冀北山地樺木林土壤水分物理性質(zhì)研究

史瑞軍,丁杰,胡靜霞,楊新兵

(1隆化國有林場管理處 茅荊壩林場，河北 隆化 068154；2 河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000)

?

冀北山地樺木林土壤水分物理性質(zhì)研究

史瑞軍1,丁杰2,胡靜霞2,楊新兵2

(1隆化國有林場管理處 茅荊壩林場，河北 隆化 068154；2 河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000)

以4種不同樺木組成比例的林分類型為研究對象，比較其土壤水分-物理性質(zhì)，結果表明：土層深度與容重呈正相關，落樺混交林土壤容重最大(1.14 g/cm3)，樺木混交林最小(1.00 g /cm3)；土壤孔隙度整體規(guī)律基本一致，隨土層深度增加而減小，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤總孔隙度均是黑樺純林最大，分別為45.0%、9.6%、53.6%；土壤持水量(除樺木混交林規(guī)律不明顯外)整體規(guī)律基本一致，隨土層深度的增加而減小，土壤毛管持水量均值樺木混交林最大(43.2 %)，土壤最大持水量均值黑樺純林最大(49.3 %)；土壤入滲速率與時間呈冪函數(shù)關系，初滲速率和穩(wěn)滲速率規(guī)律一致，均是樺木混交林最大、樺楊混交林最小。

冀北山地；樺木林；土壤水分物理性質(zhì)

土壤是植物生長的基礎，森林土壤的理化性質(zhì)決定森林的樹種組成、結構及其功能。森林被形象地比作“綠色水庫”，既可以攔蓄降雨徑流，也可以保存水分，為植物的生長提供水分來源。森林土壤可以決定地上植被樹種組成及其生長狀況；同時，植被的生長、繁衍、更新也會對土壤起到改良作用，增加土壤有機質(zhì)，提高孔隙度，增強土壤的水源涵養(yǎng)功能，二者相輔相成，互相制約[1-2]。冀北山地位于河北省最北部承德地區(qū)，是京津冀地區(qū)的重要生態(tài)屏障，為京津冀保水源、控沙源提供重要保障。關于土壤水分-物理性質(zhì)的研究主要集中在不同林分類型、坡向、坡位、海拔對土壤層水文效應的影響[3-6]。但是，關于不同樹種組成比例對土壤水分-物理性質(zhì)影響的研究鮮見報道。試驗地選在冀北山地河北省圍場縣河北木蘭圍場自然保護區(qū)內(nèi)。近年來，樺木(Betulaspp.)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)經(jīng)濟效益較高，是該區(qū)主要經(jīng)營的造林樹種。因此，試驗以4種不同樺木樹種組成比例的林分類型為研究對象，對其土壤水分-物理性質(zhì)規(guī)律進行比較，旨在為該區(qū)樺木林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1研究區(qū)概況

河北木蘭圍場自然保護區(qū)地處內(nèi)蒙古高原和冀北山地的匯接地帶，行政區(qū)位在河北省最北部的圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi)的中西部地區(qū)，地理坐標為北緯41°47′～42°06′、東經(jīng)116°51′～117°45′，海拔高度750～1 829 m，總面積50 637.4 hm2，具有水熱同季，冬長夏短、四季分明、晝夜溫差大的特征；年平均氣溫-1.4～4.7 ℃，無霜期67～128 d，年平均降水量380～560 mm，年平均蒸發(fā)量1 462.9～1 556.8 mm；土壤主要以棕壤、褐土和灰色森林土為主。據(jù)科學考察，保護區(qū)有高等植物1 076種，陸生野生脊椎動物317種，昆蟲970種。

1.2試驗方法

經(jīng)過對研究地區(qū)的現(xiàn)場勘察，按照樺木樹種在整個林分中所占的比例，選取了4種不同樺木樹種組成比例的林分類型(黑樺純林、樺木混交林、樺楊混交林、落樺混交林)作為研究對象，樣地基本特征見表1。在每個樣地內(nèi)，挖土壤層剖面，按照機械分層方法，對0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層取樣，帶回實驗室。用環(huán)刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度、土壤持水量等指標，用雙環(huán)法測定土壤入滲指標[3-4]。

表1 不同林地基本特征 Table 1 The status of different samples

注：文中提到的落葉松均為華北落葉松；黑樺(BetuladahuricaPall.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、糠椴(TiliamandschuricaRupr.et Maxim.)。

2 結果與分析

2.1 土壤容重

容重是土壤緊實度的重要參數(shù)，直接反映土壤蓄水、通氣狀況，與土壤孔隙度和滲透率等密切相關。林地土壤容重情況見圖1。

由圖1可知，從垂直層次來看，各林分土壤容重均呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而增大的趨勢。表層土壤容重最小，說明表層土壤疏松肥沃、土壤孔隙大。樣地4(落樺混交林)土壤容重均值最大，樺木混交林最小，但是樺木混交林和黑樺純林差異非常小。4種樺木林分類型土壤容重均值由大到小排序為樣地4(1.14 g/cm3)、樣地3(1.11 g/cm3)、樣地1(1.03 g/cm3)、樣地2(1.00 g/cm3)?？傮w表明，隨著樺木比例增大，土壤容重有減小的趨勢，土壤也就變得越來越疏松。

圖1 土壤容重Fig.1 Soil bulk density

2.2土壤孔隙度

土壤孔隙度直接影響土壤的透水和通氣性能。毛管孔隙度越大，土壤中有效水的貯存量就越大。4種林地土壤毛管孔隙度變化情況見圖2。

圖2 土壤毛管孔隙度Fig.2 Soil capillary porosity

由圖2可知，土壤毛管孔隙度大小分布在28.1%～54.0 %之間，4種樺木林分類型土壤毛管孔隙度整體規(guī)律基本一致，均隨土層深度增加而減小。4種樺木林分類型土壤毛管孔隙度均值由大到小順序為樣地1(45.0%)、樣地2(44.8%)、樣地3(40.6%)、樣地4(36.4%)。樺木混交林(樣地2)和黑樺純林(樣地1)土壤毛管孔隙度均值較大，說明植物可利用的有效水較多。

非毛管孔隙度越大的林分，土壤通透性越好，有利于降水下滲，減少地表徑流，充分起到涵養(yǎng)水源的作用[4]。4種林地土壤非毛管孔隙度變化情況見圖3。

圖3 土壤非毛管孔隙度Fig.3 Soil non-capillary porosity

由圖3可知，土壤非毛管孔隙度大小分布在3.5%～11.7%之間，不同土層非毛管孔隙度的變化規(guī)律不完全一致，除樺木混交林(樣地2)外，其他3種樺木林分類型土壤非毛管孔隙度整體規(guī)律基本一致，均隨土層深度增加而減小。4種樺木林分類型土壤非毛管孔隙度均值由大到小順序為樣地1(9.6%)、樣地3(7.4%)、樣地4(6.9%)、樣地2(4.7%)。黑樺純林(樣地1)土壤通透性最好，涵養(yǎng)水源能力最強。

4種林地總孔隙度變化情況見圖4。

圖4 土壤總孔隙度Fig.4 Soil total porosity

由圖4可知，土壤總孔隙度變化規(guī)律比較明顯，各林分類型表層土壤總孔隙度最高、比較疏松，與土壤中的植物根系分布、微生物的活動和枯落物腐爛快慢程度有關。隨土層深度增加，總孔隙度降低。黑樺純林(樣地1)的土壤總孔隙度最大，4種樺木林分類型土壤總孔隙度均值由大到小順序為樣地1(53.6%)、樣地2(49.4%)、樣地3(48.0%)、樣地4(43.4%)。林分中樺木比例越大，土壤總孔隙度就越大。

2.3 土壤持水量

林地土壤持水量一般分為林地土壤最大持水量(飽和持水量)和土壤有效持水量(毛管持水量)。毛管孔隙中的水分可以長時間保持在土壤中，有利于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)，而非毛管孔隙能較快吸收降水并及時下滲，有利于水源涵養(yǎng)[4-7]。4種林地土壤毛管持水量情況見圖5。

由圖5可知，各林分在土層0～10 cm處土壤毛管持水量均最大，其中，黑樺純林(樣地1)土壤毛管持水量最大，主要是因為表層土壤有機質(zhì)含量高，毛管孔隙度大，相應的毛管持水量達到最大。不同土層毛管持水量的變化規(guī)律不完全一致，除樺木混交林(樣地2)規(guī)律不明顯外，其他3種林分土壤毛管持水量整體規(guī)律一致，土壤毛管持水量均隨土層深度的增加而減小。4種樺木林分類型土壤毛管持水量均值由大到小順序為樣地2(43.2%)、樣地1(40.1%)、樣地3(39.1)、樣地4(32.9%)。

4種林地土壤最大持水量情況見圖6。

圖6 土壤最大持水量Fig.6 The maximum water-holding capacity

由圖6可知，4種樺木林分類型最大持水量整體規(guī)律基本一致，隨土層深度的增加土壤最大持水量明顯減小。在0～10 cm的土層范圍內(nèi)，由于有機質(zhì)含量高，土壤疏松，結構良好，土壤最大持水量均較大。其中，黑樺純林(樣地1)土壤最大持水量最大。4種樺木林分類型的土壤最大持水量由大到小順序為樣地1(49.3%)、樣地2(48.3%)、樣地3(46.5%)、樣地4(39.2%)。

2.4土壤入滲速率

林地土壤入滲過程不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，同時在林地發(fā)揮調(diào)配降雨、保持水土的過程中有著重要作用[1-4]。而土壤水分入滲速率與土壤質(zhì)地、結構、孔隙度、有機質(zhì)含量和土壤濕度有關，是反映土壤涵養(yǎng)水源功能的重要參數(shù)[8]。不同林分土壤滲透模型見表2，土壤入滲曲線見圖7。

表2 土壤滲透速率及滲透模型Table 2 Soil infiltration rate and infiltration model

圖7 不同林分類型土壤入滲曲線Fig.7 Different forest types on soil infiltration curve of different forest types

從表2和圖7可知，4種樺木林分類型土壤初滲速率差別很大，但是，初滲速率和穩(wěn)滲速率規(guī)律基本一致，均是樺木混交林(樣地2)最大，樺楊混交林(樣地3)最小。土壤入滲速率與入滲時間存在較好的冪函數(shù)關系。穩(wěn)滲速率由大到小順序為樣地2(4.23 mm/min)、樣地1(2.94 mm/min)、樣地4(1.80 mm/min)、樣地3(1.67 mm/min)。

3 結論

本研究以4種不同樺木組成比例的林分類型為研究對象，比較其土壤水分-物理性質(zhì)規(guī)律，結果表明：(1)土層深度與容重呈正相關，落樺混交林土壤容重最大(1.14 g/cm3)，樺木混交林最小(1.00 g/cm3)；(2)土壤孔隙度整體規(guī)律基本一致，隨土層深度增加而減小，土壤毛管孔隙度均值、非毛管孔隙度均值、土壤總孔隙度均值均是黑樺純林最大，分別為45.0%、9.6%、53.6%；(3)各林分類型在土層0～10 cm處土壤持水量均較大，林分土壤持水量(除樺木混交林規(guī)律不明顯外)整體規(guī)律基本一致，土壤持水量均隨土層深度的增加而減小，土壤毛管持水量均值樺木混交林最大(43.2%)，土壤最大持水量均值黑樺純林最大(49.3%)；(4)土壤入滲速率與入滲時間呈明顯冪函數(shù)關系，初滲速率和穩(wěn)滲速率規(guī)律基本一致，均是樺木混交林最大、樺楊混交林最小。樺木是近年來該區(qū)主要經(jīng)營的造林樹種。本研究結果可為該區(qū)樺木林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

[1]王禮先，朱金兆.水土保持學[M].2版.北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[2]楊玉海,鄭路,段永照.干旱區(qū)人工防護林帶不同林分凋落葉分解及養(yǎng)分釋放[J].應用生態(tài)學報,2011,22(6): 1389-1394.

[3]楊坤，丁杰，胡靜霞，等.冀北山地油松、蒙古櫟林土壤水分-物理性質(zhì)研究[J].河北林果研究，2016,31(2):116-121.

[4]田超,楊新兵,李軍,等.冀北山地陰坡枯落物層和土壤層水文效應研究[J].水土保持學報,2011,25(2):97-103.

[5]李軍，楊坤，張澤光，等.冀北山地不同坡位油松林土壤水文效應[J]. 河北林果研究，2016,31(1)：8-12.

[6]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[J].水土保持學報，2012,26(3):216-221.

[7]張德強,葉萬輝,余清發(fā),等.鼎湖山演替系列中代表性森林凋落物研究[J].生態(tài)學報,2000,20(6):938-944.

[8]劉敏,王玉杰,趙洋毅，等.重慶縉云山水源涵養(yǎng)林地土壤水文效應[J]. 中國水土保持, 2010 (5):41-44.

(編輯 郭麗娟)

Study on soil water physical properties ofBetulaforests in northern mountain of Hebei province

SHI Ruijun1,DING Jie2,HU Jingxia2,YANG Xinbing2

(1MaojingbaForestFarm，LonghuaStateForestAdministration，Longhua068154,China; 2CollegeofForest,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000，China)

This article took four different tree species compositions ofBetulaspp. forests as the research objects to compare the laws of soil moisture physical properties. The results showed that: (1) Depth of soil layer and bulk density were positively correlated. The biggest average soil bulk density was mixedLarixprincipis-rupperchtiiandBetulaplatyphylla(1.14 g/cm3), while the smallest wasBetulamixed forest (1.00 g/cm3). (2)The law of soil porosity was basically the same, which decreased with the increase of soil depth. The soil porosity, non-capillary porosity, and the total soil porosity ofBetuladahuricaforest were all the highest, which were 45.0%, 9.6%, and 53.6% respectively. (3) Soil water holding capacity decreased with the increase of soil depth, except forBetulamixed forest.Betulamixed forest had the biggest soil capillary water-holding capacity (43.2%), while the biggest soil maximum water-holding capacity wasBetuladahuricaforest (49.3%). (4)The soil infiltration rate and infiltration time was power functional relationship. The initial infiltration rate and steady infiltration rate were consistent, the value of which were the biggest forButulamixed forest, and the smallest for mixedBetulaplatyphyllaandPopulusdavidianaforest.

northern mountain of Hebei province; mixedBetulaforests; soil moisture physical property

2017-03-11；

2017-04-18

河北省地方行業(yè)標準“森林健康評價與經(jīng)營技術規(guī)程”(FW201663)；河北省林業(yè)廳科技項目“冀北山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價技術研究”(1403451)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項子課題“冀北山區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)健康經(jīng)營技術研究與示范”(200804022F)。 第一作者：史瑞軍(1971-)，男，河北隆化人，本科，林業(yè)工程師，研究方向：林業(yè)資源與管理。

1007 - 4961(2017)02 - 0124 - 05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0023

S 714.7

A