不同灌木林分枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力研究

曹云生, 趙艷玲

(1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083; 2 北京市工程咨詢公司, 北京 100083; 3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成成分，土壤不僅能夠影響林木的生長(zhǎng)，而且能夠影響森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)，而枯落物層則能夠?yàn)樯种械奈⑸锷娴哪芰縼?lái)源，還可以截留降水，涵養(yǎng)水源，是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的一環(huán)[1-3]。植被恢復(fù)作為治理水土流失的重要措施之一，通過(guò)增加植被的覆蓋度能夠有效減少土壤的流失，木蘭圍場(chǎng)地區(qū)水土保持研究以喬木林為主，針對(duì)灌木林分水源涵養(yǎng)能力研究相對(duì)較少，該地區(qū)森林覆蓋率雖然很高，但是其境內(nèi)以三大沙梁為主的地區(qū)沙化仍然很嚴(yán)重，這種地區(qū)種植喬木難以恢復(fù)，非常適合利用灌木進(jìn)行防沙固土，從而遏制風(fēng)沙地區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，但是，因此探究灌木林分水源涵養(yǎng)能力是非常有必要的，是非常有意義的。

本文選擇河北省木蘭林管局的3種灌木林作為研究林分，并通過(guò)測(cè)定枯落物層與土壤層的持水指標(biāo)，從而選擇出水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)的灌木林分，以期為木蘭圍場(chǎng)地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、植被恢復(fù)與保護(hù)提供一定的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)[4-6]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北山地木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局(41°35′—42°37′N，116°48′—118°20′E)，海拔為750～1 829 m年降水量為400～500 mm。該地區(qū)土壤類型多以黃棕壤和黑棕壤為主。植被豐富比較豐富，喬木華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、云杉(Piceaasperata)、油松(Pinustabulaeformis)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(QuercusMongolica)等，灌木主要有荊條(VitexnegundoL. var.heterophylla)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、蒙古黃榆(Ulmusmacrocarpavar.mongolica)等。

2016年木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局孟灤林場(chǎng)內(nèi)選擇了6塊灌木叢林，大小為10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)大樣地，在樣地選擇時(shí)盡可能選擇立地條件和密度相近的林分，海拔處于900 m左右，并調(diào)查基本情況[7-9]，其中蓋度采用“對(duì)角樣線法”來(lái)測(cè)定蓋度，灌木的冠幅在對(duì)角線的占有率為其蓋度(表1)。

2 研究方法

2.1 枯落物層持水指標(biāo)測(cè)定

枯落物一般采取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與室內(nèi)浸泡的方法進(jìn)行測(cè)定，枯落物按照分解程度分為未分解層與半分解層，測(cè)量完厚度后要盡快并保持原狀將枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重，采用室內(nèi)浸泡法測(cè)量計(jì)算枯落物各項(xiàng)指標(biāo)[10-13]。

W=(0.85Rm-R0)M

(1)

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然含水率(%)；M為枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.2 土壤層持水指標(biāo)測(cè)定

利用環(huán)刀法對(duì)土壤層的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，在林分標(biāo)準(zhǔn)地中選取合適進(jìn)行土壤剖面的挖取，由于選擇的灌木林分根系分布主要集中在0—30 cm，因此將土壤分為3層，深度分別為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，采用雙環(huán)刀的方法分別對(duì)土壤容重、土壤孔隙度、持水能力指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定[14-15]。

土壤持水量公式為

W=10000P·h

(2)

式中：W為土壤持水量(t/hm2)；P為土壤孔隙度(%)；h為土壤厚度(m)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層水源涵養(yǎng)功能

枯落物層水源涵養(yǎng)功能作為森林水文生態(tài)功能中重要的指標(biāo)，在改變林分土壤結(jié)構(gòu)、保水固土和防止土壤孔隙堵塞等方面都有很重要影響。

3.1.1 枯落物層蓄積量和持水能力指標(biāo) 3種灌木林分枯落物厚度、蓄積量與持水3個(gè)指標(biāo)見(jiàn)表2。

由表2可以看出，枯落物層厚度變化范圍為23.5～43.1 mm，最厚的荊條枯落物為最薄的三裂繡線菊的1.83倍；枯落物蓄積量范圍為5.37～8.26 t/hm2，其中蓄積量最大的灌木林分為荊條灌木叢，為8.26 t/hm2，蓄積量最小的灌木林分為三裂繡線菊灌叢，為5.37 t/hm2。

3種灌木林分枯落物層最大持水量為10.02～19.38 t/hm2，其中最大持水量最大的灌木林分為荊條，為19.38 t/hm2，三裂繡線菊最小，為10.02 t/hm2，大小排序?yàn)椋呵G條(19.38 t/hm2)>胡枝子(13.40 t/hm2)>三裂繡線菊(10.02 t/hm2)；最大持水率、最大攔蓄率與有效攔蓄率三者大小排序一致，均為：荊條>三裂繡線菊>胡枝子，各因子變化規(guī)律不同是因?yàn)槠溆绊懸蛩夭煌⑶逸^多所致，其中最大持水量與最大攔蓄量主要與林分枯落物層蓄積量有較大關(guān)系，而枯落物層攔蓄率影響因子有蓄積量與自然含水率等，因此變化規(guī)律有所不同；有效攔蓄量變化范圍為7.53～13.56 t/hm2，其中荊條有效攔蓄量最大，為13.56 t/hm2，三裂繡線菊最小，為7.53 t/hm2，荊條為三裂繡線菊的1.80倍，大小排序?yàn)椋呵G條(13.56 t/hm2)>胡枝子(9.78 t/hm2)>三裂繡線菊(7.53 t/hm2)。

表2 枯落物層厚度、蓄積量和持水指標(biāo)

3.1.2 枯落物持水過(guò)程 枯落物層持水速率大小在一定程度上反映了持水能力，通過(guò)對(duì)3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，反映了林分枯落物持水的動(dòng)態(tài)變化特征(圖1)。

圖1 3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時(shí)間曲線

由圖1可以看出，荊條枯落物吸水量在同一時(shí)間高于其他灌木林分，在0.25 h枯落物持水量大小排序?yàn)椋呵G條(4.51t/hm2)>胡枝子(3.59t/hm2)>三裂繡線菊(2.37 t/hm2)；在0.25 h枯落物持水速率的大小排序?yàn)椋呵G條>胡枝子>三裂繡線菊?？萋湮镌谧铋_始的持水速率非常高，主要是枯落物在開始階段比較干燥，表面的水勢(shì)較低吸水速度較快，隨著時(shí)間的推移持水量增多和水勢(shì)差減小，持水速率迅速變小，在12 h左右持水量慢慢趨于飽和，枯落物層持水速率也趨于平緩。

枯落物層持水量、持水速率與浸水時(shí)間函數(shù)擬合關(guān)系見(jiàn)表3?？萋湮锍炙颗c浸水時(shí)間具有較好對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

Q=alnt+b(R2>0.97)

(3)

式中：Q為枯落物持水量(t/hm2)；t為浸水時(shí)間；a，b為待估參數(shù)。

持水速率與與浸水具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

V=Ktn(R2>0.99)

(4)

式中：V為吸水速率[t/(hm2·h)]；K為方程系數(shù)；n為指數(shù)。

表3 3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時(shí)間的擬合關(guān)系

3.2 土壤水土水源涵養(yǎng)功能

3.2.1 土壤物理性質(zhì)和持水指標(biāo) 3種灌木林分土壤物理性質(zhì)和持水指標(biāo)見(jiàn)表4。

由表4可知，3種灌木林分土壤物理性質(zhì)有一定差別，土壤容重最大的為胡枝子，最小的荊條，前者是后者的1.15倍，大小排序?yàn)椋汉ψ?1.06 g/cm3)>三裂繡線菊(0.97 g/cm3)>荊條(0.92 g/cm3)，土壤容重是衡量其物理結(jié)構(gòu)、松緊度與通透性的指標(biāo)之一。

表4 3種灌木林分土壤物理性質(zhì)與持水指標(biāo)

非毛管孔隙度是土壤有效持水量的重要影響指標(biāo)，是水分和空氣重要傳輸通道，直接反映出土壤持水能力強(qiáng)弱，與土壤有效持水量變化規(guī)律一致，在水分進(jìn)入土壤后，非毛管孔隙能夠貯存一定量的水分，能夠起到保水固土的作用，土壤有效持水量最大的為荊條灌木林，最小的為胡枝子灌木林，大小排序?yàn)椋呵G條(118.39 t/hm2)>三裂繡線菊(111.10 t/hm2)>胡枝子(101.84 t/hm2)；土壤毛管持水量最大的為荊條，最小的為三裂繡線菊，大小排序?yàn)椋呵G條(359.77 t/hm2)>胡枝子(327.35 t/hm2)>三裂繡線菊(319.75 t/hm2)；荊條的飽和持水量是最大的，而胡枝子最小，大小排序?yàn)椋呵G條(478.16 t/hm2)>三裂繡線菊(430.85 t/hm2)>胡枝子(429.19 t/hm2)，土壤飽和持水量在一定程度上反映了土壤貯藏水分的潛力。

3.2.2 土壤入滲性能 土壤層通過(guò)調(diào)節(jié)水分來(lái)體現(xiàn)其滲透性，土壤的滲透性能越強(qiáng)，則表示其能夠攔蓄的地表徑流越大，是反映林分土壤層水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)土壤層入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行函數(shù)擬合，兩者具有較好的函數(shù)關(guān)系，曲線見(jiàn)圖2，關(guān)系式見(jiàn)表5。

由圖2、表5可知，3種灌木林分初滲速率有差距，初滲速率最大的為荊條，最小的為胡枝子，前者為后者的1.20倍，大小排序?yàn)椋呵G條(22.15 mm/min)>三裂繡線菊(20.17 mm/min)>胡枝子(18.39 mm/min)。土壤剛開始入滲時(shí)，其速率較大，隨后迅速減小，最后趨于穩(wěn)定，3種灌木林分中荊條的穩(wěn)滲速率最大，最小的為胡枝子，由大到小為：荊條(1.50 mm/min)>三裂繡線菊(1.34 mm/min)>胡枝子(1.21 mm/min)。由林分土壤的初滲速率和穩(wěn)滲時(shí)間能夠看出，荊條灌木林分土壤入滲能力最強(qiáng)，而胡枝子灌木林分最弱，在降雨過(guò)程中荊條灌木林分土壤層能夠迅速將降水貯藏起來(lái)，相反，則會(huì)以地表徑流的形式流失，并且會(huì)侵蝕土壤。

圖2 3種灌木林分土壤入滲速率與入滲時(shí)間擬合曲線

表5 入滲速率與入滲時(shí)間的回歸方程

通過(guò)對(duì)林分土壤入滲時(shí)間和入滲速率的關(guān)系進(jìn)行擬合，具有較好函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

y=a·xb(R2>0.94)

(5)

式中：y為入滲速率(mm/min)；x為入滲時(shí)間(min)；a為系數(shù)；b為指數(shù)。

4 結(jié) 論

(1) 枯落物蓄積量主要由枯落物輸入量與分解量決定，范圍為5.37～8.26 t/hm2，最大持水量變化范圍為10.02～19.38 t/hm2，有效攔蓄量變化范圍為7.53～13.56 t/hm2，三者大小排序一致為：荊條>胡枝子>三裂繡線菊，反映了荊條的持水潛力與真實(shí)攔蓄能力均為最強(qiáng)；在0.25 h枯落物持水量、持水速率大小排序一致為：荊條>胡枝子>三裂繡線菊，反映出荊條枯落物吸水量在同一時(shí)間高于其他灌木林分，枯落物持水量與浸水時(shí)間具有較好的對(duì)數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：Q=alnt+b(R2>0.97)，持水速率與浸水時(shí)間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：V=Ktn(R2>0.99)。

(2) 3種灌木林分土壤有效持水量、土壤毛管持水量與飽和持水量最大的均為荊條灌木林，反映出土壤層水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)的為荊條灌木林分。

(3) 3種灌木林分初滲速率大小排序?yàn)椋呵G條>三裂繡線菊>胡枝子，穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋呵G條>三裂繡線菊>胡枝子；林分土壤入滲時(shí)間和入滲速率有較好的函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：y=a·xb(R2>0.94)。