辛 穎，趙雨森，張睿彬，邱本軍，任艷麗

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院哈爾濱 150040）

落葉松是我國(guó)北方的重要造林樹種之一，具有分布廣泛，材質(zhì)優(yōu)良，生長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)，落葉松人工林已經(jīng)變成我國(guó)東北地區(qū)重要的后備森林資源。由于人工林具有特有的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，并受到各種各樣人為因素的影響，使得人工林地力變化趨勢(shì)日益明顯，并且嚴(yán)重地影響了我國(guó)人工林生產(chǎn)力的發(fā)揮［1］。關(guān)于落葉松人工林地力變化問(wèn)題，早在20世紀(jì)60年代至70年代日本學(xué)者就展開了大量研究工作，并提出了很多種解釋［2－6］。20世紀(jì)80年代初期開始，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注相關(guān)問(wèn)題［7］，并逐漸成為北方人工林地力問(wèn)題的一個(gè)研究熱點(diǎn)。所以探明落葉松人工林土壤的水文特性，了解落葉松人工林土壤水分物理性質(zhì)、入滲性能及貯水能力，對(duì)于合理的制定人工林經(jīng)營(yíng)措施，有效地提高落葉松人工林的生物生產(chǎn)力，最大限度地發(fā)揮落葉松人工林地的保持水土作用起著積極的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)老山人工林試驗(yàn)站內(nèi)。屬于長(zhǎng)白山脈張廣才嶺小嶺余脈，是松嫩平原和張廣才嶺過(guò)渡的低山丘陵區(qū)，地勢(shì)由北向南漸低。平均海拔高度300 m。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.6℃，年平均降水量為600～800 mm，年蒸發(fā)量為1 093.3mm，年日照時(shí)數(shù)為2 471.3 h，無(wú)霜期120～140 d。地帶性土壤為典型暗棕壤，其亞類還有白漿化暗棕壤、草甸暗棕壤、原始暗棕壤和潛育暗棕壤。屬于長(zhǎng)白植物區(qū)系，是東北東部山區(qū)較為典型的天然次生林。原地帶性頂級(jí)植被為闊葉紅松林，由于在修建中東鐵路時(shí)森林資源遭受到了重大破壞，隨后經(jīng)過(guò)封山育林、植樹造林，通過(guò)幾個(gè)階段的演替，才逐漸演變成現(xiàn)在的天然次生林相，現(xiàn)在成為我國(guó)東北部地區(qū)較為典型的天然次生林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)域內(nèi)選擇4種不同林齡的落葉松人工林為研究對(duì)象，4種林齡分別為20 a、30 a、40 a和50 a。在每一個(gè)林齡的落葉松人工林內(nèi)，選取典型地段設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行林分特征因子的調(diào)查。并且每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，在其四角以及中心的位置，分別設(shè)立2 m×2 m的小樣方，進(jìn)行灌木層調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 不同林齡落葉松人工林林分結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)概況Tab.1 Stand structure and growth for different-aged Larix gmelinii plantations

2.2 土壤調(diào)查與取樣

2011年5月份，在每一個(gè)落葉松人工林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，沿對(duì)角線方向分別挖取3個(gè)土壤剖面，記錄土壤剖面特征。按機(jī)械分層在0～40 cm土層范圍內(nèi)，分為四層（0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm）用100 cm3環(huán)刀取原狀土，每層取6個(gè)重復(fù)。同時(shí)用鋁盒在相應(yīng)位置取20～30 g土樣。采用烘干稱量法測(cè)定土壤含水率。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度、土壤孔隙度和土壤水分入滲特性［8］。土壤貯水特性根據(jù)土壤孔隙狀況計(jì)算［9］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤密度差異

土壤密度是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo)，也是表征土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。如圖1所示，20 a的落葉松人工林的土壤密度明顯高于其他林齡，這主要是由于樹木生長(zhǎng)年齡小，有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)積累量少，從而導(dǎo)致其土壤密度較其他林齡大。從土壤密度的垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，各林齡落葉松人工林的土壤密度變化趨勢(shì)有著共同的特點(diǎn)，即隨著土壤深度的增加，密度呈明顯的增加趨勢(shì)。20 a、30 a和40 a三種林齡落葉松人工林30～40 cm土層的土壤密度較表層0～10 cm分別增加了20%、57%和44%。20 a、30 a、40 a和50 a的4種林齡落葉松人工林20～30cm土層的土壤密度較表層0～10 cm分別增加了13%、26%、17%和55%。森林土壤受地被物、樹根以及依存于森林植被下特殊生物群的影響，有機(jī)質(zhì)一般都集中在土壤表層，隨著土層的加深，其含量逐漸減少，因此，隨著土層深度的增加土壤密度逐漸增加。20 a的落葉松人工林土壤密度最大，為1.38 g/cm3。

圖1 不同林齡落葉松人工林土壤密度度垂直變化Fig.1 The vertical changes of soil density for different-aged Larix gmelinii plantations

3.2 土壤孔隙度差異

土壤孔隙度的大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)上壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)。見表2，4種林齡落葉松人工林土壤毛管孔隙度在垂直結(jié)構(gòu)上差異明顯，其中表層土壤的孔隙度明顯高于下層。土壤總孔隙度隨深度的增加呈降低的趨勢(shì)。土壤的孔隙度越高，意味著土壤具有較高的持水、保水以及透水能力，其保持水土、涵養(yǎng)水源的土壤水文生態(tài)功能越強(qiáng)。4種林齡落葉松人工林土壤的毛管與非毛管孔隙度的比值分別為16.82、18.44、25.24和24.76。一般認(rèn)為，土壤中大小孔隙同時(shí)存在，若總孔隙度在50%左右，毛管與非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1時(shí)，透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)。若非毛管孔隙度在6%～10%時(shí)，林木生長(zhǎng)一般;在10% ～15%時(shí)，林木生長(zhǎng)中等;大于15%時(shí)，林木生長(zhǎng)良好［10］。雖然20 a落葉松人工林的土壤非毛管空隙度較大，但是由于50 a落葉松人工林土壤最深層樹根石塊較多，因此綜合來(lái)看，50 a的落葉松人工林土壤有較好的通透性能。

表2 不同林齡落葉松人工林土壤孔隙度特征Tab.2 Soil porosity characteristics of different-aged Larix gmelinii plantations

3.3 土壤入滲特征

土壤的滲透性能是土壤的重要水分物理性質(zhì)之一，也是林分水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)，它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、土壤濕度和溫度有關(guān)。見表3，4種林齡落葉松人工林的土壤入滲特征差異較大，初滲速率的變化范圍為0.03～0.63 mm/min，50 a落葉松人工林土壤的初滲速率最高，依次分別為30 a、20 a和40 a落葉松人工林。穩(wěn)滲速率表現(xiàn)為50 a落葉松人工林＞30 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林＞40 a落葉松人工林。這與土壤非毛管孔隙度的變化規(guī)律基本一致。

穩(wěn)滲系數(shù)是土壤重要的水力特性參數(shù)之一，可以綜合反映土體的入滲能力的強(qiáng)弱。4種林齡落葉松人工林土壤各層次穩(wěn)滲系數(shù)均值50 a落葉松人工林最高達(dá)0.12 mm/min，分別是20 a、30 a和40 a落葉松人工林的1.7倍、1.5倍和2.4倍。

土壤水分入滲時(shí)間也能在一定程度上反映土壤水分入滲能力。50 a落葉松人工林土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段需要的時(shí)間最長(zhǎng)約為6 min，依次為40 a落葉松人工林（5.5min）、30 a落葉松人工林（4.5 min），20 a落葉松人工林所需時(shí)間最短僅為4 min。其差異一方面受林地土壤持水能力影響，林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小，持水量越大表示土壤具有的儲(chǔ)水空間越大，在相同水分入滲速率下達(dá)到飽和狀態(tài)需要時(shí)間就越久。

表3 不同林齡落葉松人工林土壤水分入滲特征值Tab.3 Water infiltration of soil for different-aged Larix gmelinii plantations

土壤水分入滲時(shí)間也能在一定程度上反映土壤水分入滲能力。50 a落葉松人工林土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段需要的時(shí)間最長(zhǎng)約為6 min，依次為40 a落葉松人工林（5.5min）、30 a落葉松人工林（4.5 min），20 a落葉松人工林所需時(shí)間最短僅為4 min。其差異一方面受林地土壤持水能力影響，林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小，持水量越大表示土壤具有的儲(chǔ)水空間越大，在相同水分入滲速率下達(dá)到飽和狀態(tài)需要時(shí)間就越久。此外，土壤到達(dá)穩(wěn)滲階段所需要的時(shí)間還與土質(zhì)等因素有一定聯(lián)系，該區(qū)土壤為暗棕壤土，土壤入滲過(guò)程波動(dòng)較小，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間較短。

3.4 土壤貯水特性

林地土壤是水分貯蓄的主要場(chǎng)所，土壤水分貯蓄量和貯蓄方式受其物理性質(zhì)影響很大，土壤貯水能力是評(píng)價(jià)不同植物群落下土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)［11－13］。在一定土壤厚度條件下，土壤的貯水能力取決于土壤孔隙的大小及其數(shù)量特征。由表可以看出在40 cm土層內(nèi)，4種林齡落葉松人工林土壤飽和貯水量由大到小依次為30 a落葉松人工林（1 942.8 t/hm2）、40 a落葉松人工林（1 936.8 t/hm2）、20 a落葉松人工林（1 825.8 t/hm2）和50 a落葉松人工林（1 824.2t/hm2）。吸持貯水量表現(xiàn)為40 a落葉松人工林＞30 a落葉松人工林＞50 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林。滯留貯水量的變化規(guī)律為30 a落葉松人工林＞20 a落葉松人工林＞40 a落葉松人工林＞50 a落葉松人工林。20 a和30 a落葉松人工林土壤滯留貯水能力較好，能為大雨或暴雨提供應(yīng)急的水分貯存，有效地減少地表徑流，其余兩種年齡的落葉松人工林土壤滯留貯存能力則相對(duì)較弱。

表4 不同結(jié)構(gòu)類型落葉松人工林土壤的貯水特性Tab.4 Water capacity of soil for different-structure Larix gmelinii plantations

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黑龍江省東部山地不同林齡落葉松人工林土壤的土壤水文特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡的落葉松人工林土壤密度表現(xiàn)為隨著深度的加深而逐漸加大的趨勢(shì)，土壤孔隙狀況則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。50 a的落葉松人工林土壤密度較小、孔隙度較大。各林齡的落葉松人工林土壤飽和持水量變化幅度在186.78～193.81 mm，土壤的飽和持水量和毛管持水量隨著土壤深度的增加而不斷下降。4種林齡落葉松人工林土壤初滲速率的變化范圍為0.03～0.63 mm/min，50 a的落葉松人工林土壤初滲速率最大。不同林齡間的變化規(guī)律與土壤非毛管孔隙度的變化規(guī)律基本一致。50 a的落葉松人工林的土壤穩(wěn)滲速度大，穩(wěn)滲系數(shù)大，孔隙度大，滲透性能比較好，持水量也較大。

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