李志飛,趙雨森,辛穎,孔祥飛,武春彥

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,150040,哈爾濱)

阿什河上游 3種人工林土壤貯水量與入滲特征

李志飛,趙雨森?,辛穎,孔祥飛,武春彥

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,150040,哈爾濱)

為了解水源地人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分貯存與入滲特征,在阿什河上游光明溝小流域內(nèi),選取樟子松、紅松、興安落葉松 3種人工林,采用環(huán)刀法對其土壤水分貯存量及入滲特征進行對比研究。結(jié)果表明:興安落葉松人工林土壤密度較低,孔隙度和貯水能力較高,與紅松人工林和樟子松人工林之間差異顯著(P＜0.05);10℃時的穩(wěn)滲系數(shù)K10大小依次為興安落葉松人工林(4.86mm/m in)＞紅松人工林(0.63mm/m in)＞樟子松人工林(0.57mm/min)。綜合分析表明,興安落葉松人工林土壤的涵養(yǎng)水源功能最強,樟子松人工林和紅松人工林的較差。

人工林;土壤貯水;滲透系數(shù);阿什河

阿什河是東北 3大水系之一松花江水系的主要支流,阿什河流域的水量變化直接影響到松花江的洪枯。該流域內(nèi)水源涵養(yǎng)林養(yǎng)護的好與差,直接影響流域內(nèi)的森林生態(tài)功能和哈爾濱市的經(jīng)濟社會發(fā)展[1]。土壤作為流域內(nèi)降水的重要載體,其本身所具有的導(dǎo)水性能將關(guān)系到地表徑流的產(chǎn)生、地下水補給蒸散發(fā)及土壤侵蝕等,土壤本身所具有的這種導(dǎo)水性能被稱之為土壤入滲特性[2-3]。研究林地土壤水分貯存與入滲特征是探討森林流域產(chǎn)流機制的基礎(chǔ)和前提[4]。目前,國內(nèi)外關(guān)于土壤水分的研究很多,在不同地區(qū)、不同植被條件下,對土壤水分貯存與入滲特征進行了比較深入的探討[5-8];然而,在東北地區(qū),對于水源地人工林土壤水分貯存和入滲的研究還鮮見報道,其涵養(yǎng)水源功能強弱尚需有力的數(shù)據(jù)支持。

帽兒山地區(qū)屬于黑龍江省東部低山丘陵區(qū),是阿什河流域的水源地和生態(tài)屏障。筆者以帽兒山地區(qū)光明溝小流域內(nèi)樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、紅松(Pinus koraiensis)和興安落葉松(Larix gmelinii)3種人工林為研究對象,研究水源地人工林土壤水分貯存及入滲特征,進一步了解其涵養(yǎng)水源能力,為同類地區(qū)人工林的營造和經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省尚志市帽兒山地區(qū)光明溝小流域內(nèi) ,E 127°36′～ 127°39′,N 45°23′～ 45°26′。該地區(qū)屬于長白山西張廣才嶺系北坡小嶺余脈,為松嫩平原向張廣才嶺過渡的低山丘陵區(qū),平均海拔300m。該區(qū)屬于大陸性氣候,四季較為分明。年平均氣溫 2.8℃,年平均濕度 70%,常年偏西南風(fēng),年平均降水量 600～800 mm,年平均蒸發(fā)量 1 093.9 mm,年日照時間 2 471.3 h,無霜期 120～140 d,屬于自然資源較富饒的次生林半山區(qū)地帶,地帶植被為闊葉紅松林,地帶性土壤為暗棕壤。由于歷史上的掠奪性破壞和不合理的開發(fā)利用,原頂極群落闊葉紅松林發(fā)生了逆行演替,現(xiàn)已成為我國東北東部山區(qū)較典型的次生林區(qū)。天然次生林類型主要包括柞木林 (Quercus mongolicus Fisch.)、白樺林(Betu la platyphylla Suk.)、雜木林等硬闊林,其中也有不少人工林,多為 20世紀(jì) 50—70年代人工栽植,類型主要包括落葉松、樟子松、紅松等。

2 材料與方法

2.1 樣地的選擇

光明溝小流域內(nèi)有樟子松、紅松和興安落葉松3個人工林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站,面積均為 1萬 m2。在觀測站內(nèi)設(shè)置 400m2(20m×20m)的標(biāo)準(zhǔn)樣地各1塊。樣地自然狀況見表 1。

表 1 樣地概況Tab.1 Fundamental information of samp les

2.2 土壤物理性質(zhì)測定

沿對角線分 3點挖土壤剖面。樟子松和紅松人工林每個土壤剖面分 4層進行樣品采集,興安落葉松人工林土壤 30 cm以下多石礫,故取 3層采樣。每層厚度為10 cm,每層6個重復(fù)。用環(huán)刀法測定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度等物理性質(zhì)[9]。

2.3 土壤貯水量計算

計算 10 cm土層深度內(nèi)土壤的吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量,公式[10]如下:

式中:Wc、Wnc、Wt分別為土壤吸持貯水量、土壤滯留貯水量、土壤飽和貯水量,t/hm2;Pc、Pnc分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度,%;l為土層深度,m;r為水的密度,t/m3。

2.4 土壤滲透性測定

于標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)用環(huán)刀(5.1 cm×5.1 cm)取原狀土,每個土層 4個重復(fù),帶回室內(nèi),用環(huán)刀法測定土壤滲透性[9]。首先,將樣品浸水 12 h(土壤達到飽和或接近飽和的狀態(tài)),注意水面不要超過土柱,以便于土壤中氣體的排出;然后將環(huán)刀取出,待重力水滴完后再在環(huán)刀上口另接一個空環(huán)刀,接口處用膠布封好,以免從接口處漏水,然后將其放入架好的漏斗上,漏斗下承接燒杯;向上面空環(huán)刀內(nèi)緩緩注水,避免破壞其土壤結(jié)構(gòu),待水面比環(huán)刀口低 1mm時即停止加水;保持5 cm的水頭。試驗過程中,每隔 2 min稱量并記錄 1次通過土柱滲透出的水量,直到單位時間內(nèi)滲出水量相等為止?？紤]到溫度對滲透系數(shù)的影響很大,為使不同溫度下測得的滲透系數(shù)便于比較,在測定滲透的同時,用溫度計測定水層溫度 θ,將測得的滲透系數(shù)Kθ值換算為10℃時的滲透系數(shù) K10值。計算公式如下:

式中:Qn為每次滲出水量,mL;tn是每次滲濾所間隔時間,min;S為環(huán)刀的橫斷面積,cm3;h為水層厚度,cm。

式中:θ為滲透測定時的水層溫度,℃;Kθ為溫度為θ時的滲透系數(shù),mm/min。

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

用 SPSS 13.0進行顯著性檢驗,以 Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析土壤因子與穩(wěn)滲系數(shù)之間的相關(guān)性[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤密度、孔隙度和貯水特征分析

3種人工林不同土層的土壤密度、孔隙度和貯水量的分析結(jié)果見表 2?？梢钥闯?1)3種人工林土壤密度均隨土層深度增加而增大,紅松人工林20～40 cm土層平均土壤密度可達 1.44 g/cm3,與0～20 cm土層(1.15 g/cm3)相比差異較大,興安落葉松人工林 20～30 cm土層的非毛管孔隙度比 0～10和 10～20 cm土層大,這是因為興安落葉松人工林土壤下層石礫含量較高,其作為非生物因素對它的非毛管孔隙度大小有很大影響[12];2)興安落葉松人工林土壤具有較低的土壤密度以及較高的孔隙度,與紅松人工林和樟子松人工林之間差異顯著(P＜0.05),其主要原因是,落葉松林地表層土壤中夾雜未分解或半分解的枯枝落葉,導(dǎo)致土壤疏松,土壤密度明顯低于常規(guī)值。

表 2 3種人工林土壤物理性質(zhì)及貯水量Tab.2 Physical p roperties and water storage of soil under 3 artificial forests

從表 2可以看出,興安落葉松人工林 10 cm土層平均土壤滯留貯水量(65.02 t/hm2)最大,與樟子松人工林(47.83 t/hm2)和紅松人工林(41.84 t/hm2)差異顯著(P＜0.05)。各人工林土壤飽和貯水量和吸持貯水量大小順序與滯留貯水量一致。興安落葉松人工林土壤的高貯水能力與其較低的土壤密度和較高的孔隙度是直接相關(guān)的。

3.2 土壤水分入滲特征分析

3種人工林土壤水分入滲特征值見表 3?？梢钥闯?1)樟子松人工林和紅松人工林土壤滲透系數(shù)均隨土層深度增加而減小,興安落葉松人工林 20～30 cm土層比 10～20 cm土層滲透系數(shù)大,紅松人工林 0～20 cm土層與 20～40 cm土層滲透系數(shù)變化明顯,0～20 cm土層平均穩(wěn)滲系數(shù)為 1.04mm/min,而 20 cm～40 cm土層平均穩(wěn)滲系數(shù)只有 0.23mm/min,3種人工林不同土層滲透系數(shù)大小與表 2中土壤密度和孔隙度特征有一定的對應(yīng)關(guān)系;2)前 2m in滲透系數(shù)大于或等于穩(wěn)滲系數(shù),二者之間變化越大,需要的穩(wěn)滲時間越長;3)興安落葉松人工林土壤穩(wěn)滲系數(shù)為 4.86mm/m in,土壤滲透性能最好,紅松人工林(0.63mm/min)和樟子松人工林(0.57 mm/min)土壤滲透性能相當(dāng),興安落葉松人工林土壤的穩(wěn)滲系數(shù)是樟子松人工林和紅松人工林的近 8倍。

3.3 土壤因子與穩(wěn)滲系數(shù)的相關(guān)性分析

用表 2和表 3數(shù)據(jù)進行 Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析,研究土壤密度及孔隙度與土壤穩(wěn)滲系數(shù)的相關(guān)性,結(jié)果見表 4。可以看出:土壤穩(wěn)滲系數(shù)與土壤密度呈現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)性,與總孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性,說明土壤密度越小、孔隙度越大,穩(wěn)滲系數(shù)越大,即滲透性能越好,這很好地解釋了 3種人工林不同土層土壤滲透系數(shù)大小與土壤密度和孔隙度特征之間的對應(yīng)關(guān)系;毛管孔隙度和非毛管孔隙度與土壤穩(wěn)滲系數(shù)的相關(guān)系數(shù)相等且顯著,說明在穩(wěn)滲階段它們對土壤入滲速率均有重要影響,這與王夢軍等[13]的研究結(jié)果一致。

表 3 3種人工林土壤水分入滲特征值Tab.3 Characteristics of soil water infiltration under 3 artificial forests

表 4 土壤因子與穩(wěn)滲系數(shù)的相關(guān)性分析Tab.4 Correlations analysis between soil factors and stable infiltration coefficients

4 結(jié)論與討論

1)興安落葉松人工林土壤具有較低的土壤密度以及較高的孔隙度和貯水能力,與紅松人工林和樟子松人工林之間差異顯著(P＜0.05)。

2)興安落葉松人工林土壤滲透性能最好,穩(wěn)滲系數(shù)達 4.86 mm/min,紅松人工林土壤滲透性能(0.63mm/min)略強于樟子松人工林(0.57mm/min)。

3)3種人工林土壤的穩(wěn)滲系數(shù)與土壤密度呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)性,與總孔隙度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性。在穩(wěn)滲階段,毛管孔隙度與非毛管孔隙度對土壤入滲速率均有重要影響。

綜合分析表明,興安落葉松人工林土壤的貯水與入滲能力最強,涵養(yǎng)水源功能強,其主要原因是興安落葉松林地表層土壤中夾雜未分解或半分解的枯枝落葉,土壤疏松,導(dǎo)致土壤密度較低,孔隙度較高。另外,興安落葉松人工林下層土壤石礫較多,對土壤非毛管孔隙度大小有很大影響,進而影響到土壤的貯水和入滲能力。

[1]董鐵獅,黨宏忠,趙雨森,等.黑龍江省東部水源區(qū)植被土壤水源涵養(yǎng)功能分析.水土保持通報,2005,25(5):28-31

[2]Weihermuller L,Huisman J A,Lambot S,et al.Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques.Journal of Hydrology,2007,340:205-216

[3]呂剛,吳祥云.土壤入滲特性影響因素研究綜述.農(nóng)業(yè)工程科學(xué),2008,24(7):494-499

[4]余新曉,趙玉濤,張志強,等.長江上游亞高山暗針葉林土壤水分入滲特征研究.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(1):15-19

[5]勃海鋒,劉國彬,王國梁.黃土丘陵區(qū)退耕地植被恢復(fù)過程中土壤入滲特征的變化.水土保持通報,2007,27(3):2-5

[6]漆良華,張旭東,周金星.湘西北小流域典型植被恢復(fù)群落土壤貯水量與入滲特性.林業(yè)科學(xué),2007,43(4):2-8

[7]Sharma SK,Sastry G.Impact of various land uses on the infiltration in Doon Valley,Indian.Journal of Soil Conservation,1998,26(1):17-18

[8]Startsev A D,McNabb D H.Effects of skiddingon forest soil infiltration in west-central Alberta,Canadian.Journal of Soil Science,2000,80(4):617-624

[9]陳立新.土壤實驗技術(shù)與分析.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,2001:25-35

[10]柴亞凡,王恩姮,陳祥偉,等.植被恢復(fù)模式對黑土貯水性能及水分入滲特征的影響.水土保持學(xué)報,2008,22(1):60-64

[11]王偉,張洪江,李猛,等.重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評價.水土保持學(xué)報,2008,22(4):95-99

[12]張雷燕,劉常富,王彥輝,等.寧夏六盤山地區(qū)不同森林類型土壤的蓄水和滲透能力比較.水土保持學(xué)報,2007,21(1):95-98

[13]王夢軍,張光燦,劉霞,等.沂蒙山林區(qū)不同森林群落土壤水分貯存與入滲特征.中國水土保持科學(xué),2008,6(6):26-31

Soilwater storage and infiltration characteristics under 3 artificial forests in the upper reaches of Ashihe river

Li Zhifei,Zhao Yusen,Xin Ying,Kong Xiangfei,Wu Chunyan
(School of Forestry,Northeast Forestry University,150040,Harbin,China)

In order to study the soil waterstorage and infiltration characteristics ofartificial forest,3 artificial forests(Pinus sylvestris var.mongolica,Pinus koraiensis and Larix gmelinii)were selected in Guangming small watershed in the upper reaches of Ashihe river.Thewater storage and infiltration characteristics were studied using ring samplermethod.The results show that Larix gmelinii,which is significantly different(P＜0.05)from the others,has the lowestbulk density aswellas the highestporosity and water storage ability.The stable infiltration coefficient at 10℃of Larix gmelinii(4.86mm/min)is the biggest,followed by Pinus koraiensis(0.63mm/min)and Pinus sylvestris var.mongolica(0.57mm/min).The conclusion is that thewater conservation function of Larix gmelinii is the bestamong the 3 artificial forests.

artificial forest;soilwater storage;infiltration coefficient;Ashihe river

2009-01-07

2009-10-24

項目名稱:黑龍江省“十一五”重大科技攻關(guān)項目“重要水源地植被恢復(fù)、重建及優(yōu)化調(diào)控技術(shù)研究”(GA 06B302-2);東北林業(yè)大學(xué)青年科研基金項目“黑龍江省東部山地落葉松人工林結(jié)構(gòu)優(yōu)化對土壤涵養(yǎng)水源功能影響的研究”(09052)

李志飛(1983—),男,碩士研究生。主要研究方向:林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:lzf20032394@163.com

?責(zé)任作者簡介:趙雨森(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E-mail:zhaoys1957@163.com

(責(zé)任編輯:宋如華)