降，再加上地表凋落物的输入减少，会导致土壤板结，土层蓄水能力下降[7]。目前已有研究证实了土壤容重和蓄水能力与林分退化的相关性，但是对其改造后的相关研究还比较少见。

晋北风沙区位于黄土高原的东北部，降水相对匮乏[8]，其水资源管理一直是当地政府部门和科研人员关注的重点。在早期营造的大面积杨树人工林出现退化后，林业部门进行了多年的退化林分改造工作，目前正在进行改造效果的总结和科学评价工作。本研究通过整合多个指标，利用模糊隶属函数法，对不同退化改造林分的土壤层蓄水能力进行综合评价，揭示不同改造方式对林地土壤水源涵养能力的影响，以期为提高晋北地区森林水源涵养能力提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省桑干河杨树丰产林实验局所辖的金沙滩林场、落阵营林场、九梁洼林场，地理位置112°48′～113°34′E、39°17′～39°40′N，海拔1 000～2 300 m，属北温带大陆性气候区，年均气温6.8 ℃，年降雨量350～400 mm，年蒸发量1 700 mm左右，无霜期125～130 d[8]。研究区主要土壤类型为栗钙土和风沙土，pH值为7.4～7.8[9]。95%以上的森林为人工林，主要树种有杨树、油松和樟子松；林下植物种类较少，主要灌木为沙棘，草本大部分为蒿类和狗尾草等。

1.2 样地设置与调查采样

样地设置采用典型取样方法，选取林相整齐、无明显病虫害的杨树丰产林(FP)、油松纯林(PP)和杨树-油松混交林(MP)3种林分类型。其中，杨树丰产林为原杨树退化林分通过伐桩嫁接方式改造形成，油松纯林是通过皆伐重新造林方式形成，杨树-油松混交林是通过间伐补植方式形成。每种类型设置3个大小为20.0 m×20.0 m的调查样地，所有重复样地间隔100 m以上。记录各样地的经纬度、海拔、坡度和坡向；对样地内所有胸径≥5 cm的乔木进行每木检尺，记录树种名称、胸径和树高。在每块调查样地内沿对角线设置3个5.0 m×5.0 m的灌木样方，并在每个灌木样方左下角设置1个1.0 m×1.0 m的草本样方，用于调查灌木和草本的种类和盖度。凋落物调查是在样地的中间和四角各取一个测量点，测量凋落物厚度。土壤调查采用剖面法(1 m深)，分别在0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm剖面土层上用环刀采集原状土样各3个，80 ℃烘干至恒定质量后测定土壤含水量、土壤容重和孔隙度。不同林分标准地基本特征见表1。

表1 不同林分标准地基本特征

1.3 土壤层蓄水能力计算

土壤最大蓄水量计算公式为

(1)

式中：Wm为土壤最大蓄水量，t/hm2；Mi为第i土层土壤总孔隙度，%；Hi为第i土层深度，m；n为土层数。

土壤毛管蓄水量计算公式为

(2)

式中：Wc为土壤毛管蓄水量，t/hm2；Ci为第i土层土壤毛管孔隙度，%；其余字母意义同前。

土壤非毛管蓄水量计算公式为

(3)

式中：Wn为土壤非毛管蓄水量，t/hm2；Ni为第i土层土壤非毛管孔隙度，%；其余字母意义同前。

1.4 林地土壤水源涵养能力综合评价

采用模糊数学隶属函数法对测定的各项指标进行综合分析评价，并根据隶属值进行排序，确定其水源涵养能力大小。隶属值计算公式为

(4)

式中：U(Xij)为评价指标的隶属值；Xij为各评价指标测定值；Ximin为各评价指标测定的最小值，Ximax为各评价指标测定的最大值。

其中，土壤容重的隶属值采用反隶属函数计算，计算公式为

(5)

1.5 数据处理与分析

所有数据均通过正态分布检验和方差一致性检验。用单因素方差分析(LSD法)检验不同改造林分间各参数的差异显著性(α=0.05)。数据整理和计算在Microsoft Excel 2010中进行，统计分析在SPSS17.0软件上进行。

2 结果与分析

2.1 退化林分改造对林地土壤物理性质的影响

土壤容重是计算土壤持水能力的重要参数。土壤容重的大小除了受土层本身结构的影响，还经常受到外界因素如人为活动的影响。退化林分的改造也会影响林地土壤的容重变化。由表2可以看出，改造后的杨树-油松混交林的土壤容重(1.53g/cm3)显著低于杨树丰产林(1.66 g/cm3)，比杨树丰产林降低了7.83%；而油松纯林土壤容重(1.70 g/cm3)比杨树丰产林有所增加，但是两者之间的差异并不显著。在垂直分布上，3种林分类型的土壤容重表现出一致的规律，即表层土壤(0～20 cm)容重最小，深层土壤(80～100 cm)容重最大，土壤容重随土壤深度增加而逐渐变大。

表2 不同林分类型土壤容重

土壤孔隙是地下水运输和蓄存的主要场所，孔隙的大小和数量(孔隙度)，直接影响着土壤的持水量，是评价土壤水源涵养能力的重要指标。由表3可知，退化林分改造后，杨树-油松混交林的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均显著高于杨树丰产林；而油松纯林的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度与杨树丰产林相比则有所减小，但是变化均不显著。在土层垂直分布上，3种林分土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均表现出随土层的加深而减小的现象，0～20 cm层土壤孔隙度最大，80～100 cm层土壤孔隙度最小。

2.2 退化林分改造对林地土壤蓄水能力的影响

土壤的蓄水能力一般通过土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量等指标来衡量。由表4可知，研究区内3种改造林分0～100 cm深土壤毛管蓄水量为3 995.66～4 618.00 t/hm2，非毛管蓄水量为396.82～624.98 t/hm2，最大蓄水量为4 392.48～5 242.98 t/hm2之间，蓄水量都比较可观。同时我们也发现，退化林分改造成杨树-油松混交林后，其毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量均显著高于杨树丰产林；而改造成油松纯林后，其毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量与杨树丰产林相比则有所减小，但是变化不显著。

从土壤深度看，3种改造林分土壤蓄水量的变化规律一致，均随土层的加深呈持续下降的趋势(图1)，即土壤蓄水能力均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～80 cm>80～100 cm，且0～40 cm土层蓄水能力明显高于其他土层；同时可以推测，研究区内100 cm以下土层仍具有较为可观的蓄水量。这表明研究区内土层相对较厚，具备较强的水源涵养能力。

图1 3种林分类型不同深度土壤蓄水能力

2.3 不同改造类型林地土壤水源涵养能力综合评价

隶属函数法是运用模糊数学的原理，在考虑多项指标的基础上进行综合评价的方法，评价结果具有客观性和全面性[10]。土壤水源涵养功能是森林冠层、凋落物层和土壤层三者共同作用的结果。根据全面性和层次性原则，本次评价选取了各林分类型的平均树高、平均胸径、灌草盖度、凋落物厚度、土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等7个指标作为参评指标进行隶属值计算，结果见表5。由表5可知，3种林分类型的水源涵养能力综合评价结果为：杨树-油松混交林(0.725 1)>杨树丰产林(0.663 1)>油松纯林(0.321 1)。

表5 不同林分类型土壤水源涵养能力综合评价

3 讨 论

本研究分析了对晋北地区杨树退化林采取3种改造措施后的林地土壤层蓄水能力，并用隶属函数法对其水源涵养能力进行了综合评价，结果显示：在晋北风沙区，同时期退化林分改造后，杨树-油松混交林的土壤蓄水能力最强，杨树丰产林次之，油松纯林的土壤蓄水能力最弱。

一般认为，森林土壤的蓄水能力主要与土壤容重、孔隙度及土层厚度有关。土壤容重越小，土层越疏松多孔，越有利于水源涵养；反之，容重越大，土壤越紧实，其通透性和存储水分的能力就越弱[11]。在本研究中，退化林分改造后，与杨树丰产林相比，杨树-油松混交林的土壤容重显著减小，而油松纯林的土壤容重没有明显变化，甚至有所增大。这说明退化林分改造成混交林后，其林地土壤结构更疏松，通透性更好，有利于对水分的涵养；而改造成油松纯林后，其土壤质地相对紧密，土质较硬，土壤持水能力也相对较差。这与汤腾方等[12]的研究结果一致。原因可能是混交林分的层次结构分明，丰富了林下灌木及草本的种类及数量，这些灌草的根系在土壤中穿插生长，就会导致其土壤疏松、容重减小[13]；还有混交林的树种组成更加多样，地表凋落物的种类丰富，更有利于土壤微生物对凋落物的分解[14]。

土壤孔隙度的大小与土壤容重成负相关，即土壤容重越小，其孔隙度越大，土壤运输和蓄存水分的能力也就越大[15]。在本研究中，退化林分改造后，3种林分的土壤孔隙度大小排序为杨树-油松混交林>杨树丰产林>油松纯林。这一结果进一步验证了退化林分改造成混交林，更有利于发挥林地土壤对水分的涵养功能。而且，从土壤剖面角度看，3种林分的土壤孔隙度均随土层深度增加呈现出下降的趋势，说明表层土壤的蓄水能力最强，深层土壤的蓄水能力逐渐降低，与杨钟学等[16]的研究结果一致。这主要与植物根系在土壤表层活动和表层土壤生化过程活跃有关[17]。

总之，在土层厚度一定的情况下，退化林分改造成杨树-油松混交林后，可以改善林地土壤结构，增强土壤蓄水能力，而改造成油松纯林或者继续种植杨树林则没有这种效果。因此，在晋北风沙区退化林分改造时可参考针阔混交林分结构进行改造，以提高退化林地的水源涵养功能。

4 结 论

在晋北风沙区，对杨树退化林采取3种改造措施后，杨树-油松混交林的土壤蓄水能力最强，杨树丰产林次之，油松纯林的土壤蓄水能力最弱。从水源涵养方面考虑，晋北风沙区杨树退化林分改造时，不宜皆伐改造成油松纯林，容易造成土壤蓄水能力在一定时期(0～25 a)内减退，影响生态系统的水分循环。