1. 引言
人工生态林作为人类通过植物措施改善区域土壤的一项重要措施，对土壤的理化性质有着最直接和深刻的影响[1] [2] 。研究表明，选择适宜的树种营造人工生态林可以改善林地土壤结构[3] 。相反，选择不适的树种营造人工生态林不仅使土壤与生态系统得不到有效改善，有时甚至会扰乱该区的水量平衡[4] 。土壤持水能力与水分入渗作为林地土壤的主要水文过程，反应了林地涵养水源和水土保持的功能。因此，研究不同林地土壤持水能力和渗透性变化，对合理经营森林资源，改善水环境，实现水资源的科学管理和利用具有重要意义[5] 。
兰州市北山位于我国黄土高原西端。立地区划为甘肃黄土高原陇中北部黄土丘陵、河谷盆地类型区，由于受到多种生态因子共同作用。南北两山生态环境脆弱，区域内植被以人工林为主体[6] 。主要树种有侧柏(Platycladus orientalis (L.) Franco)、梨树(Pyrus SPP)、新疆杨(Populus alba L. Var. pyramidalis Bunge)、白榆(Ulmus pumila L.)、刺槐(Robinia psrudoacid L.)等。近年来该区人工林营造过程中投入了大量的人力和物力，但不同林地土壤保持水土和涵养水源的功能如何，相关方面的研究很少。因此，本研究选择混交林地、杨树林地、梨树林地和侧柏林地为研究对象，对其持水能力和渗透性能进行研究分析，以期为该地区的水土保持和生态恢复提供借鉴材料。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
研究区位于兰州市北山九州台区，地理位置38˚58'54''~36˚11'20''N，103˚12'47''~103˚58'09''E，属北温带半干旱大陆性季风气候，年均温度5℃~9℃，平均海拔1710 m，年降雨量211 ml，年蒸发量1446 ml。土壤为黄土母质上发展起来的灰钙土，pH 8~9。区内造林树种主要有：新疆杨、梨树、白榆、侧柏、刺槐、山桃等。
2.2. 样地设置
根据试验区的林地类型分布格局，同时考虑海拔、坡度等相对一致的情况下，选取白榆和刺槐混交林地、新疆杨林地、梨树林地和侧柏林地4种林地类型进行研究，样地详细情况见表1。
2.3. 土壤性质测定
于2015年7月在每个样地内随机选取3个未被扰动的点挖土壤剖面，用环刀法在每个样地内按照土层深度0~20 cm，20~40 cm和40~60 cm共计3层取样，每层3次重复，所采土样带回实验室进行土壤容重和孔隙度的测定。土壤水分–物理性质的测定参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》 [7] 。依据LY/T 1215-1999，采用环刀法测定土壤容重，最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙和总孔隙度。土壤渗透性测定采用双环渗透法 [8] 。
2.4. 土壤持水量计算
土壤最大持水量、土壤非毛管持水量和土壤毛管持水量计算公式为 [9] ：
式中：Wt为土壤最大持水量(t/hm2)；W0为土壤非毛管持水量(t/hm2)；Wc为土壤毛管持水量(t/hm2)；Pt为土壤总孔隙度(%)；P0为土壤非毛管孔隙度(%)；Pc为土壤毛管孔隙度(%)；h为土层厚度(m)。
2.5. 统计分析
对所测定的数据利用Excel和Spass19.0软件对数据进行统计分析。
3. 结果与分析
3.1. 不同林地类型土壤容重和孔隙度变化
土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理特性，直接影响着土壤的持水能力和土壤的渗透性能，是决定森林土壤水源涵养功能的重要因素 [10] 。从表2可以看出不同林地土壤容重的均值分别为1.28 g/cm3、1.46 g/cm3、
Table 1. General information of sample land
表1. 样地的基本情况
Table 2. The soil bulk density and porosity under different forest land
表2. 不同林地土壤容重和孔隙度变化
注：不同字母表示在5%水平上差异显著(P < 0.05)。
1.40 g/cm3和1.27 g/cm3，表现为新疆杨 > 梨树 > 混交 > 侧柏。不同林地土壤容重有显著差异(P < 0.05)，且同一林地总体变化随土层深度的增加有增大趋势。
研究区林地土壤总孔隙度在52.04%~45.66%范围内变化，依次为侧柏林地(52.04%) > 混交林地(51.75%) > 梨树林地(47.64%) > 新疆杨林地(45.6%)，且不同林地土壤总孔隙度有显著差异(P < 0.05)。林地土壤毛管孔隙度在39.88%~44.34%范围内变化，依次为混交林地(44.34%) > 侧柏林地(43.59%) > 梨树林地(40.90%) > 新疆杨林地(39.88%)，且不同林地土壤毛管孔隙度无显著差异(P > 0.05)。土壤非毛管孔隙度在29.56%~26.59范围内变化，依次为混交林地(29.56%) > 侧柏林地(29.06%) > 梨树林地(27.27%) > 新疆杨林地(26.59%)，且不同林地土壤非毛管空隙度不存在显著性差异(P > 0.05)。
3.2. 土壤持水能力变化
从表3可以得出，不同林地土壤最大持水量均值分别为1034.27、913.29、952.88和1040.87 t/hm2。方差分析结果表明，新疆杨林地分别与混交林地和侧柏林地间有显著差异(P < 0.05)，梨树林地和侧柏林地间有显著差异(P < 0.05)。不同林地土壤毛管持水量均值分别为886.73、797.60、818.07和871.73 t/hm2。方差分析结果显示，不同林地土壤毛管持水量无显著差异(P > 0.05)；同一林地土壤毛管持水量随土层深度减小。这说明林地凋落物对土壤持水量的影响主要集中在土壤表层(0~20 cm)。不同林地土壤非毛管持水量平均值分别为147.53、115.69、134.82和169.14 t/hm2。方差分析结果显示，不同林地土壤非毛管持水量无显著差异(P > 0.05)；同一林地土壤非毛管持水量随土层深度增加，在20~40 cm内最大，40~60 cm次之。这与植物根系分布深度相一致，说明土壤的非毛管持水量主要由植物根系所致。
3.3. 土壤渗透性变化
水分入渗过程是一个复杂的水文过程 [11] ，与表土结构、容重和土壤含水量等因素密切相关 [12] 。从表1可知，侧柏林地土壤初渗速率最大为9.27 ml/min，其次是新疆杨林地(5.60 ml/min)和梨树林地(3.96 ml/min)，混交林地最小为2.44 ml/min。土壤稳渗速率依次为侧柏林地(7.84 ml/min) > 新疆杨林地(4.94 ml/min) > 梨树林地(3.26 ml/min) > 混交林地(2.44 ml/min)。方差分析结果显示，对于不同林地土壤稳渗速率，侧柏林地分别与混交林地和梨树林地间有显著差异(P < 0.05)。这一结果是由侧柏林地与混交林地和梨树林地土壤容重和孔隙度存在差异引起。不同林地土壤入渗速率均值依次为侧柏林地(8.18 ml/min)、新疆杨林地(5.17 ml/min)、梨树林地(3.70 ml/min)和混交林地(2.79 ml/min)。方差分析结果显示，对于不同林地土壤平均入渗速率，侧柏林地分别与混交林地和梨树林地间有显著差异(P < 0.05)。不同林地土壤稳渗速率与平均入渗速率变化相对一致，见图1。
从图2~4可看出，各样地入渗速率均随入渗时间的增加而逐渐减小。在0~20 cm的土层内，65 min后渗透速率比渗透开始2 min内的渗透速率平均下降了23.89%，其中侧柏林地土壤各时间段内的渗透速率最高，混交林地最小。新疆杨和梨树林地土壤入渗速率在前20 min内先迅速减小后又迅速增大，最终保持稳定。这一变化可能是由于开始入渗时表层土粒随水分下移，使土壤孔隙被堵塞，进而使土壤入渗速率迅速减小。随入渗的进一步进行，孔隙中的土粒在下渗水流和自身重力的双重作用下移出孔隙，使
Table 3. The soil moisture retention under different forest land
表3. 不同林地持水量变化
注：不同字母表示在5%水平上差异显著(P < 0.05)。
Figure 1. The soil infiltration under different forest land
图1. 不同林地土壤渗透特性
Figure 2. Infiltration of soil between 0 to 20 cm
图2. 0~20土层深度土壤渗透特性
Figure 3. Infiltration of soil between 20 to 40 cm
图3. 20~40土层深度土壤渗透特性
Figure 4. Infiltration of soil between 40 to 60 cm
图4. 40~60 cm土层深度土壤渗透特性
土壤入渗速率迅速恢复稳定。在20~40 cm的土层内，65 min后渗透速率比渗透开始2 min内的渗透速率平均下降了13.71%，其中侧柏林地土壤各时间段内的渗透速率最高，混交林地最小。新疆杨和梨树林地土壤的渗透速率随入渗时间的增加两者的差距逐渐增大，最终保持稳定，这一变化可能与其根系的分布有关。在40~60 cm的土层内，侧柏林地土壤入渗在开始2 min内由6.45 ml/min迅速升高到9.40 ml/min，然后又逐渐减小。这一变化可能是由于最初2 min内土壤中的非毛管孔隙疏导水分迅速下渗，在下渗过程中土粒不断堵塞非毛管孔隙，使其渗透速率逐渐回落。杨树林地和梨树林地土壤入渗速率基本一致且基本保持不变。混交林地土壤入渗速率基本不在变化。
4. 结论
(1) 不同林地土壤容重有显著差异(P < 0.05)。大小依次为新疆杨林地 > 梨树林地 > 混交林地 > 侧柏林地。在0~20 cm土层深度各林地土壤容重均最小且其随土壤深度的增加而增大。形成这一结果的原因可能是由于各林地凋落物蓄积量和分解速率不同所致。落叶乔木的新疆杨林地凋落物蓄积量干重为1918.49 g，梨树林地为400.21 g，混交林地为328.90 g，常绿乔木的侧柏林地为3217.68 g。不同林地土壤总孔隙度存在显著差异(P < 0.05)，在0~20 cm土层深度内各林地土壤毛管孔隙均最大，在20~40 cm土层深度内各林地土壤非毛管孔隙均最大。这一结果表明凋落物主要改善表层土壤(0~20 cm)，植物根系主要改善下层土壤(20~40 cm)，其对土壤的改良作用是同步的。
(2) 不同林地土壤最大持水量有显著差异(P < 0.05)。大小依次为侧柏林地 > 混交林地 > 新疆杨林地 > 梨树林地。因为土壤持水能力与土壤孔隙度和土壤容重密切相关。植物对表层土壤容重和孔隙的影响主要通过调落物实现。表层土壤在凋落物的覆盖和分解作用下微生物数量增加，土壤PH等产生影响，从而使表层土壤容重和孔隙增加[13] 。在一定深度内植物对土壤孔隙的影响通过植物根系来实现。这与赵泽松等(2010) [14] 研究结果相一致。所以，同一林地土壤毛管持水量随土层深度减小，土壤非毛管持水量随土层深度增加且在20~40cm土层深度内最大。
(3) 各林地土壤水分入渗速率均随入渗时间的增加而逐渐减小。林地表层大量的凋落物在分解过程中使表层土壤疏松，所以在0~20 cm土层深度内土壤水分入渗速率最快。在20~40 cm土层深度内植物根系广泛分布，形成大量的非毛管孔隙，所以土壤水分入渗速率仅次于土壤表层。底层土壤(60 cm以下)熟化程度低，土壤容重大且非毛管孔隙较少，所以土壤渗透速率小且在相同条件下各林地基本保持一致。
基金项目
甘肃省高等学校科研项目(2014A-057)；甘肃农业大学学生科学研究训练项目(20150502)。