昆明山地不同人工林類型冬季土壤水分特征研究

張　嬌　劉江華　吳孟鴻　普學(xué)才　潘　雄

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650224)

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昆明山地不同人工林類型冬季土壤水分特征研究

張嬌劉江華吳孟鴻普學(xué)才潘雄

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650224)

為探明昆明地區(qū)山地主要人工林類型的土壤耗水特征，以昆明市周邊的麻櫟、藍(lán)桉、干香柏、華山松、云南松等人工林為研究對象，采用土鉆法對其旱季初0～200 cm土層土壤水分進(jìn)行測定，分析不同林地類型土壤水分含量及垂直分布特征的差異。結(jié)果表明：在0～100 cm土層范圍內(nèi)，5種不同林地類型的土壤含水量大小表現(xiàn)為藍(lán)桉林<麻櫟林<干香柏林<華山松林<云南松林；群落總蓋度、喬木郁閉度和苔蘚、枯落物層蓋度與0～30 cm表層土壤水分含量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；林地類型與土壤水分垂直分布關(guān)系密切且土壤水分利用層均在0～100 cm土層；坡向?qū)λ{(lán)桉和干香柏林地的土壤水分影響較為明顯，坡位對藍(lán)桉、干香柏和華山松林地土壤水分影響較為顯著，表現(xiàn)為坡上部低于坡下部。

山地森林；冬季；土壤；水分特征；昆明

受高原季風(fēng)氣候影響，云南省大部分地區(qū)干濕季節(jié)分明，長達(dá)半年的旱季對植物生長發(fā)育影響較大。土壤水分是植物生長、植被發(fā)育的重要影響因子。2009—2012年，云南省連續(xù)4 a干旱，造成多地森林大面積枯死。了解土壤水分的季節(jié)變化、垂直變化特征及不同林地類型季節(jié)耗水特征對類似地區(qū)營造林實踐具有重要意義。目前，我國對干旱、半干旱的黃土高原地區(qū)和干熱河谷的土壤水分變異特征研究較集中，但尚未見對滇中地區(qū)林地土壤水分系統(tǒng)研究的報道。

1　研究區(qū)自然概況

研究地分別設(shè)在昆明西南林業(yè)大學(xué)后山、呼馬山和長蟲山3個地點，昆明地處中國西南邊陲、云貴高原中部，位于東經(jīng)102°10′～103°40′，北緯24°22′～26°33′，東西最大橫距152.0 km，南北縱距237.5 km。大部分地區(qū)海拔為1 500～2 800 m，山原地貌，地勢由北向南呈階梯狀逐漸低緩。昆明地區(qū)屬低緯度高原山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.1℃，年均降雨量1 075 mm，由于冬夏兩季受不同大氣環(huán)流的控制和影響，降水量在季節(jié)和地域上的分配極不均勻。降水主要集中在6—9月，降雨量約占全年降雨量的70%[1]，11月至翌年4月的冬春季節(jié)為旱季，降水量只占全年的10%～20%。全年日照時數(shù)2 250 h，無霜期達(dá)230 d。

2　研究方法

2.1調(diào)查方法

選擇西南林業(yè)大學(xué)后山、呼馬山和長蟲山中郁閉度、林齡、坡度相似的不同坡向(陽坡、陰坡)和不同坡位(坡上、坡中、坡下)具有代表性地段的麻櫟(Quercusacutissima)、藍(lán)桉(Eucalyptusglobulus)、干香柏(Cupressusduclouxiana) 、華山松(Pinusarmandii)、云南松(Pinusyunnanensis)人工林設(shè)置樣地。設(shè)16塊樣地，大小為10 m×10 m ，樣地概況見表1。樣地中主要的灌木有豆梨(Pyruscalleryana)、沙針(Osyrisquadripartita)等，主要的草本植物有鬼針草(Bidenspilosa)、紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)、鐵仔(Myrsineafricana)等。

2014年11月末進(jìn)行樣地調(diào)查，記錄樣地的物種組成、喬木郁閉度、灌木層和草本層蓋度，分樹種記錄喬木株數(shù)、平均胸徑、平均樹高，分種記錄灌木的株叢數(shù)、高度、叢幅，分種記錄草本植物的株高、多度，地被物層特征記錄。同時，記錄樣地的坡向、坡位、坡度、土壤類型等立地因子，并記錄地形地貌特征等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

土壤采樣與樣地調(diào)查同期進(jìn)行，采用直徑5 cm土鉆在每個樣方內(nèi)0～200 cm土層間分層取樣，0～100 cm土層每10cm取樣，100～200 cm土層每20 cm取樣，每個樣地3次重復(fù)，將取得的土樣隨即裝入鋁盒中密封。同時，用環(huán)刀取表層20 cm處的土樣測定土壤容重。

表1　樣地概況

2.2分析方法

將所取的土樣帶回實驗室用電熱恒溫干燥箱在105 ℃高溫下烘12 h。

土壤含水量計算公式為：

C=(G1-G2)/(G2-G)×100%

式中：C為土壤含水量(%)；G為鋁盒質(zhì)量(g)；G1為鋁盒加濕土質(zhì)量(g)；G2為鋁盒加干土質(zhì)量(g)。

土壤儲水量采用分層計算法[2-4]，計算公式為：

SWSi=Ci×di×hi；SWS=∑SWSi式中:SWSi為第i土層土壤儲水量(mm)；SWS為土壤總儲水量(mm)；Ci為第i層土壤含水量(%)；di為土層容重(g/cm3)；hi為第i土層土壤厚度(mm)。

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007、SPSS 17.0軟件。

3　結(jié)果與分析

3.1不同林地類型土壤含水量

不同林地類型不同土層土壤含水量見圖1，0～100 cm土壤儲水量見圖2。

由圖1～2可知，旱季初土層0～100 cm土壤含水量：藍(lán)桉林<麻櫟林<干香柏林<華山松林<云南松林。藍(lán)桉林樣地中各土層土壤含水量和土層總土壤儲水量均為最低，說明藍(lán)桉對土壤水分的消耗大于其他林地類型，這也進(jìn)一步印證了桉樹是“土壤抽水機”的觀點[5]。而華山松林、云南松林對土壤水分消耗較低，能有效保持土壤水分，從而成為云南的鄉(xiāng)土樹種，也是荒山綠化造林的先鋒樹種。

研究結(jié)果還表明，不同林地類型間土壤水分含量存在差異，這與古文婷等人研究的晉西北黃土丘陵區(qū)4種植被類型土壤水分含量的變化特征結(jié)論一致[6]。藍(lán)桉、麻櫟等林分的水分消耗顯著高于干香柏、華山松及云南松，結(jié)果基本反映了研究區(qū)域不同林地類型間的土壤水分變化規(guī)律。不同林地類型間的土壤水分差異，可能與林地類型對水分利用的差異有關(guān)，還可能與林地群落總蓋度有關(guān)。

將0～30 cm表層土壤平均含水率和80～100 cm深土層土壤平均含水率與群落總蓋度、喬木層郁閉度、灌木、草本層蓋度和苔蘚、枯落物層蓋度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2　不同林地類型群落蓋度與各土層平均土壤含水率的相關(guān)性分析

注：**表示相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；*表示相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

由表2可知，群落總蓋度、喬木層郁閉度和苔蘚、枯落物層蓋度與表層土壤平均含水率的相關(guān)性極顯著[7-8]，與深層土壤平均含水率的相關(guān)性不顯著，說明群落總蓋度、喬木郁閉度和枯落物層蓋度對0～30 cm表層土壤含水量影響較大。

3.2不同林地類型土壤水分垂直變化特征

各林地類型麻櫟、藍(lán)桉、干香柏、華山松、云南松林旱季土壤含水率見圖3。

由圖3可知，不同林地類型土壤含水量隨土層深度增加在不同土層表現(xiàn)各異。其中藍(lán)桉林各土層土壤水分值均為最低，且在50～70 cm處土壤含水量出現(xiàn)最小值，說明藍(lán)桉的吸收根集中分布在50～70 cm土層間；云南松林在0～40 cm土層內(nèi)土壤含水量較低,而在50～100 cm土層內(nèi)又表現(xiàn)為最高；麻櫟是云南地區(qū)的鄉(xiāng)土樹種，但土壤水分明顯小于華山松與云南松林，這是因為闊葉樹種的蒸騰作用強度高于針葉樹種，蒸騰耗水更多。

研究結(jié)果表明，林地類型對土壤水分有顯著影響，其影響程度隨土層深度的增加而減弱。林地土壤水分的變化與其根系分布的深淺有關(guān)，其水分消耗大小與根系集中分布區(qū)相對應(yīng)，這就導(dǎo)致不同林地類型、不同土層深度表現(xiàn)出不同的土壤水分消耗特征，這與趙忠等人對黃土區(qū)主要造林樹種根系對土壤水分影響的結(jié)論相一致[9]。

根據(jù)林地類型根系水分吸收利用狀況和土壤水分隨土層垂直變化情況，計算各林地土層土壤含水量的變異系數(shù)，并據(jù)此劃分土壤水分利用層次[10-11]，結(jié)果見表3。

表3　各林地類型的土壤水分層次劃分

由表3可知，藍(lán)桉、華山松和云南松林主要消耗0～100 cm土層中的水分，而麻櫟和干香柏則主要消耗40～100 cm土壤中的水分，且水分調(diào)節(jié)層較淺，基本不存在水分穩(wěn)定層。本研究結(jié)果與李洪建等[12]、李遇春等[13]對黃土區(qū)土壤剖面層次劃分結(jié)果有所不同，是因為樣地土層淺薄且緊實，無法達(dá)到理想的取樣層次。

3.3土壤水分垂直變化與坡向的關(guān)系

以藍(lán)桉林和干香柏林為例，比較不同林地類型不同坡向土壤水分垂直變化特征見圖4。

由圖4可知，藍(lán)桉林地陽坡土壤含水量明顯高于陰坡，干香柏林地土壤含水量則表現(xiàn)為陰坡大于陽坡。這是因為在群落總蓋度相同的情況下，陽坡因太陽輻射強、地面溫度高、土壤水分蒸發(fā)強烈，使得陽坡土壤水分整體低于陰坡。旱季初，坡向?qū)α值赝寥篮坑绊戯@著。11月末，樣地植被枯死或休眠，但太陽輻射仍較強烈，使得不同坡向土壤水分蒸發(fā)存在明顯差異。

研究結(jié)果表明，在群落總蓋度相同的情況下，坡向?qū)ν寥浪值挠绊懼饕蕾囉谔栞椛涞淖兓?，這與朱德蘭等人研究不同坡向?qū)ν寥浪值挠绊懡Y(jié)果相一致[14]。

3.4土壤水分垂直變化與坡位的關(guān)系

以藍(lán)桉、干香柏和華山松林為例說明坡位對不同林地類型剖面土壤水分的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可知，3種林地類型不同土層深度的土壤含水量均表現(xiàn)為坡上部低于坡下部。坡下部一般坡度較緩，有利于土壤水分入滲，同時可接受來自上部的地表徑流和壤中流，使得坡下部土壤中的水分通常高于坡上部和坡中部。

分析結(jié)果還表明，坡位與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即同一坡面，自坡底到坡頂土壤含水量呈降低趨勢，這與潘占兵、邱揚等研究黃土區(qū)地形因子對土壤含水量時空變異特征的結(jié)論相一致[15-18]。這種負(fù)相關(guān)關(guān)系在一定程度上受到降雨的影響，在較大降雨發(fā)生時，這種負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱，降雨完成后又逐漸增強，其原因可能是較大量的降雨使同一坡面不同位置的土壤含水量趨于一致引起的。

4　結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

1) 滇中山地森林旱季初土層0～100 cm土層土壤含水量：藍(lán)桉林<麻櫟林<干香柏林<華山松林<云南松林，其中藍(lán)桉林對土壤水分的消耗高于其他4種林地類型。群落總蓋度、喬木郁閉度和苔蘚、枯落物層蓋度與0～30 cm表層土壤含水量表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)關(guān)系。

2) 滇中山地各林地類型對剖面土壤水分含量影響顯著，其影響程度隨土層深度的增加而減弱。藍(lán)桉林、華山松林和云南松林主要消耗0～100 cm土層中的水分，而麻櫟林和干香柏林則主要消耗40～100 cm土層中的水分。樣地土層普遍較薄且緊實，水分調(diào)節(jié)層較淺，基本不存在土壤水分穩(wěn)定層。

3) 坡向?qū)λ{(lán)桉林和干香柏林地的土壤含水量影響較為明顯，坡位對藍(lán)桉林、干香柏林和華山松林地土壤含水量的影響較為顯著，總體表現(xiàn)為坡上部低于坡下部。

4.2討論

滇中高原地區(qū)全年氣溫持平，干濕季分明，旱季較長，降雨量集中在雨季的這種水熱條件很大程度地決定了該區(qū)域森林植被類型的空間分布，影響著林分的生長發(fā)育和穩(wěn)定性[19]。歷史上，昆明市所在的滇中地區(qū)就是云南省經(jīng)濟(jì)、政治活動中心，在人類活動的長期影響下，滇中高原的原生植被破壞嚴(yán)重?，F(xiàn)存的森林植被多為人工林或次生林，大多數(shù)森林植被處于植被演替的初級階段，群落結(jié)構(gòu)、物種組成都比較簡單。在深入研究林地的水分變化規(guī)律，充分了解各種森林類型的耗水特征的基礎(chǔ)上，可因地制宜選擇造林樹種和科學(xué)的森林管理措施，促進(jìn)森林植被的正向演替，提高林地生產(chǎn)力，改善森林植被的生態(tài)功能。

土壤水分作為影響植物生長的重要環(huán)境因子，其空間變化是由降雨入滲、地表徑流、壤中流、地表蒸發(fā)、植物蒸騰等水文過程綜合作用下土壤水分再分布的結(jié)果[20]。降雨、地形以及植被類型是影響土壤水分變化的主要因素，但11月末滇中地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入旱季，有效降水稀少，植被耗水主要來源于雨季土壤儲水。研究表明，桉樹對土壤水分的消耗較大，為了保持土壤水分平衡，應(yīng)合理安排種植面積與密度，兼顧藍(lán)桉的經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)價值。干香柏造林密度均過高，一定程度上能影響土壤水分平衡，導(dǎo)致林木生長緩慢，林下灌木、草本層發(fā)育不良，造林時應(yīng)注意選擇合適的造林密度。

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(責(zé)任編輯韓明躍)

The Soil Moisture Characteristics of the Different Plantations in Winter in Mountain Land of Kunming

Zhang Jiao, Liu Jianghua,Wu Menghong,Pu Xuecai,Pan Xiong

(College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

TheQuercusacutissima、Eucalyptusglobulus、Cupressusduclouxiana、Pinusarmandii、Pinusyunnanensisartificial forest of around city of Kunming as the object of study was to clear the soil moisture consumption characteristics of main forest types in Kunming area. Using soil drilling method to explore the soil moisture of soil layer from 0 to 200 cm in the beginning of dry season, and analyze the differences of soil water content and vertical distribution characteristics of different forest types. The results showed that: In soil depth of 0-100 cm, the size of the five different forest types of soil water storage wasEucalyptusglobulus

mountain forest; winter; soil;water characteristic；Kunming

2015-10-20

劉江華(1970—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：植物生態(tài)學(xué)。Email: jhliu319@tom.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.01.007

S718.51

A

2095-1914(2016)01-0038-06

第1作者：張嬌(1991—)，女，碩士生。研究方向：植物生態(tài)學(xué)。Email:cqzhangjiao565@163.com。