内蒙古大青山不同林地类型土壤贮水性能研究

内蒙古大青山不同林地类型土壤贮水性能研究

森林水源保护功能是森林生态系统的重要功能之一。不同的森林类型在树种和蓄积结构上都不同，因此森林的水源保护功能也不同。森林群落的地上部分通过林冠层截留降水,能削弱降水侵蚀力,降低地表径流的冲刷力,从而使土壤侵蚀大大减小。但是林木地上部分的持水量通常仅占林分水源涵养能力的15%以下,而森林土壤则是森林涵养水源的主体。因此,林地土壤是一座天然的蓄水库,降水能沿着土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下渗,成为土壤贮水和地下径流,从而体现出森林水源涵养和保持水土的功能。探讨不同林地类型与涵养水源功能的关系,对合理经营森林资源、改善水环境、实现水资源的科学管理和利用具有重要意义。大青山森林植被属于黄河中上游水源涵养林保护区,对呼和浩特市在涵养水源、保持水土、改善空气质量、调节气候等方面具有不可替代的作用。到目前为至,对于大青山不同林地类型水源涵养功能方面的研究较少。为了探讨大青山不同林地类型的水源涵养功能,本文选择白桦山杨天然次生林、虎榛子灌丛林、油松人工林、落叶松人工林4种典型林型进行了此方面的研究,以期为今后大青山生态环境建设和植被恢复与保护提供一定的依据。1气候、土壤条件大青山位于内蒙古呼和浩特市和包头市一线北侧,属阴山山脉中段,110°45′52″～111°32′12″E,40°37′41″～40°57′30″N。地处温带半干旱区,属大陆性气候,海拔1050～2374m,年降水量400mm,年蒸发量1800mm,年均气温5.9℃,年日照时数2976.5h,≥10℃年积温2800℃,无霜期90～180d。土壤以淋溶灰褐土、粗骨土、灰褐土和草灌灰褐土4类为主。该区南坡植被稀少,北坡森林植被分布较多,上坡位以白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)组成的天然次生混交林为主,在海拔1900m以上可见到少量青海云杉(Piceaasperata),中坡位以油松(Pinustabulaeformis)和落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工纯林为主,下坡位是灌丛林,建群种为虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等。本研究实验地位于大青山古路板林场,林场东西长55km,南北宽约25km,总经营面积5.4×104hm2,样地详细情况如表1所示。2学习方法2.1凋落物蓄积量测定在所选样地(30m×30m)四角及中心5个位置,按20cm×25cm的小样方调查凋落物厚度和盖度,按未分解、半分解和已分解标准进行全取样,拿回实验室进行凋落物蓄积量、最大持水率和最大持水量测定。首先,将带回实验室的凋落物在自然状态下风干,后称重计算凋落物蓄积量;其次将风干后的凋落物样品装入沙布袋中,再将装有凋落物的沙布袋浸入水中,当浸水时间为48h时取出样品,放在土壤筛中静放约5min,当无水滴滴下时立刻称重,后在75℃下烘干称重,从而计算出凋落物最大持水率。凋落物最大持水率(%)=(浸入水后的凋落物重量-烘干后凋落物重量)/烘干后凋落物重量×100%凋落物持水量计算:V=LC式中:V——凋落物持水量(t/hm2);L——凋落物蓄积量(t/hm2);C——凋落物最大持水率(%)。2.2土壤理化性质的测定在所选样地的中心位置挖3个土壤剖面,各土壤剖面间距在5m之内,用环刀分层(0～10cm,10～20cm,20～40cm,40～60cm)取样,每层3次重重,每种林地每层总重复数为9次,拿回实验室进行土壤容重和孔隙度测定。土壤容重和孔隙度测定均采用环刀法;土壤渗透性测定采用双环渗透法。采用下式计算出土壤最大持水量和非毛管持水量作为土壤蓄水性能指标。即:Wt=10000Pth‚Wo=10000Poh‚Wc=10000PchWt=10000Ρth‚Wo=10000Ρoh‚Wc=10000Ρch式中:Wt——土壤最大持水量(t/hm2);Wo——土壤非毛管持水量(t/hm2);Wc——土壤毛管持水量(t/hm2);Pt——土壤总孔隙度(%);Po——土壤非毛管孔隙度(%);Pc——土壤毛管孔隙度(%);h——土壤厚度(m)。3结果与分析3.1不同林型对土壤总孔隙度的影响在土壤物理特性中,土壤容重和孔隙度直接影响到土壤的通气性和透水性,是决定森林土壤水源涵养功能的重要因素。由于林地间凋落物组成、分解状况和地下根系及生长发育存在一定的差异,从而造成林地间土壤容重和孔隙度大小有所不同。对于不同林地类型,土壤容重均随土壤深度的增加而不断增加(表2)。4种林地平均土壤容重变动范围为0.971～1.429g/cm3,大小依次为油松人工林>虎榛子灌丛林>落叶松人工林>白桦山杨天然次生林,油松人工林是白桦山杨天然次生林的1.5倍,产生差异的原因是凋落物特性、土壤种类和土壤中植物根系分布不同所致。对于不同林地类型,土壤总孔隙度均随土壤深度的增加而不断减小(表2)。4种林地类型平均土壤总孔隙变动范围为46.785%～61.911%,大小依次为白桦山杨天然次生林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林>油松人工林,白桦山杨天然次生林是油松人工林的1.3倍。对于不同林地类型,土壤非毛管孔隙度随土壤深度的增加林地间无明显变化规律(表2)。4种林地类型平均土壤非毛管孔隙度变动范围为3.254%～5.902%,大小依次为白桦山杨天然次生林>油松人工林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林,白桦山杨天然次生林是虎榛子灌丛林的1.8倍。从土壤容重和孔隙度特性分析可知,白桦山杨天然次生林土壤特性好,有利于涵养水源;落叶松人工林次之;油松人工林土壤特性最差,不利于涵养水源。3.2不同森林类型的水源保护功能3.2.1凋落物生态调控的作用森林凋落物是指覆盖在林地矿质土壤层上未分解、半分解和全分解的凋落物,是森林植被地上部分器官枯死脱落的总称,在涵养水源、保持水土、调节洪枯径流及地表和地下径流比例、延长洪水历时、改良土壤理化性质、提高土壤渗透性能等方面具有极其重要的作用。(1)不同树种组成对凋落物蓄积量的影响森林凋落物蓄积量和持水能力是反映森林水源涵养能力高低的重要因素之一。凋落物蓄积量主要取决于凋落物的输入量、分解速度和累积年限,而森林的树种组成不同、林分所处的水热条件不同,均对凋落物蓄积量有较大影响。大青山不同林地凋落物特性如表3所示,凋落物蓄积量变动范围为5.147～18.621t/hm2,4种林地类型大小依次为落叶松人工林>白桦山杨天然次生林>虎榛子灌丛林>油松人工林,落叶松人工林是油松人工林的5.1倍,产生差异的原因是年叶输入量和分解速率不同所致。(2)累积改善的问题凋落物持水能力是整个森林生态系统水分循环中重要的一环,是反映凋落物层水文作用的重要指标。一般凋落物持水能力多用干物质的最大持水率和最大持水量来表示,其值的大小与林分类型、林龄、凋落物组成、分解状况、累积状况等有关。由表3可知,凋落物最大持水率变动范围为210.47%～347.66%,4种林地类型大小依次为落叶松人工林>白桦山杨天然次生林>虎榛子灌丛林>油松人工林,落叶松人工林是油松人工林的1.7倍,产生差异的原因是各树种叶含油脂不同所致。对于凋落物最大持水量,变动范围为10.833～64.739t/hm2,4种林地类型大小依次为落叶松人工林>白桦山杨天然次生林>虎榛子灌丛林>油松人工林,落叶松人工林是油松人工林的6.0倍,产生差异的原因是凋落物蓄积量和最大持水率不同所致。从凋落物最大持水量可以看出,落叶松人工林凋落物层水源涵养功能最强,白桦山杨天然次生林次之,油松人工林最弱。3.2.2林地土壤调节能力与降水的关系林地土壤是森林涵养水源的主体,林地具有大量腐朽根系所形成的孔隙、动物打洞所形成的孔穴和其它非毛管孔隙;同时也具有较高的有机质含量和较多的水稳性团聚体。因此,地表凋落物层所截持的降水可沿着土壤孔隙下渗,贮存于土壤孔隙中或转变为地下径流。林地土壤对降水的涵养调节功能,主要体现在林地土壤对水分的静态涵养能力(蓄水能力)和动态调节能力(渗透性能)上。这两方面功能的强弱直接影响着降水经过森林群落再分配后的时空分布状况,尤其对地表径流、土壤潜流以及地下水的补给有重要影响。(1)种林分土壤贮蓄水量与界定林地类型的关系土壤贮水力是评价不同植被类型下土壤涵养水源和调节水循环的主要指标之一。从土壤保水能力来看,毛管孔隙中的水分可以长时间保持在土壤中,主要用于植物根系吸收和土壤蒸发;从土壤蓄水能力来看,非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗,更加有利于涵养水源,因此土壤非毛管孔隙持水量被许多学者作为评价林地土壤水源涵养能力的重要指标。土壤总贮水量是毛管孔隙与非毛管孔隙水分贮蓄量之和,是反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力,它是土壤涵蓄潜力的最大值,也可以反映土壤水源涵养的能力。结果表明(表2),不同林地间土壤最大持水量差别较大,4种林地类型变动范围为2785.446～3665.803t/hm2,大小依次为白桦山杨天然次生林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林>油松人工林,白桦山杨天然次生林是油松人工林的1.3倍,产生差异的原因是各林地土壤总孔隙度不同所致。不同林地间土壤非毛管持水量差别较大,4种林地类型变动范围为197.940～375.387t/hm2,大小依次为白桦山杨天然次生林>油松人工林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林,白桦山杨天然次生林是虎榛子灌丛林的1.9倍,产生差异的原因是各林地土壤非毛管孔隙度不同所致。从土壤蓄水能力方面来看,白桦山杨天然次生林土壤的最大贮水量和非毛管贮水量均最大,因此水源涵养功能最强;落叶松人工林次之;虎榛子灌丛林和油松人工林较差。(2)不同类型林地类型的土壤稳渗速率土壤渗透性也是土壤理水调洪功能极为重要的特征参数之一,是将地表径流转化为壤中流、地下径流的能力,对土壤水土保持及水源涵养功能影响极大,其大小与土壤非毛管孔隙度大小有直接关系。渗透速率越大,表示降水后大部分降水很快通过非毛管孔隙(重力作用)转入地下水,因此地表径流量和土壤侵蚀量越小,土壤理水调洪功能越强。由大青山4种林地类型土壤渗透实验可知(图1和表2),对于白桦山杨天然次生林、虎榛子灌丛林和油松人工林,土壤稳渗速率均随土壤深度的增加而减小;对于落叶松人工林,土壤稳渗速率随土壤深度的增加先增加后减小。对于大青山4种林地类型,平均土壤稳渗速率变动范围为0.900～5.013mm/min,大小依次为白桦山杨天然次生林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林>油松人工林,白桦山杨天然次生林是油松人工林的5.6倍,产生差异的原因是土壤非毛管孔隙度不同所致。从土壤渗透实验可以看出,白桦山杨天然次生林土壤平均初渗速率和稳渗速率均最大,土壤渗透性能最好,因此水源涵养功能最强;落叶松人工林土壤渗透性能较好,水源涵养功能仅次于前者;油松人工林土壤初渗速率和稳渗速率均最小,土壤渗透性能最差,因此水源涵养功能也最弱。4结论(1)油松人工林g/cm3,大小依次为油松人工林>虎榛子灌丛林>落叶松人工林>白桦山杨天然次生林,油松人工林是白桦山杨天然次生林的1.5倍;平均土壤总孔隙变动范围为46.785%～61.911%,大小依次为白桦山杨天然次生林>落叶松人工林>虎榛子灌丛林>油松人工林,白桦山杨天然次生林是油松人工林的1.3倍。(2)油松人工林t/hm2,大小依次为落叶松人工林>白桦山杨天然次生林>虎榛子灌丛林>油松人工林,落叶松人工林是油松人工林的5.1倍;最大持水率变动范围为210.47%～347.66%,大小依次为落叶松人工林>白桦山杨天然次生林>虎榛子灌丛林>油松人工林,落叶松人工林是油松人工林的1.7倍。(