黄土丘陵沟壑区典型灌木林地枯落物的蓄积特征及持水性能

2019-10-11张宝琦王忠禹杨艳芬张娜娜李永宁

水土保持通报 2019年4期

张宝琦, 王忠禹, 杨艳芬,2, 张娜娜, 李永宁

(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712700; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌712700)

枯落物作为典型的地表覆被物，是生态系统的重要结构和功能单位，也是植物生长的重要能量来源。枯落物可有效降低雨滴动能，减小溅蚀和减轻地表径流对土壤的侵蚀[1-2]。同时，枯落物层还有吸收和阻延地表径流，抑制土壤蒸发，增加降水入渗，增强土壤抗冲能力等功能，而枯落物蓄积量是影响其功能有效发挥的重要影响因素[3-4]。大量研究[5-7]表明，枯落物蓄积量可减少土壤水分蒸发，减轻径流泥沙的产生，保护地面免遭雨水的冲刷，增加土壤入渗能力，提高土壤抗冲性。不同植被类型枯落物蓄积量条件下土壤的初渗速率与稳渗速率之间存在着幂函数关系[8]。同时，由于受枯落物类型差异，其减少水土流失，增加入渗性能和维持林地生态系统养分循环的作用也会有所不同。例如，田野宏等人[9]对大兴安岭北部天然次生林枯落物的抑制土壤蒸发能力研究结果表明，白桦+落叶松林枯落物抑制土壤蒸发的能力要高于其它林型，其次是白桦林略高于山杨+白桦林，山杨林枯落物抑制土壤蒸发能力相对较差。李学斌等[10]人对荒漠草原4种主要植物群落枯落物层水土保持功能的研究，表明4种植物群落年截留率依次为：蒙古冰草群落>甘草群落>赖草群落>沙蒿群落。说明蒙古冰草群落对降雨的截留作用效果最好。同时，也有研究表明枯落物往往随土壤侵蚀过程而混入表层土壤中，从而增强土体稳定性、改善土壤孔隙结构、影响土壤入渗过程[11]。

黄土高原自20世纪90年代末实施退耕还林(草)以来，植被覆盖度得到显著提升，枯落物蓄积量也显著增加。灌木林地是黄土高原尤其是黄土高原丘陵沟壑区(森林草原区)的主要植被类型，占黄土高原总面积的16.4%[12-13]。然而，以往枯落物相关研究虽有涉及灌木林地，但大多集中于地表，有关土壤中枯落物蓄积量及水文效应少有报道。基于此，本研究选取黄土高原丘陵沟壑区典型灌木林地，系统研究灌木类型间枯落物地表蓄积量和土壤中混入量，探讨其持水特征差异，以期为研究黄土丘陵区的水文效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在西北农林科技大学安塞水土保持综合试验站进行，研究区位于黄土高原的中部，平均海拔1 100～1 400 m，属暖温带半湿润气候向半干旱气候过度区，年日照时间2 415.6 h，年平均气温8.8 ℃，无霜期157～194 d，年平均降雨量为502 mm左右，主要集中在7—9月，占全年降雨总量的70%以上，年均蒸发量远大于降水量，使得土壤水分成为该地区限制植物种类的主要因子。土壤主要以黄绵土和红胶土为主，土层深厚，加之植被覆盖度低，使得该地区易发生土壤侵蚀。植被主要有刺槐(Robiniapsendoacacia)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophrhamnoides)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、杠柳(Periplocasepium)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)等。

1.2 样地选区

于2017年6月选取具有相似坡度、坡向的柠条、沙棘、狼牙刺、杠柳4种典型灌木林地且植被恢复年限均大于2 a的成熟林为研究样地，其中柠条和沙棘样地为人工种植林，杠柳和狼牙刺为自然演替物种，样地内植被生长良好，人为干扰少(表1)。在每个采样点，设置50 cm×50 cm的样方来调查地表枯落物和土壤中枯落物的蓄积量、持水量及拦蓄量(3个重复)。

表1 研究区样地基本信息

1.3 枯落物的收集

(1) 地表枯落物收集。采用直尺法和网格法来测定地表枯落物的厚度和盖度，之后全部收取地表枯落物，编号、清洗、烘干(65 ℃，24 h)、称重并计算地表枯落物蓄积量(kg/m2)。

(2) 土壤中枯落物收集。收集地表枯落物后，去样方挖取深度为10 cm，宽度为50 cm的土壤剖面，通过观察土壤剖面颜色的差异及枯落物形态特征来判断枯落物混入土壤深度，重复测10次将其平均值作为该样方混入土壤枯落物深度。在样地对角线上采用环刀(内径9.8 cm，高5 cm)法采取0—5 cm土壤样品(3个重复)，编号、水洗(0.5 mm筛)、剔除根系与杂质、烘干(65 ℃，24 h)称重后得到0—5 cm土壤冲洗物。为了避免土壤中杂质的影响，考虑到枯落物混入土壤深度总体小于5 cm，将5—10 cm的土壤采用相同的方法来获取土壤冲洗物，两层冲洗物相减后得到表层0—5 cm土壤中枯落物混入量。

1.4 枯落物持水量的测定及计算

将收集的地表枯落物和混入土壤中的枯落物分别在自然条件下阴干、称重，而后置于烘箱烘干(65 ℃，24 h)、称重，计算地表和混入土壤中枯落物自然持水量(WN， g/g)。

枯落物持水量的测定是将20 g地表枯落物装入网纱袋完全浸入水中测定其持水性，按照时间间隔5，15，30 min，1，2，4，4，8，12，12，12，12 h定时取出，悬挂静止不滴水(约5 min)时迅速取出称重，累计浸泡时间72 h，得到最大持水量(W72， g/g)。对于土壤中混入枯落物，考虑到其尺寸较小，取4 g装入茶叶袋中测定其持水性，测定过程和地表枯落物相同。对于每个样地，地表枯落物和土壤中枯落物持水量测定均重复3次。浸泡结束后，将枯落物取出烘干(65 ℃，24 h)、称重，用以计算枯落物有效持水量(WE， g/g)和有效拦蓄量(WI， g/g)：

WE=W72-WN

WI=(αW72-WN)×M

式中：M——样方内枯落物蓄积量(kg/m2)；α——枯落物拦蓄校正系数(α=0.85[14])。

对于土壤中枯落物，由于枯落物和土壤混为一体，若采用直接测定的有效持水量计算有效拦蓄量可能不能真实反映其拦蓄能力。因而本研究将10 g自然阴干枯落物与440 g干土混合填入400 cm3的环刀内，同时将440 g干土填入相同尺寸的环刀内作为对照，浸泡12 h，控水2～3 h后称重，用以计算土壤中混入枯落物有效拦蓄量。

1.5 数据处理

采用Excel对数据进行整理与处理，用Origin 2018对有关图形进行绘制，并对枯落物持水量与浸泡时间和5 min持水量与最大持水量进行回归方程的显著性检验(p<0.01表示极显著相关)。

2 结果分析

2.1 枯落物的蓄积量

枯落物蓄积量与其凋落量、组成分解速率及群落类型关系密切[15]。受上述因素的影响，本研究中4种灌木林地地表枯落物盖度和蓄积厚度分别为50%～94%和1.25～2.5 cm，土壤中枯落物混入深度为1.64～2.25 cm。地表枯落物蓄积量沙棘林地最大，为1.048 kg/m2，分别是柠条、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，为0.674 kg/m2，分别是柠条、狼牙刺和杠柳的1.23，1.56，5.07倍。此外，柠条和狼牙刺土壤中枯落物混入量所占比重相对较大，占枯落物总蓄积量的53%和69%，而沙棘和杠柳土壤中枯落物相对较少，占枯落物总蓄积量的39%和20%。枯落物的年凋落量是地表和土壤中枯落物的重要来源，凋落量的多少很大程度上决定了地表枯落物的蓄积量和土壤中枯落物的混入量。沙棘相对于其他灌木具有较大的株体、生物量和枯落物凋落量，其地表蓄积量显著高于其他灌木样地；而对于土壤中枯落物，沙棘林地土壤中枯落物混入量低于最高的柠条林地，这主要是由于柠条枯落物中木质素和多酚类物质含量较高，不易被分解，并且柠条的枝干坚硬，落叶比较尖锐，有短尖刺，随着径流泥沙的运移更容易混入土壤。与柠条类似，狼牙刺枯落物也较容易混入土壤，这也是柠条和狼牙刺土壤中枯落物占枯落物总蓄积量比重较高、甚至高于其地表枯落物的原因(表2，图1)。

表2 研究区不同植被类型枯落物蓄积量及分布特征

图1 研究区不同植被样地地表和混入土壤枯落物比例

2.2 枯落物持水过程

4种典型灌木林地地表枯落物和土壤中枯落物持水量均与浸泡时间呈极显著对数函数关系(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，这主要是因为混入土壤枯落物虽基本保留了枯落物的形态，但大都是半降解状态，具有较强的亲水性，有利于枯落物对水分的吸收；这也在一定程度上解释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%。而地表枯落物结构相对完整，水分只能从表面的一些孔隙进入，因而持水过程相对较缓，持水量也相对较小。王忠禹等[16]研究结果表明，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幂函数关系。本研究中，地表枯落物5 min持水量占最大持水量的40%以上，且与最大持水量存在显著幂函数关系(p<0.01，R2=0.38)(图2)，一定程度表明可以用5 min持水量拟合最大持水量，缩减持水量测定时间。而对于土壤中枯落物，5 min持水量与最大持水量并没有发现显著函数关系。最大持水量一般只能反映枯落物层持水性能的优劣，并不能反映枯落物对降雨的实际截持情况[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标之一,其数值的大小,表征着枯落物吸持水分能力强弱和保水、涵养水源功效的显著与否[18-19]，因此将最大持水量与自然含水量的差值作为枯落物实际吸持水分的大小(有效持水量)(图3，表3)。地表枯落物有效持水量杠柳最大，为2.13 g/g，是柠条、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柠条最大，为1.90 g/g，是沙棘、狼牙刺和杠柳的1.39，2.04，1.43倍。虽然土壤中枯落物具有较大的最大持水量，但其有效持水量均低于地表枯落物(柠条地表枯落物与土壤中枯落物有效持水量基本持平)。

图2 研究区枯落物5 min持水量与最大持水量的关系

表3 研究区不同植被枯落物的持水量g/g

植被类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柠条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 枯落物有效拦蓄量

枯落物的拦蓄量是反映枯落物蓄水能力的重要指标，主要取决于枯落物的组成、质地、结构和分解程度等[19]。枯落物的最大持水量一般只能反映枯落物持水能力大小,无法直接反映枯落物层的蓄水能力，而自然状态下直接测量枯落物持水过程的难度和误差较大，因此有效拦蓄量是反映枯落物层对降水拦蓄能力的指标[20-21]。对于本研究四种灌木林地，沙棘林地地表枯落物有效拦蓄量最大，为21.16 t/hm2，狼牙刺的拦蓄量最小，为3.94 t/hm2；柠条林地土壤中枯落物有效拦蓄量最大，为10.01 t/hm2，其他依次为沙棘、狼牙刺和杠柳(表4)。尽管4种灌木地表枯落物和土壤中枯落物有效持水量存在一定差异，但有效拦蓄能力主要受枯落物蓄积量的影响，随蓄积量的增加而增大。总体而言，4种灌木林地其地表枯落物有效拦蓄量与土壤中枯落物有效拦蓄量的比值为0.76～6.05，其中杠柳比值最大，柠条比值最小。可能是因为杠柳林地的分解速率要低于其他3种灌木林地，但杠柳一般生长在沟底中，并且枝条软而繁多，容易堆积在地表，不易混入土壤中。考虑到自然状态下土壤中枯落物往往混有一定比例的土壤，因此将枯落物混入土壤装入环刀中浸泡(环刀法)，以此来获得自然状态下土壤中枯落物有效持水量和有效拦蓄量。结果表明，四种灌木林地土壤中枯落物有效持水量变化范围为0.93～1.9 g/g，较传统的浸泡法减少了2.48～4.07 g/g；有效拦蓄量变化范围为1.67～10.01 t/hm2。由于枯落物混入土壤，测定其有效持水量更接近自然状态，而该方法较于传统方法测定过程相对复杂，因此，将两种方法测定的土壤中枯落物有效持水量比值作为传统方法的校正系数，校正系数变化范围在0.18～0.42之间。