典型黑土區(qū)主要水保樹種土壤水文效應(yīng)研究

劉丙友，苗潤吉，景國臣，王亞娟

（黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，哈爾濱150000）

典型黑土區(qū)主要分布在松遼流域腹地，北起黑龍江省的嫩江縣、北安市，南至吉林省的四平市，總面積約11萬km2，是我國的重要商品糧基地和黑、吉兩省的政治、經(jīng)濟中心［1］。近些年來，該地區(qū)水土流失問題突出，黑土的持續(xù)利用敲響了警鐘。營造水土保持林是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、控制土壤侵蝕的重要措施。國外對黑土地帶水土保持林的研究主要是對風(fēng)蝕的防治，對其水源涵養(yǎng)功能研究較少。我國在西北黃土高原及大江大河中上游等傳統(tǒng)水土流失重點治理區(qū)開展的水土保持林土壤水文效應(yīng)研究較多，在黑土區(qū)特別是典型黑土區(qū)此類研究較少，且多側(cè)重于森林的水土保持功能或林下土壤結(jié)構(gòu)方面的研究［2－3］，而且研究的植被種類較少，涵蓋面小，對典型黑土區(qū)特別是農(nóng)作區(qū)的指導(dǎo)意義還不夠廣泛。本研究對典型黑土區(qū)主要水土保持樹種的土壤水文效應(yīng)進行分析評價，為水土保持生態(tài)工程建設(shè)提供技術(shù)支持，對保護黑土地生態(tài)安全和國家糧食安全具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省克山縣古北鄉(xiāng)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯48°03′20″，東經(jīng)125°49′20″。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為510mm，多集中在夏季；多年平均氣溫1.1℃，年均≥10℃積溫為2 380℃，無霜期124d；多年平均日照時數(shù)為2 677h；年均8級以上大風(fēng)天數(shù)約22d，年均風(fēng)速3.1m／s。地貌屬波狀起伏臺地，土壤主要有黑土、黑鈣土，表土層厚度20—50cm。研究區(qū)內(nèi)林地均為人工林，樹種有長白落葉松（Larix olgensisHenry）、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolicaLitv.）、小黑楊（Populus xiaoheiT.S.Hwang et Liang）、白 皮 柳（Salix pierotiiMiq.）等。自然草地植被以大葉章（Deyeuxia langsdorffii（Link）Kunth）、車 前 草 （Plantago asiaticaL.）、三棱草（Carex phacotaSpr.）等居多。

在研究區(qū)內(nèi)選擇長白落葉松純林、樟子松純林、小黑楊純林和白皮柳純林，每種林分類型選擇3個20m×20m標(biāo)準(zhǔn)樣地，再采用典型抽樣法在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)選擇3個典型樣地（基本情況見表1）。

表1 不同林分林樣地概況

2 研究方法

各項指標(biāo)9月下旬測定，每個指標(biāo)測定重復(fù)3次。枯枝落葉層飽和含水量的測定采用質(zhì)量法：在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機選取3個1m2的樣方，采集其中的枯枝落葉，稱鮮重，然后將枯枝落葉浸水12h后濾水靜止5min，當(dāng)不在滴水時迅速稱重，得到飽和含水量。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法；土壤滲透速度測定采用雙環(huán)滲透法［4］。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯枝落葉層蓄水能力分析

枯枝落葉層是由林木及林下植被凋落下來的莖、葉、枝條、花、果實、樹皮和枯死的植物殘體所形成的地面覆蓋層，其蓄積量與持水能力大小與樹種、樹齡、栽植密度、枯枝落葉分解速度率以及人為干擾、氣候條件等因素有關(guān)［5］。枯枝落葉層一般分為未分解層和半分解層，研究區(qū)內(nèi)各林分均為人工林，受人為活動影響較大，半分解層枯落物量很小，在進行枯枝落葉層蓄積量與持水能力測定時只對未分解層取樣測定，測定結(jié)果見表2。

由表2可以看出，不同植被類型枯枝落葉層蓄積量有很大差異，針葉樹種之間蓄積量差別大，在2.65～6.87t／hm2，闊葉樹種差別不大，在3.94～4.35t／hm2。長白落葉松林枯枝落葉蓄積量最大，達到6.87t／hm2，樟子松林枯枝落葉蓄積量最小，只有2.65t／hm2。

表2 枯枝落葉層蓄積量及持水能力測定結(jié)果表

枯枝落葉層的持水量除受蓄積量影響外，還與植被類型、前期水分狀況等有關(guān)。4種樹木枯枝落葉層最大持水率范圍在136.53%～205.21%，是自然含水率的11.12～19.73倍；自然含水率排序為白皮柳（13.88%）＞長白落葉松（11.81%）＞小黑楊（8.48%）＞樟子松（6.92%）；最大持水率排序為長白落葉松（205.21%）＞白皮柳（154.33%）＞ 小黑楊（143.15%）＞樟子松（6.92%）。白皮柳的自然含水率最高，而最大持水率卻低于長白落葉松，說明長白落葉松（13.21t／hm2）較白皮柳（6.71t／hm2）枯枝落葉層蓄水能力更強。

3.2 土壤容重、孔隙度分析

在土壤物理特性中，由于植被枯枝落葉層組成、分解狀況和地下根系生長及分布不同，造成不同樹種林下土壤容重和孔隙度大小有一定的差異。不同樹種林下土壤容重和孔隙度測定結(jié)果見表3。

從表3可以看出，長白落葉松土壤容重隨土壤深度的增加而逐漸加大，樟子松、白皮柳0—20cm，40—50cm土壤容重大，而20—40cm土層土壤容重小，未造林地各層土壤容重均較大。0—50cm土壤平均容重，樟子松（1.344g／cm3）＞未造林地（1.340 g／cm3）＞ 小 黑 楊 （1.301g／cm3）＞ 長 白 落 葉 松（1.279g／cm3）＞白皮柳純林（1.226g／cm3）。

土壤孔隙度的組成直接影響土壤通氣透水性能，并調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱和微生物活動等，對改善土壤環(huán)境起著十分重要的作用。土壤孔隙度包括毛管孔隙和非毛管孔隙，毛管孔隙大小直接影響土壤的持水能力，非毛管孔隙主要反映了森林植被涵養(yǎng)水源和削減洪峰的能力［6－7］。

樹種不同，土壤總孔隙度變化不明顯，毛管孔隙度和非毛管孔隙度變化較大。在0—50cm土層，土壤總孔隙度大小排序為：白皮柳（53.50%）＞長白落葉松（51.73%）＞ 小黑楊（51.02%）＞未造林地（49.75%）＞樟子松（49.60%）。毛管孔隙度大小排序為：長白落葉松（44.15%）＞未造林地（43.25%）＞白皮柳（41.80%）＞小黑楊（38.75%）、樟子松純林（38.75%）。非毛管孔隙度大小排序為：小黑楊（12.27%）＞白皮柳（11.70%）＞樟子松（10.85%）＞長白落葉松純林（7.58%）＞未造林地（6.50%）。不同層次土壤孔隙度變化規(guī)律總的表現(xiàn)為：樟子松、長白落葉松隨土層深度的增加總孔隙度和非毛管孔隙度逐步減小，小黑楊、白皮柳和未造林地隨土層深度的增加總孔隙度和非毛管孔隙度逐步增加；未造林地毛管孔隙度無明顯變化，造林地表現(xiàn)為隨土層深度的增加逐漸減小的趨勢。

表3 土壤容重、孔隙度測定結(jié)果

3.3 土壤滲透能力分析

土壤滲透性能大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度等土壤特性有關(guān)，是土壤調(diào)節(jié)洪水功能重要特征參數(shù)之一，是將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流和地下徑流的能力體現(xiàn)，是土壤涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo)，其大小與土壤非毛管孔隙度有直接關(guān)系［8－9］。土壤滲透速率越大，說明降水通過非毛管孔隙轉(zhuǎn)化為地下水的能力越強，減少地表徑流效果越好，土壤調(diào)洪功能越強［10－12］。不同樹種表層土壤滲透試驗結(jié)果見圖1。土壤初滲速率波動范圍在15.640～34.256mm／min之間，其大小依次為：白皮柳＞未造林地＞樟子松＞長白落葉松＞小黑楊。表層土壤穩(wěn)滲速率差異較大，其大小排序為：白皮柳（2.518mm／min）＞長白落葉松（2.212mm／min）＞樟子松（1.829mm／min）＞小黑楊（1.486mm／min）＞未造林地（1.264mm／min）。白皮柳、長白落葉松、樟子松、小黑楊分別是未造林地的1.99倍、1.75倍、1.45倍、1.18倍。白皮柳表層土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均最大，土壤滲透性能最好，其水源涵養(yǎng)功能最強。

4 結(jié) 論

（1）從所研究的林下土壤容重和孔隙度來看，總體上土壤容重隨著深度增加而增加，孔隙度隨著深度增加而減小，而未造林地?zé)o明顯變化。4個樹種林下平均土壤容重由大到小排序為：樟子松＞小黑楊＞長白落葉松＞白皮柳?？偪紫抖扔纱蟮叫∨判驗椋喊灼ち鹃L白落葉松＞小黑楊＞樟子松，說明白皮柳改良土壤效果最明顯。

圖1 滲透過程曲線

（2）研究區(qū)不同樹種土壤滲透性能均好于未造林地。不同樹種土壤滲透性能存在著一定差異：土壤初滲速率表現(xiàn)為白皮柳＞樟子松＞長白落葉松＞小黑楊；土壤穩(wěn)滲速率表現(xiàn)為白皮柳＞長白落葉松＞樟子松＞小黑楊；白皮柳林下土壤滲透性能最好。

（3）選取枯枝落葉層蓄水能力、土壤容重、土壤孔隙度、土壤滲透速度為指標(biāo)對各樹種樣地土壤水文效應(yīng)進行綜合評價：造林地優(yōu)于未造林地；白皮柳和長白落葉松優(yōu)于小黑楊和樟子松。

［1］ 王巖松，王玉璽，李洪興.黑土區(qū)范圍界定及水土保持防治策略［J］.中國水土保持，2008（12）：11－13.

［2］ 楊曉陣，吳波.大興安嶺東部林區(qū)森林水土保持功能初步評價［J］.中國水土保持科學(xué)，2004（4）：11－16.

［3］ 史長婷，王恩姮，陳祥偉.典型黑土區(qū)水土保持林對土壤可蝕性的影響［J］.水土保持學(xué)報，2009，23（3）：25－28.

［4］ 劉運河，唐德富.水土保持［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

［5］ 王禮先.水土保持學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1995.

［6］ 劉霞，張光燦，李雪蕾，等.小流域生態(tài)修復(fù)過程中不同森林植被土壤入滲與貯水特征［J］.水土保持學(xué)報，2005，18（6）：1－5.

［7］ 王燕，王兵，趙廣東，等.江西大崗山3種林型土壤水分物理性質(zhì)研究［J］.水土保持學(xué)報，2008，22（1）：151－153.

［8］ 朱顯謨，田積瑩.強化黃土高原土壤滲透性及抗沖性的研究［J］.水土保持學(xué)報，1993，7（3）：1－10.

［9］ 余新曉，程根偉.長江上游亞高山暗針葉林土壤水分入滲特征研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（1）：15－19.

［10］ 王鵬程，肖文發(fā)，張守攻，等.三峽庫區(qū)主要森林植被類型土壤滲透性能研究［J］.水土保持學(xué)報，2008，21（6）：51－55.

［11］ 王忠誠，張展，呂磊，等.鷹嘴界自然保護區(qū)不同植被類型土壤的水源涵養(yǎng)功能［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，31（10）：21－25.

［12］ 邵仁旭，翟洪波，谷建才，等.干旱半干旱地區(qū)華北落葉松人工林不同密度的土壤水文研究：以塞罕壩機械林場為例［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，33（5）：80－83.