大青山不同植被類型保育土壤能力1)

王冬至 張秋良

(內蒙古農業大學，呼和浩特，010018)

張冬燕

(河北農業大學)

吳文靜

(衡水市土壤肥料工作站)

土壤和水是人類賴以生存的自然資源，是社會物質生產的基礎，由于人們在生產和生活中違背自然規律，對土地資源實行掠奪式開發和經營，造成了嚴重的水土流失［1］。自20世紀50年代以來，對植物保育土壤生態服務功能的研究受到了各國林學家、生態學家和風沙物理學家的重視［2－4］。部分學者［5－7］對森林生態系統服務功能價值的研究中涉及到保護土壤的價值核算，但對石質山地不同林分類型保育土壤功能的量化研究還未見報道。因此，通過分析不同植被類型坡面的徑流產沙變化特征，研究大青山山區不同植被類型在保育土壤方面的生態功能，旨在為山地森林的生態環境保護和管理經營提供決策依據，并對山地森林資源的生態價值量化提供科學依據。

1 研究區概況

試驗地位于內蒙古呼和浩特市北部陰山山脈中段的大青山和圣水梁區的人工油松(Pinus tabuliformis)林和白樺(Betula platyphylla)天然次生林林內，地理位置為:109°51'19″～111°57'43″E，40°41'52″～40°56'34″N，海拔高度1230 ～2010 m。研究區地處內陸地區，降水少而集中，日溫差較大，氣候干燥，年降水量350～450 mm。降水量年際變化大，歷年平均降水量為424.6 mm，降水時間多集中在5—9月份，降水量占全年總量的83.0%。研究區內的成土母質類型有:結晶巖殘坡積物、松散砂巖礫巖殘坡積物、黃土及黃土狀物母質、洪積物母質、沖—洪積物母質。土壤由上而下呈帶狀分布，即灰色森林土—淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗鈣土。

2 研究方法

2.1 人工模擬降雨

經室內試驗測定，試驗中采用的人工模擬降雨強度值分別控制在 0.60 ～0.65、0.80 ～0.85 mm/min，在不同植被類型中分別設置30 m×30 m的臨時樣地作為研究對象，采用已調試好的自制降雨發生器，在臨時樣地內設置3個面積為20 m×20 m的小樣方進行試驗，為了提高試驗數據的嚴密性，所選臨時樣地坡度為24°～27°，立地條件基本一致，不同植被類型枯落物平均厚度為1.63～4.85 mm，在人工模擬降雨初期，土壤的含水量較低，無地表徑流產生，當降雨產生徑流并穩定在一定范圍時，人工模擬降雨結束［8］。模擬降雨前分別在不同植被類型樣地中取0.5 m×0.5 m樣地上全部枯落物稱質量，重復3次，取平均數作為降雨前枯落物質量;同時在不同植被類型樣地上取土壤剖面，分別在土層厚度為0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm、＞30～40 cm 的土層用環刀重復取3次土樣稱質量記錄數據。人工模擬降雨結束后，立即采用降雨前的方法觀測枯落物層和土壤層的水分變化，計算降雨前后枯落物層和土壤層滯水量，即:Li=(Rf－Rb)×Vs、Si=(Hf－Hb)。式中，Li為不同植被類型枯落物滯水量;Rf為降雨后枯落物質量;Rb為降雨前枯落物質量;Vs為枯落物蓄積量。Si為不同植被類型土壤滯水量;a為土層厚度;Hf為降雨后單位面積土層質量;Hb為降雨前單位面積土層質量。

降雨產生徑流后，測定徑流收集器內的徑流體積，將集流器中的徑流水充分攪勻，立即用采樣瓶(600 mL)重復采樣2次，將2次水樣充分混合取出(600 mL)渾水樣，然后過濾、烘干稱質量得到采樣瓶收集到的泥沙量(g)，并計算徑流器全部的泥沙質量，進而對不同林分類型保育土壤的能力進行研究，相關指標計算方法如下:①凈水率=(泥水質量－烘干土泥質量)/泥水樣體積。②凈水量=凈水率×泥水質量。③徑流量=(凈水質量×10000)/徑流小區面積。④徑流系數=(徑流量/降雨量)×100%。

2.2 產沙量計算

在坡面上取單位面積的區域作為侵蝕單元，假設泥沙顆粒順坡的平均運動速度為Vs，則單位時間內單位寬度坡面上通過觀察面流出的泥沙所占面積為Vs，在較小尺度的坡面上，由于降雨近似均勻，單寬流量(Q)與單位面積上的徑流量(qe)存在如下關系:Q=qex［9］，其中，x為沿坡面向下的坐標。將此關系帶入公式可以得出單位時間內單位面積上的侵蝕率，e=(π/6)mDρsαqexn J 。式中:e為 x處單位時間內單位面積上的侵蝕率;m為侵蝕層厚度;D為該坡面的泥沙代表粒徑;ρs為泥沙密度;α為泥沙與水流運動速度的比值;q2e/5為單位面積上的徑流量;n為曼寧系數;J為坡面比降。由于坡面概化為矩形斜坡，假設在矩形坡面寬度方向上的侵蝕速率相同，則整個坡面單位時間的侵蝕量即為:E==(5πα/42)mDρsA3/5Q2/5n－3/5J3/10L2/5。式中:E 為坡面總侵蝕量;m、D、s、ρs、α、n、J、L 同侵蝕率公式;π取值為3.14159;A為坡面面積;Q為坡面流量。

3 結果與分析

3.1 枯落物層阻滯徑流作用

徑流流經不同植被類型的枯落物層時，受到阻滯及流速減小程度不同，水分下滲的時間和入滲量也有較大差距［10］，不同林分類型枯落物厚度不同，分解程度不同，在人工模擬降雨強度分別為0.60～0.65、0.80 ～0.85 mm/min 時，計算得到不同植被類型的枯落物平均滯水量如表1所示。在不同降雨強度下，降雨強度愈小枯落物阻滯越大，當達到飽和時，降雨強度的影響就可以忽略;在同一模擬降雨強度下，不同植被類型枯落物滯水量差異較大，其滯水量由大到小依次為:白樺近熟林、油松近熟林、白樺中齡林、油松中齡林、虎榛子陰坡灌叢、油松幼齡林、白樺幼齡林、虎榛子陽坡灌叢、已封育荒草坡、未封育荒草坡。白樺天然次生林枯落物滯水量最大，油松人工林和虎榛子灌叢枯落物滯水量次之，荒草坡枯落物滯水量最低。

利用人工模擬降雨試驗數據，對不同植被類型枯落物的滯水量進行了方差分析，其結果如表2所示，在同一降雨強度條件下，白樺天然次生林和油松人工林枯落物滯水量與林齡呈正相關關系;虎榛子灌叢枯落物滯水量陰坡高于陽坡且差異顯著;已封育荒草坡枯落物滯水量優于未封育荒草坡，差異較為顯著。在模擬降雨強度為0.60 ～0.65、0.80 ～0.85 mm/min時，其降雨時間較長，而枯落物層飽和吸水時間較短，因此在不同模擬降雨強度下，同一植被類型枯落物滯水量差異較小。

3.2 土壤層阻滯徑流作用

地表徑流是水分運動的主要形式，是聯系森林土壤和外界水分及其他營養元素的橋梁，是研究水量平衡的基本要素和森林調節徑流過程中的重要環節［11］，然而不同林分類型的土壤對徑流影響差異很大，在研究區分別對不同植被類型進行了人工模擬降雨產流產沙試驗，其模擬降雨強度為0.60～0.65、0.80 ～ 0.85 mm/min，對產流后土壤的滯水量、持水深度及徑流量和徑流系數進行了研究，通過模擬人工降雨試驗，觀測到不同植被類型的土壤滯水量如表1所示。從表1可以看出，降雨強度為0.80～0.85 mm/min時比降雨強度為 0.60 ～0.65 mm/min時的產流時間短，可見降雨強度越大產流越快。在同一降雨強度下，同一林分類型的土壤滯水量隨著林齡的增加而增大;不同林分類型中，同一發育階段的白樺天然次生林土壤滯水量高于油松人工林;虎榛子陰坡灌叢滯水量大于陽坡虎榛子;已封育的荒草坡大于未封育荒草坡。降雨強度為0.60～0.65 mm/min不同植被類型的土壤滯水量要高于降雨強度為0.80～0.85 mm/min的滯水量。從表1中發現不同降雨強度對大青山不同植被類型土壤滯水量影響不同，其方差分析結果如表2所示。

表1 不同降雨強度下主要林分類型枯落物、土壤滯水量

在降雨強度分別為 0.80 ～0.85、0.60 ～0.65 mm/min時，不同植被類型土壤滯水量在α=0.05的水平上差異顯著，當降雨強度為0.80～0.85 mm/min時，不同植被類型土壤滯水量由大到小依次為:白樺近熟林、白樺中齡林、白樺幼齡林、油松近熟林、虎榛子陰坡灌叢、虎榛子陽坡灌叢、油松中齡林、油松幼齡林、已封育荒草坡、未封育荒草坡;當降雨強度為0.60～0.65 mm/min時，不同植被類型土壤滯水量大小依次為:白樺近熟林、白樺中齡林、油松近熟林、虎榛子陰坡灌叢、白樺幼齡林、油松中齡林、虎榛子陽坡灌叢、已封育荒草坡、油松幼齡林、未封育荒草坡。同一植被類型土壤滯水量在0.60～0.65 mm/min的降雨強度下高于0.80～0.85 mm/min的降雨強度，在一定的范圍內，單位時間降雨速率較低時，降雨時間越長，土壤滯水能力越大，保育土壤的能力越強，反之，降雨時間越短降雨強度較大時，土壤層滯水能力較弱，水土流失嚴重。

3.3 不同植被類型的降雨產沙量

對不同植被類型在不同降雨強度下的產流量和產沙量進行觀測，其結果如表3所示。降雨強度為0.80～0.85 mm/min時，不同植被類型的產沙量由大到小為:未封育荒草坡、已封育荒草坡、油松幼齡林、油松中齡林、虎榛子陽坡灌叢、白樺幼齡林、白樺中齡林、油松近熟林、虎榛子陰坡灌叢、白樺近熟林;降雨強度為0.60～0.65 mm/min時則為，未封育荒草坡、油松幼齡林、已封育荒草坡、白樺幼齡林、油松中齡林、虎榛子陽坡灌叢、陰坡虎榛子陰坡灌叢、油松近熟林、白樺中齡林、白樺近熟林。在同一降雨強度下，白樺天然次生林保育天然能力最好，虎榛子灌叢和油松人工林次之，荒草坡保育土壤能力較差。

表3 不同植被類型產流產沙量

4 結論與討論

模擬人工降雨強度為0.60～0.65、0.80 ～0.85 mm/min時，同一植被類型枯落物層、土壤層滯水量及保土能力都與模擬降雨強度呈反比。同一降雨強度下枯落物滯水量由大到小依次為:白樺近熟林、油松近熟林、白樺中齡林、油松中齡林、陰坡虎榛子陰坡灌叢、油松幼齡林、白樺幼齡林、虎榛子陽坡灌叢、已封荒草坡、未封荒草坡;不同植被類型土壤滯水量由大到小依次為:白樺近熟林、白樺中齡林、油松近熟林、虎榛子陰坡灌叢、白樺幼齡林、油松中齡林、虎榛子陽坡灌叢、已封育荒草坡、油松幼齡林、未封育荒草坡;不同植被類型產沙量大小為:未封育荒草坡、油松幼齡林、已封育荒草坡、白樺幼齡林、油松中齡林、虎榛子陽坡灌叢、虎榛子陰坡灌叢、油松近熟林、白樺中齡林、白樺近熟林。

不同植被類型枯落物蓄積量不同對降雨徑流的影響有較大差異，由于枯落物的持水特性，在一定的范圍內會隨著降雨量的增加而增大［12］;不同植被類型根系在土壤中的分布特點不同，因而不同植被類型土壤滯水量差異較大。為了提高植被保育土壤能力，創造喬灌草相結合的林分經營模式，合理管理改善林分結構，進而提高植被的保育土壤能力。

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