典型黑土区主要水保树种土壤水文效应研究

刘丙友，苗润吉，景国臣，王亚娟

（黑龙江省水土保持科学研究院，哈尔滨150000）

典型黑土区主要分布在松辽流域腹地，北起黑龙江省的嫩江县、北安市，南至吉林省的四平市，总面积约11万km2，是我国的重要商品粮基地和黑、吉两省的政治、经济中心［1］。近些年来，该地区水土流失问题突出，黑土的持续利用敲响了警钟。营造水土保持林是改善区域生态环境、控制土壤侵蚀的重要措施。国外对黑土地带水土保持林的研究主要是对风蚀的防治，对其水源涵养功能研究较少。我国在西北黄土高原及大江大河中上游等传统水土流失重点治理区开展的水土保持林土壤水文效应研究较多，在黑土区特别是典型黑土区此类研究较少，且多侧重于森林的水土保持功能或林下土壤结构方面的研究［2－3］，而且研究的植被种类较少，涵盖面小，对典型黑土区特别是农作区的指导意义还不够广泛。本研究对典型黑土区主要水土保持树种的土壤水文效应进行分析评价，为水土保持生态工程建设提供技术支持，对保护黑土地生态安全和国家粮食安全具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省克山县古北乡境内，地理坐标为北纬48°03′20″，东经125°49′20″。属温带大陆性季风气候，多年平均降水量为510mm，多集中在夏季；多年平均气温1.1℃，年均≥10℃积温为2 380℃，无霜期124d；多年平均日照时数为2 677h；年均8级以上大风天数约22d，年均风速3.1m／s。地貌属波状起伏台地，土壤主要有黑土、黑钙土，表土层厚度20—50cm。研究区内林地均为人工林，树种有长白落叶松（Larix olgensisHenry）、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolicaLitv.）、小黑杨（Populus xiaoheiT.S.Hwang et Liang）、白 皮 柳（Salix pierotiiMiq.）等。自然草地植被以大叶章（Deyeuxia langsdorffii（Link）Kunth）、车 前 草 （Plantago asiaticaL.）、三棱草（Carex phacotaSpr.）等居多。

在研究区内选择长白落叶松纯林、樟子松纯林、小黑杨纯林和白皮柳纯林，每种林分类型选择3个20m×20m标准样地，再采用典型抽样法在每个标准样地内选择3个典型样地（基本情况见表1）。

表1 不同林分林样地概况

2 研究方法

各项指标9月下旬测定，每个指标测定重复3次。枯枝落叶层饱和含水量的测定采用质量法：在每块标准地内随机选取3个1m2的样方，采集其中的枯枝落叶，称鲜重，然后将枯枝落叶浸水12h后滤水静止5min，当不在滴水时迅速称重，得到饱和含水量。土壤容重和孔隙度采用环刀法；土壤渗透速度测定采用双环渗透法［4］。

3 结果与分析

3.1 枯枝落叶层蓄水能力分析

枯枝落叶层是由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的地面覆盖层，其蓄积量与持水能力大小与树种、树龄、栽植密度、枯枝落叶分解速度率以及人为干扰、气候条件等因素有关［5］。枯枝落叶层一般分为未分解层和半分解层，研究区内各林分均为人工林，受人为活动影响较大，半分解层枯落物量很小，在进行枯枝落叶层蓄积量与持水能力测定时只对未分解层取样测定，测定结果见表2。

由表2可以看出，不同植被类型枯枝落叶层蓄积量有很大差异，针叶树种之间蓄积量差别大，在2.65～6.87t／hm2，阔叶树种差别不大，在3.94～4.35t／hm2。长白落叶松林枯枝落叶蓄积量最大，达到6.87t／hm2，樟子松林枯枝落叶蓄积量最小，只有2.65t／hm2。

表2 枯枝落叶层蓄积量及持水能力测定结果表

枯枝落叶层的持水量除受蓄积量影响外，还与植被类型、前期水分状况等有关。4种树木枯枝落叶层最大持水率范围在136.53%～205.21%，是自然含水率的11.12～19.73倍；自然含水率排序为白皮柳（13.88%）＞长白落叶松（11.81%）＞小黑杨（8.48%）＞樟子松（6.92%）；最大持水率排序为长白落叶松（205.21%）＞白皮柳（154.33%）＞ 小黑杨（143.15%）＞樟子松（6.92%）。白皮柳的自然含水率最高，而最大持水率却低于长白落叶松，说明长白落叶松（13.21t／hm2）较白皮柳（6.71t／hm2）枯枝落叶层蓄水能力更强。

3.2 土壤容重、孔隙度分析

在土壤物理特性中，由于植被枯枝落叶层组成、分解状况和地下根系生长及分布不同，造成不同树种林下土壤容重和孔隙度大小有一定的差异。不同树种林下土壤容重和孔隙度测定结果见表3。

从表3可以看出，长白落叶松土壤容重随土壤深度的增加而逐渐加大，樟子松、白皮柳0—20cm，40—50cm土壤容重大，而20—40cm土层土壤容重小，未造林地各层土壤容重均较大。0—50cm土壤平均容重，樟子松（1.344g／cm3）＞未造林地（1.340 g／cm3）＞ 小 黑 杨 （1.301g／cm3）＞ 长 白 落 叶 松（1.279g／cm3）＞白皮柳纯林（1.226g／cm3）。

土壤孔隙度的组成直接影响土壤通气透水性能，并调节土壤水、肥、气、热和微生物活动等，对改善土壤环境起着十分重要的作用。土壤孔隙度包括毛管孔隙和非毛管孔隙，毛管孔隙大小直接影响土壤的持水能力，非毛管孔隙主要反映了森林植被涵养水源和削减洪峰的能力［6－7］。

树种不同，土壤总孔隙度变化不明显，毛管孔隙度和非毛管孔隙度变化较大。在0—50cm土层，土壤总孔隙度大小排序为：白皮柳（53.50%）＞长白落叶松（51.73%）＞ 小黑杨（51.02%）＞未造林地（49.75%）＞樟子松（49.60%）。毛管孔隙度大小排序为：长白落叶松（44.15%）＞未造林地（43.25%）＞白皮柳（41.80%）＞小黑杨（38.75%）、樟子松纯林（38.75%）。非毛管孔隙度大小排序为：小黑杨（12.27%）＞白皮柳（11.70%）＞樟子松（10.85%）＞长白落叶松纯林（7.58%）＞未造林地（6.50%）。不同层次土壤孔隙度变化规律总的表现为：樟子松、长白落叶松随土层深度的增加总孔隙度和非毛管孔隙度逐步减小，小黑杨、白皮柳和未造林地随土层深度的增加总孔隙度和非毛管孔隙度逐步增加；未造林地毛管孔隙度无明显变化，造林地表现为随土层深度的增加逐渐减小的趋势。

表3 土壤容重、孔隙度测定结果

3.3 土壤渗透能力分析

土壤渗透性能大小与土壤质地、结构、孔隙度等土壤特性有关，是土壤调节洪水功能重要特征参数之一，是将地表径流转化为壤中流和地下径流的能力体现，是土壤涵养水源功能的重要指标，其大小与土壤非毛管孔隙度有直接关系［8－9］。土壤渗透速率越大，说明降水通过非毛管孔隙转化为地下水的能力越强，减少地表径流效果越好，土壤调洪功能越强［10－12］。不同树种表层土壤渗透试验结果见图1。土壤初渗速率波动范围在15.640～34.256mm／min之间，其大小依次为：白皮柳＞未造林地＞樟子松＞长白落叶松＞小黑杨。表层土壤稳渗速率差异较大，其大小排序为：白皮柳（2.518mm／min）＞长白落叶松（2.212mm／min）＞樟子松（1.829mm／min）＞小黑杨（1.486mm／min）＞未造林地（1.264mm／min）。白皮柳、长白落叶松、樟子松、小黑杨分别是未造林地的1.99倍、1.75倍、1.45倍、1.18倍。白皮柳表层土壤初渗速率和稳渗速率均最大，土壤渗透性能最好，其水源涵养功能最强。

4 结 论

（1）从所研究的林下土壤容重和孔隙度来看，总体上土壤容重随着深度增加而增加，孔隙度随着深度增加而减小，而未造林地无明显变化。4个树种林下平均土壤容重由大到小排序为：樟子松＞小黑杨＞长白落叶松＞白皮柳。总孔隙度由大到小排序为：白皮柳＞长白落叶松＞小黑杨＞樟子松，说明白皮柳改良土壤效果最明显。

图1 渗透过程曲线

（2）研究区不同树种土壤渗透性能均好于未造林地。不同树种土壤渗透性能存在着一定差异：土壤初渗速率表现为白皮柳＞樟子松＞长白落叶松＞小黑杨；土壤稳渗速率表现为白皮柳＞长白落叶松＞樟子松＞小黑杨；白皮柳林下土壤渗透性能最好。

（3）选取枯枝落叶层蓄水能力、土壤容重、土壤孔隙度、土壤渗透速度为指标对各树种样地土壤水文效应进行综合评价：造林地优于未造林地；白皮柳和长白落叶松优于小黑杨和樟子松。

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