西秦岭森林生态旅游区不同林分类型土壤水文效应研究
——以麦积山风景区为例
2020-10-12王具元何鹏
王具元,何鹏
(甘肃林业职业技术学院,甘肃 天水 741020)
森林土壤系统作为森林生态系统的一部分,决定着各种林业生产的物质基础,森林植物进行光合作用的光,植物生长所需的二氧化碳、水、养分等除少部分来自于大气外,绝大部分都依赖于森林土壤的补充。土壤水影响着土壤的各种性质(物理、化学、生物),依赖土壤水分森林植物才能开展进行各种生理活动。影响土壤持水能力的因素很多,但主要依赖于土壤中各种孔隙的类型、数量的多少和孔隙大小等因素,它们决定着土壤水分空间性和有效性。 关于麦积山(小陇山)森林植物群落特性的研究较多[1-4],但对于不同林分类型土壤持水能力的研究很少,通过对麦积山不同林地土壤的物理性质、水分涵养能力,对比分析不同林地土壤水分的动态变化情况,探讨不同林分土壤物理性质和蓄水能力,目的在于为该地区水源涵养林的保护和利用、科学经营提供理论依据,将对麦积山森林生态系统的保护具有现实意义。
1 研究区概况
麦积山风景区位于甘肃省天水市麦积区,地理位置为105°56′—106°10′ E,34°07′—34°28′N,麦积山风景区海拔1 400~1 800 m,最高峰可达2 200 m以上,年平均降雨量为600~700 mm,气温最高为33 ℃,最低为-15 ℃,一般冬季在-8 ℃左右,无霜期为230 d,年日照2 307 h左右,空气相对湿度为85%左右,岩层构造是由红色沙砾岩层和浅色变质岩所构成,土壤类型多为棕壤土和黄绵土。麦积山风景区内自然资源丰富,风景秀丽,形成自己独特的山水景观,观赏及药用植物品种繁多,珍禽奇兽较为丰富。风景区内植物约有111种,分属于50个科106个属。其中有很多是园林中的珍品:黄花杠柳、苍松、翠柏、云杉、冷杉、水杉、白皮松、红豆杉,玉兰和野生紫竹、野生百合、金背杜鹃、甘肃琼花等。
2 研究方法
2.1 样地调查
2017年8—9月在麦积山风景区选择锐齿栎林、油松+辽东栎林、油松+锐齿栎林、油松林、白皮松林等5种不同林分林下土壤为研究对象,在不同林分内布设20 m×20 m的试验样地,在各林分样地不同坡位(上、中、下)取3个剖面,用环刀分别在0~10、10~20、20~30 cm取样,每层取三个重复,样地基本情况见表1。
2.2 土壤水分与物理性质测定
2.2.1 物理指标测定 采用常规方法测定土壤含水量(烘干法),土壤容重、土壤孔隙度(环刀法)。各个指标的计算公式为[4]:
土壤容重r=(W4-W0)/V×100%
土壤总孔隙度P=(W2-W4)/V×100%
土壤毛管孔隙度P1=(W3-W4)V×100%
土壤非毛管孔隙度P2=(W2-W3)/V×100%
式中:W0为环刀重,W2为环刀吸水饱和质量,W3为环刀吸水饱和后静置12 h后的质量,W4为环刀烘干后质量。
2.2.2 土壤持水量测定[5]
土壤持水量W=10 000P×h
W为土壤持水量(thm-2),P为土壤总孔隙度(%),h为土层厚度(m)。
2.2.3 土壤入渗性能测定 双环是直径为10和20 cm、高30 cm、厚2 cm的两个铁环。试验样地内选择微地形较为平坦的地段作为测定点,将直径10 cm的内环和直径20 cm的外环轻轻地压入土壤,铁环顶部距土壤表面的高度不超过5 cm,沿环刀的小环内壁土壤插入一小钢尺,外环与内环的空隙间持续加入2 cm的水,并不断保持外环中的水深不变[5]。
2.2.4 数据处理 采用Excel作图,利用SPSS18.0软件进行数据统计分析,采用单因素方差进行差异性分析,利用最小显著差异法(LSD)进行多重比较分析(α=0.05)。
3 结果分析
3.1 不同林分林地土壤物理特性
从表2可以看出,5种林分林下土壤物理特性具有一定差异,土壤容重差异性不显著(P>0.05),不同林分林地0~30 cm土壤容重均值范围为1.14~1.48 gcm-3,其大小表现为油松+辽东栎林(1.48 gcm-3)> 白皮松林(1.30 gcm-3)>锐齿栎林(1.29 gcm-3)>油松+锐齿栎林(1.22 gcm-3)>油松纯林>(1.14 gcm-3)。土壤容重随着土壤深度的变化而变化,但差异性不明显。土壤非毛管孔隙均值白皮松林(4.37%)最大,油松+辽东栎林(2.00%)最小。0~10 cm层中,非毛管孔隙度油松+锐齿栎林(0.65%)最小,油松林最大(5.61%)。10~20 cm土壤层中,非毛管孔隙度锐齿栎林(1.65%)最小,油松+锐齿栎林(5.36%)最大。毛管孔隙度表现为锐齿栎林(51.95%)最高,油松+辽东栎林(41.40%)最小。土壤总孔隙度的大小随着土层深度的增加表现出递减的趋势,不同林分林下土壤总孔隙度均值范围为43.40%~54.86%,锐齿栎林最大,油松+锐齿栎林和油松林次之,油松+辽东栎最林分小。
3.2 不同林分林地土壤持水能力
表2 不同林分林地土壤物理性状及持水量
3.3.3 不同林分林地土壤入渗特征 土壤渗透速率是指单位时间内水分在土壤中运移速度,它是影响地表径流量大小的重要因素,也是反映植被改良土壤效果的主要指标。由表3可知,5种林分类型林下土壤初渗速率相差比较大,其中锐齿栎林的初渗速率最高,为51.12 mmmin-1,白皮松林最小,为38.62 mmmin-1。不同林分林下土壤的稳渗速率由大到小分别为油松+锐齿栎林(1.52 mmmin-1)、油松+辽东栎林(1.41)、白皮松林(1.23 mmmin-1)、锐齿栎(1.24 mmmin-1)和油松林(1.21 mmmin-1)。不同林分林下土壤入渗过程中,达到稳渗需要的时间有所不同,其中以油松+锐齿栎林最大(28 min),油松林最小(20 min)。利用SPSS软件对5种不同林分林下土壤入渗时间和入渗速率进行回归分析,发现它们之间存在着较好的幂函数关系:
F=atb(R2>0.94),式中:F为土壤入渗速率,t为入渗时间,a为入渗系数,b为指数。
4 结论
4.1 不同林分林地0~30 cm土层土壤容重均值范围为1.14~1.48 gcm-3,其大小表现为油松+辽东栎林(1.48 gcm-3)> 白皮松林(1.30 gcm-3) >锐齿栎林分(1.29 gcm-3)> 油松+锐齿栎林分(1.22 gcm-3)>油松纯林>(1.14 gcm-3 )。土壤非毛管孔隙白皮松林分(4.37%)最大,油松+辽东栎林(2.00%)最小。毛管孔隙度表现为锐齿栎林(51.95%)最高,油松+辽东栎林分(41.40%)最小。不同林分林下土壤总孔隙度均值范围为43.40%~54.86%。锐齿栎林最大,油松+锐齿栎林和油松林次之,油松+辽东栎林最小。
4.2 土壤最大持水量平均值大小关系为锐齿栎林(548.56 thm-2)>油松+锐齿栎林(519.56 thm-2)>油松林(505.07 thm-2)>白皮松林(483.65 thm-2)>油松+辽东栎林(434.02 thm-2),说明锐齿栎林分土壤持水能力最强。
4.3 5种林分类型林下土壤初渗速率锐齿栎林分最高,为51.12 mmmin-1,白皮松林分最小,为38.62 mmmin-1。不同林分林下土壤的稳渗速率由大到小分别为油松+锐齿栎林(1.52 mmmin-1)、油松+辽东栎林(1.41 mmmin-1)、白皮松林分(1.23 mmmin-1)、锐齿栎林(1.24 mmmin-1)和油松林(1.21 mmmin-1)。不同林分林下土壤入渗过程中,达到稳渗需要的时间有所不同,其中以油松+锐齿栎林最大(28 min),油松林最小(20 min)。