大興安嶺山地樟子松天然林土壤水分物理性質(zhì)及水源涵養(yǎng)能力研究

大興安嶺山地樟子松天然林土壤水分物理性質(zhì)及水源涵養(yǎng)能力研究

森林被稱(chēng)為地球上的“綠色水庫(kù)”，是清潔水源的發(fā)源地。這一水源保護(hù)能力一直是研究的重點(diǎn)之一。森林生態(tài)系統(tǒng)中的水文過(guò)程大多是通過(guò)土壤作為媒介而發(fā)生的,林地土壤水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱不僅對(duì)SPAC系統(tǒng)不同界面間物質(zhì)和能量的傳輸與交換過(guò)程有著重要的影響,而且直接作用到土壤水分的滲入、林地蒸散和流域產(chǎn)流。大興安嶺是我國(guó)重要的國(guó)有林區(qū),其地位和作用是其他地區(qū)無(wú)法替代的,而樟子松天然林作為大興安嶺地區(qū)的主要森林類(lèi)型之一,目前國(guó)內(nèi)對(duì)其研究較少,特別是坡地樟子松天然林水源涵養(yǎng)功能特征的研究就更少,本文以大興安嶺山地樟子松天然林為研究對(duì)象,對(duì)不同坡位的樟子松天然林土壤水分物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)研究,旨在為該區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能的研究提供依據(jù)。1森林生態(tài)群落研究區(qū)位于大興安嶺漠河縣境內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°07′-124°20′,北緯52°10′-53°33′,該地區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候,具有明顯的山地氣候特點(diǎn),冬季漫長(zhǎng)寒冷,夏季短暫溫?zé)?年平均氣溫-3.8℃,年平均降水量431.2mm,多集中在7月份,初霜在9月初,終霜在5月中下旬,全年平均無(wú)霜期為89d。植被系以興安落葉松(Larixgmelinii)為優(yōu)勢(shì)的北方寒溫帶明亮針葉林,此外還有樟子松林(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺林(Betulaplatyphylla)、山楊林(Populusdavidiana)等也為本地區(qū)的主要森林類(lèi)型。地帶性土壤主要是棕色針葉林土,常有草甸化和沼澤,并有永凍層存在。2學(xué)習(xí)方法2.1調(diào)查樣點(diǎn)及方法在2010年5月,選擇本區(qū)有代表性的山地樟子松天然林為研究對(duì)象,坡度為35°~40°,坡長(zhǎng)400m左右,陽(yáng)坡,整個(gè)坡面均有樟子松天然分布,坡上有山楊、白樺等樹(shù)種混生,坡中下部有落葉松和白樺等樹(shù)種混生。自坡頂向坡下每隔30m設(shè)為取樣點(diǎn),共設(shè)置11個(gè)取樣點(diǎn),分別記為樣點(diǎn)1、樣點(diǎn)2、……、樣點(diǎn)11,依據(jù)林地基本特征及地形變化特點(diǎn)將整個(gè)坡面分為3段,即樣點(diǎn)1~4為坡上,樣點(diǎn)5~7為坡中,樣點(diǎn)8~11為坡下。在每個(gè)取樣點(diǎn)挖3個(gè)土壤剖面,由于研究區(qū)土層很薄,一般在10-20cm,下層均為大小不等的石子組成,石粒間由粘重的土壤顆粒填充,很少有植物根系分布,因此,根據(jù)土層的厚度把土壤剖面分成0-10cm和10-20cm兩層,用100cm3體積環(huán)刀取原狀土和土壤鋁盒,同時(shí)收集枯落物,樣方面積0.5m×0.5m,按未分解和半分解層分別收集枯落物。以取樣點(diǎn)等高線為中心設(shè)置30m×20m樣方,進(jìn)行樹(shù)種調(diào)查,分別測(cè)定林木胸徑、年齡、樹(shù)高等指標(biāo)。坡角及溝谷地段分布有落葉松-杜香沼澤濕地,由于沒(méi)有樟子松生長(zhǎng),在此沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行研究,詳見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,6月份對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2.2枯落物持水量和持水率測(cè)定在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置50cm×50cm的小樣方,按未分解、半分解層收集樣方內(nèi)全部枯落物,在當(dāng)天取樣回來(lái),精確稱(chēng)重后,帶回實(shí)驗(yàn)室,置于80℃烘箱中烘至恒重后稱(chēng)重,計(jì)算枯落物的持水量和持水率,再將烘干后的枯落物裝入尼龍網(wǎng)袋中置于水中浸24h,取出將其控干(以無(wú)水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn))后稱(chēng)重,計(jì)算枯落物最大持水量和最大持水率。2.3土壤物理性質(zhì)測(cè)定土壤調(diào)查采用剖面法,在各標(biāo)準(zhǔn)地選取有代表性樣點(diǎn),分別按0-10cm,10-20cm取樣。用烘干法測(cè)定土壤含水量;用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)。采用下式計(jì)算出土壤飽和蓄水量和土壤非毛管持水量,即:式中:Wt———土壤飽和蓄水量(t/hm2);Wo———土壤非毛管持水量(t/hm2);Wc———土壤毛管蓄水量(t/hm2);Po———土壤非毛管孔隙度(%);Pc———土壤毛管孔隙度(%);Pt———土壤總孔隙度(%);h———土層厚度(m)。3結(jié)果與分析3.1不同坡面的土壤含水量由圖1可知,自坡頂向坡下土壤含水量均表現(xiàn)為0-10cm土層>10-20cm土層,即表層土壤含水量高于下層。0-10cm土層土壤含水量從樣點(diǎn)1到樣點(diǎn)4呈減小趨勢(shì),這是由于坡頂?shù)臉狱c(diǎn)1地勢(shì)平坦,有白樺和山楊等闊葉樹(shù)種出現(xiàn),密度較大,地表凋落物較厚,土壤含水量也較高;而從樣點(diǎn)1到樣點(diǎn)4坡度逐漸增大,闊葉樹(shù)種數(shù)量逐漸減少,土壤質(zhì)地變差,石粒含量增多,土壤含水量則逐漸減少,由坡頂樣點(diǎn)1的454.90g/kg,減少到樣點(diǎn)4的339.26g/kg。樣點(diǎn)5到樣點(diǎn)11,0-10cm土層土壤含水量呈逐漸增加的趨勢(shì),只是樣點(diǎn)7處土壤含水量較高,是由于該處坡度變緩,土壤性質(zhì)變好引起的,隨后坡度增加,但坡度小于坡的上部。樣點(diǎn)11位于坡角,坡度較緩,土層明顯變厚,土壤疏松,且有較厚的枯枝落葉覆蓋,因此,土壤含水量會(huì)明顯增加,達(dá)最大值(523.93g/kg)。10-20cm土層土壤含水量則表現(xiàn)出自坡頂?shù)狡孪轮饾u增加的趨勢(shì),坡頂?shù)臉狱c(diǎn)1土壤含水量最小,為130.75g/kg,樣點(diǎn)11土壤含水量最大,為331.86g/kg。整個(gè)坡面0-20cm土層土壤含水量坡下最大,為364.36g/kg,坡中其次,為327.26g/kg,坡上最小,為278.71g/kg,該研究結(jié)果與很多學(xué)者的研究結(jié)果一致,均為坡下土壤含水量在整個(gè)坡面是最大的。通過(guò)研究得知,在大興安嶺林區(qū),土層較薄,且20cm以下多石粒,植物的根系大都集中在0-20cm土層中,一旦森林大量砍伐,土壤遭到破壞,就會(huì)出現(xiàn)荒山,植被恢復(fù)較難,喪失其水源涵養(yǎng)功能,因此,大興安嶺林區(qū)的森林保護(hù)是至關(guān)重要的。3.2坡面土壤容重分布特征土壤容重和孔隙度兩者直接影響著土壤蓄水和通氣性能。土壤容重越小,孔隙度越大,說(shuō)明土壤發(fā)育良好,利于水分的保持與滲透,并間接影響到土壤肥力狀況。從圖2可以看出,自坡頂向坡下土壤容重均表現(xiàn)為0-10cm土層<10-20cm土層,即表層土壤容重小于下層。0-10cm土層土壤容重從樣點(diǎn)1到樣點(diǎn)4呈增加趨勢(shì),樣點(diǎn)5到樣點(diǎn)11土壤容重呈波動(dòng)式減少趨勢(shì),這種趨勢(shì)與土壤含水量的變化趨勢(shì)正好相反,符合土壤性質(zhì)的基本規(guī)律。坡頂土壤容重較低,為0.60g/cm3,樣點(diǎn)4的土壤容重最大,達(dá)0.81g/cm3,在坡下部的樣點(diǎn)11處,土壤容重達(dá)最小值,為0.54g/cm3。10-20cm土層土壤容重則表現(xiàn)為波動(dòng)式減小的趨勢(shì),坡下部的樣點(diǎn)11處土壤容重達(dá)最小值為0.87g/cm3。就整個(gè)坡面土壤容重變化趨勢(shì)來(lái)看,樟子松天然林0-20cm土層土壤容重從坡上到坡下有先增大后減小的趨勢(shì),不同坡位土壤容重大小排序?yàn)?坡上>坡中>坡下,波動(dòng)范圍為0.75~0.90g/cm3之間,不同坡位間土壤容重差異不顯著(P>0.05)。由圖3可知,樣點(diǎn)1~7,0-10cm土層土壤非毛管孔隙呈減少的趨勢(shì),減小的幅度為17.02%,波動(dòng)范圍在25.26%~30.44%之間,而從樣點(diǎn)7~11,非毛管孔隙呈逐漸增加的趨勢(shì),增加幅度為34.50%,達(dá)顯著水平(P<0.05)。0-10cm土層不同坡位土壤非毛管孔隙大小表現(xiàn)為:坡下>坡上>坡中,坡下為26.46%,坡中為21.76%。10-20cm土層土壤非毛管孔隙隨坡位不同變化規(guī)律與表層土壤相似,也表現(xiàn)為:坡下>坡上>坡中,坡下為22.18%,坡中為17.74%,坡上為18.66%。0-20cm土層平均非毛管孔隙表現(xiàn)為:坡下>坡上>坡中。表層土壤毛管孔隙隨坡位的不同而變化較小(見(jiàn)圖3),而10-20cm土層毛管孔隙從坡頂?shù)狡孪鲁手饾u增加趨勢(shì),增幅達(dá)52.80%。土壤總孔隙度與毛管孔隙度具有相似的變化規(guī)律,整個(gè)坡面0-20cm土層土壤毛管孔隙度和總孔隙度均表現(xiàn)為:坡下>坡中>坡上,這與周萍等人的研究結(jié)果相似,從而表明坡下土壤的結(jié)構(gòu)較好。由此可見(jiàn),坡位對(duì)土壤孔隙度的影響較大,不同的坡位由于坡度的改變,積存枯枝落葉的數(shù)量及土壤理化性質(zhì)的不同,導(dǎo)致土壤孔隙狀況差異較大。3.3坡下、坡下土壤蓄水量的特征土壤蓄水能力是評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)水循環(huán)的主要指標(biāo)之一。毛管孔隙中的水分可以長(zhǎng)時(shí)間保持在土壤中,有利于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)。非毛管孔隙能較快吸收降水并及時(shí)下滲,有利于水源涵養(yǎng)。從圖4可以看出,0-20cm土層土壤毛管蓄水量、有效蓄水量和最大蓄水量變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為:坡下>坡上>坡中,從樣點(diǎn)1~樣點(diǎn)4,土壤毛管蓄水量、有效蓄水量和最大蓄水量均有減小的趨勢(shì),到樣點(diǎn)4達(dá)整個(gè)坡面的最小值,分別為512.88,413.60,946.44t/hm2,減小幅度分別為26.18%,29.18%和20.97%。樣點(diǎn)5~7,土壤的蓄水量變化不大。樣點(diǎn)8~11,3個(gè)指標(biāo)均呈增加趨勢(shì),到樣點(diǎn)11三者均達(dá)到最大值,分別為903.32,756.80,1660.12t/hm2,增幅分別為53.99%,77.18%和63.76%。就整個(gè)坡面來(lái)看,其土壤毛管蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤最大蓄水量分別為625.90,499.05,1130.30t/hm2。由此可得,坡下蓄水能力最強(qiáng),達(dá)1371.11t/hm2,是坡上的1.30倍,是坡中的1.34倍。該研究結(jié)果與黑龍江東部山地主要林型相同土層的蓄水能力相近,但由于樟子松天然林林地土層較薄,因此林地的總蓄水能力要小于黑龍江東部山地其他林型。3.4枯落物蓄積量特征3.4.1枯落物蓄積量由表2可知,樟子松天然林枯落物總厚度,除樣點(diǎn)1外,從樣點(diǎn)2到樣點(diǎn)11總趨勢(shì)是增大的,最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)11處,枯落物總厚度達(dá)(36±0.29)mm,最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)4,為(22±0.58)mm?？萋湮飭挝幻娣e蓄積量從樣點(diǎn)1~4呈逐漸減少的趨勢(shì),樣點(diǎn)1枯落物蓄積量達(dá)(18.50±2.51)t/hm2,到樣點(diǎn)4枯落物蓄積量減少到最小值,為(12.85±2.49)t/hm2;從樣點(diǎn)4到樣點(diǎn)11,枯落物總蓄積量大致呈逐漸增加的趨勢(shì),至樣點(diǎn)11枯落物蓄積量達(dá)最大值,為(20.36±0.96)t/hm2。就整個(gè)坡面來(lái)看,其枯落物平均厚度和平均蓄積量大小均表現(xiàn)為:坡下>坡中>坡上,枯落物層平均厚度為(28.73±0.20)mm,總蓄積量平均值為(16.72±0.70)t/hm2,其中未分解層占48.91%,半分解層占51.09%。樟子松天然林枯落物蓄積量大于內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)落葉松原始林,這一方面可能與不同樹(shù)種凋落物的分解速度不同有關(guān),另一方面與混交樹(shù)種的比例、地形條件及小氣候有關(guān),從而影響了凋落物的蓄積量。3.4.2樟子松天然林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(lái)表示。最大持水率的大小可反映水容量的大小,枯落物最大持水量越大,吸收和過(guò)濾地表徑流的作用越強(qiáng),其水文作用越大,最大持水率反映了枯落物吸水率的大小。由表3可知,枯落物未分解層最大持水率從樣點(diǎn)1~4呈減小的趨勢(shì),樣點(diǎn)1是整個(gè)坡面的最大值,為281.07%,樣點(diǎn)4處最小值,為189.51%,樣點(diǎn)4~11呈波動(dòng)式變化的趨勢(shì),變化幅度為39.64%?？萋湮锇敕纸鈱幼畲蟪炙蕜t呈波動(dòng)式變化趨勢(shì),在樣點(diǎn)11處最大,為412.35%。整個(gè)坡面枯落物層最大持水率平均值為275.50%。由表3可以看出,未分解層最大持水量呈先減小后波動(dòng)式增加趨勢(shì),樣點(diǎn)1處最大,為30.31t/hm2,樣點(diǎn)4處最小,為12.70t/hm2。半分解層最大持水量呈波動(dòng)式上升趨勢(shì),樣點(diǎn)11達(dá)最大值,為50.75t/hm2。就整個(gè)枯落物層來(lái)看,樣點(diǎn)11處持水能力最大,為78.41t/hm2,樣點(diǎn)4處最小,為39.63t/hm2,最大值是最小值的1.98倍。由研究可知,坡下最好,其最大持水量為60.91t/hm2,其次是坡中49.57t/hm2,坡上最小,為48.33t/hm2,整個(gè)坡面枯落物平均持水量為53.24t/hm2。與很多林型相比,樟子松天然林的枯落物最大持水量較大。3.5不同坡位單位面積蓄水量研究不同坡位樟子松天然林單位面積蓄水量(枯落物層和土壤層),能更為直觀地了解山地樟子松天然林的水源涵養(yǎng)能力,從而為大興安嶺林區(qū)水源涵養(yǎng)林的功能研究提供科學(xué)支持。由圖5可以看出,樣點(diǎn)1~4,由于坡度逐漸增大,其林地最大蓄水量有減小的趨勢(shì),樣點(diǎn)1為1265.14t/hm2,樣點(diǎn)4為986.07t/hm2,減小幅度為22.06%,達(dá)顯著水平(P<0.05)。從樣點(diǎn)5~7,坡度變化較小,最大蓄水量變化不大,其波動(dòng)范圍為1044.80~1070.24t/hm2。樣點(diǎn)8~11,由于坡度變緩,林下植被生長(zhǎng)茂盛,土壤厚度增加等原因,其最大蓄水量有顯著增加,到樣點(diǎn)11最大,為1738.53t/hm2,增加幅度為63.78%,達(dá)極顯著水平(P<0.01)。就整個(gè)坡面來(lái)看,最大蓄水量在樣點(diǎn)4處最小,樣點(diǎn)11處最大,最大值是最小值的1.76倍。不同坡位單位面積蓄水量大小表現(xiàn)為:坡下>坡上>坡中,其值分別為1435.74,1103.34,1075.84t/hm2。而樟子松天然林林地平均蓄水量為1183.99t/hm2。通過(guò)研究數(shù)據(jù)可得,樟子松天然林林地單位面積蓄水量大小主要取決于土壤層的蓄水量,而由于其土壤層太薄使得該研究結(jié)果小于黑龍江東北山地其他林型。4不同坡面樹(shù)高水勢(shì)固沙林土壤毛管蓄水量及枯落物層持水能力(1)樟子松天然林0-20cm土層土壤含水量大小表現(xiàn)為:坡下>坡中>坡上,坡下為377.98g/kg,坡中和坡上分別為326.32g/kg和278.71g/kg,土壤容重大小