蘭州市北山不同人工林枯落物和土壤的水文特征

趙錦梅, 馬 瑞, 馬維偉, 張 富

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

蘭州市北山不同人工林枯落物和土壤的水文特征

趙錦梅, 馬 瑞, 馬維偉, 張 富

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 探討蘭州市北山3種人工林地枯落物的儲(chǔ)量和持水能力及土壤的水文特征，為揭示干旱地區(qū)人工林水土保持和水源涵養(yǎng)能力提供理論依據(jù)。[方法] 采用野外調(diào)查、室內(nèi)浸水法和環(huán)刀法等研究方法對(duì)林地的枯落物蓄積量、持水量和土壤的滲透性、持水能力等進(jìn)行了研究。[結(jié)果] 3種林地枯落物的總蓄積量表現(xiàn)為：新疆楊(36.74 t/hm2)>側(cè)柏(34.15 t/hm2)>刺槐(16.01 t/hm2)。新疆楊林地枯落物最大持水量最大，為7.36 t/hm2；而刺槐林地最大持水量最小，僅為4.91 t/hm2。3種林地中土壤容重表現(xiàn)為:新疆楊(1.466 g/cm3)>刺槐(1.403 g/cm3)>側(cè)柏(1.27 g/cm3)；而土壤總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙均表現(xiàn)為側(cè)柏>刺槐>新疆楊。土壤最大持水量為:側(cè)柏(0.731 g/cm3)>刺槐(0.642 g/cm3)>新疆楊(0.633 g/cm3)。側(cè)柏的初滲率和平均滲透速率均顯著高于新疆楊和刺槐林地(p<0.05)，且側(cè)柏林地在整個(gè)滲透時(shí)間內(nèi)其滲透性均高于新疆楊和刺槐林地。[結(jié)論] 在3種人工林地中側(cè)柏林地的土壤保持和水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。

枯落物; 土壤; 持水性能; 土壤滲透性; 林地

文獻(xiàn)參數(shù)： 趙錦梅, 馬瑞, 馬維偉, 等.蘭州市北山不同人工林枯落物和土壤的水文特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：057-061.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.010; Zhao Jinmei, Ma Rui, Ma Weiwei, et al. Hydrological characteristics of planted forest litters and soil in northern mountains of Lanzhou City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：057-061.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.010

枯落物和土壤是林地生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分[1]，在截留降雨、攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)、增加土壤水分入滲和防止水土流失等方面具有重要的作用[2-3]。對(duì)林地生態(tài)系統(tǒng)枯落物和土壤持水特征的研究，將有助于對(duì)林地生態(tài)系統(tǒng)保持水土和涵養(yǎng)水源機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)[4]，也可以為區(qū)域水土流失綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

蘭州市地處西北內(nèi)陸，年降水量少，干旱嚴(yán)重，森林覆被率低，立地條件差。在蘭州北山大面積進(jìn)行人工林建設(shè)，對(duì)改善蘭州市的生態(tài)環(huán)境有著重要的作用。但目前對(duì)該區(qū)域人工林地枯落物和土壤的水文特征的研究還顯薄弱。因此，本研究擬以蘭州市北山3種主要造林樹(shù)種新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)為對(duì)象，系統(tǒng)分析蘭州市北山主要人工林枯落物和土壤水文特征及其差異，以期為蘭州市北山區(qū)域的水源涵養(yǎng)、水土保持和人工林建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地區(qū)位于蘭州市北山九州臺(tái)造林區(qū)，地理位置36°11′20″—36°13′43″N，103°12′47″—103°15′09″E，海拔1 500～1 950 m，屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度5～9 ℃，≥10 ℃的積溫3 385.4 ℃，年平均降水量在250～360 mm，主要集中在6—9月，年蒸發(fā)量1 468 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 607.6 h，無(wú)霜期185～200 d。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的灰鈣土，植被群落以側(cè)柏、刺槐和新疆楊等人工林為主。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

于2015年7月在蘭州市北山選擇海拔、坡向、坡度和坡位相對(duì)一致的區(qū)域，選取新疆楊、側(cè)柏、刺槐3種人工林，每種林地設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木特征因子進(jìn)行調(diào)查，郁閉度采用樹(shù)冠投影法測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種人工林基本調(diào)查情況

1.3 枯落物采集及枯落物蓄積量與持水能力測(cè)定

在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)50 cm×50 cm枯落物采集小樣方，收集地表枯落物，并現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集的枯落物分別稱鮮質(zhì)量后用自封袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室。將所采集的枯落物分別在65 ℃下烘干并稱干質(zhì)量，換算成單位面積枯落物的蓄積量。然后分別將枯落物裝入100目的尼龍網(wǎng)并完全浸沒(méi)于水中，分別浸泡0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，12，24 h后，撈起后靜置枯落物不滴水時(shí)稱量。濕質(zhì)量與浸水前干質(zhì)量的差值為枯落物的不同時(shí)間的持水量，吸水量與浸水時(shí)間的比值為枯落物的持水速率[5]。

枯落物最大持水率=(浸泡后的枯落物質(zhì)量-干質(zhì)量)/干質(zhì)量×100%

1.4 土壤樣品采集與測(cè)定

根據(jù)研究區(qū)林地根系主要分布在20—50 cm土層范圍內(nèi)的特征[6]，本研究土壤采樣深度為0—80 cm。取樣時(shí)隨機(jī)在每塊樣地未被擾動(dòng)地挖土壤剖面3個(gè)，用容積為100 cm3的環(huán)刀分別采集0—10，10—20，20—40，40—60，60—80 cm土層土樣，每個(gè)剖面每層重復(fù)取樣3次，每種高寒灌叢樣地共采集土壤樣品45個(gè)，共計(jì)采集土樣135個(gè)。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和孔隙度。

土壤持水能力測(cè)定是將裝有原狀土壤的環(huán)刀在水中浸泡12 h，用濾紙吸干環(huán)刀上的水分后稱重(W1)；然后將環(huán)刀放于干砂上2 h，當(dāng)環(huán)刀中土壤的非毛管水已全部流出后稱重(W2)；再將環(huán)刀放于干砂上24 h后稱重(W3)；最后對(duì)環(huán)刀中心取土壤15～25 g，放入鋁盒中稱重后烘干直到恒重(W4)，計(jì)算干土重，根據(jù)以上測(cè)定的W1，W2，W3和W4并采用土壤自然含水量的計(jì)算辦法分別計(jì)算土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量[7]。

土壤滲透性用室內(nèi)環(huán)刀法測(cè)定[6]。土壤滲透性的常用指標(biāo)有最初入滲率、穩(wěn)滲率和平均滲透速率[8]。各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法為：初滲率為最初入滲時(shí)段內(nèi)的滲透量與最初入滲時(shí)間的比值，本研究取最初入滲時(shí)間為2 min；平均滲透速率為達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量與達(dá)穩(wěn)滲時(shí)間的比值；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素多樣本的方差檢驗(yàn)，用Ducan進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量及持水量變化

枯落物蓄積量與植被的種類、生長(zhǎng)狀況等自身的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特征及氣候、水熱等外部環(huán)境條件有關(guān)[9]。從表2可知，在蘭州北山3種類型林地中，新疆楊枯落物總蓄積量最高(36.74 t/hm2)，其次是側(cè)柏(34.15 t/hm2)，刺槐最小(16.01 t/hm2)。半分解枯落物蓄積量：新疆楊>側(cè)柏>刺槐；未分解枯落物蓄積量：側(cè)柏>刺槐>新疆楊。從枯落物蓄積量和分解比例來(lái)看，新疆楊的分解比例最高達(dá)到了81.1%，而側(cè)柏最小僅有54.42%。

表2 不同林地枯落物蓄積量

從表3看出，不同林地枯落物的最大持水率平均在312.62%～175.02%，最大持水量在4.91～7.36 t/hm2，其中新疆楊分解和未分解枯落物的持水率和最大持水量在3類林地中均最大，側(cè)柏次之，刺槐最小。

表3 不同林地枯落物最大持水率和最大持水量

從不同林地枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系看出(表4)，研究區(qū)3類林地的未分解和半分解枯落物的持水量隨著浸水時(shí)間的增加而增加，在24 h后均達(dá)到最大的持水量。但不同林地不同浸水時(shí)間內(nèi)枯落物持水量存在差異，新疆楊分解和未分解枯落物在不同浸水時(shí)間內(nèi)枯落物持水量均高于側(cè)柏和刺槐林地，而刺槐林地最小。

表4 不同林地枯落物持水量與浸水時(shí)間之間的關(guān)系 t/hm2

2.2 土壤特征變化

從表5看出，不同林地的土壤容重在1.27～1.466 g/cm3，其中新疆楊最大(1.466 g/cm3)刺槐次之(1.403 g/cm3)，側(cè)柏最小(1.27 g/cm3)。不同林地的土壤總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙均表現(xiàn)為：側(cè)柏>刺槐>新疆楊。方差分析表明，側(cè)柏與新疆楊和刺槐土壤的容重、總孔隙度和毛管孔隙度特征之間有顯著性差異(p<0.05)，而新疆楊和側(cè)柏顯著差異(p<0.05)；非毛管孔隙3種林地之間均無(wú)顯著性差異(p<0.05)。

表5 不同林地的土壤基本特征

注:各林地類型同列不同小寫(xiě)字母代表差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤持水能力變化

土壤持水能力是表征林地水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一[10]。從圖1可知，研究區(qū)不同林地土壤的持水能力不同。土壤最大持水量為：側(cè)柏(0.731 g/cm3)>刺槐(0.642 g/cm3)>新疆楊(0.633 g/cm3)；土壤毛管持水量為:側(cè)柏(0.641 g/cm3)>新疆楊(0.591 g/cm3)>刺槐(0.567 g/cm3)；土壤最小持水量為:側(cè)柏(0.351 g/cm3)>刺槐(0.314 g/cm3)>新疆楊(0.303 g/cm3)。統(tǒng)計(jì)分析表明，側(cè)柏林地土壤最大持水量和土壤最小持水量與新疆楊和刺槐林地之間具有顯著差異(p<0.05)，而新疆楊和刺槐林地差異不顯著(p<0.05)；土壤毛管持水量?jī)H表現(xiàn)為側(cè)柏林地與刺槐林地有顯著差異，其余林地之間沒(méi)有差異(p<0.05)。

圖1 不同林地的土壤持水量

2.4 土壤滲透性變化

從圖2可知，研究區(qū)不同林地土壤初滲率為3.544～2.111 mm/min，側(cè)柏初滲率最大，新疆楊次之，刺槐最小；穩(wěn)滲率為0.646～0.421 mm/min，側(cè)柏最大，新疆楊次之，刺槐最小；土壤平均滲透速率在3.038～2.007 mm/min，側(cè)柏最大，新疆楊次之，刺槐最小。統(tǒng)計(jì)分析表明，側(cè)柏的初滲率和平均滲透速率均顯著高于新疆楊和刺槐林地(p<0.05)，新疆楊和刺槐林地二者的初滲率和平均滲透速率無(wú)顯著性差異(p<0.05)；刺槐林地穩(wěn)滲率顯著低于側(cè)柏和新疆楊林地。

圖2 不同林地土壤滲透特性

從圖3可以看出，不同林地土壤入滲速率變化趨勢(shì)基本一致，均隨入滲時(shí)間的逐漸推移入滲速率逐漸減小，并在65 min后均達(dá)到了穩(wěn)定，各林地65 min后平均滲透速率比滲透開(kāi)始2 min內(nèi)的平均滲透速率平均下降了14.802%。比較不同林地在不同時(shí)間內(nèi)的滲透性可知，側(cè)柏林地在整個(gè)滲透時(shí)間內(nèi)其滲透性均高于新疆楊和刺槐林地，而刺槐林地的滲透性則顯著的低于前二者。

圖3 不同林地土壤入滲過(guò)程

3 討論與結(jié)論

枯落物的蓄積量與林地的樹(shù)種組成、立地條件和植被的生長(zhǎng)狀況等因素有關(guān)[11]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)3種林地枯落物蓄積量表現(xiàn)為:新疆楊>側(cè)柏>刺槐，新疆楊林地的枯落物蓄積量與側(cè)柏和刺槐林地差異顯著(p<0.05)。分析認(rèn)為，新疆楊是速生樹(shù)種，每年的生長(zhǎng)量大，葉片面積也較大，其能夠在短時(shí)間內(nèi)形成大量的枯落物，這是造成其枯落物蓄積量顯著高于其他林地的主要原因，這一特征與魏雅麗等人的研究結(jié)果一致[12]。側(cè)柏林地郁閉度在3種林地中最高，種植時(shí)間也最早，但側(cè)柏的葉片為鱗形葉，短小，每年葉片的更新速度和生長(zhǎng)量也遠(yuǎn)小于新疆楊，這是導(dǎo)致側(cè)柏林地枯落物蓄積量顯著小于新疆楊的主要因素。在3種林地中刺槐林地枯落物蓄積量最小，分析認(rèn)為這與刺槐的自身生物學(xué)特性密切相關(guān)，同時(shí)刺槐林造林時(shí)間雖與新疆楊同期，但其樹(shù)高、胸徑和郁閉度等特征均小于新疆楊和側(cè)柏林地，因此綜合以上因素導(dǎo)致了刺槐林地的枯落物蓄積量在3種林地中最小。

從枯落物的持水量變化來(lái)看，枯落物持水量最高的是新疆楊林地，側(cè)柏林地次之，刺槐林地最小，這一變化規(guī)律與3種林地的枯落物蓄積量變化規(guī)律相一致，表現(xiàn)為枯落物蓄積量越大，枯落物持水量也較大，這與周志立等[13]的研究結(jié)果相似。

受到不同生態(tài)系統(tǒng)之間土壤理化特性等差異影響，不同生態(tài)系統(tǒng)中的土壤持水能力亦表現(xiàn)出不同的變化特征[14]。從研究區(qū)不同林地的土壤性狀來(lái)看，側(cè)柏的土壤容重最小，土壤孔隙狀況最佳，因此側(cè)柏林地土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均顯著高于其它林地；相反在3種林地中刺槐林地土壤性狀最差，土壤持水能力也表現(xiàn)為最差。

土壤容重和土壤非毛管孔隙度對(duì)土壤的滲透性影響顯著[15-16]。研究區(qū)側(cè)柏林地土壤容重最小，孔隙度最高，因此側(cè)柏林地的土壤滲透性特征顯著優(yōu)于其他林地。刺槐林地與新疆楊林地的土壤容重和孔隙度無(wú)顯著差異，因此二者的土壤滲透性特征差異亦不顯著。從不同時(shí)間段的各林地入滲過(guò)程來(lái)看，研究區(qū)3種林地的土壤滲透性具有一致性變化趨勢(shì)，即隨著滲透時(shí)間的推移土壤滲透速率逐漸降低。

通過(guò)對(duì)蘭州北山3種人工林地枯落物和土壤水文特征的研究表明，新疆楊的枯落物蓄積量和其持水能力較強(qiáng)，但其土壤持水和透水性特征相對(duì)較差。刺槐林地的枯落物蓄積量和持水能力及土壤性狀和土壤水文特征在3種林地中均較差。側(cè)柏的枯落物蓄積量和枯落物持水能力僅次于新疆楊，且其土壤持水和透水能力均顯著優(yōu)于其他2類林地?？梢?jiàn)，側(cè)柏林地可提升蘭州北山區(qū)域的水土保持和涵養(yǎng)水源功能力，有助于促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善與恢復(fù)。

[1] 熊莉,徐振鋒,楊萬(wàn)勤,等.川西亞高山粗枝云杉人工林地上凋落物對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(4):4678-4686.

[2] 劉宇,張洪江,張友焱,等.晉西黃土丘陵區(qū)不同人工林枯落物持水特性研究[J].水土保持通報(bào),2013,33(6):69-74.

[3] Yuan Jiyong, Ouyang Zhiyun, Zheng Hua, et al. Effect of different grassland restoration approaches on soil properties in the southeastern Horqin sandy land, Nothern China[J]. Applied Soil Ecology, 2012,61:34-39.

[4] 魏強(qiáng),凌雷,張廣忠,等.甘肅興隆山主要森林類型凋落物累積量及持水特性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(10):2589-2598.

[5] 劉效東,喬玉娜,周國(guó)逸,等.鼎湖山3種不同演替階段森林凋落物的持水特征[J].林業(yè)科學(xué),2013,49(9):8-15.

[6] 鐘芳,王紅赤,李俊年,等.蘭州市南北兩山水熱條件對(duì)側(cè)柏根系分布的影響[J].中國(guó)沙漠,2006,26(4):559-563.

[7] 趙錦梅,徐長(zhǎng)林,馬亞萍,等.祁連山東段高寒灌叢地被物與土壤的水文特征[J].林業(yè)科學(xué),2014,50(10):146-151.

[8] 張昌順,范少輝,官鳳英,等.翁玉榛.閩北毛竹林的土壤滲透性及其影響因子[J].林業(yè)科學(xué),2009,45(1):36-42.

[9] 劉芝芹,黃新會(huì),涂璟,等.云南高原不同林分類型枯落物儲(chǔ)量及持水特性[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2015,24(6):919-924.

[10] Mriti J M， Kironchi G， Esilaba A O, et al. The effects of tillage systems on soil physical and water conservation in a sandy loam soil in Eastern Kenya[J]. Journal of Soil Science and Environmental Management, 2013,4(7):146-154.

[11] 牛勇,劉洪祿,張志強(qiáng).北京地區(qū)典型樹(shù)種及非生物因子對(duì)枯落物水文效應(yīng)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(8):183-189.

[12] 魏雅麗,賀玉曉,金杰,等.元謀干熱河谷典型植被枯落物持水能力研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2014,28(3):181-186.

[13] 周志立,張麗瑋,陳倩,等.木蘭圍場(chǎng)3種典型林分枯落物及土壤持水能力[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(1):207-213.

[14] 劉賢德,李效雄,張學(xué)龍,等.干旱半干旱區(qū)山地森林類型的土壤水文特征[J].干旱區(qū)地理,2009,32(5):691-697.

[15] Qi Shi, Wang Yunqi, Sun Ge, et al. Effect of forest composition and spatial on storm flows of a small watershed[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2009,45(5):1142-1154.

[16] Sharrow S H. Soil compaction by grazing livestock in silvopastures as evidenced by changes in soil physical properties[J]. Agroforestry Systems, 2007,71(3):215-223.

Hydrological Characteristics of Planted Forest Litters and Soil in Northern Mountains of Lanzhou City

ZHAO Jinmei, MA Rui, MA Weiwei, ZHANG Fu

(CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The aim of the study is to investigate the accumulation and water-holding capacity of litters and soil hydrological characteristics in three different artificial forests in northern mountains of Lanzhou City and to provide theoretical support for the capacity of soil and water conservation of artificial forests in arid regions.[Methods] We carried out field investigation, and used indoor immersion method and cutting ring method to determine the litter volumes and water holding capacity as well as soil permeability and water holding capacity. [Results] The litter ofPopulusalbavar.pyramidalis(36.74 t/hm2)>Platycladusorientalis(34.15 t/hm2)>Robiniapseudoacacia(16.01 t/hm2). TheP.albavar.pyramidalishad the highest of maximum water-holding capacity(7.36 t/hm2) whileR.pseudoacaciahas the smallest(4.91 t/hm2). The bulk density wasP.albavarpyramidalis(1.466 g/cm3)>R.pseudoacacia(1.403 g/cm3)>Platycladusorientalis(1.27 g/cm3). The total soil porosity, non-capillary porosity and capillary porosity wereP.orientalis>R.pseudoacacia>P.albavar.pyramidalis. The biggest soil water holding capacity wasP.orientalis(0.731 g/cm3)>R.pseudoacacia(0.642 g/cm3)>P.albavar.pyramidalis(0.633 g/cm3). The soil infiltration rate ofP.orientaliswas significantly higher than other forest lands(p<0.05). [Conclusion] Among the three kinds of forest lands,P.orientalisforest land can promote the regional soil and water conservation capacity.

litters; soil; water holding capacity; soil infiltration; forest land

2016-06-16

2016-07-06

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目“蘭州市南北兩山人工生態(tài)林枯落物特征及其水文效應(yīng)的異質(zhì)性研究”(2014A-057)； 甘肅省自然科學(xué)資金項(xiàng)目“植被退化對(duì)尕海濕地凋落物積累與分解的影響及機(jī)理”(1506RJZA015)

趙錦梅(1978—),女(漢族),甘肅省天水市人,博士,副教授,主要從事水土保持與荒漠化研究。E-mail:zhaojm@gsau.edu.cn。

張富(1962—),男(漢族),甘肅省定西市人,博士,研究員,主要從事水土保持與荒漠化研究。E-mail:fuzhang001@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0057-05

S715.3, S714.7