滇中地区典型林分林地凋落物及土壤水文效应

方斌，黄俊文，赵洋毅，朱艳艳

(1.云南秀川环境工程技术有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021；3.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)

滇中地区典型林分林地凋落物及土壤水文效应

方斌1,2，黄俊文2，赵洋毅3，朱艳艳1,2

(1.云南秀川环境工程技术有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021；3.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)

摘要对云南省松华坝流域典型林分林下凋落物及土壤水文效应进行了初步研究，结果表明：松华坝流域林地凋落物蓄积量为7.86～22.46 t.hm-2，林下表层(0～20 cm)土壤最大持水量在123.3 ～261.9 t.hm2之间，稳渗率在0.47～3.18 mm.min-1之间。其中云南松+桉树混交林在凋落物储量、持水能力和稳渗率方面均大于纯林；桉树林大于云南松林。林地土壤的入渗速率与入渗时间之间存在幂函数关系。不同林地土壤持水能力和稳渗率与林地凋落物储量存在显著正相关性。

关键词林分；凋落物；土壤；水文效应

森林植被直接影响到森林流域的水文效应，不同林分的凋落物及其林下土壤具有不同的森林水文效应。林下凋落物经降解后进入土壤，改变林下表层土壤的理化性质和水文效应[1]。研究林下凋落物及表层土壤的水文特性，对了解森林植被水土保持和水源涵养功能具有重要意义。

国外最早研究入渗理论的成就则是达西定律(H.Darcy，1856)，此后，Richards[2]将达西定律引入非饱和土壤水分运动中，又以达西定律和质量守恒定律建立了描述土壤水分运动的基本方程。GreenWH[3]、PhilipJ.R[4,5]和HillelD[6]等人更多的研究成果为土壤入渗过程研究奠定了基础。国内在林下凋落物的蓄积量、吸持水量与吸持时间之间的关系、土壤的水文物理性质等多方面均有研究。朱金兆等[7]对重庆四面山林地枯落物及土壤的水文效应进行了研究。结果表明：四面山林地枯落物的年蓄积量为6.8～20.21t.hm-2，最大持水量在1.8～4.6mm之间；林地土壤具有较强的持水能力，1m深土壤的饱和持水量在7.84～18.87mm范围内变动，土壤入渗速率与入渗时间存在显著的幂函数关系。王树力，杨振，袁伟斌等[8]研究了镜泊湖区林地的土壤水文特性，对枯落物持水能力、吸水速度、土壤持水能力和渗透性能等水文性能进行综合评价，结果表明：原始红松林和杨桦林最佳，其次为蒙古栎林，人工红松林最差。方正三[9]在Kostiakov公式的基础上，总结出土壤质地、含水率和降雨强度之间的关系，蒋定生等[10]基于Kostiakov和Horton入渗公式，提出了描述黄土高原土壤在积水条件下的入渗公式。余新晓等[11]用水文参数取代Mein-Larson方程中的土壤物理参数，提出了在黄土高原地区计算入渗的模型。康绍忠等[12]发现，在入渗的瞬时阶段(0～10min)Kostiakov公式与实测拟合最好，在入渗渐变阶段(10～20min)，通用经验公式与Horton公式拟合最好。

以滇中地区松华坝流域的阔叶林(桉树林)、针阔混交林(云南松+桉树混交林)、针叶林(云南松林)的林下凋落物及土壤为研究对象，通过调查采样、试验和统计分析，以凋落物的储量、土壤物理性质、土壤持水性、土壤入渗特性等各项指标来分析研究该地区3种典型林分林下凋落物与土壤水文效应，以期为区域水土保持林和水源涵养林营造提供理论依据。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于云南省滇中地区松华坝流域，地理坐标为102.78°—102.81°E，25.12°—25.17°N，海拔1 985～2 200m。属于低纬度高原山地季风气候，受印度洋西南暖湿气流的影响，全年降水量明显分为干湿两季，多年平均降水量1 031mm，相对湿度74%，年均日照约2 200h，全年无霜期近年均在240d以上。年平均气温15 ℃。最热月(7月)平均气温19 ℃，最冷月(1月)平均气温8 ℃，土壤以红壤为主。

研究区典型林分类型包括3类，分别为常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林，均为人工林，林龄15年。其中，常绿阔叶林以桉树林为主，树种为直杆桉(Eucalyptus maideni)，乔木层单一，平均树高20.55m，郁闭度在0.55～0.75之间。灌木层以小铁子(Myrsine africana)和仪花(Lysidice rhodostegia)数量居多，高度分别为0.3～1.5m和0.4～2.7m。草本植物以紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)居多；针阔混交林主要以云南松(Pinus yunnanensis)+桉树混交为主，平均树高18.74m，郁闭度在0.65～0.80之间。灌木层以小铁子居多，草本植物多为紫茎泽兰。针叶林主要以云南松为主，平均树高16.35m，郁闭度在0.85～0.90之间，灌木有小铁子和黄刺玫(Rosa xanthina)，草本植物稀少。

1.2研究方法

按阔叶林、针阔混交林、针叶林分3种林分类型，各类型代表地段内取面积为30cm×40cm的枯落物样地8个，记录和采集样地内凋落物和土壤。将新采集的凋落物进行称重、风干、烘干等试验步骤，计算样品自然含水量、烘干质量和单位面积储量。采用烘干法测定土壤含水量；采用环刀法测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量、田间持水量和土壤入渗速率。每个样品重复3次。

根据实验所得数据，分别对3种典型样地的各指标值进行计算，利用方差分析和回归分析拟合各指标之间的关系。

2结果与分析

2.1林下凋落物的储量分析

凋落物的蓄积量决定于不同林地的生产力和分解能力，因林分的生长状况各异，枯落物层的发育与林分的发育有直接的联系，林分的健康发育能增加枯落物层的蓄积量并促进它的健康发育，同时也受到气候及人为干扰等多种因素的影响[13]。研究区针阔混交林和针叶纯林长势和林下凋落物储量差异明显。不同林分凋落物平均厚度依次是云南松+桉树混交林(2.1cm)>桉树林(1.6cm)>云南松林(1.2cm)，3种林分类型下凋落物平均储量也有差别，针阔混交林林冠层次多，枝叶量大，凋落物储量最大，为22.46t.hm-2；桉树林凋落物储量较大，为20.31t.hm-2；云南松林冠层结构少，落叶量少，林下凋落物储量最小，仅为7.86t.hm-2。

表1　不同样地凋落物储量

2.2土壤物理性质分析

林地土壤的土壤容重与孔隙度是反映林地土壤物理性质的两项重要指标。土壤孔隙度影响土壤通气和渗流状况，土壤孔隙为土壤水分的渗流和贮存提供了通道和空间，能在降雨时快速暂时贮存降水减缓地表径流，并在雨后能快速排出水分以保证土壤的通气性[14]，有利于雨水渗透，削弱地面径流，减轻水土流失。土壤容重和土壤孔隙大小在一定程度上决定了土壤结构的好坏[15]。

对3种典型林分土壤的物理特性进行测定(表2)，不同林分同一深度土层间表现出如下特点：0～20cm土层，云南松林土壤容重最大(1.57g.cm-3)，云南松+桉树混交林土壤容重最小(1.30g.cm-3)。云南松+桉树混交林林地的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均最大，分别为51.07%、36.89%和14.18%；20～40cm土层，云南松+桉树混交林林地的土壤容重最大(1.65g.cm-3)，云南松林地的土壤容重最小(1.37g.cm-3)而土壤毛管孔隙度最大(48.18%)。

同一样地内，云南松+桉树混交林表层土(0～20cm土层)孔隙率较下层土(20～40cm土层)增大35.8%，而桉树林和云南松林却分别减少8.2%和18.6%。可以看出针阔混交林凋落物层对于改良地表土壤结构、增加入渗作用更为显著，桉树纯林和云南松纯林则可能会造成表层土固结，这也可能与研究区这两种林分受人为干扰较多有关。

表2　不同样地土壤物理性质

2.3表层土壤持水性分析

土壤持水性与土壤孔隙度、土层厚度关系密切。土壤蓄水力是评价不同植被下的水土保持功能和土壤涵养水源的重要指标。计算3种林分类型土壤持水能力，结果表明：表层土(0～20cm土层)中，不同林分土壤持水能力的大小依次为：云南松+桉树混交林(261.9t.hm-2)>桉树林(230.7t.hm-2)>云南松林(123.3t.hm-2)。可见，针阔混交林林地表层土壤具有较好的水土保持和水源涵养能力，土壤的持水能力可以达到针叶林地的2.12倍。这也可能是针阔混交林中凋落物的厚度与蓄积量均明显大于针叶林，具有较强的改善土壤物理性能、增加土壤蓄水的能力的原因。

表3　不同样地表层土(0～20 cm)土壤持水能力

2.4表层土壤入渗特性分析

本研究采用环刀法测定土壤各层次的渗透性能。结果表明：(1)不同林分土壤0～10cm土层的稳渗率大小依次为：云南松+桉树混交林(3.18mm.min-1)>桉树林(2.56mm.min-1)>云南松林(2.22mm.min-1)，初渗速率和稳渗时间也呈同样变化趋势。(2)不同林分土壤10～20cm土层的稳渗率大小依次为：云南松+桉树混交林(1.30mm.min-1)>桉树林(0.81mm.min-1)>云南松林(0.47mm.min-1)，初渗速率和稳渗时间也呈同样变化趋势。

同一林分不同土层入渗速率也存在明显差异，云南松+桉树混交林0～10cm土层初渗率和稳渗率分别为5.42mm.min-1和3.08mm.min-1明显大于10～20cm土层的1.67mm.min-1和1.30mm.min-1，是其3.25倍和2.45倍；桉树林0～10cm土层初渗率和稳渗率分别是10～20cm土层的2.64倍和3.16倍；云南松林0～10cm土层初渗率和稳渗率分别是10～20cm土层的4.07倍和4.72倍。

这表明不同林地类型，由于树种组成、群落结构、生态环境、枯落物分解程度及性质不同，因而土壤有机质含量、土壤结构不同，导致土壤渗透性能差异。

表4　不同样地土壤入渗特性

对入渗速率与入渗时间进行回归分析，得到了不同林地土壤的入渗速率方程。从表5可见，林地土壤的入渗速率与入渗时间之间存在幂函数关系，即：y=ax-b，式中，y为土壤入渗速率(mm.min-1)，a和b为常数，x为入渗时间(min)。拟合的幂函数曲线相关系数在0.83以上。

表5　不同样地土壤入渗回归方程

2.5凋落物及土壤水文效应分析

2.5.1凋落物对土壤持水能力的影响林地凋落物与土壤持水能力呈现正相关关系，相关系数如表6所示。林地凋落物储量与土壤0～10cm土层持水量相关系数为0.848，与土壤10～20cm土层持水量相关系数为0.992；林地凋落物储量与土壤0～20cm土层持水量相关系数为0.937。说明不同林地凋落物储量对土壤持水能力影响显著。

表6　不同样地凋落物储量与土壤持水能力相关性

对林地土壤土层(0～20cm)持水能力进行单因素分析，见表7。在F0.05水平上进行检验，F(19.85)>F0.05(7.709)这表明不同林分类型下土壤0～20cm土层持水能力差异显著。

不同林分林下土壤持水能力差异显著。单一的林分类型对土壤的理化性质、土壤结构、土壤质地的改善以及土壤水文效应的作用都比较单一，发挥的保持水土、涵养水源等作用不是很显著。在单一林分类型中，桉树林比云南松林的土壤持水能力强。云南松+桉树混交林林下土壤具不同林分类型相互作用，持水能力最强。

表7　土壤(0～20 cm)土层持水能力方差分析结果

2.5.2凋落物对土壤入渗能力的影响对样地凋落物储量和不同土层土壤初渗、稳渗进行相关性分析发现，林地凋落物储量和不同土层土壤初渗率、稳渗率存在相关性(表8)。相关系数均在0.85以上。说明林地凋落物储量是影响土壤入渗的因子之一。

表8　林地凋落物与土壤入渗相关性

对土壤入渗性能(初始入渗率和稳定入渗率)进行单因素分析，见表9、表10。在F0.05水平上进行检验，F>F0.05这表明不同林分类型下入渗能力差异显著。桉树林凋落物对林下土壤入渗能力的影响比云南松的强，云南松+桉树混交林凋落物对林下土壤入渗能力的影响最强。

表9　不同林分类型土壤(0～20 cm)初渗率方差分析结果

表10　不同林分类型土壤(0～20 cm)稳渗率方差分析结果

3小结与讨论

以滇中地区松华坝流域3种典型林分林下凋落物及土壤为研究对象，以凋落物储量、土壤物理性质、土壤持水性能、土壤入渗特性等各项指标来分析研究该地区3种不同林分林下凋落物及土壤水文效应。小结如下：

3.13类林地凋落物储量有明显差异，云南松+桉树混交林储量最大为22.46t.hm-2，其次是桉树林20.31t.hm-2，云南松林凋落物储量最小，仅为7.86t.hm-2。

3.2同一林分样地内，云南松+桉树混交林表层土(0～20cm土层)孔隙率较下层土(20～40cm土层)增大35.8%，而阔叶林和针叶林却分别减少8.2%和18.6%。针阔混交林凋落物层对于改良土壤结构、增加入渗作用更为显著。

3.3不同林分表层(0～20cm)土壤持水能力的大小依次为：云南松+桉树混交林(261.9t.hm-2)>桉树林(230.7t.hm-2)>云南松林(123.3t.hm-2)。针阔混交林林地表层土壤具有较好的水土保持和水源涵养能力，土壤的持水能力可以达到针叶林地的2.12倍。

3.4林下0～20 cm土层的初渗率、稳渗率和稳渗时间均表现为：云南松+桉树混交林>桉树林>云南松林。同一林分不同土层入渗速率也存在明显差异，上层土(0～10 cm)初渗率和稳渗率均高于下层土(10～20 cm)，相差2.45～4.72倍。

3.5不同林分土壤持水能力和稳渗率与林地凋落物储量存在显著的正相关性。林地土壤不同土层持水能力、稳渗率差异显著。

3.6在水土保持和水源涵养功能方面，混交林更适合作为研究区的水土保持林和水源涵养林。

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HydrologicalEffectsofSoilandTypicalForestLittersintheCentralAreaofYunnanProvince

FangBin1,2,HuangJunwen2,ZhaoYangyi3,ZhuYanyan1,2

(1.YunnanXiuchuanEnvironmentalEngineeringTechniqueCo.,Ltd,Kunming650021.China;

2.YunnanInstituteofWater&HydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650021.China;

3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

AbstractHydrological effects of soil and typical understory litters in Songhua Dam watershed of Yunnan Province was preliminarily studied. Result shows that litter amount in forest of Songhua Dam is about 7.86-22.46 t.hm-2;the maximum water-holding volume of soil ranges from 123.3t.hm-2to 261.9 t.hm-2;the steady infiltration rate is about 0.47-3.18 mm.min-1. The litter amount,water-holding capacity & the steady infiltration rate of mixed forest (Pinus yunnanensis+Eucalyptus maideni) are more greater than that of single forest;the upper indices of Eucalyptus forest are more than that of Pinus yunnanensis forest. Power function relationship is existed between the forest soil infiltration rate & infiltration time. Water-holding capacity,stable infiltration rate among different forestland and forest litter have significant positive correlation.

Key wordsforest stand;forest litters;soil;hydrological effect

文章编号：1005-5215(2016)06-0018-04

收稿日期：2016-04-12

作者简介：方斌(1983-)，男(黎族)，贵州兴仁人，硕士，工程师,从事水土保持研究.

中图分类号：S718.52

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.06.006