大興安嶺森林類型枯落物及土壤水文功能

作為森林生態系統的獨特結構層，阿波羅層不僅具有蓄水、減少水土流失的功能，而且還具有減少水土流失的功能。另一方面，減少對土壤的直接接觸，另一方面吸收部分降水，減少對土壤表面的降水，對森林土壤的發育、保護和改善具有重要意義。阿波羅層結構松散，透水性好，透水能力強，在降水過程中起著緩沖器的作用。同時由于枯落物的機械阻攔作用,大大減少了地表徑流的產生,起到保持水土和涵養水源的作用。而森林土壤水文物理性質是森林生態系統水文功能的重要組成部分,是林木賴以生存的基礎,森林土壤涵養水源的能力對調節洪水和干旱、減弱并防止土壤侵蝕具有重要作用。不同森林類型的枯落物及其林下土壤具有不同的森林水文功能。大興安嶺具有獨特的地理和氣候條件,通過對大興安嶺嶺南5種不同森林類型的枯落物及土壤的森林水文功能的研究,將進一步揭示大興安嶺嶺南不同森林類型在水土保持、涵養水源等方面的規律。1南翁河自然保護區研究地點在大興安嶺嶺南的大興安嶺森林實驗站,該站位于大興安嶺林區東南部,大興安嶺支脈伊勒呼里山南麓,松嶺林業局境內,北以伊勒呼里山脈為界,東至二根河,南以松嶺局同加格達奇林業局界為準。地理坐標為北緯51°05′07″～51°39′24″,東經125°07′55″～125°50′05″。黑龍江南翁河自然保護區總面積為229523hm2,全部為國有林地。海拔高度一般為500～800m,屬于低山丘陵地帶,河谷寬闊,氣候屬于寒溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫-3℃,極端最低溫度-48℃,年日照時數2500h,無霜期90～100d,植物生長期為110d,年降雨量500mm。本地區地帶性土壤為棕色針葉林土壤,此外還有暗棕壤、草甸土、沼澤土、泥炭土。本區植被屬于南部蒙古櫟-興安落葉松林區。保護區現有植物資源61科442種,主要喬木樹種有興安落葉松、山楊、柞樹、柳樹、楊樹、云杉等;主要灌木種類有杜鵑、赤揚、榛子、胡枝子、刺玫、叢樺等。2學習方法(1)枯落物層單位面積累積量測在大興安嶺生態實驗站設立5塊標準地,采用每塊標準地機械布設0.20m×0.25m樣方5個,用卷尺測量并記載枯落物層的總厚度、未分解層厚度、半分解層厚度,將枯落物層按未分解層和半分解層分別收集取樣,分層稱重,帶回室內,95℃烘干稱重,以推算其單位面積累積量。(2)最大持水率測定采用室內浸泡法,將原狀枯落物試樣分別裝入尼龍袋,在清水中浸泡24h后稱重,計算其最大持水率,每個植被類型重復5次,另取未分解層、半分解層試樣,稱重后分別裝入尼龍袋,測定浸入清水后0.5,1,1.5,2,4,6,8,10,12,20h后重量變化,以研究其吸水速度及吸水過程,重復5次。(3)枯落物攔截蓄量估算通常采用有效攔蓄量(modifiedinterception)來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量,即:W=(0.85Rm-Ro)M,式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);Ro——平均自然含水率(%);M——枯落物累積量(t/hm2)。(4)土壤理化性質的測定采用環刀法,于2006年8月在標準地內挖掘土壤剖面,用環刀按照土層0～10cm,10～20cm,20～30cm,30～40cm分層取樣,每個組合重復3次,用烘干法和浸水法測定土壤的自然含水量、土壤的各項物理性狀和持水性能指標。(5)土壤總孔隙度單位面積最大持水量(t/hm2)=10000m2×土壤總孔隙度%×土層厚度m×水比重t/hm3;單位面積有效持水量(t/hm2)=10000m2×土壤非毛管孔隙度%×土層厚度m×水比重t/hm3。3結果與分析3.1林分及半分解層厚度枯落物的累積量測定結果見表1,林下枯落物層厚度為蒙古櫟林>柞樹-落葉松林>杜鵑-落葉松林>杜鵑-白樺林>草類-落葉松林;未分解層厚度為闊葉林>針闊混交林>針葉林;半分解層厚度杜鵑-落葉松林最大,其余林分的厚度相似;5個林型枯落物累積量范圍為12.35～48.46t/hm2,草類-落葉松林>杜鵑-落葉松林>柞樹-落葉松林>蒙古櫟林>杜鵑-白樺林。各林分枯落物半分解層的累積量為未分解層的1.3倍以上,蒙古櫟林枯落物半分解層累積量所占比例最大,為83.37%。測定結果顯示針葉林的枯落物累積量明顯高于闊葉林,未分解層和半分解層也有相似的特點。3.2分散層的保水性能3.2.1最大持水率由表2可知,草類-落葉松林枯落物的最大持水深遠大于其它各林分,為32mm;針葉林最大持水深大于針闊混交林,更大于闊葉林。最大持水率為杜鵑-白樺林>草類-落葉松林>杜鵑-落葉松林>柞樹-落葉松林>蒙古櫟林。最大持水量排序為草類-落葉松林>杜鵑-落葉松林>柞樹-落葉松林>蒙古櫟林>杜鵑-白樺林;半分解層的最大持水量為未分解層的1.3～6.1倍,針葉林最大持水量大于針闊混交林,闊葉林最小,這是由于針葉林枯落物累積量大于針闊混交林和闊葉林的緣故。3.2.2未分解層持水量由表3可知,柞樹-落葉松林和草類-落葉松林枯落物在不同浸水時間內未分解層的持水量高于半分解層的持水量,其它林分枯落物半分解層的持水量高于未分解層的持水量,至少都高于1倍以上;白樺林持水量增加幅度較大。在浸水前4h以內,枯落物吸水量較大,隨后明顯減小,20h時基本達到吸水量的最大值,枯落物吸水量基本飽和。對5種不同林分枯落物持水量與浸水時段之間的關系進行回歸分析(表4),發現枯落物持水量與浸水時段之間存在以下關系:y=aln(x)+by=aln(x)+b式中:Y——枯落物持水深(mm);x——浸水時段(h);a,b——方程系數。3.2.3蒙古櫟林、林、推動林由表5可以看出,針闊混交林和針葉林的吸水速度快于闊葉林。其吸水速度從大到小排序為柞樹-落葉松林>杜鵑-落葉松林>草類-落葉松林>蒙古櫟林>杜鵑-白樺林。不同林分類型枯落物的吸水速度隨時間的變化趨勢是一致的,在前4h內吸水速度降低幅度大,4h后吸水速度減緩,20h時趨向于零。對5種不同林分進行枯落物吸水速度與浸水時段之間的關系進行回歸分析(見表6),發現枯落物吸水速度與浸水時段之間存在以下關系:y=-aln(x)+b,式中:Y——吸水速度(g/g·h);x——浸水時段(h);a,b——方程系數。3.3林型間的最大攔截蓄量最大攔蓄率是根據枯落物的最大持水率和平均自然含水量計算得出的,公式為:最大攔蓄率(%)=最大持水率(%)-自然持水率(%);最大攔蓄量(t/hm2)=最大攔蓄率(%)×蓄積量(t/hm2);有效攔蓄率(%)=0.85×最大持水率(%)-自然持水率(%)。研究結果表明(表7):各林型的最大攔蓄率為416.55%～545.61%,平均值為454.12%,闊葉林的攔蓄能力強于針葉林,杜鵑-白樺林表現出顯著的攔蓄能力,具體排序為杜鵑-白樺林>蒙古櫟林>草類-落葉松林>杜鵑-落葉松林>柞樹-落葉松林。各林型的最大攔蓄量為71.5～200.27t/hm2,林型間平均值為125.97t/hm2,但由于枯落物累積量林型之間的差異,使得林型間的絕對攔蓄量同相對攔蓄量排序不同,表現為草類-落葉松林>杜鵑-落葉松林>柞樹-落葉松林>蒙古櫟林>杜鵑-白樺林。最大持水率(量)及最大攔蓄率(量)一般只能反映枯落物層的持水能力大小,不能反映對實際降水的攔蓄情況。據研究,當降雨量達到20～30mm以后,不論哪種植被類型枯落物層含水量高低,實際持水率為最大持水率的85%左右。所以用最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力則失之偏高,不符合它對降雨的實際攔蓄效果,一般用有效攔蓄量估算枯落物對降雨的實際攔蓄量,即:W=(0.85Rm-R0)M,式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);R0為平均自然含水率(%);M枯落物累積量(t/hm2)。分析結果表明(表7):各林型的有效攔蓄率、有效攔蓄量同其相應的最大攔蓄率、最大攔蓄量表現特點相同,有效攔蓄率變化范圍為327.28%～418.99%,林型間平均值為356.52%,各林型的有效攔蓄率排序為杜鵑-白樺林(418.99%)>蒙古櫟林(372.00)%>杜鵑-落葉松林(333.17%)>草類-落葉松林(331.18%)>柞樹-落葉松林(327.28%)。有效攔蓄量的變化范圍為57.60～152.27t/hm2,林型間平均值為96.91t/hm2,有效攔蓄量排序為草類-落葉松林(152.27t/hm2)>杜鵑-落葉松林(114.25t/hm2)>柞樹-落葉松林(93.03t/hm2)>蒙古櫟林(67.40t/hm2)>杜鵑-白樺林(57.60t/hm2)。3.4不同類型土壤物理性質土壤的物理性狀指土層厚度、土壤容重及土壤孔隙度等指標,土壤的物理性狀直接影響到土壤的持水性能、保水能力等,從表8中可見,不同植被類型土壤的物理性狀具有一定的差異,土壤容重是草類-落葉松林最小,其次是杜鵑-白樺林,最大的是蒙古櫟林;而土壤的總孔隙度、毛管孔隙度從大到小依次為蒙古櫟林、柞樹-落葉松林、杜鵑-落葉松林、杜鵑-白樺林和草類-落葉松林;非毛管孔隙度以杜鵑-白樺林最大14.52%,草類-落葉松林較小7.09%,由此可知,在改善土壤物理性質方面的潛力由大到小順序是杜鵑-白樺林>柞樹-落葉松林>杜鵑-落葉松林>蒙古櫟林>草類-落葉松林。原因主要是,枯落物種類不同,導致分解程度和對土壤的影響不同,另外,人為因素的影響也不盡相同。從土壤的持水性能看,無論是毛管持水量還是最大持水量都以蒙古櫟林最大,分別達到了5682.60t/hm2和7162.80t/hm2,杜鵑-落葉松林居中,草類-落葉松林最低,只有2683.60t/hm2和3817.00t/hm2。原因主要是上層厚度的差異造成的?？傮w來看,植被土壤的持水性能明顯,蒙古櫟林土壤的最大持水量達到了716.28mm,因此只要有足夠的時間讓水分滲入土壤,一般的降雨量土壤都可以完全吸收,不會形成地表徑流。4枯落物吸水性能(1)大興安嶺5個林型枯落物累積量范圍為12.35～48.46t/hm2,林分枯落物半分解層的累積量為未分解層的1.3倍以上,蒙古櫟林枯落物半分解層累積量所占比例最大為83.37%,針葉林的枯落物累積量明顯高于闊葉林。(2)最大持水率變化范圍565.66%～676.36%,平均值617.13%;不同林型下的最大持水量是草類-落葉松林最大,杜鵑-白樺林最小,半分解層的最大持水量為未分解層的1.3～6.1倍。針葉林最大持水量大于針闊混交林,闊葉林最小。(3)進行枯落物吸水過程分析,在浸水前4h以內,枯落物吸水量幅度較大,4h以后,吸水幅度明顯減小,20h時吸水量基本飽和。不同林分類型枯落物的吸水速度隨時間的變化趨勢是一致的,在前4h內吸水速度降低幅度大,4h以后較緩,20h時趨向于零。(4)有效攔蓄率變化范圍為327.28%～418.99%,林型間平均值為356.52%;有效攔蓄量的變化范圍為57.60～152.27t/hm2,林型間平均值為96.91t/hm2。(5)土壤容重是草類-落葉松林最小,其次是杜鵑-白樺林,最大的是蒙古櫟林;而土壤的總孔隙度、毛管孔隙度從大到小依次為蒙古櫟林、柞樹-落葉松林、杜鵑-落葉松林、杜鵑-白樺林和草類