黑土区几种人工林的水土保持效果分析

景国臣，鞠敏睿，欧阳力

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑土区是我国6大水力侵蚀区之一，生态环境较为脆弱[1]。目前，黑土区生态环境面临的问题主要是：土壤侵蚀比较严重、土壤退化、农田污染、自然植被覆盖率降低且系统结构简化,以及旱涝等自然灾害频繁且有加剧趋势，黑土数量不断减少等[2]。水土保持林是水土流失治理的主要措施之一。已有研究证明，水土保持林不仅可以通过调节降水分配来削弱土壤侵蚀动力，进而减少土壤流失量[3]，而且可以通过枯枝落叶层及其形成的土壤有机质改善土壤结构，降低土壤可蚀性[4]。本文通过对黑土区几种人工水土保持林土壤物理性状、林冠层截留降雨、林下蓄水能力、保持土壤能力等指标的测定与分析，拟揭示人工水土保持林在水土流失防治中的作用。

1 研究区概况

研究区位于克山县古北乡，黑龙江省水利科学研究院克山试验站试验场(48°03′20″N,125°49′20″E)，总面积为0.46 km2，其中，人工林面积7.0 hm2。地貌属波状起伏台地，土壤为黑土，表土层厚度20～50 cm。研究区属中温带大陆性季风气候，多年平均降水量510 mm，多集中在6—9月；多年平均气温1.1 ℃，多年平均日照时数为2677 h；年均风速3.1 m/s。

2 研究方法

2.1 样地与林分选择

选择立地条件相似、林龄相同的落叶松纯林、樟子松纯林、杨树纯林、白皮柳纯林，落叶松与樟子松混交林，樟子松与杨树混交林作为研究对象，其中落叶松与樟子松混交形式为带混，混交比为7∶7；樟子松与杨树混交形式为带混，混交比为7∶5。试验样地林分特征见表1。

2.2 研究方法

2.2.1 林下土壤物理特性指标测定

林下土壤容重、孔隙度测定采用环刀法，每10 cm为一个测定层次，3次重复，测定深度为50 cm。林下表层土壤渗透系数采用双环法。

2.2.2 冠层截持降雨量测定

采取小区观测法，分别测定林下雨量、树干流量和林外降雨量，林外降雨量减去林下降雨量和树干流量即为树冠层截留降雨量。

2.2.3 林下蓄水能力测定

林下蓄水能力包括林下枯落物层有效蓄水量和林下土壤层蓄水量两部分。

林下枯落物层有效蓄水量测定采取浸泡法，测定林下枯落物自然含水率和浸泡后最大持水率，通过公式(1)计算林下枯落物层有效蓄水量。

表1 试验林分特征

W=(0.85Rm-R0)M

(1)

式中：W为枯落物有效蓄水量，t/hm2；Rm为枯落物最大持水率，%；R0为枯落物自然含水率，%；M为枯落物蓄积量，t/hm2；0.85为有效拦蓄系数。林下土壤层蓄水量是在测定孔隙度的基础上，采用公式(2)计算：

W=10 000Ph

(2)

式中：W为土壤层蓄水量，t/hm2；P为土壤孔隙度，%；h为土壤厚度，m。

2.2.4 保土能力测定

采取微型小区观测法，小区面积1 m2(1 m×1 m)，设置3次重复，测定每次产流降雨的泥沙含量。

3 结果与分析

3.1 林下土壤物理特性指标分析

在土壤物理特性中，容重和孔隙度直接影响到土壤的通气性和透水性，是决定森林土壤水源涵养功能的重要因素[5]。不同林分枯落物组成、分解状况和根系分布不同，对土壤物理特性指标的影响也不同。

3.1.1 不同林分土壤容重比较

土壤容重是土壤物理特性的一个重要指标，反映土壤的通气性、透水性。枯落物分解程度与根系分布特点使不同林分土壤容重产生一定的变化。测定结果见表2。

表2 不同林分土壤容重测定结果

从表2 可以看出，在0～50 cm土层范围内，不同林分土壤容重差异不大，樟子松纯林平均容重最大为1.330 g/cm3，樟落混交林平均容重最小为1.200 g/cm3，变化率不超过10%。同一林分内，由于枯落物分解程度和根系分布的变化，不同土层深度容重变化表现不一，落叶松纯林、樟杨混交林随土层深度的增加容重增大趋势，杨树纯林随土层深度的增加容重减小，其他林分表现为表层和深层容重大，中间层容重小。

3.1.2 不同林分土壤孔隙度比较

土壤孔隙度组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度，并且对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥着不同的调节功能[6-7]。土壤毛管孔隙度越大，土壤持水能力越强，土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，与土壤蓄渗水能力更为密切[8]。测定结果表明，0～50 cm土层范围内，各林分土壤总孔隙度在49.60%～54.34%之间，变化不大；土壤毛管孔隙度在38.75%～48.55%之间，表现出混交林比纯林毛管孔隙度大的特点；土壤非毛管孔隙度在3.74%～12.27%之间，表现出纯林比混交林非毛管孔隙度大的特点。从不同土层深度看，各层次间总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度无明显变化规律(见表3)。这与林下枯落物组成、分解程度、根系分布等有一定的关系。

表3 不同林分土壤孔隙度测定结果

3.1.3 不同林分表层土壤渗透性比较

土壤渗透性大小与土壤质地、结构、孔隙度等土壤特性有关，对土壤蓄渗水能力影响较大。测定结果表明，不同林分表层土壤初渗速度和稳渗系数变化都较大(见表4)。其中，初渗速度波动范围在15.64～38.76 mm/min之间，初渗速度最大的樟落混交林是其他林分的1.3～2.5倍。稳渗系数变化范围1.61～5.13 mm/min之间，稳渗系数最大的樟落混交林是其他林分的2.0～3.2倍,说明樟落混交林土壤渗透性能最好，其涵养水源能力最强，其次是白皮柳纯林，再次是落叶松纯林、樟子松纯林和樟杨混交林，最低的是杨树纯林，其涵养水源能力也最弱。因此针叶林对土壤表层改良效果好于阔叶林，表层土壤渗透性能大大提高[9]。

表4 不同林分土壤渗透测定结果

3.2 林冠层截留降雨能力分析

3.2.1 林冠层降雨截留率比较

林冠层对降雨具有再分配作用，而且延续整个降雨过程。林冠层截留能力与林分组成、冠层厚度、降雨量等多种因素有关。相关研究表明，森林植被的截留率变化较大，在12%～35%之间[10]。观测结果表明，不同林分冠层截留率在24.17%～32.44%之间，表现为混交林大于纯林，针叶林大于阔叶林的特点。不同林分冠层截留率变化趋势基本一致，即随着降雨量的增大，截留率逐渐减小，并逐渐趋于稳定(见表5、表6)。

表5 不同林分降雨截留率观测结果[11]

3.2.2 林冠层截留量与降雨量的关系

林冠层截留量与林分本身特性如树种、树龄、林冠层厚度以及降雨量、气温、风速等多种因素有关。通过对冠层截留量与降雨量进行观测，不同林分冠层截留量与降雨量关系最为密切，并且随着降雨量的增加而增大(见表6)，表现为林冠层截留量与降雨量存在着正相关关系[12]。

表6 不同林分冠层截留量观测结果

3.3 林下蓄水能力分析

3.3.1 林下枯落物层蓄水量比较

枯落物层是森林结构中重要的组成部分，是森林水文效应的第二活动层。地表枯枝落叶层能截蓄降水、滞缓地表径流、增加入渗，抑制土壤蒸发[13-14]。不同林分地表枯落物厚度、数量、分解程度及分布差异较大，蓄水能力也存在不同。测定结果表明，不同林分地表枯落物层有效蓄水量在2.89～10.38 t/hm2之间，大小排序为落叶松纯林>白皮柳纯林>樟杨混交林>杨树纯林>樟落混交林>樟子松纯林。表现为落叶树种大于不落叶树种(见表7)。

表7 不同林分地表枯落物蓄水量测定结果

3.3.2 林下土壤层蓄水量比较

土壤层是林草植被涵养水源的主体，是森林水库的重要蓄水载体。林下土壤蓄水能力决定于非毛管孔隙度和毛管孔隙度。不同林分土壤物理性状不同，决定其涵养水源能力不同。测定结果表明，不同林分土壤层最大蓄水量差异较大，在2480.13～2856.55 t/hm2之间，而不同林分毛管蓄水量和非毛管蓄水量差异较大，表现为针叶林最大蓄水量和毛管蓄水量大于阔叶林、非毛管蓄水量小于阔叶林(见表8)。

表8 不同林分土壤层蓄水量测定结果

3.4 保土能力分析

森林植被是防止土壤侵蚀的有效措施，林下土壤侵蚀量与枯落物多少、土壤结构以及根系分布有直接关系。林下枯落物多蓄水能力强，保护土壤效果好；土壤中根系水平分布密集，对表层土壤固持能力强，土壤侵蚀量小。观测结果表明，在相同产流降雨情况下，不同林分产沙量在4.3～31.1 t/hm2之间，落叶松纯林产沙量最小，其次是白皮柳纯林，产沙量最大的是樟子松与杨树混交林，是产沙量最小的落叶松纯林和白皮柳纯林的6～7倍(见表9)。

表9 不同林分林下径流泥沙测定结果

4 结 论

(1)不同林分土壤物理特性指标变化较大。土壤容重变化不明显，但土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度、稳渗系数变化明显。表现为：落叶针叶树种土壤容重小于阔叶和不落叶树种；混交林毛管孔隙度大于纯林、非毛管孔隙度小于纯林；针叶混交林稳渗系数明显高于落叶纯林。

(2)不同林分冠层截留降雨能力差异较大。混交林冠层截留降雨能力大于纯林，针叶林大于阔叶林，林冠层截留量与降雨量呈正相关关系；冠层截留率随着降雨量的增大而减小，最终趋于稳定。

(3)林下蓄水能力变化与枯落物关系密切，与土壤层关系不显著。分析表明，不同林分林下枯落物蓄积量不同，蓄水量变化较大，变化范围在2.89～10.38 t/hm2之间，表现为落叶树种大于不落叶树种；不同林分土壤层蓄水量差别不大，变化范围在2480.13～2856.55 t/hm2之间。

(4)不同林分保土能力差异较大。在相同产流降雨条件下，不同林分产沙量在4.3～31.1 t/hm2之间，且针叶树种保土效果优于阔叶和不落叶树种。