新丰江水库库区水源涵养林土壤饱和导水率特征
时间：2023-02-22 14:20:06 来源：千叶帆 本文已影响人
刘佩伶，刘效东，冯英杰，苏宇乔，甘先华，张卫强*
1. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；
2. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520
土壤饱和导水率是指土壤处于饱和状态时，单位水势梯度下通过单位面积土壤的水流通量，对于评估森林生态系统土壤层响应降雨的效率、补给地下水和供给河川淡水能力至关重要（姚淑霞等，2013）。探讨不同森林类型的土壤饱和导水率大小及其影响因素是科学认知森林生态系统的水源涵养功能的重要基础。
土壤饱和导水率影响地表水文变化过程，对水的转化储存起关键性作用，是水文模型中的重要参数（曾建辉等，2022）。森林生态系统90%以上的水文功能过程由土壤层进行调节（石培礼等，2004；
潘春翔等，2012），众多学者研究分析了影响森林土壤饱和导水率的主要因子（Tian et al.，2016；
Li et al.，2019a；
梁向锋等，2009）。彭舜磊等（2010）在浙江天童森林生态系统的研究表明，土壤容重、非毛管孔隙度和粉粒含量为影响土壤饱和导水率的主要因子。Hao et al.（2019）研究表明，南亚热带森林土壤水力性质主要受孔隙度和大水稳性团聚体含量的影响。许振欣等（2021）在南亚热带地区开展的研究认为，相比（Castanopsis hystrix）、尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）和米老排（Mytilaria laosensis），杉木（Cunninghamia lanceolata）和马尾松（Pinus massoniana）人工林显著提高土壤饱和导水率，延缓地表径流并减少水土流失。总体上，影响土壤饱和导水率主要因素包括土壤质地、土壤结构、植被类型等。在森林生态系统中，土壤-植被之间交互反馈，森林植被变化通过改变植被物种多样性、枯落物归还量、根系分泌物等生理生态过程来影响土壤理化性质进而改变土壤饱和导水率。植物多样性的提高有利于土壤理化性质的改善，表现为土壤有机质的积累、土壤容重下降和土壤孔隙度增加（Zhao et al.，2022）。另外，地下生物量的增加促进生物性通气孔隙形成并加快了土壤层中水分移动的速度。南亚热带地区高温多雨，较高的土壤饱和导水率有利于提升森林的水源涵养潜力。
新丰江水库作为广东省第一、全国第七大水库，是珠三角地区重要的饮用水源地和东江水量调节枢纽，对粤港澳大湾区社会经济发展起着重要支撑作用（文晓慧等，2016）。为了保障周边城市供水的持续稳定，该地区在19世纪80年代实施了大面积的林分改造工程，并在后期对这些林分进行严格保护，旨在提升水库周边森林水源涵养能力。水源涵养林是有特殊意义森林，发挥着保持水土和改善土壤水文物理性质的作用，对于增加森林生态系统土壤层的蓄水容量有重要作用（尹钊等，2021）。土壤饱和导水率反映土壤渗透性能和水流通量，可用于评估水源涵养林工程的建设成效。选取新丰江水库库区内3种水源涵养林包括针叶林、针阔叶混交林和常绿阔叶林为研究对象，探讨各林分下土壤饱和导水率、土壤理化性质的垂直分布特征及其相关关系，以揭示该地区不同森林类型各土层的理水效能，为区域水源涵养林建设、生态系统水文服务功能评估以及粤港澳大湾区供水安全研究等提供科学依据。
1.1 试验区概况
研究地位于广东省河源市新丰江国家森林公园内（114°15′—114°50′E，23°40′—23°10′N），是中国第一家通过国际环境管理体系 ISO14001认证森林公园，其中万绿湖（即新丰江水库）是华南地区第一大湖，被誉为“中国好水”水源地，是广东省最重要的“政治水、经济水、生命水”（涂缦缦等，2019）。公园内森林面积约1.6×105hm2，地带性植被为常绿阔叶林。气候类型属南亚热带季风气候，年平均气温21.2 ℃，年平均降水量约1420 mm，主要集中在3—8月，平均相对湿度约76%。基岩分为花岗岩、玄武岩和砂页岩。土壤类型为黄壤和红壤，质地以中壤土和重壤土居多。样地位置如图1所示。该地区20世纪50年代经历过大规模的森林砍伐，形成大面积次生林。上世纪80年代，新丰江林业管理局对次生林进行皆伐改造，种植杉木；
其中，部分杉木林（除杂抚育）为针叶林，没有抚育的杉木林形成针阔混交林。而常绿阔叶林受人为干扰较少，经自然演替形成较好的森林。植被调查结果显示，不同森林类型乔木层物种丰富度指数介于19—32、Shannon-Wiener指数介于2.02—2.92、Simpson优势度指数介于0.77—0.92、Pielou均匀度指数介于 0.69—0.85，物种多样性总体上呈现常绿阔叶林＞针阔混交林＞针叶林的变化趋势（李文娟等，2022）。
图1 研究区位置图Figure 1 Location of the study area
1.2 试验设计
代表性样地分别设置在新丰江水库库区内3种森林类型内，即针叶林、针阔叶混交林和常绿阔叶林。以上样地的地形地貌、植被分布等相同或相近，其基本信息如表 1所示。野外调查和土壤取样于2021年5月进行，在不同林分内各选取1 hm2代表性样地，每个样地中随机设置4个20 m×20 m样方，并在每个样方中取3个具有代表性和典型性的土壤剖面，挖至母岩层，按照0—20、20—40、40—60、60—80和 80—100 cm 进行分层采样，重复取样 3次。每层采集环刀样品和原状土，同时在每个样方内沿S型随机布设采样点，用直径为3.5 cm的土钻采集扰动土壤样品并混合（每份样品留取约1 kg）。
表1 试验样地概况Table 1 Summary of the sample plot
1.3 分析方法
土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度物理性质的测定采用环刀法（Piaszczyk et al.，2020）；
土壤饱和导水率采用恒定水头法，结果换算成10 ℃下的饱和导水率（Tian et al.，2016）；
土壤水稳性团聚体的测定采用改进的Yoder湿筛法（Elliott，1986）；
土壤机械组成采用MS2000颗粒光栅分析仪测定（Li et al.，2012），按粒径分为砂粒（2—0.05 mm）、粉粒（0.05—0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）；
土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定（鲍士旦，2000）。
土壤饱和导水率的计算公式如下：
式中：
Ks——土壤饱和导水率（mm·min-1）；
10——单位换算系数，将土壤饱和导水率从cm·min-1换算为 mm·min-1；
Q——稳定渗流体积（cm3）；
L——环刀样品长度（cm）；
h——水头高度（cm）；
A——环刀样品截面积（cm2）；
t——时间间隔（min）；
θ——实验温度（℃）。
K10——10 ℃条件下测得的土壤饱和导水率。
后文所提到的Ks均表示在10 ℃条件下的土壤饱和导水率。
1.4 数据处理
应用Excel 2010对实验数据进行整理，计算所有指标的算术平均值和标准误。采用SPSS 23.0软件中的单因素方差分析方法（One-way ANOVA）比较不同土层和林型间的土壤性质，当F值显示方差分析结果显著时，采用Duncan’s检验方法比较土壤变量均值之间的差异。另外，采用Pearson相关分析和多元线性回归分析方法研究土壤性质之间的关系。数据结果作图应用Sigmaplot 14.0和Origin 2018软件完成。
2.1 不同林分的土壤饱和导水率
新丰江水库库区水源涵养林各土层的土壤饱和导水率大小如表2所示。0—100 cm土层范围内，不同林分土壤饱和导水率大致随着土层的增加呈下降趋势。针叶林土壤饱和导水率介于 (0.07±0.03)—(0.30±0.06) mm·min-1之间，针阔叶混交林和常绿阔叶林的土壤饱和导水率分别在 (0.05±0.02)—(0.26±0.06) mm·min-1和 (0.08±0.02)—(0.41±0.13)mm·min-1之间变化。土壤垂直剖面上，常绿阔叶林饱和导水率的平均值最大，达 (0.24±0.06)mm·min-1。表层（0—20 cm）土壤饱和导水率的大小关系在林型间表现为常绿阔叶林 [(0.34±0.05)mm·min-1]＞针叶林 [(0.29±0.09) mm·min-1]＞针阔混交林 [(0.26±0.06) mm·min-1]，常绿阔叶林表层土壤饱和导水率是针阔混交林1.3倍和针叶林的1.2倍。各林型20—40 cm土层土壤饱和导水率和0—20 cm土层的相当，60—80 cm土层的土壤饱和导水率均最小。常绿阔叶林 0—20 cm 土层土壤饱和导水率是60—80 cm土层的4.1倍，针叶林和针阔叶混交林则分别为3.9倍和4.8倍。
表2 不同林分的土壤饱和导水率特征Table 2 The characteristics of soil saturated hydraulic conductivity in different stands
2.2 不同林分的土壤理化性质
由图 2可知，针阔混交林表层砂粒质量分数(34.3%±3.2%) 显著高于其他林型（F=9.409，P=008），80—100 cm土层针叶林土壤砂粒质量分数 (26.8%±1.8%) 显著高于其他林型（F=7.655，P=0.017）。0—100 cm土壤剖面范围内，林型间砂粒质量分数平均值的大小关系为针叶林 (24.1%±2.6%)＞针阔混交林 (22.8%±3.3%)＞常绿阔叶林(17.8%±1.1%)。各土层针叶林粉粒质量分数均高于其他林型，平均值为42.7%±1.2%。针阔混交林和常绿阔叶林各土层土壤粉粒质量分数接近且土层间波动少，平均值分别为34.4%±1.0%和35.3%±1.0%。常绿阔叶林各土层土壤粘粒质量分数均最高，土壤垂直剖面上针叶林土壤粘粒质量分数的平均值(33.2%±1.8%) 显著低于其他林型（F=14.438，P=0.001）。由于历史上3个林分均受到人为干扰，土壤机械组成各指标剖面上变化趋势不明显。
图2 不同林分土壤机械组成Figure 2 Soil particle compositions of different stands
如图3所示，伴随森林物种组成的复杂化，土壤总孔隙度逐渐增加。0—100 cm土壤垂直剖面上，各林型总孔隙度随着土层增加呈下降趋势。针阔叶混交林（F=4.884，P=0.010）和常绿阔叶林（F=3.276，P=0.049）表层（0—20 cm）总孔隙度显著高于深层土壤相应值（60—100 cm）。常绿阔叶林孔隙度的平均值最高，达47.4%±1.2%。各林型土壤毛管孔隙度约占土壤总孔隙度的80%左右，是土壤孔隙的主要组成部分。土壤垂直剖面上，毛管孔隙度平均值在林型间的大小关系表现为常绿阔叶林(37.7%±0.6%)＞针阔叶混交林 (36.6%±1.4%)＞针叶林 (34.1%±0.6%)。各林型非毛管孔隙度大致随土层深度的增加而降低。常绿阔叶林土壤非毛管孔隙度介于6.3%—13.0%之间，其中0—20、20—40 cm土层土壤非毛管孔隙度显著高于深层土壤（60—100 cm）的相应值（F=5.805，P=0.008）。针叶林和针阔叶混交林土壤非毛管孔隙度分别在7.2%—15.1%和6.2%—10.8%之间波动。
图3 不同林分土壤孔隙度组成Figure 3 Composition of soil porosity in different stands
由表3可知，0—100 cm土层范围内，各林型土壤有机质含量均随着土层深度的增加而下降，深层（40—100 cm）土壤有机质含量显著低于上层土壤相应值（针叶林：F=11.154，P=0.002；
针阔叶混交林：F=15.714，P=0.000；
常绿阔叶林：F=40.836，P=0.000）。土壤垂直剖面上，土壤有机质含量的平均值在林型间表现为针叶林[(13.7±3.0) g·kg-1]＜针阔混交林[(15.8±4.6) g·kg-1]＜常绿阔叶林[(21.7±5.4)g·kg-1]。随着森林物种丰富度的增加，0—20 cm土层土壤容重从[(1.1±0.1) g·cm-3]（针叶林）下降到[(1.0±0.1) g·cm-3]（常绿阔叶林）；
土壤垂直剖面上，常绿阔叶林上层（0—20、20—40 cm）土壤容重显著低于其他土层（F=9.542，P=0.000），针叶林和针阔混交林土层间土壤容重变化小，变异系数分别为8.6%和 11.8%。0—100 cm 土层范围内，不同林型＞0.25 mm水稳性团聚体质量占比随着土层深度增加呈下降趋势，表层水稳性团聚体含量显著高于其他土层(针叶林：F=39.843，P=0.000；
针阔叶混交林：F=22.506，P=0.000；
常绿阔叶林：F=34.106，P=0.000)，剖面上＞0.25 mm水稳性团聚体质量占比平均值的大小关系为常绿阔叶林 (26.7%±9.3%)＞针阔叶混交林 (24.7%±8.3%)＞针叶林 (22.9%±8.0%)。
表3 不同林型各土层土壤有机质、土壤容重和＞0.25 mm水稳性团聚体质量分数变化Table 3 Changes of soil organic matter, bulk density and mass fraction of ＞0.25 mm water stable aggregates in different forest types
2.3 土壤理化性质对土壤饱和导水率的影响
由图4可知新丰江水库库区森林不同土壤理化性质间的关系。土壤饱和导水率和容重呈极显著负相关关系（r=-0.84，P=0.000），与非毛管孔隙度（r=0.65，P=0.009）、土壤有机质（r=0.81，P=0.000）和＞0.25 mm 水稳性团聚体质量分数（r=0.76，P=0.001）呈极显著正相关关系。由于土壤理化性质间存在较强的相关关系，本研究采用多元逐步回归分析方法筛选出影响土壤饱和导水率的主要土壤因子。把砂粒质量分数（X1）、粉粒质量分数（X2）、粘粒质量分数（X3）、毛管孔隙度（X4）、非毛管孔隙度（X5）、土壤总孔隙度（X6）、土壤有机质含量（X7）、土壤容重（X8）和＞0.25 mm水稳性团聚体质量分数（X9）9个因子作为自变量，土壤饱和导水率作为因变量。回归分析结果显示，只有土壤容重（X8）自变量进入回归模型（Y=1.045-0.683X8，r2=0.677，F=30.380，P=0.000），拟合效果较好。
图4 土壤饱和导水率和土壤理化性质间的相关系数Figure 4 The correlation coefficient between soil saturated hydraulic conductivity and soil physico-chemical properties
3.1 森林植被对土壤理化性质的影响
根据土壤和植被的交互反馈关系，土壤为植被的生长和发育提供了必要的条件，反过来可能会推动土壤形成和改良（Li et al.，2013；
Faucon，2020）。通常，随着森林植被多样性的提高，凋落物和根系输入量的增加会逐渐积累土壤有机质（Huang et al.，2018；
刘效东等，2011）。腐殖质分解、微生物代谢活动的增强产生大量有机酸进一步溶解土壤中的黏土矿物并促进土壤颗粒细化发展（彭舜磊等，2010）。本研究中，从针叶林到常绿阔叶林，土壤砂粒、粉粒含量平均值下降而粘粒含量平均值增加。土壤有机质是团聚体形成过程中最重要的胶结物质，显著影响土壤团聚体数量（吕贻忠等，2006；
王紫薇等，2021）。Gu et al.（2019）和梁向锋等（2009）研究显示，植被恢复进程中的土壤有机质和土壤水稳性团聚体的数量均呈增加趋势。本研究土壤中＞0.25 mm水稳性团聚体质量占比沿从针叶林到常绿阔叶林逐步增加，土壤总孔隙度增加同时容重下降，这主要归因于土壤有机质通过影响土壤团聚体孔隙特征、土壤质地的组成来改变土壤孔隙分布和土壤容重大小。
土壤结构改变直接影响水分在土壤的迁移和贮存过程，了解土壤结构特征是认识森林生态系统水源涵养机理的重要基础。本研究中，从表层到深层，不同森林植被土壤有机质和孔隙度逐渐减少，同时土壤容重增加。植物的地上部与地下部形态结构具有鲜明的“对称性映射关系”，即根系具备树种特异性（于贵瑞等，2013）。在土壤垂直剖面上，不同植被类型根系有明显的表聚性，根长密度和根表面积密度随着土层深度的增加而下降（Hao et al.，2019）。表层土壤活跃的根系生长通过机械力改善土壤质地，同时丰富的凋落物和根系首先归还到表层土壤中；
因此，不同林型表层土壤中存在较多的生物性通气孔隙，该土层整体变得疏松多孔，单位时间内的水分流量增加。随着土层深度的增加，根系数量下降，深层根系生长还会产生土壤压实效应，导致深层土壤孔隙的减少和容重增加，水流通量下降（Li et al.，2019b）。
3.2 土壤理化性质对土壤饱和导水率的影响
本研究中，3种林分土壤垂直剖面上饱和导水率的平均值表现为针叶林＜针阔叶混交林＜常绿阔叶林。与处于同一纬度地带鼎湖山演替序列典型林分土壤饱和导水率平均值相比（0.37 mm·min-1），本研究地区的平均水平略低（0.20 mm·min-1），归因于当地较长时间的人为干扰历史和较短的保护年限（Huang et al.，2018；
Liu et al.，2020）。
土壤饱和导水率反映土壤渗透性能，与大多数的土壤理化性质相关，可指示土壤结构的变化（Khlosi et al.，2013；
Zema et al.，2021）。已有研究表明，不同地区土壤饱和导水率的主要影响因子存在明显差异（Becker et al.，2018；
Hao et al.，2019；
Ottoni et al.，2019；
Usowicz et al.，2021），多元回归分析结果显示，新丰江水库库区森林的土壤饱和导水率主要受土壤容重的影响。与Gu et al.（2019）、Neris et al.（2012）研究相似，土壤容重和土壤饱和导水率存在显著的函数关系。土壤容重是一定体积（包括土壤孔隙）的土壤烘干质量，代表着土壤的紧实状况，它不仅是土壤基本水文结构的基础指标，又常被农林业用作表征土壤质量、土壤肥力和生产力（Sokołowska et al.，2020；
柴华等，2016）。由图4可知，该地区土壤有机质和容重呈极显著负相关（r= -0.92，P=0.000），土壤有机质和土壤饱和导水率呈极显著正相关（r=0.81，P=0.000），因此土壤有机质也是影响土壤透水性能的重要方面。刘效东等（2011）和Zema et al.（2021）的研究也报道过森林土壤有机质是影响土壤水力特性的关键参数。土壤有机质通过改善土壤胶体的质量和土壤结构的稳定性对土壤的透水性起控制作用（Lado et al.，2004；
Bittelli et al.，2015；
Gu et al.，2019）。从针叶林—针阔叶混交林—常绿阔叶林，土壤有机质逐渐积累，土壤孔隙增加的同时土壤结构稳定性增强，因此常绿阔叶林土壤饱和导水率最大。土壤垂直剖面上，从表层到深层，一方面土壤愈加紧实，另一方面土壤有机质减少导致土壤颗粒分散性增加，土壤孔隙愈容易堵塞从而降低了土壤饱和导水率，这与彭舜磊等（2010）、张一璇等（2019）、尹钊等（2021）研究结果一致。梁向锋等（2009）发现草地和先锋草地在5—10 cm处有一强透水层，是根系活跃和土壤动物活动形成的大孔隙所致。相反，该地区各林型60—80 cm土层土壤饱和导水率最小，80—100 cm的相应值有所上升，说明60—80 cm处存在弱透水层，这可能与水分运动过程中的孔隙堵塞有关。
总体上，森林固碳效益与水文效益之间存在紧密联系，是森林经营管理中需要重点关注的方面。在陆面气候变暖的大环境下，季节降雨分配不均的严重程度将继续增加，水源涵养功能作为森林生态系统服务功能的重要组成部分，对于森林资源经营、生态安全和人类可持续发展有重要意义（Zhou et al.，2011；
尹钊等，2021）。土壤渗透性作为评价土壤层的水源涵养效能的主要方面，土壤容重是新丰江水库库区林分土壤饱和导水率的主要影响因素，未来当地需要加强水库周边的水源涵养林保护，提高森林生态系统枯枝落叶的归还量，以更好发挥当地森林生态系统的水文效益，保障区域水资源的平衡供给，实现生态建设的可持续发展并为水源涵养林的建设提供支撑。
（1）从0—100 cm土壤剖面范围内各项土壤指标的平均值看，随着森林物种组成的复杂化，砂粒质量分数逐渐减少，粘粒质量分数逐渐增加，土壤容重则呈下降趋势。常绿阔叶林总孔隙度、毛管孔隙度显著高于针叶林。土壤有机质含量和＞0.25 mm水稳性团聚体质量占比在林型间均表现为针叶林＜针阔叶混交林＜常绿阔叶林。总体上，新丰江水库库区森林土壤理化性质之间存在较强的相关关系，土壤理化性质伴随森林物种多样性的提高而不断改善。
（2）新丰江水库库区不同水源涵养林的土壤饱和导水率介于 (0.05±0.02)—(0.41±0.13) mm·min-1之间。林型间，常绿阔叶林0—20 cm土层土壤饱和导水率大于针阔混交林和针叶林的相应值。不同林分土壤饱和导水率大致随着土层深度的增加呈下降趋势。相关性分析结果显示，不同土壤理化性质对土壤饱和导水率的作用大小和方向不同；
多元线性回归分析结果表明，影响森林土壤饱和导水率的主导因子为土壤容重，土壤饱和导水率和容重呈显著负相关关系。饱和导水率是评价森林生态系统水源涵养能力的重要指标，森林管理过程中应注重土壤结构的改良，提高土壤饱和导水率。
