景國(guó)臣，鞠敏睿，歐陽(yáng)力

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑土區(qū)是我國(guó)6大水力侵蝕區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[1]。目前，黑土區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨的問(wèn)題主要是：土壤侵蝕比較嚴(yán)重、土壤退化、農(nóng)田污染、自然植被覆蓋率降低且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,以及旱澇等自然災(zāi)害頻繁且有加劇趨勢(shì)，黑土數(shù)量不斷減少等[2]。水土保持林是水土流失治理的主要措施之一。已有研究證明，水土保持林不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)降水分配來(lái)削弱土壤侵蝕動(dòng)力，進(jìn)而減少土壤流失量[3]，而且可以通過(guò)枯枝落葉層及其形成的土壤有機(jī)質(zhì)改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤可蝕性[4]。本文通過(guò)對(duì)黑土區(qū)幾種人工水土保持林土壤物理性狀、林冠層截留降雨、林下蓄水能力、保持土壤能力等指標(biāo)的測(cè)定與分析，擬揭示人工水土保持林在水土流失防治中的作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于克山縣古北鄉(xiāng)，黑龍江省水利科學(xué)研究院克山試驗(yàn)站試驗(yàn)場(chǎng)(48°03′20″N,125°49′20″E)，總面積為0.46 km2，其中，人工林面積7.0 hm2。地貌屬波狀起伏臺(tái)地，土壤為黑土，表土層厚度20～50 cm。研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量510 mm，多集中在6—9月；多年平均氣溫1.1 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為2677 h；年均風(fēng)速3.1 m/s。

2 研究方法

2.1 樣地與林分選擇

選擇立地條件相似、林齡相同的落葉松純林、樟子松純林、楊樹(shù)純林、白皮柳純林，落葉松與樟子松混交林，樟子松與楊樹(shù)混交林作為研究對(duì)象，其中落葉松與樟子松混交形式為帶混，混交比為7∶7；樟子松與楊樹(shù)混交形式為帶混，混交比為7∶5。試驗(yàn)樣地林分特征見(jiàn)表1。

2.2 研究方法

2.2.1 林下土壤物理特性指標(biāo)測(cè)定

林下土壤容重、孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法，每10 cm為一個(gè)測(cè)定層次，3次重復(fù)，測(cè)定深度為50 cm。林下表層土壤滲透系數(shù)采用雙環(huán)法。

2.2.2 冠層截持降雨量測(cè)定

采取小區(qū)觀(guān)測(cè)法，分別測(cè)定林下雨量、樹(shù)干流量和林外降雨量，林外降雨量減去林下降雨量和樹(shù)干流量即為樹(shù)冠層截留降雨量。

2.2.3 林下蓄水能力測(cè)定

林下蓄水能力包括林下枯落物層有效蓄水量和林下土壤層蓄水量?jī)刹糠帧?/p>

林下枯落物層有效蓄水量測(cè)定采取浸泡法，測(cè)定林下枯落物自然含水率和浸泡后最大持水率，通過(guò)公式(1)計(jì)算林下枯落物層有效蓄水量。

表1 試驗(yàn)林分特征

W=(0.85Rm-R0)M

(1)

式中：W為枯落物有效蓄水量，t/hm2；Rm為枯落物最大持水率，%；R0為枯落物自然含水率，%；M為枯落物蓄積量，t/hm2；0.85為有效攔蓄系數(shù)。林下土壤層蓄水量是在測(cè)定孔隙度的基礎(chǔ)上，采用公式(2)計(jì)算：

W=10 000Ph

(2)

式中：W為土壤層蓄水量，t/hm2；P為土壤孔隙度，%；h為土壤厚度，m。

2.2.4 保土能力測(cè)定

采取微型小區(qū)觀(guān)測(cè)法，小區(qū)面積1 m2(1 m×1 m)，設(shè)置3次重復(fù)，測(cè)定每次產(chǎn)流降雨的泥沙含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下土壤物理特性指標(biāo)分析

在土壤物理特性中，容重和孔隙度直接影響到土壤的通氣性和透水性，是決定森林土壤水源涵養(yǎng)功能的重要因素[5]。不同林分枯落物組成、分解狀況和根系分布不同，對(duì)土壤物理特性指標(biāo)的影響也不同。

3.1.1 不同林分土壤容重比較

土壤容重是土壤物理特性的一個(gè)重要指標(biāo)，反映土壤的通氣性、透水性?？萋湮锓纸獬潭扰c根系分布特點(diǎn)使不同林分土壤容重產(chǎn)生一定的變化。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同林分土壤容重測(cè)定結(jié)果

從表2 可以看出，在0～50 cm土層范圍內(nèi)，不同林分土壤容重差異不大，樟子松純林平均容重最大為1.330 g/cm3，樟落混交林平均容重最小為1.200 g/cm3，變化率不超過(guò)10%。同一林分內(nèi)，由于枯落物分解程度和根系分布的變化，不同土層深度容重變化表現(xiàn)不一，落葉松純林、樟楊混交林隨土層深度的增加容重增大趨勢(shì)，楊樹(shù)純林隨土層深度的增加容重減小，其他林分表現(xiàn)為表層和深層容重大，中間層容重小。

3.1.2 不同林分土壤孔隙度比較

土壤孔隙度組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，并且對(duì)土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能[6-7]。土壤毛管孔隙度越大，土壤持水能力越強(qiáng)，土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道，與土壤蓄滲水能力更為密切[8]。測(cè)定結(jié)果表明，0～50 cm土層范圍內(nèi)，各林分土壤總孔隙度在49.60%～54.34%之間，變化不大；土壤毛管孔隙度在38.75%～48.55%之間，表現(xiàn)出混交林比純林毛管孔隙度大的特點(diǎn)；土壤非毛管孔隙度在3.74%～12.27%之間，表現(xiàn)出純林比混交林非毛管孔隙度大的特點(diǎn)。從不同土層深度看，各層次間總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度無(wú)明顯變化規(guī)律(見(jiàn)表3)。這與林下枯落物組成、分解程度、根系分布等有一定的關(guān)系。

表3 不同林分土壤孔隙度測(cè)定結(jié)果

3.1.3 不同林分表層土壤滲透性比較

土壤滲透性大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度等土壤特性有關(guān)，對(duì)土壤蓄滲水能力影響較大。測(cè)定結(jié)果表明，不同林分表層土壤初滲速度和穩(wěn)滲系數(shù)變化都較大(見(jiàn)表4)。其中，初滲速度波動(dòng)范圍在15.64～38.76 mm/min之間，初滲速度最大的樟落混交林是其他林分的1.3～2.5倍。穩(wěn)滲系數(shù)變化范圍1.61～5.13 mm/min之間，穩(wěn)滲系數(shù)最大的樟落混交林是其他林分的2.0～3.2倍,說(shuō)明樟落混交林土壤滲透性能最好，其涵養(yǎng)水源能力最強(qiáng)，其次是白皮柳純林，再次是落葉松純林、樟子松純林和樟楊混交林，最低的是楊樹(shù)純林，其涵養(yǎng)水源能力也最弱。因此針葉林對(duì)土壤表層改良效果好于闊葉林，表層土壤滲透性能大大提高[9]。

表4 不同林分土壤滲透測(cè)定結(jié)果

3.2 林冠層截留降雨能力分析

3.2.1 林冠層降雨截留率比較

林冠層對(duì)降雨具有再分配作用，而且延續(xù)整個(gè)降雨過(guò)程。林冠層截留能力與林分組成、冠層厚度、降雨量等多種因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，森林植被的截留率變化較大，在12%～35%之間[10]。觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，不同林分冠層截留率在24.17%～32.44%之間，表現(xiàn)為混交林大于純林，針葉林大于闊葉林的特點(diǎn)。不同林分冠層截留率變化趨勢(shì)基本一致，即隨著降雨量的增大，截留率逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定(見(jiàn)表5、表6)。

表5 不同林分降雨截留率觀(guān)測(cè)結(jié)果[11]

3.2.2 林冠層截留量與降雨量的關(guān)系

林冠層截留量與林分本身特性如樹(shù)種、樹(shù)齡、林冠層厚度以及降雨量、氣溫、風(fēng)速等多種因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)冠層截留量與降雨量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，不同林分冠層截留量與降雨量關(guān)系最為密切，并且隨著降雨量的增加而增大(見(jiàn)表6)，表現(xiàn)為林冠層截留量與降雨量存在著正相關(guān)關(guān)系[12]。

表6 不同林分冠層截留量觀(guān)測(cè)結(jié)果

3.3 林下蓄水能力分析

3.3.1 林下枯落物層蓄水量比較

枯落物層是森林結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，是森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層。地表枯枝落葉層能截蓄降水、滯緩地表徑流、增加入滲，抑制土壤蒸發(fā)[13-14]。不同林分地表枯落物厚度、數(shù)量、分解程度及分布差異較大，蓄水能力也存在不同。測(cè)定結(jié)果表明，不同林分地表枯落物層有效蓄水量在2.89～10.38 t/hm2之間，大小排序?yàn)槁淙~松純林>白皮柳純林>樟楊混交林>楊樹(shù)純林>樟落混交林>樟子松純林。表現(xiàn)為落葉樹(shù)種大于不落葉樹(shù)種(見(jiàn)表7)。

表7 不同林分地表枯落物蓄水量測(cè)定結(jié)果

3.3.2 林下土壤層蓄水量比較

土壤層是林草植被涵養(yǎng)水源的主體，是森林水庫(kù)的重要蓄水載體。林下土壤蓄水能力決定于非毛管孔隙度和毛管孔隙度。不同林分土壤物理性狀不同，決定其涵養(yǎng)水源能力不同。測(cè)定結(jié)果表明，不同林分土壤層最大蓄水量差異較大，在2480.13～2856.55 t/hm2之間，而不同林分毛管蓄水量和非毛管蓄水量差異較大，表現(xiàn)為針葉林最大蓄水量和毛管蓄水量大于闊葉林、非毛管蓄水量小于闊葉林(見(jiàn)表8)。

表8 不同林分土壤層蓄水量測(cè)定結(jié)果

3.4 保土能力分析

森林植被是防止土壤侵蝕的有效措施，林下土壤侵蝕量與枯落物多少、土壤結(jié)構(gòu)以及根系分布有直接關(guān)系。林下枯落物多蓄水能力強(qiáng)，保護(hù)土壤效果好；土壤中根系水平分布密集，對(duì)表層土壤固持能力強(qiáng)，土壤侵蝕量小。觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，在相同產(chǎn)流降雨情況下，不同林分產(chǎn)沙量在4.3～31.1 t/hm2之間，落葉松純林產(chǎn)沙量最小，其次是白皮柳純林，產(chǎn)沙量最大的是樟子松與楊樹(shù)混交林，是產(chǎn)沙量最小的落葉松純林和白皮柳純林的6～7倍(見(jiàn)表9)。

表9 不同林分林下徑流泥沙測(cè)定結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)不同林分土壤物理特性指標(biāo)變化較大。土壤容重變化不明顯，但土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度、穩(wěn)滲系數(shù)變化明顯。表現(xiàn)為：落葉針葉樹(shù)種土壤容重小于闊葉和不落葉樹(shù)種；混交林毛管孔隙度大于純林、非毛管孔隙度小于純林；針葉混交林穩(wěn)滲系數(shù)明顯高于落葉純林。

(2)不同林分冠層截留降雨能力差異較大?；旖涣止趯咏亓艚涤昴芰Υ笥诩兞郑樔~林大于闊葉林，林冠層截留量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系；冠層截留率隨著降雨量的增大而減小，最終趨于穩(wěn)定。

(3)林下蓄水能力變化與枯落物關(guān)系密切，與土壤層關(guān)系不顯著。分析表明，不同林分林下枯落物蓄積量不同，蓄水量變化較大，變化范圍在2.89～10.38 t/hm2之間，表現(xiàn)為落葉樹(shù)種大于不落葉樹(shù)種；不同林分土壤層蓄水量差別不大，變化范圍在2480.13～2856.55 t/hm2之間。

(4)不同林分保土能力差異較大。在相同產(chǎn)流降雨條件下，不同林分產(chǎn)沙量在4.3～31.1 t/hm2之間，且針葉樹(shù)種保土效果優(yōu)于闊葉和不落葉樹(shù)種。