文峪河中游主要森林类型水文效应比较研究

郭跃东,孙悦燕,郭晋平

(山西农业大学林学院,山西太谷 030801)

随着全球水资源需求量的不断增加以及水环境的急剧恶化,水资源紧缺已成为世人所共同关注的全球性问题[1],森林通过其树干、林冠层、林下灌草层和枯枝落叶层以及根系土壤层发挥着森林生态系统特有的水文生态功能。其水源涵养作用已经引起了人们的高度重视,尤其是干旱、半干旱地区森林生态系统的水源涵养功能已经成为目前生态服务功能研究的热点[2]。山西作为黄土高原严重缺水地区之一,加之地下资源的过度开发利用,致使山西出现了严重的水资源紧缺现象,因此进行山西境内主要流域、林区内水源涵养林的持水性能研究具有特殊的意义。

研究表明,在林冠层、枯落物层和根系土壤层的垂直结构中,枯落物层是形成森林水文效应的第二活动层[3],是实现森林涵养水源作用的主要作用层[4]。森林土壤的物理性质决定了土壤水分的渗透和储蓄能力[5,6],是森林涵养水源的主体[7,8]。森林土壤层水文状况的变化直接对整个流域的水文过程产生积极的响应[9]。不同森林类型土壤的物理性质差异直接影响土壤层透水和贮水性能,关系到涵养水源潜能的强弱[10]。

关帝山天然次生林林区地处黄河中游的吕梁山脉中段,是华北地区有代表性的山地次生林分布区,是汾河流域重要的水源涵养林区。对于该区森林水文效应已有一些天然次生林研究[11～13],而有关人工林和天然林水文效应的对比研究可以揭示人工林特殊的生态水文机制,对于提高人工林可持续经营水平具有重要意义。因此,本文以山西三道川林场主要水源涵养林为研究对象,分析天然次生林和人工林水源涵养能力的大小关系,揭示森林枯落物层和土壤层水源涵养的生态机制,为确定黄土高原地区水源涵养林经营和恢复重建模式,促进森林生态系统的良性发展,实现森林资源可持续经营,维持森林资源的连续性、稳定性,提高林地生产力提供了科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区自然概况

研究区为三道川林场,位于山西省关帝林区的东侧,文水县西部山区的三道川中上部。地理坐标为 E 111°30′～ E 111°56′,N 37°28′～ N 37°35′,海拔在850～2000 m之间。林场范围内国有经营面积20 505.4 hm2,占总面积的82.7%,林业用地20 487.5 hm2,其有林地15 786.7 hm2,占77.0%,灌木林地2347.1 hm2,占 11.4%,疏林地 1025.8 hm2,占 5.0%,未成林地 208.9 hm2,占 1.0%,各类宜林地(包括弃荒地、火后迹地、采伐迹地)1102.6 hm2,占5.4%。三道川林场属于受季风影响和控制的暖温带高山型半湿润气候区,春季干燥少雨,夏季短暂多雨,秋季阴雨潮湿,冬季寒冷干燥,主要土壤类型有山地褐土和山地棕壤。

1.2 研究方法

1.2.1 样地的选设与调查

根据研究内容的需要,依据已有的调查数据和图面材料,结合实地踏查,在三道川林场选择具有代表性样地 19块,其面积25.82 m×25.82 m,样地环境因子及林分状况见参考文献[14]。

1.2.2 枯落物层蓄积量测定

在样地随机布设1 m×1 m的样方5块,测定枯落物层厚度后,按未分解层、半分解层分别收集装入尼龙袋,带回室内迅速称其鲜重,然后放置于实验室干燥通风处7 d以上,直至用手触摸无潮湿感时,而后计算枯落物的(风干)自然含水率和(风干)单位面积蓄积量。

1.2.3 枯落物层水文特性测定

枯落物层最大持水量的测定采用室内浸泡法[15],实验重复三次,计算公式如下:

式中,WRM为最大持水率,W1为浸泡饱和后的枯落物质量,W2为烘干质量,WCM为最大持水量,L为枯落物储量。

1.2.4 土壤层水文特性测定

土壤调查采用剖面法,在各样地选取有代表性样点 ,分别按 0～ 20 cm 、20～ 40 cm 、40～60 cm、60～80 cm取样。含水率测定采用土盒法,重复三次,土壤容重测定采用环刀法,土壤孔隙度和饱和含水量测定采用环刀饱和吸水法。土壤最大持水量计算公式如下:

式中,Smax为土壤最大持水量/t◦hm-2,h为土层厚度/m,p为总孔隙度/%,rw为水比重。

1.2.5 数据处理

采用systat 10.0软件进行方差分析并作图。

2 结果与分析

2.1 枯落物蓄积量与最大持水量

林分的树种组成、生长状况、林地内的水热条件将影响到枯落物的输入量和分解速度,从而影响到林内枯落物的蓄积量[16]。6种林分类型下枯落物总储量有显著差异(图1,P＜0.01),不同林分类型枯落物总储量顺序为:华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr)人工林＞油松(Pinus tabulaeformis Carr.)天然林＞油松封山育林＞灌木林＞白桦(Betula palty phy lla Suk.)天然林＞山杨(Populusdavidiana L.)天然林。其中,华北落叶松人工林的储量最大,为 74.118 t◦hm-2,山杨天然林的枯落物储量最小,为18.010 t◦hm-2,总体上看来针叶林储量大于灌木林,灌木林大于阔叶林,主要是由于针叶林凋落物含油脂多难于分解。华北落叶松人工林储量较其他林分显著地高。

图1 不同林分类型未分解层、半分解层及总枯落物储量Fig.1 Forest litters reserves of non-decomposed layer,semi-ecomposed layer and total amount in different stands注:bh:白桦天然林,gm:灌木林,lys:华北落叶松人工林,sy:山杨天然林,yf:油松封山育林,ys:油松天然林,L为未分解层,F为半分解层,TOT AL为枯落物总持水量,下同。Note:bh:natural Betula paltyphylla stands,gm:shrub fo rests,lys:Larix principis-rupprechtii plantation,sy:natural Populus davidiana stands,yf:enclosing natural Pinus tabulaeformis stands,ys:natural Pinus tabulaeformis stands,L layer:non-decomposed layer,F layer:simi-decomposed lay er,Total:total amount of the forest litters reserves.The same as below.

枯落物的持水能力通常用干物质的最大持水率和持水量来表示,一般情况下,枯落物浸水24 h后的持水率可视为该枯落物的最大持水率[17]。森林枯落物层水源涵养能力受林分树种组成(即林分类型)、林龄、立地条件、枯落物的组成、分解和累积状况、前期水分状况、降雨特点和经营措施等的综合影响[18]。枯落物最大持水率的变动范围在101.312%～377.593%之间,依次为油松天然林＞华北落叶松人工林＞白桦天然林＞山杨天然林＞灌木林＞油松封山育林(图2),表明针叶林＞阔叶林＞灌木林。油松天然林,油松封山育林和华北落叶松人工林半分解层最大持水率较未分解层高,而山杨天然林白桦天然林和灌木林未分解层最大持水率较半分解层高,高人等[19]对辽宁东部山区几种植被类型的研究也曾得到相似结论。

图2 不同林分类型未分解层、半分解层枯落物最大持水率Fig.2 Max-water holding rate of non-decomposed layer,semi-decomposed layer in different stands

从表1可以看出,枯落物未分解层和半分解层持水量在不同类型间差异极其显著,未分解层最大持水量排序为华北落叶松人工林＞油松天然林＞灌木林＞白桦天然林＞山杨天然林＞油松封山育林,半分解层排序为华北落叶松人工林＞油松天然林＞油松封山育林＞白桦天然林＞灌木林＞山杨天然林。总体表现为针叶林＞阔叶林。6种林分枯落物的最大持水量有所不同,华北落叶松人工林的最大持水量最大,为158.152 t◦hm-2,其次为油松天然林,油松封山育林,白桦天然林及灌木林,山杨天然林的最大持水量最小,为26.428 t◦hm-2。华北落叶松林枯落物持水量高主要是由于其蓄积量较多的缘故。主要林分未分解层和半分解层枯落物持水量的方差分析如表1所示。

由表1可知,油松天然林中未分解层和半分解层之间差异显著,油松封山育林中未分解层和半分解层之间差异极其显著,而其他林分则不显著。

2.2 土壤物理性质及土壤持水量

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数,容重反映透水性、通气性和根系延展时阻力的大小,孔隙度则是土壤中养分、水分、空气和微生物等的迁移通道,贮存库和活动场所[20]。土壤主要物理性质及最大持水量见表2。

表1 主要林分中未分解层和半分解层枯落物持水量及其方差分析Table 1 The ANOVA in water-holding capacity of forest litters of non-decomposed layer and simi-decomposed layer of stands

表2 不同林分土壤持水量Table 2 The soil water holding capacity of different stands

由表2可知,6种林分类型各层土壤容重的差异虽不显著,但仍表现出一定的规律性,即随着土壤的深度的增加容重逐渐增加的趋势,而不同林分类型土壤容重之间的差异并不显著。毛管孔隙中的水分能长期保存在土壤中,供给植物生长和土壤蒸发[9],白桦天然林和华北落叶松人工林较其他林分土壤蓄水性较好,有利于保持土壤水分供植物利用。非毛管孔隙度与土壤有效持水量密切相关[4]。对于各林分土壤的非毛管孔隙度,油松天然林和山杨天然林最大,表明其具有较好的透水性,灌木林和白桦天然林其次,华北落叶松人工林和油松封山育林最小。总孔隙度在各土壤层的变化表明,随着土层加深,总孔隙度减少。土壤最大持水量反映土壤储蓄水量和调节水分的潜在能力[9],从不同林分土壤层持水特征(表2)可以看出,表层土壤的最大持水量大多数高于下层土壤。各林分类型土壤的蓄水能力有较大差异,从大到小的顺序为:华北落叶松人工林＞灌木林＞山杨天然林＞白桦天然林＞油松天然林＞油松封山育林(表3)。此外,除白桦和山杨天然林土壤持水特性指标在各层之间差异显著外,其他林分各土壤层之间并没有表现出较大的差异。

表3 各林分类型土壤总持水量/t◦hm-2Table 3 Total soil water holding capacity of different stands/t◦hm-2

2.3 林地总持水量

枯落物和土壤持水能力的总和能够体现出林分土壤静态持水能力的强弱[9]。在6种林分中,华北落叶松人工林总持水量最大,其次为灌木林,山杨天然林,白桦天然林和油松天然林,油松封山育林最小(图3)。这主要是由于华北落叶松人工林土层厚,枯落物分解缓慢蓄积量大所致,而油松封山育林水源涵养能力最低是由于土层薄,枯落物持水量低的缘故。

图3 不同林分类型林地总持水量Fig.3 The total water holding capacity of different stands

3 结论与讨论

3.1 讨论

林分树种组成(即林分类型)是影响森林枯落物层水源涵养能力的重要因子[18]。该区的有关研究得出了两个互有差异的结论[11,13],其最大的分歧点在于油松林枯落物层的水源涵养能力的高低,可能是由于研究森林群落类型的不同所导致。本文研究结果表明油松林具有最高的枯落物层水文效应,可能与其枯落物分解和积累状况有关。

土壤-植物系统是SPAC系统的重要组分,多数研究表明植被可以有效改良土壤的理化性质[21,22],从而导致其水文效应的差异[23]。本文研究发现,山杨、白桦等森林群落土壤各层之间的理化性质差异显著,而其他类型森林群落却未表现出明显差异,这可能和其作为演替早期物种,对环境的改造作用强烈有关[24],一些研究表明:先锋树种根系分布的均匀性[25]和不同径级根系分布的层次性及其生态功能的分异性造成了土壤层理化性质差异的明显性。而该林区其他研究则表明:不同森林类型的土壤容重和总孔隙度差别不大[13],可能是选取的主要森林类型有一定差异的原因。

不同演替阶段的树木根系结构和抗拉力的差异决定了其根系固土能力和水文效应的差异[26,27],本文发现,不同演替阶段的植被类型凋落物和土壤水文效应差异明显,其中植物根系对土壤理化性质的改良作用、根系深浅和根群分布的“层片”结构差异可能是最佳的解释。这将在以后的研究中加以验证。因此,建立演替不同时期树种并存的混交林群落将有助于提高林分的水土保持功能[28,29],并将在水源涵养林经营和改造中发挥重要的实践意义。

3.2 结论

(1)三道川林场6种林分类型枯落物的储量在18.010～74.118 t◦hm-2之间,其中华北落叶松人工林枯落物的储量最大,山杨天然林的储量最小。针叶林枯落物层持水能力较阔叶林和灌木林强,人工林枯落物层持水能力较天然林强;

(2)随着土壤深度的增加,各林分土壤容重均增加,总孔隙度下降,土壤最大持水量也呈现下降趋势。各林分土壤最大持水量从大到小的顺序为:华北落叶松人工林＞灌木林＞山杨天然林＞白桦天然林＞油松天然林＞油松封山育林;

(3)除白桦和山杨天然林土壤持水特性指标在各层差异显著外,其他林分各土壤层之间并没有表现出较大的差异;

(4)6种林分类型枯落物及土壤的水源涵养性能,以华北落叶松人工林涵养水源量最大,其次为灌木林,山杨天然林,白桦天然林和油松天然林,油松封山育林最小。

(5)不同演替阶段的林分枯落物层和土壤层具有不同的水文效应,营造演替过渡时期的混交林群落将有助于提高林分的水文效应。

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