白樺次生林4個(gè)林齡0～30cm土層水源涵養(yǎng)功能比較

單洪偉，李文影

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究所，哈爾濱 150070)

森林具有強(qiáng)大的水源涵養(yǎng)和水土保持功能。而森林土壤則是森林水源涵養(yǎng)的主體[1]。林齡不同，凋落物數(shù)量也會(huì)不同，同時(shí)，凋落物的分解速度及根系的穿插能力也會(huì)不同。這些都會(huì)影響土壤的孔隙狀況，從而造成林地水源涵養(yǎng)功能的不同。目前，已有大量白樺林土壤特性研究，而對(duì)白樺林不同林齡土壤特性方面研究較少。選擇4個(gè)林齡白樺次生林作為研究對(duì)象，對(duì)它的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行研究，通過4個(gè)林齡白樺林0～30 cm土層水源涵養(yǎng)功能的比較，探索不同林齡的水源涵養(yǎng)功能變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在涼水國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)為E128°49′ 21″～128°56′56″，N47°8′ 24″～47°15′49″，屬低山丘陵地帶。本區(qū)具有明顯的溫帶大陸性氣候特征。年平均氣溫-0.4℃，相對(duì)濕度近80%。多年平均降水量近680 mm，且多集中在7、8和9三個(gè)月份，無霜期最多可達(dá)200 d。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林覆蓋率達(dá)90%以上。主要植被類型有紅松、白樺、落葉松林、云杉和冷杉林。暗棕壤為地帶性土壤，草甸土和沼澤土及泥炭土為非地帶性土壤。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

在立地條件基本一致的(30 a、40 a、50 a和70 a)白樺次生林中，設(shè)置20 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)地各1塊。分別對(duì)4個(gè)林齡標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，同時(shí)實(shí)測林木胸徑、樹高等。4個(gè)林齡標(biāo)準(zhǔn)地詳細(xì)概況見表1。

表1 4個(gè)林齡標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.2 研究方法

2.2.1 枯落物貯量及持水率測定

分別在4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地沿對(duì)角線設(shè)置12個(gè)20 cm×20 cm的小樣方，測量、記載枯落物層的未分解層厚度、半分解層厚度及總厚度，按未分解層和半分解層分別收集取樣，精確稱量(W1)后，放在烘箱中烘干，恒質(zhì)量后稱量(W2)，以推算其單位面積累積量?？萋湮锏某炙?WC)和持水率(WR，)計(jì)算公式如下[2]：

WC=W1-W2，WR=(W1-W2)/W2×100%

再將烘至恒質(zhì)量后的枯落物裝入尼龍網(wǎng)袋中，放入水中浸一晝夜，當(dāng)沒有水滴滴下時(shí)取出后稱量(W3)，枯落物最大持水量(WCM)和最大持水率(WRM)計(jì)算公式如下[2]：

WCM=W3-W2，WRM=(W3-W2)/W2×100%

2.2.2 土壤性質(zhì)測定

土壤密度、持水量、孔隙度等指標(biāo)[3]的測定，采用的是“環(huán)刀法”。2008年6月，在設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)分別選取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，按人工分層(0～15，15～30)在0～30 cm土層內(nèi)用環(huán)刀分別取原狀土，同時(shí)用鋁盒取土樣。

0～30 cm土層入滲能力的測定方法采取的是用雙環(huán)刀法。所用環(huán)刀的直徑為5 cm、高為5 cm。在測定滲透的同時(shí)，用溫度計(jì)測定水層溫度，將測得的滲透速率統(tǒng)一換算為10℃時(shí)的滲透系數(shù)[4]。

2.2.3 土壤持水量的計(jì)算

土壤飽和蓄水量和土壤非毛管蓄水量是土壤蓄水性能指標(biāo)，計(jì)算公式如下[5]。即：

Wt=10 000Pth，W0=10 000P0h，Wc=10 000Pch

式中：Wt為土壤飽和蓄水量，t/hm2；Pt為土壤總孔隙度，%；W0為土壤非毛管持水，t/hm2；P0為土壤非毛管孔隙度，%；Wc為土壤毛管蓄水量，t/hm2；Pc為土壤毛管孔隙度，%；h為土壤厚度，m。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤密度和孔隙度

表層(0～15 cm土層)的土壤密度在30～50 a之間呈下降趨勢，50 a比30 a降低了35.58%；在50～70 a之間呈上升趨勢，70 a比50 a升高了18.62%；土壤密度從小到大順序?yàn)?0 a<70 a<40 a< 30 a。15～30 cm土層的土壤密度在30～40 a間呈上升趨勢，40～70 a之間呈下降趨勢；土壤密度從小到大順序?yàn)?0 a<70 a<40 a< 30 a。土壤密度、孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，同時(shí)其也是土壤中養(yǎng)分、水分、微生物等的遷移通道及活動(dòng)場所[5-6]，從表2可以看出，0～15 cm和15～30 cm土層中4個(gè)林齡段間土壤密度都沒有太大區(qū)別，說明土壤密度受林齡變化的影響很小。

由表2可以看出，4個(gè)林齡土壤總孔隙度有所不同，土壤總孔隙度從小到大順序?yàn)?0 a<40 a<70 a< 50 a，50 a比30 a升高了16.17%。15～30 cm土層土壤總孔隙度變化動(dòng)態(tài)是在30～40 a之間呈上升趨勢，在40～70 a之間呈下降趨勢；15～30 cm土層土壤總孔隙度從小到大順序?yàn)?0 a<50 a<30 a< 70 a。

4個(gè)林齡土壤毛管孔隙度都是0～15 cm土層最大，15～30 cm土層最小。4個(gè)林齡土壤非毛管孔隙度也都是0～15 cm土層最大。原因應(yīng)該是林地上層根系分布密集加之地表累積了較厚的腐殖質(zhì)層，土壤結(jié)構(gòu)較下層得到了改善。50 a達(dá)9.031%，比30 a增加了181.43%；50 a后非毛管孔隙度呈下降趨勢，70 a非毛管孔隙度為8.121%，比60 a下降了10.08%。0～15 cm土層土壤非毛管孔隙度從小到大順序?yàn)?0 a<70 a<40 a<50 a；15～30 cm土層土壤非毛管孔隙度從小到大順序?yàn)?0 a<30 a<40 a<70 a。

從以上分析得知，在0～30 cm土層，有利于降水的下滲的是70 a白樺次生林，不利于水分下滲的是30 a生白樺次生林。

表2 4個(gè)林齡土壤特征

3.2 水源涵養(yǎng)功能

3.2.1 枯落物水源涵養(yǎng)功能

枯落物層的持水能力是反映枯落物層水文作用的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。影響枯落物蓄積量到因素有很多，如林齡等[8-9]。森林枯落物在涵養(yǎng)水源、保持水土等方面具有極其重要的作用[10-11]。

3.2.1.1 枯落物蓄積量

由圖1可以看出，在枯落物層厚度方面，4個(gè)林齡白樺次生林未分解和半分解有較大差異。 40 a白樺次生林枯落物厚度最大，70 a白樺次生林枯落物厚度最小。原因可能是 70 a白樺次生林生長速度逐漸下降，伴生樹種所占比例加大，物種多樣性的增加，加快了枯落物層分解速度。

由圖2可以看出，隨著林齡的增長，未分解層、半分解層凋落物蓄積量均是在30～40 a間呈上升趨勢，隨后呈下降趨勢。未分解層凋落物蓄積量從30 a的4.88 t/hm2增加到40 a的6.43 t/hm2，70 a時(shí)下降到3.68 t/hm2；半分解層則是從30 a的12.53 t/hm2增加到40 a的22.68 t/hm2，70 a時(shí)下降到15.42 t/hm2。總蓄積量在30～40 a之間呈上升趨勢，40 a比30 a增加了71.30%，隨后凋落物總蓄積量呈下降趨勢，70 a時(shí)下降到15.42 t/hm2。圖2還表明，4個(gè)林齡白樺次生林枯落物蓄積量大小順序依次為：70 a<30 a<50 a<40 a。4個(gè)林齡段枯落物未分解層、半分解層儲(chǔ)量及總儲(chǔ)量的變化均是先呈增長趨勢，再呈下降趨勢。可能是枯落物成分不同，加之環(huán)境不同及堆積狀態(tài)不同所致。

圖1 4個(gè)林齡段凋落物的厚度

圖2 4個(gè)林齡段凋落物的蓄積量

3.2.1.2 枯落物持水能力

一般枯落物持水能力多用干物質(zhì)的最大持水率和最大持水量來表示[12]。圖3表明，未分解層最大持水量大小順序?yàn)?70 a<30 a<50 a<40 a。未分解層凋落物最大持水量增加或下降的程度小于半分解層。40 a枯落物的最大持水量最大，70 a時(shí)枯落物最大持水量最小，下降幅度由40 a時(shí)406.870 t/hm2下降到70 a時(shí)178.530 t/hm2，下降了56.12%。如圖4(b)所示，40 a生白樺次生林枯落物的最大持水量顯著高于其他林齡段。

圖3 4個(gè)林齡段凋落物的最大持水量

圖3表明，4個(gè)林齡段均是未分解層最大持水量小于半分解層，4個(gè)林齡枯落物最大持水量變動(dòng)范圍為178.530～406.870 t/hm2，順序依次為70 a<30 a<50 a<40 a。研究[13]結(jié)果表明：未分解層持水量大于半分解和已分解枯落物，林地枯落物分解程度不同，其持水量有很大不同。從凋落物最大持水量方面可以看出，枯落物層水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)是40 a生白樺次生林。

40 a白樺次生林枯落物最大持水率最高，如圖4(a)所示，最大持水率與枯落物的組成有關(guān)，研究對(duì)象都是白樺林，因此，從凋落物的最大持水率來看，4個(gè)林齡段間沒有太大差異。40 a生白樺次生林凋落物的自然含水率顯著低于其他林齡段，如圖4(b)所示，可能是其郁閉度小其他林齡段的緣故。

3.2.2 土壤水源涵養(yǎng)功能

(1)土壤蓄水性

由表2可知：表層(0～15 cm)的非毛管持水量在30～50 a之間呈上升趨勢，在50～70 a之間變化不大，由多重比較結(jié)果可知，30 a生白樺次生林非毛管持水量顯著低于這3個(gè)林齡段，40 a、50 a和70 a 3個(gè)林齡段間的非毛管持水量沒有顯著差異；毛管蓄水量在30～70 a之間呈波動(dòng)性變化，變動(dòng)范圍在908.170～1087.496 t/hm2之間，4個(gè)林齡段間的表層(0～15 cm)總蓄水量在30～50 a之間從1 023.83 t/hm2增加到1 221.43 t/hm2，增加了19.30%，在50～70 a之間無顯著變化。

圖4 4個(gè)林齡段凋落物的最大持水率與自然含水率

在15～30 cm土層內(nèi)，非毛管持水量大小順序?yàn)?0 a<30 a<40<70 a，變動(dòng)范圍在21.418～62.855 t/hm2，50 a與其他3個(gè)林齡段間的非毛管持水量差異較大；總蓄水量的變化動(dòng)態(tài)與毛管蓄水量基本一致；毛管蓄水量在各林齡段間無顯著差異，毛管蓄水量變化趨勢為30～40 a之間逐漸降低，40～70 a之間逐漸升高，變動(dòng)范圍在637.123～836.782 t/hm2之間。

(2)土壤滲透性能

土壤滲透性對(duì)水土保持及水源涵養(yǎng)功能影響極大[14]。由表4可以看出，30 a和50 a白樺次生林0～15 cm土層初滲速率最大，40 a白樺次生林在15～30 cm土層表現(xiàn)為最大，分別為10.350、12.600 mm/min和16.100 mm/min。從穩(wěn)滲時(shí)間方面來看，40 a白樺林滲透性能在0～30 cm土層均較好，穩(wěn)滲的時(shí)間均達(dá)到40 min以上。4個(gè)林齡段土壤穩(wěn)滲速率平均值(mm/min)的大小順序是：70 a<30 a<50 a<40 a。

表4 0～30 cm土層滲透性能

4 結(jié) 論

(1)從凋落物最大持水量來看，40 a白樺次生林凋落物層水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)，各林齡段間最大持水量變動(dòng)范圍為178.530～406.870 t/hm2，凋落物蓄積量變動(dòng)范圍為15.42～28.11 t/hm2。

(2)從平均土壤容重來看，70 a最小，其0～30 cm土層不利于降水的下滲。

(3)從土壤滲透性能來看，40 a白樺次生林土壤的入滲性能好。0～30 cm土層的毛管蓄水量和總蓄水量均是50 a白樺次生林最大，非毛管持水量是40 a白樺次生林最大。

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