竹類在水土保持中的作用

劉 超 劉濟明 蒙朝陽 喻陽武

摘要對小蓬竹的水土保持特性進行研究,結果表明:相對于典型的喀斯特灌木群落和草地,小蓬竹群落下土壤的固土、保水、保肥效果更顯著。小蓬竹群落林冠層、枯枝落葉層能夠截留更多的降水;小蓬竹群落能夠有效增加土壤入滲性能;明顯增強土壤的抗蝕性和抗沖性;加快土壤的熟化程度,增加土壤肥力,可為喀斯特生態系統的恢復和重建提供理論支持。

關鍵詞小蓬竹;水土保持;喀斯特

中圖分類號S795文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)14-0276-03

喀斯特是指可溶性巖層在水的作用下發生化學溶蝕,伴隨有塌陷、沉積等,形成獨特地貌景觀的過程及結果[1],是一種脆弱的生態環境,土被破碎,土體不連續,土壤保水能力差,其特殊的地質、地貌以及降水使喀斯特區域水土流失嚴重,成土速度極低,全區土層瘠薄[2]。水土流失與土地退化已成為這一區域發展的主要限制因素[3]。對小蓬竹水土保持特性的研究,將有助于推動小蓬竹在喀斯特恢復重建過程中的應用,有利于推動喀斯特生態系統的恢復與重建。

1研究區自然概況

研究地點在貴州省羅甸縣董家鄉東躍村。羅甸縣位于貴州南部,東經160°23′~107°3′,北緯25°4′～25°45′,地處云貴高原南緣向桂西北山區與丘陵過渡的斜坡地帶,地勢北高南低呈階梯式下降。境內氣候溫和,雨量充沛,具有春早、夏長、秋遲、冬短的特點,日照1 350～1 520h,年平均氣溫19.6℃,極端最高氣溫40.5℃,極端最低氣溫-3.5℃。年平均降雨量1 100～1 300mm(全省最高),年均無霜期長達335d。屬于亞熱帶季風氣候,素有貴州“西雙版納”和“天然溫室”之稱。

2試驗方法

2.1林冠層、枯落物層、腐殖質層持水量的測定

小蓬竹群落和灌木群落枯枝落葉層以及腐殖質層截留量的測定采用“浸水法”[4]。而林冠層截流量的測定采用在林內外隨機布設雨量筒測量林內、外降雨量,其林內、外降雨量,以各5次降雨量為準,由于小蓬竹的竹竿很細,竹葉茂密,而降雨強度相對較大,所以樹干的徑流量相對降水和林冠截留量而言可忽略不計(霍竹等,2005),故林冠截留量為林外與林內降水量之差。利用“樣方收獲法”測定單位面積為1m×1m的小蓬竹群落和灌木群落枯枝落葉層以及腐殖質層的生物量,每種群落類型重復10次[5]。

2.2土壤物理性質測定

研究內容包括土壤水穩性團聚體、土壤滲透性以及土壤機械組成。其中,土壤滲透性測定采用室內環刀法;土壤機械組成測定采用比重計法;水穩性團聚體測定采用機械篩分法,用孔徑為5.00mm、2.00mm、1.00mm、0.50mm、0.25mm的土壤篩對土樣進行干篩和濕篩,分別稱各級團聚體的重量(精確到0.01g),計算各級團聚體的百分含量及團聚體的總含量[6]。

3結果與分析

3.1小蓬竹群落的水文學作用

森林植被通過影響水文過程,促進降雨再分配,影響土壤水分運動,改變產流匯流條件,進而在很大程度上起到消減地表徑流、增加枯水徑流、控制土壤侵蝕、改善生態環境的作用。而這些作用,主要是通過林冠層、枯枝落葉層、腐殖質層對降水進行重新分配來實現的。

森林水源涵養功能首先體現在林冠層對降雨的截留。林冠層降水截留作用的大小由林冠層枝葉的生物量、葉面積指數和持水率決定 。

由表1可知,相同生境條件、降雨條件下,小蓬竹林冠層對降雨的截流量明顯優于灌木群落,小蓬竹對5次降雨的平均截流率達到17.32%,而相同的降雨條件下,灌木群落的平均截流率只有12.84%。F值為24.281> F0.05(3,2)=19.16,sig.值為0.038<0.05,二者差異顯著,即林冠層對降雨的分配作用,小蓬竹群落優于灌木群落。

枯枝落葉層的持水能力是反映其水文作用的一個重要指標,通常用干物質重的最大持水率來表示。林地內枯枝落葉通過腐殖質的形成,改善土壤結構及其持水性能[8]。枯枝落葉層的持水量及截留量與其樹種、干物質質量有密切關系。

由表2可知,灌木群落枯枝落葉層干重為122g的物質,截留量為304g,持水率為249.20%;小蓬竹群落枯枝落葉層干重為118g的物質,截留量可達332g,持水率達到281.30%。F值為229.42>F0.05(4,1)=224.60,sig.值為0.049<0.05,二者差異顯著,小蓬竹群落枯枝落葉層持水率強于灌木群落。

腐殖質層是森林生態系統中植被凋落物腐爛堆積形成的一個森林水文作用層面。土壤有機質,特別是腐殖質是土壤最好的膠結劑,是決定土壤抵抗水土流失能力強弱的重要因子,而腐殖質層水文學作用最直接的體現就是對降水的截留,實現森林降水的再分配[9]。灌木群落腐殖質層干重為602g的物質其截留量為1 328g,持水率達220.6%;小蓬竹群落532g的干物質截留量為1 248g,持水率達234.60%。F值為0.647,sig值為0.654>0.05,二者差異性不顯著。

綜上所述,小蓬竹群落林冠層的截留率優于相同生境條件下的喀斯特灌木群落,而枯枝落葉層的持水量也比灌木群落大,但2個群落的腐殖質層的持水量差異不顯著,群落的水文學特性較典型的喀斯特灌木群落優越。

3.2小蓬竹群落對土壤水穩性團聚體的影響

土壤水穩性團聚體數量是表征土壤物理性狀的重要指標。土壤有機質是土壤水穩性結構的膠結劑,有機質含量豐富的土壤可形成良好的團粒結構,從而增強土壤的抗蝕能力[9,10]。水穩性團聚體是由有機質膠結而成的團粒結構,可以改善土壤結構,具有較高的穩定性,水穩性團聚體含量越高,土壤抗蝕能力越強[10]。因此,土壤抵抗雨滴直接沖擊、徑流分散及懸浮能力取決于土壤團粒水穩性[11,12]。相關研究表明,林分對土壤抗侵蝕性能的影響主要是針對表層土壤而言[13],土壤抗侵蝕能力也主要取決于表層土壤的性質[14],因此,本試驗只對0～20cm土壤層的抗侵蝕性能進行研究。

土壤抗沖性隨土壤水穩性團聚體(>0.25mm)含量增加而增大[15],由表3可知,相對相同生境條件下的草地和灌木群落,小蓬竹的水穩性團聚體含量93.2%,是草地的1.10倍,是灌木群落的1.03倍,三者之間關于水穩性團聚體的差異性檢驗的F值39.667>F0.05(2,12)=3.89,sig.值為0.000<0.05,三者差異顯著,且三者之間兩兩差異也顯著。說明小蓬竹在增強林下土壤的抗蝕性方面有比典型喀斯特草地和灌木叢更強的作用,即在遭受同樣等級的土壤侵蝕的狀況下,小蓬竹群落受到的破壞要小于灌木群落和草地。

3.3小蓬竹林地對土壤機械組成的影響

機械組成是構成土壤結構體的基本單元。土壤物理性質的好壞,土壤的透水性能、機械組成狀況等是重要標志。根據對小蓬竹群落、灌木群落和草地的土壤物理性質分析測定(表4),不同群落對林下土壤的機械組成具有明顯影響。粒度0.1～1.0mm的顆粒,草地為50.3%,灌木林為40.3%,小蓬竹林地為45.6%;粒度為0.01～0.10mm的顆粒,草地為13.4%,灌木林為31.0%,小蓬竹林地為30.7%;粒度為0.001～0.010mm的顆粒,草地為36.3%,灌木林為28.7%,小蓬竹林地為23.7%。草地屬于砂粘土,灌木林和小蓬竹林地均屬于粉壤土,灌木林和小蓬竹林地土壤機械組成情況明顯好于草地;灌木林和小蓬竹林地都屬于粉壤土,由于灌木林和小蓬竹林地土壤機械組成情況明顯好于草地,所以對草地不予考慮。根據灌木林地和小蓬竹林地土壤機械組成情況來看,灌木林地土壤持水能力優于小蓬竹林地,但小蓬竹林地透水性優于灌木林地。

3.4小蓬竹群落對土壤滲透性能的影響

土壤的滲透性能是土壤的重要水分物理性質之一,也是林分涵養水源的重要指標。土壤滲透性能的好壞,直接關系到地表產生徑流量的大小,對土壤侵蝕的影響很大。土壤的滲透性能越好,地表徑流就越少,土壤的侵蝕量也會相應地減少。

由表5可知,相同植被條件下,0~10cm土層的滲透速度和滲透系數明顯高于10~20cm土層,說明植被對表層土壤的影響比對下層土壤的影響明顯。不同植被條件下,不論是0~10cm、還是10~20cm的土層,三者之間關于土壤滲透速度的差異性檢驗F值為16.063> F0.05(2,12)=3.89,sig.值為0.000<0.05,三者差異顯著,且三者之間兩兩差異顯著(表6)。后2種植被類型的土壤滲透速度和滲透系數均較草地高,而小蓬竹群落的滲透速度和滲透系數又高于灌木群落。說明小蓬竹對局部土壤的改善能力較典型的喀斯特草地群落和灌木群落強,是一個能夠適應喀斯特特殊立地條件的竹種,可用于該地區造林。

4小結

(1)相同生境條件、降雨條件下,小蓬竹林冠層對降雨的截流量明顯優于灌木群落,小蓬竹枯枝落葉層以及腐殖質層持水率相較于灌木群落有較大幅度的提升,大大降低了降水直接沖刷侵蝕地表的機會。

(2)小蓬竹群落土壤中水穩性團聚體的數量要高于灌木群落和草地,其中水穩性團聚體的數量是草地的1.10倍,是灌木群落的1.03倍,說明小蓬竹在增強林下土壤抗蝕性方面有著比典型的喀斯特草地和灌木叢更強的作用。在遭受同樣等級的土壤侵蝕的狀況下,小蓬竹群落受到的破壞要小于灌木群落和草地。

(3)灌木群落和小蓬竹群落林地土壤機械組成情況明顯好于草地,灌木林地土壤持水能力好于小蓬竹林地,但是小蓬竹林地透水性優于灌木林地。

(4)灌木群落和小蓬竹群落林下土壤滲透速度和滲透系數均較草地高,而小蓬竹群落的滲透速度和滲透系數又高于灌木群落,小蓬竹對局部土壤的改善能力較典型的喀斯特草地群落和灌木群落強,是一個能夠適應喀斯特特殊立地條件的竹種,可用于該地區的造林。

綜上所述,小蓬竹對增強土壤的固土、保水、保肥能力效果十分顯著。首先,小蓬竹林冠能將降水大量截留,可減少雨滴對地面的打擊;其能產生大量的枯落物,可有效地削減雨滴的能量,腐蝕分解后可改善土壤的理化性質,增強土壤的持水能力。其次,小蓬竹群落土壤水穩性團聚體的數量高于灌木群落和草地,即土壤的抗蝕性增強,從而起到明顯的固土作用。最后,小蓬竹群落能明顯加快土壤的熟化程度,使其對營養物質的吸附能力加強,增強了土壤的保肥能力。

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