辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤矿质层蓄水能力分析

沈阳农业大学学报,2003-02,34(1):31-34JournalofShenyangAgriculturalUniversity,2003-02,34(1):31-34辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤矿质层蓄水能力分析1,23高人,周广柱(1中国科学院南京土壤研究所土壤圈物质循环重点实验室,江苏南京210008;2福建师范大学地理研究所,福建福州350007;3沈阳农业大学林学院,辽宁沈阳110161)摘要:对辽宁东部山区具有代表性的油松林、落叶松林、红松林、柞木林、杂木林及灌丛6种植被类型的土壤蓄水能力及其影响因素进行了比较研究。结果表明,各植被类型80cm土层的总蓄水能力为362.0～422.2mm,平均值为387.2mm;80cm土层的有效蓄水能力为102.4～182.2mm,平均值为156.5mm,都表现为阔叶林大于针叶林,灌丛居于中间。棕壤和暗棕壤无论是总蓄水能力还是有效蓄水能力都表现出阔叶林大于针叶林。植被类型、土壤种类及土壤层次对非毛管孔隙度有显著影响。植被类型对非毛管孔隙度的作用特点是阔叶林大于针叶林,灌丛居于中间;土壤类型的作用特点是棕壤大于暗棕壤;土壤层次的作用特点是A层>B层>C层。本研究对于科学地评价该地区水源涵养林的水文效益,指导水源涵养林体系建设具有重要意义。关键词:森林水文;森林土壤;蓄水能力;植被类型;东部山区;辽宁中图分类号:S715文献标识码:A文章编号:1000-1700(2003)01-0031-04AStudyonMineralSoilWater-storageforSixForestVegetationTypesinEastLiaoningMountainousRegion1,2GAORen,etal.(1CAMP,ISSAS,Nanjing,210008;2InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)Abstract:Mineralsoilwater-storageanditsinfluencingfactorswerecomparativelystudiedforthe6majorforestvegetationtypessuchasChinesepine,larch,Koreanpine,oak,weedtreesandfilbertbushinEastLiaoningmountainousregion.Itwasfollowedthatthetotalsoilwaterstoragein80cmdepthrangedfrom362.0mmto422.2mm,averaged387.2mmforthe6vegetationtypes,showingthelargestforhardwoods,mediumforfilbertbush,thelastforconifers.Thetotalsoilavailablewaterstoragein80cmdepthrangedfrom102.4mmto182.2mm,averaged156.5mm,alsodemonstratingthehardwoodsweresuperiortotheconifers.Thefilbertbushwasinmedium.Thetotalwaterstorageofdarkbrownearthwaslargerthanthatofbrownearth,buttheavailablewaterstorageofdarkbrownearthwaslessthanthatofbrownearth.Inthetwokindsofsoil,darkbrownearthanddarkbrownearth,eithertotalwaterstorageoravailableonewaslargerforhardwoodsthanforconifers.Covarianceanalysesindicatedthatthefactorsofvegetationtypes,soiltypesandsoilhorizonsweresignificantlyrelatedtononcapillaryporosity.Thenoncapillaryporositiesofhardwoodsandfil2bertbushwerelargerthanthoseofconifers,andforsoillayers.ThenoncapillaryporosityofAhorizonsrankedthefirst,Bthesec2ond,andCthelast.Capillaryporosityofdarkbrownearthwaslargerthanthatofbrownearth.Thisstudywasofsignificancetoei2therassessmentoflocalhydro-efficienciesofwaterconservationforestsorguidancetotheconstructionoflocalsystemofwaterconser2vationforests.Keywords:foresthydrology;forestsoil;water-storage;vegetationtype;Eastmountainousregion;Liaoning土壤矿质层是继植被层和枯落物层后森林水文效应的第三层次,是大气降水的主要蓄存库和调节器。暂时蓄存的降水,一部分供植物蒸腾和地表蒸发,一部分则通过渗透汇入溪流,因此土壤矿质层在森林水分循环中具有重要的作用。森林土壤矿质层的水文生态功能主要表现为土壤孔隙尤其是非毛管孔隙容纳天然降水的数量和向下渗透的能力,前者为其静态调蓄功能,后者为其动态调蓄功能。土壤矿质层的这些功能是森林各种有益水文作用的基础。辽宁东部山区属于低山丘陵,由几条NE-SW走向山脉构成,自北向南有大黑山、吉林哈达岭山脉、千山山脉和老爷岭山脉,地势由北向南逐渐升高。水系主要有辽河水系和鸭绿江水系,它们的主要支流如浑河、太子河、浑江、云爱河、大洋河均流贯于该地区。本区属于温带湿润的季风气候,年降水量750～1200mm,年均气温5～8℃,土壤多为棕色森林土和暗棕色森林土。全区属长白植物区系,地带性植物群落为以红松为主的针阔混交林,目前绝大部分已演变为天然次生林,天然次生林已占该地区森林面积的84%,其中柞木林占54%,杂木林占30%;人工林约占16%,以落叶松林、油松林、红松林为主。辽宁东部山区是供给辽宁省中东部地区城市和农业用水的主要水源地,该区现已规划为水源涵养用材林区,水源涵养林体系建设已经成为这一地区森林生态环境建设的主要任务。因此,研究该地区土壤矿质层收稿日期:2002-05-27作者简介:高人(1963-),男,现在中科院南京土壤研究所做博士后研究工作,从事土壤氮循环与环境、农业污染方面研究。●研究报告RESEARCHREPORT ·32·沈阳农业大学学报第34卷蓄水能力及其同植被类型、土壤类型及土壤层次的关系,对于科学地评价水源涵养林的水文效益,指导水源涵养林体系建设具有重要意义。1材料与方法在辽河水系,主要是浑河、柴河、太子河沿岸(40.5°～42.5°N,120°～126°E)设置临时标准地,共1422块,标准地面积300～400m。森林类型有:油松(Pinustabuleaformis)林、落叶松(Larixkeampfari)林、红松(Pinuskoraiensis)林均为人工林,林龄40年左右,山中腹;柞木林和杂木林都为天然次生林,处于V龄级,山中腹,几无人为干扰。前者是一种以栎属(QuercusL.)的几个树种为优势种的植物群落,其中以蒙古栎(Q.mongolica)为多;后者是由阔叶树种组成的无一定优势种的植物群落,常见树种有色木槭(Acer.mono)、紫椴(Tilia.amurensis)、水曲柳(Fraxinus.mandshurica)、蒙古栎(Q.mongolica)、核桃楸(Juglansmandshurica)等;灌丛是一种以榛子(Corylusheterophylla)为优势种的植物群落。土壤类型为棕壤和暗棕壤。每块标准地进行常规的植被调查和土壤剖面调查,并对每个土壤剖面分别自然发生层次A(淋溶层)、B(淀积层)和C(母质层)打取环刀及提取铝盒样品,3个重复。土壤含水量(质量湿度)用烘干法,土壤容重和孔隙度用环刀法。土壤总蓄水量(mm)=总孔隙度×土层厚度(cm)×10土壤有效蓄水量(mm)=非毛管孔隙度×土层厚度(cm)×102结果与分析土壤的蓄水能力,在数量上取决于土壤的孔隙度和土层厚度。由土壤总孔隙度计算的蓄水能力为土壤的总蓄水能力,由非毛管孔隙计算的蓄水能力为土壤的有效蓄水能力,而且后者更能有效地反映土壤的蓄水能力。因为在土壤总空隙中,只有滞留在非毛管孔隙中的降水才能在重力和一定压力梯度作用下,最终以壤中流(interflow)和地下径流(groundflow)方式补给河川径流,对调蓄河川径流发挥作用。2.1土壤孔隙度的相关因素分析土壤孔隙度及其相关因子[森林类型、土壤类型、土壤层次、土壤容重、土壤含水量(干基)]的综合资料见表1,协方差分析结果见表2和表3。表1不同森林-土壤类型的水分物理性质及其蓄水能力Table1Hydrophysicalpropertiesandwaterstoragesfordifferentforest-soiltypes森林类型土壤类型土层平均深度容重土壤含水量总孔隙度总蓄水量有效蓄水量非毛管孔隙度ForesttypesSoiltypesHorizonDepthBulkdensityWatercontentTotalwaterheldTotalwaterheldAvailablewaterheldNoncapillaryporosity-3(cm)(g·cm)(%)(%)(mm)(mm)(%)油松棕壤A0.5～8.51.0620.4757.6046.118.523.10B8.5～23.61.1917.2947.5571.831.320.70ChinesepineBrownearthC23.6～80.01.2516.0215.60257.290.816.10落叶松棕壤A6.0～21.00.9822.5558.5487.835.223.49B21.0～51.01.1716.9648.31144.957.719.22LarchBrownearthC51.0～80.01.3215.0740.92118.740.013.78落叶松暗棕壤A2.0～19.00.7248.3767.48114.720.111.80B19.0～34.01.0018.7744.8567.315.410.25LarchDarkbrownearthC34.0～80.01.2418.8141.41190.536.67.96红松棕壤A5.5～13.50.9222.3760.4048.314.217.80B13.5～46.00.9118.2255.70181.063.919.65KoreanpineBrownearthC46.0～80.01.0115.7631.02105.557.116.82红松暗棕壤A7.0～19.00.7232.3068.0281.618.615.42B19.0～46.01.0025.1035.31176.335.413.11KoreanpineDarkbrownearthC46.0～80.01.2415.7037.93129.032.79.76柞木林棕壤A2.0～11.00.8524.8263.2256.926.829.77B11.0～28.50.9820.2855.8297.746.726.71OakBrownearthC28.5～80.01.1115.7448.41249.3121.823.64柞木林暗棕壤A4.0～13.50.7228.0470.3566.827.929.35B13.5～33.51.0325.3662.03124.117.924.58OakDarkbrownearthC33.5～80.00.9917.7053.70249.792.119.80杂木林棕壤A2.0～1420.6832.4064.5078.737.630.80B142.0～41.30.9620.2059.30160.755.820.60WeedtreeBrownearthC41.3～80.01.219.8043.30167.671.618.50杂木林暗棕壤A2.0～16.80.6843.9071.50105.840.327.20B16.8～38.30.9822.2058.40125.641.519.30WeedtreeDarkbrownearthC38.3～80.01.1916.2045.10188.170.616.90灌丛棕壤A1.4～8.40.7836.1461.5343.111.015.76B8.4～30.71.1917.3952.37116.839.117.52BushBrownearthC30.7～80.01.3514.6647.45223.994.319.12●研究报告RESEARCHREPORT 第1期高人等:辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤矿质层蓄水能力分析·33·表2不同森林土壤类型总孔隙度影响因素协方差分析Table2Covarianceanalysisintofactorsrelatedtototalporosity误差来源离差平方和自由度均方F值F0.05F0.01ErrorsourceSumofsquaresDfMeansquaresFValue**林型Foresttype381.10576.212.9172.742.18土类Soiltype20.51220.600.7894.382.99**土层Soilhorizon443.411221.708.4853.522.61容重Bulkdensity31.44131.441.2034.382.99*土壤含水量Watercontent89.97189.963.4434.382.99剩余误差Residual496.461926.12合计Sum1462.9929由表2可以看出,森林类型、土壤层次及土壤含水量同土壤总孔隙度的相关关系极显著或显著。森林类型的作用特点是阔叶林和灌丛的总孔隙度大于针叶林,具体排序是柞木林>灌丛>杂木林>红松林>落叶松林>油松林;土壤层次对土壤总孔隙度作用特点是A层>B层>C层;土壤含水量同总孔隙度是正相关关系,即土壤含水量越高,则土壤的总孔隙度越大。表3不同森林土壤类型非毛管孔隙度影响因素协方差分析Table3Covarianceanalysesintofactorsrelatedtononcapillaryporosity误差来源离差平方和自由度均方F值F0.05F0.01ErrorsourceSumofsquaresDfMeansquaresFValue**林型Foresttype458.94591.7938.6632.742.18**土类Soiltype76.67176.677.2364.382.99*土层Soilhorizon60.24230.122.8433.522.61容重Bulkdensity1.7011.710.1614.382.99土壤含水量Watercontent0.0810.080.0084.382.99剩余误差Residual201.311910.60合计Sum798.8529由表3可以看出,同土壤非毛管孔隙度显著相关的因子有森林类型、土壤种类及土壤层次。其中前两者关系极显著。森林类型对非毛管孔隙度的影响特点是阔叶林大于针叶林,灌丛居间,具体排序是柞木林>杂木林>油松林>灌丛>红松林>落叶松林;土壤类型的作用特点是棕壤的平均非毛管孔隙度(21.7%)大于暗棕壤的平均非毛管孔隙度(17.1%),反映出棕壤较暗棕壤具有更好的蓄水性能;土壤层次对非毛管孔隙度的作用特点是A层(22.5%)>B层(19.2%)>C层(16.6%)。2.2不同植被类型的土壤蓄水能力总蓄水能力计算结果表明(表1),各森林植被类型土壤A层的总蓄水能力是灌丛和油松林较低,具体排序为落叶松林>杂木林>红松林>柞木林>油松林>灌丛,平均值为68.3mm;土壤A+B层的总蓄水能力排序为红松林>杂木林>落叶松林>柞木林>灌丛>油松林,平均值为189.5mm。按80cm土层厚度计算的整个土层的总蓄水能力,即A+B+C蓄水能力,是阔叶林大于针叶林,灌丛居间,具体排序为柞木林>杂木林>灌丛>油松林>落叶松林>红松林,平均值为387.2mm。有效蓄水能力因森林植被类型和土壤层次的不同而不同(表1)。土壤A层和A+B层的有效蓄水能力是杂木林和柞木林较高,灌丛较低;A层有效蓄水能力排序为杂木林>柞木林>落叶松林>油松林>红松林>灌丛;A+B层有效蓄水能力排序为杂木林>红松林>柞木林>落叶松林>灌丛>油松林。前者的平均值为23.4mm,后者的平均值为63.7mm。按80cm土层厚度计算的A+B+C层的有效蓄水能力表现为阔叶林最高,灌丛次之,针叶林最低,具体排序为柞木林>杂木林>灌丛>油松林>落叶松林>红松林,平均值为156.5mm。2.3不同土壤类型的各林型蓄水能力由表4可以看出同一森林类型暗棕壤的总蓄水能力均大于棕壤的总蓄水能力,红松林不同土壤类型蓄水能力表现出的差异最大(极差率达14.4%,下同),其次为落叶松林(11.3%),再次为柞木林(10.2%),杂木林表现出的差异最小(3.0%),但同一森林类型暗棕壤的有效蓄水能力却都小于棕壤的有效蓄水能力。●研究报告RESEARCHREPORT ·34·沈阳农业大学学报第34卷表4不同森林土壤类型的蓄水能力(80cm土层)Table4Waterstoragefordifferentforest-soiltypes(80cmsoildepth)森林类型Foresttype土壤类型Soiltype总蓄水量Totalwaterheld(mm)有效蓄水量Availablewaterheld(mm)油松林Chinesepine棕壤Brownearth375.1140.5落叶松林Larch棕壤Brownearth351.4132.9落叶松林Larch暗棕壤Darkbrownearth372.572.1红松Koreanpine棕壤Brownearth334.8135.3红松Koreanpine暗棕壤Darkbrownearth386.986.6柞木林Oak棕壤Brownearth403.9196.2柞木林Oak暗棕壤Darkbrownearth440.6167.9杂木林Weedtree棕壤Brownearth407.0165.0杂木林Weedtree暗棕壤Darkbrownearth419.6152.2灌丛Bush棕壤Brownearth383.8144.4分别不同土壤类型(棕壤或暗棕壤)来比较不同森林类型的蓄水能力差异,结果发现,无论对于棕壤,还是暗棕壤,各森林植被类型的总蓄水能力或有效蓄水能力排列顺序基本一致,都表现为阔叶林和灌丛的蓄水能力大于针叶林。各森林植被类型棕壤的平均总蓄水能力376.0mm,平均有效蓄水能力为152.4mm,暗棕壤的平均总蓄水能力为404.9mm,平均有效蓄水能力为119.7mm。3结论本研究的结果表明,森林土壤的蓄水能力依植被类型、土壤类型、土壤层次的不同而不同,阔叶林的蓄水能力一般要高于针叶林,灌丛也有较好的蓄水能力。因此,在经营和改造现有林分为水源涵养林时,要注意保护好现有阔叶林,尤其在立地条件恶劣的情况下,对灌丛也要给予高度重视;现有针叶林可通过引入阔叶树种逐步改造为针阔混交林或阔叶林;采伐迹地人工促进天然更新时要注意“栽针保阔”,人工营造水源涵养林时要注意优先选择阔叶林模式或针阔混交林模式。参考文献:[1]D.希勒尔.土壤和水[M].北京:农业出版社,1983.[2]付辉恩.森林土壤涵养水源功能的研究[J].林业科技通讯,1985,(8):14-17.[3]贺康宁.水土保持林地土壤水分物理性质的研究[J].北京林业大学学报,1995,17(3):44-50.[4]李昌哲.森林植被水源涵养效益的研究[J].林业科学,1986,22(1):86-98.[5]刘世荣.中国森林生态系统水文生态功能规律[M].北京:中国林业出版社,1996.[6]刘孝义,依艳丽.土壤物理学基础及其研究法[M].沈阳:东北大学出版社,1998.112-209.[7]王礼先,张志强.森林植被变化的水文生态效应研究进展[J].世界林业研究,1998(6):14-21.[8]王永安.药姑山区森林贮水量的初步测算[J].水土保持通报,1986(4):62-64.[9]吴长文,王礼先.林地土壤孔隙的贮水性能分析[J].水土保持研究,1995,2(1):76-79.[10]严昶升.土壤空隙组成在土体构造中的地位及其调节[J].中国科学院林业土壤研究所集刊,1997.(6):121-130.[11]DUNNET.FieldStudiesofHillslopeFlowProcesses[A].∥Kirkby,.HillslopeHydrology[C].JohnWiley&Sons,1978,227-294.[12]GHIDYALBP,TRIPATHIRP.SoilPhysics[M].India:WileyEasternLimited.1987.[13]HETHERINGTONED.TheImportanceofForestsintheHydrologicalRegime[A].∥HealyMD,WallaceRR.CanadianBulletinfisheriesandAquaticSciences[C].Ottawa,1987,15,533.[14]LEERICHARD.ForestHydrology[M].USAColumbiaUniversityPress,1980.[责任编辑王娟]●研究报告RESEARCHREPORT