冀北山地桦木林土壤水分物理性质研究

史瑞军,丁杰,胡静霞,杨新兵

(1隆化国有林场管理处 茅荆坝林场，河北 隆化 068154；2 河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)



冀北山地桦木林土壤水分物理性质研究

史瑞军1,丁杰2,胡静霞2,杨新兵2

(1隆化国有林场管理处 茅荆坝林场，河北 隆化 068154；2 河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

以4种不同桦木组成比例的林分类型为研究对象，比较其土壤水分-物理性质，结果表明：土层深度与容重呈正相关，落桦混交林土壤容重最大(1.14 g/cm3)，桦木混交林最小(1.00 g /cm3)；土壤孔隙度整体规律基本一致，随土层深度增加而减小，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤总孔隙度均是黑桦纯林最大，分别为45.0%、9.6%、53.6%；土壤持水量(除桦木混交林规律不明显外)整体规律基本一致，随土层深度的增加而减小，土壤毛管持水量均值桦木混交林最大(43.2 %)，土壤最大持水量均值黑桦纯林最大(49.3 %)；土壤入渗速率与时间呈幂函数关系，初渗速率和稳渗速率规律一致，均是桦木混交林最大、桦杨混交林最小。

冀北山地；桦木林；土壤水分物理性质

土壤是植物生长的基础，森林土壤的理化性质决定森林的树种组成、结构及其功能。森林被形象地比作“绿色水库”，既可以拦蓄降雨径流，也可以保存水分，为植物的生长提供水分来源。森林土壤可以决定地上植被树种组成及其生长状况；同时，植被的生长、繁衍、更新也会对土壤起到改良作用，增加土壤有机质，提高孔隙度，增强土壤的水源涵养功能，二者相辅相成，互相制约[1-2]。冀北山地位于河北省最北部承德地区，是京津冀地区的重要生态屏障，为京津冀保水源、控沙源提供重要保障。关于土壤水分-物理性质的研究主要集中在不同林分类型、坡向、坡位、海拔对土壤层水文效应的影响[3-6]。但是，关于不同树种组成比例对土壤水分-物理性质影响的研究鲜见报道。试验地选在冀北山地河北省围场县河北木兰围场自然保护区内。近年来，桦木(Betulaspp.)和华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)经济效益较高，是该区主要经营的造林树种。因此，试验以4种不同桦木树种组成比例的林分类型为研究对象，对其土壤水分-物理性质规律进行比较，旨在为该区桦木林经营管理提供理论依据。

1 研究区概况与方法

1.1研究区概况

河北木兰围场自然保护区地处内蒙古高原和冀北山地的汇接地带，行政区位在河北省最北部的围场满族蒙古族自治县境内的中西部地区，地理坐标为北纬41°47′～42°06′、东经116°51′～117°45′，海拔高度750～1 829 m，总面积50 637.4 hm2，具有水热同季，冬长夏短、四季分明、昼夜温差大的特征；年平均气温-1.4～4.7 ℃，无霜期67～128 d，年平均降水量380～560 mm，年平均蒸发量1 462.9～1 556.8 mm；土壤主要以棕壤、褐土和灰色森林土为主。据科学考察，保护区有高等植物1 076种，陆生野生脊椎动物317种，昆虫970种。

1.2试验方法

经过对研究地区的现场勘察，按照桦木树种在整个林分中所占的比例，选取了4种不同桦木树种组成比例的林分类型(黑桦纯林、桦木混交林、桦杨混交林、落桦混交林)作为研究对象，样地基本特征见表1。在每个样地内，挖土壤层剖面，按照机械分层方法，对0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层取样，带回实验室。用环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度、土壤持水量等指标，用双环法测定土壤入渗指标[3-4]。

表1 不同林地基本特征 Table 1 The status of different samples

注：文中提到的落叶松均为华北落叶松；黑桦(BetuladahuricaPall.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、山杨(PopulusdavidianaDode)、糠椴(TiliamandschuricaRupr.et Maxim.)。

2 结果与分析

2.1 土壤容重

容重是土壤紧实度的重要参数，直接反映土壤蓄水、通气状况，与土壤孔隙度和渗透率等密切相关。林地土壤容重情况见图1。

由图1可知，从垂直层次来看，各林分土壤容重均呈现出随土壤深度的增加而增大的趋势。表层土壤容重最小，说明表层土壤疏松肥沃、土壤孔隙大。样地4(落桦混交林)土壤容重均值最大，桦木混交林最小，但是桦木混交林和黑桦纯林差异非常小。4种桦木林分类型土壤容重均值由大到小排序为样地4(1.14 g/cm3)、样地3(1.11 g/cm3)、样地1(1.03 g/cm3)、样地2(1.00 g/cm3)。总体表明，随着桦木比例增大，土壤容重有减小的趋势，土壤也就变得越来越疏松。

图1 土壤容重Fig.1 Soil bulk density

2.2土壤孔隙度

土壤孔隙度直接影响土壤的透水和通气性能。毛管孔隙度越大，土壤中有效水的贮存量就越大。4种林地土壤毛管孔隙度变化情况见图2。

图2 土壤毛管孔隙度Fig.2 Soil capillary porosity

由图2可知，土壤毛管孔隙度大小分布在28.1%～54.0 %之间，4种桦木林分类型土壤毛管孔隙度整体规律基本一致，均随土层深度增加而减小。4种桦木林分类型土壤毛管孔隙度均值由大到小顺序为样地1(45.0%)、样地2(44.8%)、样地3(40.6%)、样地4(36.4%)。桦木混交林(样地2)和黑桦纯林(样地1)土壤毛管孔隙度均值较大，说明植物可利用的有效水较多。

非毛管孔隙度越大的林分，土壤通透性越好，有利于降水下渗，减少地表径流，充分起到涵养水源的作用[4]。4种林地土壤非毛管孔隙度变化情况见图3。

图3 土壤非毛管孔隙度Fig.3 Soil non-capillary porosity

由图3可知，土壤非毛管孔隙度大小分布在3.5%～11.7%之间，不同土层非毛管孔隙度的变化规律不完全一致，除桦木混交林(样地2)外，其他3种桦木林分类型土壤非毛管孔隙度整体规律基本一致，均随土层深度增加而减小。4种桦木林分类型土壤非毛管孔隙度均值由大到小顺序为样地1(9.6%)、样地3(7.4%)、样地4(6.9%)、样地2(4.7%)。黑桦纯林(样地1)土壤通透性最好，涵养水源能力最强。

4种林地总孔隙度变化情况见图4。

图4 土壤总孔隙度Fig.4 Soil total porosity

由图4可知，土壤总孔隙度变化规律比较明显，各林分类型表层土壤总孔隙度最高、比较疏松，与土壤中的植物根系分布、微生物的活动和枯落物腐烂快慢程度有关。随土层深度增加，总孔隙度降低。黑桦纯林(样地1)的土壤总孔隙度最大，4种桦木林分类型土壤总孔隙度均值由大到小顺序为样地1(53.6%)、样地2(49.4%)、样地3(48.0%)、样地4(43.4%)。林分中桦木比例越大，土壤总孔隙度就越大。

2.3 土壤持水量

林地土壤持水量一般分为林地土壤最大持水量(饱和持水量)和土壤有效持水量(毛管持水量)。毛管孔隙中的水分可以长时间保持在土壤中，有利于植物根系吸收和土壤蒸发，而非毛管孔隙能较快吸收降水并及时下渗，有利于水源涵养[4-7]。4种林地土壤毛管持水量情况见图5。

由图5可知，各林分在土层0～10 cm处土壤毛管持水量均最大，其中，黑桦纯林(样地1)土壤毛管持水量最大，主要是因为表层土壤有机质含量高，毛管孔隙度大，相应的毛管持水量达到最大。不同土层毛管持水量的变化规律不完全一致，除桦木混交林(样地2)规律不明显外，其他3种林分土壤毛管持水量整体规律一致，土壤毛管持水量均随土层深度的增加而减小。4种桦木林分类型土壤毛管持水量均值由大到小顺序为样地2(43.2%)、样地1(40.1%)、样地3(39.1)、样地4(32.9%)。

4种林地土壤最大持水量情况见图6。

图6 土壤最大持水量Fig.6 The maximum water-holding capacity

由图6可知，4种桦木林分类型最大持水量整体规律基本一致，随土层深度的增加土壤最大持水量明显减小。在0～10 cm的土层范围内，由于有机质含量高，土壤疏松，结构良好，土壤最大持水量均较大。其中，黑桦纯林(样地1)土壤最大持水量最大。4种桦木林分类型的土壤最大持水量由大到小顺序为样地1(49.3%)、样地2(48.3%)、样地3(46.5%)、样地4(39.2%)。

2.4土壤入渗速率

林地土壤入渗过程不仅是森林生态系统水分循环的重要环节，同时在林地发挥调配降雨、保持水土的过程中有着重要作用[1-4]。而土壤水分入渗速率与土壤质地、结构、孔隙度、有机质含量和土壤湿度有关，是反映土壤涵养水源功能的重要参数[8]。不同林分土壤渗透模型见表2，土壤入渗曲线见图7。

表2 土壤渗透速率及渗透模型Table 2 Soil infiltration rate and infiltration model

图7 不同林分类型土壤入渗曲线Fig.7 Different forest types on soil infiltration curve of different forest types

从表2和图7可知，4种桦木林分类型土壤初渗速率差别很大，但是，初渗速率和稳渗速率规律基本一致，均是桦木混交林(样地2)最大，桦杨混交林(样地3)最小。土壤入渗速率与入渗时间存在较好的幂函数关系。稳渗速率由大到小顺序为样地2(4.23 mm/min)、样地1(2.94 mm/min)、样地4(1.80 mm/min)、样地3(1.67 mm/min)。

3 结论

本研究以4种不同桦木组成比例的林分类型为研究对象，比较其土壤水分-物理性质规律，结果表明：(1)土层深度与容重呈正相关，落桦混交林土壤容重最大(1.14 g/cm3)，桦木混交林最小(1.00 g/cm3)；(2)土壤孔隙度整体规律基本一致，随土层深度增加而减小，土壤毛管孔隙度均值、非毛管孔隙度均值、土壤总孔隙度均值均是黑桦纯林最大，分别为45.0%、9.6%、53.6%；(3)各林分类型在土层0～10 cm处土壤持水量均较大，林分土壤持水量(除桦木混交林规律不明显外)整体规律基本一致，土壤持水量均随土层深度的增加而减小，土壤毛管持水量均值桦木混交林最大(43.2%)，土壤最大持水量均值黑桦纯林最大(49.3%)；(4)土壤入渗速率与入渗时间呈明显幂函数关系，初渗速率和稳渗速率规律基本一致，均是桦木混交林最大、桦杨混交林最小。桦木是近年来该区主要经营的造林树种。本研究结果可为该区桦木林经营管理提供理论依据。

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(编辑 郭丽娟)

Study on soil water physical properties ofBetulaforests in northern mountain of Hebei province

SHI Ruijun1,DING Jie2,HU Jingxia2,YANG Xinbing2

(1MaojingbaForestFarm，LonghuaStateForestAdministration，Longhua068154,China; 2CollegeofForest,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000，China)

This article took four different tree species compositions ofBetulaspp. forests as the research objects to compare the laws of soil moisture physical properties. The results showed that: (1) Depth of soil layer and bulk density were positively correlated. The biggest average soil bulk density was mixedLarixprincipis-rupperchtiiandBetulaplatyphylla(1.14 g/cm3), while the smallest wasBetulamixed forest (1.00 g/cm3). (2)The law of soil porosity was basically the same, which decreased with the increase of soil depth. The soil porosity, non-capillary porosity, and the total soil porosity ofBetuladahuricaforest were all the highest, which were 45.0%, 9.6%, and 53.6% respectively. (3) Soil water holding capacity decreased with the increase of soil depth, except forBetulamixed forest.Betulamixed forest had the biggest soil capillary water-holding capacity (43.2%), while the biggest soil maximum water-holding capacity wasBetuladahuricaforest (49.3%). (4)The soil infiltration rate and infiltration time was power functional relationship. The initial infiltration rate and steady infiltration rate were consistent, the value of which were the biggest forButulamixed forest, and the smallest for mixedBetulaplatyphyllaandPopulusdavidianaforest.

northern mountain of Hebei province; mixedBetulaforests; soil moisture physical property

2017-03-11；

2017-04-18

河北省地方行业标准“森林健康评价与经营技术规程”(FW201663)；河北省林业厅科技项目“冀北山区森林生态系统健康评价技术研究”(1403451)；林业公益性行业科研专项子课题“冀北山区典型森林生态系统健康经营技术研究与示范”(200804022F)。 第一作者：史瑞军(1971-)，男，河北隆化人，本科，林业工程师，研究方向：林业资源与管理。

1007 - 4961(2017)02 - 0124 - 05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0023

S 714.7

A