阿什河上游 3种人工林土壤贮水量与入渗特征

李志飞,赵雨森,辛颖,孔祥飞,武春彦

(东北林业大学林学院,150040,哈尔滨)

阿什河上游 3种人工林土壤贮水量与入渗特征

李志飞,赵雨森†,辛颖,孔祥飞,武春彦

(东北林业大学林学院,150040,哈尔滨)

为了解水源地人工林生态系统土壤水分贮存与入渗特征,在阿什河上游光明沟小流域内,选取樟子松、红松、兴安落叶松 3种人工林,采用环刀法对其土壤水分贮存量及入渗特征进行对比研究。结果表明:兴安落叶松人工林土壤密度较低,孔隙度和贮水能力较高,与红松人工林和樟子松人工林之间差异显著(P＜0.05);10℃时的稳渗系数K10大小依次为兴安落叶松人工林(4.86mm/m in)＞红松人工林(0.63mm/m in)＞樟子松人工林(0.57mm/min)。综合分析表明,兴安落叶松人工林土壤的涵养水源功能最强,樟子松人工林和红松人工林的较差。

人工林;土壤贮水;渗透系数;阿什河

阿什河是东北 3大水系之一松花江水系的主要支流,阿什河流域的水量变化直接影响到松花江的洪枯。该流域内水源涵养林养护的好与差,直接影响流域内的森林生态功能和哈尔滨市的经济社会发展[1]。土壤作为流域内降水的重要载体,其本身所具有的导水性能将关系到地表径流的产生、地下水补给蒸散发及土壤侵蚀等,土壤本身所具有的这种导水性能被称之为土壤入渗特性[2-3]。研究林地土壤水分贮存与入渗特征是探讨森林流域产流机制的基础和前提[4]。目前,国内外关于土壤水分的研究很多,在不同地区、不同植被条件下,对土壤水分贮存与入渗特征进行了比较深入的探讨[5-8];然而,在东北地区,对于水源地人工林土壤水分贮存和入渗的研究还鲜见报道,其涵养水源功能强弱尚需有力的数据支持。

帽儿山地区属于黑龙江省东部低山丘陵区,是阿什河流域的水源地和生态屏障。笔者以帽儿山地区光明沟小流域内樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、红松(Pinus koraiensis)和兴安落叶松(Larix gmelinii)3种人工林为研究对象,研究水源地人工林土壤水分贮存及入渗特征,进一步了解其涵养水源能力,为同类地区人工林的营造和经营管理提供依据。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省尚志市帽儿山地区光明沟小流域内 ,E 127°36′～ 127°39′,N 45°23′～ 45°26′。该地区属于长白山西张广才岭系北坡小岭余脉,为松嫩平原向张广才岭过渡的低山丘陵区,平均海拔300m。该区属于大陆性气候,四季较为分明。年平均气温 2.8℃,年平均湿度 70%,常年偏西南风,年平均降水量 600～800 mm,年平均蒸发量 1 093.9 mm,年日照时间 2 471.3 h,无霜期 120～140 d,属于自然资源较富饶的次生林半山区地带,地带植被为阔叶红松林,地带性土壤为暗棕壤。由于历史上的掠夺性破坏和不合理的开发利用,原顶极群落阔叶红松林发生了逆行演替,现已成为我国东北东部山区较典型的次生林区。天然次生林类型主要包括柞木林 (Quercus mongolicus Fisch.)、白桦林(Betu la platyphylla Suk.)、杂木林等硬阔林,其中也有不少人工林,多为 20世纪 50—70年代人工栽植,类型主要包括落叶松、樟子松、红松等。

2 材料与方法

2.1 样地的选择

光明沟小流域内有樟子松、红松和兴安落叶松3个人工林生态系统定位观测站,面积均为 1万 m2。在观测站内设置 400m2(20m×20m)的标准样地各1块。样地自然状况见表 1。

表 1 样地概况Tab.1 Fundamental information of samp les

2.2 土壤物理性质测定

沿对角线分 3点挖土壤剖面。樟子松和红松人工林每个土壤剖面分 4层进行样品采集,兴安落叶松人工林土壤 30 cm以下多石砾,故取 3层采样。每层厚度为10 cm,每层6个重复。用环刀法测定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度等物理性质[9]。

2.3 土壤贮水量计算

计算 10 cm土层深度内土壤的吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量,公式[10]如下:

式中:Wc、Wnc、Wt分别为土壤吸持贮水量、土壤滞留贮水量、土壤饱和贮水量,t/hm2;Pc、Pnc分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度,%;l为土层深度,m;r为水的密度,t/m3。

2.4 土壤渗透性测定

于标准样地内用环刀(5.1 cm×5.1 cm)取原状土,每个土层 4个重复,带回室内,用环刀法测定土壤渗透性[9]。首先,将样品浸水 12 h(土壤达到饱和或接近饱和的状态),注意水面不要超过土柱,以便于土壤中气体的排出;然后将环刀取出,待重力水滴完后再在环刀上口另接一个空环刀,接口处用胶布封好,以免从接口处漏水,然后将其放入架好的漏斗上,漏斗下承接烧杯;向上面空环刀内缓缓注水,避免破坏其土壤结构,待水面比环刀口低 1mm时即停止加水;保持5 cm的水头。试验过程中,每隔 2 min称量并记录 1次通过土柱渗透出的水量,直到单位时间内渗出水量相等为止。考虑到温度对渗透系数的影响很大,为使不同温度下测得的渗透系数便于比较,在测定渗透的同时,用温度计测定水层温度 θ,将测得的渗透系数Kθ值换算为10℃时的渗透系数 K10值。计算公式如下:

式中:Qn为每次渗出水量,mL;tn是每次渗滤所间隔时间,min;S为环刀的横断面积,cm3;h为水层厚度,cm。

式中:θ为渗透测定时的水层温度,℃;Kθ为温度为θ时的渗透系数,mm/min。

2.5 数据处理方法

用 SPSS 13.0进行显著性检验,以 Spearman秩相关系数分析土壤因子与稳渗系数之间的相关性[11]。

3 结果与分析

3.1 土壤密度、孔隙度和贮水特征分析

3种人工林不同土层的土壤密度、孔隙度和贮水量的分析结果见表 2。可以看出:1)3种人工林土壤密度均随土层深度增加而增大,红松人工林20～40 cm土层平均土壤密度可达 1.44 g/cm3,与0～20 cm土层(1.15 g/cm3)相比差异较大,兴安落叶松人工林 20～30 cm土层的非毛管孔隙度比 0～10和 10～20 cm土层大,这是因为兴安落叶松人工林土壤下层石砾含量较高,其作为非生物因素对它的非毛管孔隙度大小有很大影响[12];2)兴安落叶松人工林土壤具有较低的土壤密度以及较高的孔隙度,与红松人工林和樟子松人工林之间差异显著(P＜0.05),其主要原因是,落叶松林地表层土壤中夹杂未分解或半分解的枯枝落叶,导致土壤疏松,土壤密度明显低于常规值。

表 2 3种人工林土壤物理性质及贮水量Tab.2 Physical p roperties and water storage of soil under 3 artificial forests

从表 2可以看出,兴安落叶松人工林 10 cm土层平均土壤滞留贮水量(65.02 t/hm2)最大,与樟子松人工林(47.83 t/hm2)和红松人工林(41.84 t/hm2)差异显著(P＜0.05)。各人工林土壤饱和贮水量和吸持贮水量大小顺序与滞留贮水量一致。兴安落叶松人工林土壤的高贮水能力与其较低的土壤密度和较高的孔隙度是直接相关的。

3.2 土壤水分入渗特征分析

3种人工林土壤水分入渗特征值见表 3。可以看出:1)樟子松人工林和红松人工林土壤渗透系数均随土层深度增加而减小,兴安落叶松人工林 20～30 cm土层比 10～20 cm土层渗透系数大,红松人工林 0～20 cm土层与 20～40 cm土层渗透系数变化明显,0～20 cm土层平均稳渗系数为 1.04mm/min,而 20 cm～40 cm土层平均稳渗系数只有 0.23mm/min,3种人工林不同土层渗透系数大小与表 2中土壤密度和孔隙度特征有一定的对应关系;2)前 2m in渗透系数大于或等于稳渗系数,二者之间变化越大,需要的稳渗时间越长;3)兴安落叶松人工林土壤稳渗系数为 4.86mm/m in,土壤渗透性能最好,红松人工林(0.63mm/min)和樟子松人工林(0.57 mm/min)土壤渗透性能相当,兴安落叶松人工林土壤的稳渗系数是樟子松人工林和红松人工林的近 8倍。

3.3 土壤因子与稳渗系数的相关性分析

用表 2和表 3数据进行 Spearman秩相关系数分析,研究土壤密度及孔隙度与土壤稳渗系数的相关性,结果见表 4。可以看出:土壤稳渗系数与土壤密度呈现出极显著的负相关性,与总孔隙度呈极显著的正相关性,说明土壤密度越小、孔隙度越大,稳渗系数越大,即渗透性能越好,这很好地解释了 3种人工林不同土层土壤渗透系数大小与土壤密度和孔隙度特征之间的对应关系;毛管孔隙度和非毛管孔隙度与土壤稳渗系数的相关系数相等且显著,说明在稳渗阶段它们对土壤入渗速率均有重要影响,这与王梦军等[13]的研究结果一致。

表 3 3种人工林土壤水分入渗特征值Tab.3 Characteristics of soil water infiltration under 3 artificial forests

表 4 土壤因子与稳渗系数的相关性分析Tab.4 Correlations analysis between soil factors and stable infiltration coefficients

4 结论与讨论

1)兴安落叶松人工林土壤具有较低的土壤密度以及较高的孔隙度和贮水能力,与红松人工林和樟子松人工林之间差异显著(P＜0.05)。

2)兴安落叶松人工林土壤渗透性能最好,稳渗系数达 4.86 mm/min,红松人工林土壤渗透性能(0.63mm/min)略强于樟子松人工林(0.57mm/min)。

3)3种人工林土壤的稳渗系数与土壤密度呈现极显著的负相关性,与总孔隙度呈现极显著的正相关性。在稳渗阶段,毛管孔隙度与非毛管孔隙度对土壤入渗速率均有重要影响。

综合分析表明,兴安落叶松人工林土壤的贮水与入渗能力最强,涵养水源功能强,其主要原因是兴安落叶松林地表层土壤中夹杂未分解或半分解的枯枝落叶,土壤疏松,导致土壤密度较低,孔隙度较高。另外,兴安落叶松人工林下层土壤石砾较多,对土壤非毛管孔隙度大小有很大影响,进而影响到土壤的贮水和入渗能力。

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Soilwater storage and infiltration characteristics under 3 artificial forests in the upper reaches of Ashihe river

Li Zhifei,Zhao Yusen,Xin Ying,Kong Xiangfei,Wu Chunyan
(School of Forestry,Northeast Forestry University,150040,Harbin,China)

In order to study the soil waterstorage and infiltration characteristics ofartificial forest,3 artificial forests(Pinus sylvestris var.mongolica,Pinus koraiensis and Larix gmelinii)were selected in Guangming small watershed in the upper reaches of Ashihe river.Thewater storage and infiltration characteristics were studied using ring samplermethod.The results show that Larix gmelinii,which is significantly different(P＜0.05)from the others,has the lowestbulk density aswellas the highestporosity and water storage ability.The stable infiltration coefficient at 10℃of Larix gmelinii(4.86mm/min)is the biggest,followed by Pinus koraiensis(0.63mm/min)and Pinus sylvestris var.mongolica(0.57mm/min).The conclusion is that thewater conservation function of Larix gmelinii is the bestamong the 3 artificial forests.

artificial forest;soilwater storage;infiltration coefficient;Ashihe river

2009-01-07

2009-10-24

项目名称:黑龙江省“十一五”重大科技攻关项目“重要水源地植被恢复、重建及优化调控技术研究”(GA 06B302-2);东北林业大学青年科研基金项目“黑龙江省东部山地落叶松人工林结构优化对土壤涵养水源功能影响的研究”(09052)

李志飞(1983—),男,硕士研究生。主要研究方向:林业生态工程。E-mail:lzf20032394@163.com

†责任作者简介:赵雨森(1957—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:zhaoys1957@163.com

(责任编辑:宋如华)