不同林齡落葉松人工林土壤水文特性差異

辛 穎，趙雨森，張睿彬，邱本軍，任艷麗

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院哈爾濱 150040）

落葉松是我國北方的重要造林樹種之一，具有分布廣泛，材質(zhì)優(yōu)良，生長迅速等特點(diǎn)，落葉松人工林已經(jīng)變成我國東北地區(qū)重要的后備森林資源。由于人工林具有特有的物質(zhì)循環(huán)過程，并受到各種各樣人為因素的影響，使得人工林地力變化趨勢日益明顯，并且嚴(yán)重地影響了我國人工林生產(chǎn)力的發(fā)揮［1］。關(guān)于落葉松人工林地力變化問題，早在20世紀(jì)60年代至70年代日本學(xué)者就展開了大量研究工作，并提出了很多種解釋［2－6］。20世紀(jì)80年代初期開始，國內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注相關(guān)問題［7］，并逐漸成為北方人工林地力問題的一個研究熱點(diǎn)。所以探明落葉松人工林土壤的水文特性，了解落葉松人工林土壤水分物理性質(zhì)、入滲性能及貯水能力，對于合理的制定人工林經(jīng)營措施，有效地提高落葉松人工林的生物生產(chǎn)力，最大限度地發(fā)揮落葉松人工林地的保持水土作用起著積極的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場老山人工林試驗(yàn)站內(nèi)。屬于長白山脈張廣才嶺小嶺余脈，是松嫩平原和張廣才嶺過渡的低山丘陵區(qū)，地勢由北向南漸低。平均海拔高度300 m。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.6℃，年平均降水量為600～800 mm，年蒸發(fā)量為1 093.3mm，年日照時數(shù)為2 471.3 h，無霜期120～140 d。地帶性土壤為典型暗棕壤，其亞類還有白漿化暗棕壤、草甸暗棕壤、原始暗棕壤和潛育暗棕壤。屬于長白植物區(qū)系，是東北東部山區(qū)較為典型的天然次生林。原地帶性頂級植被為闊葉紅松林，由于在修建中東鐵路時森林資源遭受到了重大破壞，隨后經(jīng)過封山育林、植樹造林，通過幾個階段的演替，才逐漸演變成現(xiàn)在的天然次生林相，現(xiàn)在成為我國東北部地區(qū)較為典型的天然次生林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)域內(nèi)選擇4種不同林齡的落葉松人工林為研究對象，4種林齡分別為20 a、30 a、40 a和50 a。在每一個林齡的落葉松人工林內(nèi)，選取典型地段設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行林分特征因子的調(diào)查。并且每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，在其四角以及中心的位置，分別設(shè)立2 m×2 m的小樣方，進(jìn)行灌木層調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 不同林齡落葉松人工林林分結(jié)構(gòu)與生長概況Tab.1 Stand structure and growth for different-aged Larix gmelinii plantations

2.2 土壤調(diào)查與取樣

2011年5月份，在每一個落葉松人工林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，沿對角線方向分別挖取3個土壤剖面，記錄土壤剖面特征。按機(jī)械分層在0～40 cm土層范圍內(nèi)，分為四層（0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm）用100 cm3環(huán)刀取原狀土，每層取6個重復(fù)。同時用鋁盒在相應(yīng)位置取20～30 g土樣。采用烘干稱量法測定土壤含水率。采用環(huán)刀法測定土壤密度、土壤孔隙度和土壤水分入滲特性［8］。土壤貯水特性根據(jù)土壤孔隙狀況計算［9］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤密度差異

土壤密度是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo)，也是表征土壤質(zhì)量的一個重要參數(shù)。如圖1所示，20 a的落葉松人工林的土壤密度明顯高于其他林齡，這主要是由于樹木生長年齡小，有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)積累量少，從而導(dǎo)致其土壤密度較其他林齡大。從土壤密度的垂直結(jié)構(gòu)來看，各林齡落葉松人工林的土壤密度變化趨勢有著共同的特點(diǎn)，即隨著土壤深度的增加，密度呈明顯的增加趨勢。20 a、30 a和40 a三種林齡落葉松人工林30～40 cm土層的土壤密度較表層0～10 cm分別增加了20%、57%和44%。20 a、30 a、40 a和50 a的4種林齡落葉松人工林20～30cm土層的土壤密度較表層0～10 cm分別增加了13%、26%、17%和55%。森林土壤受地被物、樹根以及依存于森林植被下特殊生物群的影響，有機(jī)質(zhì)一般都集中在土壤表層，隨著土層的加深，其含量逐漸減少，因此，隨著土層深度的增加土壤密度逐漸增加。20 a的落葉松人工林土壤密度最大，為1.38 g/cm3。

圖1 不同林齡落葉松人工林土壤密度度垂直變化Fig.1 The vertical changes of soil density for different-aged Larix gmelinii plantations

3.2 土壤孔隙度差異

土壤孔隙度的大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是評價上壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)。見表2，4種林齡落葉松人工林土壤毛管孔隙度在垂直結(jié)構(gòu)上差異明顯，其中表層土壤的孔隙度明顯高于下層。土壤總孔隙度隨深度的增加呈降低的趨勢。土壤的孔隙度越高，意味著土壤具有較高的持水、保水以及透水能力，其保持水土、涵養(yǎng)水源的土壤水文生態(tài)功能越強(qiáng)。4種林齡落葉松人工林土壤的毛管與非毛管孔隙度的比值分別為16.82、18.44、25.24和24.76。一般認(rèn)為，土壤中大小孔隙同時存在，若總孔隙度在50%左右，毛管與非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1時，透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)。若非毛管孔隙度在6%～10%時，林木生長一般;在10% ～15%時，林木生長中等;大于15%時，林木生長良好［10］。雖然20 a落葉松人工林的土壤非毛管空隙度較大，但是由于50 a落葉松人工林土壤最深層樹根石塊較多，因此綜合來看，50 a的落葉松人工林土壤有較好的通透性能。

表2 不同林齡落葉松人工林土壤孔隙度特征Tab.2 Soil porosity characteristics of different-aged Larix gmelinii plantations

3.3 土壤入滲特征

土壤的滲透性能是土壤的重要水分物理性質(zhì)之一，也是林分水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)，它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、土壤濕度和溫度有關(guān)。見表3，4種林齡落葉松人工林的土壤入滲特征差異較大，初滲速率的變化范圍為0.03～0.63 mm/min，50 a落葉松人工林土壤的初滲速率最高，依次分別為30 a、20 a和40 a落葉松人工林。穩(wěn)滲速率表現(xiàn)為50 a落葉松人工林＞30 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林＞40 a落葉松人工林。這與土壤非毛管孔隙度的變化規(guī)律基本一致。

穩(wěn)滲系數(shù)是土壤重要的水力特性參數(shù)之一，可以綜合反映土體的入滲能力的強(qiáng)弱。4種林齡落葉松人工林土壤各層次穩(wěn)滲系數(shù)均值50 a落葉松人工林最高達(dá)0.12 mm/min，分別是20 a、30 a和40 a落葉松人工林的1.7倍、1.5倍和2.4倍。

土壤水分入滲時間也能在一定程度上反映土壤水分入滲能力。50 a落葉松人工林土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段需要的時間最長約為6 min，依次為40 a落葉松人工林（5.5min）、30 a落葉松人工林（4.5 min），20 a落葉松人工林所需時間最短僅為4 min。其差異一方面受林地土壤持水能力影響，林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小，持水量越大表示土壤具有的儲水空間越大，在相同水分入滲速率下達(dá)到飽和狀態(tài)需要時間就越久。

表3 不同林齡落葉松人工林土壤水分入滲特征值Tab.3 Water infiltration of soil for different-aged Larix gmelinii plantations

土壤水分入滲時間也能在一定程度上反映土壤水分入滲能力。50 a落葉松人工林土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段需要的時間最長約為6 min，依次為40 a落葉松人工林（5.5min）、30 a落葉松人工林（4.5 min），20 a落葉松人工林所需時間最短僅為4 min。其差異一方面受林地土壤持水能力影響，林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小，持水量越大表示土壤具有的儲水空間越大，在相同水分入滲速率下達(dá)到飽和狀態(tài)需要時間就越久。此外，土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段所需要的時間還與土質(zhì)等因素有一定聯(lián)系，該區(qū)土壤為暗棕壤土，土壤入滲過程波動較小，達(dá)到穩(wěn)滲時間較短。

3.4 土壤貯水特性

林地土壤是水分貯蓄的主要場所，土壤水分貯蓄量和貯蓄方式受其物理性質(zhì)影響很大，土壤貯水能力是評價不同植物群落下土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個重要指標(biāo)［11－13］。在一定土壤厚度條件下，土壤的貯水能力取決于土壤孔隙的大小及其數(shù)量特征。由表可以看出在40 cm土層內(nèi)，4種林齡落葉松人工林土壤飽和貯水量由大到小依次為30 a落葉松人工林（1 942.8 t/hm2）、40 a落葉松人工林（1 936.8 t/hm2）、20 a落葉松人工林（1 825.8 t/hm2）和50 a落葉松人工林（1 824.2t/hm2）。吸持貯水量表現(xiàn)為40 a落葉松人工林＞30 a落葉松人工林＞50 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林。滯留貯水量的變化規(guī)律為30 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林＞40 a落葉松人工林＞50 a落葉松人工林。20 a和30 a落葉松人工林土壤滯留貯水能力較好，能為大雨或暴雨提供應(yīng)急的水分貯存，有效地減少地表徑流，其余兩種年齡的落葉松人工林土壤滯留貯存能力則相對較弱。

表4 不同結(jié)構(gòu)類型落葉松人工林土壤的貯水特性Tab.4 Water capacity of soil for different-structure Larix gmelinii plantations

4 結(jié)論

通過對黑龍江省東部山地不同林齡落葉松人工林土壤的土壤水文特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡的落葉松人工林土壤密度表現(xiàn)為隨著深度的加深而逐漸加大的趨勢，土壤孔隙狀況則表現(xiàn)出相反的趨勢。50 a的落葉松人工林土壤密度較小、孔隙度較大。各林齡的落葉松人工林土壤飽和持水量變化幅度在186.78～193.81 mm，土壤的飽和持水量和毛管持水量隨著土壤深度的增加而不斷下降。4種林齡落葉松人工林土壤初滲速率的變化范圍為0.03～0.63 mm/min，50 a的落葉松人工林土壤初滲速率最大。不同林齡間的變化規(guī)律與土壤非毛管孔隙度的變化規(guī)律基本一致。50 a的落葉松人工林的土壤穩(wěn)滲速度大，穩(wěn)滲系數(shù)大，孔隙度大，滲透性能比較好，持水量也較大。

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