不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物和土壤的水文效應(yīng)

葉 晶，吳家森，，張金池，童志鵬

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安311300；2.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210037；3.臨安市林業(yè)局，浙江 臨安311300）

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)服務(wù)功能之一，森林具有世界上最大的水土保持及水源涵養(yǎng)能力［1］。不同樹種組成的林分因林冠層、下木活地被物層、凋落物層和根系層的結(jié)構(gòu)、組成、種類、數(shù)量和性質(zhì)的差異，從而造成不同林分截持降水，貯蓄水分，調(diào)節(jié)徑流的能力不同，它是森林植被和土壤長期共同綜合作用的結(jié)果［2］。

森林枯落物和森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)特有的組成成分?？萋湮飳邮巧炙男?yīng)的第2活動層，是森林涵養(yǎng)水源作用的主要作用層?？萋湮飸{借其強大的表面積和結(jié)構(gòu)疏松的特點，能有效地截留并吸附一定量的降雨，充分調(diào)節(jié)地表徑流，防止土壤產(chǎn)生濺蝕，減少土壤水分蒸發(fā)和改善土壤理化性質(zhì)，被人們形象的稱之為“森林水庫”［3］。枯落物層的持水能力與其種類、干重、濕度、分解程度、累積狀況等有較密切的關(guān)系［4］。森林土壤層作為森林水文作用的第3活動層，是森林最大的貯水庫和水分調(diào)節(jié)器。因此，森林枯落物和土壤水文效應(yīng)監(jiān)測是森林健康監(jiān)測中非常重要的環(huán)節(jié)。目前對不同區(qū)域、不同林分類型枯落物和土壤的持水特性研究較多［5－6］，但對同一樹種不同經(jīng)營年限的枯落物特征及土壤水文效應(yīng)的研究報道較少。

山核桃是中國重要的干果和木本糧油樹種，是浙、皖交界天目山區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。在經(jīng)濟效益的驅(qū)動下，大量的山核桃—闊葉混交林改造成為山核桃純林，在改造過程中，非目的樹種如楓香、木荷、青岡等被伐盡，加之草甘膦等大量除草劑的施用，使林下灌木、草本層缺失，造成林相單一，土壤裸露，林地土壤受到中度至劇烈的侵蝕，侵蝕模數(shù)在1 157～3 887t／（km2·a）［7］。不少學(xué)者已對山核桃林地土壤肥力、果實品質(zhì)等進行了相關(guān)研究［8－10］，但對于天然林轉(zhuǎn)變?yōu)樯胶颂壹兞趾蟮牡蚵湮锖屯寥浪男?yīng)的研究尚未見報道。本文通過相鄰樣地比較采樣法，研究了不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物和土壤水文效應(yīng)，可了解山核桃人工林土壤的生態(tài)功能，以期為山核桃林地的科學(xué)管理提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在浙江省臨安市昌化鎮(zhèn)，是中國山核桃分布的中心產(chǎn)區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。多年平均氣溫為15.8℃，7月為最熱月，平均為28.1℃，1月為最冷月，平均為3.4℃，極端高溫和極端低溫分別為41.9和－13.3℃，年平均有效積溫5 774℃。年平均降水量1 500mm，年平均日照時數(shù)1 774h，無霜期234d。海拔高度在340～370m。土壤類型為紅壤。

1.2 樣品采集與分析方法

樣品采集時間為2012年4月10日，實驗和分析時間為2012年4月12日至2012年4月25日。為保證試驗的精確度，減少樣地間的差異，采用相鄰樣地比較法進行采樣分析［11］，即在比較平緩的中上坡地段，選擇坡向、坡度和土壤類型相同的5，10，20年生山核桃純林3塊，另外在樣地周圍選擇3塊山核桃—闊葉混交林作為對照，即為0a，面積分別為300m2。不同經(jīng)營年限山核桃林分基本情況如表1所示。

表1 不同經(jīng)營年限山核桃林分基本特征

1.2.1 枯落物層調(diào)查 在選擇好的標(biāo)準(zhǔn)地中按S形方法布設(shè)5個調(diào)查點，每點按照1m×1m采集枯落物，帶回實驗室，按照《森林土壤定位研究法》進行相關(guān)指標(biāo)的測定，并據(jù)此計算枯落物蓄積量和持水量等指標(biāo)。采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水量及其吸水速率，具體做法，取部分風(fēng)干好的枯落物稱重，然后將其裝入紗布袋中，再將裝有枯落物的紗布袋完全浸入盛有清水的容器中，分別浸水0.25，0.5，1，2，3，4，6，8，12，24h后取出紗布袋，將其靜置5min左右，至枯落物不滴水時稱量。每次稱量所得的枯落物濕重與其風(fēng)干重差值，即為枯落物浸水不同時間的持水量，該差值與浸水時間的比值即為枯落物的吸水速率［12］。

1.2.2 土壤物理性狀和持水能力測定 分別采集不同樣地中枯落物調(diào)查的5個點表層（0—30cm）土樣，將其混合，然后采用四分法分別取樣品1kg左右，帶回室內(nèi)風(fēng)干，過2mm篩，待用。

土壤容重測定采用環(huán)刀法，在野外采原狀土直接測定；土壤非毛管孔隙度用環(huán)刀法；土壤非毛管孔隙持水量測定用計算法［13－14］。

式中：S——土壤持水力（t／hm2）；h——土壤層厚度（m）；p——非毛管孔隙度（%）。

數(shù)據(jù)處理在SPSS 13.0軟件上完成，采用單因素方差分析（one－way ANOVA）數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α＝0.05。單因素方差分析是用來研究一個控制變量的不同水平是否對觀測變量產(chǎn)生了顯著影響。只能判斷控制變量是否對觀測變量產(chǎn)生了顯著影響。新復(fù)極差法是方差分析的進一步分析，用于多種因素對某一結(jié)果影響的各個因素之間的顯著性分析，即實驗結(jié)果的兩兩比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層特征

2.1.1 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層持水量隨時間的變化 枯落物的持水量是反應(yīng)枯落物層水文特性的一個重要因子，它與枯落物類型、組成結(jié)構(gòu)、蓄積量、濕度及分解狀況等密切有關(guān)［15］。不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層持水量隨時間的變化如圖1所示。經(jīng)回歸分析，枯落物層持水量與浸水時間的關(guān)系符合對數(shù)函數(shù)（表2）。在最初浸泡的1h內(nèi)，枯落物持水量增加的較為迅速，而后隨著浸水時間的延長，持水量增加的速度逐漸減小。枯落物層這一變化趨勢與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即在降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流功能表現(xiàn)的較強，此后隨著枯落物濕潤程度的增加，吸持能力降低［16］。

圖1 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層持水量變化

表2 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物持水量、吸水速率與浸水時間回歸方程

2.1.2 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層吸水速率不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層的吸水速率表現(xiàn)出相同的規(guī)律性（如圖2所示），對0.25～24h林地枯落物層吸水速率與浸水時間之間的關(guān)系進行分析并擬合，發(fā)現(xiàn)枯落物吸水速率與浸水時間之間的關(guān)系符合指數(shù)方程（表2）。枯落物在前1h內(nèi)吸水速率最大，之后吸水速率變小，2h左右時下降速度明顯減緩。雖然不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物在浸入水中剛開始時吸水速率相差較大，但隨浸水時間延長，枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因為隨著浸水時間增長，枯落物持水量接近其最大持水量，也就是說枯落物逐漸趨于飽和，其持水量增長速度隨之減緩［17］。

2.1.3 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層蓄積量和有效攔蓄量 枯落物層是保障森林充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能的一個重要的森林水文層次，具有明顯的蓄水作用。不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物蓄積量化如表3所示。從表3中可知，隨著經(jīng)營年限的延長，山核桃林地枯落物蓄積量有下降的趨勢，天然混交林（0a）蓄積量最大（4.76t／hm2），與經(jīng)營年限為5，10，20年生的山核桃純林之間有顯著差異。這主要是由于混交林比山核桃純林的林分結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，具有喬灌草的空間分布特征，每年產(chǎn)生的枯落物數(shù)量較多，而山核桃純林由于去除了林下灌木雜草，產(chǎn)生的落葉也較少。

圖2 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層吸水速率變化

枯落物層的自然含水量是表征單位干物質(zhì)在自然狀況下的持水能力，通常受氣候和林分等因素的影響。由表3可知，枯落物層自然含水率為山核桃—闊葉混交林最高，并且隨著經(jīng)營年限的增加呈逐漸下降的趨勢。這表明山核桃—闊葉混交林枯落物層蓄積量較大與分解速度慢及林中濕度較大有關(guān)。

林地枯落物層最大持水率（量）和最大攔蓄量均以山核桃—闊葉混交林為最大，它與山核桃純林之間存在著顯著差異（表3）。林地枯落物層最大持水率（量）和最大攔蓄量隨著經(jīng)營年限的延長而呈下降的趨勢，而10a后又逐漸升高。這主要是因為山核桃—闊葉混交林枯落物層被破壞程度小，枯落物的結(jié)構(gòu)較好，使其枯落物的最大持水率（量）最大，經(jīng)改造為山核桃純林后，人為干擾強度大，枯落物量減少，最大持水率（量）和最大攔蓄量均隨著減小。

有效攔蓄量可比較準(zhǔn)確估算枯落物對降雨的實際攔蓄量［18］。從表3可知，不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層有效攔蓄量、有效攔蓄率和有效攔蓄深等指標(biāo)的變化規(guī)律與最大持水率（量）的變化趨勢一致。與0a相比，不同經(jīng)營年限山核桃林地有效攔蓄量、有效攔蓄率和有效攔蓄深分別降低了57.0%～68.4%，21.0%～33.2%，21.0%～33.2%。

表3 不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層攔蓄能力

2.2 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤物理性狀及其持水能力

土壤持水性能主要涉及的因子有土壤容重、孔隙度、毛管持水量等土壤物理性狀。容重反映土壤透水性、通氣性和根系延展時阻力的大小，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、貯存庫和活動場所［19］。不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤物理性狀見表4。從表中可知，不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤容重之間的差異并不顯著，介于1.10～1.18g／cm3。非毛管孔隙度、毛管孔隙度及總毛管孔隙度在不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤中的差異也不顯著。

不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤持水力大小順序為：0a（21 450.0t／hm2）＞ 20a（19 170.0t／hm2）＞10a（19 050.0t／hm2）＞ 5a（17 070.0t／hm2）。在相同立地條件下，混交林對土壤理化性質(zhì)的改善能力比純林更顯著，使水分更充分地進入土壤或轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅?，有效控制水土流失?0］。

表4 不同經(jīng)營年限山核桃林地土壤物理性狀

3 結(jié)論

利用相鄰樣地比較采樣法，對山核桃—常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樯胶颂壹兞诌^程中林地枯落物和土壤水文效應(yīng)的變化進行了探討。結(jié)果表明，不同經(jīng)營年限山核桃林地的水源涵養(yǎng)能力具有明顯差異。

（1）不同經(jīng)營年限山核桃林地枯落物層持水量、吸水速率與浸水時間的關(guān)系分別符合對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。隨著浸水時間的延長，各不同林地枯落物持水量和吸水速率均在前1h內(nèi)變化較快，之后變化趨勢變緩。

（2）各不同林地枯落物層蓄積量在2.16～4.76t／hm2，其中0年生山核桃林地枯落物的蓄積量最大，20a的蓄積量最小。0年生山核桃林地枯落物的最大持水量最大，為14.61t／hm2，是10年生山核桃林地枯落物持水能力的3.3倍。各不同林地枯落物有效攔蓄率變化范圍為154.63%～231.53%；最大有效攔蓄率為0年生山核桃林，最小有效攔蓄率為10年生山核桃林。

（3）土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總毛管孔隙度及持水力等指標(biāo)在不同經(jīng)營年限山核桃林地之間的差異并不顯著。土壤容重介于1.10～1.18g／cm3。與0a土壤的持水力（21 450.0t／hm2）相比，經(jīng)過不同年限的經(jīng)營，持水力分別下降了10.6%～20.4%。

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