吉林省遼河流域不同植被類型土壤水源涵養(yǎng)能力分析

于忠亮，付世萃，王梓默，潘艷艷，苑景淇，楊 帆，張大偉

(1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130117； 2.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022)

在水資源日益短缺和水質(zhì)遭受嚴(yán)重破壞的背景下，水源涵養(yǎng)功能得到了越來越多的關(guān)注，水源涵養(yǎng)林既可以涵養(yǎng)水源，又可以保育土壤[1]。土壤作為植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)物質(zhì)，在整個森林生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，其質(zhì)量是衡量退化生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一[2-3]。森林水文運(yùn)動過程主要包括林冠層、枯枝落葉層和土壤層三部分，林冠層的截留能力與植被郁閉度有關(guān)，枯枝落葉層的截留能力受其樹種組成和葉片儲存厚度制約，土壤層的截留能力與土壤孔隙大小有關(guān)[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)地上持水量僅占林分水源涵養(yǎng)能力的15%左右，土壤層占林分水源涵養(yǎng)的85%左右，是涵養(yǎng)水源的主體[6]。土壤具有減少地表徑流、控制水土流失的作用，對植被修復(fù)和生態(tài)保護(hù)有重要意義。

遼河是我國七大河流之一，隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，水資源的過度開發(fā)利用和水體污染的日益加重導(dǎo)致河流兩岸的植被及土壤受到極大的干擾，對原有土壤水源涵養(yǎng)功能造成嚴(yán)重影響。眾多學(xué)者對不同林型[7]、不同林分密度[8]、近林齡不同種之間[9]等的土壤水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行了研究，然而關(guān)于不同植被類型的土壤水源涵養(yǎng)能力卻少有論述。本研究選取吉林省遼河流域內(nèi)6種植被類型的樣地，研究不同植被類型土壤在0～60 cm深度的結(jié)構(gòu)特征、持水能力和滲透能力，分析不同植被類型土壤的水源涵養(yǎng)能力，為水源涵養(yǎng)林建設(shè)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼河流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧四省(自治區(qū))，吉林省內(nèi)的遼河流域地處東經(jīng)122°05′～125°35′、北緯42°37′～44°41′，位于吉林省西南部，流經(jīng)四平市、雙遼市、公主嶺市、遼源市、梨樹縣、伊通滿族自治縣、東遼縣、龍山區(qū)等。屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)溫差較大，四季分明，年均氣溫6.15 ℃，年均降水量600 mm，年日照時長2 150～3 000 h。流域兩側(cè)以次生林、針闊混交林為主，主要樹種有山楊(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黃刺玫(Rosaxanthina)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、蒙古櫟(Quercusmongolica)，主要草本有豬毛蒿(Artemisiascoparia)、馬齒筧(Portulacaoleracea)、鴨跖草(Commelinacommunis)等。

1.2 樣地設(shè)置與采樣

2019年7月15—26日對布設(shè)在吉林省遼河流域的51個調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，有效調(diào)查點(diǎn)位46個(圖1)。依據(jù)海拔、坡度坡向、土壤類型、植被生長狀況等選取具有代表性的樣地，包括闊葉林樣地5個、針葉林樣地5個、針闊混交林樣地5個、灌木林樣地8個、草地樣地10個、農(nóng)田樣地5個，其中闊葉林、針葉林和針闊混交林樣地大小為30 m×30 m、灌木林和農(nóng)田樣地大小為10 m×10 m、草地樣地大小為5 m×5 m。統(tǒng)計各樣地海拔、坡度坡向、土壤類型、植被組成等相關(guān)指標(biāo)，樣地概況見表1。同時采用100 cm3環(huán)刀，按照0～20、20～40、40～60 cm土層深度分層采集各樣地土壤樣本，共采集土樣114個，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤指標(biāo)測定。

圖1 吉林省遼河流域調(diào)查點(diǎn)分布

表1 各樣地類型概況

1.3 土壤指標(biāo)測定

土壤結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)包括土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤非毛管孔隙度，計算公式分別為

D=(m3-m)/v

(1)

Ptot=(m1-m3)/(m3-m)×D×100%

(2)

Pcap=(m2-m3)/(m3-m)×D×100%

(3)

Pnon=Ptot-Pcap

(4)

上四式中：D為土壤容重，g/cm3；m、m1、m2、m3分別為環(huán)刀質(zhì)量、浸泡12 h后環(huán)刀及土壤的質(zhì)量、靜置5 h后環(huán)刀及土壤的質(zhì)量、烘干后環(huán)刀及土壤的質(zhì)量，g；v為環(huán)刀體積，cm3；Ptot、Pcap、Pnon分別為土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度，%。

土壤持水能力指標(biāo)包括土壤含水量、最大持水量、毛管持水量，計算公式分別為

Cw=(m0-m3)/(m3-m)

(5)

Cmax=(m1-m3)/(m3-m)×103

(6)

Ccap=(m2-m3)/(m3-m)×103

(7)

上三式中：Cw為土壤含水量，%；m0為環(huán)刀及土壤的質(zhì)量，g；Cmax、Ccap分別為最大持水量、毛管持水量，g/kg；其他符號意義同上。

土壤滲透能力指標(biāo)包括土壤滲透速率和土壤滲透系數(shù)。土壤滲透速率依據(jù)《森林土壤濾率性的測定》(LY/T 1218—1999)計算；根據(jù)達(dá)西定律，分別計算初始溫度時土壤滲透系數(shù)(K0)和10 ℃時土壤滲透系數(shù)(K10)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及水源涵養(yǎng)能力計算

采用Excel 2020和SPSS 21.0軟件對外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相關(guān)分析。采用坐標(biāo)綜合評定法評定不同植被類型土壤的結(jié)構(gòu)特征、土壤持水能力和土壤滲透能力三項(xiàng)指標(biāo)，分別用p1、p2、p3表示，三項(xiàng)指標(biāo)值相加得到不同林型土壤的水源涵養(yǎng)能力指標(biāo)(p)。坐標(biāo)綜合評定法基于多維空間理論，將評定指標(biāo)視為多向量決定的空間點(diǎn)，比較各點(diǎn)與最佳點(diǎn)間的距離，可以對量綱不同的指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，指標(biāo)值越小代表功能越優(yōu)。計算公式為

dij=aij/mj

(8)

(9)

式中：dij為原始數(shù)據(jù)的相對值；aij為原始數(shù)據(jù)；mj為每個指標(biāo)中的最優(yōu)值；pi為第i個數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤的結(jié)構(gòu)特征

土壤容重和孔隙度是反映土體松緊虛實(shí)的重要指標(biāo)，不僅會對土壤通氣性、透水性、植物根系產(chǎn)生影響，也是土壤水源涵養(yǎng)能力的集中體現(xiàn)。由表2可知，在0～20、20～40、40～60 cm土層，土壤容重最大的是針闊混交林，土壤容重分別為1.37、1.41、1.45 g/cm3，土壤容重最小的是農(nóng)田，土壤容重分別為1.20、1.26、1.18 g/cm3。闊葉林、針葉林、針闊混交林、灌木林和草地的土壤容重隨著土層深度的增加而增大，而農(nóng)田并未表現(xiàn)出此規(guī)律。在0～20、20～40、40～60 cm土層，土壤總孔隙度、毛管孔隙度最大的均為闊葉林，最小的均為農(nóng)田；在0～20、20～40、40～60 cm土層，非毛管孔隙度最大的為灌木林，最小的為針闊混交林。

2.2 不同植被類型土壤的持水能力

由表3可知，在0～20、20～40 cm土層，含水量最大的均是闊葉林，含水量最小的分別是草地、農(nóng)田。在40～60 cm土層，含水量最大的是農(nóng)田，最小的是針葉林。在0～20、20～40 cm土層，最大持水量最大的是闊葉林，在40～60 cm土層，最大持水量最大的是草地，3個土層最大持水量最小的均是農(nóng)田。在0～20、20～40、40～60 cm土層，毛管持水量最大的是闊葉林，最小的是農(nóng)田；在0～20、40～60 cm土層，非毛管持水量最大的是灌木林，在20～40 cm土層，非毛管持水量最大的是農(nóng)田，在0～20 cm土層，非毛管持水量最小的是針闊混交林，在20～40、40～60 cm土層，非毛管持水量最小是針葉林。除農(nóng)田、灌木林外，其余樣地土壤含水量隨土層深度的增加而減小。闊葉林和針闊混交林在土層>40 cm時的最大持水量下降，針葉林、草地和農(nóng)田在0～60 cm土層的最大持水量相對穩(wěn)定，灌木林在土層>20 cm時的最大持水量下降顯著。闊葉林、針葉林和針闊混交林的最大持水量和毛管持水量隨土層深度的增加而減小。

表3 不同植被類型土壤的持水能力

2.3 不同植被類型土壤的滲透能力

由表4可知，土壤滲透能力表現(xiàn)為針闊混交林>針葉林>灌木林>闊葉林>草地>農(nóng)田，滲透速率分別為11.5、8.75、8.10、4.13、3.25、1.25 mm/min，初始溫度時的土壤滲透系數(shù)分別為6.08、4.01、3.49、1.99、1.56、0.91，10 ℃溫度時土壤滲透系數(shù)分別為0.72、0.53、0.48、0.38、0.30、0.15。針闊混交林的土壤滲透速率和滲透系數(shù)明顯高于其他植被類型。

表4 不同植被類型土壤的滲透能力

2.4 不同植被類型土壤的水源涵養(yǎng)能力

基于坐標(biāo)綜合判定法評定不同植被類型的土壤結(jié)構(gòu)特征、持水能力、滲透能力和水源涵養(yǎng)能力(表5)。不同植被類型土壤的結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)值表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>農(nóng)田>草地。不同植被類型的土壤持水能力表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>草地>農(nóng)田，滲透能力表現(xiàn)為針闊混交林>針葉林>灌木林>闊葉林>草地>農(nóng)田，三項(xiàng)指標(biāo)值相加得到的水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>草地>農(nóng)田，闊葉林的土壤水源涵養(yǎng)能力最優(yōu)，農(nóng)田的土壤水源涵養(yǎng)能力最差。

表5 不同植被類型土壤的結(jié)構(gòu)特征、持水能力、滲透能力和水源涵養(yǎng)能力

3 討 論

除農(nóng)田外其他植被類型土壤容重均表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增加，孔隙度隨著土層深度的增加而減小。土壤結(jié)構(gòu)特征主要是由外界環(huán)境因素和植被類型決定的，本研究的所有樣地均位于吉林省遼河流域內(nèi)，外界因素對土壤結(jié)構(gòu)特征的影響很少，可以認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)特征的差異是植被類型不同造成的。闊葉林、針葉林、針闊混交林、灌木林、草地的土壤上層腐殖質(zhì)含量隨著枯落物腐爛分解而增加，表層土壤形成土壤團(tuán)粒體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤孔隙度增大，土質(zhì)疏松，土壤容重變小。由于農(nóng)田種植的通常為玉米和大豆，二者均為淺根系植物，枯落物腐爛分解較少，對土壤結(jié)構(gòu)特征的影響較小，因此并未呈現(xiàn)上述規(guī)律。這個結(jié)果與劉西剛等[10]、時鐘瑜等[11]提出的森林土壤結(jié)構(gòu)特征隨土層變化的規(guī)律一致。

土壤水分是植物生長發(fā)育所必須，在促進(jìn)水循環(huán)方面起重要作用，不同植被類型土壤的持水能力存在明顯差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，土壤含水量和最大持水量逐漸減少，在同一土層中，闊葉林的土壤持水能力最強(qiáng)，農(nóng)田的土壤持水能力最弱。林地的枯枝落葉中含有大量的木質(zhì)素、酚類物質(zhì)化合物，不易被分解吸收，使土壤生物可降解性低[12]，可以有效減少地表徑流，促進(jìn)更多的降水滲入土壤。然而，農(nóng)田長期受耕種，土壤層的原有結(jié)構(gòu)遭到破壞，表層土壤呈現(xiàn)出退化、板結(jié)、孔隙度降低、持水能力變差。流域內(nèi)實(shí)施退耕還林可以有效改善土壤持水能力。

土壤滲透能力是評價水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)，與土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度、土壤濕度和溫度有關(guān)[13]。試驗(yàn)結(jié)果表明不同植被類型的土壤滲透能力差異較大，灌木林、針葉林和針闊混交林的滲透能力較好，農(nóng)田的滲透能力較差。由于不同植被類型土壤的地上凋落物和地下根系生長發(fā)育不同，因此造成地表土壤結(jié)構(gòu)和孔隙度的差異，進(jìn)一步引起土壤滲透能力的差異。劉宇等[14]發(fā)現(xiàn)土壤的滲透速度與土壤孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，本研究也呈現(xiàn)類似的關(guān)系，但未達(dá)到一致，筆者認(rèn)為評價土壤的滲透能力需要綜合考慮土壤濕度、溫度和0～60 cm土壤層的結(jié)構(gòu)特征。

4 結(jié) 論

(1)除農(nóng)田外其他樣地類型呈現(xiàn)土壤容重隨土層深度的增加而增大，土壤總孔隙度和毛管孔隙度隨土層深度的增加而減小的規(guī)律，同一土層中土壤總孔隙度和毛管孔隙度大小基本表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>草地>農(nóng)田。

(2)不同植被類型土壤的持水能力表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>草地>農(nóng)田，土壤滲透能力表現(xiàn)為針闊混交林>針葉林>灌木林>闊葉林>草地>農(nóng)田。

(3)由土壤結(jié)構(gòu)特征、持水能力、滲透能力綜合得到土壤水源涵養(yǎng)能力，不同植被類型的土壤水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林>灌木林>草地>農(nóng)田，闊葉林的土壤水源涵養(yǎng)能力最優(yōu)，農(nóng)田的土壤水源涵養(yǎng)能力最差。因此，流域內(nèi)實(shí)施退耕還林措施可以改善水源涵養(yǎng)能力。

(4)本研究僅對該流域內(nèi)不同植被類型的土壤水源涵能力進(jìn)行評價，為了全面評價區(qū)域水源涵養(yǎng)能力，應(yīng)該對植被林冠層、枯落物層及林地產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行長期監(jiān)測。