冀北山區灤平縣4種新造林地水源涵養能力研究

楊建偉,楊建英,*,何會賓,唐 靜,趙廷寧

1 北京林業大學水土保持學院,北京 100083 2 河北省承德市林業局生態工程項目管理中心,承德 067000 3 河北省承德市灤平縣林業局,灤平 068250

冀北山區作為密云水庫上游流域十分重要的源頭,一直受到黨中央和國務院的高度重視。從2009年開始,北京市政府與河北省達成合作意向,在密云水庫上游冀北山區開展生態水源保護林建設,旨在改善密云水庫上游流域的生態環境、保護密云水庫飲用水源的清潔。研究區作為冀北山區重要的一部分,研究其境內生態水源保護林的水源涵養能力尤為重要。雖然目前很多學者對森林水源涵養的計量方法、功能評價、截留分配、枯落物和土壤水文特征等方面進行了大量的研究和論述[1- 3]。但對研究區灤平縣境內不同類型混交林的水源涵養能力研究甚少。本研究將以灤平縣生態水源保護林作為研究對象,從枯落物層和土壤層兩方面對生態水源保護林4種不同類型混交林的水源涵養能力進行研究。

森林的水源涵養能力表現主要為林下枯落物層有效持水量和土壤層有效持水量之和[4-5],其中土壤層是水源保護林涵養水源的主體[6-7]。

1 研究區概況

研究區位于河北省承德市灤平縣,地理位置介于北緯40°39′21″—41°12′53″,東經116°40′15″—117°46′03″。氣候屬于半濕潤半干旱大陸性季風型氣候,年平均氣溫7.7℃左右,年均無霜期151 d,適合林木生長。年均雨量為351.1 mm,年平均風速為2.2 m/s。主要土壤類型為褐土和棕壤土。研究區主要喬木有楊樹、油松、落葉松、蒙古櫟、山杏和刺槐等;主要灌木有鼠李、繡線菊、胡枝子和荊條等;草本植物則以禾本科、菊科和豆科等為主。

林地Ⅰ位于灤平縣小壩子鄉,坡向為東北,海拔高度為1100 m;林地Ⅱ位于灤平縣小壩子鄉,坡向為西南,海拔高度為1135 m;林地Ⅲ位于灤平縣云霧山林場,坡向為東南,海拔高度為870 m;林地Ⅳ位于灤平縣霧靈山鄉,坡向為東南,海拔高度為720 m。

2 研究方法

選擇研究區具有代表性的4中混交林(油松×落葉松、油松×山杏、油松×蒙古櫟、側柏×山杏)作為研究對象,在每個林地的典型地段設置標準地,標準地大小20 m×20 m,對標準地內每一棵林木的胸徑、冠幅和樹高等因子進行實地測量。各林地標準地基本情況詳見表1。

采用S型采樣方法,在標準地內布設5個1 m×1 m的小樣方,調查林下枯落物單位面積現存量[8]。在實地測量過程中發現,林下枯落物有很少一部分為草本植物殘骸,但主要為造林樹種的枯枝落葉。采用室內浸泡法分別測定枯落物在浸泡0.5 h、1 h、4 h、8 h、12 h和24 h后的枯落物持水量和吸水速率,研究其吸水過程[9]。枯落物層的持水能力用枯落物有效持水量來估算,即

W=(0.85Rm-R0)M

式中:W為有效持水量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);R0為平均自然含水率(%);M為枯落物現存量(t/hm2)。

采用剖面法測定林地的土壤物理性質,在標準地內選取典型樣點,采用環刀法分別取1—10 cm、10—20 cm和20—30 cm 3個剖面層土樣,測定土壤容重和土壤孔隙度等物理性質[10]。采用烘干法測定土壤含水量等指標。土壤層的持水能力用土壤有效持水量來計算[11],即

S=10000Ph[12]

式中:S為土壤有效持水量(t/hm2);P為土壤毛管孔隙度(%);h為土壤厚度(m),為0.3 m。

田間持水量長期以來被認為是土壤所能穩定保持的最高土壤含水量,也是土壤中所能保持毛管水的最大量,計算公式為：

Sn=10000Pnh

式中:Sn為土壤田間持水量(t/hm2);Pn為土壤毛管孔隙度(%);h為土壤厚度(m),為0.3 m。

最大持水量是指土壤孔隙全部充滿水分時的最大含水量,它的計算公式為：

Smax=10000Pih

式中:Smax為土壤最大持水量(t/hm2);Pi為土壤總孔隙度(%);h為土壤厚度(m),為0.3 m。

表1 標準地基本情況

3 結果與分析

3.1 枯落物層持水特征

枯落物層不僅在土壤抗蝕性和抗沖性方面發揮巨大作用,還對土壤微生物,土壤結構和土壤改良等方面有不可替代的重要作用[13-14]。枯落物層的水源涵養功能主要表現在枯落物現存量和枯落物持水量兩個方面[15]。

3.1.1不同林地枯落物現存量

圖1 不同林地枯落物現存量及差異百分比 Fig.1 Litter size and percentage difference among different woodlands

由圖1可見,林地Ⅲ與其他三種林地枯落物現存量差異較大,這是因為林地Ⅲ造林密度相對最小,導致枯落物現存量較少。4種林地枯落物現存量范圍在11.08—19.48 t/hm2之間,其中林地Ⅱ的枯落物現存量最高為19.48 t/hm2,分別比林地Ⅰ、林地Ⅲ和林地Ⅳ的枯落物現存量高21.49%、43.11%和2.81%。林地Ⅲ的枯落物現存量最少為11.08 t/hm2。枯落物現存量排序為林地Ⅱ(19.48)>林地Ⅳ(18.93)>林地Ⅰ(15.29)>林地Ⅲ(11.08),差異具有顯著性(P<0.05)。

3.1.2不同林地枯落物吸水過程

枯落物在最初浸泡的半個小時內吸水速度最快,吸水速率均高于1 t hm-2h-1,枯落物持水量迅速增加,此階段枯落物攔蓄徑流能力最強,在浸泡1小時內,枯落物的吸水速度開始變緩,截流能力開始減弱。從浸泡1小時后開始,枯落物隨著浸泡時間的延長枯落物持水量呈現緩慢增加的趨勢,隨著枯落物吸水速率的不斷減小,吸水能力越來越低,直至枯落物達到完全飽和狀態不再吸水。

3.1.3不同林地枯落物吸水速率

由圖2可以看出,枯落物的吸水速率隨時間的延長而不斷減小,在浸泡24h后吸水速率趨近于0,表明枯落物已經接近達到飽和狀態。在剛開始浸泡時,枯落物的吸水速率都很大,這是因為林下枯落物在陽光和風的作用下大多處于風干狀態,此時枯落物的細胞和表面水勢差較大,當浸入水中后,迅速吸水,導致吸水速率較大。4種林地的枯落物的平均吸水速率范圍在0.41 t hm-2h-1—0.93 t hm-2h-1之間,平均吸水速率排序為林地Ⅳ(0.93)>林地Ⅲ(0.54)>林地Ⅱ(0.42)>林地Ⅰ(0.41),可見4種混交林的枯落物最大持水量與吸水速率呈現出不同的變化規律,這是因為枯落物最大持水量主要由枯落物現存量決定,而吸水速率主要由枯落物的種類所影響。4種林地中林地Ⅳ的平均吸水速率與其他三種林地差異較大,其差異百分比均在40%以上。

3.1.4不同林地枯落物最大持水量

由圖2可見,4種混交林的枯落物持水量和吸水速率隨浸泡時間增加的變化情況。4種混交林枯落物層的最大持水量范圍在32.72—87.84 t/hm2之間,林地Ⅱ的枯落物最大持水量最大為87.84 t/hm2,比林地Ⅳ的最大持水量高12.61%,與林地Ⅲ和林地Ⅰ的最大持水量差異較大,分別高達59.47%和62.75%。這是因為最大持水量與枯落物的現存量、分解狀況和厚度等因素有關,其中枯落物現存量的大小對枯落物最大持水量起決定性作用。林地Ⅰ的枯落物最大持水量最小為32.72 t/hm2。最大持水量排序為林地Ⅱ(87.84)>林地Ⅳ(76.76)>林地Ⅲ(35.60)>林地Ⅰ(32.72)。

圖2 不同林地枯落物最大持水量、枯落物吸水速率與浸泡時間的關系Fig.2 The relationship between maximum water holding capacity of litter, water absorption rate of litter and soaking time in different woodlands圖中實線為枯落物持水量,虛線為枯落物吸水速率

3.2 土壤層持水特征

土壤層是森林持水的主要場所,其水源涵養功能在森林生態系統服務功能中是最重要的[16]。土壤層的水源涵養能力主要表現在土壤孔隙度、土壤最大持水量和土壤有效持水量等幾個方面。

3.2.1不同林地土壤容重

土壤容重又稱為干容重,是指一定容積的土壤烘干后的重量與同容積水重的比值,它是土壤緊實度的指標。雖然土壤容重不是水源涵養能力的直接評價指標,但其可以間接影響土壤的滯水持水性能。土壤容重越小,表明土壤越疏松,從而增強了土壤的持水能力。由表2可知,4種林地土壤容重的范圍在1.00—1.48 g/cm3之間,其中林地Ⅲ的土壤容重最大。土壤容重排序為林地Ⅲ(1.48)>林地Ⅱ(1.32)>林地Ⅰ(1.12)>林地Ⅳ(1.00), 差異不具有顯著性(P<0.05)。

表2 不同林地土壤物理性質

3.2.2不同林地土壤孔隙度

土壤空隙是水分運動和儲存的場所,是影響土壤滲透性能、決定地表徑流量和徑流時間的關鍵要素。土壤孔隙度由毛管孔隙度和非毛管孔隙度組成。

非毛管孔隙因土壤顆粒大、排列疏松而形成,其數量取決于土壤的結構性。非毛管孔隙所占土壤體積的百分比,稱為非毛管孔隙度。非毛管孔隙經常充滿空氣,僅在重力水大量存在時,比如洪澇時,才會被水填充,它不具有持水能力,但能使土壤通氣、透水。

圖3 不同林地孔隙度與最大值差異百分比 Fig.3 Percentage difference of bulk density, porosity and maximum value of different woodlands

毛管孔隙占土壤體積的百分比,稱為毛管孔隙度。毛管孔隙是土壤水分貯存和水分運動相當強烈的地方,其大小決定了土壤滯留雨水、調節徑流和發揮涵養水源的能力。由圖3可見,4種林地土壤總空隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的差異以及他們分別與最大值的差異百分比。可以看出不同林地土壤孔隙度差異較大,其中林地Ⅳ的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均為最大,其最大值分別為56.02%、50.26%和5.76%。土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度排序均為林地Ⅳ>林地Ⅰ>林地Ⅱ>林地Ⅲ, 且差異均具有顯著性(P<0.05)。由此可見,土壤孔隙度與土壤容重呈負相關關系,由此說明土壤容重影響孔隙度,從而影響土壤持水性能。

3.2.3不同林地土壤最大持水量和土壤有效持水量

由表3可見,在持水量方面,4種林地的土壤最大持水量和土壤有效持水量之間差異較大。其中林地Ⅳ的土壤最大持水量和土壤有效持水量均最大,分別為1680.70 t/hm2和1507.90 t/hm2,這是因為林地Ⅳ的土壤容重最小,土壤相對較疏松,土壤孔隙度最大,土壤持水能力最強。土壤最大持水量和土壤有效持水量的排序均為林地Ⅳ>林地>林地Ⅱ>林地Ⅲ。在差異方面,林地Ⅳ的最大持水量分別比林地Ⅰ、林地Ⅱ和林地Ⅲ的高14.24%、21.12%和37.34%,而土壤有效持水量分別比林地Ⅰ、林地Ⅱ和林地Ⅲ高8.61%、18.17%和38.27%。

表3 不同林地枯落物、土壤持水量

3.3 不同林地水源涵養能力

3.3.1不同林地枯落物層的持水能力

枯落物的最大持水量只能反映枯落物持水能力的大小,不能反映枯落物對雨水的攔蓄能力,而枯落物有效持水量才是森林枯落物對降雨攔截作用的真實反映[17]。研究枯落物層的水源涵養能力我們采用有效持水量來計算。4種林地的枯落物有效持水量范圍在28.80—81.30 t/hm2之間,其中林地Ⅱ的有效持水量最大為81.30 t/hm2,其較林地Ⅳ、林地Ⅲ和林地Ⅰ的有效持水量分別高18.30%、56.46%和64.58%。枯落物有效持水量的排序為林地Ⅱ(81.30)>林地Ⅳ(66.42)>林地Ⅲ(25.40)>林地Ⅰ(28.80),說明在4種林地枯落物層中林地Ⅱ的攔蓄降水、減少地表徑流和延長徑流時間的能力最強,即油松×山杏混交林枯落物層的持水能力最強,林地Ⅳ次之,林地Ⅰ最弱。

3.3.2不同林地土壤層持水能力

土壤有效持水量決定土壤水源涵養能力的大小,所以在此重點比較4種林地的土壤有效持水量。受土壤容重、土壤孔隙度和土壤質地等因素影響,不同林地土壤有效持水量的差異較大。4種林地土壤有效持水量范圍在930.90—1507.90 t/hm2之間,其中林地Ⅳ的土壤有效持水量最大為1507.90 t/hm2,其較林地Ⅲ、林地Ⅱ和林地Ⅰ的土壤有效持水量分別高38.62%、16.46%和10.64%。土壤有效持水量排序為林地Ⅳ(1507.90)>林地Ⅰ(1378.00)>林地Ⅱ(1233.90)>林地Ⅲ(930.90),說明在4種林地土壤層中林地Ⅳ的滯留雨水和調節徑流的能力最強,即側柏×山杏混交林土壤層的持水能力最強,林地Ⅰ次之,林地Ⅲ最弱。

3.3.3不同林地水源涵養能力

林地的水源涵養能力表現為枯落物層有效持水量和土壤層有效持水量之和。4種林地的有效持水量范圍在966.30—1574.32 t/hm2之間,其中林地Ⅳ的有效持水量最大為1574.32 t/hm2。由圖4可直觀看出,林地有效持水量排序為林地Ⅳ(1574.32)>林地Ⅰ(1406.80)>林地Ⅱ(1315.20)>林地Ⅲ(966.30),即4種林地水源涵養能力排序為林地Ⅳ(157.43 mm)>林地Ⅰ(140.68 mm)>林地Ⅱ(131.52 mm)>林地Ⅲ(96.63 mm),表明在4種林地中林地Ⅳ側柏×山杏混交林的水源涵養能力最強。故在今后在營造京冀生態水源保護林時,側柏×山杏混交林可作為最優先造林選擇,油松×落葉松和油松×山杏混交林次之。

圖4 不同林地有效持水量及有效持水量貢獻率 Fig.4 Contribution rate of effective water holding capacity and effective water holding capacity of different woodlands

水源涵養能力貢獻率根據枯落物層有效持水量和土壤層有效持水量占林地總有效持水量的比例計算而得。由圖4可知, 4種林地土壤層的貢獻率均在93%以上,可見土壤層作為森林涵養水源的主體,其在攔蓄降水、減少地表徑流方面發揮主要作用。土壤層貢獻率最大的為林地Ⅰ,其值為97.95%,最小的為林地Ⅱ,為93.82%,這是因為林地Ⅱ枯落物層的持水能力最強,枯落物層貢獻率最大,從而導致土壤層貢獻率偏低。4種林地土壤層貢獻率排序為林地Ⅰ(97.95%)>林地Ⅲ(96.34%)>林地Ⅳ(95.78%)>林地Ⅱ(93.82%),枯落物層貢獻率排序則相反。

4 結論與討論

本研究在對灤平縣京冀生態水源保護林油松×落葉松、油松×山杏、油松×蒙古櫟、側柏×山杏4種典型混交林的的水源涵養能力進行研究,得到如下結果：

(1)枯落物層持水能力： 4種林地中林地Ⅱ的枯落物現存量最高為19.48 t/hm2,這是因為林地Ⅱ的平均冠幅最大,枯枝落葉較多。林地Ⅱ比林地、林地Ⅲ和林地Ⅳ的枯落物現存量分別高21.49%、43.11%和2.81%。林地Ⅱ的枯落物有效持水量最大為81.30 t/hm2,林地Ⅰ最小為28.80 t/hm2,這是因為枯落物現存量是影響枯落物持水量的最主要因素,而林地Ⅱ的枯落物現存量最大。林地Ⅱ的枯落物有效持水量比林地Ⅳ、林地Ⅲ和林地Ⅰ分別高18.30%、56.46%和64.58%。枯落物層有效持水量排序為林地Ⅱ>林地Ⅳ>林地Ⅲ>林地Ⅰ,表明林地Ⅱ油松×山杏混交林枯落物層的持水能力最強,林地Ⅰ最弱。

(2)土壤層持水能力：4種林地中林地Ⅳ的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均最大,其最大值分別為56.02%、50.26%和5.76%。林地Ⅳ的土壤有效持水量最大為1507.90 t/hm2,這是因為毛管孔隙度的大小決定了土壤滯留雨水、調節徑流和發揮涵養水源的能力,而林地Ⅳ的毛管孔隙度最大。林地Ⅳ較林地Ⅲ、林地Ⅱ和林地Ⅰ的土壤有效持水量分別高38.62%、16.46%和10.64%。土壤層有效持水量排序為林地Ⅳ>林地Ⅰ>林地Ⅱ>林地,表明林地Ⅳ側柏×山杏混交林土壤層的持水能力最強,林地Ⅲ最弱。

(3)水源涵養能力：4種林地水源涵養能力范圍為96.63—157.43 mm,其中林地Ⅳ的水源涵養能力最強,為157.43 mm。林地水源涵養能力排序為林地Ⅳ>林地Ⅰ>林地Ⅱ>林地Ⅲ,表明4種林地中林地Ⅳ側柏×山杏混交林的水源涵養能力最強,林地Ⅰ次之,林地Ⅲ最弱。雖然林地Ⅳ枯落物層的持水能力并非最強,但是其土壤層持水能力在4種林地中最強,土壤層作為水源涵養能力的主體,最終導致林地Ⅳ的水源涵養能力最強。在水源涵養能力貢獻率方面,4種林地土壤層的貢獻率均在93%以上,最大的為林地Ⅰ,其值為97.95%,最小的為林地Ⅱ,值為93.82%, 4種林地土壤層貢獻率排序為林地Ⅰ>林地Ⅲ>林地Ⅳ>林地Ⅱ。