祁連山人工林凋落物和土壤水分特性的研究

孟好軍，劉賢德，張宏斌，趙維俊

（甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

祁連山人工林凋落物和土壤水分特性的研究

孟好軍，劉賢德，張宏斌，趙維俊

（甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

為了解不同人工林林分凋落物和土壤水分特性，給祁連山區(qū)植被恢復重建提供科學依據(jù), 以1984年營造的青海云杉+落葉松混交林、山丹柳灌木林、青海云杉+灌木混交林、沙棘林和灌木混交林為研究對象，對其土壤物理性質(zhì)、枯落物和土壤水分特征進行了研究。研究結(jié)果表明:（1) 不同人工林植被恢復類型對土壤孔隙度的影響具有：青海云杉+落葉松混交林＞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種人工林類型凋落物量和最大持水量分別具有:青海云杉+落葉松混交林＞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+落葉松混交林＞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種不同人工林植被類型中，土壤滲透性能以青海云杉+落葉松混交林最好，林地表土層（0～20 cm）穩(wěn)滲速率達18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%；貯水量最高的是青海云杉+落葉松混交林（5 192.4 t/hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/hm2）；土壤滲透速率和貯水量具有：青海云杉+落葉松混交林＞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；祁連山區(qū)

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，不同森林類型由于其樹種生物學特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，其林分的水源涵養(yǎng)效應(yīng)存在一定的差異[1-4]。研究林地土壤水分貯存與入滲特征是探討森林流域產(chǎn)流機制的基礎(chǔ)和前提[5]。目前，國內(nèi)外關(guān)于凋落物、土壤水分的研究很多，在不同地區(qū)、不同植被條件下，對土壤水分貯存與入滲特征進行了比較深入的探討[6-9]。在凋落物和土壤水分研究中，中國對西北地區(qū)水分問題的研究已經(jīng)比較深入，形成了較完整的體系[10-13]，在北方石質(zhì)山區(qū)，也有較多關(guān)于森林涵養(yǎng)水源功能和土壤水分的研究[14-16]，在祁連山區(qū)開展的天然林凋落物和土壤水分特性研究較多[17-21]。然而，在祁連山區(qū)對于人工林土壤特性的研究還鮮見報道，其涵養(yǎng)水源功能強弱尚需有力的數(shù)據(jù)支持。為了探討祁連山典型人工林生態(tài)系統(tǒng)的水文功能，我們以1984年營造的青海云杉+落葉松混交林、山丹柳灌木林、青海云杉+灌木混交林、沙棘林和灌木混交林為研究對象，于2010和2011年對其進行了土壤物理性質(zhì)、貯水量和枯枝落物儲存量及持水量等進行了研究。

1 試驗區(qū)概況

試 驗 區(qū) 位 于 E38°20′～ 38°30′，N 101°～101°30′，海拔 2 500 ～ 2 900 m，總的氣候特點是降水量偏少又相對集中，且隨海拔高度的升高降水量增加，氣溫降低，生長期變短。年降水量428.6 mm，年蒸發(fā)量1 028.9 mm，相對濕度57%；年平均氣溫0.5℃，＞0℃的積溫1 700℃，受水熱生物因素的綜合影響，植被、土壤呈現(xiàn)出明顯的水平帶譜和垂直帶譜。土壤一般陽坡為山地栗鈣土，陰坡為山地灰鈣土或森林灰褐土。試驗區(qū)內(nèi)有居民2 400多人，農(nóng)耕地187 hm2，各類大小牲畜10 000余頭（只），每年6～9月進入試驗區(qū)放牧的有30 000余頭（只），放牧高峰期多達50 000余（只）。

2 試驗方法及設(shè)計

2.1 森林枯枝落葉層水容量的測定

在不同人工林分內(nèi)選擇25 cm×25 cm 的標準樣方18個。在樣方內(nèi)測量枯枝落葉層的總厚度，并取樣測定鮮重，此后將小區(qū)內(nèi)的所有枯落物用塑料紗布收集并放入烘箱內(nèi)（在105℃溫度時烘4～8 h）烘干稱重；然后將稱過的枯落物放入水中（水層須淹沒塑料袋），經(jīng)4～8 h后從水中取出并稱重，根據(jù)前后重量差值換算出枯落物的水容量?？萋湮锍炙坑嬎悖?/p>

枯落物最大持水率=(浸泡后的枯落物質(zhì)量-干質(zhì)量)/干質(zhì)量×100%。

枯落物持水量計算：V=L×C。

式中，V為枯落物持水量(t/hm2)，L為枯落物積累量(t/hm2)，C為枯落物最大持水率(%)。

2.2 土壤容重、比重、孔隙度、持水量的測定

在不同人工林分內(nèi)分別挖取土壤剖面5個，按不同層次（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm）取土樣，采用烘干法測定土壤含水量；環(huán)刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量、土壤毛管孔隙度、土壤毛管最大持水量(土壤田間持水量)[22]。

2.3 林地貯水量計算

最大貯水量(t/hm2) = 土壤總孔隙度（%）×10 000 m2×土壤深度（cm）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同人工林類型土壤的物理性質(zhì)

不同人工林類型的土壤性質(zhì)中土壤的孔隙狀況直接影響土壤的通氣性、透水性，是決定森林土壤水源涵養(yǎng)功能的重要因素。不同森林類型土壤的孔隙度受林分土壤發(fā)育狀況的影響很大。一般而言，林分發(fā)育到一定程度后可以改善和提高土壤的物理性狀[23]。土壤的孔隙度越高，意味著土壤具有較高的持水、保水以及透水能力，其保持水土、涵養(yǎng)水源的土壤水文生態(tài)功能越強。其評價指標常用總孔隙度和毛管孔隙度。經(jīng)實驗，祁連山不同人工林類型的土壤容重和孔隙度存在一定的差異(見表1)。

從表1可以看出，不同人工林類型對土壤性質(zhì)有很大的影響。不同的人工林類型，對土壤容重和孔隙度的影響相異，對土壤孔隙度的影響具有：青海云杉+落葉松混交林＞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 不同人工林類型的林地凋落物層蓄積量與持水量

枯落物層處于林地植被層與土壤層之間，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是林地的一個重要覆蓋面和保護層，水分在地被物層的傳輸機制類似于林冠截過程，其截留量與地被物的種類、貯水能力有關(guān)，與林地單位面積地被物成正比[24]。在一定厚度范圍內(nèi)，枯落物厚度越大，其水文生態(tài)功能越強[25-26]。在干旱陡坡地段保護林下凋落物層對保持水土具有重要的意義[27]。凋落物層在森林涵養(yǎng)水源中起著極其重要的作用，不同林分的林地凋落物層儲量及其持水能力存在明顯差異（見表2）。

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

表2 不同人工林類型凋落物層蓄積量及其持水量Table 2 Litter stock and it’s water holding capacity of different types plantations

由表2可知，青海云杉+落葉松混交林得落物儲量高達32.42 t/hm2，而灌木混交林的凋落物為16.21 t/hm2，兩者相差接近2倍。5種人工林類型凋落物儲量有:青海云杉+落葉松混交林＞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+落葉松混交林＞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現(xiàn)出不同的規(guī)律，這是因為最大持水率的大小還與枯落物本身的生物量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且凋落物的分解程度也影響其持水能力。

3.3 不同人工林類型土壤貯水能力

3.3.1 土壤滲透性能

土壤滲透性能是描述土壤入滲快慢的土壤水分物理特征重要參數(shù)之一，是林分涵養(yǎng)水源的重要指標[28]。土壤滲透性能越好，它與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機質(zhì)、土壤濕度和溫度有關(guān)。土壤是由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結(jié)所形成的多孔介質(zhì)，固體組分的大小、數(shù)量、形狀及其結(jié)合方式?jīng)Q定著土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)，進而影響土壤的水分與理化性質(zhì)[29-30]。林地土壤密度與林分狀況(林分組成、林齡、經(jīng)營狀況等)密切相關(guān)。不同林分的土壤滲透性能存在一定差異(見表3)。

表3 不同人工林類型土壤滲透速度Table 3 Soil seepage velocity of different types plantations

從表3可以看出，不同人工林類型土壤的滲透性能以青海云杉+落葉松混交林最好。林地表土層（0～20 cm）穩(wěn)滲速率達18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%。幾種植被復類型的土壤滲透速率具有：青海云杉+落葉松混交林＞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類型的凋落物蓄積量和分解程度有很大差異，對形成土壤腐殖質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤的滲透性的作用也有很大的影響。

3.3.2 土壤貯水性能

森林土壤是水分貯存的主要場所，林地持水和蓄水性能，是反映森林保持水分和涵養(yǎng)水源能力的重要特征之一[31]。土壤貯水作為評價植被水分保持與水源涵養(yǎng)功能的重要指標，其大小與土壤厚度和土壤孔隙狀況密切相關(guān)。在一定厚度條件下，土壤的貯水特征取決于土壤孔隙的大小及其數(shù)量特征，或者說取決于植被對土壤孔隙狀況改善作用的大小[32]。土壤總貯水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分貯蓄量之和，反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，它是土壤涵蓄潛力的最大值。不同林分由于土壤物理性質(zhì)差異明顯，其土壤的最大蓄水量和涵養(yǎng)水源量亦明顯不同（表4）。

表4 不同人工林類型土壤貯水性能Table 4 Soil water-holding capacity of different types plantations

從表4可以看出，不同的人工林類型的土壤物理性質(zhì)差異明顯，對土壤的貯水能力有很大的影響。從最大貯水量來看，不同人工林類型貯水量最高的是青海云杉+落葉松混交林（5 192.4 t/ hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/ hm2），5種人工林類型貯水量具有：青海云杉+落葉松混交林＞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 討論與結(jié)論

（1）不同植被恢復類型對土壤性質(zhì)有很大的影響。不同的植被群落類型對土壤孔隙度和容重的影響相異，特別是對土壤孔隙度的影響具有：青海云杉+落葉松混交林＞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+落葉松混交林凋落物儲量高達32.42 t/hm2，而灌木混交林的凋落物為16.21 t/hm2，兩者相差接近2倍。5種人工林類型凋落物儲量有：青海云杉+落葉松混交林＞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+落葉松混交林＞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）不同植被類型土壤的滲透性能以青海云杉+落葉松混交林最好。林地表土層（0～20 cm）穩(wěn)滲速率達18.87 mm/min，高于灌木混交林66.7%，高于沙棘林50.24%。幾種植被復類型的土壤滲透速率具有：青海云杉+落葉松混交林＞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）不同人工林類型貯水量最高的是青海云杉+落葉松混交林（5 192.4 t/hm2），最低的是灌木混交林（4 347.4 t/hm2），5種人工林類型貯水量具有：青海云杉+落葉松混交林＞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。

綜上所述，營造人工林具有從改善環(huán)境、提高林地生產(chǎn)力的作用，但由于祁連山淺山區(qū)干旱的氣候環(huán)境，使得林木生長立地條件差，生長速度緩慢。為了有效提高林地生產(chǎn)力，減少不利因素的影響，使得林分健康生長，可以通過對人工可調(diào)控因子的調(diào)節(jié)，達到林分生長各項功能的最佳狀態(tài)。通過本項研究可以看出，不同的人工林類型林下枯落物及其土壤的水文特性相異，林分類型、枯落物貯存量是人為可調(diào)控因子，人工林樹種的組成、密度調(diào)節(jié)、營造混交林等既有利于增加枯落物蓄積量，又可改善林地土壤理化性質(zhì)，提高水林地土壤的持水能力。目前關(guān)于祁連山人工林結(jié)構(gòu)優(yōu)化、健康方面的研究還有很大的空間，有待于日后進一步探討和研究。

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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

“國家科技支撐計劃課題祁連山水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)保育技術(shù)試驗示范（2012BAC08B02）”和“山前脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復與水土保持技術(shù)示范（2012BAC08B05）”資助

孟好軍（1964-），男，甘肅張掖人，高級工程師，主要從事森林生態(tài)和濕地生態(tài)恢復等方面的研究；

E-mail:shymenghj5619@126.com

[本文編校：羅 列]