滇中地區(qū)典型林分林地凋落物及土壤水文效應

方斌，黃俊文，趙洋毅，朱艷艷

(1.云南秀川環(huán)境工程技術有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水電勘測設計研究院,云南 昆明 650021；3.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院,云南 昆明 650224)

滇中地區(qū)典型林分林地凋落物及土壤水文效應

方斌1,2，黃俊文2，趙洋毅3，朱艷艷1,2

(1.云南秀川環(huán)境工程技術有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水電勘測設計研究院,云南 昆明 650021；3.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院,云南 昆明 650224)

摘要對云南省松華壩流域典型林分林下凋落物及土壤水文效應進行了初步研究，結果表明：松華壩流域林地凋落物蓄積量為7.86～22.46 t.hm-2，林下表層(0～20 cm)土壤最大持水量在123.3 ～261.9 t.hm2之間，穩(wěn)滲率在0.47～3.18 mm.min-1之間。其中云南松+桉樹混交林在凋落物儲量、持水能力和穩(wěn)滲率方面均大于純林；桉樹林大于云南松林。林地土壤的入滲速率與入滲時間之間存在冪函數(shù)關系。不同林地土壤持水能力和穩(wěn)滲率與林地凋落物儲量存在顯著正相關性。

關鍵詞林分；凋落物；土壤；水文效應

森林植被直接影響到森林流域的水文效應，不同林分的凋落物及其林下土壤具有不同的森林水文效應。林下凋落物經(jīng)降解后進入土壤，改變林下表層土壤的理化性質(zhì)和水文效應[1]。研究林下凋落物及表層土壤的水文特性，對了解森林植被水土保持和水源涵養(yǎng)功能具有重要意義。

國外最早研究入滲理論的成就則是達西定律(H.Darcy，1856)，此后，Richards[2]將達西定律引入非飽和土壤水分運動中，又以達西定律和質(zhì)量守恒定律建立了描述土壤水分運動的基本方程。GreenWH[3]、PhilipJ.R[4,5]和HillelD[6]等人更多的研究成果為土壤入滲過程研究奠定了基礎。國內(nèi)在林下凋落物的蓄積量、吸持水量與吸持時間之間的關系、土壤的水文物理性質(zhì)等多方面均有研究。朱金兆等[7]對重慶四面山林地枯落物及土壤的水文效應進行了研究。結果表明：四面山林地枯落物的年蓄積量為6.8～20.21t.hm-2，最大持水量在1.8～4.6mm之間；林地土壤具有較強的持水能力，1m深土壤的飽和持水量在7.84～18.87mm范圍內(nèi)變動，土壤入滲速率與入滲時間存在顯著的冪函數(shù)關系。王樹力，楊振，袁偉斌等[8]研究了鏡泊湖區(qū)林地的土壤水文特性，對枯落物持水能力、吸水速度、土壤持水能力和滲透性能等水文性能進行綜合評價，結果表明：原始紅松林和楊樺林最佳，其次為蒙古櫟林，人工紅松林最差。方正三[9]在Kostiakov公式的基礎上，總結出土壤質(zhì)地、含水率和降雨強度之間的關系，蔣定生等[10]基于Kostiakov和Horton入滲公式，提出了描述黃土高原土壤在積水條件下的入滲公式。余新曉等[11]用水文參數(shù)取代Mein-Larson方程中的土壤物理參數(shù)，提出了在黃土高原地區(qū)計算入滲的模型?？到B忠等[12]發(fā)現(xiàn)，在入滲的瞬時階段(0～10min)Kostiakov公式與實測擬合最好，在入滲漸變階段(10～20min)，通用經(jīng)驗公式與Horton公式擬合最好。

以滇中地區(qū)松華壩流域的闊葉林(桉樹林)、針闊混交林(云南松+桉樹混交林)、針葉林(云南松林)的林下凋落物及土壤為研究對象，通過調(diào)查采樣、試驗和統(tǒng)計分析，以凋落物的儲量、土壤物理性質(zhì)、土壤持水性、土壤入滲特性等各項指標來分析研究該地區(qū)3種典型林分林下凋落物與土壤水文效應，以期為區(qū)域水土保持林和水源涵養(yǎng)林營造提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省滇中地區(qū)松華壩流域，地理坐標為102.78°—102.81°E，25.12°—25.17°N，海拔1 985～2 200m。屬于低緯度高原山地季風氣候，受印度洋西南暖濕氣流的影響，全年降水量明顯分為干濕兩季，多年平均降水量1 031mm，相對濕度74%，年均日照約2 200h，全年無霜期近年均在240d以上。年平均氣溫15 ℃。最熱月(7月)平均氣溫19 ℃，最冷月(1月)平均氣溫8 ℃，土壤以紅壤為主。

研究區(qū)典型林分類型包括3類，分別為常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林，均為人工林，林齡15年。其中，常綠闊葉林以桉樹林為主，樹種為直桿桉(Eucalyptus maideni)，喬木層單一，平均樹高20.55m，郁閉度在0.55～0.75之間。灌木層以小鐵子(Myrsine africana)和儀花(Lysidice rhodostegia)數(shù)量居多，高度分別為0.3～1.5m和0.4～2.7m。草本植物以紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)居多；針闊混交林主要以云南松(Pinus yunnanensis)+桉樹混交為主，平均樹高18.74m，郁閉度在0.65～0.80之間。灌木層以小鐵子居多，草本植物多為紫莖澤蘭。針葉林主要以云南松為主，平均樹高16.35m，郁閉度在0.85～0.90之間，灌木有小鐵子和黃刺玫(Rosa xanthina)，草本植物稀少。

1.2研究方法

按闊葉林、針闊混交林、針葉林分3種林分類型，各類型代表地段內(nèi)取面積為30cm×40cm的枯落物樣地8個，記錄和采集樣地內(nèi)凋落物和土壤。將新采集的凋落物進行稱重、風干、烘干等試驗步驟，計算樣品自然含水量、烘干質(zhì)量和單位面積儲量。采用烘干法測定土壤含水量；采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、毛管持水量、田間持水量和土壤入滲速率。每個樣品重復3次。

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，分別對3種典型樣地的各指標值進行計算，利用方差分析和回歸分析擬合各指標之間的關系。

2結果與分析

2.1林下凋落物的儲量分析

凋落物的蓄積量決定于不同林地的生產(chǎn)力和分解能力，因林分的生長狀況各異，枯落物層的發(fā)育與林分的發(fā)育有直接的聯(lián)系，林分的健康發(fā)育能增加枯落物層的蓄積量并促進它的健康發(fā)育，同時也受到氣候及人為干擾等多種因素的影響[13]。研究區(qū)針闊混交林和針葉純林長勢和林下凋落物儲量差異明顯。不同林分凋落物平均厚度依次是云南松+桉樹混交林(2.1cm)>桉樹林(1.6cm)>云南松林(1.2cm)，3種林分類型下凋落物平均儲量也有差別，針闊混交林林冠層次多，枝葉量大，凋落物儲量最大，為22.46t.hm-2；桉樹林凋落物儲量較大，為20.31t.hm-2；云南松林冠層結構少，落葉量少，林下凋落物儲量最小，僅為7.86t.hm-2。

表1　不同樣地凋落物儲量

2.2土壤物理性質(zhì)分析

林地土壤的土壤容重與孔隙度是反映林地土壤物理性質(zhì)的兩項重要指標。土壤孔隙度影響土壤通氣和滲流狀況，土壤孔隙為土壤水分的滲流和貯存提供了通道和空間，能在降雨時快速暫時貯存降水減緩地表徑流，并在雨后能快速排出水分以保證土壤的通氣性[14]，有利于雨水滲透，削弱地面徑流，減輕水土流失。土壤容重和土壤孔隙大小在一定程度上決定了土壤結構的好壞[15]。

對3種典型林分土壤的物理特性進行測定(表2)，不同林分同一深度土層間表現(xiàn)出如下特點：0～20cm土層，云南松林土壤容重最大(1.57g.cm-3)，云南松+桉樹混交林土壤容重最小(1.30g.cm-3)。云南松+桉樹混交林林地的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均最大，分別為51.07%、36.89%和14.18%；20～40cm土層，云南松+桉樹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%)。

同一樣地內(nèi)，云南松+桉樹混交林表層土(0～20cm土層)孔隙率較下層土(20～40cm土層)增大35.8%，而桉樹林和云南松林卻分別減少8.2%和18.6%。可以看出針闊混交林凋落物層對于改良地表土壤結構、增加入滲作用更為顯著，桉樹純林和云南松純林則可能會造成表層土固結，這也可能與研究區(qū)這兩種林分受人為干擾較多有關。

表2　不同樣地土壤物理性質(zhì)

2.3表層土壤持水性分析

土壤持水性與土壤孔隙度、土層厚度關系密切。土壤蓄水力是評價不同植被下的水土保持功能和土壤涵養(yǎng)水源的重要指標。計算3種林分類型土壤持水能力，結果表明：表層土(0～20cm土層)中，不同林分土壤持水能力的大小依次為：云南松+桉樹混交林(261.9t.hm-2)>桉樹林(230.7t.hm-2)>云南松林(123.3t.hm-2)?？梢?，針闊混交林林地表層土壤具有較好的水土保持和水源涵養(yǎng)能力，土壤的持水能力可以達到針葉林地的2.12倍。這也可能是針闊混交林中凋落物的厚度與蓄積量均明顯大于針葉林，具有較強的改善土壤物理性能、增加土壤蓄水的能力的原因。

表3　不同樣地表層土(0～20 cm)土壤持水能力

2.4表層土壤入滲特性分析

本研究采用環(huán)刀法測定土壤各層次的滲透性能。結果表明：(1)不同林分土壤0～10cm土層的穩(wěn)滲率大小依次為：云南松+桉樹混交林(3.18mm.min-1)>桉樹林(2.56mm.min-1)>云南松林(2.22mm.min-1)，初滲速率和穩(wěn)滲時間也呈同樣變化趨勢。(2)不同林分土壤10～20cm土層的穩(wěn)滲率大小依次為：云南松+桉樹混交林(1.30mm.min-1)>桉樹林(0.81mm.min-1)>云南松林(0.47mm.min-1)，初滲速率和穩(wěn)滲時間也呈同樣變化趨勢。

同一林分不同土層入滲速率也存在明顯差異，云南松+桉樹混交林0～10cm土層初滲率和穩(wěn)滲率分別為5.42mm.min-1和3.08mm.min-1明顯大于10～20cm土層的1.67mm.min-1和1.30mm.min-1，是其3.25倍和2.45倍；桉樹林0～10cm土層初滲率和穩(wěn)滲率分別是10～20cm土層的2.64倍和3.16倍；云南松林0～10cm土層初滲率和穩(wěn)滲率分別是10～20cm土層的4.07倍和4.72倍。

這表明不同林地類型，由于樹種組成、群落結構、生態(tài)環(huán)境、枯落物分解程度及性質(zhì)不同，因而土壤有機質(zhì)含量、土壤結構不同，導致土壤滲透性能差異。

表4　不同樣地土壤入滲特性

對入滲速率與入滲時間進行回歸分析，得到了不同林地土壤的入滲速率方程。從表5可見，林地土壤的入滲速率與入滲時間之間存在冪函數(shù)關系，即：y=ax-b，式中，y為土壤入滲速率(mm.min-1)，a和b為常數(shù)，x為入滲時間(min)。擬合的冪函數(shù)曲線相關系數(shù)在0.83以上。

表5　不同樣地土壤入滲回歸方程

2.5凋落物及土壤水文效應分析

2.5.1凋落物對土壤持水能力的影響林地凋落物與土壤持水能力呈現(xiàn)正相關關系，相關系數(shù)如表6所示。林地凋落物儲量與土壤0～10cm土層持水量相關系數(shù)為0.848，與土壤10～20cm土層持水量相關系數(shù)為0.992；林地凋落物儲量與土壤0～20cm土層持水量相關系數(shù)為0.937。說明不同林地凋落物儲量對土壤持水能力影響顯著。

表6　不同樣地凋落物儲量與土壤持水能力相關性

對林地土壤土層(0～20cm)持水能力進行單因素分析，見表7。在F0.05水平上進行檢驗，F(xiàn)(19.85)>F0.05(7.709)這表明不同林分類型下土壤0～20cm土層持水能力差異顯著。

不同林分林下土壤持水能力差異顯著。單一的林分類型對土壤的理化性質(zhì)、土壤結構、土壤質(zhì)地的改善以及土壤水文效應的作用都比較單一，發(fā)揮的保持水土、涵養(yǎng)水源等作用不是很顯著。在單一林分類型中，桉樹林比云南松林的土壤持水能力強。云南松+桉樹混交林林下土壤具不同林分類型相互作用，持水能力最強。

表7　土壤(0～20 cm)土層持水能力方差分析結果

2.5.2凋落物對土壤入滲能力的影響對樣地凋落物儲量和不同土層土壤初滲、穩(wěn)滲進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，林地凋落物儲量和不同土層土壤初滲率、穩(wěn)滲率存在相關性(表8)。相關系數(shù)均在0.85以上。說明林地凋落物儲量是影響土壤入滲的因子之一。

表8　林地凋落物與土壤入滲相關性

對土壤入滲性能(初始入滲率和穩(wěn)定入滲率)進行單因素分析，見表9、表10。在F0.05水平上進行檢驗，F(xiàn)>F0.05這表明不同林分類型下入滲能力差異顯著。桉樹林凋落物對林下土壤入滲能力的影響比云南松的強，云南松+桉樹混交林凋落物對林下土壤入滲能力的影響最強。

表9　不同林分類型土壤(0～20 cm)初滲率方差分析結果

表10　不同林分類型土壤(0～20 cm)穩(wěn)滲率方差分析結果

3小結與討論

以滇中地區(qū)松華壩流域3種典型林分林下凋落物及土壤為研究對象，以凋落物儲量、土壤物理性質(zhì)、土壤持水性能、土壤入滲特性等各項指標來分析研究該地區(qū)3種不同林分林下凋落物及土壤水文效應。小結如下：

3.13類林地凋落物儲量有明顯差異，云南松+桉樹混交林儲量最大為22.46t.hm-2，其次是桉樹林20.31t.hm-2，云南松林凋落物儲量最小，僅為7.86t.hm-2。

3.2同一林分樣地內(nèi)，云南松+桉樹混交林表層土(0～20cm土層)孔隙率較下層土(20～40cm土層)增大35.8%，而闊葉林和針葉林卻分別減少8.2%和18.6%。針闊混交林凋落物層對于改良土壤結構、增加入滲作用更為顯著。

3.3不同林分表層(0～20cm)土壤持水能力的大小依次為：云南松+桉樹混交林(261.9t.hm-2)>桉樹林(230.7t.hm-2)>云南松林(123.3t.hm-2)。針闊混交林林地表層土壤具有較好的水土保持和水源涵養(yǎng)能力，土壤的持水能力可以達到針葉林地的2.12倍。

3.4林下0～20 cm土層的初滲率、穩(wěn)滲率和穩(wěn)滲時間均表現(xiàn)為：云南松+桉樹混交林>桉樹林>云南松林。同一林分不同土層入滲速率也存在明顯差異，上層土(0～10 cm)初滲率和穩(wěn)滲率均高于下層土(10～20 cm)，相差2.45～4.72倍。

3.5不同林分土壤持水能力和穩(wěn)滲率與林地凋落物儲量存在顯著的正相關性。林地土壤不同土層持水能力、穩(wěn)滲率差異顯著。

3.6在水土保持和水源涵養(yǎng)功能方面，混交林更適合作為研究區(qū)的水土保持林和水源涵養(yǎng)林。

參考文獻：

[1] 郭忠升,吳欽孝,任鎖堂.森林植被對土壤入滲速率的影響[J].陜西林業(yè)科技,1996(3): 27-31

[2] Richards L A.Capillary conduction of liquid sin porous mudiums [J].physics (1),1933

[3] Green W H,Ampt G A.Studies on soil physics,flow of air and Water through soils[J].J.Agr Sci.,1911,76(4): 1-24

[4] Philip J R. Theory of infiltration[J]. Adv,Hydro.Sci,1969(5):215-290

[5] Philip J R.The theory of infiltration about sorptivity and algebraic infiltration equations[J]. Soil Sci,1957,84 (4),257-264

[6] Hillel D.Soil and water-Physical Principles and processes[M].Academic Press,New York.1971

[7] 饒良懿,朱金兆,畢華興,等. 重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應[J]. 北京林業(yè)大學學報,2005,27 (1): 1-10

[8] 王樹力，楊振，袁偉斌，等.鏡泊湖區(qū)主要森林類型的土壤水文特性[J].中國水土保持科學,2007,5(4):7-12

[9] 方正三. 黃河中游黃土高原梯田的調(diào)查研究[M]. 北京: 科學出版社,1958: 53-59

[10] 蔣定生,黃國俊. 黃土高原土壤入滲速率的研究[J]. 土壤學報,1986,23 (4): 299-304

[11] 余新曉. 降雨入滲及產(chǎn)流問題的研究進展和評述[J]. 北京林業(yè)大學學報,1991,13 (4): 88-94

[12] 康紹忠,聶光鏞. 內(nèi)蒙古敖包小流域土壤入滲分布規(guī)律的研究[J]. 土壤侵蝕與水土保持學報,1996,2 (2): 38-46

[13] 徐娟,余新曉,席彩云,等. 北京十三陵不同林分枯落物層和土壤層水文效應研究[J]. 水土保持學報,2009,23(3):23-25

[14] 張保華,何毓蓉,苗國增. 貢嘎山東坡亞高山林區(qū)土壤結構綜合評價研究[J]. 山地學報.2006,24(4):504-509

[15] 黃昌勇.土壤學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2010

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

文章編號：1005-5215(2016)06-0018-04

收稿日期：2016-04-12

作者簡介：方斌(1983-)，男(黎族)，貴州興仁人，碩士，工程師,從事水土保持研究.

中圖分類號：S718.52

文獻標識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.06.006