冀北山地阳坡蒙古栎天然林枯落物持水能力研究

冀北山地阳坡蒙古栎天然林枯落物持水能力研究

森林通过广阔的森林树冠和丰富的凋落物层，不仅能吸收和能够预测一定的降水，而且能有效减少或防止雨水的影响和侵蚀。土壤深厚，水分充足，有利于雨水渗透。因此，人们称之为“森林水库”。森林枯落物层作为森林水文效应的第二个活动层,在截持降雨、防止土壤溅蚀、拦蓄地表径流、减少土壤水分蒸发和增加土壤水分入渗等方面具有重要意义。土壤层是森林水文作用的第三个活动层,大气降水可以沿着土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下渗,一部分供植物蒸腾和地表蒸发,一部分则贮存起来或通过渗透汇入溪流,从而体现出森林水源涵养和保持水土的功能,因此被称为大气降水的“蓄存库”和“调节器”。蒙古栎是我国北方优良的硬阔叶用材树种之一,果实含有大量淀粉,其含量在50%~70%,经加工提炼可转化燃料乙醇和生物化工产品,是一个很好的新兴生物质能源树种,具有涵养水源、防风固沙、减少径流、保持水土、净化空气等生态功能,我国北方地区生态区位极为重要,直接关系到全国生态环境的好坏,所以保护好这一广大区域的蒙古栎林对我国生态环境的改善将起到不可估量的作用。目前,国内对天然蒙古栎林水文功能研究很少,因此,本文对冀北山地阳坡不同海拔的天然蒙古栎林枯落物层和土壤层的水文效应做了定量研究,旨在揭示不同海拔蒙古栎林枯落物层和土壤层水源涵养功能,为蒙古栎林的适宜生长海拔提供一定的借鉴作用。1冀北山地气候条件研究区位于河北承德市围场县木兰林管局八英庄林场,地理坐标为北纬41°56′-42°15′,东经117°44′-118°9′。该地区属典型的冀北山地,地形山峦起伏,沟壑纵横,地貌以山地为主,地势西北高,东南低,海拔高度在800~1780m之间,阳坡陡,土层薄,阴坡较缓,土层较厚。该地区气候属典型的大陆性季风气候,年平均气温4℃左右,年降水量在400~500mm,多集中在7-9月份,无霜期120d左右,适合林木生长。研究区内土壤主要类型有棕壤、黄棕壤、黑棕壤等。2学习方法2.1蒙古栎林样地设置2010年8月在八英庄林场调查阳坡不同海拔天然蒙古栎林,选取3个地段设置标准样地,样地面积为20m×30m,并对林木进行每木检尺,测量树高、胸径、冠幅等因子,各样地基本特征见表1。2.2土壤特性及理化性质的测定枯落物蓄积量测定:在每块标准地内,分坡上、坡中和坡下各取面积为0.5m×0.5m的样方3个,调查样方内枯落物层厚度及蓄积量。枯落物持水量和吸水速率测定:采用室内浸泡法测定枯落物持水量及吸水速度,分别测定浸泡1,2,4,6,12,24h的重量变化,研究其吸水速度和吸水过程。枯落物有效拦蓄量测定:用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量,即W=(0.85Rm-R0)M。式中:W为有效拦蓄量(t/hm2);Rm为最大持水率(%);R0为平均自然含水率(%);M为枯落物累积量(t/hm2)。土壤物理性质测定:土壤调查采用剖面法,在各标准地选取有代表性样点,分别按0-10cm,10-20cm,20-40cm取样。用烘干法测定土壤含水量;用环刀法测定土壤容重、土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度等物理性质;土壤持水量S=10000Ph。式中:S为土壤持水量(t/hm2);P为土壤孔隙度(%);h为土壤厚度(m)。土壤入渗性能测定:双环法。3结果与分析3.1枯落物蓄积量及未分解层储量枯落物层在森林生态系统中具有非常重要的水文功能,枯落物层的蓄积量取决于其在林地上的积累量、分解速度、积累年限,而这些又与森林的树种构成、样地发育、样地的水平及垂直结构、人为活动、枯落物的分解状况、本身的厚度和性质等多种因素有关。由表2可知,3块样地枯落物总蓄积量变动范围为14.20~33.18t/hm2,蓄积量大小为样地二>样地三>样地一,即蒙古栎林枯落物总蓄积量随海拔升高先增大而后减小。分析不同样地枯落物未分解层、半分解层储量可以看出,各层次储量所占比例不同,样地二枯落物未分解层所占比例最大,占总储量的53.65%;而样地三枯落物未分解层所占比例最小,占总储量的37.08%,即在海拔最高处蒙古栎落叶分解速度最快。3.2枯落物持水量枯落物除了防止降雨对土壤表面的击溅,增加土壤有机质外,还具有很大的吸水能力和透水性,对涵养水源有一定的作用,因而枯落物持水量是评价植被水源涵养功能的一个重要指标。3.2.1枯落物最大持水率3块样地枯落物的最大持水量有所不同(表3),最大持水量反映了林地持水能力。由表可见,样地二最大持水量最大,为50.93t/hm2,相当于5.09mm的降雨;其次为样地一,而样地三的最大持水量最小,为31.09t/hm2。枯落物最大持水率的变动范围为140.83%~229.81%,顺序为样地一>样地二>样地三。同一样地的最大持水率与最大持水量呈现出不同的规律,这是因为最大持水量与枯落物本身的蓄积量有关,而蓄积量又与枯落物的分解状况、本身的厚度等有关。因此,蒙古栎林最大持水率随海拔升高而降低。3.2.2枯落物最大持水量与浸泡时间关系枯落物吸持水的速度与枯落物的干燥程度、枯落物量和枯落物结构有关。枯落物越干燥,吸持水的速度越快;枯落物量越多,短时间内的吸持水量越大。通过浸水试验,观察和分析了不同样地未分解层和半分解层枯落物的持水过程(见图1)。由试验结果可知,在最初浸泡的1h内,枯落物持水量迅速增加,以后随着浸泡时间的延长呈现不断增加的趋势,但增加速度逐渐放慢。因此可以认为,这一趋势与枯落物拦蓄地表径流规律相似,即降雨初期,枯落物拦蓄地表径流功能较强,此后随枯落物湿润程度的增加,吸持能力降低,至达到枯落物的最大饱和持水量。此外,未分解层枯落物与半分解层枯落物持水量在浸泡12h时均已基本达到饱和。对1~24h3块样地枯落物未分解层、半分解层持水量与浸泡时间的关系进行回归分析,得出该时间段内持水量与浸泡时间之间的拟合模型为(表4):Q=aln(t)+b。式中:Q为—枯落物持水量(g/kg);t为浸泡时间(h);a为方程系数;b为方程常数项。3.2.3枯落物吸水性能枯落物吸水速率与浸泡时间具有一定的相关关系。由图2可知,不同样地枯落物不论是未分解层还是半分解层在刚开始浸水时,吸水速率都很高。这是因为枯枝落叶从风干状态到浸入水中后,枯枝落叶的死细胞间或者枝叶表面水势差较大,吸水速率较高,枯落物吸水速度在前1h内较快,之后随着时间延长,吸水速度减慢,6h后下降速度逐渐减慢,24h吸水基本停止,表明枯落物已达到饱和状态。对3块样地不同层次枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合,得出该时间段内吸水速率与浸泡时间之间存在拟合模型(表4):V=ktn。式中:V为枯落物吸水速度(g/kg·h);t为浸泡时间(h);k为方程系数;n为指数。3.2.4枯落物的拦截能力3块样地不同层次枯落物的拦蓄能力不同(表5)。最大持水量并不能代表枯落物对降雨的截留量,它只能反映枯落物层的持水能力大小,用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力则偏高,不符合它对降雨的实际拦蓄效果,有效拦蓄量才是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标,其与枯落物数量、水分状况、降雨特性等有关。从有效拦蓄率看,样地二、样地三枯落物未分解层大于半分解层,而样地一是半分解层大于未分解层。由于不同样地枯落物的蓄积量不同,有效拦蓄量也不尽相同,未分解层中,样地二的有效拦蓄能力最强,为25.36t/hm2,相当于拦蓄2.54mm的降雨;样地三有效拦蓄能力最弱,为8.00t/hm2,相当于只能拦蓄0.8mm的降雨。综合未分解层和半分解层的变化规律可知,样地二的拦蓄能力最强,即中海拔拦蓄能力最强,高海拔最弱。3.3不同地区的土壤水文保护3.3.1土壤容重的垂直变化土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性状的重要参数,容重是土壤紧实度的敏感性指标,也是表征土壤质量的一个重要参数,反映土壤透水性、通气性和根系延展时阻力的大小。它与土壤的孔隙度和渗透率密切相关。一般认为,容重小、土壤疏松,有利于拦蓄降水,减缓径流冲刷。容重大则相反。不同样地土壤容重有较大差异,由表6可以看出,在0-40cm土层内,土壤容重均值顺序为样地三(1.28g/cm3)>样地一(1.22g/cm3)>样地二(1.08g/cm3),即随海拔升高,总容重先减小随后达到最大。从容重的垂直变化来看,3块样地土壤容重的变化趋势有着相同的变化规律,即土壤容重随着土壤厚度的加深而逐渐增大。在容重均值最大的三号样地内,容重从0-10cm时的1.21g/cm3增加到20-40cm时的1.34g/cm3;在容重均值最小的二号样地内,容重从0-10cm时的0.92g/cm3增加到20-40cm时的1.17g/cm3。造成这种变化的原因主要是随着深度的增加,土壤中有机质含量逐渐减少,土壤团聚性降低,从而增加了土壤的紧实度;而且不同植被下土壤表层的枯落物组成、分解状况和地下根系的生长发育存在差异,土壤的容重与孔隙度受土壤发育状况的影响,从而造成土壤物理性质的差异。3.3.2土壤总孔隙度的变化土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度,并且对土壤水、肥、气、热和微生物活性等发挥着不同的调节功能。对森林生态系统而言,毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力;而非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滞留水分、发挥涵养水源和削减洪水的能力。由表6可知,在0-40cm土层内,3块样地的土壤总孔隙度均值顺序为样地二(57.19%)>样地一(56.91%)>样地三(55.63%),这表明不同样地土壤总孔隙度变化趋势与土壤容重变化趋势相反,即随海拔升高,总孔隙度先达到最大后又减小到最小。从总孔隙度的垂直变化来看,随着土壤厚度的加深而逐渐减小,说明表层土壤比较疏松。样地二土壤的总孔隙度从0-10cm时的60.93%减小到20-40cm时的55.14%;样地三土壤的总孔隙度从0-10cm时的58.00%减小到20-40cm时的54.29%。在0-40cm土层内,3块样地的土壤毛管孔隙度均值顺序为样地二(51.70%)>样地一(50.84%)>样地三(45.65%)。毛管孔隙度越大,土壤中有效水的贮存量越大,用于树木自身生长发育所需的有效水分的比例越大。土壤非毛管孔隙度均值顺序为样地三(9.98%)>样地一(6.07%)>样地二(5.49%)。非毛管孔隙度越大的样地,土壤通透性越好,有利于降水的下渗,从而减少地表径流,充分起到涵养水源的作用,即高海拔蒙古栎纯林林地土壤的通透性最好,涵养水源作用最强。3.3.3不同立地条件下林地的蓄蓄能力林地土壤的蓄水能力是评价森林涵养水源、调节水循环的一个重要指标,其大小与土壤的孔隙度状况、土壤厚度密切相关。毛管孔隙中的水分可以长时间保持在土壤中,有利于植物根系吸收和土壤蒸发。非毛管孔隙能较快吸收降水并及时下渗,有利于水源涵养。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样。从表7可以看出,一方面不同样地土壤的蓄水性能存在一定的差异;另一方面各样地土壤自身蓄水性能也存在着垂直方向的差异,均随土层的深度的变大而变差。以每10cm土壤厚度的饱和持水量来看,其顺序是样地二(56.68mm)>样地一(56.35mm)>样地三(55.29mm)。样地二土壤贮蓄水分和调节水分的潜在能力比样地三高102.51%。土壤蓄水性能的提高使土壤接纳雨水的能力增大,可以有效渗蓄降水,防止水土流失和山洪暴发。土壤有效持水量的大小取决于非毛管孔隙度的大小,每10cm土壤厚度的有效持水量的顺序是样地三(9.87mm)>样地一(6.01mm)>样地二(5.34mm),样地三有效持水量最大,这说明高海拔蒙古栎纯林样地土壤的持水能力最强。3.3.4不同时点土壤渗透性能的特征土壤的渗透性是土壤重要的水分物理性质之一,也是样地涵养水源的重要指标。土壤渗透性的好坏,直接关系到地表产生径流的大小,渗透性良好的土壤,在一定降雨强度条件下,水分可以充分地进入土壤储存起来或转变为地下径流,使地表径流减少,土壤侵蚀量也会相应减少,从而使林地水土流失得到很好的控制。不同样地的土壤渗透性能存在一定差异(表8)。3块样地的初渗速率相差较大,样地三初渗速率最大,为30.00mm/min,而样地一最小,仅为4.75mm/min,两者相差6.3倍。随着时间的推移,入渗速率逐渐减慢,当达到一定时间时趋于稳渗,稳渗速率在0.32~2.43mm/min之间变动,大小依次为样地二>样地一>样地三。此外,由表8可知,3块样地土壤达到稳渗的时间有所差异,稳渗时间最短的为样地二,用时30min,而样地三稳渗用时最长,为61min。且入渗速率与入渗时间存在较好的幂函数关系(表8),即y=atb。式中:y为入渗速率(mm/min);a,b为常数;t为入渗时间(min)。拟合的幂函数曲线相关系数均在0.97以上。4枯落物持水率与土壤特性的关系(1)对冀北山地阳坡不同海拔蒙古栎林枯落物蓄积量调查表明,样地二(海拔1180m)总蓄积量最大,为33.18t/hm2,其次为样地三(海拔1260m),样地一最小(海拔1100m),总蓄积量为14.20t/hm2,即随海拔升高总蓄积量先增大后减小。各层次储量所占比例不同,样地二未分解层所占比例最大,占总储量53.65%;而样地三未分解层所占比例最小,占总储量的37.08%,即在海拔相对高处蒙古栎落叶分解速度最快。(2)3块样地枯落物层持水量的结果显示,样地三的最大持水量最小,为31.09t/hm2,样地二最大持水量最大,为50.93t/hm2,相当于5.09mm的降雨,而其最大持水率并非最大,产生这一现象的原因是最大持水量还与枯落物本身的蓄积量有关,而蓄积量又与枯落物的分解状况、本身的厚度等有关。枯落物最大持水率的变动范围为140.83%~229.81%,随海拔升高而降低。(3)从3块样地枯落物持水过程来看,在最初浸泡的1h