0.930 6),吸水速率與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.999 5)。未分解層厚度、儲量、自然含水量、吸水速率低于半分解層,有效攔蓄量"/>
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    不同林分密度原始紅松林枯落物和土壤的持水特性

    2020-09-17 13:44劉忠玲呂躍東姚穎
    森林工程 2020年5期
    關(guān)鍵詞:紅松土壤

    劉忠玲 呂躍東 姚穎

    摘 要:為探討林分密度對原始紅松林水源涵養(yǎng)功能的影響,本文采用室內(nèi)浸水和環(huán)刀浸泡法,研究豐林保護區(qū)內(nèi)不同密度原始紅松林枯落物和土壤的持水量差異。結(jié)果表明:①枯落物厚度為2.37~5.10 cm,枯落物儲量為10.10~13.96 t/hm2,枯落物層有效攔蓄量為3.81~9.66 t/hm2??萋湮锍炙颗c浸水時間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.930 6),吸水速率與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.999 5)。未分解層厚度、儲量、自然含水量、吸水速率低于半分解層,有效攔蓄量高于半分解層。②土壤容重(0~30 cm)為0.78~0.90 g/cm3,土壤有效持水量為229.70~441.57 t/hm2,土壤總孔隙度隨土層加深而降低。③180 株/hm2和360 株/hm2的林分枯落物層有效攔蓄量、土壤層有效持水量均顯著高于80 株/hm2的林分(p<0.05)。180 株/hm2的林分地表層最大持水量顯著高于360 株/hm2的林分(p<0.05),有效持水量顯著高于80 株/hm2的林分(p<0.05)。綜上,研究區(qū)內(nèi)密度為180 株/hm2的原始紅松林水源涵養(yǎng)功能最強。

    關(guān)鍵詞:豐林保護區(qū);紅松(Pinus koraiensis);枯落物;土壤;持水特性

    中圖分類號:S714 ? ?文獻標識碼:A ? 文章編號:1006-8023(2020)05-0008-08

    Abstract:In order to explore the impacts of stand density on the hydrological functions of original Korean pine forests stands, the water-holding characteristics of litter layer and soil layer of forest in Fenglin Nature Reserve were surveyed by using soaking method and cutting ring method. The results showed that:(1)The litter thickness was 2.37~5.10 cm, and the litter storage was 10.10~13.96 t/hm2, the effective water interception capacity was at range of 3.81~9.66 t/hm2 . The water-holding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time (R2 > 0.930 6), and water absorption rate showed a power function with soaking time (R2 > 0.999 5). The thickness and storage, natural water-holding capacity and water absorption rate of un-decomposed layer were lower than those of semi-decomposed layer, while the effective water interception capacity was higher. (2)Soil bulk density was 0.78~0.90 g/cm3, soil effective water-holding capacity was 229.70~441.57 t/hm2. With the deepening of the soil (0~30 cm), soil total porosity was decreased. (3)The effective water interception capacity of litter layer of 180 plants/hm2 and 360 plants/hm2 stands were significantly higher than that of 80 plants/hm2 stands (p<0.05). The total maximum water-holding capacity of 180 plants/hm2 was significantly higher than that of 360 plants/hm2 (p<0.05), and the total effective water-holding capacity was significantly higher than that of 80 plants/hm2 (p<0.05). The comprehensive results showed that the water conservation function of original Korean pine forest with a density of 180 plants/hm2 was the best.

    Keywords:Fenglin Nature Reserve; Korean pine; litter; soil; water-holding characteristics

    0 引言

    森林具有保持水土、涵養(yǎng)水源的功能??萋湮飳幼鳛樯炙男牡诙顒訉樱苯痈采w地表,能夠攔截降水,增加降水入滲,減少地表徑流[1-3]。土壤層作為森林水文效應的第三活動層,有利于雨水下滲,使森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的功能更好地發(fā)揮出來[4]。不同類型的森林植被影響著森林水文調(diào)節(jié)效果,目前對森林水源涵養(yǎng)效應的研究主要涉及同一區(qū)域不同林型、同一林分類型不同密度、不同混交方式、不同海拔、不同演替階段等的林分水源涵養(yǎng)功能的研究[5-10]。對于紅松(Pinus koraiensis)林持水性能的研究主要集中于紅松人工林,極少涉及紅松天然林[4-5,7,11-16]。

    豐林自然保護區(qū)主要保護對象是以紅松為主的北溫帶針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng),保護區(qū)內(nèi)保存著我國目前最典型、最完整的原始紅松針闊混交林[17]。本文對保護區(qū)內(nèi)不同密度原始紅松林枯落物和土壤持水特性進行比較分析,可為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護提供理論支持。

    1 研究地區(qū)概況

    豐林自然保護區(qū)位于東北地區(qū)小興安嶺南坡北緣,地理坐標為128°58′~129°15′ E,48°02′~48°12′ N。植物區(qū)系屬長白植物區(qū)系小興安嶺亞區(qū),地帶性植被是以紅松為優(yōu)勢的溫帶針闊葉混交林,主要類型為椴樹紅松林、楓樺紅松林、云冷杉紅松林和云冷杉林等仍具有原始林特色的針闊混交林、針葉混交林,少量分布天然次生林[17]。本試驗紅松原始林主林層為紅松,更新層有云杉(Picea jezoensis var.microperma)、冷杉(Abies nephrolepis)、紫椴(Tilia amurensis)、青楷槭(Acer tegmentosum)和裂葉榆(Ulmus laciniata (Trautv.) Mayr.)等。

    2 研究方法

    2.1 樣地設置

    2017年6月下旬,在80、180、360 株/hm2的天然紅松林(分別以FH1、FH2、FH3表示)內(nèi)各設置3塊20 m× 25 m標準地,對其中的林木進行胸徑、樹高等調(diào)查,樣地基本情況見表1。

    2.2 林下枯落物采集與蓄積量測定

    在各標準地內(nèi)隨機設置3個50 cm×50 cm的枯落物收集樣方,將未分解層和半分解層分別裝入密封袋中,并在收集的過程中記錄枯落物層厚度。實驗室內(nèi)稱自然狀態(tài)質(zhì)量,在80 ℃烘箱中烘至恒重后稱其烘干質(zhì)量,以烘干質(zhì)量推算枯落物蓄積量[6,8]。

    2.3 枯落物持水的測定

    將烘干后的樣品裝入網(wǎng)眼為0.5 mm的尼龍網(wǎng)袋中,放置在盛有清水的白盒中浸泡,分別在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h時取出,靜置至不滴水時立即稱質(zhì)量,計算持水量、吸水速率和攔蓄量等指標[1-4]。

    2.4 土壤持水的測定

    采用剖面法,在各個樣地的四角和中間分別選取5個剖面,用環(huán)刀(100 cm3)在每個剖面上按照0~10、10~20、20~30 cm分層垂直采樣,每層一個樣品,同時用鋁盒取土樣,用烘干法測定土壤含水量;用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度[7,9]。

    2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

    采用Excel和SPSS 21.0,進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比較,顯著性水平為0.05,采用Excel制圖。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 枯落物層蓄積量

    枯落物層的厚度范圍為2.33~5.10 cm,F(xiàn)H2與FH3枯落物厚度差異顯著(p<0.05),F(xiàn)H1與FH2未分解層厚度差異顯著(p<0.05),見表2。枯落物總蓄積量為10.10~13.96 t/hm2,各密度間差異不顯著。各密度林分枯落物層厚度和蓄積量均為半分解層高于未分解層。

    3.2 枯落物持水過程

    不同類型枯落物持水量隨浸水時間的延長均呈增加趨勢(圖1),浸水0.5 h,持水量急速增加,持水量可達最大持水量的75 %以上,浸水0.5~4 h,持水量增加變緩,隨后持水量增加速度保持穩(wěn)定,10 h持水量可達到最大持水量的94 %以上,直至飽和。

    在浸水過程中同時間段持水量比較,總持水量、半分解層持水量FH3>FH2>FH1,未分解層持水量FH3>FH1>FH2。

    不同類型枯落物層吸水速率隨浸水時間的變化均呈下降趨勢(圖2),浸水0.5~4 h,枯落物吸水速率直線下降,4~8 h吸水速率下降變緩,而后枯落物吸水速率趨向一致,曲線趨于平直。在浸水過程中,3種密度的林分同時間段吸水速率的排序與持水量排序一致。

    枯落物層浸水0.5~24 h的持水量W (t/hm2)與浸泡時間t (h)的關(guān)系可以用一元對數(shù)方程進行擬合,枯落物的吸水速率V(t/(hm2·h))與浸泡時間t (h)的關(guān)系符合冪函數(shù)模型,見表3。

    3.3 枯落物自然含水量、最大持水量和有效攔蓄量

    3種密度的紅松原始林枯落物自然含水量差異不顯著(p>0.05)。從枯落物各組分來看,半分解層自然含水量高于未分解層,見表4。

    3種密度的紅松原始林枯落物最大持水量相當于可吸收2.2~2.9 mm的降水,差異不顯著(p>0.05)。從枯落物各組分來看,半分解層最大持水量高于未分解層,見表5。

    3種密度的紅松原始林枯落物最大持水率相當于可吸收自身干重2.1~2.3倍的降水,差異不顯著(表5)。從枯落物各組分來看,F(xiàn)H1未分解層最大持水率大于半分解層,F(xiàn)H2和FH3半分解層最大持水率大于未分解層。

    3種密度的紅松原始林枯落物有效攔蓄量范圍為3.81~9.66 t/hm2,未分解層、半分解層及全部枯落物有效攔蓄量排序均為FH3>FH2>FH1,差異顯著(p<0.05),見表6。從枯落物各組分來看,未分解層有效攔蓄量大于半分解層。

    3.4 土壤物理性質(zhì)和持水量垂直分布特征

    在0~30 cm深度,F(xiàn)H2和FH3林分3個土層間的土壤容重表現(xiàn)為表層最低,隨土層加深而增加,F(xiàn)H1無顯著變化,見表7;各林分3個土層間的土壤總孔隙度有顯著差異(p<0.05),表現(xiàn)為表層最高,隨土層加深而降低。非毛管孔隙度在各林分表現(xiàn)的不同,在FH1林分內(nèi)無顯著差異,在FH2林分內(nèi)隨土層加深而增加,在FH3內(nèi)呈現(xiàn)隨土層加深而降低趨勢;各林分3個土層間的最大持水量有顯著差異(p<0.05),表現(xiàn)為表層最高,隨土層加深而降低。有效持水量在各林分表現(xiàn)的不同,在FH1林分內(nèi)無顯著差異,在FH2林分內(nèi)隨土層加深而增加,在FH3林分內(nèi)呈現(xiàn)隨土層加深而降低趨勢。

    3.5 不同密度的林分土壤層物理性質(zhì)和持水量

    3種密度的林分土壤容重均值(0~30 cm)范圍為0.78~0.90 g/cm3(表8),差異不顯著。土壤總孔隙度排序為FH2>FH1>FH3,F(xiàn)H2顯著高于FH3(p<0.05),非毛管孔隙度排序為FH2>FH3>FH1,且FH2和FH3顯著高于FH1(p<0.05)。

    土壤最大持水量范圍為1 723.43~1 991.30 t/hm2,F(xiàn)H2>FH1>FH3。土壤有效持水量范圍為229.70~441.57 t/hm2,F(xiàn)H2>FH3>FH1。FH2土壤最大持水量顯著高于FH3,有效持水量顯著高于FH1(p<0.05)。

    3.6 森林地表層持水能力綜合評價

    森林持水能力主要受枯落物層和土壤層影響,林地最大持水量相當于水源涵養(yǎng)能力的理論值,而有效持水量更能反映其實際持水能力[18-19]。

    以枯落物層和土壤層(0~30 cm)蓄水之和進行比較,F(xiàn)H2林地表層最大持水量和有效持水量均最高,且最大持水量顯著高于FH3,有效持水量顯著高于FH1(p<0.05),見表9。

    各林地土壤層最大持水量占林地最大持水量總和的百分比均達到98%以上(表9),土壤層有效持水量占林地有效持水量總和的97%以上,說明土壤層對森林涵養(yǎng)水源的作用是主要的。

    4 討論與結(jié)論

    4.1 討論

    原始紅松林的枯落物厚度FH3>FH1>FH2,枯落物蓄積量差異不顯著(表2),主要是由于FH2和FH3林下取樣時部分樣點有果實,果實分布不均對枯落物蓄積量影響較大。有研究表明,阿什河流域帽兒山地區(qū)紅松人工純林及混交林枯落物蓄積量為6.35~19.07 t/hm2[4,7,12-13],渾河上游紅松人工林和紅松闊葉混交林枯落物蓄積量分別為17.83 t/hm2和21.20 t/hm2[14],老禿頂子國家級自然保護區(qū)內(nèi)紅松林枯落物蓄積量為27.58 t/hm2[11],長白山紅松闊葉林枯落物蓄積量為4.68 t/hm2[5]。本試驗林分枯落物總蓄積量為10.10~13.96 t/hm2,與阿什河流域紅松林枯落物總蓄積量相近。

    枯落物持水量隨浸水時間呈對數(shù)函數(shù)增長,吸水速率隨浸水時間呈冪函數(shù)下降(表3),這兩種函數(shù)模型與他人研究結(jié)果一致[2,7,11,13]??萋湮锝?.5 h內(nèi)吸水速率最快,持水量急速增加,說明林地枯落物短時間內(nèi)對降雨有較好的攔蓄功能[7]??萋湮锏淖畲蟪炙渴菍⒖萋湮锖娓蓸悠方?4 h后測定的結(jié)果,有效攔蓄量則考慮了地形條件和枯落物層自然含水率,更能反映枯落物層對降雨的實際攔蓄情況[13]。有研究表明紅松純林及紅松闊葉混交林的枯落物有效攔蓄量約5.20~30.14 t/hm2[4-5,7,12-14]。本試驗林分枯落物有效攔蓄量范圍為3.81~9.66 t/hm2,枯落物層持水能力水平偏低。

    3個密度的林分未分解層蓄積量、自然含水量均低于半分解層(表4),有效攔蓄量均高于半分解層(表6),這表明在降雨時,未分解層能發(fā)揮更大的截持降雨作用,所以應對林內(nèi)枯落物加以保護,不被撿拾或破壞。

    土壤毛管孔隙中的水分用于供給植物生長和土壤蒸發(fā);非毛管孔隙的水分可以做橫向滲透,沿著不透水層由高到低供應湖泊、河流,所以土壤涵養(yǎng)水分的能力與非毛管孔隙的多少有著密切關(guān)系[2,13]。隨土層加深,土壤容重呈增加趨勢,總孔隙度隨土層加深而降低,與陳瑤等[20]研究結(jié)果一致。FH2非毛管孔隙度和有效持水量顯著高于FH1,非毛管孔隙的垂直分布在各林分也表現(xiàn)的不同,可見林分密度對土壤孔隙的影響較為明顯,F(xiàn)H2林內(nèi)降水可很快通過非毛管孔隙轉(zhuǎn)入地下水,起到涵養(yǎng)水源的作用。有研究表明紅松純林及紅松闊葉混交林的土壤有效攔蓄量約175.41~386.10 t/hm2[4,7,13-15]。本試驗紅松林土壤有效持水量范圍為229.70~441.57 t/hm2(表8),土壤水源涵養(yǎng)功能較好。

    4.2 結(jié)論

    (1)豐林保護區(qū)紅松原始林枯落物厚度為2.37~5.10 cm,蓄積量為10.10~13.96 t/hm2,有效攔蓄量為3.81~9.66 t/hm2??萋湮锍炙颗c浸水時間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.930 6),吸水速率與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.999 5)。未分解層厚度、蓄積量、自然含水量和吸水速率低于半分解層,有效攔蓄量高于半分解層。

    (2)豐林保護區(qū)紅松原始林土壤容重均值(0~30 cm)變化范圍為0.78~0.90 g/cm3,土壤有效持水量范圍為229.70~441.57 t/hm2,土壤總孔隙度隨土層加深而降低。

    (3)FH3和FH2枯落物層有效攔蓄量、土壤層有效持水量均顯著高于FH1(p<0.05)。以枯落物層和土壤層蓄水之和進行評價,F(xiàn)H2林地表層最大持水量和有效持水量均最高,且最大持水量顯著高于FH3,有效持水量顯著高于FH1(p<0.05)。綜合考慮枯落物層和土壤層的水文效應,密度為180 株/hm2的紅松林水源涵養(yǎng)功能最強。

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