大兴安岭山地樟子松天然林土壤水分物理性质及水源涵养能力研究

大兴安岭山地樟子松天然林土壤水分物理性质及水源涵养能力研究

森林被称为地球上的“绿色水库”，是清洁水源的发源地。这一水源保护能力一直是研究的重点之一。森林生态系统中的水文过程大多是通过土壤作为媒介而发生的,林地土壤水源涵养能力的强弱不仅对SPAC系统不同界面间物质和能量的传输与交换过程有着重要的影响,而且直接作用到土壤水分的渗入、林地蒸散和流域产流。大兴安岭是我国重要的国有林区,其地位和作用是其他地区无法替代的,而樟子松天然林作为大兴安岭地区的主要森林类型之一,目前国内对其研究较少,特别是坡地樟子松天然林水源涵养功能特征的研究就更少,本文以大兴安岭山地樟子松天然林为研究对象,对不同坡位的樟子松天然林土壤水分物理性质和水源涵养功能的变化规律进行详细研究,旨在为该区森林水源涵养功能的研究提供依据。1森林生态群落研究区位于大兴安岭漠河县境内,地理坐标为东经121°07′-124°20′,北纬52°10′-53°33′,该地区属寒温带大陆性气候,具有明显的山地气候特点,冬季漫长寒冷,夏季短暂温热,年平均气温-3.8℃,年平均降水量431.2mm,多集中在7月份,初霜在9月初,终霜在5月中下旬,全年平均无霜期为89d。植被系以兴安落叶松(Larixgmelinii)为优势的北方寒温带明亮针叶林,此外还有樟子松林(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白桦林(Betulaplatyphylla)、山杨林(Populusdavidiana)等也为本地区的主要森林类型。地带性土壤主要是棕色针叶林土,常有草甸化和沼泽,并有永冻层存在。2学习方法2.1调查样点及方法在2010年5月,选择本区有代表性的山地樟子松天然林为研究对象,坡度为35°~40°,坡长400m左右,阳坡,整个坡面均有樟子松天然分布,坡上有山杨、白桦等树种混生,坡中下部有落叶松和白桦等树种混生。自坡顶向坡下每隔30m设为取样点,共设置11个取样点,分别记为样点1、样点2、……、样点11,依据林地基本特征及地形变化特点将整个坡面分为3段,即样点1~4为坡上,样点5~7为坡中,样点8~11为坡下。在每个取样点挖3个土壤剖面,由于研究区土层很薄,一般在10-20cm,下层均为大小不等的石子组成,石粒间由粘重的土壤颗粒填充,很少有植物根系分布,因此,根据土层的厚度把土壤剖面分成0-10cm和10-20cm两层,用100cm3体积环刀取原状土和土壤铝盒,同时收集枯落物,样方面积0.5m×0.5m,按未分解和半分解层分别收集枯落物。以取样点等高线为中心设置30m×20m样方,进行树种调查,分别测定林木胸径、年龄、树高等指标。坡角及沟谷地段分布有落叶松-杜香沼泽湿地,由于没有樟子松生长,在此没有对其进行研究,详见表1。实验样品带回实验室,6月份对其进行了实验测定。2.2枯落物持水量和持水率测定在标准地内沿对角线设置50cm×50cm的小样方,按未分解、半分解层收集样方内全部枯落物,在当天取样回来,精确称重后,带回实验室,置于80℃烘箱中烘至恒重后称重,计算枯落物的持水量和持水率,再将烘干后的枯落物装入尼龙网袋中置于水中浸24h,取出将其控干(以无水滴滴下为标准)后称重,计算枯落物最大持水量和最大持水率。2.3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取样。用烘干法测定土壤含水量;用环刀法测定土壤容重、孔隙度等物理性质。采用下式计算出土壤饱和蓄水量和土壤非毛管持水量,即:式中:Wt———土壤饱和蓄水量(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———土壤总孔隙度(%);h———土层厚度(m)。3结果与分析3.1不同坡面的土壤含水量由图1可知,自坡顶向坡下土壤含水量均表现为0-10cm土层>10-20cm土层,即表层土壤含水量高于下层。0-10cm土层土壤含水量从样点1到样点4呈减小趋势,这是由于坡顶的样点1地势平坦,有白桦和山杨等阔叶树种出现,密度较大,地表凋落物较厚,土壤含水量也较高;而从样点1到样点4坡度逐渐增大,阔叶树种数量逐渐减少,土壤质地变差,石粒含量增多,土壤含水量则逐渐减少,由坡顶样点1的454.90g/kg,减少到样点4的339.26g/kg。样点5到样点11,0-10cm土层土壤含水量呈逐渐增加的趋势,只是样点7处土壤含水量较高,是由于该处坡度变缓,土壤性质变好引起的,随后坡度增加,但坡度小于坡的上部。样点11位于坡角,坡度较缓,土层明显变厚,土壤疏松,且有较厚的枯枝落叶覆盖,因此,土壤含水量会明显增加,达最大值(523.93g/kg)。10-20cm土层土壤含水量则表现出自坡顶到坡下逐渐增加的趋势,坡顶的样点1土壤含水量最小,为130.75g/kg,样点11土壤含水量最大,为331.86g/kg。整个坡面0-20cm土层土壤含水量坡下最大,为364.36g/kg,坡中其次,为327.26g/kg,坡上最小,为278.71g/kg,该研究结果与很多学者的研究结果一致,均为坡下土壤含水量在整个坡面是最大的。通过研究得知,在大兴安岭林区,土层较薄,且20cm以下多石粒,植物的根系大都集中在0-20cm土层中,一旦森林大量砍伐,土壤遭到破坏,就会出现荒山,植被恢复较难,丧失其水源涵养功能,因此,大兴安岭林区的森林保护是至关重要的。3.2坡面土壤容重分布特征土壤容重和孔隙度两者直接影响着土壤蓄水和通气性能。土壤容重越小,孔隙度越大,说明土壤发育良好,利于水分的保持与渗透,并间接影响到土壤肥力状况。从图2可以看出,自坡顶向坡下土壤容重均表现为0-10cm土层<10-20cm土层,即表层土壤容重小于下层。0-10cm土层土壤容重从样点1到样点4呈增加趋势,样点5到样点11土壤容重呈波动式减少趋势,这种趋势与土壤含水量的变化趋势正好相反,符合土壤性质的基本规律。坡顶土壤容重较低,为0.60g/cm3,样点4的土壤容重最大,达0.81g/cm3,在坡下部的样点11处,土壤容重达最小值,为0.54g/cm3。10-20cm土层土壤容重则表现为波动式减小的趋势,坡下部的样点11处土壤容重达最小值为0.87g/cm3。就整个坡面土壤容重变化趋势来看,樟子松天然林0-20cm土层土壤容重从坡上到坡下有先增大后减小的趋势,不同坡位土壤容重大小排序为:坡上>坡中>坡下,波动范围为0.75~0.90g/cm3之间,不同坡位间土壤容重差异不显著(P>0.05)。由图3可知,样点1~7,0-10cm土层土壤非毛管孔隙呈减少的趋势,减小的幅度为17.02%,波动范围在25.26%~30.44%之间,而从样点7~11,非毛管孔隙呈逐渐增加的趋势,增加幅度为34.50%,达显著水平(P<0.05)。0-10cm土层不同坡位土壤非毛管孔隙大小表现为:坡下>坡上>坡中,坡下为26.46%,坡中为21.76%。10-20cm土层土壤非毛管孔隙随坡位不同变化规律与表层土壤相似,也表现为:坡下>坡上>坡中,坡下为22.18%,坡中为17.74%,坡上为18.66%。0-20cm土层平均非毛管孔隙表现为:坡下>坡上>坡中。表层土壤毛管孔隙随坡位的不同而变化较小(见图3),而10-20cm土层毛管孔隙从坡顶到坡下呈逐渐增加趋势,增幅达52.80%。土壤总孔隙度与毛管孔隙度具有相似的变化规律,整个坡面0-20cm土层土壤毛管孔隙度和总孔隙度均表现为:坡下>坡中>坡上,这与周萍等人的研究结果相似,从而表明坡下土壤的结构较好。由此可见,坡位对土壤孔隙度的影响较大,不同的坡位由于坡度的改变,积存枯枝落叶的数量及土壤理化性质的不同,导致土壤孔隙状况差异较大。3.3坡下、坡下土壤蓄水量的特征土壤蓄水能力是评价水源涵养、调节水循环的主要指标之一。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。从图4可以看出,0-20cm土层土壤毛管蓄水量、有效蓄水量和最大蓄水量变化规律相似,均表现为:坡下>坡上>坡中,从样点1~样点4,土壤毛管蓄水量、有效蓄水量和最大蓄水量均有减小的趋势,到样点4达整个坡面的最小值,分别为512.88,413.60,946.44t/hm2,减小幅度分别为26.18%,29.18%和20.97%。样点5~7,土壤的蓄水量变化不大。样点8~11,3个指标均呈增加趋势,到样点11三者均达到最大值,分别为903.32,756.80,1660.12t/hm2,增幅分别为53.99%,77.18%和63.76%。就整个坡面来看,其土壤毛管蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤最大蓄水量分别为625.90,499.05,1130.30t/hm2。由此可得,坡下蓄水能力最强,达1371.11t/hm2,是坡上的1.30倍,是坡中的1.34倍。该研究结果与黑龙江东部山地主要林型相同土层的蓄水能力相近,但由于樟子松天然林林地土层较薄,因此林地的总蓄水能力要小于黑龙江东部山地其他林型。3.4枯落物蓄积量特征3.4.1枯落物蓄积量由表2可知,樟子松天然林枯落物总厚度,除样点1外,从样点2到样点11总趋势是增大的,最大值出现在样点11处,枯落物总厚度达(36±0.29)mm,最小值出现在样点4,为(22±0.58)mm。枯落物单位面积蓄积量从样点1~4呈逐渐减少的趋势,样点1枯落物蓄积量达(18.50±2.51)t/hm2,到样点4枯落物蓄积量减少到最小值,为(12.85±2.49)t/hm2;从样点4到样点11,枯落物总蓄积量大致呈逐渐增加的趋势,至样点11枯落物蓄积量达最大值,为(20.36±0.96)t/hm2。就整个坡面来看,其枯落物平均厚度和平均蓄积量大小均表现为:坡下>坡中>坡上,枯落物层平均厚度为(28.73±0.20)mm,总蓄积量平均值为(16.72±0.70)t/hm2,其中未分解层占48.91%,半分解层占51.09%。樟子松天然林枯落物蓄积量大于内蒙古大兴安岭地区落叶松原始林,这一方面可能与不同树种凋落物的分解速度不同有关,另一方面与混交树种的比例、地形条件及小气候有关,从而影响了凋落物的蓄积量。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质的最大持水量和最大持水率来表示。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,吸收和过滤地表径流的作用越强,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,枯落物未分解层最大持水率从样点1~4呈减小的趋势,样点1是整个坡面的最大值,为281.07%,样点4处最小值,为189.51%,样点4~11呈波动式变化的趋势,变化幅度为39.64%。枯落物半分解层最大持水率则呈波动式变化趋势,在样点11处最大,为412.35%。整个坡面枯落物层最大持水率平均值为275.50%。由表3可以看出,未分解层最大持水量呈先减小后波动式增加趋势,样点1处最大,为30.31t/hm2,样点4处最小,为12.70t/hm2。半分解层最大持水量呈波动式上升趋势,样点11达最大值,为50.75t/hm2。就整个枯落物层来看,样点11处持水能力最大,为78.41t/hm2,样点4处最小,为39.63t/hm2,最大值是最小值的1.98倍。由研究可知,坡下最好,其最大持水量为60.91t/hm2,其次是坡中49.57t/hm2,坡上最小,为48.33t/hm2,整个坡面枯落物平均持水量为53.24t/hm2。与很多林型相比,樟子松天然林的枯落物最大持水量较大。3.5不同坡位单位面积蓄水量研究不同坡位樟子松天然林单位面积蓄水量(枯落物层和土壤层),能更为直观地了解山地樟子松天然林的水源涵养能力,从而为大兴安岭林区水源涵养林的功能研究提供科学支持。由图5可以看出,样点1~4,由于坡度逐渐增大,其林地最大蓄水量有减小的趋势,样点1为1265.14t/hm2,样点4为986.07t/hm2,减小幅度为22.06%,达显著水平(P<0.05)。从样点5~7,坡度变化较小,最大蓄水量变化不大,其波动范围为1044.80~1070.24t/hm2。样点8~11,由于坡度变缓,林下植被生长茂盛,土壤厚度增加等原因,其最大蓄水量有显著增加,到样点11最大,为1738.53t/hm2,增加幅度为63.78%,达极显著水平(P<0.01)。就整个坡面来看,最大蓄水量在样点4处最小,样点11处最大,最大值是最小值的1.76倍。不同坡位单位面积蓄水量大小表现为:坡下>坡上>坡中,其值分别为1435.74,1103.34,1075.84t/hm2。而樟子松天然林林地平均蓄水量为1183.99t/hm2。通过研究数据可得,樟子松天然林林地单位面积蓄水量大小主要取决于土壤层的蓄水量,而由于其土壤层太薄使得该研究结果小于黑龙江东北山地其他林型。4不同坡面树高水势固沙林土壤毛管蓄水量及枯落物层持水能力(1)樟子松天然林0-20cm土层土壤含水量大小表现为:坡下>坡中>坡上,坡下为377.98g/kg,坡中和坡上分别为326.32g/kg和278.71g/kg,土壤容重大小