松花坝水源区主要林分类型土壤理化性质研究

松花坝水源区主要林分类型土壤理化性质研究

森林有“绿色水库”之称。它拥有巨大的树冠、厚的凋落物层和稀疏多孔的森林土壤，在保护水源方面发挥着作用，并具有良好的水源保护功能。其中森林土壤水文物理性质是决定森林生态水文功能的重要基础,是反映森林植被保持水土和涵养水源作用的重要水文参数。对于森林的水源涵养功能已有大量研究,国内外各学者对次生林不同林种土壤理化性质及蓄水量差异,人工林不同林种土壤理化性质及蓄水量差异,同种林中不同坡位、不同坡度其森林水源涵养功能的差异,天然次生林和混交林水源涵养功能的对比等方面都进行了详细系统的研究。其中对土壤物理的研究最多,也取得了丰硕的成果。以上的研究对有机质、土壤粒度的影响程度未加分析,对高原盆地城市水源地森林土壤的水源涵养功能更是很少有人研究。作为昆明市主要供水源的松花坝水源区主要以大气降水补充水源,在这种云南高原盆地水库水源内,林地土壤的贮水性能在水源涵养功能中发挥着重要的作用,是森林植被水文生态效应的重要内容。因此,优化林分结构是恢复健康森林生态系统和水源涵养能力的重要措施。通过对不同林分土壤贮水特征参数的测定分析,可以了解和评价不同林分类型土壤层的土壤特性和水源涵养功能。本研究以松花坝水源区为背景,以裸荒地为对照目标,对不同林分土壤特性(土壤容重、孔隙度、有机质和土壤粒度等)和土壤贮水性能进行对比研究,以期衡量哪种林分的土壤特性最优及土壤水源涵养功能最好。为水源地水源涵养功能修复提供依据。1流域经济环境松华坝水源区是昆明市最重要的饮用水源地,位于昆明市主城区东北部13km处,地处东经102°45′～102°59′,北纬25°08′～25°27′。流域面积为629.8km2,主要河流有牧羊河和冷水河,多年平均径流量为8900万km3。全区以浅切割的中山山地为主体,有面积不大的河谷阶地、断陷盆地、溶蚀洼地。整个地势由东北向西南逐渐倾斜,境内海拔1917～2840m,相对高差923m。气候属中亚热带季风气候,年均温15℃,多年平均降雨量900mm。土壤以红壤为主,分布少部分的黄棕壤、棕壤和水稻土。流域内总林地达378.16km2,约占总面积的60.2%。亚热带针叶林是区内的主要森林植被,以云南松林为主,之外还有以滇石栎为主的常绿阔叶林,以栓皮栎、旱冬瓜为主的落叶阔叶林、灌木林也有少量分布,在高海拔地带是华山松林。人工林主要有华山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣诞树林等。2土样的采集和贮水量的测定选择云南松、青冈栎、华山松、圣诞树4种林分类型,同时选择一处裸荒地进行对照,测定各土壤物理特征和土壤贮水量进行对比。每个采样点的各标准地立地条件见表1。各剖面以相同的方法分别进行采样。每个土壤剖面挖成1.5m×1m×0.8m的长方形土坑,用环刀法分别按0～20cm,20～40cm,40～60cm3个土壤层次取自然状态土样,每层重复3次,用于测定土壤容重、孔隙度等。同时每层采取铝盒样品和散样样品,用于测定土壤含水量、有机质和其他土壤特性及临时备用。利用烘干法测定土壤的含水量。利用环刀法所取的原状土样,根据常规分析方法,测定土壤容重、孔隙度和饱和含水量。土壤层厚度和非毛管孔隙度、总孔隙度可综合反映土壤水源涵养的潜在能力,因此采用土壤非毛管孔隙度、总孔隙度和土壤层厚度计算土壤的贮水量。即:土壤的非毛管空隙贮水量V非=10000×P非×D。式中:V非—土壤的非毛管空隙贮水量(t/hm2),P非—非毛管孔隙度(%),D—土层深度(m)。土壤的最大贮水量V=10000×P×D。V—土壤的最大贮水量(t/hm2),P—土壤的总毛管孔隙度(%),D—土层深度(m)。土层深度,本文按0.8m计算。3结果与分析3.1土层深度对土壤水分运动的影响土壤的自然含水量是表示土壤水分状况的一个重要指标,对植物生长和水文循环控制方面均具有重要的意义,在一定程度上能直观地反映土壤的水源涵养能力。根据表2数据可知:松华坝水源地内5种样地土壤的自然含水量都呈随着土层深度的增加而逐渐增高。在0～80cm土层内,圣诞树林土壤的平均自然含水量最高,为37.79%,华山松林次之,为31.93%,滇石栎林为19.91%,云南松林为16.99%,裸荒地的最小,仅为11.93%,从大到小依次为:圣诞树>华山松>滇石栎>云南松>裸荒地。圣诞树林土壤的自然含水量比裸荒地的高出26个百分点,华山松林高出20个百分点,滇石栎林高出8个百分点,较小的云南松林也高出5个百分点。4种林分平均土壤的自然含水量比裸荒地高15个百分点。显然,林分比裸荒地能更好地保存水分,对水源的涵养作用巨大。3.2不同土层土壤容重、孔隙状况及对水源涵养的效益分析土壤容重和孔隙度对土壤的水源涵养能力影响程度最突出。土壤容重的大小与土壤紧实致密密切相关,在一定程度上反映出土壤的孔隙状况和贮水能力。土壤容重较低,意味着土壤疏松和空隙较多,水源涵养和水土保持功能较高,反之亦然。而土壤的孔隙度的大小决定着土壤的通气状况和积水能力,对生物的生长有着重要作用。一般把总孔隙度中的非毛管贮水称为有效贮水能力,非毛管孔隙度大,涵养水源的效益高,反之则低。土壤总孔隙度贮水称为最大贮水量,是衡量土壤水源涵养功能的参数。从样品各指标测定的数据来看(表1、图1、图2),5种样地土壤的容重均表现为随着土层深度的增加而逐渐增大,在0～20cm的表层,4种林分的土壤容重平均值为1.18g/cm3,而裸荒地的土壤容重为1.46g/cm3,高出23.73%。在0～80cm土层内,5种样地容重平均值从大到小的顺序为:裸荒地>滇石栎>云南松>华山松>圣诞树,分别为1.53、1.44、1.42、1.21,1.10g/cm3。裸荒地的土壤容重比圣诞树林高39.10%,比4种林分平均值高18.49%。土壤的总孔隙度则与容重相反,随土层厚度的增加而逐渐降低。总孔隙度在0～80cm土层内,圣诞树林的最大,裸荒地的最小,从大到小的顺序为:圣诞树、华山松、云南松、滇石栎和裸荒地,分别为58.67%、54.30%、46.42%、45.71%和42.11%。裸荒地的总孔隙度明显低于各林分,比最高的圣诞林低16个百分点,比4种林分的平均值约低9个百分点。土壤的非毛管孔隙度在0～80cm土层内,从大到小的顺序则是云南松>圣诞树>华山松>滇石栎>裸荒地,分别为24.48%、19.14%、15.70%、14.20%和11.40%。4种林分的非毛管孔隙度差异不明显,平均值比裸荒地的高出7个百分点。无论是各林分之间还是与裸荒地的比较,都没有总孔隙度的差幅明显。综合以上分析的结果得知,圣诞树林土壤的容重、孔隙状况最好,对水源涵养的效益最好,华山松的次之,裸荒地的最差。总体来说,林分的容重、孔隙状况和对水源涵养的效益都远远高于裸荒地。说明保护林地、培植林分对水源涵养有巨大作用,对生态健康发展意义重大。3.3cm土层厚度和土壤有机质含量的含量土壤有机质是土壤中最重要的组成成分之一,其含量的高低在一定程度上反映了地上植被的发育状况。它可改善土壤结构、降低土壤容重、增加土壤孔隙度和自身疏松多孔易吸水的特性,对土壤的水源涵养功能产生作用。从表1、图3可以得出,5种样地土壤的有机质含量均表现为随着土层深度的增加而递减,并且表层有机质的含量明显大于以下各层,而且含量高出的幅度很大。0～20cm土层中各林分土壤有机质平均含量为2.12%,明显高于裸荒地表层的含量,约是它的4.8倍。0～80cm的有机质含量平均值从大到小的顺序为:华山松>圣诞树>云南松>滇石栎>裸荒地,分别为1.43%、0.94%、0.93%、0.55%和0.29%。华山松林土壤有机质含量明显高出其他,约是圣诞树、云南松林的1.5倍,滇石栎林的2.6倍,裸荒地的4.9倍。各林分样地的平均值为1.04%,是裸荒地的3.6倍。综合以上分析结果可知,在0～20cm土层中各林分土壤有机质平均含量为裸荒地的4.8倍,在0～80cm土层中各林分土壤有机质平均含量为裸荒地的3.6倍,无论是表层还是整个土壤剖面中都远远高于裸荒地。裸荒地有机质含量很少,是其容重大、孔隙度小、水源涵养效益差的原因之一。3.4各样地黏粒含量土壤粒度对土壤的水力特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等有着显著的影响。随着土壤颗粒变细和表面积的增加,不仅土壤颗粒表面吸附、离子交换等物理化学性质发生了改变,而且土壤的物理性质也发生变化。一般说来,随着粒级的减小,土壤颗粒的孔隙度、吸湿量、持水量、毛管含水量、表面积、膨胀潜能、吸附性能、塑性和黏结性将增加,而土壤的通气性、透水性、土壤密度将降低。实验观测表明,土壤吸水速度以砂粒、粉粒间的颗粒为最快,而黏粒则非常缓慢。从表2可以看出,各样地黏粒的比例随土壤的深度增加而升高,粉砂粒和砂粒表现不明显。在0～20cm土层内,黏粒含量最大的是圣诞树林,为29.24%,华山松林次之,为25.26%,裸荒地最小,为8.31%;粉砂含量最大的是华山松林,为65.72%,滇石栎林次之,为55.22%,圣诞树林最小,为50.11%;砂粒含量最大的是裸荒地,为40.00%,云南松林次之,为37.82%,华山松林最小,为9.02%;黏粒和粉砂粒含量最大的是华山松林,为90.08%,圣诞树林次之,为79.35%,裸荒地最小,为60.00%。在0～80cm土层内黏粒含量最大的是圣诞树林,为42.41%,华山松林次之,为38.52%,滇石栎林为26.52%,云南松林为14.07%,裸荒地最小,为12.73%;粉砂含量最大的是华山松林,为55.36%,滇石栎林次之,为51.78%,云南松林为51.76%,滇石栎林为50.89%,圣诞树林最小,为50.11%;黏粒和粉砂粒含量最大的是华山松林,为93.88%,圣诞树林次之,为93.30%,滇石栎林为78.29%,云南松林为65.83%,裸荒地最小,为60.53%;砂粒含量最大的是裸荒地,为39.47%,云南松林次之,为34.17%,滇石栎林为21.71%,圣诞树林最小,为6.70%,华山松林最小,为6.12%。3.5不同立地条件下各林分有效贮水量的变化规律森林林分不同,其林内的水分、温度、大气等都有差别,土壤发育也不相同,土壤各性质也有差距,导致土壤降水贮存量也有差异。有效贮水量是土壤中非毛管孔隙或大孔隙中在下大雨时贮存的水分,能够减少地表径流,向深层下渗,补充地下水,参与径流循环系统。后者主要供给植物根系吸收,叶面蒸腾和蒸发,是对植物正常生长和生态功能的保证。两者是评价土壤水源涵养功能的最终指标。据测定(图4),几种样地土壤0～20cm土层有效贮水量最大的为圣诞树林,云南松林次之,裸荒地最小,从大到小依次为:圣诞树>云南松>滇石栎>华山松>裸荒地,分别为558.40、535.20、491.60、461.00和325.60t/hm2。各林分间的数值变化幅度不大,但林分与裸荒地之间的变化幅度很大,最大高出71.50%,最小者也高出41.58%。几种样地土壤0～20cm土层最大贮水量最大的为圣诞林,裸荒地最小,从大到小依次为:圣诞树>云南松>华山松>滇石栎>裸荒地,分别为1185.00、1130.00、1119.20、1040.60和896.40t/hm2。各林分间数值变化幅度很小,最高的圣诞树林只比最小的滇石栎林高出13.94%,而林分整体比裸荒地高出很多,最高的圣诞树林比裸荒地高出32.20%,最小的滇石栎也高出裸荒地16.87%。在0～80cm土层内,各样地的有效贮水量从大到小的顺序为云南松>圣诞树>华山松>滇石栎>裸荒地,分别为1958.40、1531.2、1256、1135.6和912t/hm2。各林分间数值变化幅度比较大,最高的云南松林比最小的滇石栎林高出72.46%,林分整体比裸荒地都高,最高的云南松林比裸荒地高出114.73%,最小的滇石栎林也高出裸荒地24.52%。从图4直观地看到,每个土壤层中圣诞树的最大贮水量都表现最好,各林分土壤的最大贮水量都高于裸荒地。在0～80cm土层内,通过计算,各样地的最大贮水量从大到小的顺序为:圣诞树>华山松>云南松>滇石栎>裸荒地,分别为4693.2、4344.2、3723.2、3572.4和3368.4t/hm2。各林分间数值变化幅度也比较大,最高的圣诞树比华山松林高出8.03%,比最小的滇石栎林高出31.38%。林分整体比裸荒地都高,最高的圣诞树林比裸荒地高出39.33%,最小的滇石栎林和裸荒地差幅不是很大,只高出6.06%。综合以上分析结果可知,无论在0～20cm土壤表层,还是0～80cm土层内,林分的水源涵养功能好于裸荒地。综合来说,圣诞树林水源涵养能力最好,华山松林次之,云南松林和滇石栎林稍差。4林分的水源涵养能力远高于裸两种土层1)圣诞树林土壤的自然含水量比裸荒地高26个百分点,华山松林高出20个百分点,滇石栎林高出8个百分点,较小的云南松林也高出5个百分点。4种林分平均土壤的自然含水量比裸荒地高15个百分点。圣诞林土壤的容重、孔隙状况最好,对水源涵养的效益最好,华山松林的次之,裸荒地的最差。显然,林分比裸荒地能更好地保存水分,林分的容重、孔隙状况和对水源涵养效益都远远高于裸荒地,对水源的涵养作用巨大。2)在0～20cm土层中各林分土壤有机质平均含量为裸荒地的4.8倍,在0～80cm土层中各林分土壤有机质平均含量为裸荒地的3.6倍,无论是在表层还是整个土壤剖面中都远远高于裸荒地。3)黏粒和粉砂粒含量最大的是华山松林,为93.88%,圣诞树林次之