大通县退耕还白桦林枯枝落物和土壤持水效应

2018-05-14张更权

安徽农业科学 2018年31期

张更权

摘要 [目的]研究大通縣退耕还白桦林枯枝落物和土壤持水效应。[方法]基于野外定点观测法和采样试验分析法，以原坡耕地为对照，研究青海大通县退耕还白桦林枯枝落物及土壤持水量随退耕还林年限变化的效应关系。[结果]枯枝落物持水量随退耕还林年限的增加呈增加的态势，退耕15年枯枝落物持水量为12 017.149 0 kg/hm 比退耕7年的11 845.271 5 kg/hm2增长了1.451 0%；土壤持水量随退耕还林年限的增加也呈增加态势，退耕15年土壤持水量为103 756.000 0 kg/hm 比退耕7年的103 426.000 0 kg/hm2增长了0319 1%，而对照耕地土壤持水量维持在26 254.000 0 kg/hm 稳中有降；退耕还林土壤持水量大于枯枝落物持水量，退耕还林7年、15年土壤持水量分别是枯枝落物持水量的8.73、8.63倍，随着退耕还林年限的增加，枯枝落物比土壤持水量增加快；退耕还林15年枯枝落物和土壤持水量之和为115 773.149 0 kg/hm 比退耕还林7年的115 271.271 5 kg/hm2增长了0.435 4%，土壤是森林生态系统持水效应的主体，退耕还林7年、15年土壤持水量分别占枯枝落物持水量和土壤持水量之和的89.72%、89.62%，随着退耕还林年限的增加，枯枝落物持水量占总持水量比例在小幅增加，而土壤持水量占总持水量比例在小幅减少；退耕还林15年枯枝落物和土壤中持水量之和是对照耕地持水量的4.41倍，退耕还林7年枯枝落物和土壤中持水量之和是对照耕地持水量的4.39倍；土壤持水量取决于土壤的非毛细管孔隙度大小，而枯枝落物有效持水量取决于枯枝落物层蓄积量及其自然含水率。[结论]该研究对于引导黄土丘陵区大通县生态环境恢复工程建设及其工程绩效考核评价具有重要意义。

关键词大通县；退耕还林；持水效应；枯枝落物

中图分类号 S718.5文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）31-0107-04

Abstract [Objective]To study the hydrologicaleffect of litter mixture and soil on conversion from farmland to Betula platphylla forest at Datong County.[Method]Based on field investigation and experimental data method， contrasted with the original slope land， hydrological effect of litter and soil on conversion from farmland to B. platphylla forest at Datong County was studied and with what about the year of conversion from farmland to forest. [Result]Water capacity of litter mixture increased with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of litter mixture of returning farmland to forest for 15 years was 12 017.149 0 kg/hm while that for 7 years was 11 845.271 5 kg/hm the growth rate was 1.451 0%.Water capacity of soil increased with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of soil of returning farmland to forest for 15 years was 103 756.000 0 kg/hm while that for 7 years was 103 426.000 0 kg/hm the growth rate was 0319 1%，at the same time，water capacity of soil of contrasted with the original slope land kept a steady state with a slight decline， that was 25 254.000 0 kg/hm2.Water capacity of soil was greater than that of litter mixture， water capacity of soil of returning farmland to forest for 7 years，15 years was 8.73， 8.63 times of litter mixture respectively ， with the increasing year of conversion from farmland to forest， water capacity of litter mixture increased faster than that of soil.The total water capacity of litter mixture and soil of returning farmland to forest for 15 years was 115 773.149 0 kg/hm that for 7 years was 115 271.271 5 kg/hm the growth rate was 0.435 4%， soil was the main part of forest ecosystem water holding effect， soil water capacity of returning farmland to forest for 7 years，15 years was 89.72%， 89.62% respectively， with the increasing year of conversion from farmland to forest， procedure cache percent of water capacity of litter mixture was a slight increase，but procedure cache percent of soil water capacity was a slight decrease.The water capacity of soil & litter mixture was 4.41 times than that of contrastive plot for returning farmland to forest 15 years， while returning farmland to forest for 7 years was 4.39 times than that of contrastive plot.The soil water holding capacity depended on the noncapillary porosity of the soil， and the effective water holding capacity of the litter depended on the accumulation of the litter layer and the natural moisture content.[Conclusion]This study is of great significance for guiding the ecological environment restoration project construction and engineering performance evaluation of Datong County in the loess hilly region.

Key words Datong County；Conservation from farmland to forest；Hydrological effect；Litter

黄土丘陵沟壑区（简称黄土丘陵区）坡耕地是引起区域水土流失的重要来源，退耕还林（草）是黄土丘陵区生态恢复和重建的关键举措，黄土丘陵区是实施退耕还林（草）工程的重点区域[1]。森林涵养水源功能是指森林对降水的截留、吸收、贮存及利用，是将地表水有效地转为地表径流或者地下水的作用，是森林植被对降雨量进行再次分配的复杂的物理过程，主要包括森林林冠截留水、林下枯枝落物层吸附水和林地土壤蓄水等，其中枯枝落物和土壤持水量占全部森林生态系统水源涵养功能总量的80.04%以上[2]。森林水文系统是森林生态系统的主要组成部分之一，是森林植被恢复重建的主要基础，另外，森林植被演替直接影响到森林水文系统的发展过程[3]。白桦是青海黄土丘陵区大通县生长较快的落叶阔叶乔木树种，耐寒旱和耐贫瘠，适生于山地和江河两岸，是青海黄土丘陵区大通县林业发展的先锋树种和次生建群树种之一，也是青海黄土丘陵区大通县实施退耕还林工程中的优选乡土树种之一。开展青海黄土丘陵区大通县退耕还白桦林枯枝落物和土壤持水效应研究，对于引导黄土丘陵区大通县生态环境恢复工程建设及其工程绩效考核评价具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于青海省黄土丘陵区大通县的东峡林场，地处黄土高原与青藏高原交错地带，海拔2 784 m。气候属高原干旱半干旱大陆性气候，年均气温2.8～7.9 ℃，降水量360～540 mm（集中于6—9月），蒸发量1 100～1 800 mm，坡度27°，坡向东南，坡位中。土壤垂直性地带分布，以栗钙土为主，主要植被有青海云杉（Picea crassifolia）、桦树（Betula platyphylla）、中国沙棘（Hippophae rhamnoides）等。

2002年实施退耕还白桦林，2001年秋穴状整地，2002年春季造林，容器育苗（苗高16 cm），造林密度1 668株/hm2（2 m×3 m），造林2～3年补植补栽。

1.2 试验设计

基于单因素随机区组设计，在不同时空尺度状态下，通过野外定点观测和采样试验分析，研究黄土丘陵区退耕还白桦林的枯枝落物和土壤持水效应。按照20 m×20 m布设样地，在样地中再布设5个5 m×5 m的样方，分布在样地的四角和中心处位置，每个样方中心位置布设1个1 m×1 m的枯枝落叶采集框架（11月底采样收集，每次3个重复，取平均值）。样地中蛇形法采集土样，按照0～20、20～40、40～60 cm 3个土壤剖面层次采集土壤环刀样（100.00 cm3），各层土样混合均匀后取500.00 g综合样，进行土壤理化性状指标测定。选择在样地附近相同立地条件下的原坡耕地作为对照，按照当地习惯进行小麦、油菜轮作。

从2009年（退耕还林7年）开始，每隔2年监测枯枝落物和土壤水文持水性1次，到2017年（退耕还林15年），共监测5次。

1.3 试验方法

1.3.1 枯枝落物蓄积量。采用烘干称重法[4]测定枯枝落物蓄积量。样方内随机选择10个点测定枯枝落物未分解层和半分解层厚度，重复3次，取平均值，分装样品，带回室内称湿重，然后在85 ℃下烘干后称重，测定其干重，推算单位面积枯枝落物蓄积量。

1.3.2 枯枝落物持水性。采用浸泡法[5]测定枯枝落物持水性。将烘干称重后的枯枝落物样品分别装入尼龙袋，清水中浸泡24 h后称重，计算枯枝落物未分解层和半分解层的自然含水率、最大持水率、最大持水量和有效持水量。在维持自然状态环境下，为准确反映枯枝落物层对降雨量的实际持水量情况，往往用枯枝落物层的有效持水率计量枯枝落物持水性，即用枯枝落物最大持水率的85.00%扣除其自然含水率求得。

1.3.3 土壤容重。采用环刀法[6]测定土壤容重。将土壤环刀样品放入烘箱中，于（105±2）℃下烘至恒重，称重。

1.3.4 土壤孔隙度。采用环刀称重法[6]测定土壤孔隙度。将环刀的上盖和下盖全部取下，在一端换上带有小网孔并垫有定性分析滤纸的底盖，再轻轻放入盛有2～4 cm厚水的瓷盘内，维持水深始终在2～3 mm，一般情况下浸入时间为8～12 h。取出用滤纸擦干环刀外的挂水并马上称重（W1）。将环刀连同土样一起放在105 ℃的烘箱中烘至恒重（W2）。

1.3.5 土壤有机质。采用重铬酸钾-硫酸溶液氧化法[8]测定土壤有机质。

2 结果与分析

2.1 枯枝落物持水效应

枯枝落叶层就是森林植物凋落物集聚在土壤表面形成的覆蓋膜，也是森林植被涵养水源的主要环节之一，是森林生态系统持水效应的第2个层面[7-9]。图1表明退耕还白桦林枯枝落物层有效持水量随着退耕还林年限的增加而稳中有增，退耕7年时枯枝落物层有效持水量为11 845.271 5 kg/hm 退耕11年时有效持水量增长到11 953.181 0 kg/hm 退耕15年时有效持水量增长到12 017.149 0 kg/hm 9年间退耕还白桦林枯枝落物层有效持水量增加了171.877 5 kg/hm 增长率为1.451 0%，9年平均枯枝落物层有效持水量为11 944.470 3 kg/hm2。由于对照原坡耕地没有枯枝落物层或枯枝落物层很少很薄，故其持水量可忽略不计。

退耕还白桦林枯枝落物层的有效持水量是其自身持水量的2.81倍，取决于枯枝落物自身的蓄积量及其自然含水率。枯枝落物层蓄积量从2009年的5 336.470 0 kg/hm2增加到2017年的5 414.390 0 kg/hm 增长率为1.460 1%；枯枝落物层厚度从2009年的0.66 cm增长到2017年的0.72 cm，增长率为9.090 9%。伴随着退耕还林年限的增加和森林植被的正向演替，枯枝落叶层持水性能呈现增加趋势。

2.2 土壤持水效应

土壤层是森林生态系统持水效应的第3个层面，是全部森林生态系统中涵养水源能力最多的作用层面，在森林生态系统的水循环中发挥着主要作用，是大气自然降雨量的重要蓄存器[10]。图2表明退耕还白桦林土壤层有效持水量随着退耕还林年限的增加而增加，退耕7年时土壤层有效持水量为103 426.000 0 kg/hm 退耕11年时有效持水量增长到103 612.000 0 kg/hm 退耕15年时有效持水量增长到103 756.000 0 kg/hm 9年间退耕还白桦林土壤层有效持水量增加了330.000 0 kg/hm 增长率为0.319 1%。而对照原坡耕地土壤层持水量稳中有降，从退耕7年时的26 254.000 0 kg/hm2降到退耕15年时的26 252.000 0 kg/hm2。9年间退耕还白桦林土壤层有效持水量平均为103 603.600 0 kg/hm 是对照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的3.95倍。

植被与土壤的耦合效应直接导致土壤的时空变异性，大部分地表径流经过土壤非毛管孔隙渗入到土壤下层，土壤蓄水及渗透能力强弱主要取决于土壤非毛管孔隙度的大小、数量与分布[11]。随着退耕还白桦林年限的增加，土壤容重减少、孔隙度增加、有机质增加；相反，对照样地土壤容重增加、孔隙度减少、有机质减少。9年间退耕还白桦林土壤容重由退耕7年时的1.18 g/cm减少到退耕15年时的1.17 g/cm，减少率为0.847 5%，而空白对照土壤容重由原来的1.55 g/cm增加到1.56 g/cm，增加率为0.645 2%，前者是后者的0.75倍；9年间退耕还白桦林土壤非毛管孔隙度由退耕7年时的517%增加到退耕15年时的5.19%，增加率为0.386 8%，而空白对照土壤非毛管孔隙度由原来的1.31%减少到1.30%，减少率为0.763 4%，前者是后者的3.97倍；9年间退耕还白桦林土壤有机质由退耕7年时的2.98%增加到退耕15年时的300%，增加率为0.671 1%，而空白对照土壤有机质由原来的1.27%减少到1.26%，减少率为0.787 4%，前者是后者的2.37倍。枯枝落物层作为森林生态系统中比较独特的结构成分层次，经过土壤酶及土壤微生物分解作用后就形成了腐殖质，提升了土壤有机质含量及土壤孔隙度大小，植被根系缠绕和枯枝落物层协调耦合大大增加了地表的粗糙系数、改善了土壤理化指标性质，不仅有益于森林土壤的发育和改良，而且导致其蓄水保水功能显著提高[12-13]。

2.3 枯枝落物和土壤总持水效应

森林生态系统水源涵养能力与森林植被类型和郁闭度（或盖度）、枯枝落物构成及其蓄积量大小、土壤厚度大小以及土壤理化性质指标等紧密关联，是植被与土壤耦合作用的直接结果[14]。图3表明退耕还白桦林枯枝落物层和土壤层有效持水量随着退耕还林年限的增加而增加，退耕7年时枯枝落物层和土壤层有效持水量为115 271.271 5 kg/hm 退耕11年时有效持水量增长到115 565.181 0 kg/hm 退耕15年时有效持水量增长到115 773.149 0 kg/hm 9年间退耕还白桦林枯枝落物层和土壤层有效持水量增加了501.877 5 kg/hm 增长率为0.435 4%。而对照原坡耕地枯枝落物层和土壤层有效持水量稳中有降，从退耕7年时的26 254.000 0 kg/hm2降到退耕15年时的26 252.000 0 kg/hm2。退耕15年枯枝落物层和土壤层有效持水量是对照耕地的4.41倍，其中土壤层有效持水量占总持水量的89.62%，枯枝落物有效持水量占1038%；退耕7年枯枝落物层和土壤层有效持水量是对照耕地的4.39倍，其中土壤层有效持水量占总持水量的8972%，枯枝落物有效持水量占10.28%。9年间退耕还白桦林枯枝落物层和土壤层有效持水量平均为115 548.070 3 kg/hm 是对照耕地（平均26 254.000 0 t/hm2）的4.40倍，其中土壤层有效持水量占总持水量89.662 8%，枯枝落物有效持水量占10.337 2%，土壤层是森林生态系统水循环的主体。

受黄土丘陵区多为超渗产流的影响和限制，表层土壤一般为INVERSE模型的渗吸作用过程，依靠复杂的植被根系来巩固土壤的多孔式结构，提升土壤对降水量的入渗作用，使得地表径流能够有效地转化为地下径流，进而补给地下水源[15-16]。

3 结论与讨论

退耕还白桦林枯枝落物层、土壤层、枯枝落物层和土壤层有效持水量均随退耕还林年限的增加而增加，9年间退耕还白桦林枯枝落物层有效持水量增加了171.877 5 kg/hm 增长率为1.451 0%，9年枯枝落物层有效持水量平均为11 944.470 3 kg/hm2；9年間土壤层有效持水量增加了330000 0 kg/hm 增长率为0.319 1%，9年土壤层有效持水量平均为103 603.600 0 kg/hm 是对照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的3.95倍。9年间枯枝落物层和土壤层有效持水量增加了501.877 5 kg/hm 增长率为0.435 4%，9年枯枝落物层和土壤层有效持水量平均为115 548.070 3 kg/hm 是对照耕地（平均26 254.000 0 kg/hm2）的4.41倍，其中土壤层有效持水量占总持水量的89.66%，枯枝落物有效持水量占10.34%，土壤层是整个森林生态系统中水循环作用的主要方面。枯枝落物层持水量取决于枯枝落物层蓄积量及其自然含水率，而土壤层持水量主要取决于其非毛细管孔隙度的多少。

由于受试验设备条件、技术力量和研究经费等因素限制，该试验在有限样本条件下，仅采用单因素随机区组设计，研究了不同退耕还白桦林年限的枯枝落物和土壤持水效应，故所得结论有一定程度的局限性。自然条件状态下，植被枯枝落物和土壤持水量同时受植被因子、立地条件和气象因子等诸多因素共同作用，需要继续关注各因素间的相关性与耦合性，以获得较为精确的持水效应。

青海省黄土丘陵区大通县实施退耕还林工程中，青海云杉、桦树及中国沙棘等乡土树种是营造水土涵养林及水土保持林的优选先锋树种，摸索适合于区域立地条件和气候因素下的造林技术及造林模式，优化区域生态恢复与重建中的乔灌草配置和网带片配置，适地适树、适树适地，以培育混交异龄复层林为终极目标[17]。通过“栽阔”可以提高林分的稳定性和缩短森林演替的过程，通过“促针”使得恢复地带性顶极森林有了保障。

参考文献

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