重慶四面山林地枯落物及土壤水文效應(yīng)研究

重慶四面山林地枯落物及土壤水文效應(yīng)研究

森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。凋落物層是森林蓄水和降水的重要組成部分。其蓄水能力與其自身的蓄積量、分解程度、蓄水能力和凋落物類型有關(guān)。四面山森林生態(tài)系統(tǒng)屬于中亞熱帶多年生落葉林型。在中國，這項研究主要集中在植被群落的生態(tài)特征和生物多樣性上，但對水文功能的研究和報道較少。本文結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對四面山森林生態(tài)系統(tǒng)的凋落物層和土壤的水文功能進行初步分析，為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的水資源管理和洪水機制提供理論依據(jù)。1年生時期植被分布四面山位于重慶市南端,北緯28°31′14″～28°46′00″,東經(jīng)106°17′22″～106°30′00″.地勢南高北低,海拔為900～1500m之間.巖層主要是白堊紀(jì)晚期夾關(guān)組厚層紅色砂巖經(jīng)張力作用和外營力作用的強烈沖蝕切割形成的典型丹霞地貌.本區(qū)屬于北半球亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),氣候溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明,無霜期為285d.多年平均氣溫13.7℃,月平均最高氣溫為8月份,達31.5℃,月平均最低氣溫為1月份,為-5.5℃,海拔每上升100m,氣溫遞減0.58℃.多年平均降雨量1522.3mm,日最大降雨量160.5mm.雨季集中在5—9月,占年平均降雨量的62.7%.降雨量變化較大,海拔每上升100m,降雨量遞增43.3mm.植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征,由天然次生林和人工林組成.主要喬木樹種有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、石櫟(Lithocarpusglaber)、木荷(Schimasuperba)、青岡(Cyclobalanopsismyrsinaefolia)、紫花杜鵑(Rhododendronbackii)、福建柏(Fokieniahodginsii)、香樟(Cinnamomumcamphora)等.此外還有楠竹(Phyllostachyspubescens)等竹類植物.土壤是酸性母質(zhì)在生物氣候和人為活動的作用下形成的,呈微酸性至酸性.主要的森林土壤類型為粗骨黃壤、腐殖質(zhì)黃壤、山地黃壤、冷砂黃壤等.2枯落物持水能力測定1)標(biāo)準(zhǔn)地的布設(shè).研究地點選在四面山范家寨大窩鋪、張家山、太平山、皮子廠、太陽坪等地.按不同植被類型分別布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)地,對其中的林木進行胸徑、樹高、年齡組成的調(diào)查.在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線選取5個50cm×50cm枯落物樣方,進行枯落物厚度和蓄積量的調(diào)查,調(diào)查結(jié)果見表1.2)枯落物持水能力測定.在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)根據(jù)實驗的設(shè)計要求,按不同的樹種分別采集50cm×50cm原狀枯落物,分A0層(未分解的枯枝落葉層)、A1層(半分解的枯枝落葉層)分別稱鮮重;在室內(nèi)進行浸水實驗,經(jīng)過24h后稱重;把枯落物自然風(fēng)干,稱得干重.分別計算枯落物各層的持水量.3)枯落物持水過程實驗.在室溫20℃條件下將枯落物完全浸水,測定一定時間間隔枯落物的持水狀況.4)土壤物理性質(zhì)及土壤含水量測定.用土盒法和環(huán)刀法測定土壤的容重、總孔隙度、非毛管孔隙度等物理性質(zhì)及含水率.5)土壤入滲速率(K)測定.采用雙環(huán)法進行土壤入滲速率(K)的測定.3結(jié)果與分析3.1森林凋落物水文功能分析3.1.1不同林型枯落物持水能力枯落物的持水能力多用干物質(zhì)的最大持水量和最大持水率來表示,其值的大小與林分類型、林齡、枯落物的組成、分解狀況、累積狀況等有關(guān).四面山主要林地枯落物的最大持水量和最大持水率如表2所示.由表2可知:林分枯落物的最大持水量變動范圍為18.24～46.37thm2,相當(dāng)于1.8～4.6mm水深.其中石櫟林、楠竹林和天然闊葉林枯落物的最大持水量較高,分別為46.37、40.63和37.51thm2,而柳杉林、杉木林、馬尾松林等針葉樹種的枯落物最大持水量較低,分別為26.90、23.13和18.24thm2.松櫟混交林和杉櫟混交林林下枯落物的最大持水量高于馬尾松林和杉木林林下枯落物的最大持水量,分別為24.10和34.13thm2.枯落物最大持水率變動范圍在284%～478%之間.依次為:柳杉林>杉櫟混交林>石櫟林>松櫟混交林>馬尾松林>杉木林>楠竹林>香樟林>天然闊葉林.同一樹種的最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,這是因為最大持水率還與枯落物本身的生物量和結(jié)構(gòu)有關(guān).此外枯落物的分解程度也影響枯落物層的持水能力.枯落物分解程度越高,表現(xiàn)為半分解層枯落物量越大,枯落物層的持水能力越高.由于闊葉樹種林下枯落物的分解程度高于針葉樹種,因此闊葉樹枯落物的持水能力普遍高于針葉樹.從以上分析可以看出,闊葉林枯落物的持水能力普遍高于針葉林.而混交林枯落物的持水能力要比純林的大,如馬尾松—櫟類混交林的持水力約為馬尾松純林的1.32倍,而杉木—櫟類混交林的持水力約為杉木純林的1.48倍.3.1.2枯落物持水過程枯落物吸持水的速度與枯落物的干燥程度、枯落物量和枯落物結(jié)構(gòu)有關(guān).枯落物越干燥,吸持水的速度越快;枯落物量越多,短時間內(nèi)的吸持水量越大;而革質(zhì)、含油脂的樹種的枯落物吸持水量的速度比非革質(zhì)、含油脂量少的樹種枯落物慢.通過浸水實驗,觀察和分析了不同林地枯落物的持水過程(見圖1).由實驗結(jié)果可知:枯落物的吸持水量在浸水實驗開始的半個小時內(nèi)迅速增加,以后隨著時間的延長而有不斷增加的趨勢,但增加的速度放慢.因此可以認(rèn)為,枯落物攔蓄地表徑流的功能在降雨開始時較強,此后隨著枯落物濕潤程度的增加,吸持能力降低,至達到枯落物的最大飽和持水量.同時也表明:枯落物攔蓄地表徑流的能力與其自身的干燥程度有關(guān).由圖1枯落物持水過程曲線可以看出:在30min內(nèi),楠竹林枯落物的持水能力最大,為48.78thm2;其次為杉櫟混交林46.23thm2;柳杉林的持水能力最小,為17.68thm2.闊葉林枯落物30min的持水能力普遍高于針葉林.將不同林地枯落物的累積吸持水量y與吸持時間x進行回歸分析,得到表3所列的方程,所得的回歸方程相關(guān)系數(shù)均在0.89以上.3.2森林地區(qū)的水文功能分析3.2.1土壤持水力的狀況土壤容重與孔隙度是反映林地土壤物理性質(zhì)的兩項重要指標(biāo).林地土壤的土壤容重與孔隙度受土壤發(fā)育狀況的影響.由于不同林地表層的枯落物組成及地下根系的生長發(fā)育狀況、枯落物的分解狀況等存在差異,因此造成林地土壤物理化學(xué)性質(zhì)的差異.土壤非毛管孔隙度則反映了土壤持水能力的大小.4種不同林地土壤及農(nóng)地對照小區(qū)土壤的物理性質(zhì)和持水力如表4所示.由表4可知:農(nóng)地土壤的容重高于林地.這是因為由于長期耕作,農(nóng)地土壤形成了致密的結(jié)構(gòu),不利于土壤水分的入滲.幾種林地土壤的容重依次為:針闊混交林(1.442)>闊葉林(1.306)>灌叢(1.218)>楠竹林(1.131).農(nóng)地土壤的自然含水率低于林地土壤.由表4還可以看出:不同類型植被土壤的非毛管孔隙度存在差異,闊葉林林下土壤的非毛管孔隙度較大,其次為楠竹林、針闊混交林.灌叢和對照農(nóng)地土壤的非毛管孔隙度則較小.土壤持水力公式為:式中,S為土壤持水力(thm2),h為土層厚度(m),p為非毛管孔隙度(%).由上式可得到1m深土壤的平均持水力依次為:闊葉林>楠竹林>針闊混交林>灌叢>農(nóng)地.可見,林地土壤具有較好的水源涵養(yǎng)能力,其中闊葉林林下土壤的持水力最大,1m深土壤持水力為188.65thm2,分別為灌叢和農(nóng)地土壤持水力的3.1倍和4.7倍,說明闊葉林具有較強的改善土壤物理性能、增加土壤入滲的能力.3.2.2叢.楠竹林林下土壤孔隙結(jié)構(gòu)林地土壤的入滲特性直接影響水分在土壤中的運動狀況.表5為4種林地土壤及對照農(nóng)地的入滲特性指標(biāo).由表5可知:林地土壤的初滲率、穩(wěn)滲率均高于對照農(nóng)地.幾種林地土壤的穩(wěn)滲率在0.28～0.52mmmin之間變動.不同林地土壤的穩(wěn)滲率大小依次為楠竹林>闊葉林>針闊混交林>灌叢.楠竹林林下土壤上下土層的非毛管孔隙數(shù)量多,有利于土壤水分的快速下滲,土壤的滲透性能強;而灌叢土壤的非毛管孔隙少,土壤的滲透性差.根據(jù)實測數(shù)據(jù)點繪了幾種不同類型林地土壤的入滲曲線,如圖2～6所示.由圖2～6可知,林地土壤和對照農(nóng)地土壤的入滲速率開始都較大,隨著時間的推移,入滲速率逐漸減慢,當(dāng)達到一定時間時趨于一定值.不同植被類型林地土壤達到穩(wěn)滲所需的時間不同.楠竹林和闊葉林土壤達到穩(wěn)滲的時間分別為37和39min.而針闊混交林、灌叢和對照農(nóng)地土壤達到穩(wěn)滲的時間較長,分別為67、85和79min.通過對幾種林地土壤的水分入滲速率與入滲時間進行回歸分析,得到了不同林地土壤的入滲速率方程,如表6所示.從表6可見,林地土壤的入滲速率與入滲時間之間存在良好的冪函數(shù)關(guān)系,即:y=ax-b,式中,y為土壤入滲速率(mmmin),a和b為常數(shù),x為入滲時間(min).擬合的冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)在0.78以上.4不同立地條件下林地枯落物的持水能力1)四面山林地枯落物持水能力在1.8～4.6mm之間.其中石櫟林下的枯落物具有較強的持水作用,最大持水量為46.37thm2,而馬尾松林下枯落物的持水量最小為18.24thm2.2)混交林枯落物的持水能力要比純林的大,馬尾松—櫟類混交林枯落物的持水力約為馬尾松純林的1.32倍,而杉木—櫟類混交林枯落物的持水力約為杉木純林的1.48倍.3)林地土壤具有較強的持水能力,其中闊葉林林下土壤