不同針葉林對祁連山森林灰褐土理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的影響

秦嘉海，魏淑蓮，金自學，劉金榮，謝曉蓉

(1.河西學院農(nóng)學系，甘肅張掖734000;2.甘肅南縣西營河林業(yè)實驗場，甘肅武威733014;3.河西生態(tài)研究所，甘肅張掖734000;4.西部資源環(huán)境化學重點實驗室，甘肅張掖734000)

祁連山位于青藏高原北緣，地跨甘肅、青海2省。東經(jīng) 97°25′—103°46′，北緯 36°43′—39°36′，東起烏鞘嶺，西至阿爾金山東段，總面積2.65×106hm2，林地面積4.79×105hm2[1]，海拔高度1 800～5 808 m，雪線4 200～5 000 m，4 500 m以上發(fā)育著現(xiàn)代冰川，是甘肅、青海、內(nèi)蒙諸內(nèi)陸河的發(fā)源地。

祁連山3 200～3 500 m是灌木林植被帶;3 000～3 200 m是闊葉林植被帶;2 650～3 000 m是針葉林植被帶。祁連山主要土壤類型有高山寒漠土、高山草甸土、亞高山灌叢草甸土、高山草原土、亞高山草原土、森林灰褐土、山地黑鈣土、山地栗鈣土、山地棕鈣土、山地灰鈣土。

本文以祁連山的針葉林樹種青海云杉(Picea crassi folia)、油松 (Pinus tabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)為研究材料，采集土樣，進行室內(nèi)化驗分析，探討不同針葉林樹種對祁連山森林灰褐土理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系，為祁連山水源涵養(yǎng)研究提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗地點概況

本研究試驗地點位于祁連山西水林場，海拔高度2 950～3 750 m，年均降水量435.50 mm，年均蒸發(fā)量1 012 mm，成土母質(zhì)是殘積—坡積物。土壤類型是森林灰褐土，表層為枯枝落葉層，其下是5—10 cm的苔蘚層，10—40 cm是腐殖質(zhì)層，呈黑褐色，40 cm以下黏化層，土色呈灰褐色。植被有青海云杉、油松、側(cè)柏、山楊(Populus davidiana)、白樺(Betula platyphylla)、紅樺(B.alblsinensis)、金露梅(Dasiphora f ruticosa)、銀露梅(D.davurica)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla)、珠牙蓼(Polygonum viviparum)、針茅(Stipa spp)、棘豆(Oxytropis spp)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集區(qū)概況調(diào)查 以祁連山西水林場的針葉林樹種青海云杉、油松、側(cè)柏為研究對象，根據(jù)樹種分布位置、海拔高度設定標準樣品采集區(qū)(10 m×10 m)，記錄其坡度、海拔高度、林木高度、林木密度、郁閉度(表1)。

表1 樣品采集區(qū)基本概況

1.2.2 樣品采集方法 于2005—2007年，每年11月中旬(枯落物凋謝后)在標準樣品采集區(qū)內(nèi)按S形布點挖掘土壤剖面，每個標準樣品采集區(qū)挖掘3個土壤剖面，采集0—40 cm土樣6 kg，用四分法帶回1 kg混合土樣，室內(nèi)風干化驗分析其理化性質(zhì)(土壤容重、團粒結(jié)構(gòu)用環(huán)刀取原狀土)。在標準樣品采集區(qū)對角線交點及四角處設面積為100 cm×100 cm的枯落物調(diào)查樣方5個，收集植被枯落物，在室內(nèi)測定最大持水率和最大持水量。

1.2.3 測定項目及方法[2]

本研究各項目計算公式如下:

(1)土壤容重:環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量/(100+自然含水量%);

(2)總孔隙度=〔(土壤密度-土壤容重)/土壤密度〕×100;

(3)毛管孔隙度=自然含水量%×土壤容重;

(4)非毛管孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度;

(5)自然含水量=〔(濕土重-烘干土重)/烘干土重〕×100;

(6)土壤飽和蓄水量=(面積×總孔隙度×土層深度);

(7)土壤毛管蓄水量=(面積×毛管孔隙度×土層深度);

(8)土壤非毛管蓄水量按公式(面積×非毛管孔隙度×土層深度);

(9)枯落物最大持水率=〔(浸水后枯落物質(zhì)量-枯落物干質(zhì)量)/枯落物干質(zhì)量〕×100%;

(10)枯落物最大持水量=(枯落物累積干質(zhì)量×枯落物最大持水率)。

團粒結(jié)構(gòu)采用約爾得法測定;物理性砂粒、物理性黏粒采用鮑氏比重計法測定;土壤有機質(zhì)采用K2Cr2O7法測定;陽離子交換量(CEC)采用NH4OAc—NH4Cl法測定;全鹽采用電導法測定(水∶土為5∶1);pH值采用酸度計法測定(水提);CaCO3采用氣量法測定。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 取2005—2007年平均數(shù)統(tǒng)計分析，進行多重比較，LSR檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種對土壤物理性質(zhì)的影響

從表2可以看出，祁連山不同樹種0—40 cm土層孔隙度、團粒結(jié)構(gòu)、物理性黏粒含量變化順序是:青海云杉＞油松＞側(cè)柏。土壤總孔隙度最大的是青海云杉，平均為50.56%，最小的為側(cè)柏，平均為41.13%。青海云杉與油松、側(cè)柏比較，總孔隙度分別增加了5.28%和9.43%。土壤毛管孔隙度最大的是青海云杉，平均為24.14%，最小的為側(cè)柏，平均為20.45%。青海云杉與油松、側(cè)柏比較，毛管孔隙度分別增加了2.45%和3.69%。土壤非毛管孔隙度最大的是青海云杉，平均為26.42，最小的為側(cè)柏，平均為20.68%，青海云杉與油松、側(cè)柏比較，毛管孔隙度分別增加了2.83%和5.74%。土壤團粒結(jié)構(gòu)最多的是青海云杉，平均為25.40%，最少的為側(cè)柏，平均為8.15%。青海云杉與油松、側(cè)柏比較，團粒結(jié)構(gòu)分別增加了 10.17%和17.25%。土壤物理性黏粒含量最多的是青海云杉，平均為26.62%，最少的為側(cè)柏，平均為10.18%。青海云杉與油松、側(cè)柏比較，物理性黏粒含量分別增加了9.32%和16.44%。土壤容重最小的是青海云杉，平均為 1.31 g/cm3，最大的為側(cè)柏，平均為 1.56 g/cm3。青海云杉與油松、側(cè)柏比較，容重分別降低了0.14 g/cm3和0.25 g/cm3。土壤物理性砂粒含量最少的是青海云杉，平均為20.69%，最多的為側(cè)柏，平均為33.30%，青海云杉與油松、側(cè)柏比較，物理性砂粒含量分別降低了8.27%和12.61%。這主要是因為青海云杉的林木密度和郁閉度大，根系多，由于根系的穿插使得土壤疏松，改善了土壤的孔隙狀況和一系列物理性質(zhì)。而油松、側(cè)柏杉林木密度、郁閉度比青海云杉小，根系少，根系穿插作用小，土壤得不到改善，使得土壤容重大，孔隙度小。處理間的差異顯著性經(jīng)LSR檢驗達到顯著和極顯著水平(表2)。

表2 不同樹種對土壤物理性質(zhì)的影響

2.2 不同樹種對土壤蓄水量的影響

從表3可以看出，不同樹種土壤水源涵養(yǎng)功能具有明顯的差異[3-6]，土壤蓄水量變化順序是青海云杉＞油松＞側(cè)柏。其中，青海云杉0—40 cm土層自然含水量、飽和蓄水量、毛管蓄水量和非毛管蓄水量分別為 184.28 g/kg，2 022.40 t/hm2，965.60 t/hm2和1056.80 t/hm2;與油松比較，分別增加了34.65 g/kg，211.20 t/hm2，98.00 t/hm2和 113.20 t/hm2;與側(cè)柏比較，分別增加了 53.19 g/kg，377.20 t/hm2，147.60 t/hm2和229.60 t/hm2。分析這一結(jié)果產(chǎn)生的原因是青海云杉地表枯落物累積厚度、枯落物累積干質(zhì)量、土壤毛管孔隙度比油松、側(cè)柏大，因而提高了土壤的蓄水量。處理間的差異顯著性經(jīng)LSR檢驗，達到顯著和極顯著水平(表3)。

表3 不同樹種對土壤蓄水量的影響

2.3 不同樹種枯落物持水量

地表枯落物是土壤涵養(yǎng)水源的主要物質(zhì)[7-8]，不同樹種枯落物持水量變化順序是青海云杉＞油松＞側(cè)柏，這是因為青海云杉林木密度和郁閉度大，枯落物積累數(shù)量多。從表4可以看出，青海云杉枯落物累積厚度、枯落物累積干質(zhì)量、最大持水量、最大持水率分別為 5.24 cm，17.22 t/hm2，37.88 t/hm2和219.98%，與油松比較，分別增加了1.68 cm，7.98 t/hm2，19.95 t/hm2和21.60%;與側(cè)柏比較，分別增加了4.38 cm，14.68 t/hm2，26.98 t/hm2和39.27%。處理間的差異顯著性經(jīng)LSR檢驗達到顯著和極顯著水平(表4)。

表4 不同樹種枯落物持水量

2.4 不同樹種對土壤化學性質(zhì)的影響

從表5可以看出，土壤有機質(zhì)、CEC變化順序是:青海云杉＞油松＞側(cè)柏。其中，青海云杉0—40 cm土層有機質(zhì)、CEC分別為172.40 g/kg和28.15 cmol/kg，與油松比較，分別增加了43.10 g/kg和4.22 cmol/kg，與側(cè)柏比較，分別增加了71.55 g/kg和7.81 cmol/kg。而CaCO3含量、pH 值、全鹽變化順序是:側(cè)柏＞油松＞青海云杉，其中青海云杉0—40 cm土層CaCO3含量、pH 值、全鹽含量分別為162.40，6.83和3.51 g/kg，與油松比較，分別降低了 16.24，0.68，0.70 g/kg;與側(cè)柏比較，分別降低了 34.10，0.91和1.12 g/kg。分析這一結(jié)果產(chǎn)生的原因，一是青海云杉林木密度、郁閉度大，地表枯落物累積厚度和枯落物累積干質(zhì)量比油松、側(cè)柏大，因而提高了土壤的有機質(zhì)和CEC。二是青海云杉根系多，土壤疏松，孔隙度大，雨水的淋溶強度大，CaCO3向下淋溶后降低了土壤的pH和全鹽。處理間的差異顯著性經(jīng)LSR檢驗達到顯著和極顯著水平(表5)。

表5 不同樹種對土壤化學性質(zhì)的影響

3 結(jié)論

青海云杉、油松、側(cè)柏3種樹種的土壤理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能具有明顯的差異。土壤孔隙度、團粒結(jié)構(gòu)、物理性黏粒變化順序為青海云杉＞油松＞側(cè)柏，而土壤容重、物理性砂粒變化順序為側(cè)柏＞油松＞青海云杉;土壤有機質(zhì)、CEC變化順序為青海云杉＞油松＞側(cè)柏，而CaCO3含量、pH值、全鹽變化順序為側(cè)柏＞油松＞青海云杉。土壤蓄水量和樹種枯落物持水量變化順序為青海云杉＞油松＞側(cè)柏。

[1] 中國科學院蘭州沙漠研究所河西考察隊.甘肅省河西地區(qū)水土資源的合理開發(fā)利用[M].北京:科學出版社，1998:2-8.

[2] 張萬儒.森林土壤分析方法[M].北京:中國標準出版社，1999:56-68.

[3] 安韶山，常慶瑞，李壁成.不同林齡植被培肥改良土壤效益研究[J].水土保持通報，2001，21(3):75-77.

[4] 張社奇，王國棟，時新玲.黃土高原油松人工林地土壤水分物理性質(zhì)研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23(1):60-63.

[5] 林德喜，樊后保，蘇兵強.馬尾松下套種闊葉林對土壤理化性質(zhì)的影響[J].土壤學報，2004，41(4):655-659.

[6] 龐學勇，劉世全，劉慶.川西亞高山人工云杉林有機物和養(yǎng)分庫的退化與調(diào)控[J].土壤學報，2004，41(1):126-132.

[7] 鄭祥，鮑毅新，孔軍苗.金華北山闊葉林大型土壤動物群落的初步研究[J].土壤，2005，37(5):551-554.

[8] 于東升，史學正，王洪杰，等.發(fā)生分類高山土與系統(tǒng)分類參比特征[J].土壤，2005，37(6):613-619.