不同林龄落叶松人工林土壤水文特性差异

2013-09-06 03:11赵雨森张睿彬邱本军任艳丽
森林工程 2013年5期
关键词:林龄毛管落叶松

辛 颖,赵雨森,张睿彬,邱本军,任艳丽

(东北林业大学林学院哈尔滨 150040)

落叶松是我国北方的重要造林树种之一,具有分布广泛,材质优良,生长迅速等特点,落叶松人工林已经变成我国东北地区重要的后备森林资源。由于人工林具有特有的物质循环过程,并受到各种各样人为因素的影响,使得人工林地力变化趋势日益明显,并且严重地影响了我国人工林生产力的发挥[1]。关于落叶松人工林地力变化问题,早在20世纪60年代至70年代日本学者就展开了大量研究工作,并提出了很多种解释[2-6]。20世纪80年代初期开始,国内学者也开始关注相关问题[7],并逐渐成为北方人工林地力问题的一个研究热点。所以探明落叶松人工林土壤的水文特性,了解落叶松人工林土壤水分物理性质、入渗性能及贮水能力,对于合理的制定人工林经营措施,有效地提高落叶松人工林的生物生产力,最大限度地发挥落叶松人工林地的保持水土作用起着积极的指导作用。

1 研究区概况

研究区位于东北林业大学帽儿山实验林场老山人工林试验站内。属于长白山脉张广才岭小岭余脉,是松嫩平原和张广才岭过渡的低山丘陵区,地势由北向南渐低。平均海拔高度300 m。属温带大陆性季风气候,年平均气温2.6℃,年平均降水量为600~800 mm,年蒸发量为1 093.3mm,年日照时数为2 471.3 h,无霜期120~140 d。地带性土壤为典型暗棕壤,其亚类还有白浆化暗棕壤、草甸暗棕壤、原始暗棕壤和潜育暗棕壤。属于长白植物区系,是东北东部山区较为典型的天然次生林。原地带性顶级植被为阔叶红松林,由于在修建中东铁路时森林资源遭受到了重大破坏,随后经过封山育林、植树造林,通过几个阶段的演替,才逐渐演变成现在的天然次生林相,现在成为我国东北部地区较为典型的天然次生林。

2 研究方法

2.1 样地设置

在研究区域内选择4种不同林龄的落叶松人工林为研究对象,4种林龄分别为20 a、30 a、40 a和50 a。在每一个林龄的落叶松人工林内,选取典型地段设置20 m×20 m的标准样地,进行林分特征因子的调查。并且每个标准地内,在其四角以及中心的位置,分别设立2 m×2 m的小样方,进行灌木层调查,结果见表1。

表1 不同林龄落叶松人工林林分结构与生长概况Tab.1 Stand structure and growth for different-aged Larix gmelinii plantations

2.2 土壤调查与取样

2011年5月份,在每一个落叶松人工林标准地内,沿对角线方向分别挖取3个土壤剖面,记录土壤剖面特征。按机械分层在0~40 cm土层范围内,分为四层(0~10 cm,10~20 cm,20~30 cm,30~40 cm)用100 cm3环刀取原状土,每层取6个重复。同时用铝盒在相应位置取20~30 g土样。采用烘干称量法测定土壤含水率。采用环刀法测定土壤密度、土壤孔隙度和土壤水分入渗特性[8]。土壤贮水特性根据土壤孔隙状况计算[9]。

3 结果与分析

3.1 土壤密度差异

土壤密度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。如图1所示,20 a的落叶松人工林的土壤密度明显高于其他林龄,这主要是由于树木生长年龄小,有机质、腐殖质积累量少,从而导致其土壤密度较其他林龄大。从土壤密度的垂直结构来看,各林龄落叶松人工林的土壤密度变化趋势有着共同的特点,即随着土壤深度的增加,密度呈明显的增加趋势。20 a、30 a和40 a三种林龄落叶松人工林30~40 cm土层的土壤密度较表层0~10 cm分别增加了20%、57%和44%。20 a、30 a、40 a和50 a的4种林龄落叶松人工林20~30cm土层的土壤密度较表层0~10 cm分别增加了13%、26%、17%和55%。森林土壤受地被物、树根以及依存于森林植被下特殊生物群的影响,有机质一般都集中在土壤表层,随着土层的加深,其含量逐渐减少,因此,随着土层深度的增加土壤密度逐渐增加。20 a的落叶松人工林土壤密度最大,为1.38 g/cm3。

图1 不同林龄落叶松人工林土壤密度度垂直变化Fig.1 The vertical changes of soil density for different-aged Larix gmelinii plantations

3.2 土壤孔隙度差异

土壤孔隙度的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础,也是评价上壤结构特征的重要指标。见表2,4种林龄落叶松人工林土壤毛管孔隙度在垂直结构上差异明显,其中表层土壤的孔隙度明显高于下层。土壤总孔隙度随深度的增加呈降低的趋势。土壤的孔隙度越高,意味着土壤具有较高的持水、保水以及透水能力,其保持水土、涵养水源的土壤水文生态功能越强。4种林龄落叶松人工林土壤的毛管与非毛管孔隙度的比值分别为16.82、18.44、25.24和24.76。一般认为,土壤中大小孔隙同时存在,若总孔隙度在50%左右,毛管与非毛管孔隙度的比值在1.5~4.1时,透水性、通气性和持水能力比较协调。若非毛管孔隙度在6%~10%时,林木生长一般;在10% ~15%时,林木生长中等;大于15%时,林木生长良好[10]。虽然20 a落叶松人工林的土壤非毛管空隙度较大,但是由于50 a落叶松人工林土壤最深层树根石块较多,因此综合来看,50 a的落叶松人工林土壤有较好的通透性能。

表2 不同林龄落叶松人工林土壤孔隙度特征Tab.2 Soil porosity characteristics of different-aged Larix gmelinii plantations

3.3 土壤入渗特征

土壤的渗透性能是土壤的重要水分物理性质之一,也是林分水源涵养功能的重要指标,它与土壤质地、结构、孔隙度、有机质、土壤湿度和温度有关。见表3,4种林龄落叶松人工林的土壤入渗特征差异较大,初渗速率的变化范围为0.03~0.63 mm/min,50 a落叶松人工林土壤的初渗速率最高,依次分别为30 a、20 a和40 a落叶松人工林。稳渗速率表现为50 a落叶松人工林>30 a落叶松人工林>20 a落叶松人工林>40 a落叶松人工林。这与土壤非毛管孔隙度的变化规律基本一致。

稳渗系数是土壤重要的水力特性参数之一,可以综合反映土体的入渗能力的强弱。4种林龄落叶松人工林土壤各层次稳渗系数均值50 a落叶松人工林最高达0.12 mm/min,分别是20 a、30 a和40 a落叶松人工林的1.7倍、1.5倍和2.4倍。

土壤水分入渗时间也能在一定程度上反映土壤水分入渗能力。50 a落叶松人工林土壤到达稳渗阶段需要的时间最长约为6 min,依次为40 a落叶松人工林(5.5min)、30 a落叶松人工林(4.5 min),20 a落叶松人工林所需时间最短仅为4 min。其差异一方面受林地土壤持水能力影响,林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小,持水量越大表示土壤具有的储水空间越大,在相同水分入渗速率下达到饱和状态需要时间就越久。

表3 不同林龄落叶松人工林土壤水分入渗特征值Tab.3 Water infiltration of soil for different-aged Larix gmelinii plantations

土壤水分入渗时间也能在一定程度上反映土壤水分入渗能力。50 a落叶松人工林土壤到达稳渗阶段需要的时间最长约为6 min,依次为40 a落叶松人工林(5.5min)、30 a落叶松人工林(4.5 min),20 a落叶松人工林所需时间最短仅为4 min。其差异一方面受林地土壤持水能力影响,林地土壤孔隙度反映了土壤持水能力的大小,持水量越大表示土壤具有的储水空间越大,在相同水分入渗速率下达到饱和状态需要时间就越久。此外,土壤到达稳渗阶段所需要的时间还与土质等因素有一定联系,该区土壤为暗棕壤土,土壤入渗过程波动较小,达到稳渗时间较短。

3.4 土壤贮水特性

林地土壤是水分贮蓄的主要场所,土壤水分贮蓄量和贮蓄方式受其物理性质影响很大,土壤贮水能力是评价不同植物群落下土壤涵养水源及调节水分循环的一个重要指标[11-13]。在一定土壤厚度条件下,土壤的贮水能力取决于土壤孔隙的大小及其数量特征。由表可以看出在40 cm土层内,4种林龄落叶松人工林土壤饱和贮水量由大到小依次为30 a落叶松人工林(1 942.8 t/hm2)、40 a落叶松人工林(1 936.8 t/hm2)、20 a落叶松人工林(1 825.8 t/hm2)和50 a落叶松人工林(1 824.2t/hm2)。吸持贮水量表现为40 a落叶松人工林>30 a落叶松人工林>50 a落叶松人工林>20 a落叶松人工林。滞留贮水量的变化规律为30 a落叶松人工林>20 a落叶松人工林>40 a落叶松人工林>50 a落叶松人工林。20 a和30 a落叶松人工林土壤滞留贮水能力较好,能为大雨或暴雨提供应急的水分贮存,有效地减少地表径流,其余两种年龄的落叶松人工林土壤滞留贮存能力则相对较弱。

表4 不同结构类型落叶松人工林土壤的贮水特性Tab.4 Water capacity of soil for different-structure Larix gmelinii plantations

4 结论

通过对黑龙江省东部山地不同林龄落叶松人工林土壤的土壤水文特性进行研究发现,不同林龄的落叶松人工林土壤密度表现为随着深度的加深而逐渐加大的趋势,土壤孔隙状况则表现出相反的趋势。50 a的落叶松人工林土壤密度较小、孔隙度较大。各林龄的落叶松人工林土壤饱和持水量变化幅度在186.78~193.81 mm,土壤的饱和持水量和毛管持水量随着土壤深度的增加而不断下降。4种林龄落叶松人工林土壤初渗速率的变化范围为0.03~0.63 mm/min,50 a的落叶松人工林土壤初渗速率最大。不同林龄间的变化规律与土壤非毛管孔隙度的变化规律基本一致。50 a的落叶松人工林的土壤稳渗速度大,稳渗系数大,孔隙度大,渗透性能比较好,持水量也较大。

[1]徐化成.关于人工林的地力下降问题[J].世界林业研究,1992(1):66-71.

[2]浅田节夫.カろマッの二次造林れいてムん[J].山林,1960(6):20-25.

[3]浅田节夫,佐藤大七郎.カろマッの造林学[M].东北:晨林出版株式公社,1981:162-168.

[4]浅田节夫.カろマッの2代目不良造林地に关すゐ研究[J].日林讲集,1961(71):103-110.

[5]赤井童男,浅田节夫.カろマッの2代目不良造林地に关すゐ研究[J].日林讲集,1962(72):145-148.

[6]佐藤敬二.新造林学[M].朝食书店,1971:278-293.

[7]王秀石.落叶松人工林土壤变化规律的研究[J].吉林林业科技,1982(4):1-11.

[8]陈立新.土壤实验技术与分析[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2001:25-35.

[9]田育新,李锡泉,吴建平,等.小流域森林生态系统林地土壤渗透性能研究[J].水土保持研究,2006,13(4):173 -175.

[10]马雪华.森林生态系统定位研究方法[J].北京:中国科学技术出版社,1994.

[11]胡海清,陆 晰,孙 龙.土壤活性有机碳分组及测定方法[J].森林工程,2012,28(5):18 -12.

[12]陈际伸.混交林营造及其机理的研究概况[J].江西林业科技,2001(2):26-28.

[13]柴亚凡,陈祥伟,王恩姮,等.植被恢复模式对黑土贮水性能及水分入渗特征的影响[J].水土保持学报,2008,22(1):61-73.

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