不同森林類型的土壤持水能力及其環(huán)境效應(yīng)研究

1、不同森林類型的土壤持水能力及其環(huán)境效應(yīng)研究郭 濼 1, 夏北成 1, 倪國(guó)祥 2(1. 中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 , 廣東 廣州 510275;2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 , 山東 泰安 271018摘 要 :以森林類型梯度鑲嵌分布格局的研究為基礎(chǔ) , 以泰山龍?zhí)斗e水區(qū)的森林土壤為研究對(duì)象 , 對(duì)不同森林類型下的土壤進(jìn)行調(diào)查測(cè)試分析 , 結(jié)合水文 、 DE M 數(shù)據(jù)分析了區(qū)內(nèi)不同林型地土壤的蓄水能力和水源涵養(yǎng)功能 。 結(jié)果表明該區(qū)森林土壤連續(xù)涵蓄降水的能力較強(qiáng) , , 最好 、 山頂灌叢最差 。 區(qū)內(nèi)以成熟林為主 , 森林植被保護(hù)較好 , , 增加地下徑流量 , 改善集水區(qū)內(nèi)的水分分配 , ,

2、 的作用 。關(guān)鍵詞 :森林土壤 ; ; :X :052926579(2005 S1200327204 , 土壤水 分是土壤的重要組成物質(zhì)之一 。 森林具有水土保持 和涵養(yǎng)水源的功能 , 對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境具有積極作 用 1-2。 森林土壤水分含量及其空間動(dòng)態(tài)變化是區(qū) 域水循環(huán)及水量平衡各環(huán)節(jié)共同作用而達(dá)到動(dòng)態(tài)平 衡的結(jié)果 , 同時(shí)也對(duì)水循環(huán)的后續(xù)過(guò)程及森林生態(tài) 環(huán)境效應(yīng)的發(fā)揮產(chǎn)生影響 。不同森林類型其林冠 層 , 林下木或地被物層 , 凋落物層的結(jié)構(gòu) 、組成 、 種類 、 數(shù)量和性質(zhì)都存在一定的差異 , 因而影響到 林地截持降水 、 儲(chǔ)蓄水分 、 調(diào)節(jié)徑流的功能 , 導(dǎo)致 不同森林類型的水土保持

3、 、水源涵養(yǎng)能力有所差 異 3-4。 不同森林類型土壤的物理性質(zhì)差異直接影 響土壤水分蓄存量的儲(chǔ)蓄方式 , 關(guān)系到涵養(yǎng)水源潛 能的強(qiáng)弱 。 研究環(huán)境變化條件下土壤質(zhì)量的演變機(jī) 制 、 速率及其與環(huán)境條件的相互作用關(guān)系是土壤資 源可持續(xù)管理的基礎(chǔ) , 關(guān)系到土壤可持續(xù)利用和區(qū) 域可持續(xù)發(fā)展 5-6, 也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 7-10。 土壤水分特征的研究也從地塊 、 坡面尺度發(fā)展到小 流域 、 集水區(qū) 、 大區(qū)域的研究 , 其中集水區(qū)是山區(qū) 主要的水源供應(yīng)地 , 擔(dān)負(fù)著千萬(wàn)人的飲水任務(wù) , 具 有重要的地位 。本文通過(guò)分析泰山龍?zhí)斗e水區(qū)不同林地土壤的 蓄水能力以及土壤蓄水在林木生長(zhǎng) 、 減少地表徑流

4、 等方面的生態(tài)環(huán)境效應(yīng) , 對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù) 和規(guī)劃 , 水資源環(huán)境的改善 , 森林環(huán)境條件下水土保持綜合治理都具有重要的理論和實(shí)踐意義 。1 研究方法111 研究區(qū)概況研究區(qū)位于泰山南部 , 處于東經(jīng) 117°05 116°08 , 北緯 36°09 36°14 。地勢(shì)北高南低 , 平均海拔 500m 以上 , 相對(duì)高差 800m 。研究區(qū)地處暖溫 帶氣候區(qū) , 年平均降水量 720mm , 降水集中在 6-8月 。 森林覆蓋率達(dá) 8115%, 主要森林類型有松林 Pinus forest 、側(cè)柏林 Platycladus orientalis

5、L . 、刺槐 林 Robinia pseudoacacia L. 、櫟林 Quercus forest 4大 類 。 其中陽(yáng)坡刺槐林林下以黃荊和禾本科草類為 主 , 陽(yáng)坡松林林下以黃荊 、鼠李和禾本科草類為 主 , 陰坡松林林下植被較少 , 主要為喜濕耐蔭的草 本植物林下以一葉荻 、 衛(wèi)矛和苔草類為主 。 櫟林主 要分布于海拔 900m 以下的陽(yáng)坡 , 林齡多在 4060年 。 由于其林下極為發(fā)達(dá)的枯落物層和萌生的灌木 狀櫟類 , 對(duì)林下植物的分布和生長(zhǎng)影響極大 , 主要 為較喜光的灌木和草本植物 。 側(cè)柏林主要分布于海 拔 1000m 以下 , 林下灌木主要為胡枝子 、酸棗 、 荊條 ,

6、草本以結(jié)縷草 、 苔草類為主 。 灌叢分布在土 層薄 、 干瘠 、 坡度陡或山頂?shù)忍?, 立地條件差 。 112 土壤水分狀況的測(cè)定根據(jù)不同的地形狀況 , 本文選擇 6種森林類 型 , 針對(duì)主要森林類型在流域內(nèi)其梯度分布中心區(qū)收稿日期 :2005-04-06基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金 (30300242 和山東林科院研究基金作者簡(jiǎn)介 :郭濼 (1975年生 , 女 , 博士后 ; 通訊聯(lián)系人 :夏北成 ; E -mail :zsuxbc 1631com第 44卷 增 刊 2005年 6月 中山大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ACT A SCIE NTI ARUM NAT URA LI UM UNI

7、VERSIT ATIS S UNY ATSE NI V ol 144 Sup 1Jun 1 2005域采用典型取樣法 , 選設(shè) 10m ×10m 標(biāo)準(zhǔn)樣地 12個(gè) , 各林地母巖均為花崗巖 。 調(diào)查并記載每個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 地的坡向 、 坡位 、 坡形 、 地貌類型 、 坡度 、 海拔高 度 6個(gè)地形因子 , 采用 “每木調(diào)查法” , 調(diào)查樣地 內(nèi)植物種類 、數(shù)量 、冠層結(jié)構(gòu) , 確定主要森林類 型 。 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的四角和中心共設(shè)置 015m ×015 m 的調(diào)查樣方 5個(gè) , 總共 60個(gè) 。采用 “烘干恒重 法” , 分別在標(biāo)準(zhǔn)樣地不同土層取樣 (同一層混合 取樣 , 測(cè)定其含

8、水量 。采用 “環(huán)刀法”測(cè)定土壤 容重 、 最大持水量 、 毛管持水量 , 通過(guò)公式換算可 得土壤含水量 、 容積濕度 、 毛管孔隙度 、 非毛管孔 隙度及總孔隙度等值 11。采用 “雙環(huán)法”測(cè)定不 同森林群落類型下土壤滲透性能 , 包括土壤初滲速 率 、 穩(wěn)滲速率 12,方程 。2211森林對(duì)土壤物理性狀的影響是多方面的 , 但是 對(duì) 020cm 表層土壤影響最顯著的是森林的枯落 物 。 不同森林類型土壤的容重與孔隙度 , 受林分土 壤發(fā)育狀況的影響 , 林分發(fā)育到一定程度后可以大 大改善和提高土壤的物理性狀 。 不同林分 , 林地表 層的枯落物構(gòu)成及地下根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況 、 枯落 物的分

9、解程度等情況對(duì)土壤物理性狀的影響是多方 面的 。從表 1中可知 :刺槐林土壤容重最小 , 僅為 1115g/cm 3, 其總孔隙度最大 , 為 56133%, 其中毛 管孔隙度為 44128%。其余依次為松林 、側(cè)柏林 、 櫟林 、 混交林 、山頂灌木灌叢 。土壤孔隙度越大 , 說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)越疏松 , 越有利于雨水迅速下滲 , 減 少地表徑流的沖刷 。 非毛管孔隙度越大 , 表明土壤 中可能吸持的無(wú)效水容量小 , 增加了土壤中的有效 水的貯存容量 , 由于闊葉樹純林及針闊混交林的土 壤表面枯落物較多 。加之凋落物的分解速度較快 , 而這些凋落物分解 、 腐爛后 , 增加了土壤的腐殖質(zhì) 含量 ,

10、 有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成 , 增加了土壤的 孔隙度 , 進(jìn)而增強(qiáng)了土壤的蓄水和通透能力 。 212 不同森林類型土壤的蓄水能力林地土壤是水分貯蓄的主要場(chǎng)所 , 土壤水分貯 蓄量和蓄水方式受其物理性質(zhì)影響很大 , 水分在土 壤的非毛管孔隙和毛管孔隙中的運(yùn)動(dòng)和貯存方式不 同 。 毛管孔隙是土壤中水分流通和蒸發(fā)的孔道 , 是 植物吸收土壤水分的路徑 。 在非毛管孔隙中的水分 主要受重力作用 , 貯蓄和運(yùn)動(dòng)速度快 , 在林地調(diào)節(jié) 水分運(yùn)動(dòng)中起重要作用 , 非毛管孔隙貯蓄水量是評(píng) 價(jià)林地涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)之一 。 由表 2可知 :不 同林分土壤貯水量差異很大 , 其中 , 土壤貯水量為 最大的是刺槐林

11、 , 各林分土壤貯水量依次為 :刺槐 林 >松林 >側(cè)柏林 >混交林 >櫟林 >山頂灌木灌 叢 。 可見(jiàn) , 闊葉林比針葉林有更好的貯水能力 。 表 1 主要森林類型土壤性狀T ab 11 Physical characters of main forest s oil in Longtan area 編號(hào)林分類型土壤容重(-3非毛管孔隙度 /%毛管孔隙度 /%號(hào)林分類型毛管最大含水量 /%飽和含水量 /%土壤含水量 /%213 不同森林類型土壤滲透性分析土壤滲透性能是林分涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo) 之一 , 它與土壤質(zhì)地 、結(jié)構(gòu) 、孔隙度 、有機(jī)質(zhì)含 量 、 濕度和

12、土溫有關(guān) , 是由透過(guò)土壤的水量和通過(guò) 土層所需要的時(shí)間來(lái)衡量的 。 降雨強(qiáng)度不大時(shí) , 水 分可以充分滲入土壤中貯存或形成土壤內(nèi)部徑流 , 減少水分損失 , 土壤滲透能力一般用 10 時(shí)土壤 滲透系數(shù) K 來(lái)表示 。不同林分內(nèi) , 由于枯落物的 厚度 、 分解速度和微生物的數(shù)量不同土壤的孔隙度 性質(zhì)各不相同 , 造成了不同林分土壤滲透性能的不 同 。 降落到地面的雨水大部分直接從土壤孔隙滲透 到土層中 , 減少了地表徑流 , 降低了由于地表徑流 造成的水土流失 , 起到了涵養(yǎng)水源的作用 。 由表 3可知 :林地表層土壤的滲透速度受林內(nèi) 枯落物的蓄積量及枯落物的性質(zhì)影響 , 研究區(qū)內(nèi)的 不同林

13、分表層土壤滲透速度中 , 闊葉林明顯大于針 葉林 , 其中刺槐林地內(nèi)土壤滲透速度最快 , 其余依 次是混交林 、 櫟林 、 側(cè)柏林 、 松林 、 山頂灌叢 。 山 頂灌叢的土壤滲透速度最慢 , 為 5194mm/min , 這 表明闊葉林下土壤的非毛管孔隙數(shù)量多 , 土壤水分 的下滲速度快 , 土壤的滲透性能強(qiáng) , 而針葉林的土823中山大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 第 44卷 體中非毛管孔隙少 , 土壤的滲透性差 。 這主要是由 于闊葉林中大量枯枝落葉數(shù)量多而且分解速度快 , 改良了土壤結(jié)構(gòu) , 使土壤容重降低 , 孔隙度增加 , 同時(shí)枯落物層生物的活動(dòng)也增加了孔隙度的數(shù)量 , 有利于水分的滲透

14、。表 3 主要森林類型土壤滲透性能T ab 13 Permeability of main forest s oil in Longtan area編號(hào)林分 類型 枯落物 積蓄量 1滲透 深度 /cm滲透 速度 2滲透 系數(shù) 灌叢81319145194311 單位是 t/hm 2, 2 214 、 土壤的蒸發(fā)和。 在連續(xù)降雨的 情況下 , 若土壤中的水分能夠及時(shí)排除或散失 , 能 夠增加土壤連續(xù)持水的能力 , 使地表水匯入土壤 , 減少地表徑流 。圖 1為一次降水達(dá)到飽和狀態(tài)后 , 6種森林類型土壤在不同時(shí)間恢復(fù)持水的能力 。由 圖 1可知 , 在降雨后 10h 之內(nèi) , 刺槐林和松林土 壤恢

15、復(fù)持水的能力相近 , 10h 后刺槐林恢復(fù)持水的 能力繼續(xù)增加 , 而側(cè)柏林卻逐漸趨于緩和 。 櫟林恢 復(fù)持水的能力則相對(duì)較弱 。 從森林類型土壤的水分 變化趨勢(shì)來(lái)看 , 刺槐林 、 櫟林 、 混交林和松林在后 期仍然表現(xiàn)為持續(xù)上升的趨勢(shì) , 而側(cè)柏和灌叢后期 變化趨勢(shì)不明顯 。 因?yàn)榍捌谕寥雷杂伤^多 , 在重 力的作用下向下移動(dòng)較快 , 直接到達(dá)巖石層或形成 土壤徑流 , 而后期自由水越來(lái)越少 , 水分下降的速 度較慢 , 數(shù)量較小 。此外 , 松林土壤較厚 , 而櫟林和山頂灌木灌叢 土壤較淺 , 土壤水分滲透至巖石層所需要的時(shí)間相 對(duì)短 。 坡向的影響也很明顯 , 陽(yáng)坡直接接受太陽(yáng)輻 射

16、 , 溫度高 、 大氣濕度低 , 土壤中水分的蒸發(fā)散失 量和植物蒸騰吸收量相對(duì)較大 , 從而導(dǎo)致土壤中含 水量的下降 , 而陰坡相對(duì)溫度較低 , 大氣濕度較 大 , 因此在連續(xù)降雨的情況下 , 土壤連續(xù)持水的能 力陽(yáng)坡刺槐林 、 陽(yáng)坡松林和櫟林要明顯好于陰坡松 林和側(cè)柏林 。 而從滿足植物根系吸收利用 , 保持土 壤水分和濕度以涵蓄水源的方面看 , 陰坡松林要優(yōu) 于陽(yáng)坡刺槐林 。 215 森林土壤蓄水能力及其環(huán)境效應(yīng)森林能促進(jìn)土壤形成良好的結(jié)構(gòu) , 通過(guò)對(duì)土壤Fig 11 The recovering am ount of retention water offorest s oil in L

17、ongtan area 容重 、 孔隙度 、 土壤飽和含水量和非毛管最大持水 量的影響 , 森林對(duì)土壤的物理性狀具有明顯的改善 作用 。 特別是林地枯落物對(duì)地表的各種孔隙度有較 大影響 , 隨著林地枯落物的增加 , 地表的各種孔隙 度均會(huì)增加 , 并且隨時(shí)間的延長(zhǎng)和枯落物的增加 , 其影響也會(huì)逐步向下延伸 。 土壤的貯蓄水能力還受 到海拔 、 坡向 、 坡度 、 坡位以及人為和自然因素的 影響 。 人們?yōu)榱司S護(hù)和提高森林土壤的生產(chǎn)力 , 永 續(xù)利用有限的森林土壤資源 , 營(yíng)造混交林 , 更換樹 種保留枯落物 , 通過(guò)間伐發(fā)育林下植被 , 通過(guò)改善 土壤資源 , 營(yíng)造混交林 , 更換樹種保留枯落

18、物 , 以 改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性提高土壤肥力 。 所 有的這些措施都有效地改善了土壤的物理性質(zhì) , 改 變了土壤容重 , 增加了土壤的孔隙度和滲透性 , 提 高了土壤涵蓄水分的能力 。研究區(qū)內(nèi)不同林分的土壤涵蓄水分的能力有明 顯差異 , 闊葉林地土壤的貯蓄水能力明顯優(yōu)于針葉 林和山頂灌叢 , 對(duì)該區(qū)域的水土保持起了較大的作 用 。 闊葉林地土壤孔隙度高 , 土壤結(jié)構(gòu)好 , 能夠最 大限度的貯蓄水分 , 減少地表徑流 , 增加土壤的有 效含水 , 為林木的生長(zhǎng)提供了足夠的水分和養(yǎng)分 , 具有更有利的生態(tài)環(huán)境效應(yīng) 。3 結(jié) 論泰山森林除具有其獨(dú)特的風(fēng)景觀賞價(jià)值之外 , 在涵養(yǎng)水源 、 保持

19、水土 、 改良景區(qū)生態(tài)環(huán)境方面亦 具有重要的作用 。泰山內(nèi)的森林土壤物理形狀較 好 , 具有較強(qiáng)的涵蓄降水的能力 , 并受到森林類型 和土層厚度等方面的影響 。 森林土壤蓄水能力受森923 增 刊 郭 濼等 :不同森林類型的土壤持水能力及其環(huán)境效應(yīng)研究林類型枯落物的厚度 、孔隙度 、有機(jī)質(zhì)含量 、溫 度 、 土溫 、 容重等多方面因素的影響 , 但主要取決 于森林類型及其森林土壤中非毛管孔隙度和土壤滲 透性 。 泰山不同森林類型條件下 , 土壤蓄水能力差 異較大 , 在今后的森林建設(shè)和經(jīng)營(yíng)管理中 , 要考慮 森林類型的選擇 , 增加土壤厚度 、減少土壤侵蝕 。 研究表明泰山森林土壤對(duì)于減少地表

20、徑流 , 增加地 下徑流量 , 改善研究區(qū)的水分分配和利用以及對(duì)環(huán) 境和水資源的綜合利用起到積極的作用 。參考文獻(xiàn) :1 C OST ANZ A R , ARGE R , DEG ROOT R ,et al. The value of the w orld s ecosystem services and natural capital J . Nature ,1997,387:253-260.2 王政權(quán) , 王慶成 .J.生態(tài)學(xué)報(bào) ,2000(3 李德生 ,研究 J.自然科學(xué)版 ,2004,28 (1 :25-28.4 張保華 , 何毓蓉 , 周紅藝 , 等 長(zhǎng)江上游典型區(qū)亞高山不 同林型土

21、壤結(jié)構(gòu)性與水分效應(yīng) J.水土保持學(xué)報(bào) ,2002,16(4 :127-129.5 楊海龍 , 朱金兆 , 畢利東 . 三峽庫(kù)區(qū)森林流域生態(tài)系統(tǒng) 土壤滲透性能的研究 J.水土保持學(xué)報(bào) ,2003,17(3 : 63-69.6 張甘霖 , 朱永官 , 傅伯杰 . 城市土壤質(zhì)量演變及其生態(tài) 環(huán)境效應(yīng) J.生態(tài)學(xué)報(bào) ,2003,23(3 :539-546.7 肖慈英 , 阮宏華 , 屠六邦 . 寧鎮(zhèn)山區(qū)不同森林土壤生物 學(xué)特性的研究 J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào) 2002,13(9 :1077-1081.8 黨宏忠 , 趙雨森 , 陳祥偉 . 祁連山青海云杉林地土壤水 分特征研究 J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào) ,200415

22、(7 :1148-1152.9 劉晨峰 , , 賀康寧 .中國(guó)水土保 ,2(2 -S and initial m oisture filtration rates in Vertis ols and vertic intergrades J,S oil Science ,1998,163(1 :2-8.11 張萬(wàn)儒 , 許本彤 . 森林土壤定位研究方法 M.北京 :中國(guó)林業(yè)出版社 ,1986. 30-36.12 賈志清 , 宋桂平 , 李清河 , 等 . 寧南山區(qū)典型流域土壤 水分動(dòng)態(tài)文化規(guī)律研究 J.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ,1997, 19(3 :15-30.Analysis of W ater

23、 C apacities H eld in Different Forest Soils andE nvironmental E ffectG UO Luo 1, XIA Bei-cheng 1, NI Guo-xiang 2(1. School of Environmental Science and Engineering , Sun Y at-Sen University , G uangzhou 510275;2. School of F orestry , Shandong Agriculture University , T aian 271018,China Abstract :

24、Based on forest type gradient m osaic pattern maps , different forest s oils and their water capacities were investigated and tested in Longtan area of M ountain T ai. In this experiment , DE M , rain fall and hydrological data were used to analyze the function of water storage and retaining. It revealed that the forest s oils in the researching area have high water capacities and the usability characters of water held in s oils are well. There were greatly significant differences between different forest s oils , and the best s o