隴東黃土高原不同林齡蘋(píng)果林地枯落物及土壤的水文效應(yīng)

富 麗， 趙錦梅， 李永寧， 李亞紅， 戴煜亮， 張偉飛

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

枯落物和土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本組分[1]，二者在水源涵養(yǎng)和水土保持方面發(fā)揮著重要作用[2]?？萋湮飳硬粌H能截持降水，防止水蝕，抑制土壤蒸發(fā)，促進(jìn)入滲，而且能改良土壤，提高土壤涵養(yǎng)水源能力[3]。研究認(rèn)為，枯落物層厚度與土壤蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)[4]，且不同的植被類型、林分組成、林齡等對(duì)枯落物截持能力有顯著影響[5]。

林地土壤的持水能力和入滲特性是森林水文作用研究的重要內(nèi)容，它們能反映林地水源涵養(yǎng)和水土保持能力，而土壤持水能力主要與土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)及土層厚度有關(guān)[6]。有研究指出，土壤容重和孔隙度反映了土壤的透水性和通氣性，是決定森林土壤水源涵養(yǎng)和水土保持能力的重要因素[7-8]；土壤通過(guò)滲透和儲(chǔ)存降雨影響林地水量平衡及地表徑流的形成和特征[9-11]。對(duì)林下枯落物和土壤水文效應(yīng)的研究目前還集中在常見(jiàn)森林方面[12]，關(guān)于不同林齡經(jīng)濟(jì)林的研究還鮮有報(bào)道。

經(jīng)濟(jì)林是甘肅省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)民致富的一大支柱產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，靜寧蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了可喜成績(jī)，已成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2017年底，靜寧縣以優(yōu)質(zhì)紅富士品種為主的果園栽培總面積達(dá)6.75×104hm2多，占總耕地面積的68.2%[13]。蘋(píng)果林主要利用荒山丘陵地或退耕地進(jìn)行種植，這為當(dāng)?shù)厝罕娞峁┙?jīng)濟(jì)收入的同時(shí)還改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。為了解該地區(qū)經(jīng)濟(jì)林的枯落物和土壤的水源涵養(yǎng)及水土保持效應(yīng)，本文擬測(cè)定分析蘋(píng)果經(jīng)濟(jì)林的枯落物的蓄積量和持水力及土壤的持水力和入滲特征及其林齡變化，以期能為經(jīng)濟(jì)林的經(jīng)營(yíng)管理和生態(tài)效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)靜寧縣位于甘肅省東部，六盤(pán)山西部，黃土高原丘陵溝壑區(qū)(105°38′—105°59′E，35°16′—35°30′N)，總面積 2 193 km2，耕地面積 9.82×104hm2，海拔1 340～2 245 m。該區(qū)屬于黃土高原暖濕帶半濕潤(rùn)半干旱氣候，年均氣溫8.3 ℃，年均降水量450.8 mm，主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量1 379.2 mm，干旱指數(shù)為1.7，年均日照時(shí)數(shù)2 238 h，無(wú)霜期160 d。土壤主要以黃綿土為主，是典型的雨養(yǎng)型農(nóng)業(yè)縣。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在充分考慮坡度與坡向相對(duì)一致的情況下，于2016年11月，在靜寧縣選取林齡為1，3，7，13和29 a的蘋(píng)果林地，每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取能代表該林齡所有蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)狀況的3棵蘋(píng)果樹(shù)，為避免挖剖面時(shí)對(duì)果樹(shù)根系造成損傷，樣方設(shè)置在距主樹(shù)干一定距離的樹(shù)冠下，樣方大小為50 cm×50 cm，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，樣地情況見(jiàn)表1。

表1 樣地的基本調(diào)查情況

1.3 枯落物和土壤樣品采集

收集每個(gè)樣地內(nèi)所設(shè)小樣方內(nèi)的枯落物，現(xiàn)場(chǎng)稱量鮮重后裝入自封袋；根據(jù)研究區(qū)蘋(píng)果林地根系主要分布在距離主干30—150 cm內(nèi)的20—80 cm深土層中，以40—60 cm土層分布最多的特征[13]，本研究土壤采樣深度為0—80 cm。然后在收集枯落物的對(duì)應(yīng)處挖土壤剖面，用容積為100 cm3環(huán)刀在每個(gè)樣地內(nèi)按0—20，20—40，40—60，60—80 cm土層共計(jì)4層取樣，每層3次重復(fù)。

1.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定[14-15]

將自封袋中的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室在85 ℃下烘干后稱干重，計(jì)算枯落物的蓄積量。將烘干后的枯落物裝入尼龍網(wǎng)中在水中浸泡，當(dāng)浸泡時(shí)長(zhǎng)為0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，12，24 h后，撈起并靜置到枯落物不滴水時(shí)稱重，計(jì)算枯落物最大持水量及持水速率。

Rm=(G24-Gd)/Gd×100%

Ro=(Go-Gd)/Gd×100%

Wm=(Rm-Ro)M

W=(0.85Rm-Ro)M

式中：Rm——枯落物最大持水率(%);Go，Gd和G24——枯落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、枯落物干質(zhì)量和浸水24 h后質(zhì)量(g);Wm——最大攔蓄量(t/hm2);W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);Ro——平均自然含水率(%);M——枯落物蓄積量(t/hm2)。

用烘干法測(cè)定土壤自然含水率，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤田間持水量、毛管持水量和飽和含水量等指標(biāo)，根據(jù)所得指標(biāo)計(jì)算土壤孔隙度、容重和持水量等指標(biāo)[13，16]。

S=10 000hp

式中：S——土壤持水力(t/hm2)；h——土壤層厚度(m);p——非毛管孔隙度(%)。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和圖表繪制使用Excel和軟件SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采樣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 不同林齡蘋(píng)果林地枯落物的水源涵養(yǎng)功能

2.1.1 不同林齡蘋(píng)果林地枯落物的攔蓄能力 如表2所示，研究區(qū)枯落物各水文功能指標(biāo)值均隨林齡增加表現(xiàn)為先增大后減小，具體變化為：在1～7 a內(nèi)，枯落物的攔蓄能力成倍增長(zhǎng)，尤其是從1～3 a，增長(zhǎng)速度最大的最大攔蓄量和有效攔蓄量達(dá)10倍左右；在3～7 a，增速相對(duì)較慢，各指標(biāo)基本保持約1～3倍；在7～29 a林齡，枯落物的攔蓄能力有所下降。方差分析發(fā)現(xiàn)：1 a的各指標(biāo)與其他林齡之間的差異顯著，7，13 a和29 a兩兩之間的差異均不顯著，13，29 a與3 a林齡之間的差異不顯著，但7 a與3 a林齡各指標(biāo)之間差異顯著；自然含水率的值在13 a林齡時(shí)最大，在1 a林齡時(shí)最小，1 a與其他林齡之間的差異性均顯著，而其余各林齡之間的差異不顯著。這表明蘋(píng)果經(jīng)濟(jì)林枯落物的攔蓄能力在初值7 a內(nèi)持續(xù)提高，之后隨著林齡增加而降低。

表2 研究區(qū)不同林齡蘋(píng)果林地枯落物層的攔蓄能力

注：不同字母表示不同林齡之間差異性顯著(p<0.05)。下同。

2.1.2 不同林齡蘋(píng)果林地枯落物持水率隨時(shí)間的變化 由圖1可看出，5種林齡蘋(píng)果林枯落物的持水率隨浸水時(shí)間增加而增大，結(jié)合吸水速率的變化(圖2)，動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可分為3個(gè)階段。

圖1蘋(píng)果林樣地枯落物持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系圖2蘋(píng)果林樣地枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

①急劇增加階段：在0～0.5 h內(nèi)，枯落物持水率迅速增大，在第0.5 h時(shí)刻，不同林齡枯落物的持水率大小為：29 a>1 a>13 a>3 a>7 a，此時(shí)枯落物的吸水速率達(dá)到最大，不同林齡枯落物吸水速率與持水率大小一致；②波動(dòng)增加階段：在0.5～4 h內(nèi)，枯落物的持水率雖然在增加，但是增加的速率遠(yuǎn)小于前一時(shí)段，3,7和29 a的吸水速率有所波動(dòng)，但枯落物吸水速率整體變化呈迅速減小態(tài)勢(shì)；③平穩(wěn)階段：4 h以后，枯落物持水率增加的態(tài)勢(shì)趨于平穩(wěn)，吸水速率一直在減小并趨向于0，此時(shí)段內(nèi)枯落物持水率的大小為：7 a>13 a>29 a>1 a>3 a。對(duì)5種不同林齡枯落物的持水率和吸水速率分別與浸水時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析(表3)，得出不同林齡的枯落物持水率與浸泡時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.90)，吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(R>0.64)，結(jié)果與魯紹偉等[17]、盧振啟等[18]的研究一致。

表3 不同林齡蘋(píng)果林樣地枯落物的持水率、吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

2.2 不同林齡蘋(píng)果林地土壤的水源涵養(yǎng)功能

2.2.1 不同林齡蘋(píng)果林地土壤物理性狀及其持水能力 由表4可知，隨著林齡增大，不同林齡蘋(píng)果林地土壤容重表現(xiàn)為13 a>7 a>29 a>3 a>1 a，各林齡之間差異不顯著；總孔隙度、毛管孔隙度及最大持水量的變化相同，均先增大后減小，3 a時(shí)達(dá)最大值，與最小值29 a之間的差異顯著；非毛管孔隙度與有效持水量的變化一致，總體呈增加趨勢(shì)，但是13 a時(shí)達(dá)到最大值，且與其他林齡之間的差異性顯著；自然含水率在1～13 a間持續(xù)降低，在13 a時(shí)最小，但在29 a時(shí)最大。

表4 不同林齡蘋(píng)果林樣地土壤物理性狀

2.2.2 不同林齡蘋(píng)果林地土壤的入滲性能 由表5可知，不同林齡蘋(píng)果林地土壤初滲速率的大小關(guān)系為：3 a>1 a>29 a>7 a>13 a，且方差分析的結(jié)果為：1,3,29 a之間的差異不顯著，它們與7,13 a之間的差異顯著，7和13 a之間的差異不顯著；穩(wěn)滲速率的大小關(guān)系表現(xiàn)為：3 a>1 a>29 a>13 a>7 a，3與7 a之間的差異顯著，其余林齡之間的差異不顯著；平均滲透速率的大小與初滲速率和穩(wěn)滲速率的關(guān)系一致，差別在于7與13 a的相等，且各林齡之間的差異性不顯著。綜上所述，土壤的通透性隨著林齡的增大，在林齡1～3 a內(nèi)有所提高，3～7 a減小較快，之后保持平穩(wěn)，13 a之后又有所提高。

表5 不同林齡蘋(píng)果林樣地土壤通透性

3 討 論

3.1 不同林齡蘋(píng)果林對(duì)枯落物的水文效應(yīng)的影響

蘋(píng)果林地枯落物的水文效應(yīng)與林齡密切相關(guān)?？萋湮锞哂泻軓?qiáng)的持水能力，在涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著重要的作用，因此枯落物的持水量被作為評(píng)估植被水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一[19]。王美蓮等[20]在對(duì)不同林齡興安落葉松的研究中發(fā)現(xiàn)，不同林齡枯落物的有效攔蓄量(率)差別很大，林齡越大，攔蓄量(率)越大，而葉晶等[21]通過(guò)對(duì)不同經(jīng)營(yíng)年限的核桃林地的研究發(fā)現(xiàn)，隨著經(jīng)營(yíng)年限的延長(zhǎng)，林地枯落物層蓄積量、最大持水量和有效攔蓄量呈下降的趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果經(jīng)濟(jì)林地枯落物的攔蓄作用隨林齡的增加表現(xiàn)為先增大后減小，7 a時(shí)達(dá)到最大值，這與李文影等[22]對(duì)不同林齡白樺次生林研究的研究結(jié)果一致。造成這種差異的原因可能與研究區(qū)的氣候有關(guān)，大興安嶺屬寒溫帶濕潤(rùn)性氣候，核桃的研究區(qū)位于浙江省屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，而本實(shí)驗(yàn)研究區(qū)與李文影等的研究區(qū)的氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，由于氣候的差異?dǎo)致降雨量、氣溫及干濕季的分布不同，進(jìn)一步對(duì)枯落物攔蓄能力造成影響，但具體的作用機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

枯落物的蓄積量與林地的林齡、生長(zhǎng)狀況等自身的生物學(xué)特性及林下植被類型、氣候、水熱等外部環(huán)境條件有關(guān)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，枯落物的蓄積量隨著林齡的增大先增大后減小，以1 a時(shí)的最小，7 a時(shí)的最大，分析認(rèn)為，林齡為7 a的蘋(píng)果林，每年的生長(zhǎng)量大，能夠在短時(shí)間內(nèi)形成大量的枯落物，這是造成枯落物蓄積量顯著高于其他林齡蘋(píng)果林的主要原因。林齡為1 a和3a的蘋(píng)果林因其樹(shù)木矮小，葉片的生長(zhǎng)量也遠(yuǎn)小于其他林齡，這是導(dǎo)致林齡1 a和3 a的蘋(píng)果林的枯落物蓄積量顯著小于其他林齡的主要因素。13 a和29 a的蘋(píng)果林經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)營(yíng)與利用，林木逐漸老化，當(dāng)年的生長(zhǎng)量逐漸減小，尤其是29 a的蘋(píng)果林需要更新，分析認(rèn)為這是導(dǎo)致13和29 a的枯落物蓄積量逐漸減小的主要原因。從枯落物持水率來(lái)看，枯落物持水率最高的是林齡為7 a的蘋(píng)果林，3 a的蘋(píng)果林最小，這一變化規(guī)律與5種蘋(píng)果林地枯落物蓄積量變化相一致，因此得出枯落物的蓄積量越大，枯落物的持水率也大，這一特征與趙錦梅等[24]的研究結(jié)果一致。

3.2 不同林齡蘋(píng)果林地對(duì)土壤的水文效應(yīng)的影響

土壤容重和孔隙度是表征土壤物理性能的重要指標(biāo)[25]。文章研究發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增大，土壤容重的變化較小，且各林齡之間的差異不顯著，這是因?yàn)槿葜刈鳛橥寥赖墓逃袑傩?，某一特定的土壤有其?duì)應(yīng)的閾值。有研究指出，土壤持水能力高低取決于在一定土壤厚度條件下土壤容重和孔隙的大小[26-27]。土壤最大持水量與總孔隙度、毛管孔隙度的變化相同；它們隨林齡的增大先增大后減小，整體呈減小趨勢(shì)，非毛管孔隙度與有效持水量雖波動(dòng)變化，但總體呈增加趨勢(shì)，高朝俠等[28]在對(duì)黃土高原塬區(qū)土地利用方式對(duì)土壤大孔隙的研究中指出，林木在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根系的擠壓、分割作用，改變了土壤的結(jié)構(gòu)，增加了土壤的大孔隙；另外，隨林齡的增大，枯落物的分解使得土壤的有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤顆粒容易形成團(tuán)聚體，有機(jī)質(zhì)的增加還能提高土壤動(dòng)物的活動(dòng)，增加土壤的大孔隙。盧立娜等[29]對(duì)不同林齡沙棘研究的研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增大，土壤的非毛管孔隙度也增加。土壤孔隙度的變化還可能與不同耕作與經(jīng)營(yíng)管理方式有關(guān)。上述土壤大孔隙的變化也能解釋土壤滲透性的變化。

土壤自然含水率先持續(xù)降低，13 a之后又增加，這可能是因?yàn)殡S著林齡增大，蘋(píng)果樹(shù)逐漸成熟，生理生長(zhǎng)所需的水分也逐漸增大，導(dǎo)致土壤中的水分也相應(yīng)減小，但是13 a以后，蘋(píng)果樹(shù)開(kāi)始老化，代謝下降，所需的水分也隨之減少，土壤中的水分又開(kāi)始回升。

土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的重要參數(shù)之一，其大小受植被類型、植被結(jié)構(gòu)、根系分布和土壤結(jié)構(gòu)等影響[30]，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的滲透性隨著林齡的增大，在1～3 a內(nèi)提高，3～7 a減小較快，之后保持平穩(wěn)，13 a之后又增大，與總孔隙度、毛管孔隙度的變化相同，這可能與前期農(nóng)田的土地利用有關(guān)，1～3 a間沒(méi)有采摘等活動(dòng)壓實(shí)土壤，同時(shí)草本生長(zhǎng)增加了土壤表層孔隙度；但在以后，隨著果園管理的人為踐踏和除草等活動(dòng)干擾加強(qiáng)，土壤滲透速率反而降低。這也說(shuō)明土壤滲透性能和土壤物理性狀密切相關(guān)[31-32]。

4 結(jié) 論

(1) 不同林齡蘋(píng)果林地枯落物層持水量、吸水速率與浸水時(shí)間分別符合對(duì)數(shù)函數(shù)(R>0.90)和冪函數(shù)(R>0.64)。隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，各不同蘋(píng)果林地枯落物持水量和吸水速率均在前0.5 h內(nèi)變化較快，之后變化趨勢(shì)變緩。

(2) 各不同蘋(píng)果林地枯落物層蓄積量在0.69～5.91 t/hm2，其中7 a林齡蘋(píng)果林地枯落物的蓄積量最大，1 a的蓄積量最小。7 a林齡蘋(píng)果林地枯落物的最大持水量最大，為20.66 t/hm2，是1 a林齡蘋(píng)果林地枯落物持水能力的4.1倍。各不同蘋(píng)果林地枯落物有效攔蓄率變化范圍為99.58%～292.23%；最大有效攔蓄率為7 a林齡蘋(píng)果林，最小有效攔蓄率為1 a林齡蘋(píng)果林。

(3) 土壤容重變化不大，其變化范圍為1.173～1.372 g/cm3，但總孔隙度、毛管孔隙度及最大持水量均表現(xiàn)為先增大后減小，分別為52.46%～57.06%，46.34%～51.87%，1 049.15～1 141.26 t/hm2，非毛管孔隙度與有效持水量總體呈增加趨勢(shì)。

不同林齡蘋(píng)果林地枯落物的攔蓄能力在林齡為7 a 時(shí)達(dá)最大，而土壤的水土保持功能在林齡為3 a時(shí)較好，這反映出枯落物和林地土壤的水文效應(yīng)變化并不同步，而且隨著林齡的增大也會(huì)出現(xiàn)功能衰退的趨勢(shì)，對(duì)于這一變化今后做進(jìn)一步的深入的研究。