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    河北省太行山區(qū)3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應(yīng)

    2017-03-27 10:14:24龐夢(mèng)麗朱辰光翟博超
    水土保持通報(bào) 2017年1期
    關(guān)鍵詞:能力研究

    龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

    (河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000)

    河北省太行山區(qū)3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應(yīng)

    龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

    (河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000)

    [目的] 揭示人工水土保持林林下枯落物以及土壤持水特征,為太行山區(qū)水土保持林的建造和規(guī)劃提供理論依據(jù)。[方法] 運(yùn)用烘干法,室內(nèi)浸泡法,環(huán)刀法等得出不同林分林下枯落物蓄積量、持水量、吸水速率、最大持水能力和攔蓄量,比較了不同林分枯落物和土壤的持水能力。[結(jié)果] 枯落物總儲(chǔ)量范圍為9.96~19.19 t/hm2,表現(xiàn)為栓皮櫟林總儲(chǔ)量最大,荒坡總儲(chǔ)量最小??萋湮镒畲蟪炙孔兓秶鸀?3.76~66.72 t/hm2,栓皮櫟—側(cè)柏混交林最大,荒坡最小。栓皮櫟—側(cè)柏混交林有效攔蓄量可達(dá)51.50 t/hm2,在各林分中最大;荒坡有效攔蓄量為19.55 t/hm2,在各林分中最小。枯落物持水量、吸水速率均與浸泡時(shí)間呈相關(guān)關(guān)系,前者為對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.97),后者為冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。各林分土壤容重均值介于1.14~1.55 g/cm3,總孔隙度介于38.62%~43.76%。各林分土壤有效持水量表現(xiàn)為:刺槐林>栓皮櫟—側(cè)柏混交林>栓皮櫟林>荒坡,其中刺槐林最大(為106.85 t/hm2),荒坡最小(為89.37 t/hm2)。[結(jié)論] 水土保持林持水能力遠(yuǎn)大于荒坡。

    太行山; 水土保持林; 枯落物; 土壤水文

    文獻(xiàn)參數(shù): 龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 等.河北省太行山區(qū)3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持通報(bào),2017,37(1):051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009; Pang Mengli, Zhu Chenguang, Zhai Bochao, et al. Water-holding capacity of litter and soil in three kinds of soil and water conservation forests in Taihang Mountains of Hebei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1):051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009

    作為森林與土壤的重要媒介,枯落物發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、防止水土流失的功能[1]。一般將枯落物分為未分解層和半分解層2個(gè)層次。未分解層是指大致保留原狀及質(zhì)地的枯枝落葉,而半分解層是指還未全部腐敗、人眼可分辨其大體形狀的枯枝落葉[2]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)最具活力的功能層次之一,枯落物層由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松且分布廣泛,可顯著截持降雨,削弱雨水對(duì)土壤的直接沖刷;且具有減少地表水分蒸發(fā),減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)的功能,在水源涵養(yǎng)、水土保持,以及促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮的作用不可忽視[3-4]。枯落物的儲(chǔ)量以及持水能力是研究森林生態(tài)功能的重要依據(jù)和理論基礎(chǔ),而土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的又一重要組成部分,其水文效應(yīng)是探究森林水文過(guò)程的基礎(chǔ)和前提[5]。目前,針對(duì)涵養(yǎng)水源的研究表明,枯落物層與土壤層調(diào)節(jié)降水能力非??捎^[6]。

    河北省太行山區(qū)存在地域土壤瘠薄、植被面積小,水土流失及旱澇災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題。廣大人民積極探索、努力實(shí)踐,在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)致力于以林業(yè)為主的水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè),因地制宜、適地適樹進(jìn)行林草建設(shè)等綜合治理。現(xiàn)有研究成果表明這些措施已對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到非常積極的作用。本研究擬選擇該區(qū)栓皮櫟—側(cè)柏混交林、栓皮櫟林、刺槐林等3種典型水土保持林以及對(duì)照荒坡為研究對(duì)象,對(duì)其枯落物以及土壤水文效應(yīng)進(jìn)行研究,以期揭示不同林分的水源涵養(yǎng)能力,進(jìn)而為研究區(qū)水土保持林的保護(hù)、提質(zhì)、改造等相關(guān)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)參考。

    1 研究區(qū)概況

    試驗(yàn)區(qū)位于太行山中南部的河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村。該區(qū)為片麻巖山區(qū),位于太行山南段東麓,地理坐標(biāo)為113°45′—115°50′E,36°45′—37°48′N,海拔518~1 200 m,屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,春季干旱,夏季高溫多雨,平均氣溫11.6 ℃,最高氣溫為38 ℃,最低氣溫為-19 ℃;年均降水量523 mm,多集中在7—8月,無(wú)霜期180 d。土壤以褐土為主,類型為壤土或砂壤土。主要喬木樹種栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis),主要灌木有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、杭子梢(Campylotropismacrocarpa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、雀兒舌頭(Leptopuschinensisvar.chinensis)等,草本多為白蓮蒿(Artemisiasacrorumvar.sacrorum)、中華卷柏(Selaginellasinensis)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、叢生隱子草(Cleistogenescaespitosa)等。

    2 研究方法

    2.1 樣地調(diào)查

    于2015年8月實(shí)地考察研究區(qū)植被特征,選擇了該區(qū)典型的栓皮櫟—側(cè)柏混交林、栓皮櫟、刺槐以及荒坡作為研究對(duì)象。在各林分中分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個(gè),記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度,并進(jìn)行每木檢尺,測(cè)量胸徑、樹高等因子,郁閉度采用樣點(diǎn)法目測(cè)確定。樣地基本特征如表1所示。

    2.2 枯落物儲(chǔ)量調(diào)查

    在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置100 cm×100 cm的樣方3個(gè),用鋼尺測(cè)定各樣方內(nèi)枯落物層厚度,按枯落物未分解層、半分解層分別收納入尼龍袋內(nèi),快速稱取鮮重。取樣時(shí)盡可能保持枯落物樣品的原始狀態(tài),將樣品取回后用干燥箱在80 ℃恒溫條件下烘24 h后稱其干重,并計(jì)算各林分類型枯落物的蓄積量。

    表1 研究區(qū)各林分樣地概況

    2.3 枯落物持水特性測(cè)定

    采用室內(nèi)浸泡法[7],取恒溫烘干的枯落物適量(按不同分解層)裝入網(wǎng)紗袋內(nèi)浸沒在水中,分別記錄其在0.5,1,2,4,6,8,10,24 h時(shí)的重量,計(jì)算在各時(shí)段不同分解層次的持水量和持水速率。

    2.4 枯落物有效攔蓄量測(cè)定

    在森林生態(tài)系統(tǒng)中,枯落物對(duì)降雨的攔截,減弱降水對(duì)坡面沖刷起著十分重要的作用??萋湮飳?duì)降水的實(shí)際攔蓄量多使用有效攔蓄量進(jìn)行估計(jì)[8],公式如下:

    W=(0.85Rm-Ro)M

    (1)

    式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——枯落物最大持水率(%);Ro——枯落物自然含水率(%);M——枯落物儲(chǔ)量(t/hm2); 0.85——枯落物有效攔水系數(shù)。

    2.5 土壤水分與物理性質(zhì)測(cè)定

    本研究采用剖面法對(duì)土壤進(jìn)行調(diào)查,在各不同林分標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選取樣點(diǎn)。由于研究地為片麻巖山區(qū),土層淺薄,受自然環(huán)境所限,采用環(huán)刀法在已挖掘的剖面上按照0—5,5—10,10—20 cm進(jìn)行機(jī)械取樣。土壤含水量利用烘干法測(cè)算,土壤容重以及孔隙度等物理指標(biāo)采用環(huán)刀浸泡法[9]測(cè)定。持水量計(jì)算公式為:

    W=1 000Ph

    (2)

    式中:W——土壤持水量(t/hm2);P——土壤孔隙度(%);h——土層厚度(m)。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 枯落物厚度與蓄積量

    枯落物量是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)第一生產(chǎn)力的重要指標(biāo),枯落物儲(chǔ)量受到枯落物結(jié)構(gòu)、地表積累時(shí)間和微生物等對(duì)其分解速度的影響,同時(shí)林分結(jié)構(gòu)、氣象因素、枯落物自身特性以及人類活動(dòng)等因素與枯落物儲(chǔ)量也密切相關(guān)[10]。

    從表2中可以看出,枯落物總厚度變化范圍為32~55 mm,從大到小依次為:Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ,其中Ⅱ厚度最大,Ⅳ厚度最小??傂罘e量存在差異,在9.96~19.19 t/hm2范圍內(nèi)變動(dòng),且Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ。Ⅱ蓄積量最大,Ⅳ蓄積量最小,I和Ⅲ介于兩者之間。Ⅱ枯落物蓄積量最大,主要是因?yàn)棰蛴糸]度大,且林下灌草結(jié)構(gòu)豐富,枯落物年生產(chǎn)量大;I郁閉度較低而儲(chǔ)量較大,這可能由于林分組成中闊葉樹種栓皮櫟枯落物年生產(chǎn)力大,且側(cè)柏枯落物質(zhì)地堅(jiān)硬分解較慢所致;Ⅳ林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,枯枝落葉組成相對(duì)單調(diào),所以儲(chǔ)量較小。

    表2 研究區(qū)各林分類型枯落物厚度和儲(chǔ)量

    各林分未分解層占其總儲(chǔ)量的百分比依次為:Ⅳ>I>Ⅱ>Ⅲ。Ⅳ枯落物中未分解層比例最大,Ⅲ所占比例最小,I與Ⅱ所占比例介于兩者之間。由于Ⅳ主要為小型灌木,缺少高大喬木遮蔽,蒸發(fā)旺盛,缺少促進(jìn)枯落物分解的水分條件,故Ⅳ枯落物分解程度低;由于枯落物的N,P含量越高,其分解速率越快[11],而刺槐N,P釋放相對(duì)容易[12],故Ⅲ枯落物分解程度較高。I,Ⅱ,Ⅲ半分解層儲(chǔ)量所占百分比均高于未分解層,這可能在一定程度刺激有機(jī)質(zhì)的分解[13],提高土壤養(yǎng)分[14]。

    3.2 各林分枯落物的持水能力

    3.2.1 枯落物最大持水量 從表3可看出,各林分最大持水總量變化范圍為24.54~66.72 t/hm2,從大到小依次表現(xiàn)為:I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,最大值I約為最小值Ⅳ的2.7倍,表明I持水能力最強(qiáng),Ⅳ持水能力最弱。結(jié)合表2可知,枯落物蓄積量是最大持水量的決定性因素。各林分最大持水率范圍為217.06%~362.92%,從大到小依次表現(xiàn)為:I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,最大值約為最小值的1.7倍,與最大持水量變化不盡相同,這是由于樹種組成不同所造成的[15]。最大持水量可以反映枯落物自身持水能力的大小[16],但由于降雨因素和枯落物及土壤層的透水性,實(shí)際情況中枯落物一般不會(huì)被雨水浸泡24 h,使用最大持水量來(lái)估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力,結(jié)果偏高[17]。

    3.2.2 枯落物有效攔蓄量 枯落物自然含水量、最大持水量、最大攔蓄量等指標(biāo)無(wú)法代表枯落物對(duì)降雨的實(shí)際截留量,只能反映枯落物層自身持水能力的大小,而枯落物對(duì)雨水的實(shí)際攔蓄量常用有效攔蓄量來(lái)估算,它與枯落物總量、水文狀況和降雨特性等因素有關(guān)。從表4中可知各林分有效攔蓄能力存在差異,有效攔蓄率在未分解層中從大到小依次為:I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,最高的是I,最低的是Ⅳ;在半分解層中從高到底依次為:Ⅲ>I>Ⅳ>Ⅱ,最高的是Ⅲ,最低的是Ⅱ。有效攔蓄量在未分解層中I最大,在半分解層中Ⅱ最大,這表明枯落物蓄積量是影響不同林分有效攔蓄量的主要因素[18]。

    表3 研究區(qū)各林分枯落物最大持水率和最大持水量

    表4 研究區(qū)各林分枯落物攔蓄能力

    3.2.3 枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系 如圖1可知,各林分枯落物總持水量變化規(guī)律大體相似。隨著枯落物浸泡時(shí)間逐漸增加,單位時(shí)間內(nèi)的持水量逐漸減少。未分解層持水量由大到小表現(xiàn)為:I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ,在半分解層中:I>Ⅲ>Ⅳ>Ⅱ。

    圖1 研究區(qū)各林分枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

    在浸泡初期2 h內(nèi)隨著浸水時(shí)間的增加,曲線呈上升趨勢(shì),表明枯落物正處于快速吸水的階段,浸水時(shí)間越久,曲線趨于平緩,表明枯落物持水量逐漸穩(wěn)定接近飽和。半分解層枯落物持水在6 h左右基本達(dá)到飽和狀態(tài),之后隨著浸泡時(shí)間的推移,持水量基本未發(fā)生較明顯的變化;而未分解層枯落物持水在浸泡6 h后仍繼續(xù)增加,在12 h左右出現(xiàn)飽和狀態(tài),這表明未分解層持水能力強(qiáng)于半分解層。

    對(duì)各林分不同分解層次枯落物在0.5~24 h的持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系進(jìn)行回歸分析,可知林分枯落物各層持水量與浸水時(shí)間均滿足對(duì)數(shù)關(guān)系(表5),可得出持水量和浸泡時(shí)間的關(guān)系式:

    Q=aln(t)+b

    (3)

    式中:Q—枯落物持水量(g/kg);t——浸泡時(shí)間(h);a——系數(shù);b——常數(shù)項(xiàng)。

    3.2.4 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系 由圖2可知:各林分枯落物在浸泡1 h內(nèi)吸水速率最大,隨后吸水速率顯著降低,4~6 h時(shí),吸水速率逐漸減小,浸泡24 h時(shí)吸水速率趨向于0,說(shuō)明此時(shí)枯落物吸水基本達(dá)到飽和。I枯落物未分解層和半分解層吸水速率在各林分之間始終保持最大。對(duì)各林分未分解層和半分解層枯落物的吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合方程,得出吸水速率和浸泡時(shí)間之間的擬合模型(表5)為:

    V=aebt

    (4)

    式中:V——枯落物吸水速度〔g/(kg·h)〕;t——浸泡時(shí)間(h);a,b——常數(shù)。可以看出,各層吸水速率與浸水時(shí)間均滿足指數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均大于0.98,擬合效果比較好。

    表5 研究區(qū)各林分枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系式

    圖2 研究區(qū)各林分枯落物持水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

    3.3 土壤水文效應(yīng)

    3.3.1 土壤容重與孔隙度 森林的水土保持能力不僅取決于枯落物,且與森林土壤的水源涵養(yǎng)能力有著密切的聯(lián)系,土壤主要的物理性狀包括土層的厚度、土壤容重和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)等指標(biāo)[19]。

    土壤容重的大小能夠反映出土壤孔隙狀況和壓實(shí)程度。從表6中可看出,I土壤容重最大,Ⅳ最小,土壤總孔隙度變化規(guī)律表現(xiàn)為:Ⅲ>I>Ⅱ>Ⅳ,土壤孔隙度隨著土層的厚度增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),毛管孔隙度與總孔隙度變化規(guī)律基本相同。非毛管孔隙度越大,土壤有效水的儲(chǔ)量也隨之增大。非毛管孔隙度呈現(xiàn)的規(guī)律為:I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,這可能是由于水土保持林枯落物在土壤表面堆積以及植被根系發(fā)育在不同程度上改善了土壤的結(jié)構(gòu)組成,故土壤的非毛管孔隙度大于荒坡。非毛管孔隙度越高說(shuō)明該林分土壤透氣性和透水性越好,便于水分下滲,有效緩解地表徑流,促進(jìn)水源涵養(yǎng)作用[20]。

    3.3.2 土壤持水能力 土壤層是水分涵養(yǎng)的重要層次,土壤持水量是反映水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。土壤持水能力與其孔隙度密切相關(guān),土壤越疏松,容重越小,孔隙度越大,土壤通氣性和透水性越強(qiáng)。最大持水量反映了土壤的總蓄水能力,而有效持水量反映了土壤水分的調(diào)節(jié)能力。從表6可以看出:不同林分類型最大持水量均值大小排序?yàn)椋篒>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,I的土壤持水能力最強(qiáng)。各林分土壤有效持水量均值介于89.37~106.85 t/hm2,與非毛管孔隙度成正相關(guān)關(guān)系,這是由于非毛管孔隙度的高低決定了土壤有效持水量的大小。

    4 結(jié) 論

    (1) 各林分枯落物總蓄積量范圍在9.96~19.19 t/hm2,Ⅱ蓄積量最大,Ⅳ蓄積量最小,不同分解層儲(chǔ)量總體表現(xiàn)為半分解層大于未分解層??萋湮镄罘e量與枯落物層厚度密切相關(guān),同時(shí)受樹種組成、林分郁閉度等因素的影響。

    (2) 各林分林下枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈明顯對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.97)??萋湮镂俾逝c浸泡時(shí)間呈明顯冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。通過(guò)對(duì)各林分枯落物最大持水量和有效攔蓄量的研究,I,Ⅱ,Ⅲ明顯大于Ⅳ,水土保持林枯落物的持水能力遠(yuǎn)大于荒坡。

    (3) 林分類型I的土壤毛管孔隙度最大,Ⅳ的毛管孔隙度最小,而非毛管孔隙度呈現(xiàn)的規(guī)律為:林分類型I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,說(shuō)明各水土保持林土壤透氣性和透水性優(yōu)于荒坡,便于水分下滲,有效緩解地表徑流,促進(jìn)水源涵養(yǎng)作用。林分類型I,Ⅱ,Ⅲ土壤最大持水量和有效水的儲(chǔ)量均大于Ⅳ,可見水土保持林的建設(shè)對(duì)于增強(qiáng)該區(qū)土壤蓄水能力和水分調(diào)節(jié)能力起著重要的作用。

    表6 各林分土壤物理性質(zhì)

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    Water-holding Capacity of Litter and Soil in Three Kinds of Soil and Water Conservation Forests in Taihang Mountains of Hebei Province

    PANG Mengli, ZHU Chenguang, ZHAI Bochao, QU Yu

    (CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

    [Objective] The objective of this study is to investigate the water-holding capacity of litter and soil and to provide support for planning and planting soil and water conservation forests in Taihang Mountains. [Methods] Drying method, indoor soaking and cutting ring method were used to determine the water holding capacity by litter and soil in different kinds of forest stands. [Results] The total storage by litter ranged from 9.96 t/hm2to 19.19 t/hm2. The maximum water-holding volume of different forests was about 23.76 t/hm2to 66.72 t/hm2, the order wasQuercusvariabilisandPlatycladusorientalismixed forest>Q.variabilisforest >Robiniapseudoacaciaforest>controlled forestland. The maximum effective retaining water of litter occured inQ.variabilisandP.orientalismixed forest while the minimum in controlled forestland. The water-holding capacity of litters and immersion time had visible logarithmic relationship(R>0.97), whereas the litter absorption rate and immersion time followed an exponential relationship(R>0.98). Soil bulk desity was about 1.14 g/cm3to 1.55 g/cm3, the total porosity ranged from 38.62% to 43.76%. The order of effective water-holding capacity of soil in these forests wasR.pseudoacaciaforest>Q.variabilisandP.orientalismixed forest>Q.variabilisforest>controlled forestland( maximum inR.pseudoacacia106.85 t/hm2, while minimum in controlled forest land 89.37 t/hm2). [Conclusion] The water holding capacity of forest lands was much better than controlled forestland.

    Taihang Mountains; soil and water conservation forests; litters; porosity

    2016-06-21

    2016-06-27

    國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“太行山干旱退化山地旱澇災(zāi)害生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究”(201504408)

    龐夢(mèng)麗(1990—),女(漢族),河南省南陽(yáng)市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)。E-mail:shenqiuse@qq.com。

    屈宇(1960—),男(族漢),河北省保定市人,副教授,主要從事城市景觀生態(tài)的教學(xué)和研究。E-mail:quyu0312@126.com。

    A

    1000-288X(2017)01-0051-06

    S715.7

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