赵伟文，梁文俊，魏 曦

（1.山西农业大学林学院，山西太谷 030801；2.北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

土壤中储存的水分是一种重要的水资源，在水资源的形成、转化和消耗过程中是不可或缺的成分[1]。水是维持植物生长的关键性因子，植物吸收水分的主要来源，维持森林生态系统稳定性的重要因素之一[2]。土壤含水量直接影响作物根系的生长发育，影响整个土壤水平和垂直结构的稳定性。土壤硬度是指土壤的透水性、透气性，而土壤的硬度影响着水分入渗和化肥的利用率，影响植物根系的生长，最终影响作物的产量和品质。土壤紧实度反映着土壤颗粒松紧程度和土粒间结持力的大小[3]，是衡量土壤质量、评价土地耕作条件的重要指标[4]，其可预测土壤承载量、根性和根性生长的阻力，它的大小可直接影响作物根系的穿孔和生长，是水分和养分高效利用的重要限制因子[5]。土壤水分、土壤紧实度、土壤硬度受多种因素影响[6]，与树种之间存在着复杂的作用关系，在土壤-植被-大气连续体间的水文过程及能量交换中起着重要作用[7]，最终导致林地内不同树种在空间尺度上存在较大的差异。

近年来，国内外许多学者对土壤水分的空间异质性进行了大量研究，但主要集中在农田和草地，对林地土壤水分及物理特性的空间变异的研究较少[8]。SAVVA等[9]研究了美国马里兰州郊区森林和草地覆盖下浅层土壤水分的空间分布格局。王存国等[10]对长白山阔叶红松林表层土壤水分空间异质性进行了研究。许多研究都是以低海拔的土壤表层水分研究为主，对于林地的研究甚少，土壤土层的深度对于水分的再分配有很大的影响[11]，而土壤的垂直和水平结构对于植被生态平衡有重要的作用。

本研究以山西农业大学林学院林业站内的苗圃为对象，对林业站内试验田进行了实地考察与测量，分析了当前试验田内的不同林分样地的土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度的差异性变化，充分了解不同林分之间对于土壤物理性质的作用与影响，探究可能性的因素导致土壤物理特性的不同，并通过方差分析比较研究其变化规律，旨在为以后林地建设、经营提供科学的参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省晋中市太谷县山西农业大学林学院林业站，地理坐标为 112°28′～113°1′E，37°12′～37°32′N，海拔 800 m 左右，属温暖带大陆性气候。东北与榆次相连，东南与榆社县交界，西南与祁县毗邻，西北与清徐县接壤。四季分明，冬长夏短，昼夜温差大，年平均气温9.9℃，1月平均气温-7℃左右，7月平均气温23℃左右，无霜期140～180 d，年均降雨540 mm左右，主要集中在7—9月。林地内主要乔木有白杨、油松、刺槐、侧柏、枣树、柿子树、国槐、青扦云杉等。

1.2 研究方法

选取样地内基本无人工干预的9块样地，每块样地大小为30 m×30 m，每排每列每间隔2 m对样地的土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度进行测定，测定于2017年9月1日开始，每15 d测定一次，共测定4次。土壤含水量、土壤紧实度、土壤硬度的测量深度均为20 cm。土壤水分采用土壤水分仪（TDR300，美国）进行测定，土壤紧实度采用土壤紧实度仪（TJSD-750，浙江）进行测定，土壤硬度采用土壤硬度计（TYD-2，浙江）进行测定。同时对样地内的树种进行每木检尺，获得胸径、冠幅、树高、密度。Ⅰ号样地为荒地，作为空白对照；Ⅱ号样地为刺槐；Ⅲ号样地为枣树；Ⅳ号样地为油松；Ⅴ号样地为刺柏；Ⅵ号样地为柿子树；Ⅶ号样地为白杨；Ⅷ号样地为侧柏；Ⅸ号样地为青扦云杉和侧柏的混交林（表 1）。

表1 样地基本情况

1.3 数据处理和统计分析

采用Excel 2003和SPSS 22.0进行数据的统计分析和检验，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）的方法判断分析导致不同林分样地之间的土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度的异质性的影响因素，并用最小显著差异（LSD）法进行多重比较，显著性水平设定为α＝0.05。

2 结果与分析

2.1 不同林分结构样地土壤含水量差异性变化

研究表明，不同植被类型之间土壤水分含量存在差异。由图1可知，侧柏样地的土壤含水量最大（27.3%），刺槐样地的土壤含水量最小（16.9%）。方差分析表明，不同树种类型与刺槐样地、柿子树样地、侧柏样地的土壤含水量存在显著性差异（P＜0.05），其他样地的土壤含水量与树种的类型不存在显著性差异（P＞0.05）（表2），样地群组间差异显著性明显（P＜0.05）（表3），基本可以反映该区域土壤含水量的变化规律。

不同林分间土壤含水量的变化差异，可能与植被根系对水的利用效率有关。侧柏样地内的植物属于针叶类乔木，属浅根性，但侧根发达，喜生于湿润肥沃的土壤，侧根向四周发展，根系对水的利用率提高，土壤水分含量大（27.3%），高于荒地（CK）的土壤含水率（21.0%）。刺槐样地林分属落叶乔木，根蘖性强，但根系对水分含量较敏感，土壤中水分过多易导致死亡，根系对水的利用率不高，导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%）。柿子树样地林分属落叶乔木，深根性强，喜生于湿润、排水良好的土壤，根系向下生长，土壤的储水性增强，土壤水分含量较大（26.1%），次于侧柏样地。

表2 土壤含水量分析

表3 土壤水分变异分析

2.2 不同林分结构与土壤紧实度的异质性

由图2可知，柿子树样地的土壤紧实度最大（14.3 Pa），刺槐样地的土壤紧实度最小（5.4 Pa）。方差分析表明，不同植被类型与刺柏样地、侧柏样地的土壤紧实度不存在显著性差异（P＞0.05），与其他样地的土壤紧实度存在显著性差异（P＜0.05）（表 4），样地群组间差异性显著（P＜0.05）（表 5），本研究基本可以反映土壤紧实度的变化规律。出现这种显著性差异变化的原因，可能是和植物类型的不同有关，根系的生长影响土壤紧实度。

表4 土壤紧实度分析

表5 土壤紧实度变异分析

柿子树样地林分属深根性树种，根系发达，根系向下生长促使土粒颗粒间隙变小，土壤结持力增大，土壤紧实度增大（14.3Pa），大于荒地（CK）的土壤紧实度（12.9 Pa）。刺槐样地内林分喜疏松，根蘖性强，从根系上分出的小根系、小植株从下层往上层长出，表层间土壤结持力减小，下层土壤结持力变小，土壤颗粒间隙增大，土壤紧实度变小（5.4 Pa），小于荒地（CK）的土壤紧实度（12.9 Pa）。油松样地和刺柏样地的土壤紧实度相近（13.7 Pa），2块样地内的植物均属针叶乔木，在初春时，这2块样地内的杂草较多，林业站内的工作人员对这2块样地进行了耕犁。

2.3 不同林分结构与土壤硬度的异质性

从图3可以看出，柿子树样地的土壤硬度最大，为535.3 kg/cm2；刺柏样地的土壤硬度最小，为398.7 kg/cm2。方差分析表明，不同植被类型与刺柏样地在土壤硬度上存在显著性差异（P＜0.05），与其他样地之间的土壤硬度不存在显著性差异（P＞0.05）（表 6），样地群组间差异性显著（P＜0.05）（表7）。从表8可以看出，不同林分之间的差异和土壤硬度之间不存在相关性，出现这种现象可能与土壤含水量有关。方差分析表明，土壤含水量与土壤硬度存在显著性差异（P＜0.05），土壤硬度直接反映土壤的透水性，影响土壤水分的入渗率。

表6 土壤硬度分析

表7 土壤硬度变异分析

表8 土壤含水量、硬度成对样本相关性分析

3 结论

本研究表明，在相同土层深度的9种不同植被类型中，侧柏样地的土壤含水量最高（27.3%），刺槐样地的土壤含水量最低（16.9%），柿子树样地土壤紧实度最高（14.3 Pa），刺槐样地的土壤紧实度最低（5.4Pa），柿子树样地的土壤硬度最高（535.3kg/cm2），刺柏样地的土壤硬度最低（398.7 kg/cm2）。

对9种植被类型下的土壤物理特性分析表明，针叶类的植被在土壤含水量上普遍大于落叶类的植被，落叶类的植被在土壤紧实度上普遍大于针叶类的植被，对于土壤硬度值，针叶类植被与落叶类植被差异性不明显。

同土层而言，荒地（CK）与其他8种植被类型样地的土壤含水量有显著性差异（P＜0.05），荒地（CK）与其他8种植被类型样地的土壤紧实度也有显著性差异（P＜0.05）。荒地（CK）与其他8种植被类型样地的土壤硬度没有显著性差异（P＞0.05）。

5 讨论

本研究结果得出，不同植物类型的土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度变化规律，针叶类植物比落叶类植物可以更显著改善土壤物理性质和土壤结构，该结论可以指导苗圃的经营抚育，为后期土地改良提供科学依据。

有不同学者提出，在研究土壤含水量的空间分布时，土壤含水量很大程度上取决于土壤结构，并受时间的影响，要用时间标准方差比较进行验证，证明土壤水分的空间分布具有时间稳定性[12]。研究取样的持续时间短，土壤水分具有相对时间稳定性。WESRERN等[13]研究表明，当取样间隔大、取样点数量太少以及土壤水分的测定误差大时，会引起土壤含水量降低或无空间分布稳定性。与以往研究相比，本研究最大的特点是取样间隔不大、取样点数量多，研究结果可以说明土壤含水量受时间、空间等因素影响较小。针叶类植被的侧根系发达，基本属于浅根性，20 cm土层深度的根系持水性最高[14]，对水利用率高于落叶类植被。JACKSON等[15]研究表明，尽管在深层土层中根系很少，但对林木的水分吸收发挥着非常重要的作用。当上层的土壤水分有很高的蒸发并产生威胁自身生长时，植物会从深层的土层中吸取水分，提高自身的生存能力。同时研究结果说明，土壤含水量与不同植物类型的根系生长发育有关，与刘晓丽等[16]研究的2 m以下土层的土壤水分基本不受降水入渗的影响，完全受根系吸水的影响的研究结果相似。齐华等[17]研究表明，适当地深耕能够使植物根系吸收水分。张慧芋等[18]对植物根系与土壤水分的关系进行了研究，结果表明，耕作方式能够改变根系活力。

本研究表明，土壤中根系生长发育影响土壤紧实度，直接影响土粒间结持力，根系发育能力强，土粒松散，土壤紧实度降低，不同植被类型的根系与土壤紧实度存在显著性差异。在一定的含水量范围内，土壤紧实度与土壤含水量呈现负相关，与祝飞华等[19]对黄土的研究说明土壤紧实度与土壤含水量呈现负相关的结果相似。但有其他学者提出，当土壤含水量增大时，土壤颗粒结持力大，发生紧实；赵哈林等[20]认为，土壤紧实度与黏粒含量具有正相关关系，土壤黏粒的增加导致土壤黏结性升高，造成土壤紧实度增大。本研究结果还表明，土壤硬度与土壤含水量呈现正相关，与刘武仁等[21]研究的不同耕层构造对土壤硬度和含水量的影响结果相同。但与郑洪兵等[22]研究出的结果相反，可能的原因是土壤硬度随季节变化较明显，同时受不同耕作方式的影响大，在后期的研究中会进一步探索。

研究土壤物理特性最大的困难在于影响因子随时间变化较明显，本研究只对一段时间内的土壤含水量、土壤紧实度、土壤硬度进行了研究，要全面了解该地区土壤物理特性的变化规律，要对土壤水分随季节变化进行观测，对土壤紧实度在垂直方向上变化进行观测，对土壤硬度随耕作方式的不同变化进行观测，今后应进一步研究。