官司河流域7 種林分枯落物及土壤層水文效應(yīng)1)

唐素賢 鄭江坤 蒲曉君 史鵬舉 孟 晨 宮淵波

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，雅安，625014) (遂寧水土保持試驗(yàn)站) (生態(tài)林業(yè)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)))

枯落物層和土壤層作為森林生態(tài)系統(tǒng)第二和第三活動(dòng)層，具有吸收降水、減少徑流、增加糙度、阻滯流速、增加入滲、抑制蒸發(fā)以及增強(qiáng)土壤抗蝕性等重要作用［1－3］。相比于裸地，Zhou 等［4］提出亞熱帶桉樹等鄉(xiāng)土樹種的枯落物能夠增加土壤濕度、降低地表溫度、減少地表徑流及土壤侵蝕量。Sato 等［5］提出枯落物蓄積量、葉片形狀和降雨條件均對(duì)枯落物層的持水速率有較大影響。一些學(xué)者對(duì)北京山區(qū)［6］、黃土丘陵區(qū)［7］、貴州喀斯特山地［8］川西亞高山［9］森林群落的枯落物層和表層土壤的持水能力也進(jìn)行了研究。但川中丘陵區(qū)的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，本研究以川中丘陵區(qū)官司河流域典型林分類型為研究對(duì)象，對(duì)枯落物層和表層土壤層的水文效應(yīng)進(jìn)行定量分析，旨在合理評(píng)價(jià)該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源能力。

1 研究區(qū)概況

官司河流域?qū)俅ㄖ星鹆甑貛?，位于綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)，海拔范圍為512 ～638 m，全流域面積約21 km2。屬北亞熱帶季風(fēng)型氣候，年均溫16.1 ℃，年均降水量920 mm。土壤類型以紫色土、老沖積黃壤和姜石黃壤為主，另有部分為灰白砂土。該流域森林覆蓋率約23%，喬木以馬尾松(Pinus massoniana)、柏木(Cupressus)和櫟類組成的針闊和針葉混交林占優(yōu)勢(shì)，另有少量的榿柏混交林和經(jīng)濟(jì)林。灌木主要以耐旱的黃荊(Vitex negundo)、馬桑(Coriaria sinica)、火棘(Pyracantha fortuneana)、鐵仔(Myrsine africana)、小果薔薇(Rosa cymosa)等為主。林下草本以栗褐苔草(Carex brunnea)、金發(fā)草(Pogonatherum paniceum)、黃茅(Heteropogon contortus)、白茅(Ⅰmperata cylindrica var.major)、藎草(Arthraxon hispidus)等為主［10］。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

基于陳俊華等［11］的調(diào)查結(jié)果，2012年4月在官司河流域選擇7 種林分類型(表1)，選擇20 m×20 m的樣地，并在各樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3 個(gè)50 cm×50 cm 的小樣方，分層收集未分解層A0和半分解層A1枯落物并稱鮮質(zhì)量。各樣方附近環(huán)刀法取0 ～15 cm和15～30 cm 表層土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定并求均值。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況

2.2 枯落物持水特性測(cè)定

未分解層和半分解層枯落物在85 ℃下烘干72 h 后稱其干質(zhì)量，將烘干后枯落物樣品分別稱取100 g，放入紗布袋中，浸沒于清水中，在浸泡5、15、30 min、1、1.5、2、3、4、5、6、8、10、12、24 h 后稱質(zhì)量，每次取出后靜置5 min 左右，直至枯落物不滴水為止，迅速稱量枯落物的濕質(zhì)量并記錄。每次稱質(zhì)量的枯落物濕質(zhì)量與其干質(zhì)量的差值，即為枯落物相應(yīng)浸泡時(shí)間的持水量，各浸泡時(shí)間段持水量變化值與該浸泡時(shí)間間隔的比值為該時(shí)間段的吸水速率，自然含水率、最大持水率和最大持水量的公式如下［7］:

式中:G0、Gd、G24分別為枯落物樣品自然狀態(tài)的質(zhì)量、烘干狀態(tài)的質(zhì)量和浸水24 h 后的質(zhì)量;R0、Rhmax分別為枯落物自然含水率、最大持水率;M、Whmax分別為枯落物層蓄積量、最大持水量。

當(dāng)降雨達(dá)到20 ～30 mm 后，實(shí)際持水率約為最大持水量的85%左右，用最大持水量來估計(jì)枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力偏高，一般用有效攔蓄量估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量［12］。

W=(0.85Rm－Ro)M。

式中:W 為有效攔蓄量;Rm為最大持水率;Ro為平均自然含水率;M 為枯落物累積量。

2.3 土壤持水特性測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)挖掘土壤剖面，用環(huán)刀按照土層0～15 cm，15 ～30 cm 分層取樣，每個(gè)組合重復(fù)3 次，用烘干法和浸水法測(cè)定土壤的自然含水量和持水性，用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度、孔隙度等指標(biāo)。采用下式計(jì)算土壤持水性能指標(biāo)［13］，即:

式中:W1、W2為最大持水量、有效持水量(t·hm－2);γ 為水的密度(kg·m－3);P1、P2為土壤總孔隙度、土壤非毛管孔隙度;H 為土層厚度。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層蓄積量

由表2可知，7 種林分類型枯落物累積量中馬尾松純林的值最大，為13.2 t·hm－2，麻櫟純林的值最小，僅為4.5 t·hm－2，總體由大到小表現(xiàn)為針葉林、針闊混交林、闊葉林。除櫟柏混交林和麻櫟純林外，各林分類型均表現(xiàn)為半分解層枯落物所占比例較大，其中松柏櫟混交林半分解層枯落物儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的67.01%。

表2 官司河流域不同林分類型枯落物持水能力

3.2 枯落物層水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物層的持水能力

最大持水量是反映枯落物層持水能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中最重要的［12］。比較可知，7 種林分類型中純竹林枯落物層最大持水深最大，為2.87 mm;松櫟混交林、馬尾松純林和松柏櫟混交林次之，分別為2.58、2.30 和1.94 mm;櫟柏混交林最小，僅為0.67 mm。有效攔蓄量除最大持水量外，和自然含水率和枯落物蓄積量關(guān)系密切。未分解層中，純竹林的有效攔蓄量最大，為6.33 t·hm－2，相當(dāng)于攔蓄0.63 mm 的降水，松櫟混交林、麻櫟純林和馬尾松純林次之，分別為5.05、3.47、3.46 t·hm－2，柏木純林最小，為1.68 t·hm－2，半分解層枯落物的有效攔蓄量由大到小排序?yàn)樗砂貦祷旖涣?、馬尾松純林、松櫟混交林、柏木純林、純竹林、麻櫟純林、櫟柏混交林(表2)?？傮w來說，純竹林和馬尾松純林的攔蓄能力最強(qiáng)。

3.2.2 枯落物層持水量隨時(shí)間的變化規(guī)律

枯落物持水量與枯落物的干燥程度、枯落物蓄積量和枯落物組成等有關(guān)，革質(zhì)、含油脂樹種的枯落物吸持水量的速度比非革質(zhì)、含油脂量少的樹種枯落物慢［14］。通過浸水實(shí)驗(yàn)，分析不同林地枯落物未分解層和半分解層的持水過程可得麻櫟和竹林的持水量最大，說明闊葉林的持水量大于針葉林。

由圖1可知，在最初浸泡的1.5 h 內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，以后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，但增加幅度較小，24 h 后吸水基本停止，表明枯落物已達(dá)到飽和狀態(tài)。相對(duì)于未分解層，枯落物半分解層持水量隨時(shí)間的變化波動(dòng)較大，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2值較小。對(duì)持水量與浸泡時(shí)間進(jìn)行多函數(shù)擬合比較，得出最佳擬合模型如下:

Q=aln(t)+b。

式中:Q 為枯落物持水量;t 為浸泡時(shí)間;a 為方程系數(shù);b 為方程常數(shù)項(xiàng)。

圖1 官司河流域各林分枯落物未分解層和半分解層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.3 枯落物層吸水速率隨時(shí)間的變化規(guī)律

枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間存在一定的相關(guān)關(guān)系，由圖2可知，不同林分枯落物的未分解層和半分解層在剛開始浸水時(shí)，吸水速率最高，隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，5 h 后趨于平緩，20 h 后吸水基本停止，表明枯落物已達(dá)到飽和狀態(tài)。未分解層和半分解層枯落物的吸水速率最大的仍是麻櫟和純竹林。對(duì)枯落物層吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行多函數(shù)擬合，得出最佳擬合函數(shù)為:

式中:V 為枯落物吸水速率k 為方程系數(shù);t 為浸泡時(shí)間;n 為方程指數(shù)。與持水量擬合程度不同，半分解層較未分解層擬合效果好。

圖2 官司河流域枯落物未分解層和半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.3 表層土壤水文效應(yīng)

7 種林分類型的土壤密度的總體變化不大，櫟柏混交林的值最大，其次是松櫟混交林、馬尾松純林、麻櫟純林、柏木純林，最小的是松柏櫟混交林。除馬尾松外，林下0～15 cm 土層的土壤密度小于15～30 cm 的土壤密度，其中柏木純林0 ～15 cm 層的土壤密度最小，僅為1.191 g·cm－3，而其總孔隙度最大為54.317%，其中毛管孔隙度為47.367%。0 ～15 cm 土層中，松櫟混交林的有效持水量最大，為131.25 t·hm－2;而麻櫟純林的15 ～30 cm 土層的有效持水量最大為135.75 t·hm－2。除松櫟混交林和柏木純林外，均表現(xiàn)為15 ～30 cm 土層的有效持水量大于0 ～15 cm，0 ～30 cm 土層的有效持水量中麻櫟純林最大為256.5 cm(表3)。

表3 官司河流域不同林分類型土壤表層物理性質(zhì)和持水量能力

4 結(jié)論與討論

官司河流域7 種林分枯落物的單位面積蓄積量在4.49～13.19 t·hm－2，其中馬尾松純林枯落物的最大，麻櫟純林最小。7 種林地枯落物最大持水率的變動(dòng)范圍為86.1%～433.5%，為其自然含水率的3.11～14.81 倍，枯落物層自然含水率、最大持水率和最大持水量均表現(xiàn)為純竹林最大，且基本上未分解層均大于半分解層?？萋湮飳佑行r蓄深則表現(xiàn)為純竹林最大為0.97 mm，其次為馬尾松純林、松櫟混交林、松柏櫟混交林、麻櫟純林、柏木純林、櫟柏混交林。不同樹種的枯落物持水量、吸水速率與浸泡時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律存在相似性，即不同種類枯落物的持水量與浸泡時(shí)間t 符合方程Q=aln(t)+b，其吸水速率V 與浸泡時(shí)間t 符合方程V=ktn變化并基本上達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。本研究的模擬方程與張峰等［6］、韓友志等［15］模擬結(jié)果一致，但與趙艷云等［16］擬合的方程Y=a+kt－1有所差異，這可能與自然環(huán)境和林地類型差異較大有關(guān)。麻櫟純林和純竹林未分解層和半分解層枯落物的持水量和吸水速率均較高，表明闊葉樹種的枯落物持水能力優(yōu)于針葉樹種，這和丁紹蘭等［7］在黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果一致。竹林和松櫟混交林的表層土壤有效持水量最大，分別為256.5、244.5 t·hm－2。綜上所述，純竹林、馬尾松麻櫟混交林涵養(yǎng)水源作用較好，可在川中丘陵區(qū)得以推廣。

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