小兴安岭南麓典型森林类型的土壤水文功能研究

张淑兰，张海军，张 武，王长宝，邓际华，宋英博，张 强

（1.佳木斯大学，黑龙江 佳木斯154007；2.黑龙江省合江林业科学研究所，黑龙江 佳木斯154002；3.黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯154007）

森林土壤的水文功能主要指土壤的持水能力及渗透特性，是森林植被保持水土和涵养水源作用的重要体现［1－3］，也是森林生态系统服务功能评价的一个重要指标［4－5］。其中，森林土壤的持水能力是指森林生态系统中涵蓄土壤水分、补充地下水和调节河川流量的功能，其与森林土壤的物理性质有直接的关系［6－7］；同时研究表明森林土壤层对降水的调节能力可占90%以上［8－10］，土壤渗透特性主要表现为水分入渗速率，不仅受土壤物理性质的影响，还要受降雨因素、植被状况、地形因素等影响，对地表径流的产生和流域产流量的大小具有重要作用［11－12］。小兴安岭地区森林覆盖率达80%以上，其重要的涵养水源功能价值可占到森林生态系统服务功能总价值的30%以上［13］。目前，有关该区森林土壤水文功能的研究报道较少；因此，本研究选择小兴安岭南麓的典型森林植被类型，对其典型样地下的土壤进行持水和蓄水能力测定与分析，为该区更好地全面评价和合理估测森林生态系统服务功能价值提供理论参考。

1 研究区和研究样地概况

研究地点位于汤旺河流域下游、小兴安岭南麓汤原县大亮子河国家级森林公园腹地（129°37′11″－129°45′22″E，46°57′47″－47°03′25″N），总面积71.71 km2，海拔在300～700m，属低山丘陵地带。气候属于温带大陆性季风气候，年平均气温1.3℃，无霜期为100～120d，年平均降水量为550～670mm，一般风力在5～6级。冬季漫长、严寒干燥而多风雪；夏季湿润、温热而短促；春季迟缓，多风少雨；秋季降温急剧，常出现早霜。区内森林土壤以暗棕壤为主，森林覆盖率86.5%，主要植被有原始红松林（Pinus koraiensis）以及白桦林（Betula platyphylla）、臭冷杉林（Abies nephrolepis）、红皮云杉林（Picea koraiensis）、柞树林（Quercus mongolica）等天然次生林及其混交林，并有部分人工兴安落叶松林（Larix gmelini）和人工红松林；林缘有少量灌木林。本次研究于2013年7—8月份对该区的原始红松林Ⅰ、白桦林、臭冷杉林、针阔混交林、人工兴安落叶松林和人工红松林Ⅱ共6种森林植被类型的土壤进行取样，其中针阔混交林为云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies）、槭树（Acersaccharum）等混交林。具体样地情况如表1所示。

表1 6种森林植被类型研究样地概况

2 研究方法

2.1 土壤物理性质测定

在6种植被类型样地上，选取代表性的地段并挖掘土壤剖面，记录土壤剖面发生层次，并机械划分土层，用200cm3（高5.2cm，半径3.5cm）的环刀在0—10，10—20，20—40，40—50cm深度取土，每层3个重复。利用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性质［14］。

2.2 土壤持水能力测定

土壤持水能力是评价土壤涵养水源及水文调节功能的重要指标，包括毛管持水能力和非毛管持水能力，其中非毛管持水能力称为有效持水能力，二者之和为土壤最大持水能力［13］。其计算公式为：

S1＝10000×h×p1×r；S2＝10000×h×p2×r

式中：S1——土壤非毛管持水能力（t／hm2）；S2——土壤毛管持水能力（t／hm2）；h——土壤厚度（m）；p1——非毛管孔隙度（%）；p2——毛管孔隙度（%）；r——水的比重（t／m3）。

2.3 土壤渗透性的测定与模拟

在各植被类型典型样地上，同样用200cm3的环刀在各土层深度取样，每层3个重复，并保持土壤环刀样品原状，参照单环有压入渗法［13］，供水前浸泡时间为24h，人工供水保持5～6cm的水头测定土壤渗透过程，确定不同土层的土壤水分入渗的初渗速率和稳渗速率；然后，利用SPSS 16.0对3种常用的入渗模型进行拟合分析，3种模型的方程分别如下：

Kostiakov方程：f（t）＝at－b

式中：f（t）——入渗透速率；t——入渗时间；a，b——拟合参数。

Horton方程：f（t）＝fc＋（f0－fc）e－βt

式 中：f（t）——入 渗 透 速 率；t——入 渗 时 间；f0，fc——初渗速率和稳渗速率；β——经验参数。

Phillip方程：f（t）＝0.5St－1／2＋A

式中：f（t）——入渗速率；S——吸着率；A——稳渗速率。

3 结果与分析

3.1 土壤物理特征分析

表2为小兴安岭南麓主要植被类型土壤水文物理性质。从表中可见，各植被类型的土壤有明显的分异，0—10cm土层的容重在各土层中均为最小值，且0—20cm土层的土壤容重均在1.00g／cm3以下，介于0.45～1.00g／cm3之间；大于20cm 深度的土层容重大多大于1.00，介于0.76～1.52g／cm3；各植被类型0—50cm的平均容重除白桦林为1.13g／cm3外，其他均略小于1.00g／cm3，平均为0.90g／cm3。

表2 各植被类型典型研究样地各土层及0－50cm深度土壤物理性质平均值

从土壤的孔隙度看，土壤容重较轻的土层总孔隙度和毛管孔隙一般较大，反之，二者则较小；不同植被类型的总孔隙度为43.73%～79.21%，毛管孔隙度为38.45%～72.27%，非 毛 管 孔 隙 度 为 1.48% ～20.96%；0—50cm的平均总孔隙度和毛管孔隙度均以白桦林最小（56.8%和45.53%），其他各植被类型分别为61.20%～68.28%和51.13%～62.71%，均以人工兴安落叶松林最大，而平均非毛管孔隙度则以人工兴安落叶松林最小（5.58%），其他植被类型分别为8.67%～12.23%，以原始红松林Ⅰ最大。从不同植被类型持水能力看，各土层饱和含水率介于28.73%～177.32%，毛管含水率25.26%～156.84%，自然含水率13.91%～119.18%，并随着土层深度加厚，三者均具有明显减小趋势；其中人工兴安落叶松林的饱和含水率（平均108.19%）、毛管含水率（平均97.76%）和自然含水率（平均73.38%）最大，而白桦林的三者均较小，分别为55.24%，43.63%和21.53%，其他则分别介于69.09%～91.39%，59.17% ～76.04%和31.16%～36.07%。根据土壤孔隙度及持水能力得出，各植被类型土壤通气度除人工兴安落叶松最小（15.26%）外，其他均差异不大，介于33.20%～39.47%之间。

3.2 土壤持水和蓄水能力分析

表3为各主要植被类型样地0—50cm土厚的持水和蓄水能力，结果表明，该区在持水和蓄水能力上各植被类型间具有较大的差别。从持水能力看，各植被类型土壤的自然持水量为111.74～265.09mm，其大小依次为兴安落叶松林（265.09mm）＞臭冷杉林（144.34mm）＞红松林Ⅰ（137.10mm）＞针阔混交林（130.67mm）＞白桦林（116.090mm）＞红松林Ⅱ（111.74mm）；最大持水量282.88～341.41mm，依次为兴安落叶松林（341.41mm）＞针阔混交林（328.04mm）＞红松林Ⅰ（316.77mm）＞臭冷杉林（313.65mm）＞红松林Ⅱ（305.99mm）＞白桦林（282.88mm）；有效持水量27.88～61.13mm，依次为红松林Ⅰ（61.13mm）＞针阔混交林（57.42mm）＞白桦林（55.21mm）＞臭冷杉林（46.86mm）＞红松林Ⅱ（43.37mm）＞兴安落叶松林（27.88mm）。

表3 主要植被类型典型样地0－50cm土层的持水和蓄水能力 mm

从土壤蓄水能力看，其与土壤前期自然含水量和最大持水量密切相关，二者之差可作为衡量土壤涵蓄降水量的能力［15］，研究发现尽管人工兴安落叶松林具有较大的最大持水量，但由于其自然持水量也较大，因此其涵蓄降水量最小，仅为76.32，而其他植被类型的涵蓄降水量能力均较高，为165.98～197.37 mm；另外，该区土壤最大持水量中以毛管持水量为主，因此也可用毛管持水量与土壤前期自然含水量之差来反映土壤的蓄水能力，称其为有效涵蓄量［14］，各植被类型有效涵蓄降水量情况与土壤涵蓄降水量一致。

3.3 土壤渗透特征分析

土壤渗透特征是土壤水文生态功能的重要体现，其下渗能力特别是表层土壤影响着地表径流的产生与否。由表4可见，各植被类型的土壤初渗速率和稳渗速率最大值一般在0—10cm或10—20cm土层，其平均值分别为11.92mm／min和2.78mm／min，而最小值在不同的植被类型下出现的土层不同，其平均值为2.19mm／min和0.66mm／min。从表层0—10cm土壤看，最大初渗速率为3.90～15.6mm／min，稳渗速率为0.44～2.87mm／min，其稳渗速率大小顺序为臭冷杉林＞白桦林＞红松林Ⅰ＞针阔混交林＞红松林Ⅱ＞兴安落叶松林。各植被类型0～50cm的平均初渗速率以针阔混交林最大（10.35 mm／min），其次为臭冷杉林（7.07mm／min）、红松林Ⅰ（6.67mm／min）、红松林Ⅱ（6.40mm／min）、人工兴安落叶松林（3.54mm／min），白桦林最小（1.44mm／min）；平均稳渗速率以针阔混交林最大（2.80mm／min），其次为臭冷杉林（1.52mm／min）、白桦林（1.44 mm／min）、红松林Ⅰ（1.42mm／min）和红松林Ⅱ（1.18 mm／min），人工兴安落叶松林最小（0.65mm／min）。

表4 不同植被类型样地土壤各土层的初渗速率和稳渗速率

续表4

Kostiakov方程、Horton方程和Philip方程是3个概念较为明确且可靠的土壤水分入渗模型，通过实测数据模拟了各植被类型下不同土壤层次的入渗过程。表5中结果表明：Kostiakov方程中的参数a一般变化在0.57～19.78之间，平均为6.13，受土壤密度、孔隙度等的影响，反映了土壤初渗速率的变化情况，而b值反映了渗透速率变化的快慢，其变动范围为0.04～0.57，平均为0.28；Horton方程中，f0和fc是通过给定初始值迭代拟合的初渗速率和稳渗速率，其值符合实测值（二者的相关系数R分别为0.82和0.98），β反映了渗透速率变化的情况，该值介于0.02～3.98之间，平均0.50；在Philip方程中，S表明了土壤含水量和孔隙度对入渗速率的影响，而A值表示稳渗速率的情况，二者的取值范围分别为0.81～30.82和0.01～3.34，平均值分别为10.23和1.25，其中A值与实测的稳渗速率相关系数可达0.93。比Philip方程和Kostiakov方程的模拟精度略高，且Horton方程中各参数具有明确的物理意义，因此在该区进一步的水文过程模拟中可选择Horton方程模拟土壤水分渗透速率。

表5 不同植被类型典型样地土壤层次的渗透速率拟合参数

续表5

4 结 论

（1）在小兴安岭南麓，土壤容重介于0.45～1.52 g／cm3之间，0—20cm土层较疏松，大于20cm土层较紧实；土壤总孔隙度为43.73%～79.21%，毛管孔隙度为38.45%～72.27%，非毛管孔隙度为1.48%～20.96%，其中，白桦林的总孔隙度和毛管孔隙度最小，其他林分之间差异不大；人工兴安落叶松林的非毛管孔隙度最小，原始红松林Ⅰ最大。

（2）土壤的饱和含水率、毛管含水率和自然含水率分别介于28.73%～177.32%，25.26%～156.84%和13.91%～119.18%之间，随着土层加厚，三者明显减小。各植被类型最大持水量为282.88～341.41 mm，以人工兴安落叶松林最大，白桦林最小，其他林分差异不大；有效持水量27.88～61.13mm，以红松林Ⅰ最大，人工兴安落叶松林的最小，其他差异不大；除人工兴安落叶松林的涵蓄降水量为76.32mm以外，其他植被类型的均较高为165.98～197.37mm。

（3）各植被类型0—50cm的平均初渗速率介于1.44～10.35mm／min之间，稳渗速率为0.65～2.8 mm／min；Kostiakov方程、Horton方程和Philip方程均可模拟各植被类型的土壤入渗过程，但Horton方程模拟效果更好。

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