盱眙人工林枯落物及土壤水文效應(yīng)研究

談?wù)? 萬福緒, 張 濤

(南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 南京 210000)

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盱眙人工林枯落物及土壤水文效應(yīng)研究

談?wù)? 萬福緒, 張 濤

(南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 南京 210000)

通過對盱眙月亮山5種人工林枯落物和土壤持水性能的研究，發(fā)現(xiàn)五種林下枯落物蓄積量為5.12～15.31 t/hm2，最大持水率變化范圍為164.09%～250.76%，最大持水量變化范圍為8.40～41.18 t/hm2，有效攔蓄量為3.55～28.12 t/hm2，從大到小依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林。不同林地類型林下枯落物持水量、吸水速率與浸水時間的動態(tài)變化規(guī)律基本相似，枯落物持水量隨浸泡時間延長而增長，在水中浸泡24 h時，其持水量基本達到最大值，前2 h內(nèi)各林分枯落物層持水作用較強。林下枯落物層持水量與浸泡時間之間的關(guān)系式為Q=aln(t)+b，吸水速率與浸水時間之間的關(guān)系式為V=ktn。楊樹林地土壤的最大持水量和非毛管持水量均是最大，達到了305.24 t/hm2，305.24 t/hm2，并且楊樹林地的滲透性能也是最好的。

森林土壤; 枯落物; 水源涵養(yǎng); 森林水文效應(yīng); 持水特性

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，森林植被因其具有龐大的林冠層、較厚的枯落物層和盤根錯節(jié)的根系網(wǎng)絡(luò)，以及疏松多孔的森林土壤，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源的作用，主要表現(xiàn)在對降水的截留與再分配；調(diào)節(jié)河川徑流，調(diào)節(jié)林內(nèi)小氣候，減小林內(nèi)地表蒸發(fā)，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少地表侵蝕等[1-3]。不同林地的涵養(yǎng)水源能力差異很大，這不僅是由于不同樹種的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及其群落結(jié)構(gòu)的差異所引起的[4-6]，而且枯落物的持水能力與降水、溫度、相對濕度等氣象因子及土壤含水率等關(guān)系密切[7]。

盱眙縣位于淮河下游，人工林對于淮安市在涵養(yǎng)水源、保持水土等方面具有不可替代的作用。目前有關(guān)盱眙火山巖丘陵山地人工林的枯落物及土壤水文方面的研究尚未見報道，本文以盱眙縣月亮山五種不同林地為對象，從土壤層和林下枯落物涵養(yǎng)水源能力等方面對其水源涵養(yǎng)功能進行研究。旨在揭示該地區(qū)不同林地下枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)功能。為今后該地區(qū)的林分設(shè)置、樹種選擇提供理論依據(jù)，為生產(chǎn)實踐提供直接指導(dǎo)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省盱眙縣月亮山，地處北亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)域，屬季風性濕潤氣候。四季分明，季際、年際變異性突出，年平均日照總量2 222.4 h，平均氣溫14.7℃，無霜期215 d，年降雨量范圍為446.6～1 757.1 mm，年平均降水量1 005.4 mm。研究區(qū)土壤由火山巖發(fā)育形成，其中黃棕壤面積最大，占36.2%，其次是火山灰土和水稻土以及部分潮土和沙姜土。盱眙全縣現(xiàn)有成片林11 867萬hm2，農(nóng)田林網(wǎng)2 169萬hm2，“四旁”樹木保存1 058萬株，森林覆蓋率18.3%。活立木總蓄積量90.3萬m3，年生長量16.85萬m3[8]。該研究區(qū)主要樹種有桃樹(AmygdaluspersicaL.)、楊梅(Myricarubra(Lour.)Zucc)、楊樹(PopulusL)、樸樹(CeltissinensisPers)和墨西哥柏(Cupressuslusitanica)。樣地具體狀況見表1。

表1　試驗地基本情況

2　研究方法

2.1枯落物持水能力測定

2014年6月中旬，在盱眙縣月亮山選取5種具有代表性的人工林類型，根據(jù)典型性和代表性的原則，在每個林地建立3個20 m×20 m 樣方，進行常規(guī)調(diào)查[9]。在每個標準樣地內(nèi)沿對角線設(shè)30 cm ×30 cm樣方5個，調(diào)查枯落層厚度并取樣，由于半分解層很薄，未進行未分解層與半分解層的分層取樣。將樣品帶回實驗室后稱重，在烘箱中85℃烘干至恒重后，計算枯落物蓄積量及自然含水率。將烘干的的枯落物裝入尼龍袋后稱重，再浸入水中，分別測定其在0.5，1，2，4，7，10，15，20，24 h時的質(zhì)量，計算持水量(g/kg)和持水率(%)，分析其變化過程，每隔一定時間從浸泡容器中取出稱重，所得的枯落物濕重與其烘干重的差值，即為不同時間段枯落物的持水量，持水量與浸泡時間的比值為枯落物的吸水速率[10]。

2.2土壤持水能力及滲透測定

用S形采樣法從樣方中選取3個取樣點，用100 cm3的環(huán)刀按照0—20，20—40 cm分層取土，重復(fù)三次，測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和最大持水量等指標。本文土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)均為三個重復(fù)取樣的平均數(shù)據(jù)。采用雙環(huán)刀法測定林地不同土層的土壤滲透性能，包括水分初滲速率和穩(wěn)滲速率，重復(fù)3次[11]。

土壤持水量公式為[12]：

S=10000hp

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

2.3數(shù)據(jù)處理

使用SPSS，Excel軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

3　結(jié)果與分析

3.1林地枯枝落葉層水水源涵養(yǎng)功能

3.1.1枯落物持水性能森林枯落物蓄積量是反映森林水源涵養(yǎng)能力的重要因素之一。從表2可以看出不同林地下枯落物蓄積量差距很大，變動范圍為5.12～15.31 t/hm2，蓄積量從大到小依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林，楊樹林是墨西哥柏林的3倍。產(chǎn)生差異的原因可能是枯落物的輸入量不一樣，而且在不同林地下，人類活動的方式以及對土壤影響的強度等均不同，導(dǎo)致了枯落物的分解速率不同，對枯落物的蓄積量產(chǎn)生了影響。

枯落物持水能力是整個森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中重要的一環(huán)，是反映枯落物水文效應(yīng)的重要指標。由表2可知5種林地下枯落物最大持水率在164.09%～250.76%之間變動，從大到小依次為：楊樹林>樸樹林>楊梅林>桃樹林>墨西哥柏樹林。4種闊葉林枯落物持水率差距不大，是墨西哥柏林枯落物的1.3～1.5倍，這可能是由于墨西哥柏的葉片為鱗形葉片，葉面積較小所致。

5種林地枯落物最大持水量在8.40～41.18 t/hm2之間變動，從大到小依次為：楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林，但是最大持水量只能反映枯落物層的持水能力大小，不能反映對實際降水的攔蓄情況。

據(jù)雷瑞德[13]的研究表明，當降雨量達到20～30 mm以后，植被枯落物的實際持水率都為最大持水率的85%左右。采用有效攔蓄量估算枯落物對降雨的實際攔蓄量，公式為：

W=(0.85Rm-Ro)M

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；Ro——平均自然含水率(%)；M——枯落物蓄積量(t/hm2)。

通過計算發(fā)現(xiàn)5種林地下枯落物的有效攔蓄量和最大持水量表現(xiàn)特點相同，有效攔蓄量的變化范圍為3.55～28.12 t/hm2，從大到小依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林。楊樹林下枯落物的實際攔蓄降雨的效果是最好的。產(chǎn)生差異的原因是各林下枯落物層最大持水率和蓄積量均不同。

表2　不同林地下枯落物持水特性

3.1.2不同林地枯落物持水過程通過對枯落物層不同時間段持水量以及吸水速率的研究，可以了解不同林地下枯落物對雨水吸持的動態(tài)過程。由圖1可發(fā)現(xiàn)，不同林地類型林下枯落物持水量隨時間的變化趨勢基本相似，在最初浸泡的2 h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，而后隨著浸泡時間的延長呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且增加速度逐步放緩，在10 h以后，其持水量變化很小。說明這五種林地下枯落物層前2 h對降雨的吸持作用最強。楊梅林、桃樹林、楊樹林、墨西哥柏林、樸樹林下枯落物層浸泡2 h持水量占其24 h持水量的百分率分別為56.31%，64.34%，63.35%，43.27%，61.67%。

對1～24 h之間5種林地枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系進行回歸分析，得出該時間段內(nèi)持水量與浸泡時間的關(guān)系為：

Q=aln(t)+b

式中：Q——枯落物層持水量(g/kg)；t——浸泡時間(h)：a，b——方程系數(shù)。

圖1　不同森林類型枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系

枯落物吸水速率與浸泡時間具有一定的相關(guān)關(guān)系，由圖2可知，雖然不同林分枯落物在浸入水中最初吸水速率相差較大，但隨浸泡時間延長，在浸泡10 h后，枯落物吸水速率趨向一致?？萋湮镌陂_始浸水枯落物在前1 h內(nèi)吸水速率最大，之后急劇下降，4 h后下降速度明顯減緩，24 h吸水基本停止，表明枯落物已達到飽和狀態(tài)。對5種不同林地枯落物吸水速率與浸泡時間進行擬合，得出該時間段內(nèi)吸水速率與浸泡時間之間存在擬合模型為：

V=ktn

式中：V——枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t——浸泡時間(h)；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。

3.2林地土壤層水源涵養(yǎng)功能

3.2.1土壤持水能力土壤蓄水能力是評價不同植被下的土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水循環(huán)能力的重要指標，從土壤蓄水能力來看，非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，更加有利于涵養(yǎng)水源，因此土壤非毛管孔隙持水量被許多學(xué)者作為評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標。

由表4可知，5種林地下土壤最大持水量變動范圍為942.16～1 207.30 t/hm2，最大持水量差距不大，平均值大小依次為：楊樹林>桃樹林>墨西哥柏林>楊梅林>樸樹林。非毛管持水量變動范圍為76.82～305.24 t/hm2，各林地間土壤非毛管持水量有明顯差距，平均值從大到小依次為：楊樹林>桃樹林>樸樹林>楊梅林>墨西哥柏林。

圖2　不同森林類型枯落物持水速率與浸泡時間的關(guān)系

林地類型土層厚度/cm容重/(g·cm-3)總孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%毛管持水量/(t·hm-2)非毛管持量/(t·hm-2)最大持水量/(t·hm-2)楊梅0—201．2952．13944．6087．531892．16150．621042．7820—401．3851．70945．9305．779918．60115．581034．18桃樹0—201．1958．33947．36010．979947．20219．581166．7820—401．2157．15750．6186．5391012．36130．781143．14楊樹0—200．9260．36545．10315．262902．06305．241207．3020—401．1158．01446．19311．821923．86236．421160．28墨西哥柏0—201．2955．95750．1745．7831003．48115．661119．1420—401．4651．42147．5803．841951．6076．821028．42樸樹0—201．1256．09846．1849．914923．68198．281121．9620—401．1947．10839．9747．134799．48142．68942．16

3.2.2土壤滲透能力土壤的滲透性能是將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流、地下徑流的能力，對土壤水土保持及水源涵養(yǎng)功能有極大的影響。由表5可發(fā)現(xiàn)，平均土壤穩(wěn)滲速率變動范圍為2.02～8.35 mm/min由大到小的依次為：楊樹林>桃樹林>樸樹林>楊梅林>墨西哥柏林。平均初滲速率變動范圍為：1.09～4.51 mm/min，依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林。

楊樹林地土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率是其他林地的2～4倍，這主要是因為楊樹林的根系比較發(fā)達，和土壤之間形成粗大的孔隙，且地面的枯枝落葉層又能減輕雨滴的沖擊，長期保持土壤的孔隙不被堵塞，使其能夠涵蓄大量降水。

表5　不同林地土壤滲透速率

4　結(jié)論與討論

4.1結(jié) 論

(1) 5種林地下枯落物蓄積量變動范圍為5.12～15.31 t/hm2，大小依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林，最大持水率變動范圍為164.09%～250.76%，大小依次為楊樹林>樸樹林>楊梅林>桃樹林>墨西哥柏樹林。有效攔蓄量的變化范圍為3.55～28.12 t/hm2，從大到小依次為楊樹林>樸樹林>桃樹林>楊梅林>墨西哥柏林。

(2) 通過對枯落物層不同時間段持水量以及吸水速率的研究發(fā)現(xiàn)，枯落物層在1 h內(nèi)吸水速率最大，前2 h對降雨的吸持作用最強，24 h吸持基本飽和。楊梅林、桃樹林、楊樹林、墨西哥柏林、樸樹林下枯落物層浸泡2 h持水量占其24 h持水量的百分率分別為56.31%，64.34%，63.35%，43.27%，61.67%。

(3) 5種林地間土壤最大持水量差距不大，非毛管持水量差距較大，非毛管持平均水量變動范圍為76.82～305.24 t/hm2，從大到小依次為：楊樹林>桃樹林>樸樹林>楊梅林>墨西哥柏林。林地下平均土壤穩(wěn)滲速率變動范圍為2.02～8.35 mm/min，平均初滲速率變動范圍為：1.09～4.51 mm/min，楊樹林地土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均是其他林地的2～4倍。

4.2討 論

林地枯落物層和土壤層在涵養(yǎng)水源方面都具有重要的作用，在枯落物層涵養(yǎng)水源方面，楊樹林與其他人工林相比，具有林下枯落物層蓄積量大、吸水速度快、最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量高等特點。因此，楊樹林枯落物層與其它人工林相比具有更為重要的水文生態(tài)意義，在阻滯降水到達地面后的水平移動，減緩地面徑流的發(fā)生，以及降低雨水濺擊地面的沖擊力和減少水土流失的發(fā)生等方面作用更大。在土壤層方面，森林土壤持水能力遠大于枯落物，是涵養(yǎng)水源的主體[14]?？萋湮锏姆纸庥欣谠龃笸寥赖姆敲芸紫抖?，使土壤層具有良好的蓄水功能。楊樹林土壤層的持水量和滲透速率都比其它林地高，其改善土壤物理性質(zhì)、土壤貯蓄水分和調(diào)節(jié)水分的潛在能力優(yōu)于其它人工林。所以結(jié)合經(jīng)濟作物林加強對楊樹林的營造，對該地區(qū)的森林結(jié)構(gòu)進行健康調(diào)節(jié)顯得尤為重要，對于盱眙火山巖丘陵山地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源和保水保土的功能具有重要的作用和意義。

雖然本研究從林地枯落物和土壤的涵養(yǎng)水源功能進行了研究，對盱眙火山巖丘陵山地人工林的水文過程及特征研究具有一定的指導(dǎo)意義。但是由于試驗操作的局限性，未對林冠層截持降水進行分析，林冠截留數(shù)據(jù)的欠缺，使森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量數(shù)據(jù)偏小。有研究結(jié)果顯示，森林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留水占大氣降水的10%～40%[15]。在條件允許的情況下，如果對林冠截留降水過程進行定量研究，則能更準確反映該地區(qū)森林涵養(yǎng)水源功能，也有利于全面分析森林植被的水文過程。

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Hydrological Effect of Litter and Soil in Planted Forest in Xuyi Country

TAN Zhengxin, WAN Fuxu, ZHANG Tao

(College of Forestry, Nanjing Forest University, Nanjing 210000, China)

The litter storage, the water-holding capacities and soil hydrological properties in the 5 types of planted forest in Volcanic Hillyland of Xuyi were examined. The results showed that the litter storage volumes were 5.12～15.31 t/hm2, the max water-holding percentage ranged from 164.09% to 250.76%, the max water-hoolding capacities ranged from 8.40 t/hm2to 41.18 t/hm2, the effective water-hoolding capacities ranged from 3.55 t/hm2to 28.12 t/hm2, the sequence from high to low level wasPopulusL forestland>CeltissinensisPers forestland>AmygdaluspersicaL forestland>Myricarubra(Lour.) Zucc forestland>Cupressuslusitanicaforestland. The dynamic changes in water-holding capacity, water-absorbent rate and time of forest litters under different forest types were basically similar. The water holding capacity of litter increased with extension of water immersion and being immersed in water for 24 hours, the forest litter usually reached its maximum water-holding capacity. The water-holding capacity and absorption speed of the first 2 hours were superior to the rest of time. The relation between the water-holing capacity of the litter layer and the immerse time could be described by the equation:Q=aln(t)+b, the relation between the water absorption speed of the litter layer and the immerse time could be described by the equation:V=ktn. The maximum moisture content and capillary moisture content ofPopulusL were the highest, with the values of 1 207.30 t/hm2and 8.35 mm/min, respectively, and the soil water infiltration rate underPopulusL forestlands is the highest.

forest soil; forest litter; water conservation; forest hydrological effect; water-holding characteristic

2014-09-01

2014-09-11

江蘇省林業(yè)三新工程(LYSX[2012]10)

談?wù)?1990—),男,安徽宣城人,碩士研究生,主要從事林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:773560611@qq.com

萬福緒(1952—),男,江蘇贛榆人,教授,主要從事林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:fxwan@njfu.edu.cn

S718

A

1005-3409(2015)04-0184-05