祁连山人工林凋落物和土壤水分特性的研究

孟好军，刘贤德，张宏斌，赵维俊

（甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000）

祁连山人工林凋落物和土壤水分特性的研究

孟好军，刘贤德，张宏斌，赵维俊

（甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000）

为了解不同人工林林分凋落物和土壤水分特性，给祁连山区植被恢复重建提供科学依据, 以1984年营造的青海云杉+落叶松混交林、山丹柳灌木林、青海云杉+灌木混交林、沙棘林和灌木混交林为研究对象，对其土壤物理性质、枯落物和土壤水分特征进行了研究。研究结果表明:（1) 不同人工林植被恢复类型对土壤孔隙度的影响具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征；（2) 5种人工林类型凋落物量和最大持水量分别具有:青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林和青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林 ＞灌木混交林＞沙棘林的特征；（3）5种不同人工林植被类型中，土壤渗透性能以青海云杉+落叶松混交林最好，林地表土层（0～20 cm）稳渗速率达18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%；贮水量最高的是青海云杉+落叶松混交林（5 192.4 t/hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/hm2）；土壤渗透速率和贮水量具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

人工林；凋落物；土壤水分特性；祁连山区

森林的水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，不同森林类型由于其树种生物学特性与林分结构的不同，其林分的水源涵养效应存在一定的差异[1-4]。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[5]。目前，国内外关于凋落物、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[6-9]。在凋落物和土壤水分研究中，中国对西北地区水分问题的研究已经比较深入，形成了较完整的体系[10-13]，在北方石质山区，也有较多关于森林涵养水源功能和土壤水分的研究[14-16]，在祁连山区开展的天然林凋落物和土壤水分特性研究较多[17-21]。然而，在祁连山区对于人工林土壤特性的研究还鲜见报道，其涵养水源功能强弱尚需有力的数据支持。为了探讨祁连山典型人工林生态系统的水文功能，我们以1984年营造的青海云杉+落叶松混交林、山丹柳灌木林、青海云杉+灌木混交林、沙棘林和灌木混交林为研究对象，于2010和2011年对其进行了土壤物理性质、贮水量和枯枝落物储存量及持水量等进行了研究。

1 试验区概况

试 验 区 位 于 E38°20′～ 38°30′，N 101°～101°30′，海拔 2 500 ～ 2 900 m，总的气候特点是降水量偏少又相对集中，且随海拔高度的升高降水量增加，气温降低，生长期变短。年降水量428.6 mm，年蒸发量1 028.9 mm，相对湿度57%；年平均气温0.5℃，＞0℃的积温1 700℃，受水热生物因素的综合影响，植被、土壤呈现出明显的水平带谱和垂直带谱。土壤一般阳坡为山地栗钙土，阴坡为山地灰钙土或森林灰褐土。试验区内有居民2 400多人，农耕地187 hm2，各类大小牲畜10 000余头（只），每年6～9月进入试验区放牧的有30 000余头（只），放牧高峰期多达50 000余（只）。

2 试验方法及设计

2.1 森林枯枝落叶层水容量的测定

在不同人工林分内选择25 cm×25 cm 的标准样方18个。在样方内测量枯枝落叶层的总厚度，并取样测定鲜重，此后将小区内的所有枯落物用塑料纱布收集并放入烘箱内（在105℃温度时烘4～8 h）烘干称重；然后将称过的枯落物放入水中（水层须淹没塑料袋），经4～8 h后从水中取出并称重，根据前后重量差值换算出枯落物的水容量。枯落物持水量计算：

枯落物最大持水率=(浸泡后的枯落物质量-干质量)/干质量×100%。

枯落物持水量计算：V=L×C。

式中，V为枯落物持水量(t/hm2)，L为枯落物积累量(t/hm2)，C为枯落物最大持水率(%)。

2.2 土壤容重、比重、孔隙度、持水量的测定

在不同人工林分内分别挖取土壤剖面5个，按不同层次（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm）取土样，采用烘干法测定土壤含水量；环刀法测定土壤容重、土壤总孔隙度、土壤饱和含水量、土壤毛管孔隙度、土壤毛管最大持水量(土壤田间持水量)[22]。

2.3 林地贮水量计算

最大贮水量(t/hm2) = 土壤总孔隙度（%）×10 000 m2×土壤深度（cm）。

3 结果与分析

3.1 不同人工林类型土壤的物理性质

不同人工林类型的土壤性质中土壤的孔隙状况直接影响土壤的通气性、透水性，是决定森林土壤水源涵养功能的重要因素。不同森林类型土壤的孔隙度受林分土壤发育状况的影响很大。一般而言，林分发育到一定程度后可以改善和提高土壤的物理性状[23]。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。其评价指标常用总孔隙度和毛管孔隙度。经实验，祁连山不同人工林类型的土壤容重和孔隙度存在一定的差异(见表1)。

从表1可以看出，不同人工林类型对土壤性质有很大的影响。不同的人工林类型，对土壤容重和孔隙度的影响相异，对土壤孔隙度的影响具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

3.2 不同人工林类型的林地凋落物层蓄积量与持水量

枯落物层处于林地植被层与土壤层之间，是森林生态系统的重要组成部分，是林地的一个重要覆盖面和保护层，水分在地被物层的传输机制类似于林冠截过程，其截留量与地被物的种类、贮水能力有关，与林地单位面积地被物成正比[24]。在一定厚度范围内，枯落物厚度越大，其水文生态功能越强[25-26]。在干旱陡坡地段保护林下凋落物层对保持水土具有重要的意义[27]。凋落物层在森林涵养水源中起着极其重要的作用，不同林分的林地凋落物层储量及其持水能力存在明显差异（见表2）。

表1 不同人工林类型土壤密度和孔隙度Table 1 Soil bulk density and porosity of different plantations

表2 不同人工林类型凋落物层蓄积量及其持水量Table 2 Litter stock and it’s water holding capacity of different types plantations

由表2可知，青海云杉+落叶松混交林得落物储量高达32.42 t/hm2，而灌木混交林的凋落物为16.21 t/hm2，两者相差接近2倍。5种人工林类型凋落物储量有:青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。凋落物的最大持水量具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞灌木混交林＞沙棘林的特征。最大持水率和最大持水量呈现出不同的规律，这是因为最大持水率的大小还与枯落物本身的生物量和结构有关，而且凋落物的分解程度也影响其持水能力。

3.3 不同人工林类型土壤贮水能力

3.3.1 土壤渗透性能

土壤渗透性能是描述土壤入渗快慢的土壤水分物理特征重要参数之一，是林分涵养水源的重要指标[28]。土壤渗透性能越好，它与土壤质地、结构、孔隙度、有机质、土壤湿度和温度有关。土壤是由大小、形状不同的固体组分和孔隙以一定形式连结所形成的多孔介质，固体组分的大小、数量、形状及其结合方式决定着土壤的质地与结构，进而影响土壤的水分与理化性质[29-30]。林地土壤密度与林分状况(林分组成、林龄、经营状况等)密切相关。不同林分的土壤渗透性能存在一定差异(见表3)。

表3 不同人工林类型土壤渗透速度Table 3 Soil seepage velocity of different types plantations

从表3可以看出，不同人工林类型土壤的渗透性能以青海云杉+落叶松混交林最好。林地表土层（0～20 cm）稳渗速率达18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%。几种植被复类型的土壤渗透速率具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。分析其原因主要是由于不同植被类型的凋落物蓄积量和分解程度有很大差异，对形成土壤腐殖质、改善土壤结构和提高土壤的渗透性的作用也有很大的影响。

3.3.2 土壤贮水性能

森林土壤是水分贮存的主要场所，林地持水和蓄水性能，是反映森林保持水分和涵养水源能力的重要特征之一[31]。土壤贮水作为评价植被水分保持与水源涵养功能的重要指标，其大小与土壤厚度和土壤孔隙状况密切相关。在一定厚度条件下，土壤的贮水特征取决于土壤孔隙的大小及其数量特征，或者说取决于植被对土壤孔隙状况改善作用的大小[32]。土壤总贮水量是毛管孔隙与非毛管孔隙水分贮蓄量之和，反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力，它是土壤涵蓄潜力的最大值。不同林分由于土壤物理性质差异明显，其土壤的最大蓄水量和涵养水源量亦明显不同（表4）。

表4 不同人工林类型土壤贮水性能Table 4 Soil water-holding capacity of different types plantations

从表4可以看出，不同的人工林类型的土壤物理性质差异明显，对土壤的贮水能力有很大的影响。从最大贮水量来看，不同人工林类型贮水量最高的是青海云杉+落叶松混交林（5 192.4 t/ hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/ hm2），5种人工林类型贮水量具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

4 讨论与结论

（1）不同植被恢复类型对土壤性质有很大的影响。不同的植被群落类型对土壤孔隙度和容重的影响相异，特别是对土壤孔隙度的影响具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

（2）青海云杉+落叶松混交林凋落物储量高达32.42 t/hm2，而灌木混交林的凋落物为16.21 t/hm2，两者相差接近2倍。5种人工林类型凋落物储量有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。凋落物的最大持水量具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林 ＞灌木混交林＞沙棘林的特征。

（3）不同植被类型土壤的渗透性能以青海云杉+落叶松混交林最好。林地表土层（0～20 cm）稳渗速率达18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%。几种植被复类型的土壤渗透速率具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

（4）不同人工林类型贮水量最高的是青海云杉+落叶松混交林（5 192.4 t/hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/hm2），5种人工林类型贮水量具有：青海云杉+落叶松混交林＞青海云杉+灌木混交林＞山丹柳灌木林＞沙棘林＞灌木混交林的特征。

综上所述，营造人工林具有从改善环境、提高林地生产力的作用，但由于祁连山浅山区干旱的气候环境，使得林木生长立地条件差，生长速度缓慢。为了有效提高林地生产力，减少不利因素的影响，使得林分健康生长，可以通过对人工可调控因子的调节，达到林分生长各项功能的最佳状态。通过本项研究可以看出，不同的人工林类型林下枯落物及其土壤的水文特性相异，林分类型、枯落物贮存量是人为可调控因子，人工林树种的组成、密度调节、营造混交林等既有利于增加枯落物蓄积量，又可改善林地土壤理化性质，提高水林地土壤的持水能力。目前关于祁连山人工林结构优化、健康方面的研究还有很大的空间，有待于日后进一步探讨和研究。

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Study on litters and soil moisture characteristics of different plantations in Qilian Mountains

MENG Hao-jun, LIU Xian-de, ZHANG Hong-bin, ZHAO Wei-jun
(Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China)

In order to provide scientif i c basis of vegetation restoration and reconstruction in Qilian Mountains, the soil physical structure,litters and soil water characteristics of different plantations were investigated with Picea crassifolia and Larix spp. mixed forest, Salix shandanensis shrubbery, Picea crassifolia and shrubbery mixed forest, sea buckthorn and shrubbery mixed forest as the studied objects.The results indicate that (1) The inf l uences of vegetation restoration of plantation types on soil porosity in different plantations ranked from high to small: P. crassifolia and Larix spp. mixed forest＞ P. crassifolia and shrubbery mixed forest ＞ S. shandanensis shrubbery＞ sea buckthorn forest ＞ shrubbery mixed forest; (2) The litter stock and maximum water holding capacity in fi ve kinds of plantations ordered from high to low：P. crassifolia and Larix spp. mixed forest ＞ P. crassifolia and shrubbery mixed forest ＞ S. shandanensis shrubbery ＞ sea buckthorn forest ＞ shrubbery mixed forest and P. crassifolia and Larix spp. mixed forest ＞ P. crassifolia and shrubbery mixed forest ＞ S. shandanensis shrubbery ＞ shrubbery mixed forest ＞ sea buckthorn forest; (3) Of the fi ve vegetation restoration types, the soil permeability of P. crassifolia and Larix spp. mixed forest was the best, the steady inf i ltration rate of woodland overburden (0 ～ 20 cm) was 18.87 mm/min, higher 66.7% than the shrubbery mixed forest, and higher 50.24% than sea buckthorn forests; the P. crassifolia mixed forest and Larix spp. Had the highest pondage (5192.4 t/hm2), the mixed forest of shrubbery has the lowest pondage (4347.4 t/hm2); Soil seepage velocity and pondage sequenced by magnitude: P. crassifolia and Larix spp. mixed forest＞P.crassifolia and shrubbery mixed forest＞S.shandanensis shrubbery＞ sea buckthorn forest＞shrubbery mixed forest.

plantation; litter; soil moisture; Qilian Mountains

S714.7

A

1673-923X(2013)02-0011-05

2012-06-13

“国家科技支撑计划课题祁连山水源涵养林生态系统保育技术试验示范（2012BAC08B02）”和“山前脆弱生态系统恢复与水土保持技术示范（2012BAC08B05）”资助

孟好军（1964-），男，甘肃张掖人，高级工程师，主要从事森林生态和湿地生态恢复等方面的研究；

E-mail:shymenghj5619@126.com

[本文编校：罗 列]