全 文 ：书 3 卷 第 1 期
1 9 9 0 年 2 月
林 业 科 学 研 究
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1 9 9 0
杉木、 马尾松人工林土壤物理性质
及水分含量变化的研究釜
马雪华 杨光谨
(中国林业科学研究院林业研究所 )
摘要 1 9 8 4~ 19 8 年 , 在江西省分宜县山下林场的 亚热带人工移木林和 马尾松
林中, 对土攘的水分一物理性质及其 水分含量的变化进行 了测定 , 结果表明 : 本试
验 区土攘为重壤土 , 其水分一物理性质较差 , 有林地土攘含水量较无林地高 , 且 变
幅较 小 。 土攘含水率与当地的主要 气象要素(气温 、 空气湿度 、 降雨量 、 蒸发量)呈
多元回归相关 。 据回 归分析 , 衫木林土攘水分含量受气候变化影响 的土 层 深 度较
浅 , 远 0 ~ 2 0 c m , 而 皆伐迹地受 气候影响的土层较深 , 达 0 一40 cm
。
关键词 杉木多 马尾松 , 土壤水分含量 , 多元回 归
一 、 自然概况和研究方法
(一) 自然概况
试验区位于江西省分宜县山下林场 , 地处丘陵山地 , 海拔肠 ~ 10 m , 属中亚热带湿 润
气候 , 年平均气温17 . 9 ℃ , 气温变化剧烈 , 1 月平均气温 5 ℃ , 7 月为29 ℃ , 降雨集 中在
4 一 6 月 , 9 月至次年 l 月雨量最少 , 年降雨量为 1 1 0 一1 7 o o r n r几, 上半年各月的雨量均大
于蒸发量 , 下半年各月雨量均小于同 月的蒸发量。 由于人为活动频繁 , 该 区原生植被大部分
遭到破坏 。 目前 , 主要是人工栽植的杉木 、 马尾松和毛竹林 。土壤属于低山丘陵黄红壤类型,
质地为重壤土 , 土层和腐殖质层较薄 , 粒状 、 块状结构 , 酸性 , 成土母质主要是页岩或页岩
的变质岩类 。
(二) 研究方法
为了研究人工林的水文作用 , 设置了 2 个杉木林试验小集水区和 2 个坡面逞流场。 2 个
小集水区面积分别为 1 . 63 五a 、 o . 63 ha , 集水沟为南北走向 , 平均坡度 15 。一20 。 , 20 年生的
人工杉木林 , 郁闭度0 . 7 。
皆伐迹地通流场 , 面积 10 m x 20 m , 在坡的中部 , 坡向西北 , 坡度43 0 30 ‘ 。 198 1年采 伐 ,
火烧整地 , 植被盖度 10 % 。 马尾松林通流场(10 m x 20 m )在坡的上部 , 坡向北偏东 , 坡度
15
。 , 栽有 20 年生的马尾松林 , 地表植被盖度30 % 。
本文于 1 9 89 年 2 月1 4 日收到。
水 山下林场刘和文参加土滚水分的侧定工作 ,
6 4 林 业 科 学 研 究 3 卷
在」: 述武验区内 , 除测定水文要素外 , 19 8 4 ~ 1 9 8 8年 , 对林地的土壤水分一物理性质及
土壤含水量进行了测定 。 考虑到小地形变化对土壤水分含量的影响 , 测点的布设横跨集水区
的不同坡向、 坡位。 每个小集水区设置 6 个样区 。 在逞流场设置 2 个样区 。 每月定时采样一
次 。 采样深度。~ 50 c m , 间隔 10 cm , 重复 1 次 , 用烘干法称重 , 测得土壤含水率。 用环刀
法测定容重 , 间隔 10 c m , 采样 2 个 。 采用直径 10 c m 、 高 20 c m 的渗透筒 , 采集土层深 1 0c m
的原状土柱 , 浸入水中 8 一 12 h 后 , 测定土壤渗透速度 。 并用达西定律计算渗 透 系 数 , 土
壤物理性质用常规法测定。
二 、 研究结果和分析
(一) 土坟水分物理性质
1
. 土滚容重 、 孔 隙度及通气度 林地及采伐迹地的土壤容重由上层土壤向下呈递 增 趋
势 (表 1 ) 。 人工林土壤容重为0 . 7 ~ 1 . 35 , 这是由于杉木林采用火烧整地、 抚育等措施 , 多
次扰动土壤 , 使上层土壤的容重偏大。 此外 , 由于杉木林是在火烧整地后栽植起来的 , 因而 ,
在土壤的 10 一 20 c m 深度 , 有一明显的呈灰黑色 、 琉松 的草木灰夹心层 , 这一层的容重较其
上 、 下层土壤容重小 , 介于。. 82 一。. 98 。 该层埋藏深度因坡位不同而有一定差别 , 在坡的上
部 , 该层埋藏得浅而薄 , 在坡的下部 , 则深而厚 。 马尾松林的枯落物层的厚度较杉木林大 ,
有机质含量多 , 0 一 1 0 c m 土 壤的客重较小(0 . 8 4 )。 由于采伐多年的皆伐迹地的植被已全部
恢复 , 。一20 c m 土层的容重较小(0 . 78 , 。. 8 4 ) 。 随着土壤深度的增加 , 有机质含量的减少 ,
矿质成分比例的增加 , 土壤容重 也随之增大。 土壤孔隙度随着土层深度的增 加 , 呈 递 减 趋
势 , 并与土壤容重成反相关。 表层土壤的总孔隙度为60 一 70 % 。
土峨容贡 、 持水量 、 孔隙度 (江西竹分宜县 , J9 85 · 9)
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1 期 马雪华等: 杉木 、 马尾松人工林土壤物理性质及水分含量变化的研究 65
土壤的通气度与非毛管孔隙成正相关 , 与土壤容重成反相关 , 一般随土层深度的增加呈
递减趋势 , 但其变化不一 。 在土壤下层 , 由于石砾含量的增加 , 也可 以出现递增的趋势 , 人
工林土壤的通气度一般在 5 % ~ 20 % , 低于天然林土壤(20 %~ 40 % )[ ’l。
2
. 土壤质地和结 构 本区土壤以重壤土为主 , 小于0 . 01 m m 物理粘粒占45 % ~ 60 % (表
2 )
, 该粒级下移现象不明显。 在不同植被条件下 , 土壤各层次粒级基本上与天然林土 壤 机
械组成的规律相类似 。 杉木林 。一20 c m 深度土壤 , 一般为团粒 结构 , 20 ~ 50 c m 为块状结
构 , 较紧实 。 马尾松林团粒结构土壤局限于 。~ 10 c m 土 层深度 , 10 ~ 50 c m 深度为块状结
构 。 皆伐迹地 10 ~ 20 c m 深度土壤 , 根系盘结 , 石砾含量较多 , 为粒状结构 。
表 2 土 玻 机 械 组 成
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3
. 土攘的渗透性 是土壤水分再 分 配
的主要指标 , 与土壤物理性质有关 , 尤其
与非毛管孔隙的关 系较为密切 在不同林
分、同一土壤类型的 。~ 2 0 e m 、 1 0 ~ Zoe m
深度 , 进行土壤渗透性试验 , 结果表明 :
人工杉木林、 马尾松林土 层 。一10 c m 、
1 0~ 2 0 e m 的渗透系数分别为3 . 15一5 . 3 7
m m / m in
, 皆伐迹 地 为 3 . 61 m m / m i玩
人工林土壤的渗透过程见图 1 。
4
. 土攘的持水性 能 本区 20 年生人
工杉木林 、 马尾松林枯枝落叶层的平均厚
度为1~ s e m , 贮量 分 别 为 1 5 . s6 t / ha 、
2 5
。
4 7 t/ h a
。马尾松林的叶面积 虽小 , 但其
腊质层厚 , 较难分解 , 其枯枝落叶层的厚度
18 卜
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5 分末的速度
人工衫木林 一 0一10 a 以_ _ _ 1 0一2 0 C m一 - 一 公O一3O C甩
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图 i
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人工林土城各层次渗透过程线
和贮量均较杉木林高 。杉木林和马尾松林枯枝落叶层的最大持水量分别为4 . 09 m m 、5 . 12m m 。
试验结果表明(表 1 )土壤的持水性能 , 随着土层深度的递增 , 孔隙度的减 少 , 林 地 的
林 业 科 学 研 究 3 卷
各种持水量 , 均有所减少 。 o ~ 5 0 c m 土层深度的最大持水量 , 杉木林为 3 05 . 37 m m , 马尾松林
为2 6 6 . 5 0 m m , {专伐迹地 0 一3 o e m 土层的最大持水量为1 9 2 . 3 6 m m 。 0 ~ so e m 土 层的毛
管持水量 : 杉木林为25 2 . 92 m m , 占最大持水量的82 . 8 2 % , 马尾松为 2 2 3 . 9 1 m m , 占最大
持水量的84 . 02 % , 皆伐迹地的毛管持水量为1 49 . 61 m m , 占最大持水量的7 % 。 。~ so c m
土层的非毛管持水量 : 杉木林为 5 2 . 45 m m , 马尾松 林 为 42 . 59 m m , 各占最大持 水 量的
工7 . 2 % 、 16 . 。 % 。 上述情况说明 , 本区人工杉木林和马尾松林土壤中 , 毛管持水量 的 比例
大 , 非毛管持水量占的比例小 , 人工形木林、 马尾松林 ’土 壤 蓄 水 量 分 别 为 5 2 4 . 1 t/ h a 、
39 6
.
4 t/ h a
, 显著低于我国西南高山林区的土壤 〔毛l。
(二 ) 土滚的多年平均含水率、 , 水盆及其与气候因紊变化的从属关系
1
. 土攘含 水率 、 蓄水量 人工林土壤含水率一般从土壤剖面的上层向下逐渐减少 (表 3 、
图 2 ) , 0 一 10 e m 土层的含水率较高 , 达 2 8 . 6 7 % ~ 3 2 . 8 0 % , 至土层 Zo e m , 土壤含水率按
深度的递增而逐渐减少 , 至土层 30 ~ 4 0 c m 、 40 一50 c m , 各林地土壤含水率没 有 显 著的差
别 。人工林土壤 的一般含水率为21 % 一 3 2 . 8 % , o 一 5 0 c m 土壤多年平均蓄水量 , 以杉木最高 ,
达 1 4 2 . 5 97一 14 4 . 4 8 2 m m , 其次是马尾松林 , 为 1 38 . 4 了g m m , 皆伐迹地 最 低 , 达 2 3 4 . 2 2。
m m
, 这主要是由于迹地无林冠覆盖 , 直接受太阳辐射的影响 , 蒸发水分较 多 , 因而 , 土壤
蓄水量较低 。 同时 , 据计算 , 杉木沐常年的土壤蓄水量只占田 间持水量的 6 1 . 1 19 % , 占最大持
水量的47 . 31 4 % 。 马尾松林的多年平均蓄水量只占其田间持水量的 6 4 . 37 9 % , 占 最大持水
量的5 1 . 9 6 2 % 。
表 3 土峨多年平均含水率 、 , 水,
(江西 分宜 山下林场 , 1 9 8 4 · 5~ 19 8 8 · 6 )
土 层
深 度
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人工杉木林 掩 1 人工杉木林 饨 2 马 尾 松 林 皆 伐 迹 地
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2
. 土墩含水量的季节变化及其与气候 要素的 相关性 在雨季 , 土壤含水量 较 高 , 0 ~
5 0 c m 深度多年平均土壤含水量 : 杉木林为 14 9 . 2 97 一 16 9 . 6 4 9 m m , 马尾松林 为 1 45 . 25 8 ~
16 8
.
0 5 m m
, 皆伐迹地为13 5 ~ 1 66 . 1 5 9 rn m , 至 7 一 9 月 , 随着气温升高 , 雨量减少 , 进入
千早季节 , 在此期间 , 植物生长正处于旺盛季节 , 土壤水分消耗较多 , 因而 , 土壤含水量较低 。
杉木林0一 5 0 e m 土壤多年平均含水量为1 1 6 . 5 5 8一 1 17 . 6 3 5 m m (土壤含水率为 2 1 % ~ 2 2 % ) ,
马尾松林为 一0 5 . 6 2 6一 1 1 1 . o 2 9 m m (土壤含水率为 17 . 5 0 5 %一 5 . 5 5 % ) 。 1 0月至次年 3 月 , 植
物生长季节接近结束 , 有少量雨水渗入土壤 , 蒸发量相应减少 , 土壤含水量处于中等状态 ,
且较稳定。 从多年平均土壤含水量的最大与最小值的差额比较 , 杉木林土壤含水量的差额较
小 , 为 48 一54 . 8 63 m m 。 马尾 松 林较大 , 为 62 . 04 m m , 皆伐迹地土壤的含水 量变幅最大 ,
为8 2 . 4 13 m m 。 总之 , 人工林土壤水分含量的变幅较皆伐迹地小 。
1 期 马雪华等 : 杉木、 马尾松人工林土壤物理性质及水分含量变化的研究 67
鉴于上述林地土壤水分含量与气象要素
变化的相互关系 , 把影响土壤水分含量的主
要气象要素与土壤含水率进行多 元 回 归分
析 , 结果良好 (表 4 )。 土壤含水率与气温和
蒸发量呈负相关 , 而与降雨量和空气湿度呈
正相关。 同时 , 据回归式说明 : 在人工杉木
林 0 一1 0 e m 、 1 0一 2 0 e m 深度的土壤含水率
与上述气象要素的相关性较密切。 土深大于
2 0 c m
, 这种相 关性并不密切。 皆伐迹地由于
没有森林覆盖 , 其土壤含水率与上述气象要
素的相关性较有林地更为密切 , 而且 , 这种显
著的相关性可延伸到深达 4 0 c m 的土层中。
3
. 小地形对土攘水分含量的 影 响 由
于试验集水区地处丘陵山地 , 小地形的变化
必然引起小气候的变化 , 因而影响林地土壤
含水率的变化 。 测试结果表明 : 杉木林小集
水区多年平均土壤含 水 量 以 集 水 沟 沟底
部 最 高 , 0 ~ 50 c m 深 度 土 壤 含水 量 为
1 62
·
07 3 m m
, 阴坡中部的土壤含水量次之 ,
达 1 5 0 . 6 6 7 m m , 再 次 之 是 阴 坡 坡 顶部
(1 46
·
13 6 m m)
,土壤含水量较少的是阳坡中部
(1 4 3
.
3 2 5 m m )
, 最少的是阳坡坡顶 (1 14 . 6 7
m m )
。 根据小地形的起伏 , 按土壤多年平均
含水率的多少顺序排列 : 沟槽底部 > 阴坡中
部 > 阴坡坡顶 > 阳坡中部> 阳坡坡顶(图3) 。
.
w (西 ) 年水沟横断面 E (东 )
八成树工
工tO6目卜
羊锹协俗g并书如毋眯份钱N困
闪祠州10
1 6 2
。
0 7 3
600
八日„喇关叙葬-H
(% )本零琴斗去由零珍干 图 3 衫木林小集水区土壤多年平均含水量按
小地形变化情况
林 业 科 学 研 究 3 卷
表 4 土峨含水串(% )与主要气象因子的回归相关式
(江西分宜 山下林场 , 1 9 85 )
土 层深度 数据 组数多 项 回 归 式
佣关系数
(尸)闭20(e m )
人工杉木林
集水 区 1
0 ~ 1 0
1七~ 2 0
9 0
一 x 。 = 2 4
.
1 3 7 1 3 一 0
.
2 3 6 2 4 x 一卜0 · 0 9 6 9 3 x 2 + 0 . 0 2 7 5 7 x :
一 0 . 0 2 7 4 7 x -
夕1 0 一 : o = 16 . 47 4 0 8 一 0 . 3 5 3 0 1 x ; + 0 . 1 5 9 4 1 万 念 + 0 . 0 3 0 2 6 x 。
一 0
.
1 7 9 5 6 义母
0
.
5 93 4 2
0
.
6 8 3 5 0
人工衫木林
集水区 2
0 ~ 10 9 0
一 z。 = 0
.
1 0 6 4 2 一 0 . 03 7 9 3 x i + 0 . 3 2 5 9 7 , 艺 + 0
.
0 2 7 1 9 二 ,
一 0 . ” 98 3 1 , -
夕l卜 2 0 = 7 . 3 1 5 6 5 一 0 . 06 5 6 3 x 孟 + 0 . 2 19 3 5 x 吕 + 0 . 0 18 4 4 戈 .
一 0 . 0 75 8 6 x -
夕。一 。 = 1 9 . 3 9 5 7 6 一 0 . 3 9 6 2 8 , ‘ + 0 . 2 08 9 9 x 皿 + 0 . 心42 45 x a
一 0
.
3 0 0 1 二 -
V x o
一 , o = 1 3
·
7 5 6 2 0 一 0 . 5 08 8 7 x 一 + 0 . 2 5 8 9 9 戈 2 + 0 . 0 3 2 6 5 义 ,
一 0 . 心6 4 5 2 牛 -
g : o
一 , o = 2 2
.
3 4 8 16 一 o . 1 09 4 2 x 一 + 0
.
14 5 3 9 x 2 + 0
.
0 0 8 5 1 义。
一 0 . 58 2 6 1 劣 -
夕s卜一。 = 7 . 0 7 3 6 6 一 0 . 2 0 4 5 6 x z + 0 . 3 0 5 0 2 戈 : + O . 0 01 8 2 x ,
一 0 . 32 3 9 7 x -
0
.
6 1 8 5 6
1 0 ~ 2 0 0
.
6 18 2 6
份伐进地 oe 1 o 0 , 6 9 5 5 7
1 0 ~ 2 0 0
.
6 91 8 5
2 0 ~ 3 0 0
.
56 7 3 6
3 0 ~ 4 0
注 . 二 ,— 月平均气温 (℃ ) , 戈 :— 月平均泥度 (% ) , 工 :— 月降雨扭 (m m ) , , .—月平均蒸发 t (m m ) ,夕一 。—月平均土城含水率(% 〕。
三 、 结 论
1
. 本试验区林地土壤较薄 , 一般为50 ~ 60 c m , 质地较粘重 , 主要 为重壤土 , 上 层( 0 ~
20 c m )土壤为团粒结构 , 中、 下层 (2 O一 50 c m )形成较紧实的块状结构 。 土 壤 容 重 0 . 7 ~
1
.
35
。总孔隙度5 % 一70 % , 其中毛管孔隙度为40 % ~ 50 % , 通气度5 % 一 20 % , 土壤的稳定渗
透系数为 3 . 18 一 5 . 37 m m / m in , 有林地 。一so c m 深度土壤最大持 水 量 达 2 6 6 . 0 0~ 30 5 . 5 7
m m
, 毛管持水量为2 2 3 . 9 1一 2 5 2 . 9 2 m m , 非毛管持水量为3 9 . 6 4一 5 2 . 4 1 m m 。
2
. 人工杉木林 、 马尾松林的多年平均含水率较低 (21 %一32 . 8 % ) 。 但是 , 均高于皆伐
迹地。
3
. 人工林土壤水分含量受季节变化影响较皆伐迹地小 , 且年 内变幅较小 。 土壤含水 率
与气温 、 空气湿度 、 蒸发量、 降雨量呈多元回归相关 。据此相关式分析 , 人工林土壤水分含量
受气候变化影响的土层较浅 , 达 0 一 20 c m , 而皆伐迹地受影响的土层较深 , 可达 o 一 4 0 c m 。
总之 , 本区土壤表层的枯枝落叶层厚度小 , 土层较薄 , 土壤水分一物理性质较差 , 直接
影响土壤的透水、 蓄水性能 , 并对土壤的水分养分供应条件产生 不 良影 响 。 鉴 于 上 述 情
况 , 为了减少人为活动对地面植被的破坏 , 建议逐步改变现行的火烧整地方式 , 用混交林代
替杉木纯林的林分结构 , 同时 , 采用深耕细作等措施 , 改善土壤结构 , 增加有机质的来源 ,
逐步改善人工杉木林土坡的水分养分供应状况 , 提高人工林的生产量及其调节水分的生态功
能。
1 期 马雪华等 : 杉木、 马尾松人工林土壤物理性质及水分含量变化的研究 69
参 考 文 献
〔1 〕 马雪华 , 1 9 8了, 四川米亚罗地区高山冷衫林水文作用的研究 , 林业科学 , 2 3( 3 ) : 2 56 ~ 2 5 9a
【2 〕 中国科学院南京土城研究所 , 19 78 , 土澳理 化分析 , 上海科学技术 出版社。
【3 〕罗致 英 , 1 95 3 , 森林土壤学 , 科学 出版社 , 2 2 2~ 2 7 3 。
〔4 1 中野秀章 , 19 7 3 (李云森译 , 19 8 3) , 森林水文学 , 中国林业出版社 。
A S TU D Y ON So lL一PHYSICAL PR OPE R T IE S AND
CH ANG E OF SO IL MO !ST U R E CON T E NT IN
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.
T h e v o lu m e w e ig h t o f 50 11
r a n g es 0
.
7 8 ~ 1
.
3 5
。
T h e to ta l po r o s ity o f 50 11 15 a b o u t 5 5 % ~ 7 7 %
,
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c aPilla r ity Po r o sity a b o u t 4 0 %一5 0 % . T h e e o effie en t o f 5 0 11 p rem ea b ilit y 3
.
1 5~
5
.
3 7 m m /m u n
·
T he m e a n an
u a l 叩11 m o is tu r e c o n ten t in 5 ye a r s 15 a b o u t 2 1%
~ 3 2 % o f w a te r
.
T h e 5 0 11 m o is tu r e co n te n t in fo r es ts 15 m o r e t han th a t in the
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一e u ttilg l
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fa e to r s o n 50 11 m o istu r e e o n te n t 15 o b v io u s
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Po ly r o 刀n ia l r e g re s sio n