贺兰山西坡不同混交方式云杉林土壤物理性质与水文特征研究

Study on soil physical properties and hydrological characteristics of Picea spruce forests in different mixed patterns on the western slope of Helan Mountain

摘要

目的 掌握贺兰山西坡阴、阳面不同混交方式云杉林（云杉、云杉2个混交林和云杉3个混交林）土壤物理性质及水文特征。 方法 通过典型野外抽样调查法，研究了不同混交方式云杉的土壤物理和水文指标，并对相关指标进行比较分析。 结果 阴、阳两面不同植被类型在0~20 cm土层土壤物理性质和水文效应综合均表现为：云杉2个混交林>云杉>云杉3个混交林。阴坡3种林分类型土壤物理性质为：容重0.59~1.31 g/cm³，毛管孔隙度为50.02%~68.49%，非毛管孔隙度1.10%~13.73%，总孔隙度48.38%~69.59%；阳坡3种林分类型土壤物理性质为：容重0.97~1.14 g/cm³，毛管孔隙度为50.12%~56.53%，非毛管孔隙度0.87%~2.30%，总孔隙度52.46%~57.80%。阴、阳坡0~20 cm土层的水文特性表现为：阴坡土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量、现有土壤贮水量及土壤饱和贮水量均为云杉2个混交林较高；阳坡土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量和土壤最大滞水量均为云杉2个混交林较好，而现有土壤贮水量和土壤饱和贮水量云杉3个混交林较好。 结论 通过主成分分析得出：西坡阴面不同林分类型0~20 cm土层土壤物理性质和水文效应优于阳坡，云杉2个混交经营模式的土壤层水文性能要优于云杉和3个混交经营模式。因此，在森林经营管理中应充分考虑树种组成、配置方式等因素影响，加快实施针叶纯林的近自然阔叶化改造，以加强地区森林的水文功能和健康经营。

Abstract

Objective In order to master the soil physical properties and hydrological characteristics of different mixed Picea spruce forests (P.spruce,P.spruce two mixed forests and P.spruce three mixed forests) in the shade and sun of the western slope of Helan Mountain. Method The soil physical and hydrological indexes of different mixed spruce forests were studied by the typical field sampling survey method, and the related indexes were compared and analyzed. Result The soil physical properties and hydrological effects of different vegetation types in 0~20 cm soil layer were as follows:2 mixed stands of Picea asperata>Picea asperata>3mixed stands of Picea asperata.The physical properties of the three stand types on shady slope were: bulk density is 0.59~1.31 g/cm³,capillary porosity is 50.02%~68.49%,non-capillary porosity is 1.10%~13.73%,total porosity is 48.38%~69.59%,the bulk density is 0.97~1.14 g/cm³ on sunny slope,the capillary porosity is 50.12%~56.53%,non-capillary porosity is 0.87%~2.30%,total porosity is 52.46%~57.80%.The hydrologic Characteristic of 0~20 cm soil layer on the shady and sunny slopes are as follows: soil moisture content,maximum capillary water holding capacity,soil saturated water content,existing soil water storage capacity and soil saturated water storage capacity are higher in Picea asperata and Picea asperata mixed forests under shady slope treatment;The soil water content,the maximum capillary water holding capacity,the soil saturated water content and the maximum retention of soil water under the treatment of Sun Slope were better than those of the two mixed stands of Picea asperata, the existing mixed forest of soil water storage and soil saturated water storage of Picea asperata is better. Conclusion The results of principal component analysis showed that the soil physical properties and hydrological effects of 0~20 cm soil layer in the shady side of the western slope were better than those of the sunny side,the soil hydrologic performance of two mixed management models of Picea asperata is better than that of two mixed management models of Picea asperata.In order to strengthen the hydrological function and healthy management of regional forests,it is necessary to speed up the transformation of conifer pure forest into near-natural broadleaf forest.

Graphical abstract

关键词

云杉 / 混交林 / 土壤物理特性 / 水文效应 / 主成分分析

Key words

Picea spruce / mixed forest / soil physical porosities / hydrological effect / principal component analysis

青海云杉（Pinus tabulaeformis）是贺兰山区森林群落主要的建群树种，分布范围大，具有非常重要的生态价值和研究意义^［1］。但目前贺兰山云杉林生态环境较脆弱，而土壤物理特性与水文效应又是影响森林植被生态功能的基础，具有提高土壤的通气透水性、土层质量、水土保持、涵养水源、降水再分配以及防御旱涝等功能^［2-3］。而林分土壤不同于其他土壤类型，其物理特性与水文效应通常会受到植被土壤发育、枯落物构成、根系及各种各样生物群落等因素的影响^［2］，因此，合理改良土壤质量也是维持植被生态平衡的重中之重^［3］。林分土壤水文效应常因林分土壤类型的不同而存在差异，其中土壤物理特性与持水能力反映了土壤的结构状况、持水性能、保水能力及水分渗透能力^［4］。土壤孔隙度作为土壤结构特性评价指标的同时也是土壤水文效应的主要影响因素之一，孔隙度的大小及数量直接影响土壤层水分含量入渗程度及贮存^［5］。丛日亮等^［6］研究认为，毛管孔隙度较大时，土壤中有效水的贮存量越大，非毛管孔隙度越大时，土壤通透性则越好。景贯阳等^［7］认为土壤容重随土层深度增加时，孔隙度会随土层深度的增加而呈现逐渐递减的趋势。多项研究表明，不同林分类型由于树种生物学特性与结构的影响，其林地土壤的水分物理效应和物理性质差异较大^［4，8］。因此，土壤层水文效应在较大程度上能够反映植被对土壤理化性状的改良效果和植被类型与土壤水文物理特性的关联程度^［5］。

宁夏贺兰山作为中国重要的自然地理分界线之一，是西北地区最后一道生态安全屏障^［9］。因此加强该区的生态环境建设极为重要。近年来有不少学者对植被土壤物理性质研究较多^{［6，10-11］}，不同坡向下各云杉林的水文效应鲜见报道。因此，本研究以宁夏贺兰山自然保护区典型的3种林分类型（云杉林、云杉2种混交林和云杉3种混交林）为研究对象，通过野外调查与室内试验分析，探究云杉林分类型阴、阳坡下的土壤理化性质与持水特性的关系，评价其水文特性，进一步了解植被类型对土壤层水文循环的功能和作用，为贺兰山森林生态平衡提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贺兰山国家级自然保护区，地处银川平原和阿拉善高原之间，地理坐标为E 105°49'~106°41'，N 38°19'~39°22'；处在典型大陆性气候区域范围内，具有山地气候特征。年平均温度-0.9 ℃，极端最高气温25.2 ℃，极端最低气温-31 ℃，1月平均气温-14.2 ℃，7月份平均气温11.9 ℃ ，≥10 ℃积温478.6 ℃，无霜期122.6 d，年平均降水量420 mm，最高达627.5 mm，6~8月份最为集中，年均日照时数3 100 h。研究区内的土壤类型主要是山地灰褐土和山地灰钙土，主要的植被类型为针阔混交林^［12］。

1.2 样地设置与调查

在前期样地踏查的基础上，于2021年6月中旬在宁夏贺兰山自然保护区西坡展开试验样地调查。在研究区域内选择青海云杉纯林（pure Pinus tabulaeformis）、山杨云杉杜松混交林（mixed forest of Populus davidiana，Pinus tabulaeformis and Juniper）、云杉杜松混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Juniper）等3种典型的植被类型样地^［12］，在3种典型的植被类型样地的阴阳面分别设置20 m×20 m样地，共计6块样地。记录海拔、坡向、坡度等基本样地信息，并对林木进行每木检尺，测量胸径、树高、冠幅等因子，进行详细记录。在6块样地内选取代表性样点，每个样地内选取3个采样点，挖取土壤剖面，分别按0~10 cm、10~20 cm土层取样。各样地基本调查信息见表1。

1.3 测量方法

用烘干法测定土壤含水量，用环刀浸泡法测定土壤物理特性^［13］。将土样浸水8 h后称质量并计算出土壤最大持水量（%），静置2 h后称质量并计算出毛管持水量（%），静置24 h后称质量并计算出最小持水量（%）^［14］。土壤的容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度计算公式如下^［15］：

\mathrm{土壤}\mathrm{容重}(\mathrm{g}/\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}})=\frac{\mathrm{环刀}\mathrm{内干}\mathrm{质量}}{\mathrm{环刀}\mathrm{体积}}

毛管孔隙度（%）=毛管持水量×土壤容重

非毛管孔隙度（%）=（最大持水量－毛管持水量）×土壤容重

总孔隙度（%）=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2020软件和SPSS 21软件对数据进行统计分析和绘图。采用LSD法检验α=0.05水平上的差异性，用Origin 2020软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同坡向各林分类型土壤容重特征

如图1所示，阴坡0~10和10~20 cm土层，云杉和云杉2种混交林土壤容重均显著低于云杉3种混交林（P<0.05），阳坡0~10和10~20 cm土层各林分类型间均无显著性差异（P>0.05）。

由表2可知，阴坡与阳坡对0~10 cm土层土壤容重影响显著（P<0.05），而对10~20 cm土层土壤容重影响不显著（P>0.05）；各林分类型对0~10、10~20 cm土层土壤容重影响均不显著（P>0.05），坡向与各林分类型的交互作用对0~10 cm土层土壤容重影响不显著（P>0.05），而对10~20 cm土层土壤容重影响显著（P<0.05）。

2.2 不同坡向各林分类型毛管孔隙度特征

如图2所示，阴坡0~10 cm土层云杉2种混交林土壤毛管孔隙度较云杉及云杉3种混交林显著增加12%和37%（P<0.05），10~20 cm土层无显著性差异（P>0.05）；阳坡0~10、10~20 cm土层云杉各林分间土壤毛管孔隙度均无显著性差异（P>0.05）。

由表3可知，坡向对0~10、10~20 cm土层的毛管孔隙度影响不显著（P>0.05）；各林分类型对0~10、10~20 cm土层土壤孔隙度影响不显著（P>0.05），坡向与各林分类型的交互作用对0~10 cm土层影响显著（P<0.05），而对10~20 cm土层影响不显著（P>0.05）。

2.3 不同坡向各林分类型土壤非毛管孔隙度特征

如图3所示，阴坡0~10、10~20 cm土层各林分类型土壤非毛管孔隙度均不显著（P>0.05）。阳坡0~10 cm土层云杉2种混交林土壤非毛管孔隙度较云杉显著增高161%（P<0.05）；10~20 cm土层云杉3种混交林较云杉及云杉2种混交林分别显著提高34%、53%（P<0.05）。

由表4可知，坡向对0~10、10~20 cm土层的毛管孔隙度影响不显著（P>0.05）；各林分类型对0~10、10~20 cm土层土壤孔隙度影响不显著（P>0.05），坡向与各林分类型的交互作用对0~10 cm土层毛管孔隙度影响显著（P<0.05），而对10~20 cm土层毛管孔隙度影响不显著（P>0.05）。

2.4 不同坡向各林分类型土壤总孔隙度特征

如图4所示，阴坡0~10 cm土层云杉2种混交林土壤总孔隙度较云杉3种混交林显著增加33%（P<0.05），10~20 cm土层云杉林与2种云杉混交林土壤总孔隙度较云杉3种混交林分别增加20%、39%；阳坡0~10、10~20 cm土层各林分类型间均无显著性差异（P>0.05）。

由表5可知，坡向对0~10、10~20 cm土层土壤孔隙度影响均不显著（P>0.05）；各林分类型对0~10、10~20 cm土层土壤孔隙度影响均不显著（P>0.05）；坡向与各林分类型的交互作用对0~10 cm土层土壤孔隙度影响也不显著（P>0.05），而对10~20 cm土层土壤孔隙度影响显著（P<0.05）。

2.5 不同坡向各林分类型土壤持水能力

如表6所示，阴坡不同土层处理下云杉和云杉2种混交林土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量较云杉3种混交林均有显著性差异（P<0.05），阳坡处理则不显著（P>0.05）。阴坡0~20 cm土层下，云杉和云杉3种混交林土壤含水量和土壤最大滞水量随土层增加而降低，云杉2种混交林则增加；阴坡云杉2种混交林和云杉3种混交林毛管最大持水力和土壤饱和含水量随着土层的增加而降低，云杉林则相反；阴坡云杉、云杉2种混交林及云杉3种混交林现有土壤贮水量及土壤饱和贮水量均随着土层的增加而降低。阳坡0~20 cm土层下，云杉和云杉2种混交林土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量、现有土壤贮水量、土壤最大滞水量及土壤饱和贮水量均随着土层的增加而降低，云杉3种混交林则相反。

如表7所示，坡向对0~20 cm土层土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量、现有土壤贮水量、土壤最大滞水量、土壤饱和贮水量的影响均不显著（P>0.05）；各林分类型对0~20 cm土壤含水量、毛管最大持水量、土壤饱和含水量、现有土壤贮水量、土壤最大滞水量、土壤饱和贮水量、土壤饱和含水量的影响也均不显著（P>0.05），但坡向与各林分类型交互作用对0~20 cm土层土壤持水力的影响，除了对0~10 cm土壤最大滞水量和10~20 cm土壤饱和贮水量影响不显著（P>0.05），对其他各土层土壤持水力指标均有显著性差异（P<0.05）。

2.6 不同坡向各林分类型土壤物理性质与持水能力的主成分分析

为了探究贺兰山西坡阴、阳两面不同林分的土层物理性质和土壤持水能力的综合特性，对其进行主成分分析。如表8所示，各主成分的特征值、方差贡献率及累计方差贡献率，前两主成分特征值大于1，其中第1、2主成分累计贡献率为97.47%，即这两个主成分涵盖10个土壤层评价指标90%以上的信息。

为了更加直观地评价贺兰山西坡阴、阳两面土层物理性质和土壤持水能力，对其主成分值之和进行综合评价。以每个主成分的方差贡献率作为权重构建综合评价指数：F_综=7.39X₁+2.35X₂。如表9所示，通过阴、阳两面不同林分类型土壤层处理下各土壤评定指标的主成分值和综合值分析均得出：云杉2种混交林>云杉>云杉3种混交林，其中阴面3种林分类型综合值高于阳面，表明贺兰山西坡阴面云杉2种混交林的土层物理性质和土壤持水能力较好。

3 讨 论

3.1 不同坡向对各林分类型土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重是反映土壤紧实度的重要指标，主要受林分土壤发育状况的影响，也是象征土壤质量的一个重要参数，同时也反映着土壤通气性和透水性^［16］。刘兴明等^［17］研究表明，青海云杉纯林由于分布在阴坡，并且林下分布较厚的苔藓和凋落物，从而使土壤容重显著小于阳坡其他林分类型。本研究结果表明，贺兰山阴面与阳面云杉纯林土壤容重均较小于混交林，且阴坡较小于阳坡。分析其原因可能是阴坡由于受阳光照射较弱，水分蒸发较小，土壤较为疏松，容重较小^［18-19］。毛管孔隙度是土壤毛管水所占据的孔隙，主要用于根系吸收和土壤蒸发，是土壤孔隙的重要组成部分之一^［20］。Rivero R G等^［21］和Wösten J H M等^［22］认为多树种混交能提高土壤毛管和非毛管孔隙度，改善土壤物理性质，提高土壤蓄水能力，其中以混交林最好，纯林稍差。而本研究结果表明，各坡向土壤毛管孔隙度均为云杉混交林较优于云杉纯林。混交林的微生境、凋落物有机质含量和根系分布及数量可有效调节土壤物理结构，毛管孔隙增多^［23-24］。同时混交林土壤毛管孔隙度一般较大于纯林，另一些原因是纯林土壤容重较小，土壤相对紧实，土壤疏松性差，而混交根系和落叶种类较多，根系和落叶腐烂后可促使孔隙度的提升，进而增加毛管孔隙度^［25-26］。非毛管孔隙度是土壤快速储水的场所，非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸收有效水的储存容量越大^［27］。土壤总孔隙度是非毛管孔隙度和毛管孔隙度之和，是评价土壤物理性质的基本指标之一^［28］。田大伦等^［29］研究认为土壤总孔隙度在40%~60%，非毛管孔隙度占20%~40%时，土壤持水能力比较好。本研究中贺兰山各坡向下云杉混交林非毛管孔隙特性相比云杉纯林较高，表明云杉混交林土壤蓄水力较纯林更好，有效水含量较高，从而改善阴、阳坡植被类型的土壤蓄水能力和水分调节功能^［30］。云杉2种混交林总孔隙度均显著高于云杉及云杉3种混交林，表明阴、阳坡对土壤总孔隙度影响不显著，而不同林分间存在显著差异，这主要与表层的凋落物组成状况、地下根系的生长发育和分布状况及凋落物的分解状况等密切相关^［31］。

3.2 不同坡向对各林分类型土壤持水力的影响

土壤持水力反映了森林涵养水源的能力，其好坏直接关系到植被的生长发育以及地表径流量和潜流量^［32］。土壤水分作为土壤的重要组成物质之一，不仅受气候、地形和土壤物理性质等影响，还受物种组成、郁闭度及凋落物层厚度等特征制约^［33］。本研究中贺兰山西坡阴面云杉2种混交林土壤含水量较高，由于阳面林分受流水和风力的影响，导致土壤容重增大，水分入渗困难，含水量降低^［34］，同时，云杉混交林对阴面环境地理条件的适应性更强，其地表覆盖物也较优越。本研究中土壤饱和含水量和毛管最大持水量阴坡优于阳坡，云杉2种混交林优于其他林分类型。首先，阴坡降雨量及土壤层保水蓄水力更优于阳坡；其次，不同云杉林分类型之间枯落物的分解程度越大，即持水能力越强，当水分含量增加到一定数量后，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］。土壤贮水量的变化是土壤内部水分向上蒸散、向下渗透及与大气降水共同作用的动态变化结果^［36］。张先来等^［37］研究指出，果园中0~20 cm土层土壤贮水量相比无覆盖物的草地总体提高5.79%。那平山等^［38］研究表明，当土壤滞水量平均<5%时，天然林和混交林等植被衰亡、加速荒漠化，当滞水量达过饱和状态时，则易形成不良现象，生态平衡遭受威胁。有秸秆和杂草覆盖的土层土壤饱和贮水量、吸持贮水量及滞留贮水量较无覆盖物土壤分别高2.18、0.84、1.34 mm^［39］。本研究中阴坡下各林分类型现有土壤贮水量、土壤最大滞水量及土壤饱和贮水量均值均比阳坡高，现有土壤贮水量越小，越不利于水源涵养。阴坡云杉2种混交林显著高于其他林分类型，说明2种混交林植被土壤更有利于降水的贮蓄，能够有效减少地表径流，水土保持功能较优^［40］；.土壤最大滞水量表现为云杉3种混交林最高，非毛管孔隙作为存储有效水分的主要场所，与非毛管孔隙度密切相关，对土壤最大滞水量有重要意义^［41］；土壤饱和贮水量表现为云杉2种混交林最好，土壤饱和贮水量与容重有负相关关系，与总孔隙度有密切正相关关系，表明土壤物理性质改良越好，土层饱和贮水量就越高^［42］。

4 结 论

研究表明，贺兰山西坡阴面各土层土壤物理性质和水文效应均优于阳面，其中云杉2种混交林综合特性较好，云杉和云杉3种混交林次之，不同林分类型均可显著改良土壤理化性质及持水状况，但它们之间存在差异，以云杉2种混交林更适宜在研究区生长种植。

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基金资助

宁夏重点研发计划项目(2021BEG02005)

国家自然科学基金项目(31960359)

宁夏高等学校一流学科建设（生态学）项目(NXYLXK2017B06)

第三批宁夏青年科技人才托举工程项目(TJGC20180682018)