冀北山地華北落葉松、樺木林土壤水分物理性質(zhì)研究

李淑春

(河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，河北 圍場(chǎng) 068450)

冀北山地華北落葉松、樺木林土壤水分物理性質(zhì)研究

李淑春

(河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，河北 圍場(chǎng) 068450)

華北落葉松和樺木是冀北山區(qū)最主要的造林樹種。為探討二者的純林或混交林對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響，以冀北山地華北落葉松林、落葉松白樺混交林、樺木林、黑樺林為研究對(duì)象，對(duì)其土壤水分物理性質(zhì)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：土層越深，土壤容重越大，由大到小依次為華北落葉松林(1.14 g/cm3)、黑樺林(1.03 g/cm3)、落葉松白樺混交林(1.01 g/cm3)、樺木林(0.98g /cm3)，土壤總孔隙度由大到小排序?yàn)槁淙~松白樺混交林(53.04%)、華北落葉松林(51.84%)、樺木林(51.40%)、黑樺林(51.14%)；土壤最大持水量由大到小排序?yàn)槁淙~松白樺混交林(55.53%)、樺木林(52.81%)、黑樺林(51.33%)、華北落葉松林(48.22%)；土壤穩(wěn)滲速率由大到小排序?yàn)槁淙~松白樺混交林、樺木林、黑樺林、華北落葉松林。營(yíng)造華北落葉松和樺木混交林有利于土壤涵養(yǎng)水源和保持水土。

冀北山地；土壤水分物理性質(zhì)；土壤入滲；混交林；華北落葉松；樺木

土壤的水分物理性質(zhì)與構(gòu)成林分的樹種組成、林分結(jié)構(gòu)等因子密切相關(guān)[1]。土壤水分貯存和水分入滲作為森林植被的主要水文過程和功能，是反映森林植被保持水土和涵養(yǎng)水源作用的重要水文參數(shù)[2]。林地類型不同，其植物生物學(xué)特性不同，對(duì)于土壤水分物理性質(zhì)的影響也會(huì)有所不同。冀北山區(qū)是京津冀上風(fēng)上水區(qū)，其植被的好壞對(duì)下游的生態(tài)環(huán)境影響很大。關(guān)于冀北山區(qū)森林植被的土壤水分物理性質(zhì)已有學(xué)者做過部分研究[1-3]。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、樺木(Betulaspp.)因其木材經(jīng)濟(jì)效益較高，是河北省北部山區(qū)重要的造林樹種。為了增加林地收入，冀北山地營(yíng)造了大量華北落葉松或樺木純林。為了避免純林的各種弊端，增加純林內(nèi)樹種組成的比例，營(yíng)建混交林，是當(dāng)前的主要造林形式，所以，華北落葉松和樺木2個(gè)重要造林樹種的搭配模式在冀北山區(qū)被大量應(yīng)用[2]。為了弄清營(yíng)造的華北落葉松、樺木樹種純林或混交林對(duì)土壤水分物理性質(zhì)有何影響，以河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局華北落葉松林、落葉松白樺混交林、樺木林、黑樺林林下土壤為研究對(duì)象，分析其不同土層的水分物理性質(zhì)，以便為冀北山地華北落葉松、樺木的純林或混交林的營(yíng)建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北山區(qū)河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局，北緯41°47′～42°06′，東經(jīng) 116°51′～117°45′；地貌以山地為主，地勢(shì)西北高，東南低，海拔高度800～1 780 m。該區(qū)屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4℃左右，年降水量在400～500 mm。土壤類型主要是棕壤、褐土和灰色森林土。主要樹種有華北落葉松、油松(PinustabulaeformisCarr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、黑樺(B.dahuricaPall.)、山楊(PopulusdavidianaDode)等。

2 研究方法

在圍場(chǎng)縣河北省木蘭林場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局轄區(qū)林地選取華北落葉松林、落葉松白樺混交林、樺木林、黑樺林為研究對(duì)象，采用剖面法對(duì)其進(jìn)行土壤調(diào)查，在選定的樣地里隨機(jī)挖取5個(gè)土壤剖面，采用環(huán)刀機(jī)械取樣，分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60 cm以下。采用環(huán)刀浸泡法測(cè)定土壤容重、孔隙度、持水量等物理性質(zhì)，采用雙環(huán)入滲法測(cè)定土壤入滲速率[3-4]。

表1 樣地基本情況Table 1 The status of different samples

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重

土壤容重的大小與土壤的緊實(shí)度密切相關(guān)，容重越大土壤透氣性越好。不同林分類型土壤容重見圖1。

圖1 不同林分類型土壤容重Fig.1 Soil bulk density of different forest types

由圖1可知：土壤容重均值華北落葉松林最大、樺木林最小，其由大到小排序?yàn)槿A北落葉松林(1.14 g/cm3)、黑樺林(1.03 g/cm3)、落葉松白樺混交林(1.01 g/cm3)、樺木林(0.98 g/cm3)，不同林分類型的土壤容重在垂直方向上總體變化規(guī)律基本一致，土壤深度增加則土壤容重也隨之變大。造成這種變化的主要原因是隨土層深度增加，土壤中有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，從而增加了土壤的緊實(shí)度。黑樺林在60 cm以下土壤容重反而減小，是因?yàn)橄聦油寥罏槟笌r風(fēng)化成的沙土。

3.2 土壤孔隙度

3.2.1 土壤毛管孔隙度 毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力。毛管孔隙度與森林植物生長(zhǎng)能力成正比關(guān)系。一般有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中毛管孔隙較多，在此生長(zhǎng)的植物自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力就強(qiáng)。不同林分類型土壤毛管孔隙度見圖2。

圖2 不同林分類型土壤毛管孔隙度Fig.2 Soil capillary porosity of different stand types

由圖2可知：在0～60 cm范圍內(nèi)，各類型林分土壤毛管孔隙度均值最大的是樺木林、最小的是落葉松白樺混交林，其由大到小順序?yàn)闃迥玖?47.84%)、華北落葉松林(42.84%)、黑樺林(42.40%)、落葉松白樺混交林(41.22%)，表明樺木林土層保留植物利用有效水分的能力最佳。

3.2.2 土壤非毛管孔隙度 非毛管孔隙度的大小和森林植被滯留水分、發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力密切相關(guān)。不同林分類型土壤非毛管孔隙度見圖3。

在此還應(yīng)特別提及各級(jí)教研組織的力量．例如，中國(guó)特有的“教研員”在這方面就具有特別重要的作用：“中國(guó)有專門的包含省、地（市）、縣（區(qū)）等各級(jí)教研室的教研工作管理系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中的教研員通過有計(jì)劃的、形式多樣的教研活動(dòng)，組織不同層級(jí)的課例研究，從而為中國(guó)教師專業(yè)發(fā)展提供有效支持．”[9]

圖3 不同林分類型土壤非毛管孔隙度Fig.3 Soil non-capillary porosity of different stand types

由圖3可知：在0～60 cm范圍內(nèi)，各林分類型土壤非毛管孔隙度均值最大的是落葉松白樺混交林、最小的是樺木林，其由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林(11.82%)、華北落葉松林(9.00%)、黑樺林(8.74%)、樺木林(3.56%)。落葉松白樺混交林表層(1～10 cm)土壤非毛管孔隙度最大。非毛管孔隙度越大越有利于降水下滲，涵養(yǎng)水源的能力越強(qiáng)。

3.2.3 土壤總孔隙度 一般土壤總孔隙度在30%～60%之間，適宜林木生長(zhǎng)的土壤孔隙度為50%或稍大于50%為好。不同林分類型土壤總孔隙度見圖4。

圖4 不同林分類型土壤總孔隙度Fig.4 Soil total porosity of different stand types

由圖4可知：土壤總孔隙度均值落葉松白樺混交林最大、黑樺林最小，其由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林(53.04%)、華北落葉松林(51.84%)、樺木林(51.40%)、黑樺林(51.14%)。其中，落葉松白樺混交林的土壤總孔隙度變化規(guī)律最明顯，隨森林土層深度增加總孔隙度降低。從總體上來說，這4種林分下表層土壤的總孔隙度都比較適合林木生長(zhǎng)，落葉松白樺混交林最佳。

3.3 土壤持水量

3.3.1 土壤田間持水量 田間持水量是指借助于毛管力保持在土壤中的最大含水量。不同林分類型土壤田間持水量見圖5。

圖5 不同林分類型土壤田間持水量Fig.5 Field water-holding capacity of soil for different stand types

由圖5可知：各林分田間持水量均值樺木林最大，華北落葉松林最小，其由大到小順序?yàn)闃迥玖?45.72%)、黑樺林(41.32%)、落葉松白樺混交林(41.14%)、華北落葉松林(38.34%)。各林分在土層0～10 cm處土壤田間持水量最大(樺木林除外)，其中最大的是黑樺林(65.01%)。

3.3.2 土壤毛管持水量 毛管持水量是指土壤中所有的毛細(xì)管都充滿水時(shí)的土壤含水量。不同林分類型土壤毛管持水量見圖6。

圖6 不同林分類型土壤毛管持水量Fig.6 Soil capillary water-holding capacity of different stand types

3.3.3 土壤最大持水量 最大持水量是指土壤中所有孔隙都充滿水時(shí)的含水量。不同林分類型土壤最大持水量見圖7。

圖7 不同林分類型土壤最大持水量Fig.7 The maximum water holding capacity of soil for different stand types

由圖7可知：各林分類型土壤最大持水量均值落葉松白樺混交林最大、華北落葉松林最小，其由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林(55.53%)、樺木林(52.81%)、黑樺林(51.33%)、華北落葉松林(48.22%)，在0～10 cm的土層中落葉松白樺混交林的土壤最大持水量最大。

3.4 土壤入滲速率

土壤入滲速率與土壤對(duì)降雨的攔截能力息息相關(guān)。不同林分土壤滲透速率見表2。

由表2可知，土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率的數(shù)值相差較大，初滲速率的大小主要取決于土壤當(dāng)時(shí)的含水量，4種林分類型表層穩(wěn)滲速率落葉松白樺混交林最大、華北落葉松林最小，由大到小排序?yàn)槁淙~松白樺混交林、樺木林、黑樺林、華北落葉松林。土壤入滲速率與入滲時(shí)間存在明顯的冪函數(shù)關(guān)系。

表2 不同林分土壤滲透速率及滲透模型Table 2 Soil infiltration rate and infiltration model in different forest

4 結(jié)論與討論

以冀北山地華北落葉松林、落葉松白樺混交林、樺木林、黑樺林為研究對(duì)象，對(duì)其土壤水分物理性質(zhì)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：各林分土壤容重在垂直方向上變化規(guī)律大致相同，土層越深容重越大，土壤容重均值由大到小排序?yàn)槿A北落葉松林、黑樺林、落葉松白樺混交林、樺木林；土壤毛管孔隙度均值由大到小順序?yàn)闃迥玖?、華北落葉松林、黑樺林、落葉松白樺混交林；土壤非毛管孔隙度均值由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林、華北落葉松林、黑樺林、樺木林；土壤總孔隙度均值由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林、華北落葉松林、樺木林、黑樺林；田間持水量均值由大到小順序?yàn)闃迥玖?、黑樺林、落葉松白樺混交林、華北落葉松林；土壤毛管持水量均值由大到小排序?yàn)闃迥玖?、黑樺林、落葉松白樺混交林、華北落葉松林；土壤最大持水量均值由大到小順序?yàn)槁淙~松白樺混交林、樺木林、黑樺林、華北落葉松林；林分土壤穩(wěn)滲速率由大到小排序?yàn)槁淙~松白樺混交林、樺木林、黑樺林、華北落葉松林；土壤入滲速率與入滲時(shí)間存在明顯的冪函數(shù)關(guān)系。

混交林的各項(xiàng)物理性質(zhì)明顯優(yōu)于純林，純林土壤底層的物理性質(zhì)如持水量、總孔隙度等明顯受土壤表層孔隙度的正向影響，而混交林則受此影響比較小，且為負(fù)向[5-7]。本文研究結(jié)果顯示落葉松白樺混交林的各項(xiàng)物理性質(zhì)優(yōu)于其他的林分，其下的土壤物理性質(zhì)更適于樹木的生長(zhǎng)和涵養(yǎng)水源。

純林中底層土壤物理性質(zhì)對(duì)林分影響較大，混交林中則是表層土壤物理性質(zhì)對(duì)林分影響大。落葉松白樺混交林表層土壤物理性質(zhì)由于受植被自身特性的影響，表層土壤較底層肥沃，土壤總孔隙度表層處于最大值。而純林則相反，樺木林底層土壤總孔隙度較表層來說反而更大。

[1]耿玉清,余新曉,孫向陽,等.北京八達(dá)嶺地區(qū)油松與管叢林地土壤肥力特征的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29 (2): 50-54.

[2]陳波,孟成生,趙耀新,等.冀北山地不同海拔華北落葉松人工林枯落物和土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26(3): 216-221.

[3]陳波,楊新兵,趙心苗,等.冀北山地6種天然純林枯落物及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26(2): 196-202.

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[5]陳喜全,郭秋慧,王政權(quán).落葉松純林與落葉松胡桃楸混交林下土壤理化性質(zhì)的研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(S1):258-267.

[6]楊弘,李忠,裴鐵璠,等.長(zhǎng)白山北坡闊葉紅松林和暗針葉林的土壤水分物理性質(zhì)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(2)：272-276.

(編輯 郭麗娟)

Study on physical properties of soil water ofLarixprincipis-rupprechtiiandBetulaspp. forests in mountain of northern Hebei province

LI Shuchun

(MulanweichangNationalForestryAdministrationofHebeiProvince,Weichang068450,China)

Larixprincipis-rupprechtiiforest andBetulaspp. forest are the main afforestation tree species in mountain of northern Hebei province. To explore the impact of constructing pure and mixed forest on physical characteristics of soil moisture, theLarixprincipis-rupprechtiiforest,Larixprincipis-rupprechtiiandBetulaplatyphyllamixed forest, birch forest, and black birch forest in mountain of northern Hebei province were taken as materials, and the physical properties of soil water were compared. The results showed that the deeper the soil, the greater the soil bulk density, and the order was:Larixprincipis-rupprechtiiforest (1.14 g/cm3) >Betuladahuricaforest (1.03 g/cm3) >Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest (1.01 g/cm3) >Betulaspp. forest (0.98 g/cm3). The total soil porosity order was as follows:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest(53.04%)>Larixprincipis-rupprechtiiforest(51.84%)>Betulaspp. forest(51.40%)>Betuladahuricaforest(51.14%).The soil maximum water-holding capacity order was:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest (55.53%) >Betulaspp. forest (52.81%) >Betuladahuricaforest (51.33%) >Larixprincipis-rupprechtiiforest (48.22%). The order of soil steady infiltration rate was as follows:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest >Betulaspp. forest >Betuladahuricaforest >Larixprincipis-rupprechtiiforest. Therefore, creating a mixed forest ofLarixprincipis-rupprechtiiforest andBetulaspp. forest in mountain of northern Hebei province is beneficial to soil and water conservation.

mountain of northern Hebei province; physical properties of soil moisture; soil infiltration; mixed forest;Larixprincipis-rupprechtii; birch

1007-4961(2017)01-0001-05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0001

2016-11-11；

2016-12-08

河北省林業(yè)廳科技項(xiàng)目“冀北山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)技術(shù)研究”(1403451)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)子課題“冀北山區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)健康經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究與示范”(200804022F)。

李淑春(1971-)，女，河北圍場(chǎng)人，本科，林業(yè)工程師，研究方向：林業(yè)資源管理。

S 714.7

A