冀北山地華北落葉松人工林枯落物層水文效應(yīng)研究

冀北山地華北落葉松人工林枯落物層水文效應(yīng)研究

森林作為地球生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有減少洪水和保護(hù)水源的巨大功能。人們稱之為“森林瀉湖”?？萋湮飳邮巧炙男?yīng)的第二活動(dòng)層,在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面具重要意義。土壤層是森林水文作用的第3個(gè)活動(dòng)層,大氣降水可以沿著土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下滲,一部分供植物蒸騰和地表蒸發(fā),一部分則貯存起來或通過滲透匯入溪流,從而體現(xiàn)出森林水源涵養(yǎng)和保持水土的功能,因此被稱為大氣降水的“蓄存庫”和“調(diào)節(jié)器”。森林枯落物層和土壤層水文效應(yīng)是森林健康監(jiān)測(cè)中非常重要的2個(gè)環(huán)節(jié)。華北落葉松生長(zhǎng)快、樹桿通直、材質(zhì)堅(jiān)硬、耐腐朽,是華北、東北及黃河流域亞高山地區(qū)重要的森林更新和造林樹種。目前,國內(nèi)對(duì)華北落葉松人工林的研究主要在密度、撫育間伐、生物量和生產(chǎn)力等方面,而對(duì)不同海拔水文功能研究很少,因此,本文對(duì)冀北山地不同海拔的華北落葉松人工林枯落物層和土壤層的水文效應(yīng)進(jìn)行定量研究,旨在揭示不同海拔華北落葉松人工林枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能,為選擇華北落葉松人工林適宜生長(zhǎng)的海拔提供一定的借鑒。1大氣候區(qū)55e研究區(qū)位于河北省木蘭圍場(chǎng)國有林場(chǎng)管理局下屬的北溝林場(chǎng),地處內(nèi)蒙古高原和冀北山地的匯接地帶,地理坐標(biāo)為41°35′-42°06′N,116°51′-117°45′E,屬于中溫帶向寒溫帶過渡、半干旱向半濕潤過渡、大陸性季風(fēng)性高原山地氣候。海拔750~1829m,年均降水量380~560mm,年平均氣溫(-1.4)~4.7℃,土壤主要類型為棕壤,喬木樹種主要有白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populus)、油松(Pinus)和蒙古櫟(Quercus)等。2枯落物層厚度和蓄積量2011年8月底在北溝林場(chǎng)東溝作業(yè)區(qū)調(diào)查不同海拔的華北落葉松人工林,選取4塊代表性的地段作為標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行采樣分析,樣地面積為30m×30m,對(duì)其進(jìn)行每木檢尺,各樣地基本特征見表1。在4塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),視地形變化情況設(shè)1.0m×1.0m樣方3個(gè),調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層厚度及蓄積量。采用土壤剖面調(diào)查法,按0-10cm,10-20cm,20-40cm機(jī)械分層取樣?？萋湮锍炙亢臀俾蕼y(cè)定采用室內(nèi)浸泡法,分別測(cè)定在浸泡0.5,1,2,4,6,8,24h的重量變化,研究其吸水過程和吸水速度?？萋湮镉行r蓄量采用有效攔蓄量估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量,即:式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);R0為平均自然含水率(%);M為枯落物累積量(t/hm2)。用環(huán)刀浸泡法測(cè)土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì),雙環(huán)法測(cè)土壤入滲,土壤持水量(W)=10000Ph。式中:W為土壤持水量(t/hm2);P為土壤孔隙度(%);h為土壤層厚度(m)。3結(jié)果與分析3.1枯落物蓄積量變化枯落物具有很大的吸水能力和透水性,其蓄積量受多種因子的影響,如林型、林齡、生長(zhǎng)季節(jié)、人為活動(dòng)、枯落物的輸入量、分解速度、樹種構(gòu)成、樣地發(fā)育、樣地的水平及垂直結(jié)構(gòu)、本身的厚度和性質(zhì)等。由表2知,不同海拔枯落物總蓄積量有一定差別,總蓄積量變動(dòng)范圍為8.19~39.49t/hm2,總蓄積量大小依次是樣地Ⅰ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,即華北落葉松人工林枯落物總蓄積量隨海拔降低而減少。分析4個(gè)海拔梯度枯落物未分解層、半分解層蓄積量可以看出,各層次儲(chǔ)量所占比例不同:半分解層的蓄積量均大于未分解層蓄積量;未分解層Ⅳ占總蓄積量的比例最大,為30.81%,樣地Ⅰ占總蓄積量的比例最小,為21.44%,排序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ;半分解層樣地Ⅰ占總蓄積量的比例最大,為78.56%,樣地Ⅳ占總蓄積量的比例最小,為69.19%,排序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ。即在未分解層隨海拔的降低枯落物蓄積量增加,而在半分解層則相反,說明海拔越高華北落葉松人工林分解速度越快。3.2枯落物持水量枯落物除了防止降雨對(duì)土壤表面的擊濺,增加土壤有機(jī)質(zhì)外,還具有很大的吸水能力和透水性,對(duì)涵養(yǎng)水源有一定的作用,因而枯落物持水量是評(píng)價(jià)植被水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)。3.2.1枯落物最大持水率統(tǒng)計(jì)特性4個(gè)海拔梯度枯落物的最大持水量和最大持水率如表3所示。由表可知:枯落物最大持水量半分解層和未分解層均呈現(xiàn)出隨海拔降低而減少的規(guī)律,總和最大的是樣地Ⅰ,為72.14t/hm2,相當(dāng)于7.21mm的降雨,最小的是樣地Ⅳ,為17.76t/hm2,排序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ?？萋湮镒畲蟪炙实淖儎?dòng)范圍為211.25%~253.01%,順序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,最大持水率呈現(xiàn)出隨海拔升高先增大而后減小。樣地Ⅰ與樣地Ⅱ2個(gè)海拔梯度最大持水量和最大持水率呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,這是因?yàn)樽畲蟪炙颗c枯落物本身的蓄積量有關(guān),而蓄積量又與枯落物的分解狀況、本身的厚度等有關(guān)。3.2.2枯落物攔蓄能力最大持水率一般只能反映枯落物層持水能力的大小,不能反映對(duì)實(shí)際降水的攔截狀況。因?yàn)樗鼪]有考慮到雨前枯落物層的自然含水狀況,所以用最大持水率來估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力偏高,有效攔蓄量才是反映枯落物對(duì)一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo),其與枯落物數(shù)量、水分狀況等有關(guān)。4個(gè)海拔梯度不同層次枯落物的攔蓄能力不同(表4),從有效攔蓄率看,未分解層和半分解層呈不同的變化規(guī)律:未分解層為樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ>樣地Ⅳ;半分解層則是樣地Ⅱ>樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅰ,這是因?yàn)槲捶纸鈱雍桶敕纸鈱拥目萋湮飪?chǔ)量、吸水速率不同。從有效攔蓄量看,未分解層和半分解層變化規(guī)律相同,均是樣地Ⅰ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,這主要與枯落物蓄積量有關(guān)。綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知,樣地Ⅰ有效攔蓄能力最強(qiáng),為54.60t/hm2,相當(dāng)于攔蓄5.46mm的降雨,樣地Ⅳ有效攔蓄能力最弱,為14.56t/hm2,只相當(dāng)于攔蓄1.46mm的降雨,即高海拔攔蓄能力最強(qiáng),低海拔攔蓄能力最弱。3.2.3枯落物浸泡時(shí)間與未分解層持水能力的關(guān)系枯落物持水量與浸泡時(shí)間具有一定的相關(guān)關(guān)系。由圖1可知,在最初浸泡的30min內(nèi),枯落物持水量迅速增加,而后隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),且增加速度逐步放緩。這一趨勢(shì)與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似,即降雨初期,枯落物攔蓄地表徑流功能較強(qiáng),此后隨枯落物濕潤程度的增加,吸持能力降低,至達(dá)到枯落物的最大飽和持水量。此外,未分解層持水量估計(jì)浸泡要超過8h才能基本達(dá)到飽和,而半分解層枯落物持水量在浸泡6h已基本達(dá)到飽和,說明4塊樣地不同海拔枯落物未分解層持水能力均高于半分解層。對(duì)0.5~24h之間4塊樣地不同海拔枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間的關(guān)系式(表5):Q=aln(t)+b。式中:Q為枯落物持水量(g/kg);t為浸泡時(shí)間(h);a為方程系數(shù);b為方程常數(shù)項(xiàng)。3.2.4枯落物吸水性能由圖2可知,4塊樣地不同海梯度拔枯落物的吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性:不論是未分解層還是半分解層枯落物在前30min內(nèi)吸水速率最大,之后急劇下降,這是因?yàn)榭葜β淙~從風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后,枯枝落葉的死細(xì)胞間或者枝葉表面水勢(shì)差較大,吸水速率較高,4h左右時(shí)下降速度明顯減緩,24h吸水基本停止,隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng),枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間增長(zhǎng),枯落物持水量接近其最大持水量,也就是說地被物逐漸趨于飽和,其持水量增長(zhǎng)速度隨之減緩所致。對(duì)4塊樣地不同海拔不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合,得出該時(shí)間段內(nèi)吸水速率與浸泡時(shí)間之間的擬合模型(表5)為:v=ktn。式中:v為枯落物吸水速率(g/(kg·h));t為浸泡時(shí)間(h);k為方程系數(shù);n為指數(shù)。3.3不同高度土壤的水文效應(yīng)3.3.1土壤總?cè)葜氐淖兓寥廊葜卣f明土壤的松緊程度及孔隙狀況,反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長(zhǎng)的阻力狀況。容重小,表明土壤疏松多孔,結(jié)構(gòu)性良好,容重大則相反。由表6可知,不同樣地土壤容重有較大差異,在0-40cm土層內(nèi),土壤容重均值排列順序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ,即隨海拔升高土壤總?cè)葜販p小。從土壤容重的垂直變化看,4個(gè)海拔梯度土壤容重變化趨勢(shì)有相同的規(guī)律,即隨土壤厚度加深逐漸增大。在容重均值最大的樣地Ⅳ內(nèi),容重從0-10cm時(shí)的1.06g/cm3增加到20-40cm時(shí)的1.25g/cm3;在容重均值最小的樣地Ⅰ內(nèi),容重從0-10cm時(shí)的0.70g/cm3增加到20-40cm時(shí)的1.12g/cm3。造成這種變化的原因主要是隨土層深度增加,土壤中有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少,土壤團(tuán)聚性降低,從而增加了土壤的緊實(shí)度;而且不同植被下土壤表層枯落物組成、分解狀況和地下根系的生長(zhǎng)發(fā)育存在差異,土壤容重與孔隙度受土壤發(fā)育狀況的影響,從而造成土壤物理性質(zhì)的差異。3.3.2土壤總孔隙度的變化土壤孔隙組成直接影響土壤通氣透水性,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)而言,毛管孔隙度大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力;而非毛管孔隙度大小反映了森林植被滯留水分、發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力。由表6可知,在0-40cm土層內(nèi),從4個(gè)海拔梯度總孔隙度的垂直變化來看,隨著土壤厚度的加深樣地Ⅰ、Ⅲ增加,樣地Ⅱ、Ⅳ減小,說明樣地Ⅱ、Ⅳ海拔梯度的表層土壤比較疏松,樣地Ⅰ土壤的總孔隙度從0-10cm的42.62%增加到20-40cm的45.53%,樣地Ⅳ土壤的總孔隙度從0-10cm的60.40%減小到20-40cm的39.70%。土壤總孔隙度均值順序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅰ,這表明不同海拔土壤總孔隙度變化趨勢(shì)與土壤容重變化趨勢(shì)不同,即隨海拔升高,總孔隙度先增大而后減小。4個(gè)海拔梯度土壤毛管孔隙度均值排序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ,毛管孔隙度大,土壤有效水的貯存量越大,樹木用于自身生長(zhǎng)發(fā)育所需的有效水比例越大。說明隨海拔增加華北落葉松人工林土壤毛管孔隙度減小,即低海拔華北落葉松人工林用于自身生長(zhǎng)發(fā)育所需的有效水比例大,高海拔則相反。土壤非毛管孔隙度均值排序?yàn)闃拥丌?gt;樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,非毛管孔隙度越大,土壤通透性越好,有利于降水的下滲,減少地表徑流,充分起到涵養(yǎng)水源的作用,即中高海拔華北落葉松人工林地土壤的通透性最好,涵養(yǎng)水源作用最強(qiáng)。3.3.3不同土層深度土壤蓄水特性林地土壤的蓄水能力是評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源重要指標(biāo),其大小與土壤厚度和孔隙度狀況有關(guān)。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)。因此,不同林地土壤的非毛管孔隙度不同,林地的蓄水能力也不一樣。由表6可知,不同海拔土壤蓄水性能存在一定差異,樣地Ⅰ、樣地Ⅲ2個(gè)海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度增加呈增加趨勢(shì),樣地Ⅱ與樣地Ⅳ2個(gè)海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)。從土壤飽和持水量均值來看,其大小順序是樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅰ,樣地Ⅱ土壤貯蓄水分潛在能力比樣地Ⅰ高125.63%,即中海拔華北落葉松人工林土壤貯蓄水分潛在能力最強(qiáng),高海拔最弱。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度的大小,有效持水量均值大小順序是樣地Ⅱ>樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,樣地Ⅱ有效持水量最大,說明中高海拔華北落葉松人工林持水能力最強(qiáng),低海拔最弱。3.3.4入滲特征與各樣地初滲速率的關(guān)系土壤的滲透性是是林分涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)。土壤滲透性的好壞,直接關(guān)系到地表產(chǎn)生徑流的大小,滲透性能越好,地表徑流越少,土壤侵蝕量也會(huì)相應(yīng)減少。表7中4個(gè)海拔梯度初滲速率相差較大,樣地Ⅰ初滲速率最大,為48.00mm/min,Ⅲ最小,為0.64mm/min,兩者相差了75倍。隨時(shí)間的推移,入滲速率逐漸減慢,當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)趨于穩(wěn)滲,穩(wěn)滲速率在0.05~10.20mm/min之間變動(dòng),大小順序依次為樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ。從入滲過程(圖3)看,樣地Ⅰ在28min時(shí)達(dá)到穩(wěn)滲,樣地Ⅱ在14min時(shí)達(dá)到穩(wěn)滲,且入滲速率與入滲時(shí)間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系(表7),關(guān)系式為:y=at-b。式中:y為入滲速率(mm/min);a,b為常數(shù);t為入滲時(shí)間(min)。R>0.96。4不同層系土壤特性及持水率(1)枯落物總蓄積量排序樣地Ⅰ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ,半分解層蓄積量均大于未分解層蓄積量,未分解層隨海拔降低枯落物蓄積量增加,半分解層則相反,說明海拔越高分解速度越快。(2)枯落物最大持水量隨海拔降低而減少,變動(dòng)范圍為211.25%~253.01%,最大持水率隨海拔升高先增大而后減小。(3)從枯落物持水過程看,在最初浸泡的0.5h內(nèi),枯落物持水量迅速增加,以后隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)增加速度逐漸變緩。不同層次枯落物的有效攔蓄率不同