辽西低山丘陵区刺槐林地土壤物理特性变化规律研究_阎孟冬.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 042辽西低山丘陵区刺槐林地土壤物理特性变化规律研究阎孟冬(朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)摘要通过样地布设、森林群落结构调查以及土壤采样与测定，揭示了辽西低山丘陵区刺槐林地土壤物理特性变化规律。结果表明:刺槐林地能够增强土壤的持水能力，改善孔隙状况以及减小土壤容重;不同树龄与土壤容重变化呈极显著相关性，与土壤总孔隙变化、毛管孔隙度、非毛管孔隙、通气度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量变化未达到显著相关性;不同土壤深度与容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、最小持水量变化呈极显著相关性，与土壤通气度、毛管持水量变化未达到显著相关性。研究成果对改善辽西低山丘陵区土壤物理性质刺槐林地具有重要作用。关键词低山丘陵区;刺槐林地;土壤特性;变化规律中图分类号S152 7文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0123 04收稿日期2022 09 01作者简介阎孟冬(1990 )，男，辽宁朝阳人，工程师，主要从事农业水利工程、水土保持与荒漠化防治工作。由于具有耐干旱贫瘠、繁殖能力强、生长速度快、适应性好等特点，刺槐逐渐成为辽西低山丘陵区水土保持的先锋树种1。目前，大部分研究主要侧重于刺槐林地养分循环和水分平衡等方面，系统性分析其土壤物理特性的还较少2。鉴于此，本研究以辽西低山丘陵区刺槐林地为例，深入探讨不同土壤深度和树种的土壤物理性质，旨在为刺槐人工林地的培育、全面揭示刺槐林地功能及其土壤生态特征提供参考依据。1研究方法1 1区域概况辽西地区属温带季风大陆性气候区，光热和土地资源丰富，全区耕地 68 97 万 hm2，年均气温 7 8，5 9 月日照时数 1 200 1 300 h，年降水量 300 500 mm，降水变率大，时空分布不均衡，从东向西降水量总体呈递减趋势，气候特征有“十年九旱”之称。地貌形态以低山丘陵为主，生态环境脆弱，土壤类型以褐土为主，腐殖质较薄，通透性差，抗冲蚀性弱，土层厚度在 20 110 cm 之间，沙漠化形势严峻。当地造林树种要求耐沙蚀、耐贫瘠、抗旱能力强，常见树种有柳树、荆条、沙棘、刺槐、紫穗槐、油松、杨树等，经济林主要有大扁杏、山杏、枣，草种主要有蒲公英、紫花苜蓿、狗尾草、燕麦草、沙打旺、披碱草等。其中，刺槐因具有抗寒冷、耐贫瘠、耐干旱等特性已成为当地荒山造林的最主要树种。20 世纪末辽西地区经过几次规模比较大的飞播造林后，刺槐广泛分布于朝阳、锦州和阜新各地3 5。1 2样地布设样地布设于辽西低山丘陵区某林场内，立地条件相近，平均海拔 500 m，以撂荒地为试验对照组，样地参数如表 1。采用 20 m 20 m 标准地对刺槐林地开展每木检尺，测定林分平均胸径、平均高和密度等特征，通过生物调查林下植被获取相应的参数6。表 1样地参数统计表编号1#2#3#4#5#6#7#树龄/a403025201510撂荒地树高/m211614131211/胸径/cm20 76 14 288 753 022 852 71/海拔/m520520480510500460500密度/株hm 261525582450240024202270/郁闭度0 810 940 720 640 600 60/坡度/20252020252020灌木高/m2 01 61 71 61 61 41 2草层高/cm45353030354535林下生物量/thm26 1275 0604 7624 5333 0150 580/1 3采样测定以褐土作为测试土样，在各样地内每木检尺，并计算相应的平均木，然后挖掘土壤剖面，遵循自下而上的原则用环刀逐层取样，土样采集后立即密封，在实验室测定各土样参数。在每个样地的平均木下挖掘 3 个剖面，自下而上共分成6 层取样，最后逐层回填压实。参照森林土壤分析方法 行业标准测定土壤水分 物理性质，利用环刀法测定土壤通气度、密度、毛管与非毛管孔隙、总孔隙度、毛管持水量、最大和最小持水量等7。2结果与分析2 1土壤容重与孔隙度变化规律(1)土壤容重。由表 2 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20 a、15 a、10 a 年的土壤容重平均值依次为 1 522 g/cm3、1 503g/cm3、1 438 g/cm3、1 430 g/cm3、1 436 g/cm3、1 5203212023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3g/cm3，不同树龄的土壤容重变化明显。经方差分析，树龄与土壤容重变化呈极显著相关性(P 0 01，F=9 185)，这表明不同树龄条件下的有机质积累程度不同，从而使得土壤容重呈极显著差异，因此容重受植被状况影响较大。10 cm、20cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 深度时的土壤容重平均值依次为 1 304 g/cm3、1 417 g/cm3、1 410 g/cm3、1 533 g/cm3、1 525 g/cm3、1 526 g/cm3，不同深度的土壤容重变化明显。经方差分析，土壤深度与容重变化呈极显著相关性(P 0 01，F=31 270)，这表明各层之间的土壤熟化程度具有明显差异，土壤容重也体现了这种差异，其中表层腐殖质积累是导致土壤容重较小的重要原因。在不同深度上，刺槐林地土壤容 重 为 同 层 撂 荒 地 的 0 924、0 931、0 941、0 967、0 988和 0 981 倍，表明土壤根系和森林植被凋落物可以在一定程度上减小土壤容重。(2)总孔隙度。由表 2 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20 a、15 a、10 a 的土壤总孔隙度平均值依次为 51 16%、52 09%、50 70%、49 72%、51 13%、52 59%，不同树龄的总孔隙度相差不大。经方差分析，树龄与土壤总孔隙变化未达到显著相关性(P 0 05，F=1 025)，这表明不同植被条件下即不同树龄的土壤总孔隙差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40cm、60 cm、80 cm、100 cm 深度时的土壤总孔隙度依次 为48 12%、51 96%、53 99%、47 15%、48 51%、57 65%，不同深度的总孔隙度变化明显。经方差分析，土壤深度与总孔隙度变化呈极显著相关性(P 0 01，F=15 988)，表明林木根系和土壤熟化程度对总孔隙度的影响较大，土壤总孔隙受深度变化的影响显著。在不同深度上，刺槐林地的土壤总孔隙度 相 较 于 撂 荒 地 增 大 7 5%、8 8%、9 0%、5 8%、14 8%、25 9%。表 2土壤物理性质测试数据树龄/a4030土壤深度/cm10204060801001020406080100容重/gcm 31 3671 5121 4471 6481 6121 5481 3241 4711 5101 6151 5021 596总孔隙度/%50 8549 1053 8549 6047 2056 3550 8151 9652 3448 9651 3557 11毛管孔隙度/%42 2040 5539 7541 8240 1049 2041 0040 7540 5037 2046 1550 81非毛管孔隙度/%8 658 5514 107 787 107 159 8111 2111 8411 765 206 30通气度/%36 8827 8033 0529 5230 1837 0030 6028 4528 7724 2031 4534 18树龄/a2520土壤深度/cm10204060801001020406080100容重/gcm 31 2881 4251 4041 5241 4781 5141 2521 3761 3351 4121 4581 474总孔隙度/%48 7752 3852 5846 7148 6255 1247 1252 4152 9444 0546 3055 48毛管孔隙度/%39 5040 3838 3037 2041 3647 6638 3040 3840 9235 2536 8846 45非毛管孔隙度/%9 2712 0014 289 517 267 468 8212 0312 028 809 429 03通气度/%30 6130 7232 0825 0027 2633 2532 4033 5634 5825 6023 8633 60最大持水量/gkg 1383 42371 65378 16310 12332 41367 54毛管持水量/gkg 1310 25296 33275 26246 58282 41217 52最小持水量/gkg 1126 27135 31129 40107 41133 26149 71树龄/a1510土壤深度/cm10204060801001020406080100容重/gcm 31 2961 3681 4411 4751 4961 5061 2951 3511 3241 5261 6041 518总孔隙度/%46 5552 8255 5845 7247 3558 7444 6053 1056 6247 8550 2463 12毛管孔隙度/%37 8541 4642 0536 7538 6646 3735 9542 0042 0538 2841 1646 35非毛管孔隙度/%8 7011 3613 538 978 6912 378 6511 1014 579 579 0816 77通气度/%30 4233 7636 0023 1827 4235 8227 1234 0036 1521 5130 6539 62树龄/a撂荒地土壤深度/cm1020406080100容重/gcm 31 4111 5231 4981 5851 5441 556总孔隙度/%44 7547 7649 5144 5642 2545 78毛管孔隙度/%37 6539 2439 136 3737 2540 40非毛管孔隙度/%7 108 5210 418 195 005 38通气度/%27 8127 1629 8223 6623 0025 61(3)毛管孔隙度。由表 2 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20a、15 a、10 a 年的土壤毛管孔隙度平均值依次为 42 27%、42 74%、40 73%、39 70%、40 52%、40 97%，不同树龄的毛管孔隙度变化不大。经方差分析，树龄与土壤毛管孔隙变化未达到显著相关性(P 0 05，F=2 150)，这表明不同植被条件下即不同树龄的土壤毛管孔隙差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 深度时的土壤毛管孔 隙 度 依 次 为 39 13%、40 92%、40 60%、37 75%、421第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月40 72%、47 81%，不同树龄的毛管孔隙度变化明显。经方差分析，土壤深度与毛管孔隙度变化呈极显著相关性(P 0 01，F=20 207)，表明土壤毛管孔隙受深度变化的影响较大，究其原因可能是不同深度的土壤熟化程度具有明显差异，还可能与树木根系作用有关，如 100 cm 处的毛管孔隙度最高。在不同深度上，刺槐林地的土壤毛管孔隙度相较于撂荒地增大 3 9%、4 3%、3 8%、3 8%、9 3%、18 3%。(4)非毛管孔隙度。由表 2 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20a、15 a、10 a 年的土壤非毛管孔隙度平均值依次为8 89%、9 35%、9 96%、10 02%、10 60%、11 62%，不同树龄的非毛管孔隙度相差不大。经方差分析，树龄与土壤非毛管孔隙变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 682)，这表明不同植被条件下即不同树龄的土壤非毛管孔隙差异无明显规律性。10cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 深度时的土壤毛管孔隙度依次为 8 98%、11 04%、13 39%、9 40%、7 79%、9 85%，不同深度的毛管孔隙度相差明显。经方差分析，土壤深度与非毛管孔隙度变化呈极显著相关性(P 0 01，F=5 012)，表明土壤非毛管孔隙受深度变化的影响较大。在不同深度上，刺槐林地的土壤非毛管孔隙度相较于撂荒地增大 26 5%、29 6%、28 6%、14 8%、55 8%、83 0%。(5)通气度。由表 2 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20 a、15a、10 a 年的土壤通气度平均值依次为 32 41%、29 61%、68 15%、30 60%、31 10%、31 51%，不同树龄的通气度相差不大。经方差分析，树龄与土壤通气度变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 804)，这表明不同植被条件下即不同树龄的土壤通气度差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 深度时的土壤通气度依次为 31 34%、31 38%、33 44%、24 84%、28 47%、35 58%，不同深度的通气度相差明显。经方差分析，土壤深度与通气度变化呈极显著相关性(P 0 01，F=10 427)。在不同深度上，刺槐林地的 土 壤 通 气 度 相 较 于 撂 荒 地 增 大 12 7%、15 5%、12 1%、5 0%、23 8%、38 9%，这表明刺槐林有利于土壤通气状况的改善。2 2土壤水分变化规律(1)土壤最大持水量。由表 3 可知，树龄 40 a、30 a、25a、20 a、15 a、10 a 年的土壤最大持水量平均值依次为 349 36g/kg、351 02 g/kg、357 22 g/kg、363 66 g/kg、382 52 g/kg、371 05 g/kg，不同树龄的最大持水量相差不大。经方差分析，树龄与最大持水量变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 894)，这表明不同植被条件下即不同树龄的土壤最大持水量差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 深 度 时 的 土 壤 最 大 持 水 量 平 均 值 依 次 为 378 18g/kg、371 32 g/kg、391 91 g/kg、329 96 g/kg、321 63 g/kg、381 82 g/kg，不同深度的最大持水量相差明显。经方差分析，土壤深度与最大持水量变化呈极显著相关性(P 0 01，F=15 461)。在不同深度上，刺槐林地的最大持水量相较于撂荒 地 增 大 18 1%、17 1%、17 4%、13 1%、8 8%、28 2%，并以 100cm 深处的增幅最高，表明林木的根系作用有效提高了土壤总孔隙度及其蓄水能力。表 3土壤水分测试数据树龄/a4030土壤深度/cm10204060801001020406080100最大持水量/gkg 1405 18328 66375 81324 65294 41367 43388 16355 12350 18306 42345 40360 81毛管持水量/gkg 1212 60370 90274 02271 45249 80321 06313 25278 36270 88232 35309 71320 45最小持水量/gkg 1131 27130 80117 46137 82119 31155 48129 31124 38127 16105 30144 38152 50树龄/a2520土壤深度/cm1020406080100最大持水量/gkg 1383 42371 65378 16310 12332 41367 54380 30384 45400 41315 06321 30380 45毛管持水量/gkg 1310 25296 33275 26246 58282 41317 52308 81295 86309 22251 71255 50318 40最小持水量/gkg 1126 27135 31129 40107 41133 26149 71124 06139 82130 67108 72114 18147 20树龄/a1510土壤深度/cm1020406080100最大持水量/gkg 1362 21390 60415 25413 26319 55394 26349 81397 45431 67310 22316 70420 45毛管持水量/gkg 1284 58306 15313 92251 41260 68310 71281 19314 41320 86253 10259 12308 24最小持水量/gkg 1124 45140 41134 26113 61109 58148 42125 77142 68140 36117 81104 17149 10树龄/a撂荒地土壤深度/cm1020406080100最大持水量/gkg 1320 35317 15333 87291 65295 65297 81毛管持水量/gkg 1269 31260 24263 51231 61243 66262 07最小持水量/gkg 1106 42108 41103 22106 3799 36114 18(2)毛管持水量。由表 3 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20a、15 a、10 a 年的土壤 毛 管 持 水 量 平 均 值 依 次 为 283 31g/kg、287 50 g/kg、288 06 g/kg、289 92 g/kg、287 91 g/kg、289 49 g/kg，不同树龄的毛管持水量相差不大。经方差分析，树龄与毛管持水量变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 152)，表明不同植被条件下即不同树龄的土壤毛管持水量差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100cm 深度时的土壤容重平均值依次为 285 118 g/kg、310 34g/kg、294 03 g/kg、251 10 g/kg、269 54 g/kg、316 06 g/kg，不同深度的毛管持水量相差明显。经方差分析，土壤深度与521第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月毛管持水量变化呈极显著相关性(P 0 01，F=9 970)。在不同深度上，刺槐林地的毛管 持 水 量 相 较 于 撂 荒 地 增 大5 9%、19 2%、11 6%、8 4%、10 6%、20 6%，这表明林木的根系作用能够在一定程度上增大土壤毛管持水量。(3)最小持水量。由表 3 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20a、15 a、10 a 年的土壤 最 小 持 水 量 平 均 值 依 次 为 132 02g/kg、130 51 g/kg、130 23 g/kg、127 44 g/kg、128 46 g/kg、129 98 g/kg，不同深度的最小持水量相差不大。经方差分析，树龄与最小持水量变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 175)，表明不同植被条件下即不同树龄的土壤最小持水量差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100cm 深度时的土壤最小持水量平均值依次为 126 86 g/kg、135 57 g/kg、129 89 g/kg、115 11 g/kg、120 81 g/kg、150 40 g/kg，不同深度的最小持水量相差明显。经方差分析，土壤深度与最小持水量变化呈极显著相关性(P 0 01，F=9 516)。在不同深度上，刺槐林地的最小持水量相较于撂荒地增大 19 2%、25 0%、25 8%、8 2%、21 6%、31 7%。3结语(1)随土壤深度和树龄变化刺槐林地土壤容重呈极显著相关性，树龄与土壤通气度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度之间均无明确的变化规律，而土壤深度与这些参数呈极显著差异性。通过土壤根系和凋落物作用刺槐林地能够在一定程度上改善土壤的孔隙状况，减小容重。(2)树龄与刺槐林地毛管持水量、最大和最小持水量未达到显著相关性，而深度与这些参数呈显著极显著相关性。通过土壤根系和凋落物作用刺槐林地在很大程度上增强了土壤的持水能力。参考文献 1赵世伟，刘娜娜，苏静，等 黄土高原水土保持措施对侵蚀土壤发育的效应J 中国水土保持科学 2006 4(6):5 2路炳军，王志强 北京西部山区径流小区产流产沙和土壤养分流失特征J 中国水土保持科学 2015 13(6):33 3金守哲 大凌河河谷地区土壤侵蚀时空变化特征分析J 水土保持应用技术 2022(01):12 15 4周志宇 侵蚀性降雨及不同植被类型对小流域产流产沙的影响分析 J 水土保持应用技术 2022(01):8 11 5张晓光 基于 In VEST 模型的小流域土地利用优化措施研究J 地下水 2021 43(03):224 225 6邱扬，傅伯杰，王军，等 土壤水分时空变异及其与环境因子的关系J 生态学杂志 2007 26(1):100 107 7闫胜军，郭青霞，闫瑞，等 不同土地利用类型下水土流失特征及雨强关系分析J 水土保持学报 2015 29(2):45 49(上接第 106 页)度较低，河流接近自然可以更好地保护河岸带植被多样性。2 5生态系统健康综合评价太子河河流生态健康综合评分如图 1，结果显示河流生态系统达到健康、亚健康、脆弱和病态的采样点依次为 4 个、13 个、3 个、1 个，所占比例分别为 19 05、61 90%、14 29%和 4 76%，太子河河流生态系统整体处于亚健康水平。对于所有采样点，评分最高、最低的是太子河 TZH12 的 4 14 分和清河 QH 的 1 97 分。在太子河干流 12 样点中，生态系统处于健康状态的有 4 个，处于亚健康状态的有 8 个;在清河、小汤河、五道河、小夹河、卧龙河、南沙河、细河、三道河、北沙河9 个支流样点中，生态系统处于亚健康状态的有 5 个，处于脆弱状态的有 3 个，处于病态的有 1 个。因此，太子河干流生态状况明显优于支流，干支流生态健康呈现出明显差异性。图 2河流生态健康综合评分从整个流域上，太子河河流生态系统健康表现出显著的空间差异性，上游段总体处于亚健康及以上水平，中、下游段稍差以亚健康和脆弱状态为主，只有个别河段处于病态，上游段生态系统普遍好于下游段。这是因为上游段河流受人类活动影响较弱，河道仍维持着原始形态，开发利用程度较低;另外，干流点位的流量较大，相比于支流其河道较宽，具有更强的污染物稀释和自净功能。3结语本文从社会功能、水生生物、地貌形态、水文和水质五个方面选择 17 项代表性指标构建递阶层次结构评价体系，利用层次分析法评价了太子河河流生态健康状况。结果表明，河流生态系统达到健康、亚健康、脆弱和病态的采样点依次为 4 个、13 个、3 个、1 个，所 占 比 例 分 别 为 19 05%、61 90%、14 29%和 4 76%，无生态恶劣样点，太子河河流生态系统整体处于亚健康水平。太子河河流生态系统健康表现出显著的干支流差异性和空间差异性，干流和上游普遍优于支流及下游，究其原因可能是上游河段受人类活动影响较弱，河道仍保留着原有自然形态;下游人口密集，经济发展活跃，污废水排放量较大，显著影响着河流水质;另外，受径流冲刷侵蚀作用无法保证河岸带状况，干流相比支流存在流量大、河道宽等特点，具有更强的污染物稀释和自净功能，故受不利影响作用较低。参考文献 1李凤清，蔡庆华，唐涛，等 基于河流环境生物与生物复合指标评价辽北地区 河 流 生 态 系 统 健 康J 应 用 与 环 境 生 物 学 报2010 16(1):38 45 2崔文彦，梁舒汀，等 永定河流域水生态环境质量综合评价J水生态学杂志 2020 41(22):23 28 3程元庚，李福林，范明元，等 基于组合赋权和改进物元可拓模型的泗河生态系统健康评估J 济南大学学报:自然科学版2021 35(33):230 238 4粟一帆，李卫明，艾志强，等 汉江中下游生态系统健康评价指标体系构建及其应用J 生态学报 2019 39(11):3895 3907 5曹宸，李叙勇 区县尺度下的河流生态系统健康评价:以北京房山区为例J 生态学报 2018 38(12):4296 4306621第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月