文峪河中游主要森林類型水文效應(yīng)比較研究

郭躍東,孫悅燕,郭晉平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西太谷 030801)

隨著全球水資源需求量的不斷增加以及水環(huán)境的急劇惡化,水資源緊缺已成為世人所共同關(guān)注的全球性問題[1],森林通過其樹干、林冠層、林下灌草層和枯枝落葉層以及根系土壤層發(fā)揮著森林生態(tài)系統(tǒng)特有的水文生態(tài)功能。其水源涵養(yǎng)作用已經(jīng)引起了人們的高度重視,尤其是干旱、半干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能已經(jīng)成為目前生態(tài)服務(wù)功能研究的熱點(diǎn)[2]。山西作為黃土高原嚴(yán)重缺水地區(qū)之一,加之地下資源的過度開發(fā)利用,致使山西出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源緊缺現(xiàn)象,因此進(jìn)行山西境內(nèi)主要流域、林區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)林的持水性能研究具有特殊的意義。

研究表明,在林冠層、枯落物層和根系土壤層的垂直結(jié)構(gòu)中,枯落物層是形成森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層[3],是實(shí)現(xiàn)森林涵養(yǎng)水源作用的主要作用層[4]。森林土壤的物理性質(zhì)決定了土壤水分的滲透和儲(chǔ)蓄能力[5,6],是森林涵養(yǎng)水源的主體[7,8]。森林土壤層水文狀況的變化直接對(duì)整個(gè)流域的水文過程產(chǎn)生積極的響應(yīng)[9]。不同森林類型土壤的物理性質(zhì)差異直接影響土壤層透水和貯水性能,關(guān)系到涵養(yǎng)水源潛能的強(qiáng)弱[10]。

關(guān)帝山天然次生林林區(qū)地處黃河中游的呂梁山脈中段,是華北地區(qū)有代表性的山地次生林分布區(qū),是汾河流域重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。對(duì)于該區(qū)森林水文效應(yīng)已有一些天然次生林研究[11～13],而有關(guān)人工林和天然林水文效應(yīng)的對(duì)比研究可以揭示人工林特殊的生態(tài)水文機(jī)制,對(duì)于提高人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)水平具有重要意義。因此,本文以山西三道川林場(chǎng)主要水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象,分析天然次生林和人工林水源涵養(yǎng)能力的大小關(guān)系,揭示森林枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)的生態(tài)機(jī)制,為確定黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林經(jīng)營(yíng)和恢復(fù)重建模式,促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展,實(shí)現(xiàn)森林資源可持續(xù)經(jīng)營(yíng),維持森林資源的連續(xù)性、穩(wěn)定性,提高林地生產(chǎn)力提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)為三道川林場(chǎng),位于山西省關(guān)帝林區(qū)的東側(cè),文水縣西部山區(qū)的三道川中上部。地理坐標(biāo)為 E 111°30′～ E 111°56′,N 37°28′～ N 37°35′,海拔在850～2000 m之間。林場(chǎng)范圍內(nèi)國(guó)有經(jīng)營(yíng)面積20 505.4 hm2,占總面積的82.7%,林業(yè)用地20 487.5 hm2,其有林地15 786.7 hm2,占77.0%,灌木林地2347.1 hm2,占 11.4%,疏林地 1025.8 hm2,占 5.0%,未成林地 208.9 hm2,占 1.0%,各類宜林地(包括棄荒地、火后跡地、采伐跡地)1102.6 hm2,占5.4%。三道川林場(chǎng)屬于受季風(fēng)影響和控制的暖溫帶高山型半濕潤(rùn)氣候區(qū),春季干燥少雨,夏季短暫多雨,秋季陰雨潮濕,冬季寒冷干燥,主要土壤類型有山地褐土和山地棕壤。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選設(shè)與調(diào)查

根據(jù)研究?jī)?nèi)容的需要,依據(jù)已有的調(diào)查數(shù)據(jù)和圖面材料,結(jié)合實(shí)地踏查,在三道川林場(chǎng)選擇具有代表性樣地 19塊,其面積25.82 m×25.82 m,樣地環(huán)境因子及林分狀況見參考文獻(xiàn)[14]。

1.2.2 枯落物層蓄積量測(cè)定

在樣地隨機(jī)布設(shè)1 m×1 m的樣方5塊,測(cè)定枯落物層厚度后,按未分解層、半分解層分別收集裝入尼龍袋,帶回室內(nèi)迅速稱其鮮重,然后放置于實(shí)驗(yàn)室干燥通風(fēng)處7 d以上,直至用手觸摸無潮濕感時(shí),而后計(jì)算枯落物的(風(fēng)干)自然含水率和(風(fēng)干)單位面積蓄積量。

1.2.3 枯落物層水文特性測(cè)定

枯落物層最大持水量的測(cè)定采用室內(nèi)浸泡法[15],實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,計(jì)算公式如下:

式中,WRM為最大持水率,W1為浸泡飽和后的枯落物質(zhì)量,W2為烘干質(zhì)量,WCM為最大持水量,L為枯落物儲(chǔ)量。

1.2.4 土壤層水文特性測(cè)定

土壤調(diào)查采用剖面法,在各樣地選取有代表性樣點(diǎn) ,分別按 0～ 20 cm 、20～ 40 cm 、40～60 cm、60～80 cm取樣。含水率測(cè)定采用土盒法,重復(fù)三次,土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法,土壤孔隙度和飽和含水量測(cè)定采用環(huán)刀飽和吸水法。土壤最大持水量計(jì)算公式如下:

式中,Smax為土壤最大持水量/t?hm-2,h為土層厚度/m,p為總孔隙度/%,rw為水比重。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用systat 10.0軟件進(jìn)行方差分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量與最大持水量

林分的樹種組成、生長(zhǎng)狀況、林地內(nèi)的水熱條件將影響到枯落物的輸入量和分解速度,從而影響到林內(nèi)枯落物的蓄積量[16]。6種林分類型下枯落物總儲(chǔ)量有顯著差異(圖1,P＜0.01),不同林分類型枯落物總儲(chǔ)量順序?yàn)?華北落葉松(Larix principis-rupprechtii Mayr)人工林＞油松(Pinus tabulaeformis Carr.)天然林＞油松封山育林＞灌木林＞白樺(Betula palty phy lla Suk.)天然林＞山楊(Populusdavidiana L.)天然林。其中,華北落葉松人工林的儲(chǔ)量最大,為 74.118 t?hm-2,山楊天然林的枯落物儲(chǔ)量最小,為18.010 t?hm-2,總體上看來針葉林儲(chǔ)量大于灌木林,灌木林大于闊葉林,主要是由于針葉林凋落物含油脂多難于分解。華北落葉松人工林儲(chǔ)量較其他林分顯著地高。

圖1 不同林分類型未分解層、半分解層及總枯落物儲(chǔ)量Fig.1 Forest litters reserves of non-decomposed layer,semi-ecomposed layer and total amount in different stands注:bh:白樺天然林,gm:灌木林,lys:華北落葉松人工林,sy:山楊天然林,yf:油松封山育林,ys:油松天然林,L為未分解層,F為半分解層,TOT AL為枯落物總持水量,下同。Note:bh:natural Betula paltyphylla stands,gm:shrub fo rests,lys:Larix principis-rupprechtii plantation,sy:natural Populus davidiana stands,yf:enclosing natural Pinus tabulaeformis stands,ys:natural Pinus tabulaeformis stands,L layer:non-decomposed layer,F layer:simi-decomposed lay er,Total:total amount of the forest litters reserves.The same as below.

枯落物的持水能力通常用干物質(zhì)的最大持水率和持水量來表示,一般情況下,枯落物浸水24 h后的持水率可視為該枯落物的最大持水率[17]。森林枯落物層水源涵養(yǎng)能力受林分樹種組成(即林分類型)、林齡、立地條件、枯落物的組成、分解和累積狀況、前期水分狀況、降雨特點(diǎn)和經(jīng)營(yíng)措施等的綜合影響[18]。枯落物最大持水率的變動(dòng)范圍在101.312%～377.593%之間,依次為油松天然林＞華北落葉松人工林＞白樺天然林＞山楊天然林＞灌木林＞油松封山育林(圖2),表明針葉林＞闊葉林＞灌木林。油松天然林,油松封山育林和華北落葉松人工林半分解層最大持水率較未分解層高,而山楊天然林白樺天然林和灌木林未分解層最大持水率較半分解層高,高人等[19]對(duì)遼寧東部山區(qū)幾種植被類型的研究也曾得到相似結(jié)論。

圖2 不同林分類型未分解層、半分解層枯落物最大持水率Fig.2 Max-water holding rate of non-decomposed layer,semi-decomposed layer in different stands

從表1可以看出,枯落物未分解層和半分解層持水量在不同類型間差異極其顯著,未分解層最大持水量排序?yàn)槿A北落葉松人工林＞油松天然林＞灌木林＞白樺天然林＞山楊天然林＞油松封山育林,半分解層排序?yàn)槿A北落葉松人工林＞油松天然林＞油松封山育林＞白樺天然林＞灌木林＞山楊天然林。總體表現(xiàn)為針葉林＞闊葉林。6種林分枯落物的最大持水量有所不同,華北落葉松人工林的最大持水量最大,為158.152 t?hm-2,其次為油松天然林,油松封山育林,白樺天然林及灌木林,山楊天然林的最大持水量最小,為26.428 t?hm-2。華北落葉松林枯落物持水量高主要是由于其蓄積量較多的緣故。主要林分未分解層和半分解層枯落物持水量的方差分析如表1所示。

由表1可知,油松天然林中未分解層和半分解層之間差異顯著,油松封山育林中未分解層和半分解層之間差異極其顯著,而其他林分則不顯著。

2.2 土壤物理性質(zhì)及土壤持水量

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù),容重反映透水性、通氣性和根系延展時(shí)阻力的大小,孔隙度則是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道,貯存庫和活動(dòng)場(chǎng)所[20]。土壤主要物理性質(zhì)及最大持水量見表2。

表1 主要林分中未分解層和半分解層枯落物持水量及其方差分析Table 1 The ANOVA in water-holding capacity of forest litters of non-decomposed layer and simi-decomposed layer of stands

表2 不同林分土壤持水量Table 2 The soil water holding capacity of different stands

由表2可知,6種林分類型各層土壤容重的差異雖不顯著,但仍表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,即隨著土壤的深度的增加容重逐漸增加的趨勢(shì),而不同林分類型土壤容重之間的差異并不顯著。毛管孔隙中的水分能長(zhǎng)期保存在土壤中,供給植物生長(zhǎng)和土壤蒸發(fā)[9],白樺天然林和華北落葉松人工林較其他林分土壤蓄水性較好,有利于保持土壤水分供植物利用。非毛管孔隙度與土壤有效持水量密切相關(guān)[4]。對(duì)于各林分土壤的非毛管孔隙度,油松天然林和山楊天然林最大,表明其具有較好的透水性,灌木林和白樺天然林其次,華北落葉松人工林和油松封山育林最小。總孔隙度在各土壤層的變化表明,隨著土層加深,總孔隙度減少。土壤最大持水量反映土壤儲(chǔ)蓄水量和調(diào)節(jié)水分的潛在能力[9],從不同林分土壤層持水特征(表2)可以看出,表層土壤的最大持水量大多數(shù)高于下層土壤。各林分類型土壤的蓄水能力有較大差異,從大到小的順序?yàn)?華北落葉松人工林＞灌木林＞山楊天然林＞白樺天然林＞油松天然林＞油松封山育林(表3)。此外,除白樺和山楊天然林土壤持水特性指標(biāo)在各層之間差異顯著外,其他林分各土壤層之間并沒有表現(xiàn)出較大的差異。

表3 各林分類型土壤總持水量/t?hm-2Table 3 Total soil water holding capacity of different stands/t?hm-2

2.3 林地總持水量

枯落物和土壤持水能力的總和能夠體現(xiàn)出林分土壤靜態(tài)持水能力的強(qiáng)弱[9]。在6種林分中,華北落葉松人工林總持水量最大,其次為灌木林,山楊天然林,白樺天然林和油松天然林,油松封山育林最小(圖3)。這主要是由于華北落葉松人工林土層厚,枯落物分解緩慢蓄積量大所致,而油松封山育林水源涵養(yǎng)能力最低是由于土層薄,枯落物持水量低的緣故。

圖3 不同林分類型林地總持水量Fig.3 The total water holding capacity of different stands

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

林分樹種組成(即林分類型)是影響森林枯落物層水源涵養(yǎng)能力的重要因子[18]。該區(qū)的有關(guān)研究得出了兩個(gè)互有差異的結(jié)論[11,13],其最大的分歧點(diǎn)在于油松林枯落物層的水源涵養(yǎng)能力的高低,可能是由于研究森林群落類型的不同所導(dǎo)致。本文研究結(jié)果表明油松林具有最高的枯落物層水文效應(yīng),可能與其枯落物分解和積累狀況有關(guān)。

土壤-植物系統(tǒng)是SPAC系統(tǒng)的重要組分,多數(shù)研究表明植被可以有效改良土壤的理化性質(zhì)[21,22],從而導(dǎo)致其水文效應(yīng)的差異[23]。本文研究發(fā)現(xiàn),山楊、白樺等森林群落土壤各層之間的理化性質(zhì)差異顯著,而其他類型森林群落卻未表現(xiàn)出明顯差異,這可能和其作為演替早期物種,對(duì)環(huán)境的改造作用強(qiáng)烈有關(guān)[24],一些研究表明:先鋒樹種根系分布的均勻性[25]和不同徑級(jí)根系分布的層次性及其生態(tài)功能的分異性造成了土壤層理化性質(zhì)差異的明顯性。而該林區(qū)其他研究則表明:不同森林類型的土壤容重和總孔隙度差別不大[13],可能是選取的主要森林類型有一定差異的原因。

不同演替階段的樹木根系結(jié)構(gòu)和抗拉力的差異決定了其根系固土能力和水文效應(yīng)的差異[26,27],本文發(fā)現(xiàn),不同演替階段的植被類型凋落物和土壤水文效應(yīng)差異明顯,其中植物根系對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良作用、根系深淺和根群分布的“層片”結(jié)構(gòu)差異可能是最佳的解釋。這將在以后的研究中加以驗(yàn)證。因此,建立演替不同時(shí)期樹種并存的混交林群落將有助于提高林分的水土保持功能[28,29],并將在水源涵養(yǎng)林經(jīng)營(yíng)和改造中發(fā)揮重要的實(shí)踐意義。

3.2 結(jié)論

(1)三道川林場(chǎng)6種林分類型枯落物的儲(chǔ)量在18.010～74.118 t?hm-2之間,其中華北落葉松人工林枯落物的儲(chǔ)量最大,山楊天然林的儲(chǔ)量最小。針葉林枯落物層持水能力較闊葉林和灌木林強(qiáng),人工林枯落物層持水能力較天然林強(qiáng);

(2)隨著土壤深度的增加,各林分土壤容重均增加,總孔隙度下降,土壤最大持水量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。各林分土壤最大持水量從大到小的順序?yàn)?華北落葉松人工林＞灌木林＞山楊天然林＞白樺天然林＞油松天然林＞油松封山育林;

(3)除白樺和山楊天然林土壤持水特性指標(biāo)在各層差異顯著外,其他林分各土壤層之間并沒有表現(xiàn)出較大的差異;

(4)6種林分類型枯落物及土壤的水源涵養(yǎng)性能,以華北落葉松人工林涵養(yǎng)水源量最大,其次為灌木林,山楊天然林,白樺天然林和油松天然林,油松封山育林最小。

(5)不同演替階段的林分枯落物層和土壤層具有不同的水文效應(yīng),營(yíng)造演替過渡時(shí)期的混交林群落將有助于提高林分的水文效應(yīng)。

[1]姜文來.水資源價(jià)值論[M].北京:科學(xué)出版社,1998:1-5.

[2]趙傳燕,馮兆東,劉勇.干旱區(qū)森林水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)功能研究進(jìn)展[J].山地學(xué)報(bào),2003,21(2):157-161.

[3]王金建,崔培學(xué),劉霞,等.小流域水土保持生態(tài)修復(fù)區(qū)森林枯落物的持水性能[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2005,3(1):48-52.

[4]孫艷紅,張洪江,程金花,等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(2):106-109.

[5]郝占慶,王力華.遼東山區(qū)主要森林類型林地土壤涵蓄水性能的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1998,9(3):237-241.

[6]劉世榮,孫鵬森,溫遠(yuǎn)光.中國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的比較研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2003,27(1):16-22.

[7]劉世榮,溫遠(yuǎn)光,王兵,等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)規(guī)律[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1996:335.

[8]陳卓梅.禿杉混交林水源涵養(yǎng)功能的研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,22(3):266-269.

[9]韓春華,趙雨森,楊俊,等.阿什河上游幾種林分水源涵養(yǎng)能力比較[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(6):16-18.

[10]郭濼,夏北成,倪國(guó)祥.不同森林類型的土壤持水能力及其環(huán)境效應(yīng)研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,44(增刊):327-330.

[11]郭漢清,白秀梅,三種主要森林類型枯落物水文效應(yīng)研究[J].山西水土保持科技,2006(2):13-16.

[12]趙骍,趙陟峰,關(guān)帝山兩種典型喬木林枯落物持水性能初探[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2008(5):11-13.

[13]白晉華,胡振華,郭晉平.華北山地次生林典型森林類型枯落物及土壤水文效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2009,23(2):19-23.

[14]郭躍東,郭晉平.山西三道川林場(chǎng)主要森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,29(3):233-237.

[15]魏強(qiáng),張秋兩,代海燕,等.大青山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(2):111-115.

[16]胡淑萍,余新曉,岳永杰,等.北京百花山森林枯落物層和土壤水文效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(1):146-150.

[17]饒良懿,朱金兆,畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1):33-37.

[18]耿玉清,王保平.森林地表枯枝落葉層涵養(yǎng)水源作用的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(5):49-52.

[19]高人,周廣柱.遼寧東部山區(qū)幾種主要森林植被類型枯落物層持水性能研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(2):115-118.

[20]王光玉.杉木混交林水源涵養(yǎng)和土壤性質(zhì)研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(S1):15-20.

[21]洪常青,聶艷麗.根系分泌物及其在植物營(yíng)養(yǎng)中的作用[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(4):508-511.

[22]李鵬,李占斌,澹臺(tái)湛.黃土高原退耕草地植被根系動(dòng)態(tài)分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005,16(5):849-853.

[23]劉建軍,雷瑞德,吳欽孝,等.秦嶺天然油松、銳齒櫟林根系——土壤互動(dòng)效應(yīng)研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(1):1-4.

[24]董賓芳,石輝,傅瓦利.黃土丘陵區(qū)不同植被根系數(shù)量特征及離散程度[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(12):1947-1953.

[25]郝艷茹,彭少麟.根系及其主要影響因子在森林演替過程中的變化[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(5):762-767.

[26]朱清科,陳麗華,張東升,等.貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機(jī)制研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(4):64-67.

[27]謝春華,關(guān)文彬,張東升,等.長(zhǎng)江上游暗針葉林生態(tài)系統(tǒng)主要樹種的根系結(jié)構(gòu)與土體穩(wěn)定性研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2002,16(2):76-79.

[28]李鵬,趙忠,李占斌,等.植被根系與生態(tài)環(huán)境相互作用機(jī)制研究進(jìn)展[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(5):26-32.

[29]王勤,張宗應(yīng),徐小牛.安徽大別山庫區(qū)不同林分類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(3):59-62.