趙偉文，梁文俊，魏 曦

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷 030801；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

土壤中儲(chǔ)存的水分是一種重要的水資源，在水資源的形成、轉(zhuǎn)化和消耗過(guò)程中是不可或缺的成分[1]。水是維持植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵性因子，植物吸收水分的主要來(lái)源，維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素之一[2]。土壤含水量直接影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，影響整個(gè)土壤水平和垂直結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。土壤硬度是指土壤的透水性、透氣性，而土壤的硬度影響著水分入滲和化肥的利用率，影響植物根系的生長(zhǎng)，最終影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤緊實(shí)度反映著土壤顆粒松緊程度和土粒間結(jié)持力的大小[3]，是衡量土壤質(zhì)量、評(píng)價(jià)土地耕作條件的重要指標(biāo)[4]，其可預(yù)測(cè)土壤承載量、根性和根性生長(zhǎng)的阻力，它的大小可直接影響作物根系的穿孔和生長(zhǎng)，是水分和養(yǎng)分高效利用的重要限制因子[5]。土壤水分、土壤緊實(shí)度、土壤硬度受多種因素影響[6]，與樹(shù)種之間存在著復(fù)雜的作用關(guān)系，在土壤-植被-大氣連續(xù)體間的水文過(guò)程及能量交換中起著重要作用[7]，最終導(dǎo)致林地內(nèi)不同樹(shù)種在空間尺度上存在較大的差異。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土壤水分的空間異質(zhì)性進(jìn)行了大量研究，但主要集中在農(nóng)田和草地，對(duì)林地土壤水分及物理特性的空間變異的研究較少[8]。SAVVA等[9]研究了美國(guó)馬里蘭州郊區(qū)森林和草地覆蓋下淺層土壤水分的空間分布格局。王存國(guó)等[10]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林表層土壤水分空間異質(zhì)性進(jìn)行了研究。許多研究都是以低海拔的土壤表層水分研究為主，對(duì)于林地的研究甚少，土壤土層的深度對(duì)于水分的再分配有很大的影響[11]，而土壤的垂直和水平結(jié)構(gòu)對(duì)于植被生態(tài)平衡有重要的作用。

本研究以山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院林業(yè)站內(nèi)的苗圃為對(duì)象，對(duì)林業(yè)站內(nèi)試驗(yàn)田進(jìn)行了實(shí)地考察與測(cè)量，分析了當(dāng)前試驗(yàn)田內(nèi)的不同林分樣地的土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實(shí)度的差異性變化，充分了解不同林分之間對(duì)于土壤物理性質(zhì)的作用與影響，探究可能性的因素導(dǎo)致土壤物理特性的不同，并通過(guò)方差分析比較研究其變化規(guī)律，旨在為以后林地建設(shè)、經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院林業(yè)站，地理坐標(biāo)為 112°28′～113°1′E，37°12′～37°32′N(xiāo)，海拔 800 m 左右，屬溫暖帶大陸性氣候。東北與榆次相連，東南與榆社縣交界，西南與祁縣毗鄰，西北與清徐縣接壤。四季分明，冬長(zhǎng)夏短，晝夜溫差大，年平均氣溫9.9℃，1月平均氣溫-7℃左右，7月平均氣溫23℃左右，無(wú)霜期140～180 d，年均降雨540 mm左右，主要集中在7—9月。林地內(nèi)主要喬木有白楊、油松、刺槐、側(cè)柏、棗樹(shù)、柿子樹(shù)、國(guó)槐、青扦云杉等。

1.2 研究方法

選取樣地內(nèi)基本無(wú)人工干預(yù)的9塊樣地，每塊樣地大小為30 m×30 m，每排每列每間隔2 m對(duì)樣地的土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實(shí)度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定于2017年9月1日開(kāi)始，每15 d測(cè)定一次，共測(cè)定4次。土壤含水量、土壤緊實(shí)度、土壤硬度的測(cè)量深度均為20 cm。土壤水分采用土壤水分儀（TDR300，美國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，土壤緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀（TJSD-750，浙江）進(jìn)行測(cè)定，土壤硬度采用土壤硬度計(jì)（TYD-2，浙江）進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)對(duì)樣地內(nèi)的樹(shù)種進(jìn)行每木檢尺，獲得胸徑、冠幅、樹(shù)高、密度。Ⅰ號(hào)樣地為荒地，作為空白對(duì)照；Ⅱ號(hào)樣地為刺槐；Ⅲ號(hào)樣地為棗樹(shù)；Ⅳ號(hào)樣地為油松；Ⅴ號(hào)樣地為刺柏；Ⅵ號(hào)樣地為柿子樹(shù)；Ⅶ號(hào)樣地為白楊；Ⅷ號(hào)樣地為側(cè)柏；Ⅸ號(hào)樣地為青扦云杉和側(cè)柏的混交林（表 1）。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn)，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）的方法判斷分析導(dǎo)致不同林分樣地之間的土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實(shí)度的異質(zhì)性的影響因素，并用最小顯著差異（LSD）法進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)定為α＝0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分結(jié)構(gòu)樣地土壤含水量差異性變化

研究表明，不同植被類(lèi)型之間土壤水分含量存在差異。由圖1可知，側(cè)柏樣地的土壤含水量最大（27.3%），刺槐樣地的土壤含水量最?。?6.9%）。方差分析表明，不同樹(shù)種類(lèi)型與刺槐樣地、柿子樹(shù)樣地、側(cè)柏樣地的土壤含水量存在顯著性差異（P＜0.05），其他樣地的土壤含水量與樹(shù)種的類(lèi)型不存在顯著性差異（P＞0.05）（表2），樣地群組間差異顯著性明顯（P＜0.05）（表3），基本可以反映該區(qū)域土壤含水量的變化規(guī)律。

不同林分間土壤含水量的變化差異，可能與植被根系對(duì)水的利用效率有關(guān)。側(cè)柏樣地內(nèi)的植物屬于針葉類(lèi)喬木，屬淺根性，但側(cè)根發(fā)達(dá)，喜生于濕潤(rùn)肥沃的土壤，側(cè)根向四周發(fā)展，根系對(duì)水的利用率提高，土壤水分含量大（27.3%），高于荒地（CK）的土壤含水率（21.0%）。刺槐樣地林分屬落葉喬木，根蘗性強(qiáng)，但根系對(duì)水分含量較敏感，土壤中水分過(guò)多易導(dǎo)致死亡，根系對(duì)水的利用率不高，導(dǎo)致土壤中水分含量降低（16.9%），小于荒地（CK）的土壤含水率（21.0%）。柿子樹(shù)樣地林分屬落葉喬木，深根性強(qiáng)，喜生于濕潤(rùn)、排水良好的土壤，根系向下生長(zhǎng)，土壤的儲(chǔ)水性增強(qiáng)，土壤水分含量較大（26.1%），次于側(cè)柏樣地。

表2 土壤含水量分析

表3 土壤水分變異分析

2.2 不同林分結(jié)構(gòu)與土壤緊實(shí)度的異質(zhì)性

由圖2可知，柿子樹(shù)樣地的土壤緊實(shí)度最大（14.3 Pa），刺槐樣地的土壤緊實(shí)度最?。?.4 Pa）。方差分析表明，不同植被類(lèi)型與刺柏樣地、側(cè)柏樣地的土壤緊實(shí)度不存在顯著性差異（P＞0.05），與其他樣地的土壤緊實(shí)度存在顯著性差異（P＜0.05）（表 4），樣地群組間差異性顯著（P＜0.05）（表 5），本研究基本可以反映土壤緊實(shí)度的變化規(guī)律。出現(xiàn)這種顯著性差異變化的原因，可能是和植物類(lèi)型的不同有關(guān)，根系的生長(zhǎng)影響土壤緊實(shí)度。

表4 土壤緊實(shí)度分析

表5 土壤緊實(shí)度變異分析

柿子樹(shù)樣地林分屬深根性樹(shù)種，根系發(fā)達(dá)，根系向下生長(zhǎng)促使土粒顆粒間隙變小，土壤結(jié)持力增大，土壤緊實(shí)度增大（14.3Pa），大于荒地（CK）的土壤緊實(shí)度（12.9 Pa）。刺槐樣地內(nèi)林分喜疏松，根蘗性強(qiáng)，從根系上分出的小根系、小植株從下層往上層長(zhǎng)出，表層間土壤結(jié)持力減小，下層土壤結(jié)持力變小，土壤顆粒間隙增大，土壤緊實(shí)度變?。?.4 Pa），小于荒地（CK）的土壤緊實(shí)度（12.9 Pa）。油松樣地和刺柏樣地的土壤緊實(shí)度相近（13.7 Pa），2塊樣地內(nèi)的植物均屬針葉喬木，在初春時(shí)，這2塊樣地內(nèi)的雜草較多，林業(yè)站內(nèi)的工作人員對(duì)這2塊樣地進(jìn)行了耕犁。

2.3 不同林分結(jié)構(gòu)與土壤硬度的異質(zhì)性

從圖3可以看出，柿子樹(shù)樣地的土壤硬度最大，為535.3 kg/cm2；刺柏樣地的土壤硬度最小，為398.7 kg/cm2。方差分析表明，不同植被類(lèi)型與刺柏樣地在土壤硬度上存在顯著性差異（P＜0.05），與其他樣地之間的土壤硬度不存在顯著性差異（P＞0.05）（表 6），樣地群組間差異性顯著（P＜0.05）（表7）。從表8可以看出，不同林分之間的差異和土壤硬度之間不存在相關(guān)性，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與土壤含水量有關(guān)。方差分析表明，土壤含水量與土壤硬度存在顯著性差異（P＜0.05），土壤硬度直接反映土壤的透水性，影響土壤水分的入滲率。

表6 土壤硬度分析

表7 土壤硬度變異分析

表8 土壤含水量、硬度成對(duì)樣本相關(guān)性分析

3 結(jié)論

本研究表明，在相同土層深度的9種不同植被類(lèi)型中，側(cè)柏樣地的土壤含水量最高（27.3%），刺槐樣地的土壤含水量最低（16.9%），柿子樹(shù)樣地土壤緊實(shí)度最高（14.3 Pa），刺槐樣地的土壤緊實(shí)度最低（5.4Pa），柿子樹(shù)樣地的土壤硬度最高（535.3kg/cm2），刺柏樣地的土壤硬度最低（398.7 kg/cm2）。

對(duì)9種植被類(lèi)型下的土壤物理特性分析表明，針葉類(lèi)的植被在土壤含水量上普遍大于落葉類(lèi)的植被，落葉類(lèi)的植被在土壤緊實(shí)度上普遍大于針葉類(lèi)的植被，對(duì)于土壤硬度值，針葉類(lèi)植被與落葉類(lèi)植被差異性不明顯。

同土層而言，荒地（CK）與其他8種植被類(lèi)型樣地的土壤含水量有顯著性差異（P＜0.05），荒地（CK）與其他8種植被類(lèi)型樣地的土壤緊實(shí)度也有顯著性差異（P＜0.05）。荒地（CK）與其他8種植被類(lèi)型樣地的土壤硬度沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）。

5 討論

本研究結(jié)果得出，不同植物類(lèi)型的土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實(shí)度變化規(guī)律，針葉類(lèi)植物比落葉類(lèi)植物可以更顯著改善土壤物理性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)，該結(jié)論可以指導(dǎo)苗圃的經(jīng)營(yíng)撫育，為后期土地改良提供科學(xué)依據(jù)。

有不同學(xué)者提出，在研究土壤含水量的空間分布時(shí)，土壤含水量很大程度上取決于土壤結(jié)構(gòu)，并受時(shí)間的影響，要用時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)方差比較進(jìn)行驗(yàn)證，證明土壤水分的空間分布具有時(shí)間穩(wěn)定性[12]。研究取樣的持續(xù)時(shí)間短，土壤水分具有相對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性。WESRERN等[13]研究表明，當(dāng)取樣間隔大、取樣點(diǎn)數(shù)量太少以及土壤水分的測(cè)定誤差大時(shí)，會(huì)引起土壤含水量降低或無(wú)空間分布穩(wěn)定性。與以往研究相比，本研究最大的特點(diǎn)是取樣間隔不大、取樣點(diǎn)數(shù)量多，研究結(jié)果可以說(shuō)明土壤含水量受時(shí)間、空間等因素影響較小。針葉類(lèi)植被的側(cè)根系發(fā)達(dá)，基本屬于淺根性，20 cm土層深度的根系持水性最高[14]，對(duì)水利用率高于落葉類(lèi)植被。JACKSON等[15]研究表明，盡管在深層土層中根系很少，但對(duì)林木的水分吸收發(fā)揮著非常重要的作用。當(dāng)上層的土壤水分有很高的蒸發(fā)并產(chǎn)生威脅自身生長(zhǎng)時(shí)，植物會(huì)從深層的土層中吸取水分，提高自身的生存能力。同時(shí)研究結(jié)果說(shuō)明，土壤含水量與不同植物類(lèi)型的根系生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)，與劉曉麗等[16]研究的2 m以下土層的土壤水分基本不受降水入滲的影響，完全受根系吸水的影響的研究結(jié)果相似。齊華等[17]研究表明，適當(dāng)?shù)厣罡軌蚴怪参锔滴账?。張慧芋等[18]對(duì)植物根系與土壤水分的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，耕作方式能夠改變根系活力。

本研究表明，土壤中根系生長(zhǎng)發(fā)育影響土壤緊實(shí)度，直接影響土粒間結(jié)持力，根系發(fā)育能力強(qiáng)，土粒松散，土壤緊實(shí)度降低，不同植被類(lèi)型的根系與土壤緊實(shí)度存在顯著性差異。在一定的含水量范圍內(nèi)，土壤緊實(shí)度與土壤含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與祝飛華等[19]對(duì)黃土的研究說(shuō)明土壤緊實(shí)度與土壤含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的結(jié)果相似。但有其他學(xué)者提出，當(dāng)土壤含水量增大時(shí)，土壤顆粒結(jié)持力大，發(fā)生緊實(shí)；趙哈林等[20]認(rèn)為，土壤緊實(shí)度與黏粒含量具有正相關(guān)關(guān)系，土壤黏粒的增加導(dǎo)致土壤黏結(jié)性升高，造成土壤緊實(shí)度增大。本研究結(jié)果還表明，土壤硬度與土壤含水量呈現(xiàn)正相關(guān)，與劉武仁等[21]研究的不同耕層構(gòu)造對(duì)土壤硬度和含水量的影響結(jié)果相同。但與鄭洪兵等[22]研究出的結(jié)果相反，可能的原因是土壤硬度隨季節(jié)變化較明顯，同時(shí)受不同耕作方式的影響大，在后期的研究中會(huì)進(jìn)一步探索。

研究土壤物理特性最大的困難在于影響因子隨時(shí)間變化較明顯，本研究只對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的土壤含水量、土壤緊實(shí)度、土壤硬度進(jìn)行了研究，要全面了解該地區(qū)土壤物理特性的變化規(guī)律，要對(duì)土壤水分隨季節(jié)變化進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)土壤緊實(shí)度在垂直方向上變化進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)土壤硬度隨耕作方式的不同變化進(jìn)行觀測(cè)，今后應(yīng)進(jìn)一步研究。