龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000)

河北省太行山區(qū)3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應(yīng)

龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000)

[目的] 揭示人工水土保持林林下枯落物以及土壤持水特征，為太行山區(qū)水土保持林的建造和規(guī)劃提供理論依據(jù)。[方法] 運(yùn)用烘干法，室內(nèi)浸泡法，環(huán)刀法等得出不同林分林下枯落物蓄積量、持水量、吸水速率、最大持水能力和攔蓄量，比較了不同林分枯落物和土壤的持水能力。[結(jié)果] 枯落物總儲(chǔ)量范圍為9.96～19.19 t/hm2，表現(xiàn)為栓皮櫟林總儲(chǔ)量最大，荒坡總儲(chǔ)量最小?？萋湮镒畲蟪炙孔兓秶鸀?3.76～66.72 t/hm2，栓皮櫟—側(cè)柏混交林最大，荒坡最小。栓皮櫟—側(cè)柏混交林有效攔蓄量可達(dá)51.50 t/hm2，在各林分中最大；荒坡有效攔蓄量為19.55 t/hm2，在各林分中最小?？萋湮锍炙俊⑽俾示c浸泡時(shí)間呈相關(guān)關(guān)系，前者為對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.97)，后者為冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。各林分土壤容重均值介于1.14～1.55 g/cm3，總孔隙度介于38.62%～43.76%。各林分土壤有效持水量表現(xiàn)為:刺槐林>栓皮櫟—側(cè)柏混交林>栓皮櫟林>荒坡，其中刺槐林最大(為106.85 t/hm2)，荒坡最小(為89.37 t/hm2)。[結(jié)論] 水土保持林持水能力遠(yuǎn)大于荒坡。

太行山; 水土保持林; 枯落物; 土壤水文

文獻(xiàn)參數(shù)： 龐夢(mèng)麗, 朱辰光, 翟博超, 等.河北省太行山區(qū)3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009； Pang Mengli, Zhu Chenguang, Zhai Bochao, et al. Water-holding capacity of litter and soil in three kinds of soil and water conservation forests in Taihang Mountains of Hebei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009

作為森林與土壤的重要媒介，枯落物發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、防止水土流失的功能[1]。一般將枯落物分為未分解層和半分解層2個(gè)層次。未分解層是指大致保留原狀及質(zhì)地的枯枝落葉，而半分解層是指還未全部腐敗、人眼可分辨其大體形狀的枯枝落葉[2]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)最具活力的功能層次之一，枯落物層由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松且分布廣泛，可顯著截持降雨，削弱雨水對(duì)土壤的直接沖刷；且具有減少地表水分蒸發(fā)，減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)的功能，在水源涵養(yǎng)、水土保持，以及促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮的作用不可忽視[3-4]。枯落物的儲(chǔ)量以及持水能力是研究森林生態(tài)功能的重要依據(jù)和理論基礎(chǔ)，而土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的又一重要組成部分，其水文效應(yīng)是探究森林水文過(guò)程的基礎(chǔ)和前提[5]。目前，針對(duì)涵養(yǎng)水源的研究表明，枯落物層與土壤層調(diào)節(jié)降水能力非?？捎^[6]。

河北省太行山區(qū)存在地域土壤瘠薄、植被面積小，水土流失及旱澇災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題。廣大人民積極探索、努力實(shí)踐,在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)致力于以林業(yè)為主的水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè),因地制宜、適地適樹(shù)進(jìn)行林草建設(shè)等綜合治理?，F(xiàn)有研究成果表明這些措施已對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到非常積極的作用。本研究擬選擇該區(qū)栓皮櫟—側(cè)柏混交林、栓皮櫟林、刺槐林等3種典型水土保持林以及對(duì)照荒坡為研究對(duì)象，對(duì)其枯落物以及土壤水文效應(yīng)進(jìn)行研究，以期揭示不同林分的水源涵養(yǎng)能力，進(jìn)而為研究區(qū)水土保持林的保護(hù)、提質(zhì)、改造等相關(guān)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于太行山中南部的河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村。該區(qū)為片麻巖山區(qū)，位于太行山南段東麓，地理坐標(biāo)為113°45′—115°50′E，36°45′—37°48′N(xiāo)，海拔518～1 200 m，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱，夏季高溫多雨，平均氣溫11.6 ℃，最高氣溫為38 ℃，最低氣溫為-19 ℃；年均降水量523 mm，多集中在7—8月，無(wú)霜期180 d。土壤以褐土為主，類(lèi)型為壤土或砂壤土。主要喬木樹(shù)種栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)，主要灌木有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、杭子梢(Campylotropismacrocarpa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、雀兒舌頭(Leptopuschinensisvar.chinensis)等，草本多為白蓮蒿(Artemisiasacrorumvar.sacrorum)、中華卷柏(Selaginellasinensis)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、叢生隱子草(Cleistogenescaespitosa)等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

于2015年8月實(shí)地考察研究區(qū)植被特征，選擇了該區(qū)典型的栓皮櫟—側(cè)柏混交林、栓皮櫟、刺槐以及荒坡作為研究對(duì)象。在各林分中分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個(gè)，記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度，并進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量胸徑、樹(shù)高等因子，郁閉度采用樣點(diǎn)法目測(cè)確定。樣地基本特征如表1所示。

2.2 枯落物儲(chǔ)量調(diào)查

在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置100 cm×100 cm的樣方3個(gè)，用鋼尺測(cè)定各樣方內(nèi)枯落物層厚度，按枯落物未分解層、半分解層分別收納入尼龍袋內(nèi)，快速稱(chēng)取鮮重。取樣時(shí)盡可能保持枯落物樣品的原始狀態(tài)，將樣品取回后用干燥箱在80 ℃恒溫條件下烘24 h后稱(chēng)其干重，并計(jì)算各林分類(lèi)型枯落物的蓄積量。

表1 研究區(qū)各林分樣地概況

2.3 枯落物持水特性測(cè)定

采用室內(nèi)浸泡法[7]，取恒溫烘干的枯落物適量(按不同分解層)裝入網(wǎng)紗袋內(nèi)浸沒(méi)在水中，分別記錄其在0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時(shí)的重量，計(jì)算在各時(shí)段不同分解層次的持水量和持水速率。

2.4 枯落物有效攔蓄量測(cè)定

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物對(duì)降雨的攔截，減弱降水對(duì)坡面沖刷起著十分重要的作用?？萋湮飳?duì)降水的實(shí)際攔蓄量多使用有效攔蓄量進(jìn)行估計(jì)[8]，公式如下：

W=(0.85Rm-Ro)M

(1)

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——枯落物最大持水率(%)；Ro——枯落物自然含水率(%)；M——枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)； 0.85——枯落物有效攔水系數(shù)。

2.5 土壤水分與物理性質(zhì)測(cè)定

本研究采用剖面法對(duì)土壤進(jìn)行調(diào)查，在各不同林分標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選取樣點(diǎn)。由于研究地為片麻巖山區(qū)，土層淺薄，受自然環(huán)境所限，采用環(huán)刀法在已挖掘的剖面上按照0—5，5—10，10—20 cm進(jìn)行機(jī)械取樣。土壤含水量利用烘干法測(cè)算，土壤容重以及孔隙度等物理指標(biāo)采用環(huán)刀浸泡法[9]測(cè)定。持水量計(jì)算公式為:

W=1 000Ph

(2)

式中：W——土壤持水量(t/hm2)；P——土壤孔隙度(%)；h——土層厚度(m)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物厚度與蓄積量

枯落物量是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)第一生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，枯落物儲(chǔ)量受到枯落物結(jié)構(gòu)、地表積累時(shí)間和微生物等對(duì)其分解速度的影響，同時(shí)林分結(jié)構(gòu)、氣象因素、枯落物自身特性以及人類(lèi)活動(dòng)等因素與枯落物儲(chǔ)量也密切相關(guān)[10]。

從表2中可以看出，枯落物總厚度變化范圍為32～55 mm，從大到小依次為：Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ，其中Ⅱ厚度最大，Ⅳ厚度最小?？傂罘e量存在差異，在9.96～19.19 t/hm2范圍內(nèi)變動(dòng)，且Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ。Ⅱ蓄積量最大，Ⅳ蓄積量最小，I和Ⅲ介于兩者之間。Ⅱ枯落物蓄積量最大，主要是因?yàn)棰蛴糸]度大，且林下灌草結(jié)構(gòu)豐富，枯落物年生產(chǎn)量大；I郁閉度較低而儲(chǔ)量較大，這可能由于林分組成中闊葉樹(shù)種栓皮櫟枯落物年生產(chǎn)力大，且側(cè)柏枯落物質(zhì)地堅(jiān)硬分解較慢所致；Ⅳ林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，枯枝落葉組成相對(duì)單調(diào)，所以?xún)?chǔ)量較小。

表2 研究區(qū)各林分類(lèi)型枯落物厚度和儲(chǔ)量

各林分未分解層占其總儲(chǔ)量的百分比依次為：Ⅳ>I>Ⅱ>Ⅲ。Ⅳ枯落物中未分解層比例最大，Ⅲ所占比例最小，I與Ⅱ所占比例介于兩者之間。由于Ⅳ主要為小型灌木，缺少高大喬木遮蔽，蒸發(fā)旺盛，缺少促進(jìn)枯落物分解的水分條件，故Ⅳ枯落物分解程度低；由于枯落物的N，P含量越高，其分解速率越快[11]，而刺槐N，P釋放相對(duì)容易[12]，故Ⅲ枯落物分解程度較高。I，Ⅱ，Ⅲ半分解層儲(chǔ)量所占百分比均高于未分解層，這可能在一定程度刺激有機(jī)質(zhì)的分解[13]，提高土壤養(yǎng)分[14]。

3.2 各林分枯落物的持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 從表3可看出，各林分最大持水總量變化范圍為24.54～66.72 t/hm2，從大到小依次表現(xiàn)為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，最大值I約為最小值Ⅳ的2.7倍，表明I持水能力最強(qiáng)，Ⅳ持水能力最弱。結(jié)合表2可知，枯落物蓄積量是最大持水量的決定性因素。各林分最大持水率范圍為217.06%～362.92%，從大到小依次表現(xiàn)為：I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，最大值約為最小值的1.7倍，與最大持水量變化不盡相同，這是由于樹(shù)種組成不同所造成的[15]。最大持水量可以反映枯落物自身持水能力的大小[16]，但由于降雨因素和枯落物及土壤層的透水性，實(shí)際情況中枯落物一般不會(huì)被雨水浸泡24 h,使用最大持水量來(lái)估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力，結(jié)果偏高[17]。

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 枯落物自然含水量、最大持水量、最大攔蓄量等指標(biāo)無(wú)法代表枯落物對(duì)降雨的實(shí)際截留量，只能反映枯落物層自身持水能力的大小，而枯落物對(duì)雨水的實(shí)際攔蓄量常用有效攔蓄量來(lái)估算，它與枯落物總量、水文狀況和降雨特性等因素有關(guān)。從表4中可知各林分有效攔蓄能力存在差異，有效攔蓄率在未分解層中從大到小依次為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，最高的是I，最低的是Ⅳ；在半分解層中從高到底依次為：Ⅲ>I>Ⅳ>Ⅱ，最高的是Ⅲ，最低的是Ⅱ。有效攔蓄量在未分解層中I最大，在半分解層中Ⅱ最大，這表明枯落物蓄積量是影響不同林分有效攔蓄量的主要因素[18]。

表3 研究區(qū)各林分枯落物最大持水率和最大持水量

表4 研究區(qū)各林分枯落物攔蓄能力

3.2.3 枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系 如圖1可知，各林分枯落物總持水量變化規(guī)律大體相似。隨著枯落物浸泡時(shí)間逐漸增加，單位時(shí)間內(nèi)的持水量逐漸減少。未分解層持水量由大到小表現(xiàn)為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，在半分解層中：I>Ⅲ>Ⅳ>Ⅱ。

圖1 研究區(qū)各林分枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

在浸泡初期2 h內(nèi)隨著浸水時(shí)間的增加，曲線呈上升趨勢(shì)，表明枯落物正處于快速吸水的階段，浸水時(shí)間越久，曲線趨于平緩，表明枯落物持水量逐漸穩(wěn)定接近飽和。半分解層枯落物持水在6 h左右基本達(dá)到飽和狀態(tài)，之后隨著浸泡時(shí)間的推移，持水量基本未發(fā)生較明顯的變化；而未分解層枯落物持水在浸泡6 h后仍繼續(xù)增加，在12 h左右出現(xiàn)飽和狀態(tài)，這表明未分解層持水能力強(qiáng)于半分解層。

對(duì)各林分不同分解層次枯落物在0.5～24 h的持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可知林分枯落物各層持水量與浸水時(shí)間均滿足對(duì)數(shù)關(guān)系(表5)，可得出持水量和浸泡時(shí)間的關(guān)系式：

Q=aln(t)+b

(3)

式中：Q—枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時(shí)間(h)；a——系數(shù)；b——常數(shù)項(xiàng)。

3.2.4 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系 由圖2可知：各林分枯落物在浸泡1 h內(nèi)吸水速率最大，隨后吸水速率顯著降低，4～6 h時(shí)，吸水速率逐漸減小，浸泡24 h時(shí)吸水速率趨向于0，說(shuō)明此時(shí)枯落物吸水基本達(dá)到飽和。I枯落物未分解層和半分解層吸水速率在各林分之間始終保持最大。對(duì)各林分未分解層和半分解層枯落物的吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合方程，得出吸水速率和浸泡時(shí)間之間的擬合模型(表5)為:

V=aebt

(4)

式中：V——枯落物吸水速度〔g/(kg·h)〕；t——浸泡時(shí)間(h)；a，b——常數(shù)?？梢钥闯?，各層吸水速率與浸水時(shí)間均滿足指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，擬合效果比較好。

表5 研究區(qū)各林分枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系式

圖2 研究區(qū)各林分枯落物持水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

3.3 土壤水文效應(yīng)

3.3.1 土壤容重與孔隙度 森林的水土保持能力不僅取決于枯落物，且與森林土壤的水源涵養(yǎng)能力有著密切的聯(lián)系，土壤主要的物理性狀包括土層的厚度、土壤容重和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)等指標(biāo)[19]。

土壤容重的大小能夠反映出土壤孔隙狀況和壓實(shí)程度。從表6中可看出，I土壤容重最大，Ⅳ最小，土壤總孔隙度變化規(guī)律表現(xiàn)為：Ⅲ>I>Ⅱ>Ⅳ，土壤孔隙度隨著土層的厚度增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，毛管孔隙度與總孔隙度變化規(guī)律基本相同。非毛管孔隙度越大，土壤有效水的儲(chǔ)量也隨之增大。非毛管孔隙度呈現(xiàn)的規(guī)律為：I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，這可能是由于水土保持林枯落物在土壤表面堆積以及植被根系發(fā)育在不同程度上改善了土壤的結(jié)構(gòu)組成，故土壤的非毛管孔隙度大于荒坡。非毛管孔隙度越高說(shuō)明該林分土壤透氣性和透水性越好，便于水分下滲，有效緩解地表徑流，促進(jìn)水源涵養(yǎng)作用[20]。

3.3.2 土壤持水能力 土壤層是水分涵養(yǎng)的重要層次，土壤持水量是反映水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。土壤持水能力與其孔隙度密切相關(guān)，土壤越疏松，容重越小，孔隙度越大，土壤通氣性和透水性越強(qiáng)。最大持水量反映了土壤的總蓄水能力，而有效持水量反映了土壤水分的調(diào)節(jié)能力。從表6可以看出：不同林分類(lèi)型最大持水量均值大小排序?yàn)椋篒>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，I的土壤持水能力最強(qiáng)。各林分土壤有效持水量均值介于89.37～106.85 t/hm2，與非毛管孔隙度成正相關(guān)關(guān)系，這是由于非毛管孔隙度的高低決定了土壤有效持水量的大小。

4 結(jié) 論

(1) 各林分枯落物總蓄積量范圍在9.96～19.19 t/hm2，Ⅱ蓄積量最大，Ⅳ蓄積量最小，不同分解層儲(chǔ)量總體表現(xiàn)為半分解層大于未分解層?？萋湮镄罘e量與枯落物層厚度密切相關(guān),同時(shí)受樹(shù)種組成、林分郁閉度等因素的影響。

(2) 各林分林下枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈明顯對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.97)?？萋湮镂俾逝c浸泡時(shí)間呈明顯冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。通過(guò)對(duì)各林分枯落物最大持水量和有效攔蓄量的研究，I，Ⅱ，Ⅲ明顯大于Ⅳ，水土保持林枯落物的持水能力遠(yuǎn)大于荒坡。

(3) 林分類(lèi)型I的土壤毛管孔隙度最大，Ⅳ的毛管孔隙度最小，而非毛管孔隙度呈現(xiàn)的規(guī)律為：林分類(lèi)型I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，說(shuō)明各水土保持林土壤透氣性和透水性?xún)?yōu)于荒坡，便于水分下滲，有效緩解地表徑流，促進(jìn)水源涵養(yǎng)作用。林分類(lèi)型I，Ⅱ，Ⅲ土壤最大持水量和有效水的儲(chǔ)量均大于Ⅳ，可見(jiàn)水土保持林的建設(shè)對(duì)于增強(qiáng)該區(qū)土壤蓄水能力和水分調(diào)節(jié)能力起著重要的作用。

表6 各林分土壤物理性質(zhì)

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Water-holding Capacity of Litter and Soil in Three Kinds of Soil and Water Conservation Forests in Taihang Mountains of Hebei Province

PANG Mengli, ZHU Chenguang, ZHAI Bochao, QU Yu

(CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

[Objective] The objective of this study is to investigate the water-holding capacity of litter and soil and to provide support for planning and planting soil and water conservation forests in Taihang Mountains. [Methods] Drying method, indoor soaking and cutting ring method were used to determine the water holding capacity by litter and soil in different kinds of forest stands. [Results] The total storage by litter ranged from 9.96 t/hm2to 19.19 t/hm2. The maximum water-holding volume of different forests was about 23.76 t/hm2to 66.72 t/hm2, the order wasQuercusvariabilisandPlatycladusorientalismixed forest>Q.variabilisforest >Robiniapseudoacaciaforest>controlled forestland. The maximum effective retaining water of litter occured inQ.variabilisandP.orientalismixed forest while the minimum in controlled forestland. The water-holding capacity of litters and immersion time had visible logarithmic relationship(R>0.97), whereas the litter absorption rate and immersion time followed an exponential relationship(R>0.98). Soil bulk desity was about 1.14 g/cm3to 1.55 g/cm3, the total porosity ranged from 38.62% to 43.76%. The order of effective water-holding capacity of soil in these forests wasR.pseudoacaciaforest>Q.variabilisandP.orientalismixed forest>Q.variabilisforest>controlled forestland( maximum inR.pseudoacacia106.85 t/hm2, while minimum in controlled forest land 89.37 t/hm2). [Conclusion] The water holding capacity of forest lands was much better than controlled forestland.

Taihang Mountains; soil and water conservation forests; litters; porosity

2016-06-21

2016-06-27

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“太行山干旱退化山地旱澇災(zāi)害生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究”(201504408)

龐夢(mèng)麗(1990—),女(漢族),河南省南陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)。E-mail:shenqiuse@qq.com。

屈宇(1960—),男(族漢),河北省保定市人，副教授,主要從事城市景觀生態(tài)的教學(xué)和研究。E-mail:quyu0312@126.com。

A

1000-288X(2017)01-0051-06

S715.7