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土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力

吕娇 MustaqShah 崔义 徐程扬

吕娇, MustaqShah, 崔义, 徐程扬. 土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
引用本文: 吕娇, MustaqShah, 崔义, 徐程扬. 土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
Lü Jiao, Mustaq Shah, Cui Yi, Xu Chengyang. Soil compactness and litter adjusting the water holding and seepage capacity of urban forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
Citation: Lü Jiao, Mustaq Shah, Cui Yi, Xu Chengyang. Soil compactness and litter adjusting the water holding and seepage capacity of urban forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476

土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
基金项目: 林业公益性行业重大专项(20140430102)
详细信息
    作者简介:

    吕娇。主要研究方向:城市森林土壤与水分。Email:2991838033@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学

    通讯作者:

    徐程扬,教授,博士生导师。主要研究方向:树木与环境、城市森林构建、经营与评估等。Email:cyxu@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S731.2

Soil compactness and litter adjusting the water holding and seepage capacity of urban forest soil

  • 摘要:   目的  分析人为干扰对土壤密度、孔隙度、紧实度等物理性质的影响,揭示紧实度、凋落物还林决定城市森林土壤的持水和渗水能力,以期为科学管理城市森林凋落物及践踏程度提供科学参考。  方法  以北京市典型城市森林公园−奥林匹克森林公园内森林为研究对象,通过测定不同践踏等级(轻度、中度、重度)、不同凋落物蓄积量(0 t/hm2 ~ 4 t/hm2、4 t/hm2 ~ 8 t/hm2、8 t/hm2 ~ 12 t/hm2)、不同草被植物覆盖度(0、0 ~ 50%、50% ~ 100%)下表层土壤持水、渗水相关性质,分析紧实度、凋落物还林对土壤持水和渗水能力的影响。  结果  (1)践踏程度及凋落物蓄积量不同对土壤持水、渗水能力有显著影响(P < 0.05),杂草覆盖度不同对土壤持水、渗水能力无显著影响(P > 0.05)。践踏程度减弱,土壤通气性、持水能力、渗透能力均显著增加。(2)土壤持水量和土壤渗透速率与土壤孔隙度呈显著正相关,与土壤密度呈显著负相关,表明人为干扰正是通过改变土壤通气紧实程度来影响土壤持水及渗透能力。(3)土壤紧实度增加,城市森林土壤持水和渗水能力显著降低;凋落物累积量增加,土壤持水渗水能力变化不明显。(4)土壤持水能力随着紧实度的减少和凋落物累积量的增加而增强,二者具有协同效应;土壤渗水能力随着紧实度的减少而增加,凋落物影响不大。  结论  紧实度、凋落物还林决定城市森林土壤持水和渗水能力,减轻人为践踏,适当保留凋落物可以提高土壤持水、渗水能力,减少地表径流。相关结果为城市森林及海绵城市管理奠定了基础。
  • 图  1  奥林匹克森林公园中采样点的空间分布

    Figure  1.  Spatial distribution of sampling points in Olympic Forest Park

    图  2  不同践踏及凋落物等级下土壤各持水量变化

    践踏等级1、2、3分别为轻度践踏,中度践踏,重度践踏。凋落物等级1、2、3分别为0 ~ 4 t/hm2、4 ~ 8 t/hm2、8 ~ 12 t/hm2。不同小写字母代表差异显著。下同。Trampling level 1, 2, and 3 are mild trampling, moderate trampling and severe trampling, respectively. Litter level 1, 2 and 3 are 0−4 t / ha, 4−8 t / ha, and 8−12 t / ha, respectively. Different lowercase letters represent significant differences. Same as below.

    Figure  2.  Changes in soil water holding capacity under different trampling and litter levels

    图  3  土壤孔隙度与土壤持水量的关系

    Figure  3.  Relationship between soil porosity and soil water holding capacity

    图  4  不同践踏及凋落物等级下土壤各渗透速率的变化

    Figure  4.  Changes in soil infiltration rates under different trampling and litter levels

    图  5  土壤孔隙度与土壤渗水能力的关系

    Figure  5.  Relationship between soil porosity and soil infiltration capacity

    图  6  紧实度、凋落物累积量对饱和持水量、稳渗率的影响

    * 表示相关关系显著(P < 0.05);** 表示相关关系极显著(P < 0.01)。下同。* means significant correlation(P < 0.05); ** means extremely significant correlation(P < 0.01). The same below.

    Figure  6.  Effects of compactness and litter accumulation on saturated water holding capacity and stable infiltration rate

    图  7  土壤紧实度与凋落物累积量与土壤物理性质的关系

    Figure  7.  Relationship between soil compactness as well as litter accumulation and soil physical properties

    表  1  样地划分依据及数量

    Table  1.   Basis and number of sample plot classification

    草本覆盖
    Grass coverage/%
    凋落物累积量/(t·hm− 2)Litter accumulation/(t·ha− 1)总计
    Total
    0 ~ 4 4 ~ 8 8 ~ 12
    轻度践踏
    Mild trampling
    中度践踏
    Moderate trampling
    重度践踏
    Severe trampling
    轻度践踏
    Mild trampling
    中度践踏
    Moderate trampling
    重度践踏
    Severe trampling
    轻度践踏
    Mild trampling
    中度践踏
    Moderate trampling
    重度践踏
    Severe trampling
    0 1 3 3 1 1 1 1 1 1 13
    0 ~ 50 2 2 1 1 2 2 1 1 2 14
    50 ~ 100 2 2 2 2 2 1 1 1 1 14
    总计 Total 5 7 6 4 5 4 3 3 3 41
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    表  2  人为干扰对土壤持水、渗水能力影响的方差分析

    Table  2.   Variance analysis on soil water holding capacity and water seepage ability under human interference

    因子及因子间的
    相互作用
    Factor and interaction among factors
    饱和持水量
    Maximum water holding capacity (MWHC)
    毛管持水量
    Capillary water holding capacity (CWHC)
    田间持水量
    Field water holding capacity (FWHC)
    初渗率
    Initial infiltration
    rate (IIR)/
    稳渗率
    Stable infiltration
    rate (SIR)
    平均渗透速率
    Average infiltration rate (AIR)
    T 12.276*** 11.278*** 10.363*** 3.095 10.842*** 10.945***
    G 1.026 0.473 0.435 0.542 1.330 0.390
    L 2.561* 2.686* 3.572* 2.398 3.315* 3.426*
    T × G 0.566 0.582 0.463 0.468 0.271 0.135
    T × L 0.666 1.857 2.159 1.712 0.289 0.148
    G × L 1.651 2.895 1.537 1.686 0.466 0.131
    T × G × L 0.071 0.960* 1.415 0.899 0.162 0.078
    注:T为践踏程度;G为杂草覆盖度;L为凋落物累积量。表中数值为F检验值,*表示P < 0.05,**表示P < 0.01,***表示P < 0.001。Notes: T, trample degree; G, grass coverage; L, litter accumulation. Data are F testing values. * means P < 0.05 , ** means P < 0.01, *** means P < 0.001.
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    表  3  土壤各持水量及渗透指标与土壤物理性状指标的Pearson相关关系

    Table  3.   Pearson correlation coefficients between water holding capacity, infiltration index and soil physical property index of soil

    物理性状指标
    Physical property index
    饱和持水量
    Maximum water holding capacity
    (MWHC)
    毛管持水量
    Capillary water holding capacity
    (CWHC)
    田间持水量
    Field water holding capacity(FWHC)
    初渗率
    Initial infiltration rate(IIR)
    平均渗透速率
    Average infiltration rate(AIR)
    稳渗率
    Stable infiltration rate(SIR)
    土壤密度
    Soil bulk density(BD)
    −0.661** −0.494* −0.421* −0.113 −0.340* −0.318*
    土壤紧实度
    Soil compactness(SC)
    −0.542** −0.659** −0.549** 0.284** −0.679** −0.680**
    非毛管孔隙度
    Non-capillary porosity(NCP)
    −0.469** −0.046 −0.069 0.190 0.259* 0.238*
    毛管孔隙度
    Capillary porosity(CP)
    0.619** 0.844** 0.667** −0.084 0.070 0.071
    总孔隙度
    Total porosity
    0.797** 0.686** 0.604** 0.040 0.210 0.199
    毛管孔隙度/非毛管孔隙度
    Ratio of capillary porosity and non-capillary porosity
    (NCP/CP)
    −0.300** 0.007 −0.091 −0.146 −0.251** −0.275**
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-27
  • 修回日期:  2020-04-22
  • 网络出版日期:  2020-07-23

土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
    基金项目:  林业公益性行业重大专项(20140430102)
    作者简介:

    吕娇。主要研究方向:城市森林土壤与水分。Email:2991838033@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学

    通讯作者: 徐程扬,教授,博士生导师。主要研究方向:树木与环境、城市森林构建、经营与评估等。Email:cyxu@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S731.2

摘要:   目的  分析人为干扰对土壤密度、孔隙度、紧实度等物理性质的影响,揭示紧实度、凋落物还林决定城市森林土壤的持水和渗水能力,以期为科学管理城市森林凋落物及践踏程度提供科学参考。  方法  以北京市典型城市森林公园−奥林匹克森林公园内森林为研究对象,通过测定不同践踏等级(轻度、中度、重度)、不同凋落物蓄积量(0 t/hm2 ~ 4 t/hm2、4 t/hm2 ~ 8 t/hm2、8 t/hm2 ~ 12 t/hm2)、不同草被植物覆盖度(0、0 ~ 50%、50% ~ 100%)下表层土壤持水、渗水相关性质,分析紧实度、凋落物还林对土壤持水和渗水能力的影响。  结果  (1)践踏程度及凋落物蓄积量不同对土壤持水、渗水能力有显著影响(P < 0.05),杂草覆盖度不同对土壤持水、渗水能力无显著影响(P > 0.05)。践踏程度减弱,土壤通气性、持水能力、渗透能力均显著增加。(2)土壤持水量和土壤渗透速率与土壤孔隙度呈显著正相关,与土壤密度呈显著负相关,表明人为干扰正是通过改变土壤通气紧实程度来影响土壤持水及渗透能力。(3)土壤紧实度增加,城市森林土壤持水和渗水能力显著降低;凋落物累积量增加,土壤持水渗水能力变化不明显。(4)土壤持水能力随着紧实度的减少和凋落物累积量的增加而增强,二者具有协同效应;土壤渗水能力随着紧实度的减少而增加,凋落物影响不大。  结论  紧实度、凋落物还林决定城市森林土壤持水和渗水能力,减轻人为践踏,适当保留凋落物可以提高土壤持水、渗水能力,减少地表径流。相关结果为城市森林及海绵城市管理奠定了基础。

English Abstract

吕娇, MustaqShah, 崔义, 徐程扬. 土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
引用本文: 吕娇, MustaqShah, 崔义, 徐程扬. 土壤紧实度、凋落物调控城市森林土壤持水、渗水能力[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
Lü Jiao, Mustaq Shah, Cui Yi, Xu Chengyang. Soil compactness and litter adjusting the water holding and seepage capacity of urban forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
Citation: Lü Jiao, Mustaq Shah, Cui Yi, Xu Chengyang. Soil compactness and litter adjusting the water holding and seepage capacity of urban forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190476
  • 作为具有生命力的绿色基础设施,城市森林对调节城市生态环境[1]、应对气候变化[2]、提高城市弹性[3]、服务居民身心健康以及提供优良的休闲游憩空间[4]等起着重要的作用。在以高比例不透水地表面积构成的城市生态系统中,城市内涝问题频发,海绵城市建设的提出能够从多角度解决此问题,其中城市森林所具备降水吸持[5]、地表水入渗和降低地表径流[6]等水文功能,是充分发挥城市森林“海绵”作用的重要标志。而有机碳输入可有效地改良土壤物理性质[7],是提高城市森林土壤水分入渗功能的重要途径之一。然而,市民的高强度游憩和使用干扰通常导致土壤紧实度提高[8];管理中及时清理收集凋落物,在很大程度上阻断了凋落物对土壤的有机碳输入,是人类影响城市森林健康的重要活动,也是降低城市森林土壤水文功能的重要原因[9]。凋落物收集和人为践踏等干扰活动,对城市森林土壤持水和蓄水能力的影响究竟有多大,目前尚无系统研究。

    森林土壤的持水能力和渗水能力与林分类型[10]、林分结构及树种结构[11-12]、凋落物归还[13]等密切相关,但是,目前有关城市森林土壤持水能力和渗水能力的研究报道主要集中在绿地类型[14]、机械压实[15]等因子的影响上,针对凋落物和践踏双重作用的研究鲜有报道。在城市森林中,机械压实和人为践踏通常会改变土壤紧实度及其孔隙分布[16],从而对土壤渗水能力产生显著影响。紧实度对城市森林土壤持水和渗水能力的影响已经有一定量的报导,凋落物归还以及林下植被覆盖能否有效改善土壤紧实度,进而提高城市森林土壤的持水和渗水能力这一问题尚缺乏系统研究。因此,本研究以典型城市森林公园区域内受人为干扰的土壤为研究对象,将每类干扰分为3个水平梯度,研究其对土壤持水、渗水能力的影响,探讨最优管理模式,对深入了解城市土壤的退化程度以及影响因素具有重要意义,并为提高城市森林公园生态性经营管理提供一定的理论基础。

    • 奥林匹克森林公园建成于2008年,位于北京市中轴线的北端,利用五环路的南北界定,将森林公园划分为以生态保护与生态恢复功能为主的北园区和以休闲娱乐功能为主的南园区[17]。总面积达680 hm2,其中水域面积约122 hm2,绝大多数水域为静态水体[18],绿化覆盖率为95.61%。属温带大陆半湿润季风气候,四季分明,降水集中。春季干燥多风,昼夜温差较大;夏季炎热多雨;秋季晴朗少雨,冷暖适宜,光照充足;冬季寒冷干燥,多风少雪。年平均气温10 ~ 12 ℃,七月最热,平均气温27.5 ℃,年平均降水量600 mm。

      土壤类型主要为潮褐土,主要植被为人工营造的乔灌草复层景观林,乔木主要为油松(Pinus tabuliformis),侧柏(Platycladus orientalis),国槐(Sophorajaponica),美国红梣(Fraxinus pennsylvanica)和银杏(Ginkgo biloba);灌木树种主要为山桃(Prunus davidiana)和海棠(Malus spectabilis),地被植物主要为鸢尾(Iris tectorum)、紫花地丁(Viola yedoensis)、附地菜(Trigonotis peduncularis)等。

    • 样地位于奥林匹克森林公园南园南门附近及北园北门南侧区域,土壤大多为发育不成熟的客土和素土。两地人流量相差较多,北园区域人流量较少,踩踏情况较轻,南园区域与之相反。试验区域样地的群落结构均为乔木+草本,树木生长状况较为一致,且试验阶段未发现进行水肥管理相关措施,采样区均无围栏。两地主要差异为人为践踏的多少,以及人工回收凋落物的频率,其他环境因素差异不大,因此在这两地设置样地可明显地比较出紧实度的差异。

      根据不同的践踏干扰程度和不同凋落物累积量、杂草管理状况设置10 m × 10 m或15 m × 15 m的样地共41块,样地分布如图1所示。依据植物的倒伏和裸地面积比,将践踏干扰划分为3个等级[19]:(1)轻度践踏干扰(几乎无游客经过,植物倒伏率小于10%;土壤几乎保持原始性状)、(2)中度践踏干扰(少量游客经过,植物倒伏率为20% ~ 35%,因践踏而产生的裸地所占比例小于10%,土壤轻微压实)、(3)重度践踏干扰(大量游客经过,植物倒伏率大于35%,土壤重度压实)。根据草被植物的覆盖度将林下植被状况分为三级:(1)0,(2)0 ~ 50%,(3)50% ~ 100%;由于41个采样点的凋落物最大累积量为12 t/hm2,故将凋落物累积量均分为三级:(1)0 ~ 4 t/hm2,(2)4 ~ 8 t/hm2,(3)8 ~ 12 t/hm2。凋落物较多的区域人流量较少并且人为管理回收不频繁,而凋落物较少甚至几乎为零的地方,多为人为部分或全部回收。由此可见人为回收是影响凋落物累积量的主要原因。样地划分依据及数量见表1

      图  1  奥林匹克森林公园中采样点的空间分布

      Figure 1.  Spatial distribution of sampling points in Olympic Forest Park

      表 1  样地划分依据及数量

      Table 1.  Basis and number of sample plot classification

      草本覆盖
      Grass coverage/%
      凋落物累积量/(t·hm− 2)Litter accumulation/(t·ha− 1)总计
      Total
      0 ~ 4 4 ~ 8 8 ~ 12
      轻度践踏
      Mild trampling
      中度践踏
      Moderate trampling
      重度践踏
      Severe trampling
      轻度践踏
      Mild trampling
      中度践踏
      Moderate trampling
      重度践踏
      Severe trampling
      轻度践踏
      Mild trampling
      中度践踏
      Moderate trampling
      重度践踏
      Severe trampling
      0 1 3 3 1 1 1 1 1 1 13
      0 ~ 50 2 2 1 1 2 2 1 1 2 14
      50 ~ 100 2 2 2 2 2 1 1 1 1 14
      总计 Total 5 7 6 4 5 4 3 3 3 41
    • 采样时间为2019年4月30日至2019年5月7日(海淀区,最低温度为14 ℃,最高为28 ℃,无降雨天气),在每块样地上,沿对角线(不靠近边缘)选取3个样点,在每个样点利用土钻及容积为100 cm3的环刀采集0 ~ 10 cm表层土(由于城区森林公园表层土受人为干扰影响较大且践踏压实主要发生于表层,所以选取0 ~ 10 cm的表土层)。每个样点取得2个土样用于土壤物理性状、持水量、土壤渗透性的测定。

      凋落物的采集:在每块样地的一条对角线上选取3个1 m × 1 m的小样方(样方尽量选在样地对角线树木间位置,凋落物均匀分布,且各样方内环境因素基本一致,即各小样方树木、植被情况基本一致)。收集样方内的全部凋落物,记录种类并现场称量鲜质量。将样品带回实验室,放入烘箱(80 ℃)24 h,烘干结束后称质量,计算凋落物累积量(litter accumulation,LA)。

    • 土壤主要物理性质性状、持水性能、渗透性测定方法均参照《中华人民共和国林业行业标准-森林土壤分析方法》[20]以及中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室的《土壤物理性质测定法》[21]。用环刀法测定土壤密度(soil bulk density,BD)、总孔隙度(total porosity,TP)、毛管孔隙度(capillary porosity,CP)、非毛管孔隙度(non-capillary porosity,NCP)以及饱和持水量(maximum water holding capacity,MWHC)、毛管持水量(capillary water holding capacity,CWHC)和田间持水量(field water holding capacity,FWHC)等指标。测定土壤紧实度(soil compactness,SC)时,SC-900仪器钻头每下降2.5 cm,得到一次紧实度数据,取0 ~ 20 cm紧实度平均值作为表层土壤紧实度。采用室内环刀法测定土壤渗透速率,即将一个空环刀(环刀底面积为20 cm2)与取土环刀用防水胶带结合在一起,以防侧渗,并将双环刀放置于漏斗架上,沿上环刀壁缓慢加水,始终保持水层厚度在土面以上5 cm处;从滴下第一滴水开始计时,记录2、3、5、10、15、20、25、30、45、60、75 min间段滴下的水量。本试验过程土壤渗透在75 min时均达到稳定。初始2 min渗透速率为初渗率(initial infiltration rate,IIR),60 ~ 75 min渗透速率为稳渗率(stable infiltration rate,SIR),全程75 min内渗透速率为平均渗透速率(average infiltration rate,AIR)。测定并记录当时的入渗水温,采用公式[19]将此时渗透速率换算为标准温度10 ℃下的渗透速率$ {K}_{10} $

      $$ {K}_{10}=\frac{{K}_{\theta }}{0.7+0.03\times \theta } $$ (1)

      式中,$ \theta $为渗透测定时的水温(℃),$ {K}_{\theta } $是水温为$ {\theta } $时的渗透速率(mm/min)。

    • 采用Microsoft excel 2017进行数据整理。利用SPSS20.0统计软件对所有指标进行方差齐性检验、正态检验及多因素方差分析。利用Pearson相关检验分析紧实度和城市森林土壤物理指标之间的相关性;运用多元回归分析紧实度与凋落物累积量对土壤持水、渗水指标的影响。本文通过Microsoft excel 2017、SPSS 20.0、Sigmaplot 12.5进行数据分析、统计和制图。

    • 践踏程度对土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量影响均极显著(P < 0.001),凋落物累积量对土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量影响均显著(P < 0.05)(表2)。

      表 2  人为干扰对土壤持水、渗水能力影响的方差分析

      Table 2.  Variance analysis on soil water holding capacity and water seepage ability under human interference

      因子及因子间的
      相互作用
      Factor and interaction among factors
      饱和持水量
      Maximum water holding capacity (MWHC)
      毛管持水量
      Capillary water holding capacity (CWHC)
      田间持水量
      Field water holding capacity (FWHC)
      初渗率
      Initial infiltration
      rate (IIR)/
      稳渗率
      Stable infiltration
      rate (SIR)
      平均渗透速率
      Average infiltration rate (AIR)
      T 12.276*** 11.278*** 10.363*** 3.095 10.842*** 10.945***
      G 1.026 0.473 0.435 0.542 1.330 0.390
      L 2.561* 2.686* 3.572* 2.398 3.315* 3.426*
      T × G 0.566 0.582 0.463 0.468 0.271 0.135
      T × L 0.666 1.857 2.159 1.712 0.289 0.148
      G × L 1.651 2.895 1.537 1.686 0.466 0.131
      T × G × L 0.071 0.960* 1.415 0.899 0.162 0.078
      注:T为践踏程度;G为杂草覆盖度;L为凋落物累积量。表中数值为F检验值,*表示P < 0.05,**表示P < 0.01,***表示P < 0.001。Notes: T, trample degree; G, grass coverage; L, litter accumulation. Data are F testing values. * means P < 0.05 , ** means P < 0.01, *** means P < 0.001.

      践踏程度降低,各凋落物累积下土壤毛管持水量和田间持水量均升高。饱和持水量受践踏程度的影响极显著(P < 0.001),随践踏程度的降低,饱和持水量显著升高,轻度践踏下饱和持水量为中度践踏和重度践踏的1.17倍和1.08倍,凋落物累积量为4 ~ 8 t/hm2时土壤各持水量最大。(图2)。

      图  2  不同践踏及凋落物等级下土壤各持水量变化

      Figure 2.  Changes in soil water holding capacity under different trampling and litter levels

      人为干扰对城市森林土壤持水过程的影响是由土壤结构、植被环境、冠层截留等多种因素共同作用的结果。本文中,发现土壤紧实度与凋落物蓄积量的作用较林下植被的影响更加显著。土壤孔隙效果越优,饱和持水量、毛管持水量、田间持水量越大(图3)。

      图  3  土壤孔隙度与土壤持水量的关系

      Figure 3.  Relationship between soil porosity and soil water holding capacity

    • 践踏程度对稳渗率及平均渗透速率有极显著的影响(P < 0.001),同时受凋落物累积量影响也较显著(P < 0.05)。践踏程度降低,各凋落物累积下土壤稳渗率及平均渗透速率均升高,践踏等级为轻度时,平均渗透速率可达0.23 mm/min,稳渗速率可达0.2 mm/min;践踏程度中等时,初渗率最高。同一践踏程度下,凋落物累积量为4 ~ 8 t/hm2时,土壤稳渗率及平均渗透速率均显著高于0 ~ 4 t/hm2及8 ~ 12 t/hm2。轻度践踏下,凋落物累积量为4 ~ 8 t/hm2时土壤渗水能力最大(图4)。初渗率受践踏程度影响显著(P < 0.05),受凋落物累积量的影响不显著,猜测原因可能是初渗率会受多种其他因素影响,如土壤瞬时含水量等。土壤渗水能力随土壤总孔隙度和孔隙度增加而增加,线性关系不显著(图5)。

      图  4  不同践踏及凋落物等级下土壤各渗透速率的变化

      Figure 4.  Changes in soil infiltration rates under different trampling and litter levels

      图  5  土壤孔隙度与土壤渗水能力的关系

      Figure 5.  Relationship between soil porosity and soil infiltration capacity

    • 饱和持水量是毛管孔隙和非毛管孔隙水分贮蓄量之和,因此可代表土壤最大贮蓄持水能。随着紧实度的降低和凋落物累积量的增加,土壤饱和持水量逐渐增大,土壤持水能力增强,凋落物与紧实度之间具有协同效应,共同提升土壤持水能力。稳渗率为土壤稳定渗水时的渗透速率,可代表土壤的渗水能力。渗水能力随着紧实度的降低而增加,但是凋落物的增加对渗透速率的影响不大(图6)。

      图  6  紧实度、凋落物累积量对饱和持水量、稳渗率的影响

      Figure 6.  Effects of compactness and litter accumulation on saturated water holding capacity and stable infiltration rate

      饱和持水量都与土壤密度、土壤紧实度、非毛管孔隙度呈显著负相关,与毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关。毛管持水量、田间持水量与土壤密度、土壤紧实度呈显著负相关,与毛管孔隙度、总孔隙度呈显著正相关。初渗率与土壤紧实度呈显著正相关。平均渗透速率、稳渗率与土壤密度、紧实度呈显著负相关,与非毛管孔隙呈显著正相关,与毛管孔隙度和总孔隙度相关性不显著(表3)。土壤物理性状一致时,土壤各持水及渗透指标的显著相关性不同,说明此时土壤持水和渗水运动发生不同偏好。土壤非毛管孔隙度与毛管孔隙度的比值,反映了土壤水分在涵蓄水量和供给植物生理性用水能力之间的一种权衡关系,比值与土壤饱和持水量、平均渗透速率和稳渗率均呈极显著负相关。

      表 3  土壤各持水量及渗透指标与土壤物理性状指标的Pearson相关关系

      Table 3.  Pearson correlation coefficients between water holding capacity, infiltration index and soil physical property index of soil

      物理性状指标
      Physical property index
      饱和持水量
      Maximum water holding capacity
      (MWHC)
      毛管持水量
      Capillary water holding capacity
      (CWHC)
      田间持水量
      Field water holding capacity(FWHC)
      初渗率
      Initial infiltration rate(IIR)
      平均渗透速率
      Average infiltration rate(AIR)
      稳渗率
      Stable infiltration rate(SIR)
      土壤密度
      Soil bulk density(BD)
      −0.661** −0.494* −0.421* −0.113 −0.340* −0.318*
      土壤紧实度
      Soil compactness(SC)
      −0.542** −0.659** −0.549** 0.284** −0.679** −0.680**
      非毛管孔隙度
      Non-capillary porosity(NCP)
      −0.469** −0.046 −0.069 0.190 0.259* 0.238*
      毛管孔隙度
      Capillary porosity(CP)
      0.619** 0.844** 0.667** −0.084 0.070 0.071
      总孔隙度
      Total porosity
      0.797** 0.686** 0.604** 0.040 0.210 0.199
      毛管孔隙度/非毛管孔隙度
      Ratio of capillary porosity and non-capillary porosity
      (NCP/CP)
      −0.300** 0.007 −0.091 −0.146 −0.251** −0.275**
    • 人为干扰对城市森林土壤持水过程的影响是由土壤结构、植被环境、冠层截留等多种因素共同作用的结果。本文中,土壤紧实度与凋落物蓄积量的作用较林下植被更加显著。饱和持水量是毛管孔隙和非毛管孔隙水分贮蓄量之和,反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力,毛管持水量和田间持水量分别代表毛管孔隙和非毛管孔隙中能够贮存的水分。

      土壤踩踏程度的变化引起紧实度的变化,而土壤密度和土壤孔隙程度也随紧实度增加而增加和降低,进而引起土壤持水能力下降。此外,凋落物的蓄积量也会通过影响土壤孔隙性质改变土壤持水性能(图7),凋落物在降雨过程中可以缓冲削弱雨滴对土壤的击打溅蚀,增加贮存水分的孔隙[22]。然而本研究发现凋落物过多时会影响土壤持水能力。这可能是由于提高凋落物蓄积量和覆盖度可以增加腐殖质,减少土壤水分蒸发,进一步增加毛管悬着水[23],但凋落物蓄积量过高时难于分解,对土壤持水能力产生了负向影响。这与绿色植物枯枝落叶大量凋落于土壤表层,枯落物高度和盖度大的地方,土壤表层的有机质含量越高,有利于植物生长且保持水土的能力相对就越大[24-25]的相关研究的结果不同。当然二者之间关系并不显著,可能由于凋落物还会影响土壤有机碳的含量,这也是导致土壤粘结和持水能力变化的因素之一[26-27]

      图  7  土壤紧实度与凋落物累积量与土壤物理性质的关系

      Figure 7.  Relationship between soil compactness as well as litter accumulation and soil physical properties

    • 土壤水分入渗性能是评价植被层水分调节能力的重要指标[28]。土壤渗透性的好坏直接关系到地表径流的大小,渗透性能越好,地表径流越少[29]。土壤受到践踏后,土壤紧实度增加,同时土层会混入砾石,出现由砾石引起的优势流[30],从而丧失土壤的团粒结构[31],共同作用降低土壤孔隙性并减弱渗透能力。孔隙度与平均渗透速率、稳渗率呈不同程度的显著正相关关系,印证了这一结论,与Yang等和李建兴等的研究结果一致[32-33]

      随着地表凋落物累积量的增加,土壤密度先降低再升高,孔隙性先升高再降低,土壤的稳渗率、平均渗透速率也呈先升高再降低的趋势。这可能是地表的凋落物通过腐殖质巨大的表面积及亲水基团或蚯蚓等土壤动物增强了土壤吸持力,进而增强了土壤渗透性能。然而凋落物较多时会影响土壤呼吸[34]和土壤温度[35],对土壤的入渗产生负面影响[36-37]。而R2较小,可能由于土壤渗透对于孔隙度的响应机制过程较复杂。在土壤湿润的过程中,土壤团聚体发生分散瓦解,表面形成结皮[38-39],对土壤初渗的过程及土壤入渗能力产生影响。同时,土壤水分状态不同,土壤持水能力也有所不同。因为土壤水分运动是降雨、蒸发、地下水流动多种运动共同作用结果[40]。水分充足时,即降水和灌溉后,水分很快下渗,此时水分下渗运动强于水分保持运动,今后可对两种运动的权衡做进一步探究。

      综合来看,土壤因人为践踏引起的紧实度变化及人为回收凋落物引起的凋落物累积量变化对土壤持水及渗水能力的影响整体上大于植被覆盖的影响,但是与紧实度引起的变化相比,凋落物累积量引起的变化比较不明显,说明凋落物累积量对土壤持水渗水能力变化的解释能力较弱,原因可能是凋落物累积量的变化还受许多其他因素的影响。减轻人为践踏,降低紧实度,适当保留凋落物可以提高土壤的持水、渗水能力。更好地发挥城市森林的“海绵作用”,减少地表径流和城市内涝的发生。

参考文献 (40)

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