大青山不同植被類型保育土壤能力1)

王冬至 張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

張冬燕

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué))

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(huì)物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，由于人們?cè)谏a(chǎn)和生活中違背自然規(guī)律，對(duì)土地資源實(shí)行掠奪式開(kāi)發(fā)和經(jīng)營(yíng)，造成了嚴(yán)重的水土流失［1］。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，對(duì)植物保育土壤生態(tài)服務(wù)功能的研究受到了各國(guó)林學(xué)家、生態(tài)學(xué)家和風(fēng)沙物理學(xué)家的重視［2－4］。部分學(xué)者［5－7］對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的研究中涉及到保護(hù)土壤的價(jià)值核算，但對(duì)石質(zhì)山地不同林分類型保育土壤功能的量化研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，通過(guò)分析不同植被類型坡面的徑流產(chǎn)沙變化特征，研究大青山山區(qū)不同植被類型在保育土壤方面的生態(tài)功能，旨在為山地森林的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理經(jīng)營(yíng)提供決策依據(jù)，并對(duì)山地森林資源的生態(tài)價(jià)值量化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市北部陰山山脈中段的大青山和圣水梁區(qū)的人工油松(Pinus tabuliformis)林和白樺(Betula platyphylla)天然次生林林內(nèi)，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(qū)地處內(nèi)陸地區(qū)，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(shí)間多集中在5—9月份，降水量占全年總量的83.0%。研究區(qū)內(nèi)的成土母質(zhì)類型有:結(jié)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(zhì)、洪積物母質(zhì)、沖—洪積物母質(zhì)。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(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)中采用的人工模擬降雨強(qiáng)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(shè)置30 m×30 m的臨時(shí)樣地作為研究對(duì)象，采用已調(diào)試好的自制降雨發(fā)生器，在臨時(shí)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)面積為20 m×20 m的小樣方進(jìn)行試驗(yàn)，為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)密性，所選臨時(shí)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(wú)地表徑流產(chǎn)生，當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流并穩(wěn)定在一定范圍時(shí)，人工模擬降雨結(jié)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(zhì)量，重復(fù)3次，取平均數(shù)作為降雨前枯落物質(zhì)量;同時(shí)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(huán)刀重復(fù)取3次土樣稱質(zhì)量記錄數(shù)據(jù)。人工模擬降雨結(jié)束后，立即采用降雨前的方法觀測(cè)枯落物層和土壤層的水分變化，計(jì)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(zhì)量;Rb為降雨前枯落物質(zhì)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(zhì)量;Hb為降雨前單位面積土層質(zhì)量。

降雨產(chǎn)生徑流后，測(cè)定徑流收集器內(nèi)的徑流體積，將集流器中的徑流水充分?jǐn)噭?，立即用采樣?600 mL)重復(fù)采樣2次，將2次水樣充分混合取出(600 mL)渾水樣，然后過(guò)濾、烘干稱質(zhì)量得到采樣瓶收集到的泥沙量(g)，并計(jì)算徑流器全部的泥沙質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)不同林分類型保育土壤的能力進(jìn)行研究，相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法如下:①凈水率=(泥水質(zhì)量－烘干土泥質(zhì)量)/泥水樣體積。②凈水量=凈水率×泥水質(zhì)量。③徑流量=(凈水質(zhì)量×10000)/徑流小區(qū)面積。④徑流系數(shù)=(徑流量/降雨量)×100%。

2.2 產(chǎn)沙量計(jì)算

在坡面上取單位面積的區(qū)域作為侵蝕單元，假設(shè)泥沙顆粒順坡的平均運(yùn)動(dòng)速度為Vs，則單位時(shí)間內(nèi)單位寬度坡面上通過(guò)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(guān)系:Q=qex［9］，其中，x為沿坡面向下的坐標(biāo)。將此關(guān)系帶入公式可以得出單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的侵蝕率，e=(π/6)mDρsαqexn J 。式中:e為 x處單位時(shí)間內(nèi)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(yùn)動(dòng)速度的比值;q2e/5為單位面積上的徑流量;n為曼寧系數(shù);J為坡面比降。由于坡面概化為矩形斜坡，假設(shè)在矩形坡面寬度方向上的侵蝕速率相同，則整個(gè)坡面單位時(shí)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(jié)果與分析

3.1 枯落物層阻滯徑流作用

徑流流經(jīng)不同植被類型的枯落物層時(shí)，受到阻滯及流速減小程度不同，水分下滲的時(shí)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(qiáng)度分別為0.60～0.65、0.80 ～0.85 mm/min 時(shí)，計(jì)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(qiáng)度下，降雨強(qiáng)度愈小枯落物阻滯越大，當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)，降雨強(qiáng)度的影響就可以忽略;在同一模擬降雨強(qiáng)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(yáng)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(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同植被類型枯落物的滯水量進(jìn)行了方差分析，其結(jié)果如表2所示，在同一降雨強(qiáng)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(guān)關(guān)系;虎榛子灌叢枯落物滯水量陰坡高于陽(yáng)坡且差異顯著;已封育荒草坡枯落物滯水量?jī)?yōu)于未封育荒草坡，差異較為顯著。在模擬降雨強(qiáng)度為0.60 ～0.65、0.80 ～0.85 mm/min時(shí)，其降雨時(shí)間較長(zhǎng)，而枯落物層飽和吸水時(shí)間較短，因此在不同模擬降雨強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的主要形式，是聯(lián)系森林土壤和外界水分及其他營(yíng)養(yǎng)元素的橋梁，是研究水量平衡的基本要素和森林調(diào)節(jié)徑流過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)［11］，然而不同林分類型的土壤對(duì)徑流影響差異很大，在研究區(qū)分別對(duì)不同植被類型進(jìn)行了人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)，其模擬降雨強(qiáng)度為0.60～0.65、0.80 ～ 0.85 mm/min，對(duì)產(chǎn)流后土壤的滯水量、持水深度及徑流量和徑流系數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)模擬人工降雨試驗(yàn)，觀測(cè)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(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)比降雨強(qiáng)度為 0.60 ～0.65 mm/min時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間短，可見(jiàn)降雨強(qiáng)度越大產(chǎn)流越快。在同一降雨強(qiáng)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(fā)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(yáng)坡虎榛子;已封育的荒草坡大于未封育荒草坡。降雨強(qiáng)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(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min的滯水量。從表1中發(fā)現(xiàn)不同降雨強(qiáng)度對(duì)大青山不同植被類型土壤滯水量影響不同，其方差分析結(jié)果如表2所示。

表1 不同降雨強(qiáng)度下主要林分類型枯落物、土壤滯水量

在降雨強(qiáng)度分別為 0.80 ～0.85、0.60 ～0.65 mm/min時(shí)，不同植被類型土壤滯水量在α=0.05的水平上差異顯著，當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)，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(yáng)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(dāng)降雨強(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min時(shí)，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(yáng)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(qiáng)度下高于0.80～0.85 mm/min的降雨強(qiáng)度，在一定的范圍內(nèi)，單位時(shí)間降雨速率較低時(shí)，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，土壤滯水能力越大，保育土壤的能力越強(qiáng)，反之，降雨時(shí)間越短降雨強(qiáng)度較大時(shí)，土壤層滯水能力較弱，水土流失嚴(yán)重。

3.3 不同植被類型的降雨產(chǎn)沙量

對(duì)不同植被類型在不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果如表3所示。降雨強(qiáng)度為0.80～0.85 mm/min時(shí)，不同植被類型的產(chǎn)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(yáng)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(qiáng)度為0.60～0.65 mm/min時(shí)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(yáng)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(qiáng)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(chǎn)流產(chǎn)沙量

4 結(jié)論與討論

模擬人工降雨強(qiáng)度為0.60～0.65、0.80 ～0.85 mm/min時(shí)，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(qiáng)度呈反比。同一降雨強(qiáng)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(yáng)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(yáng)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(chǎn)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(yáng)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(duì)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(nèi)會(huì)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(diǎn)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(chuàng)造喬灌草相結(jié)合的林分經(jīng)營(yíng)模式，合理管理改善林分結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高植被的保育土壤能力。

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