黃土丘陵溝壑區(qū)典型灌木林地枯落物的蓄積特征及持水性能

張寶琦, 王忠禹, 楊艷芬,2, 張娜娜, 李永寧

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712700; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712700)

枯落物作為典型的地表覆被物，是生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)和功能單位，也是植物生長的重要能量來源。枯落物可有效降低雨滴動能，減小濺蝕和減輕地表徑流對土壤的侵蝕[1-2]。同時，枯落物層還有吸收和阻延地表徑流，抑制土壤蒸發(fā)，增加降水入滲，增強(qiáng)土壤抗沖能力等功能，而枯落物蓄積量是影響其功能有效發(fā)揮的重要影響因素[3-4]。大量研究[5-7]表明，枯落物蓄積量可減少土壤水分蒸發(fā)，減輕徑流泥沙的產(chǎn)生，保護(hù)地面免遭雨水的沖刷，增加土壤入滲能力，提高土壤抗沖性。不同植被類型枯落物蓄積量條件下土壤的初滲速率與穩(wěn)滲速率之間存在著冪函數(shù)關(guān)系[8]。同時，由于受枯落物類型差異，其減少水土流失，增加入滲性能和維持林地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的作用也會有所不同。例如，田野宏等人[9]對大興安嶺北部天然次生林枯落物的抑制土壤蒸發(fā)能力研究結(jié)果表明，白樺+落葉松林枯落物抑制土壤蒸發(fā)的能力要高于其它林型，其次是白樺林略高于山楊+白樺林，山楊林枯落物抑制土壤蒸發(fā)能力相對較差。李學(xué)斌等[10]人對荒漠草原4種主要植物群落枯落物層水土保持功能的研究，表明4種植物群落年截留率依次為：蒙古冰草群落>甘草群落>賴草群落>沙蒿群落。說明蒙古冰草群落對降雨的截留作用效果最好。同時，也有研究表明枯落物往往隨土壤侵蝕過程而混入表層土壤中，從而增強(qiáng)土體穩(wěn)定性、改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)、影響土壤入滲過程[11]。

黃土高原自20世紀(jì)90年代末實(shí)施退耕還林(草)以來，植被覆蓋度得到顯著提升，枯落物蓄積量也顯著增加。灌木林地是黃土高原尤其是黃土高原丘陵溝壑區(qū)(森林草原區(qū))的主要植被類型，占黃土高原總面積的16.4%[12-13]。然而，以往枯落物相關(guān)研究雖有涉及灌木林地，但大多集中于地表，有關(guān)土壤中枯落物蓄積量及水文效應(yīng)少有報(bào)道?；诖耍狙芯窟x取黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型灌木林地，系統(tǒng)研究灌木類型間枯落物地表蓄積量和土壤中混入量，探討其持水特征差異，以期為研究黃土丘陵區(qū)的水文效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)安塞水土保持綜合試驗(yàn)站進(jìn)行，研究區(qū)位于黃土高原的中部，平均海拔1 100～1 400 m，屬暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候過度區(qū)，年日照時間2 415.6 h，年平均氣溫8.8 ℃，無霜期157～194 d，年平均降雨量為502 mm左右，主要集中在7—9月，占全年降雨總量的70%以上，年均蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，使得土壤水分成為該地區(qū)限制植物種類的主要因子。土壤主要以黃綿土和紅膠土為主，土層深厚，加之植被覆蓋度低，使得該地區(qū)易發(fā)生土壤侵蝕。植被主要有刺槐(Robiniapsendoacacia)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophrhamnoides)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、杠柳(Periplocasepium)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)等。

1.2 樣地選區(qū)

于2017年6月選取具有相似坡度、坡向的檸條、沙棘、狼牙刺、杠柳4種典型灌木林地且植被恢復(fù)年限均大于2 a的成熟林為研究樣地，其中檸條和沙棘樣地為人工種植林，杠柳和狼牙刺為自然演替物種，樣地內(nèi)植被生長良好，人為干擾少(表1)。在每個采樣點(diǎn)，設(shè)置50 cm×50 cm的樣方來調(diào)查地表枯落物和土壤中枯落物的蓄積量、持水量及攔蓄量(3個重復(fù))。

表1 研究區(qū)樣地基本信息

1.3 枯落物的收集

(1) 地表枯落物收集。采用直尺法和網(wǎng)格法來測定地表枯落物的厚度和蓋度，之后全部收取地表枯落物，編號、清洗、烘干(65 ℃，24 h)、稱重并計(jì)算地表枯落物蓄積量(kg/m2)。

(2) 土壤中枯落物收集。收集地表枯落物后，去樣方挖取深度為10 cm，寬度為50 cm的土壤剖面，通過觀察土壤剖面顏色的差異及枯落物形態(tài)特征來判斷枯落物混入土壤深度，重復(fù)測10次將其平均值作為該樣方混入土壤枯落物深度。在樣地對角線上采用環(huán)刀(內(nèi)徑9.8 cm，高5 cm)法采取0—5 cm土壤樣品(3個重復(fù))，編號、水洗(0.5 mm篩)、剔除根系與雜質(zhì)、烘干(65 ℃，24 h)稱重后得到0—5 cm土壤沖洗物。為了避免土壤中雜質(zhì)的影響，考慮到枯落物混入土壤深度總體小于5 cm，將5—10 cm的土壤采用相同的方法來獲取土壤沖洗物，兩層沖洗物相減后得到表層0—5 cm土壤中枯落物混入量。

1.4 枯落物持水量的測定及計(jì)算

將收集的地表枯落物和混入土壤中的枯落物分別在自然條件下陰干、稱重，而后置于烘箱烘干(65 ℃，24 h)、稱重，計(jì)算地表和混入土壤中枯落物自然持水量(WN， g/g)。

枯落物持水量的測定是將20 g地表枯落物裝入網(wǎng)紗袋完全浸入水中測定其持水性，按照時間間隔5，15，30 min，1，2，4，4，8，12，12，12，12 h定時取出，懸掛靜止不滴水(約5 min)時迅速取出稱重，累計(jì)浸泡時間72 h，得到最大持水量(W72， g/g)。對于土壤中混入枯落物，考慮到其尺寸較小，取4 g裝入茶葉袋中測定其持水性，測定過程和地表枯落物相同。對于每個樣地，地表枯落物和土壤中枯落物持水量測定均重復(fù)3次。浸泡結(jié)束后，將枯落物取出烘干(65 ℃，24 h)、稱重，用以計(jì)算枯落物有效持水量(WE， g/g)和有效攔蓄量(WI， g/g)：

WE=W72-WN

WI=(αW72-WN)×M

式中：M——樣方內(nèi)枯落物蓄積量(kg/m2)；α——枯落物攔蓄校正系數(shù)(α=0.85[14])。

對于土壤中枯落物，由于枯落物和土壤混為一體，若采用直接測定的有效持水量計(jì)算有效攔蓄量可能不能真實(shí)反映其攔蓄能力。因而本研究將10 g自然陰干枯落物與440 g干土混合填入400 cm3的環(huán)刀內(nèi)，同時將440 g干土填入相同尺寸的環(huán)刀內(nèi)作為對照，浸泡12 h，控水2～3 h后稱重，用以計(jì)算土壤中混入枯落物有效攔蓄量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與處理，用Origin 2018對有關(guān)圖形進(jìn)行繪制，并對枯落物持水量與浸泡時間和5 min持水量與最大持水量進(jìn)行回歸方程的顯著性檢驗(yàn)(p<0.01表示極顯著相關(guān))。

2 結(jié)果分析

2.1 枯落物的蓄積量

枯落物蓄積量與其凋落量、組成分解速率及群落類型關(guān)系密切[15]。受上述因素的影響，本研究中4種灌木林地地表枯落物蓋度和蓄積厚度分別為50%～94%和1.25～2.5 cm，土壤中枯落物混入深度為1.64～2.25 cm。地表枯落物蓄積量沙棘林地最大，為1.048 kg/m2，分別是檸條、狼牙刺和杠柳的2.13，5.35，2.15倍。土壤中枯落物混入量沙棘林地最大，為0.674 kg/m2，分別是檸條、狼牙刺和杠柳的1.23，1.56，5.07倍。此外，檸條和狼牙刺土壤中枯落物混入量所占比重相對較大，占枯落物總蓄積量的53%和69%，而沙棘和杠柳土壤中枯落物相對較少，占枯落物總蓄積量的39%和20%?？萋湮锏哪甑蚵淞渴堑乇砗屯寥乐锌萋湮锏闹匾獊碓?，凋落量的多少很大程度上決定了地表枯落物的蓄積量和土壤中枯落物的混入量。沙棘相對于其他灌木具有較大的株體、生物量和枯落物凋落量，其地表蓄積量顯著高于其他灌木樣地；而對于土壤中枯落物，沙棘林地土壤中枯落物混入量低于最高的檸條林地，這主要是由于檸條枯落物中木質(zhì)素和多酚類物質(zhì)含量較高，不易被分解，并且檸條的枝干堅(jiān)硬，落葉比較尖銳，有短尖刺，隨著徑流泥沙的運(yùn)移更容易混入土壤。與檸條類似，狼牙刺枯落物也較容易混入土壤，這也是檸條和狼牙刺土壤中枯落物占枯落物總蓄積量比重較高、甚至高于其地表枯落物的原因(表2，圖1)。

表2 研究區(qū)不同植被類型枯落物蓄積量及分布特征

圖1 研究區(qū)不同植被樣地地表和混入土壤枯落物比例

2.2 枯落物持水過程

4種典型灌木林地地表枯落物和土壤中枯落物持水量均與浸泡時間呈極顯著對數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2≥0.745，p<0.01)，且土壤中枯落物持水量均不同程度高于地表枯落物，這主要是因?yàn)榛烊胪寥揽萋湮镫m基本保留了枯落物的形態(tài)，但大都是半降解狀態(tài)，具有較強(qiáng)的親水性，有利于枯落物對水分的吸收；這也在一定程度上解釋了土壤中枯落物持水量在前2 h迅速增加，占最大持水量的74.77%～92.64%。而地表枯落物結(jié)構(gòu)相對完整，水分只能從表面的一些孔隙進(jìn)入，因而持水過程相對較緩，持水量也相對較小。王忠禹等[16]研究結(jié)果表明，凋落物在充分浸水5 min后持水量可接近最大持水量的50%以上，且5 min中持水量和最大持水量存在冪函數(shù)關(guān)系。本研究中，地表枯落物5 min持水量占最大持水量的40%以上，且與最大持水量存在顯著冪函數(shù)關(guān)系(p<0.01，R2=0.38)(圖2)，一定程度表明可以用5 min持水量擬合最大持水量，縮減持水量測定時間。而對于土壤中枯落物，5 min持水量與最大持水量并沒有發(fā)現(xiàn)顯著函數(shù)關(guān)系。最大持水量一般只能反映枯落物層持水性能的優(yōu)劣，并不能反映枯落物對降雨的實(shí)際截持情況[17]。而自然含水量是反映植物枯落物吸持水分能力的重要指標(biāo)之一,其數(shù)值的大小,表征著枯落物吸持水分能力強(qiáng)弱和保水、涵養(yǎng)水源功效的顯著與否[18-19]，因此將最大持水量與自然含水量的差值作為枯落物實(shí)際吸持水分的大小(有效持水量)(圖3，表3)。地表枯落物有效持水量杠柳最大，為2.13 g/g，是檸條、沙棘和狼牙刺的1.37，1.07，1.03倍；土壤中枯落物有效持水量檸條最大，為1.90 g/g，是沙棘、狼牙刺和杠柳的1.39，2.04，1.43倍。雖然土壤中枯落物具有較大的最大持水量，但其有效持水量均低于地表枯落物(檸條地表枯落物與土壤中枯落物有效持水量基本持平)。

圖2 研究區(qū)枯落物5 min持水量與最大持水量的關(guān)系

表3 研究區(qū)不同植被枯落物的持水量g/g

植被類型地表枯落物最大持水量有效持水量混入土壤枯落物最大持水量有效持水量檸條1.911.624.521.90沙棘2.442.103.951.37狼牙刺2.472.075.070.93杠柳2.512.133.871.33

2.3 枯落物有效攔蓄量

枯落物的攔蓄量是反映枯落物蓄水能力的重要指標(biāo)，主要取決于枯落物的組成、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和分解程度等[19]?？萋湮锏淖畲蟪炙恳话阒荒芊从晨萋湮锍炙芰Υ笮?無法直接反映枯落物層的蓄水能力，而自然狀態(tài)下直接測量枯落物持水過程的難度和誤差較大，因此有效攔蓄量是反映枯落物層對降水?dāng)r蓄能力的指標(biāo)[20-21]。對于本研究四種灌木林地，沙棘林地地表枯落物有效攔蓄量最大，為21.16 t/hm2，狼牙刺的攔蓄量最小，為3.94 t/hm2；檸條林地土壤中枯落物有效攔蓄量最大，為10.01 t/hm2，其他依次為沙棘、狼牙刺和杠柳(表4)。盡管4種灌木地表枯落物和土壤中枯落物有效持水量存在一定差異，但有效攔蓄能力主要受枯落物蓄積量的影響，隨蓄積量的增加而增大。總體而言，4種灌木林地其地表枯落物有效攔蓄量與土壤中枯落物有效攔蓄量的比值為0.76～6.05，其中杠柳比值最大，檸條比值最小?？赡苁且?yàn)楦芰值氐姆纸馑俾室陀谄渌?種灌木林地，但杠柳一般生長在溝底中，并且枝條軟而繁多，容易堆積在地表，不易混入土壤中?？紤]到自然狀態(tài)下土壤中枯落物往往混有一定比例的土壤，因此將枯落物混入土壤裝入環(huán)刀中浸泡(環(huán)刀法)，以此來獲得自然狀態(tài)下土壤中枯落物有效持水量和有效攔蓄量。結(jié)果表明，四種灌木林地土壤中枯落物有效持水量變化范圍為0.93～1.9 g/g，較傳統(tǒng)的浸泡法減少了2.48～4.07 g/g；有效攔蓄量變化范圍為1.67～10.01 t/hm2。由于枯落物混入土壤，測定其有效持水量更接近自然狀態(tài)，而該方法較于傳統(tǒng)方法測定過程相對復(fù)雜，因此，將兩種方法測定的土壤中枯落物有效持水量比值作為傳統(tǒng)方法的校正系數(shù)，校正系數(shù)變化范圍在0.18～0.42之間。

圖3 研究區(qū)枯落物持水量與時間的變化關(guān)系

表4 研究區(qū)枯落物攔蓄能力

3 結(jié) 論

(1) 典型灌木林地枯落物地表蓄積量(0.196～1.048 kg/m2)和土壤中混入量(0.133～0.674 kg/m2)存在顯著差異，土壤中混入的枯落物需引起重視，其混入量占枯落物總量的1/5甚至2/3。

(2) 地表枯落物最大持水量與5 min持水量存在冪函數(shù)關(guān)系，可用5 min持水量估算。受枯落物類型的差異，杠柳地表枯落物持水量最大，檸條土壤中枯落物持水量最大，基于此提出了土壤中混入枯落物有效攔蓄量的校正系數(shù)，可有效表征植被類型間土壤中混入枯落物持水性能差異。

(3) 受枯落物受類型和積累量的影響，沙棘總攔蓄能力最大，具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)和水土保持功能，是黃土高原植被恢復(fù)校為適宜的林地類型。上述研究結(jié)果可為系統(tǒng)評估黃土高原枯落物生態(tài)水文效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。