接壩山區(qū)陡坡地段闊葉林改造對水文生態(tài)環(huán)境的影響

塔 莉, 梁文俊

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系, 河北 秦皇島 066102; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué), 山西 太谷 030800)

接壩地區(qū)地處灤河上游，對下游地區(qū)的樹木生長和水源涵養(yǎng)影響較重，是渾善達(dá)克沙地與北京地區(qū)之間的一道天然綠色屏障，阻擋著渾善達(dá)克沙地向北京地區(qū)進(jìn)軍的風(fēng)沙，擔(dān)負(fù)著護(hù)衛(wèi)京津生態(tài)安全這一重任，當(dāng)今社會對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求日益增高，人們對綠色生活的更加向往，但是目前清新的空氣、清潔的水源和宜人的氣候等生態(tài)產(chǎn)品明顯短缺，而植樹造林是我們提高環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)地球的一種最好、最有效、最直接的方法，森林能夠通過枯落物層與土壤層的生態(tài)功能來調(diào)節(jié)大氣水分循環(huán)，從而起到涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化水質(zhì)等作用[1-2]。接壩地區(qū)始終致力于森林的培育，植被覆蓋率高，但是坡度較高的陽面陡坡地段仍是植被重建和治理水土流失的重點(diǎn)、難點(diǎn)。目前國內(nèi)對該地區(qū)的研究主要集中在林分結(jié)構(gòu)、生物多樣性、森林健康評價(jià)、針葉純林水文效應(yīng)等方面，而對陡坡地段植被水文生態(tài)研究較少。本文以陡坡地段較為常見的兩種植被類型與引針入闊以后的林分作為研究對象，探究其枯落物層與土壤層水文生態(tài)效應(yīng)，旨在為該地區(qū)造林與改善水文生態(tài)環(huán)境提供一定的科學(xué)依據(jù)[3-4]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在木蘭圍場國有林場管理局，位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi)，區(qū)域地理坐標(biāo)為北緯41°35′—42°40′，東經(jīng)116°32′—117°14′，地處渾善達(dá)克沙地南緣，與塞罕壩均屬灤河上游地區(qū)，是陰山、大興安嶺、燕山余脈的匯接地段，同時(shí)也是連接壩上高原與冀北山地的結(jié)合部，其地質(zhì)構(gòu)造主要趨向于內(nèi)蒙古臺背斜區(qū)，海拔相差較大，從750～1 998 m。這一地區(qū)屬半干旱向半濕潤過度、寒溫帶向中溫帶過度、大陸性季風(fēng)型山地氣候，無霜期67～128 d，年平均氣溫-1.4～4.7 ℃,極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-42.9 ℃，年均降水量380～560 mm，土壤類型主要是黃棕壤與黑棕壤。研究區(qū)內(nèi)植被主要喬木樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、蒙古櫟(QuercusMongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等；林下灌木主要有榛子(Corylusheterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等；草本植物主要烏蘇里苔草(Carexussuriensis)、歪頭菜(Viciaunijuga)、寬葉苔草(Carexsiderosticta)、小花油點(diǎn)草(Tricyrtismacropoda)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)等。

2 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與研究方法

試驗(yàn)地設(shè)置在木蘭圍場國有林場管理局北溝林場哈叭氣營林區(qū)，于2017年6—9月選擇繡線菊灌叢、山杏林與油松—山杏混交林三種植被類型作為研究對象，并在每個(gè)植被內(nèi)設(shè)置3塊大小為30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地并調(diào)查林分的基本情況，其中植被覆蓋度通過實(shí)地測定植被的投影面積并結(jié)合該林場的遙感地圖來確定(表1)。

表1 研究區(qū)3種植被類型標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.1 枯落物層水文測定

在標(biāo)準(zhǔn)樣地4個(gè)角和中心位置各取面積為50 cm×50 cm的小樣方5個(gè)，按照分解程度(未分解、半分解)分層取樣并測定厚度、鮮重。將枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，隨后在設(shè)定75 ℃的烘箱進(jìn)行烘干至恒重，統(tǒng)計(jì)各樣地內(nèi)枯落物的蓄積量。利用室內(nèi)浸泡法對枯落物的持水能力進(jìn)行測定，在尼龍網(wǎng)里放置烘干的枯落物并浸在水中，分別測定0.25，0.5，1，2，4，6，8，10和24 h時(shí)枯落物樣品重量的變化，從而對枯落物持水量、持水過程進(jìn)行研究[5-7]。為體現(xiàn)枯落物的真實(shí)攔蓄量一般都用有效攔蓄量表示：

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；R0——自然含水率(%)；M——枯落物儲量(t/hm2)。

2.2 土壤層水文測定

利用環(huán)刀法和雙環(huán)法對土壤層的物理性質(zhì)進(jìn)行測定，在林分標(biāo)準(zhǔn)地中選取適宜地點(diǎn)進(jìn)行土壤剖面的挖取，將土壤分為3層，分別為0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm，并對土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等持水能力指標(biāo)進(jìn)行測定[8-10]。土壤持水量計(jì)算公式為：

W=10 000P·h

式中：W——土壤持水量(t/hm2)；P——土壤孔隙度(%)；h——土壤厚度(m)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物蓄積量

由表2可知，研究區(qū)3種植被類型林分枯落物厚度變化范圍為11.5～14.8 mm，總蓄積量變動范圍為6.24～9.23 t/hm2，其中油松—山杏混交林均為最大，繡線菊灌叢均為最小，未分解層蓄積量均低于半分解層，這種現(xiàn)象是由于枯落物蓄積量影響因素較多，決定枯落蓄積量則是枯枝落葉進(jìn)入量與分解量，進(jìn)入量受到林分樹種組成、郁閉度、樣地的水平及垂直結(jié)構(gòu)、本身的厚度和林下植被生長情況等因素影響，分解量則受到樹種組成、溫度、濕度、光照等因素影響，綜上可知引針入闊有利于林分枯落物的形成。

表2 研究區(qū)3種植被類型枯落物層厚度與蓄積量

3.2 枯落物水文生態(tài)效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 由表3可知，研究區(qū)3種植被類型中油松—山杏混交林最大持水量最大，為26.30 t/hm2，是最大持水量最小繡線菊灌叢(16.61 t/hm2)的1.6倍，這是由于油松—山杏混交林形成的枯落物蓄積量明顯高于繡線菊灌叢；3種植被類型最大持水率變化范圍在265.78%～281.27%之間，依次為：油松—山杏混交林(281.27%)>山杏林(268.13%)>繡線菊灌叢(265.78%)。油松—山杏混交林最大持水量和最大持水率均高于陡坡地區(qū)原有的兩種林分，而最大持水量反映了林分?jǐn)r蓄能力的潛力，表明引入針葉樹種有助于提高該地區(qū)最大持水潛力的提高。

表3 研究區(qū)3種植被類型最大持水量與最大持水率

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 由表4可知，研究區(qū)3種植被類型枯落物未分解層有效攔蓄量變化范圍為6.32～7.78 t/hm2，差距不是特別明顯，半分解層有效攔蓄量變化范圍為7.32～13.54 t/hm2，枯落物的兩個(gè)層次大小排序一致，均表現(xiàn)為：油松—山杏混交林>山杏林>繡線菊灌叢，在測定林分?jǐn)r蓄能力時(shí)一般采用有效攔蓄量來代表林分真實(shí)攔蓄能力，而采用最大持水量代表林分?jǐn)r蓄能力會導(dǎo)致結(jié)果偏高，綜合以上3種植被類型枯落物有效攔蓄量變化規(guī)律，可知油松—山杏混交林真實(shí)攔蓄能力最強(qiáng)，即在山杏林引入油松后提高了林分枯落物層有效攔蓄能力，枯落物層有效攔蓄量受到林分樹種組成、枯落物蓄積量、郁閉度、溫度、濕度與林下植被生長情況等因素影響，引針入闊要遵循去掉較弱的闊葉樹植入優(yōu)良針葉樹種的原則，在一定程度上提高了林分整體質(zhì)量，并且闊葉引入針葉樹種后提高了林分郁閉度，有效增加枯落物層蓄積量對林分有效攔蓄量有一定的促進(jìn)作用。

3.2.3 枯落物持水過程 由圖1可知，研究區(qū)3種植被類型枯落物未分解層、半分解層持水過程變化趨勢較一致，在枯落物持水初期，枯落物較干燥，其吸水速度較快，林分枯落物蓄積量越多，在一定時(shí)間內(nèi)持水的水量越大，試驗(yàn)中枯落物持水量在浸泡前0.5 h內(nèi)迅速增加，持水量隨著時(shí)間推移逐漸變緩，3種植被類型在浸泡10 h時(shí)基本處于飽和狀態(tài)，室內(nèi)浸泡法模擬的持水過程與室外降雨過程中枯落物表現(xiàn)趨勢基本一致，即降雨初期，枯落物由于較干燥攔蓄降雨的功能較強(qiáng)，隨后由于枯落物濕度增加，一定時(shí)間內(nèi)持水量減少，最后枯落物蓄水飽和將不再吸水。3種植被類型枯落物未分解層、半分解層表現(xiàn)的持水規(guī)律均為：油松—山杏混交林>山杏林>繡線菊灌叢。

表4 研究區(qū)3種植被類型枯落物有效攔蓄量

圖1 研究區(qū)3種植被類型枯落物持水量變化過程

對3種植被類型枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，兩者存在較好的函數(shù)關(guān)系(表5)，具體表達(dá)式為：

Q=aln(t)+b

式中：Q，t，a，b——枯落物持水量(g/kg)、浸泡時(shí)間(h)、方程系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)。

表5 研究區(qū)3種植被類型枯落物持水量、持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.4 枯落物吸水速率 由圖2可知，3種植被類型枯落物兩個(gè)層次吸水速率變化趨勢較為一致，均與浸水時(shí)間呈“倒J”形曲線：枯落物浸泡初期吸水速率非常高，后迅速下降，達(dá)到4 h后下降速度明顯減緩，在10 h后沒有較大變化。3種植被類型枯落物未分解層、半分解層在浸泡初期，油松—山杏混交林吸水速率最大，高于其他兩種林分，繡線菊灌叢遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于喬木林分，3種植被類型枯落物未分解層、半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，兩者具有較好函數(shù)關(guān)系(表5)，表達(dá)式為：

V=ktn(R2>0.99)

式中：V，t，k，n——枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕、浸泡時(shí)間(h)、方程系數(shù)和指數(shù)，其中n是由持水率與時(shí)間進(jìn)行函數(shù)擬合得出。

圖2 研究區(qū)3種植被類型枯落物吸水速率變化過程

3.3 土壤層物理性質(zhì)及水文生態(tài)效應(yīng)

3.3.1 土壤物理性質(zhì) 由表6可知，研究區(qū)3種植被類型土壤容重大小排序?yàn)椋荷叫恿?1.15 g/cm3)>油松—山杏混交林(1.12 g/cm3)>繡線菊灌叢(1.10 g/cm3)，土壤垂直面上隨著深度的增加土壤容重呈現(xiàn)增大的趨勢。

非毛管孔隙度決定土壤有效持水量的大小，3種植被類型大小排序?yàn)椋河退伞叫踊旖涣?6.90%)>山杏林(6.09%)>繡線菊灌叢(5.56%)，說明油松—山杏混交林有效持水量最高，這是由于引針入闊時(shí)要提前進(jìn)行土地的整理并且采取減弱干擾喬木與灌木等干擾因素，增加了針葉樹種生長空間，有利于非毛管孔隙度的形成，因此引針入闊提高了土壤層的有效攔蓄量。

表6 研究區(qū)3種植被類型土壤物理性質(zhì)及持水量

3.3.2 土壤層孔隙度與蓄水能力 由表6可知，不同植被土壤結(jié)構(gòu)有一定的差異，土壤孔隙一定程度上影響了土壤通透性與土壤持水量。非毛管孔隙度決定了林分土壤層有效涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱，有效持水量依次為：油松—山杏混交林(69.00 t/hm2)>山杏林(60.87 t/hm2)>繡線菊灌叢(55.60 t/hm2)；飽和持水量依次為：油松—山杏混交林(458.70 t/hm2)>山杏林(433.07 t/hm2)>繡線菊灌叢(394.67 t/hm2)。林分土壤蓄水能力是判定林分水文生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)之一，而決定林分土壤蓄水能力的主要因子是土壤結(jié)構(gòu)，綜合以上飽和持水量和有效持水量表現(xiàn)可知，油松—山杏混交林的土壤持水能力最強(qiáng)，即油松—山杏混交林土壤層水文生態(tài)效應(yīng)最好，說明引針入闊提高了土壤層蓄水能力，改善了水文生態(tài)環(huán)境。

3.3.3 土壤層的滲透性 由表7可知，3種植被類型土壤層初滲速率差距比較大，油松—山杏混交林初滲速率最大為29.78 mm/min，繡線菊灌叢初滲速率最小為22.38 mm/min，前者為后者的1.33倍，隨著時(shí)間的推移，入滲速率逐漸減慢，直至趨于穩(wěn)滲，3種植被類型穩(wěn)滲速率變化范圍為0.96～1.29 mm/min，依次為：油松—山杏混交林(1.29 mm/min)>山杏林(1.06 mm/min)>繡線菊灌叢(0.96 mm/min)，林分土壤滲透性越好，其水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)，反映出林分土壤層水文生態(tài)效應(yīng)越好，說明引針入闊有效提高了水源涵養(yǎng)能力，改善了水文生態(tài)環(huán)境。對3種植被類型入滲速率與時(shí)間進(jìn)行函數(shù)擬合(圖3)，兩者具有較好的冪函數(shù)關(guān)系：

f=at-b(R2>0.97)

式中：f——入滲速率(mm/min)；a，b——常數(shù)；t——入滲時(shí)間(min)。

表7 研究區(qū)3種植被類型土壤滲透的速率及滲透數(shù)學(xué)模型

圖3 研究區(qū)3種植被類型土壤入滲過程

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)枯落物蓄積量依次為：油松—山杏混交林(9.23 t/hm2)>山杏林(8.55 t/hm2)>繡線菊灌叢(6.24 t/hm2)；有效攔蓄量依次為：油松—山杏混交林(21.32 t/hm2)>山杏林(18.73 t/hm2)>繡線菊灌叢(13.64 t/hm2)，有效攔蓄量決定了林分枯落物層真實(shí)攔蓄能力，但是受到的影響因子較多，與蓄積量、自然含水量和降雨特征等均有關(guān)；枯落物持水量、枯落物持水速率與浸水時(shí)間存在較好的函數(shù)關(guān)系，與陳波等[11]研究結(jié)果相一致。

(2) 研究區(qū)3種植被類型土壤容重隨著土壤深度的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢，非毛管孔隙度則與之相反，這與涂志華等[12]研究結(jié)果一致；3種植被類型中油松—山杏混交林土壤層飽和持水量與有效持水量均為最大，主要取決于油松—山杏混交林土壤的孔隙特性，土壤結(jié)構(gòu)決定林分土壤蓄水能力，土壤蓄水能力反映了林分土壤層水文生態(tài)環(huán)境是否良好，研究中油松—山杏混交林的土壤持水能力最強(qiáng)，即油松—山杏混交林土壤層水文生態(tài)效應(yīng)最好，說明闊葉林改造提高了土壤層蓄水能力，改善了水文生態(tài)環(huán)境；3種植被類型中油松—山杏混交林初滲速率最大為29.78 mm/min，繡線菊灌叢初滲速率最小為22.38 mm/min，林分土壤滲透性越好，其水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)，反映出林分土壤層水文生態(tài)效應(yīng)越好，這說明闊葉林改造有效地提高了其水源涵養(yǎng)能力，改善了水文生態(tài)環(huán)境；3種植被類型土壤入滲速率與入滲時(shí)間之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系(R>0.97)，這與韓雪成等[13]的研究結(jié)果一致。

(3) 綜合枯落物層與土壤層持水能力可知，3種不同植被類型中油松—山杏混交林水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)，而繡線菊灌叢水源涵養(yǎng)能力最差，說明在陡坡地段闊葉林改造在一定程度上增強(qiáng)了林分水源涵養(yǎng)能力，改善了林分水文生態(tài)環(huán)境，因此從增強(qiáng)涵養(yǎng)水源的角度出發(fā)，建議在該地區(qū)灌木林與闊葉林中引入適當(dāng)密度油松，從而改善該地區(qū)水文生態(tài)環(huán)境。

(4) 影響枯落物有效攔蓄量的因子較多，包括蓄積量、自然含水量和降雨特征等。本研究未將主要因素進(jìn)行明確，需要進(jìn)一步的進(jìn)行試驗(yàn)來確定。但是本研究只引入了油松，未將該地區(qū)的主要樹種華北落葉松與云杉進(jìn)行引入，需要進(jìn)一步引入探究。