遼東地區(qū)核桃楸天然次生林水源涵養(yǎng)特征研究

孫曉輝，吳祥云，李文超

(1.遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)水土保持生態(tài)修復(fù)研究院，遼寧 阜新123000)

森林具有水土保持和涵養(yǎng)水源的功能，對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用[1-2]。森林調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源、保持水土、改良水質(zhì)及改善生態(tài)環(huán)境的顯著作用，已越來越引起人們的普遍重視[3]。森林枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[4]，具有抑制土壤水分蒸發(fā)、調(diào)節(jié)土壤水分入滲及抑制土壤侵蝕的功能。森林土壤蓄水入滲能力是森林水文生態(tài)效益研究的重要內(nèi)容[5]。土壤水分存儲(chǔ)狀態(tài)影響著土壤層的吸、持貯水功能，進(jìn)而影響到森林涵養(yǎng)水源的功能[6-7]。本文采用對(duì)比的分析方法，研究遼東山地核桃楸(Juglansmandshurica)天然次生林枯落物吸持水以及土壤的貯水、入滲能力，旨在為深入研究天然次生林水源涵養(yǎng)的生態(tài)過程及合理經(jīng)營(yíng)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省清原縣大蘇河鄉(xiāng)大蘇河林場(chǎng)大湖生產(chǎn)作業(yè)區(qū)(41°51′102″N，124°54′543″E)，境內(nèi)地勢(shì)較高，海拔456～1116m。由東向西系長(zhǎng)白山龍崗支脈。年均氣溫3.9～5.4℃，極端最高氣溫36.5℃，極端最低氣溫-37.6℃，＞10℃年活動(dòng)積溫2497.5～2943.0℃。全年無霜期120～139d，年均日照時(shí)數(shù)2433h，年均降水量在750～850mm。土壤主要類型為棕壤和暗棕壤，土層厚度20～75cm。森林覆蓋率74.32%，樹種以胡桃楸、蒙古櫟、花曲柳、落葉松為主。

研究對(duì)象為胡桃楸天然次生林，設(shè)置典型標(biāo)準(zhǔn)地3塊，各標(biāo)準(zhǔn)地狀況見表1。

表1 胡桃楸天然次生林狀況

2 研究方法

2.1 林下枯落物層蓄水能力的測(cè)定

在設(shè)置的每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，沿對(duì)角線布設(shè)1m×1 m的樣方5個(gè)，測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)枯落物層厚度，并收集分解層、未分解層枯落物，裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室。分別測(cè)定枯落物自然含水率、飽和含水率、非飽和含水率、最大持水量。

2.2 林下土壤物理性狀及貯水量的測(cè)定

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，選取具有代表性的地段，挖掘土壤剖面，記錄土壤發(fā)生層次，并用容積為200cm3的環(huán)刀按0～20cm、＞20～40cm分層取樣，每層3個(gè)重復(fù)。利用環(huán)刀法測(cè)定各層土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性質(zhì)[9-10]。

在測(cè)定土壤容重的基礎(chǔ)上，進(jìn)行土壤貯水量測(cè)定。土壤貯水量采用S＝10000ph求得，式中S為土壤貯水量(t·hm-2)；p為土壤非毛管孔隙度(%)；h為土層厚度(m)[11]。

2.3 林地土壤滲透性的測(cè)定

將在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)用環(huán)刀采集的原狀土柱帶回實(shí)驗(yàn)室后，浸泡8h，然后取出，測(cè)定土壤的滲透性。具體方法是將裝有原狀土柱的環(huán)刀下端套上有網(wǎng)孔且墊有濾紙的底蓋，上端再放置1個(gè)大小一致的環(huán)刀，并將接口密封，防止從接口處漏水。將結(jié)合好的環(huán)刀放在裝有漏斗的漏斗架上，漏斗架下面放盛水燒杯，然后從上端向環(huán)刀內(nèi)勻速注入純凈水。以100mL水為單位體積，記錄實(shí)驗(yàn)過程中滲下各個(gè)連續(xù)單位體積水所需的時(shí)間，直到單位體積的水入滲所需時(shí)間相等為止。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡桃楸天然次生林枯落物持水能力

研究表明，森林枯落物層厚度越大，枯落物總儲(chǔ)量越多(表2)。未分解層儲(chǔ)量均大于分解層儲(chǔ)量。

表2 林地枯落物儲(chǔ)量

由于枯落物厚度及儲(chǔ)量的差異，導(dǎo)致胡桃楸次生林枯落物持水能力有所不同。由表3可知，標(biāo)準(zhǔn)地Ⅰ的枯落物層最大總持水量最高，為32.51t·hm-2；標(biāo)準(zhǔn)地Ⅱ枯落物層最大總持水量次之，為21.93t·hm-2；標(biāo)準(zhǔn)地Ⅲ枯落物層最大總持水量最小，為20.99t·hm-2。受林地坡度影響，直接或間接影響枯落物的有效持水量與儲(chǔ)量，呈正相關(guān)關(guān)系。林地枯落物最大持水量未分解層大于分解層，這是由于未分解層枯落物表面積大、木纖維程度高，對(duì)水分的吸持力強(qiáng)。

表3 枯落物含水率及最大持水量

胡桃楸天然次生林枯落物層飽和持水率變幅較大，變動(dòng)范圍在385.11%～564.42%，林地枯落物未分解層飽和持水率小于分解層，這表明枯落物飽和持水率不僅與枯落物本身儲(chǔ)量有關(guān)，還受枯落物的分解程度影響。

3.2 胡桃楸天然次生林涵養(yǎng)水分潛力分析

由表4可知，3塊標(biāo)準(zhǔn)地中林地坡度與土壤容重呈正相關(guān)，坡度越大土壤容重越大。林分密度與土壤的非毛管孔隙度呈正相關(guān)，林分密度越大，土壤的非毛管孔隙度越大，大小順序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)地Ⅰ(14.89%)＞標(biāo)準(zhǔn)地Ⅲ(9.50%)＞標(biāo)準(zhǔn)地Ⅱ(7.08%)；林地土壤非毛管孔隙度愈高，其透水性愈強(qiáng)。

表4 胡桃楸天然次生林土壤物理性狀

表5 胡桃楸天然次生林貯水量

受林分密度、林下枯落物層厚度及分解程度、土層厚度、土層石礫含量等因素綜合影響，胡桃楸天然次生林土壤層貯水量存在差異(表5)。

胡桃楸天然次生林林地總貯水量是衡量涵養(yǎng)水源能力的主要指標(biāo)。將胡桃楸天然次生林枯落物層最大持水量與土壤層飽和貯水量累加即可得到林地的總貯水量。由表5可知，由于標(biāo)準(zhǔn)地Ⅰ坡度較緩，林地總貯水量最大，土壤攔蓄和調(diào)節(jié)水分的潛能高，表明坡度是影響水源涵養(yǎng)能力的主導(dǎo)因素。

3.3 胡桃楸天然次生林土壤水分入滲特征

土壤滲透性是土壤水文物理性質(zhì)的重要參數(shù)。胡桃楸天然次生林林地土壤水分入滲過程大體可分為瞬變、漸變、穩(wěn)定3個(gè)過程(圖1)；在水分入滲初期，單位水量入滲土壤所需時(shí)間較少，入滲速率高；隨著時(shí)間的推移，水分入滲速率逐漸開始減慢，最后土壤水分入滲速率變化平緩，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 土壤入滲趨勢(shì)圖

通過對(duì)林地土壤水分入滲速率與入滲時(shí)間的相關(guān)分析，得出胡桃楸天然次生林土壤水分入滲速率與入滲時(shí)間的回歸方程式(表6)，其中標(biāo)準(zhǔn)地Ⅰ、標(biāo)準(zhǔn)地Ⅲ土壤水分入滲規(guī)律相同，都符合考斯加柯夫(冪函數(shù))變化規(guī)律；而標(biāo)準(zhǔn)地Ⅱ則符合3次多項(xiàng)式變化規(guī)律。

表6 林地土壤水分入滲速率與時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 胡桃楸天然次生林枯落物具有保護(hù)土層、緩存降水的作用。胡桃楸天然次生林枯落物儲(chǔ)量越多，持水量越大。林地枯落物未分解層飽和持水率小于分解層飽和持水率。

4.2 胡桃楸天然次生林坡度是影響林地土壤蓄水入滲能力的主導(dǎo)因素。林地坡度與土壤容重、林分密度與土壤的非毛管孔隙度均呈正相關(guān)；林地總貯水量是衡量胡桃楸天然次生林涵養(yǎng)水源能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

4.3 胡桃楸天然次生林土壤水分入滲過程可分為瞬變、漸變、穩(wěn)定3個(gè)階段。

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