大通縣退耕還白樺林枯枝落物和土壤持水效應

張更權(quán)

摘要 [目的]研究大通縣退耕還白樺林枯枝落物和土壤持水效應。[方法]基于野外定點觀測法和采樣試驗分析法，以原坡耕地為對照，研究青海大通縣退耕還白樺林枯枝落物及土壤持水量隨退耕還林年限變化的效應關(guān)系。[結(jié)果]枯枝落物持水量隨退耕還林年限的增加呈增加的態(tài)勢，退耕15年枯枝落物持水量為12 017.149 0 kg/hm 比退耕7年的11 845.271 5 kg/hm2增長了1.451 0%；土壤持水量隨退耕還林年限的增加也呈增加態(tài)勢，退耕15年土壤持水量為103 756.000 0 kg/hm 比退耕7年的103 426.000 0 kg/hm2增長了0319 1%，而對照耕地土壤持水量維持在26 254.000 0 kg/hm 穩(wěn)中有降；退耕還林土壤持水量大于枯枝落物持水量，退耕還林7年、15年土壤持水量分別是枯枝落物持水量的8.73、8.63倍，隨著退耕還林年限的增加，枯枝落物比土壤持水量增加快；退耕還林15年枯枝落物和土壤持水量之和為115 773.149 0 kg/hm 比退耕還林7年的115 271.271 5 kg/hm2增長了0.435 4%，土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)持水效應的主體，退耕還林7年、15年土壤持水量分別占枯枝落物持水量和土壤持水量之和的89.72%、89.62%，隨著退耕還林年限的增加，枯枝落物持水量占總持水量比例在小幅增加，而土壤持水量占總持水量比例在小幅減少；退耕還林15年枯枝落物和土壤中持水量之和是對照耕地持水量的4.41倍，退耕還林7年枯枝落物和土壤中持水量之和是對照耕地持水量的4.39倍；土壤持水量取決于土壤的非毛細管孔隙度大小，而枯枝落物有效持水量取決于枯枝落物層蓄積量及其自然含水率。[結(jié)論]該研究對于引導黃土丘陵區(qū)大通縣生態(tài)環(huán)境恢復工程建設及其工程績效考核評價具有重要意義。

關(guān)鍵詞 大通縣；退耕還林；持水效應；枯枝落物

中圖分類號 S718.5文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）31-0107-04

Abstract [Objective]To study the hydrologicaleffect of litter mixture and soil on conversion from farmland to Betula platphylla forest at Datong County.[Method]Based on field investigation and experimental data method， contrasted with the original slope land， hydrological effect of litter and soil on conversion from farmland to B. platphylla forest at Datong County was studied and with what about the year of conversion from farmland to forest. [Result]Water capacity of litter mixture increased with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of litter mixture of returning farmland to forest for 15 years was 12 017.149 0 kg/hm while that for 7 years was 11 845.271 5 kg/hm the growth rate was 1.451 0%.Water capacity of soil increased with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of soil of returning farmland to forest for 15 years was 103 756.000 0 kg/hm while that for 7 years was 103 426.000 0 kg/hm the growth rate was 0319 1%，at the same time，water capacity of soil of contrasted with the original slope land kept a steady state with a slight decline， that was 25 254.000 0 kg/hm2.Water capacity of soil was greater than that of litter mixture， water capacity of soil of returning farmland to forest for 7 years，15 years was 8.73， 8.63 times of litter mixture respectively ， with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of litter mixture increased faster than that of soil.The total water capacity of litter mixture and soil of returning farmland to forest for 15 years was 115 773.149 0 kg/hm that for 7 years was 115 271.271 5 kg/hm the growth rate was 0.435 4%， soil was the main part of forest ecosystem water holding effect， soil water capacity of returning farmland to forest for 7 years，15 years was 89.72%， 89.62% respectively， with the increasing year of conversion from farmland to forest， procedure cache percent of water capacity of litter mixture was a slight increase，but procedure cache percent of soil water capacity was a slight decrease.The water capacity of soil & litter mixture was 4.41 times than that of contrastive plot for returning farmland to forest 15 years， while returning farmland to forest for 7 years was 4.39 times than that of contrastive plot.The soil water holding capacity depended on the noncapillary porosity of the soil， and the effective water holding capacity of the litter depended on the accumulation of the litter layer and the natural moisture content.[Conclusion]This study is of great significance for guiding the ecological environment restoration project construction and engineering performance evaluation of Datong County in the loess hilly region.

Key words Datong County；Conservation from farmland to forest；Hydrological effect；Litter

黃土丘陵溝壑區(qū)（簡稱黃土丘陵區(qū)）坡耕地是引起區(qū)域水土流失的重要來源，退耕還林（草）是黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復和重建的關(guān)鍵舉措，黃土丘陵區(qū)是實施退耕還林（草）工程的重點區(qū)域[1]。森林涵養(yǎng)水源功能是指森林對降水的截留、吸收、貯存及利用，是將地表水有效地轉(zhuǎn)為地表徑流或者地下水的作用，是森林植被對降雨量進行再次分配的復雜的物理過程，主要包括森林林冠截留水、林下枯枝落物層吸附水和林地土壤蓄水等，其中枯枝落物和土壤持水量占全部森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能總量的80.04%以上[2]。森林水文系統(tǒng)是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分之一，是森林植被恢復重建的主要基礎，另外，森林植被演替直接影響到森林水文系統(tǒng)的發(fā)展過程[3]。白樺是青海黃土丘陵區(qū)大通縣生長較快的落葉闊葉喬木樹種，耐寒旱和耐貧瘠，適生于山地和江河兩岸，是青海黃土丘陵區(qū)大通縣林業(yè)發(fā)展的先鋒樹種和次生建群樹種之一，也是青海黃土丘陵區(qū)大通縣實施退耕還林工程中的優(yōu)選鄉(xiāng)土樹種之一。開展青海黃土丘陵區(qū)大通縣退耕還白樺林枯枝落物和土壤持水效應研究，對于引導黃土丘陵區(qū)大通縣生態(tài)環(huán)境恢復工程建設及其工程績效考核評價具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于青海省黃土丘陵區(qū)大通縣的東峽林場，地處黃土高原與青藏高原交錯地帶，海拔2 784 m。氣候?qū)俑咴珊蛋敫珊荡箨懶詺夂?，年均氣?.8～7.9 ℃，降水量360～540 mm（集中于6—9月），蒸發(fā)量1 100～1 800 mm，坡度27°，坡向東南，坡位中。土壤垂直性地帶分布，以栗鈣土為主，主要植被有青海云杉（Picea crassifolia）、樺樹（Betula platyphylla）、中國沙棘（Hippophae rhamnoides）等。

2002年實施退耕還白樺林，2001年秋穴狀整地，2002年春季造林，容器育苗（苗高16 cm），造林密度1 668株/hm2（2 m×3 m），造林2～3年補植補栽。

1.2 試驗設計

基于單因素隨機區(qū)組設計，在不同時空尺度狀態(tài)下，通過野外定點觀測和采樣試驗分析，研究黃土丘陵區(qū)退耕還白樺林的枯枝落物和土壤持水效應。按照20 m×20 m布設樣地，在樣地中再布設5個5 m×5 m的樣方，分布在樣地的四角和中心處位置，每個樣方中心位置布設1個1 m×1 m的枯枝落葉采集框架（11月底采樣收集，每次3個重復，取平均值）。樣地中蛇形法采集土樣，按照0～20、20～40、40～60 cm 3個土壤剖面層次采集土壤環(huán)刀樣（100.00 cm3），各層土樣混合均勻后取500.00 g綜合樣，進行土壤理化性狀指標測定。選擇在樣地附近相同立地條件下的原坡耕地作為對照，按照當?shù)亓晳T進行小麥、油菜輪作。

從2009年（退耕還林7年）開始，每隔2年監(jiān)測枯枝落物和土壤水文持水性1次，到2017年（退耕還林15年），共監(jiān)測5次。

1.3 試驗方法

1.3.1 枯枝落物蓄積量。采用烘干稱重法[4]測定枯枝落物蓄積量。樣方內(nèi)隨機選擇10個點測定枯枝落物未分解層和半分解層厚度，重復3次，取平均值，分裝樣品，帶回室內(nèi)稱濕重，然后在85 ℃下烘干后稱重，測定其干重，推算單位面積枯枝落物蓄積量。

1.3.2 枯枝落物持水性。采用浸泡法[5]測定枯枝落物持水性。將烘干稱重后的枯枝落物樣品分別裝入尼龍袋，清水中浸泡24 h后稱重，計算枯枝落物未分解層和半分解層的自然含水率、最大持水率、最大持水量和有效持水量。在維持自然狀態(tài)環(huán)境下，為準確反映枯枝落物層對降雨量的實際持水量情況，往往用枯枝落物層的有效持水率計量枯枝落物持水性，即用枯枝落物最大持水率的85.00%扣除其自然含水率求得。

1.3.3 土壤容重。采用環(huán)刀法[6]測定土壤容重。將土壤環(huán)刀樣品放入烘箱中，于（105±2）℃下烘至恒重，稱重。

1.3.4 土壤孔隙度。采用環(huán)刀稱重法[6]測定土壤孔隙度。將環(huán)刀的上蓋和下蓋全部取下，在一端換上帶有小網(wǎng)孔并墊有定性分析濾紙的底蓋，再輕輕放入盛有2～4 cm厚水的瓷盤內(nèi)，維持水深始終在2～3 mm，一般情況下浸入時間為8～12 h。取出用濾紙擦干環(huán)刀外的掛水并馬上稱重（W1）。將環(huán)刀連同土樣一起放在105 ℃的烘箱中烘至恒重（W2）。

1.3.5 土壤有機質(zhì)。采用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化法[8]測定土壤有機質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯枝落物持水效應

枯枝落葉層就是森林植物凋落物集聚在土壤表面形成的覆蓋膜，也是森林植被涵養(yǎng)水源的主要環(huán)節(jié)之一，是森林生態(tài)系統(tǒng)持水效應的第2個層面[7-9]。圖1表明退耕還白樺林枯枝落物層有效持水量隨著退耕還林年限的增加而穩(wěn)中有增，退耕7年時枯枝落物層有效持水量為11 845.271 5 kg/hm 退耕11年時有效持水量增長到11 953.181 0 kg/hm 退耕15年時有效持水量增長到12 017.149 0 kg/hm 9年間退耕還白樺林枯枝落物層有效持水量增加了171.877 5 kg/hm 增長率為1.451 0%，9年平均枯枝落物層有效持水量為11 944.470 3 kg/hm2。由于對照原坡耕地沒有枯枝落物層或枯枝落物層很少很薄，故其持水量可忽略不計。

退耕還白樺林枯枝落物層的有效持水量是其自身持水量的2.81倍，取決于枯枝落物自身的蓄積量及其自然含水率?？葜β湮飳有罘e量從2009年的5 336.470 0 kg/hm2增加到2017年的5 414.390 0 kg/hm 增長率為1.460 1%；枯枝落物層厚度從2009年的0.66 cm增長到2017年的0.72 cm，增長率為9.090 9%。伴隨著退耕還林年限的增加和森林植被的正向演替，枯枝落葉層持水性能呈現(xiàn)增加趨勢。

2.2 土壤持水效應

土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)持水效應的第3個層面，是全部森林生態(tài)系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源能力最多的作用層面，在森林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)中發(fā)揮著主要作用，是大氣自然降雨量的重要蓄存器[10]。圖2表明退耕還白樺林土壤層有效持水量隨著退耕還林年限的增加而增加，退耕7年時土壤層有效持水量為103 426.000 0 kg/hm 退耕11年時有效持水量增長到103 612.000 0 kg/hm 退耕15年時有效持水量增長到103 756.000 0 kg/hm 9年間退耕還白樺林土壤層有效持水量增加了330.000 0 kg/hm 增長率為0.319 1%。而對照原坡耕地土壤層持水量穩(wěn)中有降，從退耕7年時的26 254.000 0 kg/hm2降到退耕15年時的26 252.000 0 kg/hm2。9年間退耕還白樺林土壤層有效持水量平均為103 603.600 0 kg/hm 是對照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的3.95倍。

植被與土壤的耦合效應直接導致土壤的時空變異性，大部分地表徑流經(jīng)過土壤非毛管孔隙滲入到土壤下層，土壤蓄水及滲透能力強弱主要取決于土壤非毛管孔隙度的大小、數(shù)量與分布[11]。隨著退耕還白樺林年限的增加，土壤容重減少、孔隙度增加、有機質(zhì)增加；相反，對照樣地土壤容重增加、孔隙度減少、有機質(zhì)減少。9年間退耕還白樺林土壤容重由退耕7年時的1.18 g/cm減少到退耕15年時的1.17 g/cm，減少率為0.847 5%，而空白對照土壤容重由原來的1.55 g/cm增加到1.56 g/cm，增加率為0.645 2%，前者是后者的0.75倍；9年間退耕還白樺林土壤非毛管孔隙度由退耕7年時的517%增加到退耕15年時的5.19%，增加率為0.386 8%，而空白對照土壤非毛管孔隙度由原來的1.31%減少到1.30%，減少率為0.763 4%，前者是后者的3.97倍；9年間退耕還白樺林土壤有機質(zhì)由退耕7年時的2.98%增加到退耕15年時的300%，增加率為0.671 1%，而空白對照土壤有機質(zhì)由原來的1.27%減少到1.26%，減少率為0.787 4%，前者是后者的2.37倍?？葜β湮飳幼鳛樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)中比較獨特的結(jié)構(gòu)成分層次，經(jīng)過土壤酶及土壤微生物分解作用后就形成了腐殖質(zhì)，提升了土壤有機質(zhì)含量及土壤孔隙度大小，植被根系纏繞和枯枝落物層協(xié)調(diào)耦合大大增加了地表的粗糙系數(shù)、改善了土壤理化指標性質(zhì)，不僅有益于森林土壤的發(fā)育和改良，而且導致其蓄水保水功能顯著提高[12-13]。

2.3 枯枝落物和土壤總持水效應

森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力與森林植被類型和郁閉度（或蓋度）、枯枝落物構(gòu)成及其蓄積量大小、土壤厚度大小以及土壤理化性質(zhì)指標等緊密關(guān)聯(lián)，是植被與土壤耦合作用的直接結(jié)果[14]。圖3表明退耕還白樺林枯枝落物層和土壤層有效持水量隨著退耕還林年限的增加而增加，退耕7年時枯枝落物層和土壤層有效持水量為115 271.271 5 kg/hm 退耕11年時有效持水量增長到115 565.181 0 kg/hm 退耕15年時有效持水量增長到115 773.149 0 kg/hm 9年間退耕還白樺林枯枝落物層和土壤層有效持水量增加了501.877 5 kg/hm 增長率為0.435 4%。而對照原坡耕地枯枝落物層和土壤層有效持水量穩(wěn)中有降，從退耕7年時的26 254.000 0 kg/hm2降到退耕15年時的26 252.000 0 kg/hm2。退耕15年枯枝落物層和土壤層有效持水量是對照耕地的4.41倍，其中土壤層有效持水量占總持水量的89.62%，枯枝落物有效持水量占1038%；退耕7年枯枝落物層和土壤層有效持水量是對照耕地的4.39倍，其中土壤層有效持水量占總持水量的8972%，枯枝落物有效持水量占10.28%。9年間退耕還白樺林枯枝落物層和土壤層有效持水量平均為115 548.070 3 kg/hm 是對照耕地（平均26 254.000 0 t/hm2）的4.40倍，其中土壤層有效持水量占總持水量89.662 8%，枯枝落物有效持水量占10.337 2%，土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的主體。

受黃土丘陵區(qū)多為超滲產(chǎn)流的影響和限制，表層土壤一般為INVERSE模型的滲吸作用過程，依靠復雜的植被根系來鞏固土壤的多孔式結(jié)構(gòu)，提升土壤對降水量的入滲作用，使得地表徑流能夠有效地轉(zhuǎn)化為地下徑流，進而補給地下水源[15-16]。

3 結(jié)論與討論

退耕還白樺林枯枝落物層、土壤層、枯枝落物層和土壤層有效持水量均隨退耕還林年限的增加而增加，9年間退耕還白樺林枯枝落物層有效持水量增加了171.877 5 kg/hm 增長率為1.451 0%，9年枯枝落物層有效持水量平均為11 944.470 3 kg/hm2；9年間土壤層有效持水量增加了330000 0 kg/hm 增長率為0.319 1%，9年土壤層有效持水量平均為103 603.600 0 kg/hm 是對照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的3.95倍。9年間枯枝落物層和土壤層有效持水量增加了501.877 5 kg/hm 增長率為0.435 4%，9年枯枝落物層和土壤層有效持水量平均為115 548.070 3 kg/hm 是對照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的4.41倍，其中土壤層有效持水量占總持水量的89.66%，枯枝落物有效持水量占10.34%，土壤層是整個森林生態(tài)系統(tǒng)中水循環(huán)作用的主要方面。枯枝落物層持水量取決于枯枝落物層蓄積量及其自然含水率，而土壤層持水量主要取決于其非毛細管孔隙度的多少。

由于受試驗設備條件、技術(shù)力量和研究經(jīng)費等因素限制，該試驗在有限樣本條件下，僅采用單因素隨機區(qū)組設計，研究了不同退耕還白樺林年限的枯枝落物和土壤持水效應，故所得結(jié)論有一定程度的局限性。自然條件狀態(tài)下，植被枯枝落物和土壤持水量同時受植被因子、立地條件和氣象因子等諸多因素共同作用，需要繼續(xù)關(guān)注各因素間的相關(guān)性與耦合性，以獲得較為精確的持水效應。

青海省黃土丘陵區(qū)大通縣實施退耕還林工程中，青海云杉、樺樹及中國沙棘等鄉(xiāng)土樹種是營造水土涵養(yǎng)林及水土保持林的優(yōu)選先鋒樹種，摸索適合于區(qū)域立地條件和氣候因素下的造林技術(shù)及造林模式，優(yōu)化區(qū)域生態(tài)恢復與重建中的喬灌草配置和網(wǎng)帶片配置，適地適樹、適樹適地，以培育混交異齡復層林為終極目標[17]。通過“栽闊”可以提高林分的穩(wěn)定性和縮短森林演替的過程，通過“促針”使得恢復地帶性頂極森林有了保障。

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