晉北風(fēng)沙區(qū)楊樹退化林分改造對林地土壤蓄水能力的影響

周玉泉，姚建忠，王 富，楊 斌

(1.山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局，山西 大同 037006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要功能之一[1]。許多研究表明，森林土壤層孔隙網(wǎng)絡(luò)豐富，是森林系統(tǒng)截留降水后入滲、貯存和調(diào)配的主要場所[2]。土壤層的最大持水量能占整個森林系統(tǒng)綜合持水量的90%以上[3]，被認為是發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的核心部分。特別是在水資源短缺的晉北風(fēng)沙區(qū)，森林土壤層的蓄水能力更值得關(guān)注。

土壤孔隙度和容重影響著土壤的通透性，是決定土壤層蓄水能力大小的主要因素[4]。土壤孔隙度反映了水分在土層中可以填充的空間情況，其包含的毛管孔隙和非毛管孔隙能夠?qū)?0%～80%的降水儲存于土壤中[5]。毛管孔隙具有明顯的毛管作用，其中的水分不易流失，可以被植物根毛和微生物伸入到孔隙中吸收利用，是植物吸收的主要水源。非毛管孔隙比較粗大，可以快速地吸收降水補充地下水，是水分進入土壤再分配的主要通道[6]。因此，開展土壤孔隙度的研究對生態(tài)系統(tǒng)水資源的管理非常重要。

一般來說，土壤孔隙度大小受土壤容重的影響，即容重增加后，土壤的孔隙度就會隨之減小，從而影響土壤的水分狀況。相反，土壤容重小，其孔隙度就大，土壤的通透性就好，對水分的滲透和蓄存能力也就更強[4]。林分退化后，其根系的活動能力大大下降，再加上地表凋落物的輸入減少，會導(dǎo)致土壤板結(jié)，土層蓄水能力下降[7]。目前已有研究證實了土壤容重和蓄水能力與林分退化的相關(guān)性，但是對其改造后的相關(guān)研究還比較少見。

晉北風(fēng)沙區(qū)位于黃土高原的東北部，降水相對匱乏[8]，其水資源管理一直是當(dāng)?shù)卣块T和科研人員關(guān)注的重點。在早期營造的大面積楊樹人工林出現(xiàn)退化后，林業(yè)部門進行了多年的退化林分改造工作，目前正在進行改造效果的總結(jié)和科學(xué)評價工作。本研究通過整合多個指標(biāo)，利用模糊隸屬函數(shù)法，對不同退化改造林分的土壤層蓄水能力進行綜合評價，揭示不同改造方式對林地土壤水源涵養(yǎng)能力的影響，以期為提高晉北地區(qū)森林水源涵養(yǎng)能力提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局所轄的金沙灘林場、落陣營林場、九梁洼林場，地理位置112°48′～113°34′E、39°17′～39°40′N，海拔1 000～2 300 m，屬北溫帶大陸性氣候區(qū)，年均氣溫6.8 ℃，年降雨量350～400 mm，年蒸發(fā)量1 700 mm左右，無霜期125～130 d[8]。研究區(qū)主要土壤類型為栗鈣土和風(fēng)沙土，pH值為7.4～7.8[9]。95%以上的森林為人工林，主要樹種有楊樹、油松和樟子松；林下植物種類較少，主要灌木為沙棘，草本大部分為蒿類和狗尾草等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查采樣

樣地設(shè)置采用典型取樣方法，選取林相整齊、無明顯病蟲害的楊樹豐產(chǎn)林(FP)、油松純林(PP)和楊樹-油松混交林(MP)3種林分類型。其中，楊樹豐產(chǎn)林為原楊樹退化林分通過伐樁嫁接方式改造形成，油松純林是通過皆伐重新造林方式形成，楊樹-油松混交林是通過間伐補植方式形成。每種類型設(shè)置3個大小為20.0 m×20.0 m的調(diào)查樣地，所有重復(fù)樣地間隔100 m以上。記錄各樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度和坡向；對樣地內(nèi)所有胸徑≥5 cm的喬木進行每木檢尺，記錄樹種名稱、胸徑和樹高。在每塊調(diào)查樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置3個5.0 m×5.0 m的灌木樣方，并在每個灌木樣方左下角設(shè)置1個1.0 m×1.0 m的草本樣方，用于調(diào)查灌木和草本的種類和蓋度。凋落物調(diào)查是在樣地的中間和四角各取一個測量點，測量凋落物厚度。土壤調(diào)查采用剖面法(1 m深)，分別在0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm剖面土層上用環(huán)刀采集原狀土樣各3個，80 ℃烘干至恒定質(zhì)量后測定土壤含水量、土壤容重和孔隙度。不同林分標(biāo)準(zhǔn)地基本特征見表1。

表1 不同林分標(biāo)準(zhǔn)地基本特征

1.3 土壤層蓄水能力計算

土壤最大蓄水量計算公式為

(1)

式中：Wm為土壤最大蓄水量，t/hm2；Mi為第i土層土壤總孔隙度，%；Hi為第i土層深度，m；n為土層數(shù)。

土壤毛管蓄水量計算公式為

(2)

式中：Wc為土壤毛管蓄水量，t/hm2；Ci為第i土層土壤毛管孔隙度，%；其余字母意義同前。

土壤非毛管蓄水量計算公式為

(3)

式中：Wn為土壤非毛管蓄水量，t/hm2；Ni為第i土層土壤非毛管孔隙度，%；其余字母意義同前。

1.4 林地土壤水源涵養(yǎng)能力綜合評價

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對測定的各項指標(biāo)進行綜合分析評價，并根據(jù)隸屬值進行排序，確定其水源涵養(yǎng)能力大小。隸屬值計算公式為

(4)

式中：U(Xij)為評價指標(biāo)的隸屬值；Xij為各評價指標(biāo)測定值；Ximin為各評價指標(biāo)測定的最小值，Ximax為各評價指標(biāo)測定的最大值。

其中，土壤容重的隸屬值采用反隸屬函數(shù)計算，計算公式為

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均通過正態(tài)分布檢驗和方差一致性檢驗。用單因素方差分析(LSD法)檢驗不同改造林分間各參數(shù)的差異顯著性(α=0.05)。數(shù)據(jù)整理和計算在Microsoft Excel 2010中進行，統(tǒng)計分析在SPSS17.0軟件上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 退化林分改造對林地土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重是計算土壤持水能力的重要參數(shù)。土壤容重的大小除了受土層本身結(jié)構(gòu)的影響，還經(jīng)常受到外界因素如人為活動的影響。退化林分的改造也會影響林地土壤的容重變化。由表2可以看出，改造后的楊樹-油松混交林的土壤容重(1.53g/cm3)顯著低于楊樹豐產(chǎn)林(1.66 g/cm3)，比楊樹豐產(chǎn)林降低了7.83%；而油松純林土壤容重(1.70 g/cm3)比楊樹豐產(chǎn)林有所增加，但是兩者之間的差異并不顯著。在垂直分布上，3種林分類型的土壤容重表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即表層土壤(0～20 cm)容重最小，深層土壤(80～100 cm)容重最大，土壤容重隨土壤深度增加而逐漸變大。

表2 不同林分類型土壤容重

土壤孔隙是地下水運輸和蓄存的主要場所，孔隙的大小和數(shù)量(孔隙度)，直接影響著土壤的持水量，是評價土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)。由表3可知，退化林分改造后，楊樹-油松混交林的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均顯著高于楊樹豐產(chǎn)林；而油松純林的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度與楊樹豐產(chǎn)林相比則有所減小，但是變化均不顯著。在土層垂直分布上，3種林分土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均表現(xiàn)出隨土層的加深而減小的現(xiàn)象，0～20 cm層土壤孔隙度最大，80～100 cm層土壤孔隙度最小。

2.2 退化林分改造對林地土壤蓄水能力的影響

土壤的蓄水能力一般通過土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量等指標(biāo)來衡量。由表4可知，研究區(qū)內(nèi)3種改造林分0～100 cm深土壤毛管蓄水量為3 995.66～4 618.00 t/hm2，非毛管蓄水量為396.82～624.98 t/hm2，最大蓄水量為4 392.48～5 242.98 t/hm2之間，蓄水量都比較可觀。同時我們也發(fā)現(xiàn)，退化林分改造成楊樹-油松混交林后，其毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量均顯著高于楊樹豐產(chǎn)林；而改造成油松純林后，其毛管蓄水量、非毛管蓄水量和最大蓄水量與楊樹豐產(chǎn)林相比則有所減小，但是變化不顯著。

從土壤深度看，3種改造林分土壤蓄水量的變化規(guī)律一致，均隨土層的加深呈持續(xù)下降的趨勢(圖1)，即土壤蓄水能力均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～80 cm>80～100 cm，且0～40 cm土層蓄水能力明顯高于其他土層；同時可以推測，研究區(qū)內(nèi)100 cm以下土層仍具有較為可觀的蓄水量。這表明研究區(qū)內(nèi)土層相對較厚，具備較強的水源涵養(yǎng)能力。

圖1 3種林分類型不同深度土壤蓄水能力

2.3 不同改造類型林地土壤水源涵養(yǎng)能力綜合評價

隸屬函數(shù)法是運用模糊數(shù)學(xué)的原理，在考慮多項指標(biāo)的基礎(chǔ)上進行綜合評價的方法，評價結(jié)果具有客觀性和全面性[10]。土壤水源涵養(yǎng)功能是森林冠層、凋落物層和土壤層三者共同作用的結(jié)果。根據(jù)全面性和層次性原則，本次評價選取了各林分類型的平均樹高、平均胸徑、灌草蓋度、凋落物厚度、土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等7個指標(biāo)作為參評指標(biāo)進行隸屬值計算，結(jié)果見表5。由表5可知，3種林分類型的水源涵養(yǎng)能力綜合評價結(jié)果為：楊樹-油松混交林(0.725 1)>楊樹豐產(chǎn)林(0.663 1)>油松純林(0.321 1)。

表5 不同林分類型土壤水源涵養(yǎng)能力綜合評價

3 討 論

本研究分析了對晉北地區(qū)楊樹退化林采取3種改造措施后的林地土壤層蓄水能力，并用隸屬函數(shù)法對其水源涵養(yǎng)能力進行了綜合評價，結(jié)果顯示：在晉北風(fēng)沙區(qū)，同時期退化林分改造后，楊樹-油松混交林的土壤蓄水能力最強，楊樹豐產(chǎn)林次之，油松純林的土壤蓄水能力最弱。

一般認為，森林土壤的蓄水能力主要與土壤容重、孔隙度及土層厚度有關(guān)。土壤容重越小，土層越疏松多孔，越有利于水源涵養(yǎng)；反之，容重越大，土壤越緊實，其通透性和存儲水分的能力就越弱[11]。在本研究中，退化林分改造后，與楊樹豐產(chǎn)林相比，楊樹-油松混交林的土壤容重顯著減小，而油松純林的土壤容重沒有明顯變化，甚至有所增大。這說明退化林分改造成混交林后，其林地土壤結(jié)構(gòu)更疏松，通透性更好，有利于對水分的涵養(yǎng)；而改造成油松純林后，其土壤質(zhì)地相對緊密，土質(zhì)較硬，土壤持水能力也相對較差。這與湯騰方等[12]的研究結(jié)果一致。原因可能是混交林分的層次結(jié)構(gòu)分明，豐富了林下灌木及草本的種類及數(shù)量，這些灌草的根系在土壤中穿插生長，就會導(dǎo)致其土壤疏松、容重減小[13]；還有混交林的樹種組成更加多樣，地表凋落物的種類豐富，更有利于土壤微生物對凋落物的分解[14]。

土壤孔隙度的大小與土壤容重成負相關(guān)，即土壤容重越小，其孔隙度越大，土壤運輸和蓄存水分的能力也就越大[15]。在本研究中，退化林分改造后，3種林分的土壤孔隙度大小排序為楊樹-油松混交林>楊樹豐產(chǎn)林>油松純林。這一結(jié)果進一步驗證了退化林分改造成混交林，更有利于發(fā)揮林地土壤對水分的涵養(yǎng)功能。而且，從土壤剖面角度看，3種林分的土壤孔隙度均隨土層深度增加呈現(xiàn)出下降的趨勢，說明表層土壤的蓄水能力最強，深層土壤的蓄水能力逐漸降低，與楊鐘學(xué)等[16]的研究結(jié)果一致。這主要與植物根系在土壤表層活動和表層土壤生化過程活躍有關(guān)[17]。

總之，在土層厚度一定的情況下，退化林分改造成楊樹-油松混交林后，可以改善林地土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤蓄水能力，而改造成油松純林或者繼續(xù)種植楊樹林則沒有這種效果。因此，在晉北風(fēng)沙區(qū)退化林分改造時可參考針闊混交林分結(jié)構(gòu)進行改造，以提高退化林地的水源涵養(yǎng)功能。

4 結(jié) 論

在晉北風(fēng)沙區(qū)，對楊樹退化林采取3種改造措施后，楊樹-油松混交林的土壤蓄水能力最強，楊樹豐產(chǎn)林次之，油松純林的土壤蓄水能力最弱。從水源涵養(yǎng)方面考慮，晉北風(fēng)沙區(qū)楊樹退化林分改造時，不宜皆伐改造成油松純林，容易造成土壤蓄水能力在一定時期(0～25 a)內(nèi)減退，影響生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)。