土壤斥水性是指土壤不能或很难被水分湿润的现象^[1]，广泛存在于各种气候类型、土地利用和质地的土壤中^[2]。近年来，我国内蒙古、安徽、云南、山西等地均发现了不同程度的斥水性土壤。土壤斥水性会造成严重的环境问题，如延缓土壤表面水分入渗速率，促进坡面径流的产生，并导致优先流的产生，加剧土壤及土壤养分流失，导致土壤水分分布不均匀，降低土壤的持水能力，加剧土壤侵蚀，影响植被生长^[3]。因此，探究不同土壤斥水性的空间特征及其机理对防治水土流失具有重要意义。然而，由于研究区的自然环境、林分结构差异以及土地利用类型的不同，并且受土壤有机质、土壤含水量、土壤pH值和植被类型^[4]等的影响，土壤斥水性具有较强的空间异质性。

人工林是森林的重要组成，不仅可以防风固土，还可以在短期内产出大量木材，创造较大的经济价值，同时在生态修复、景观建设和改善环境等方面发挥着重要作用。现阶段我国南方大力发展人工林种植，林业产业经济增长速度较快，南方林业发展是国家林业发展战略的重要一环，但是南方林业发展存在森林质量不高、森林结构不合理、生态系统功能退化、林地水土流失严重等问题^[5]。一定盖度的植被对水土流失的控制具有重要意义^[6]，可减少人工林水土流失，实现可持续经营。

目前，人工林土壤斥水性的研究已经取得了一些进展。例如，彭家顺等^[7]和朱凯等^[8]的研究表明，构建复杂的生态系统、增强地表植被覆盖度、改变土壤级配可降低土壤斥水性。李金涛等^[9]和孙棋棋等^[10]的研究结果表明，土壤质地、土壤含水量、温度以及降雨等均会对土壤斥水性产生影响。然而，针对人工林地表不同灌草盖度的土壤斥水性的研究相对匮乏，地上植被与土壤理化性质均会对土壤斥水性产生影响，如何剥离二者对土壤斥水性的独立影响，仍缺乏明确结论。鉴于此，本研究以滇中地区3种典型人工林不同灌草盖度的表层土壤为研究对象，分析土壤斥水性与灌草盖度、土壤理化性质等环境因子的关系，探讨不同类型人工林土壤在不同灌草盖度下斥水性的变化规律，旨在丰富土壤斥水性相关研究成果，并为水土流失治理和人工林的可持续经营管理提供科学依据。

研究区位于云南省昆明市盘龙区呼马山森林公园内(102°46′15″E，25°03′25″N)，海拔1 923~2 106 m，气候类型属亚热带高原山地季风气候，年平均气温16.5 ℃，夏季平均气温21.0 ℃，冬季平均气温9.1 ℃，全年温差较小，气候相对稳定^[11]；年平均降水量975.5 mm，降水相对丰富，且降水主要集中在5—10月，占全年总降水量的88%，11月—次年4月的降水量仅占全年总降水量的12%，呈现干湿季分明、降水集中的特点^[12]。呼马山森林公园占地200 hm²，受印度洋西南暖湿气流影响，日照时间长，霜期短，土壤类型以酸性红壤为主，土层厚度60~80 cm，土地贫瘠，地形中心高，四周低，旱季山体内基本无水，天然降水易流失。研究区乔木以蓝桉(Eucalyptus globulus)为主，占70%，其次分别为侧柏(Platycladus orientalis)和云南松(Pinus yunnanensis)，分别占10%和20%^[13]；灌木主要以沙针(Osyris wightiana)、铁仔(Myrsine africana)为主；草本主要以紫茎泽兰(Ageratina adenophora)为主，研究区域受外来物种紫茎泽兰的影响十分明显，其在研究区域广泛分布。

2023年9月，采用样方法采样，在桉树林(蓝桉林，S1)、柏树林(侧柏林，S2)、桉柏混交林(S3)每个林分内分别设置3块20 m×20 m的样地，共计9块样地，依据低、中、高盖度在每个样地内各选择3个1 m×1 m的小样方，样地基本信息如表 1所示。去除附着在样方表面的枯枝、落叶等杂物，在土壤表层(0~10 cm)按照5点取样法取环刀和1 kg散土，带回实验室进行土壤理化性质分析和土壤斥水性测定。

参考《土壤农化分析》^[14]进行土壤理化性质测定：土壤pH值采用电极法测定，土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤体积含水量(volume water content, VWC)采用105 ℃烘干法测定，土壤有机质(organic matter，OM)含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮(total nitrogen, TN)含量采用全自动凯式半定量定氮仪测定，全磷(total phosphorus, TP)含量用HCLO₄-H₂SO₄消煮法测定，全钾(total potassium, TK)含量用火焰光度法测定，水解氮(hydrolyzed nitrogen, AN)含量采用扩散吸收法测定，有效磷(available phosphorus, AP)含量用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾(available potassium, AK)含量用火焰光度法测定，铵态氮(NH₄⁺-N)含量用靛酚蓝比色法测定，硝态氮(NO₃^--N)含量用紫外分光光度法测定。用激光粒度仪测定土壤机械组成，用质量分数表示。

根据背景调查结果对3种林分盖度进行分类，用拍照法并结合Photoshop图像处理软件确定灌草盖度，计算公式^[15]如下：

式中：C表示盖度(%)；N₁表示绿色枝叶像元数量；N表示样地像元数量。

拍照时选取多个符合要求的小样方(1 m×1 m)，两臂向前持平拿稳手机，保持垂直向下的拍摄角度使得手机平面和地面平行，并保持1.5 m的拍摄高度，每个样方拍摄3张照片，裁剪边缘并进行拼接，以减少照片变形误差^[16]。将拍摄小样方图片用Photoshop软件进行处理，使用Photoshop中魔棒工具，通过传统目视解译、植被斑块勾勒方法获取相片的全部植被斑块，用Photoshop中直方图(Histogram)命令获取样地像元数量和绿色枝叶像元数量，根据公式(1)计算得到该样地绿色植被的盖度。根据计算结果选取符合要求的样方进行后续试验，不同林分盖度划分如表 2所示。

采用滴水穿透时间法(water drop penetration time, WDPT)测定土壤斥水性^[17]，滴定用水为蒸馏水，其原理为：在土壤样品表面滴下一定体积的水滴，观察其渗透进入土壤所需的时间，根据水滴在其表面停留的时间评估土壤的斥水性，渗透所需时间越久，斥水性越强。具体步骤为：试验前将土壤样品通过2 mm筛子以去除砾石和其他非土壤材料，然后土壤自然风干。取50 g风干后的土壤样品放于干净培养皿(直径100 mm，深10 mm)中，轻轻晃动使土壤表面平整，用标准胶头滴管将6滴水(每滴约0.05 mL)先后滴到土壤样品表面，记录每滴水入渗所需时间，将6滴水入渗时间的算术平均值作为每个样品的滴水穿透时间(t)。滴水时注意勿在同一点上重复滴水，以减小先滴水滴对后滴水滴的影响。t＜5 s为不斥水，5 s≤t＜60 s为轻微斥水，60 s≤t＜600 s为强烈斥水，600 s≤t＜3 600 s为严重斥水，t≥3 600 s为极端斥水。

采用Excel 2019软件对数据进行整理，用IBM SPSS 27.0软件统计和分析数据，用Origin 2021软件绘制图片，采用Photoshop 2023软件对所拍摄照片进行处理。对不同林分不同盖度的土壤基本理化性质进行单因素方差分析，对不同林分之间、相同林分不同灌草盖度之间的滴水穿透时间进行非参数性检验；对灌草盖度、土壤理化性质与滴水穿透时间进行相关性分析，并对影响土壤斥水性的环境因子进行通径分析。

不同灌草盖度林分的土壤物理性质如图 1所示，研究区土壤物理性质受林分和灌草盖度的影响较小。3种林分不同盖度的土壤容重、土壤总孔隙度均无显著性差异，说明不同林分的土壤结构具有较强的一致性。土壤体积含水量在不同林分间存在显著差异(P < 0.05)，柏树林的土壤体积含水量最高；同种林分不同盖度之间的土壤体积含水量无显著性差异。

注：不同大写字母表示同一盖度下不同林分的差异显著(P < 0.05)；不同小写字母表示同一林分不同盖度的差异显著(P < 0.05)。 Note: different capital letters indicate significant differences among different forest stands under the same coverage (P < 0.05); different lowercase letters indicate significant differences in the same forest stand under different coverages (P < 0.05). 图 1 不同灌草盖度林分的土壤物理性质 Fig. 1 Soil physical properties under different forest stands and shrub herbosa coverage

图选项

从图 1还可以看出，3种林分的砂粒含量变化不大，高盖度桉树林土壤的砂粒含量与中、低盖度之间存在显著差异(P < 0.05)，柏树林和混交林土壤的砂粒含量较为稳定，不同盖度之间无显著性差异；土壤的粉粒含量混交林最高，桉树林最低，二者之间存在显著差异(P < 0.05)，柏树林土壤的粉粒含量随着盖度的增大先降低后升高，3种林分不同盖度之间的土壤粉粒含量均无显著性差异；混交林土壤的黏粒含量最高，且与其余两种林分之间存在显著差异(P < 0.05)，各林分不同盖度下土壤的黏粒含量较为稳定，不同盖度之间无显著性差异。

不同林分和灌草盖度的土壤化学性质差异较大(图 2)，除全钾含量外，全氮、全磷含量等化学指标均受到林分或盖度的影响。不同林分及盖度下，低、中盖度柏树林的土壤全氮含量与桉柏混交林存在显著差异(P < 0.05)，其余林分和盖度之间的土壤全氮含量差异不显著。

注：不同大写字母表示同一盖度下不同林分的差异显著(P < 0.05)；不同小写字母表示同一林分不同盖度的差异显著(P < 0.05)。 Note: different capital letters indicate significant differences among different forest stands under the same coverage (P < 0.05); different lowercase letters indicate significant differences in the same forest stand under different coverages (P < 0.05). 图 2 不同灌草盖度林分的土壤化学性质 Fig. 2 Soil chemical properties under different forest stands and shrub herbosa coverage

图选项

从图 2可以看出，柏树林的土壤全磷含量受盖度影响较大，中盖度与高盖度之间存在显著性差异(P < 0.05)，其余林分和盖度之间的土壤全磷含量差异不显著。柏树林的土壤水解氮含量最高，不同盖度之间存在显著差异(P < 0.05)，且中、高盖度的土壤水解氮含量与桉树林、混交林存在显著差异(P < 0.05)，混交林低盖度与高盖度的土壤水解氮含量存在显著差异(P < 0.05)。从不同林分来看，桉树林与混交林中盖度的土壤有效磷含量存在显著差异(P < 0.05)，桉树林与柏树林、混交林高盖度的土壤有效磷含量存在显著差异(P < 0.05)；从不同盖度来看，桉树林高盖度与低、中盖度之间的土壤有效磷含量存在显著差异(P < 0.05)，混交林的土壤有效磷含量随盖度的增大而下降，且低盖度与高盖度之间存在显著差异(P < 0.05)，柏树林不同盖度之间的土壤有效磷含量无显著性差异。柏树林的速效钾含量最高，且与桉树林、混交林的土壤速效钾含量存在显著差异(P < 0.05)；3种林分不同灌草盖度下的土壤速效钾含量无显著性差异。3种林分土壤均呈酸性，柏树林与桉树林、混交林的土壤pH值存在显著差异(P < 0.05)，混交林高盖度与低、中盖度之间的土壤pH值存在显著差异(P < 0.05)。混交林的土壤有机质含量最高，且与桉树林存在显著差异(P < 0.05)，同种林分不同灌草盖度的土壤有机质含量无显著性差异。桉树林低、中盖度的土壤铵态氮含量最低，均与高盖度的土壤铵态氮含量存在显著差异(P < 0.05)，并且显著低于柏树林和混交林的土壤铵态氮含量(P < 0.05)，柏树林和混交林不同灌草盖度的土壤铵态氮含量无显著性差异。柏树林的土壤硝态氮含量显著高于桉树林和混交林(P < 0.05)，同种林分不同灌草盖度的土壤硝态氮含量无显著性差异。

桉树林、柏树林、混交林土壤的平均滴水穿透时间为2.00、0.74、1.20 s，总体上表现出无斥水性(t < 5 s)，不同灌草盖度林分土壤的滴水穿透时间对数值如图 3所示。在3种林分中，桉树林的土壤斥水性最强，柏树林最弱。

注：不同大写字母表示同一盖度下不同林分的差异显著(P < 0.05)；不同小写字母表示同一林分不同盖度的差异显著(P < 0.05)。 Note: different capital letters indicate significant differences among different forest stands under the same coverage (P < 0.05); different lowercase letters indicate significant differences in the same forest stand under different coverages (P < 0.05). 图 3 不同灌草盖度林分的土壤滴水穿透时间对数值 Fig. 3 Logarithmic value of the drip penetration time in different forest stands

图选项

不同灌草盖度下不同林分土壤的最大滴水穿透时间长短表现为：混交林中盖度(t=10.34 s)>桉树林高盖度(t=9.00 s)>混交林高盖度(t=8.05 s)>桉树林低盖度(t=7.75 s)>桉树林中盖度(t=5.50 s)>混交林低盖度(t=3.31 s)>柏树林高盖度(t=1.03 s)>柏树林中盖度(t=0.99 s)>柏树林低盖度(t=0.97 s)，部分土壤表现出轻微斥水性(5 s≤t < 60 s)，但整体上仍属于亲水性土壤。随着灌草盖度的提升，桉树林土壤的滴水穿透时间呈现先缩短后变长的趋势，而柏树林和混交林土壤的滴水穿透时间则随盖度的提升而变长。

通过非参数检验对相同林分不同盖度之间、相同盖度不同林分之间的土壤滴水穿透时间进行比较，结果(图 3)表明，相同林分下，不同灌草盖度之间的土壤滴水穿透时间无显著性差异；相同盖度下，桉树林与混交林之间的土壤滴水穿透时间无显著性差异，但柏树林的土壤滴水穿透时间显著小于桉树林和混交林(P < 0.05)。

对土壤滴水穿透时间与各影响因子进行Pearson相关性分析，结果(图 4)显示，土壤滴水穿透时间与灌草盖度、土壤体积含水量、速效钾含量、硝态氮含量呈显著负相关关系(P < 0.05)，与水解氮含量呈极显著负相关关系(P < 0.01)。此外，土壤pH值、体积含水量、水解氮含量、速效钾含量、硝态氮含量均与灌草盖度呈极显著正相关关系(P < 0.01)，土壤总孔隙度、砂粒含量与灌草盖度呈显著正相关关系(P < 0.05)，而土壤容重、全钾含量与灌草盖度呈显著负相关关系(P < 0.05)。

	注：*表示显著相关(P < 0.05)；**表示极显著相关(P < 0.01)。 Note: * indicates significant correlations (P < 0.05); **indicates an extremely significant correlations (P < 0.01). 图 4 灌草盖度及土壤理化性质与滴水穿透时间的相关性 Fig. 4 Correlation coefficients of shrub herbosa coverage and soil physicochemical properties with WDPT
图选项

因土壤容重与土壤滴水穿透时间的相关性较小，且在不同林分间保持高度一致性，因此，在土壤斥水性影响因子通径分析中排除该因素。通径分析结果如表 3所示，由直接通经系数可得出，土壤pH值、总孔隙度以及砂粒、粉粒、全磷、全钾、有效磷等的含量对土壤斥水性具有直接正效应，灌草盖度、土壤体积含水量以及黏粒、有机质、全氮、水解氮、速效钾、铵态氮、硝态氮等的含量对土壤滴水穿透时间具有直接负效应；其中，全磷含量对土壤斥水性产生的直接正效应最大(0.309)，土壤pH值(0.253)次之；土壤体积含水量对土壤斥水性产生的直接负效应最大(-0.260)，黏粒含量(-0.256)次之。此外，灌草盖度对土壤斥水性产生的直接负效应较弱(-0.115)，但其可通过对土壤pH值、水解氮含量、体积含水量等因子的间接影响，进一步增强对土壤斥水性的负效应，使其与土壤滴水穿透时间呈显著负相关关系(P < 0.05)；土壤pH值虽对土壤斥水性产生直接正效应(0.253)，但由于体积含水量和水解氮含量等的间接抑制作用，削弱了土壤pH值的正向效应，最终导致其与土壤滴水穿透时间呈不显著的负相关关系；粉粒含量对土壤斥水性产生直接正效应(0.225)，但通过黏粒的间接影响可削弱其正向作用；黏粒含量对土壤斥水性产生直接负效应(-0.256)，而粉粒含量的间接作用抑制了其直接负效应；全磷含量对土壤斥水性的直接正效应最强(0.309)，但由于体积含水量和粉粒含量等的间接影响，削弱其对土壤斥水性的正向作用；水解氮含量对土壤斥水性具有较强的直接负效应(-0.225)，并在体积含水量的间接作用下，进一步强化其负效应，最终与滴水穿透时间呈极显著负相关关系(P < 0.01)。

表 3 土壤斥水性影响因子通径分析 Table 3 Path analysis of factors affecting soil hydrophobicity

表选项

通径分析的决策系数揭示了对土壤斥水性影响最显著的环境因子，包括土壤pH值(-0.166)、水解氮含量(0.109)、体积含水量(0.059)、灌草盖度(0.048)。其中，水解氮含量和体积含水量主要通过直接效应影响滴水穿透时间，而土壤pH值和灌草盖度主要以间接效应发挥作用。这表明土壤理化主要通过直接作用影响土壤斥水性，而灌草植物则通过调节土壤理化性质间接影响土壤斥水性。

本研究区以桉树人工林为主，由于桉树具有速生、适应性强的特点，已成为我国南方人工林的主要造林树种之一。近年来桉树人工林发展迅速，在创造了巨大经济价值的同时，也带来了林地污染、土地肥力降低和生物多样性锐减等生态问题。桉树含有大量的树脂、蜡或芳香油，其凋落物被认为是土壤斥水物质的重要来源 ^[18]，此外，桉树和紫茎泽兰的化感作用^[19-20]，抑制了植物的生长，并改变了土壤理化性质，这些因素共同导致桉树人工林的土壤斥水性高于柏树林。在本研究中，桉树林土壤斥水性>混交林>柏树林，与前人的研究相符^[21]，即不同土地利用类型的土壤斥水性不同，乔木林地最大，灌木地次之，灌草地再次之，裸地最小，本研究中柏树林的灌草盖度较高，使其在3种林分中表现出最弱的斥水性。

不同林分的土壤理化性质存在一定差异，但3种林分的土壤容重、机械组成之间无显著差异，一方面是由于研究样地树种种植时间过久，且长期无人为活动干扰；另一方面是由于在相同的土壤母质、气候、土地利用方式和耕作措施的共同作用下，3种林分的土壤质地基本无差别。此外，柏树林土壤含水量显著高于桉树林和混交林，其原因是柏树林地表的灌草盖度较高，可延缓土壤水分蒸发，并且由于桉树的“抽水机”和“蒸发机”效应，导致不同林分间的土壤水分具有空间变异性^[22]。柏树林和混交林的土壤有机质含量高于桉树林，说明丰富的物种多样性在一定程度上可以提高土地肥力并为植物生长提供养分，同时，丰富的植物覆盖还可以吸收和固定CO₂，加之凋落物的分解和积累等，促使土壤理化性质发生动态性改变，营造不同的土壤微环境，进而影响土壤斥水性。

灌草与土壤理化之间存在相互影响。调整土壤pH值和增加营养元素可以促进植物生长，在一定范围内，随着土壤pH值减小，植物生物量和物种丰富度提高，还能改善植物光合作用，间接促进植物生长^[23]。灌草群落增加可明显提高土壤的含水量和贮水能力，并改变土壤容重和孔隙结构，对土壤斥水性产生影响。本研究结果显示，灌草盖度与土壤斥水性呈显著负相关关系，一方面，较高的灌草盖度通过拦截作用降低雨滴终速度，减小林下土壤溅蚀率，从而使土壤孔隙长期保持分散状态，不被堵塞，在一定程度上削弱地表径流的侵蚀，此外，较高的灌草盖度还可以减少土壤水分蒸发，有助于土壤维持较高的湿度；另一方面较高的植被盖度通常伴随着更多的植物残体，如枯枝落叶等，植物残体的分解有助于提高土壤水解氮含量，为植物提供可利用的氮素来源，同时残体的分解也为土壤动物和微生物提供了食物和生存空间，土壤生物的活动可改善土壤板结情况，改变水分输送、截流过程，进而改善土壤结构，影响土壤斥水性。灌草对土壤理化性质的影响是多方面的，然而本研究只涉及灌草盖度对土壤理化性质和斥水性的影响，并未涉及不同的灌草类型及枯落物造成的影响，在后续研究中可针对不同的灌草类型及其枯落物进行具体分析。

本研究中土壤pH值与滴水穿透时间呈负相关关系，这一研究结果与ZAVALA et al^[24]对林地0~5 cm土层土壤斥水性的研究结果一致。一方面，适宜的土壤酸碱度有利于形成土壤水稳性团聚体，提升土壤的水分保持能力，并促进植物残体的分解来增加氮素的积累；另一方面，土壤酸碱度通过影响水分扩散率和疏水性物质含量来调节土壤斥水性，使斥水土壤可能具有较低的pH值^[25-26]。此外，本研究结果与彭家顺等^[7]对林下0~40 cm土层土壤斥水性的研究结果相反，这可能是由于土地利用类型、土层深度、植被种植年限及植被类型等差异，导致土壤的酸碱度不同^[27]。

水解氮、硝态氮和速效钾的含量对土壤斥水性产生影响，一方面，土壤养分含量高低直接影响土壤斥水性；另一方面，土壤养分通过改变土壤环境因子，可间接对土壤斥水性产生影响。水解氮、硝态氮和速效钾作为植物生长所必需的基本营养元素，与植物多样性密切相关，有研究^[28]表明，其含量的高低不仅反映了植物生长期间养分利用效率的高低，还表征了根系活力水平，较高的根系活力可增强植物对土壤水分和营养元素的吸收能力，促进植物生长，从而改变土壤理化性质和微生物活性，最终影响土壤斥水性。

3种林分的土壤体积含水量与土壤斥水性呈负相关关系，与杨松等^[29]的研究结果一致。土壤斥水性受土壤含水量的影响，土壤含水量很大程度上决定了土壤的斥水状态。当土壤含水量较低时，土壤通常保持斥水状态，但随着土壤含水量增加，土壤斥水性降低^[30]。然而，并非所有的土壤都表现出随土壤含水量降低而土壤斥水性增强的趋势，相同条件下，土壤颗粒形状也会影响土壤斥水性，如球状土壤颗粒通常比片状颗粒具有更强的斥水性^[29]。此外，天然降雨对土壤含水量和斥水性也会产生影响，使得斥水性与土壤含水量均呈现出瞬时可变性^[10]。

本研究中，土壤质地与土壤斥水性的相关性较弱，是因为土壤质地具有空间异质性，同时地上作物类型、耕作方式和施肥的差异^[31]，均会导致土壤质地与土壤斥水性之间的关系不同。土壤有机质被认为是影响土壤斥水性的关键因素之一，但本研究结果表明，土壤斥水性与土壤有机质含量并无显著的相关关系，与朱凯等^[8]对西双版纳地区0~15 cm土层土壤斥水性的研究结果相一致，其原因可能是土壤有机质仅作为物质来源提供斥水性物质，对土壤斥水性的影响有限。也有研究结果表明，不同土层或不同类型的土壤中有机碳分子结构以及一些特定物质的分解和积累(如脂肪族C—H基团)会对土壤斥水性产生影响^{[10, 32]}。

通过对滇中地区3种典型人工林不同灌草盖度下表层土壤的斥水性进行研究，发现桉树林土壤斥水性最强，混交林次之，柏树林最弱。通径分析结果表明，土壤水解氮含量、体积含水量是影响滇中地区土壤斥水性的主要环境因子，土壤理化性质主要通过直接途径影响土壤斥水性，而灌草则通过调节土壤pH值、体积含水量、水解氮含量等理化性质，间接影响土壤斥水性。本研究结果为滇中地区植被恢复和水土流失防治提供了理论基础，然而，本研究并未涉及灌草种类及枯落物覆盖对土壤斥水性的影响，在未来的研究中，应进一步探讨灌草种类及枯落物组合对土壤斥水性的影响，以便更全面地了解灌草覆盖对土壤斥水性的作用机制。