鲁中片麻岩低山丘陵针阔混交林蓄水保土效益研究.pdf

第28卷第2期水土保持学报Vo1．28No．22014年4月Journa1ofSoilandWaterConservationApr．，2014鲁中片麻岩低山丘陵针阔混交林蓄水保土效益研究杨菲，杨吉华，艾钊，张国庆，魏晓明，王荣荣(山东农业大学林学院，山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，山东泰安271018)摘要：以山东省莱芜市雪野镇通天河小流域2003年3月营造的6种针阔混交林为研究对象，2013年10月采用样收获法测定枯落物蓄积量和灌草生物量，烘干法和环刀浸水法测定土壤物理性状和土壤水文效应，单环定量加水法测定土壤入渗速率，标尺法测定土壤侵蚀量，研究不同针阔混交林的蓄水保土效益。结果表明：(1)林下灌草盖度与生物量随林分郁闭度的增加而减少，而枯落物层蓄积量随林分郁闭度的增加而增加。(2)黑松刺槐混交林和侧柏刺槐混交林的土壤物理性状与土壤养分改良效果最好。(3)土壤蓄水性能以黑松刺槐混交林、侧柏刺槐混交林最好，其土壤渗透性能也较好。(4)减蚀量以黑松刺槐混交林、侧柏刺槐混交林最大。6种针阔混交林的蓄水保土效益以黑松刺槐混交林、侧柏刺槐混交林最大，黑松五角枫混交林、侧柏五角枫混交林、黑松麻栎混交林次之，侧柏麻栎混交林较差。关键词：鲁中低山丘陵；片麻岩；针阔混交林；蓄水保土效益中图分类号：$714．7文献标识码：A文章编号：1009—2242(2014)02—0051—06StudyontheFunctionofSoilandWaterConservationofDifferentTheOninLowMountainsandHillsofCentralShandongGneissRegionYANGFei，YANGJi—hua，AIZhao，ZHANGGuo—qing，WEIXiao—ming，WANGRong—rong(ShandongProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandEcologicalRestoration，CollegeofForestry，ShandongAgriculturalUniversity，Tai’an，Shandong271018)Abstract：TheobjectivesweretodeterminethefunctionofsoilandwaterconservationinsmallwatershedofTongtianhelocatedinXueyetown，Laiwucity，Shandongprovince，andusedthe6differenttheropence—drymionswhichplantedinMarchof2003astheresearchobject，andtheforestsbuiltonthescaleripple．InOctober2013，samp1eharvestmethodwasusedtomeasurethestandvolumeoflitterandbiomassofshrubandgrass，dryingmethodandcuttingringwaterimmersionmethodwasusedtomeasuresoilphysicalproper—tiesandwaterstorageperformance，monocyclicringquantitativewaterwasusedtomeasuresoilinfiltrationrateandscaleplatewasusedtomeasuresoilerosionamount．Theresultsshowedthat：(1)Thebiomassofshrubandgrassdecreasedwiththeincreasingofforestcanopyclosure．Whilethestandvolumeoflitterin—creasedwiththeincreasingofforestcanopyclosure．(2)Pinusthunbergii+RobiniapseudoacaciaandPlaty—cZ口ds0rientnli5+Robiniapseudoacaciawerebetterinsoilphysicalpropertiesandsoilnutrients．(3)Inthesoilwaterstoragecapacityandsoilinfiltrationrate，Pinusthunbergii+RobiniapseudoacaciaandPlatycla—d“sorlentalis+Robiniapse乱doacaciashowedbetter．(4)Comparedwiththecontrol，thesoilerosiona—mountsofPinusthunbergii+RobiniapseudoacaciaandPlatycladusorientalis+Robiniapseudoacaciare—ducedthebiggervalues．Forthe6kindsoftheropencedrymion，Pinusthunbergii+RobiniapseudoacaciaandPl口tycZads0rientalis+Robiniapseudoacaciahadthebestfunctionsofsoilandwaterconservation，thenfollowedbvPis￡unbergii+Acermonomaxin，Platycladusorientalis+Acerrnonomaxin，Pinusthnbergi+Quercusacutissima，andPlatycladusorientalis-q-Quercusacutissimashowedpoorerinthefunc—tionsofsoilandwaterconservation．Keywords：lowmountainsandhillsofcentralShandong；gneiss；theropencedrymion；thefunctionofsoilandwaterconservatjon收稿日期：2013—11—19基金项目：世界银行贷款山东生态造林项目“干旱瘠薄山地造林树种及造林模型选择研究”(SEAP—KY一1Pl12759)作者简介：杨菲(1988-)，女，陕西兴平人，硕士研究生，主要从事流域综合治理研究。E—mail：yangfei20086796@163．com通讯作者：杨吉华(1957一)，男，山东济南人，学士，教授，主要从事流域综合治理等研究。E—mail：jhyang@sdau．edu．cn 52水土保持学报第28卷山东省砂石山低山丘陵区总面积43236km。，约占全省山地面积的73，由于该区域岩石为花岗片麻岩，物理风化快，砂粒含量多，属于粗骨松散土，加之山东省汛期降雨集中，易造成水土流失口]。严重的水土流失造成土层变薄、土壤理化性状恶化，制约着砂石山低山丘陵区经济和社会的协调发展，因此开展山东省砂石山低山丘陵区的生态治理工作迫在眉睫。营造针阔混交林同营造针叶纯林相比，具有森林结构合理，林地生态稳定，改良土壤，涵养水源，保持水土的良好作用，是发展生态林业的必然选择]。以往的研究多集中于针阔混交林的林分生长特性、林木生长量、空间及群落结构等方面，而对其蓄水保土效益研究较少。为此，本文在确定砂石山低山丘陵区适地适树造林原则的基础上，研究山东省莱芜市雪野镇通天河小流域10年生针阔混交林在蓄水保土方面的作用和效果，选择适宜鲁中砂石山低山丘陵区营造的针阔混交林类型，为砂石山低山丘陵区生态造林提供参考。1试验地概况试验区位于山东省莱芜市雪野镇通天河小流域，地理位置东经117。3115，北纬36。2715，小流域涉及19个行政村，29个自然村，总面积86km。，海拔高度在210~400m之间，属于砂石山低山丘陵区。岩石种类为片麻岩，属于粗骨松散土，土壤为棕壤，土层厚度2O～40cm。该区域属温带亚湿润大陆性季风气候，多年平均气温13．15℃，最低气温一2O℃，最高气温36．2℃，≥1O℃有效积温2306．0C，年平均日照时数2654h，无霜期189d，多年平均降水量667．5mm，其中春季降水量33mm，夏季降水量460mm，秋季降水量140．5mm，冬季降水量34mm。2试验材料与研究方法2．1试验材料试验材料选取侧柏刺槐混交林(Platycladusorientalis4-Robiniapseudoacacia)、侧柏麻栎混交林(Platy—cladusorientalis+Quercusacutissima)、侧柏五角枫混交林(Platycladusorientalis4-Acermonomaxin．)、黑松刺槐混交林(Pinusthunbergii+Robiniapseudoacacia)、黑松麻栎混交林(Pinusthunbergii4-Quercusacut—issima)、黑松五角枫混交林(Pinusthunbergii+Acermonomaxin．)，以黑松纯林(Pinusthunbergii)作为对照。从试验小流域中选择山坡中上部，土层厚度30—40cm，坡度2O～21。，坡向为西南的半阴坡，2003年2月进行长径0．7m、短径0．5ITI、深0．4rn的鱼鳞坑整地，2003年3月阔叶树种采用2年生裸根苗春季造林，8月侧柏、黑松采用2年生容器苗雨季造林。采用针阔树种每3行为一带的混交方式进行栽植，共6带，混交比例5：5，株行距3m×3m，栽植密度1110株／hm，每种林分类型栽植一个小区，每个小区面积为54iTI×33m一1782rn。，每个小区重复3次，共21个小区，试验区面积3．8hm。，保留林地内灌草植被。2013年1O月调查不同针阔混交林的林木生长状况(表1)。表1不同针阔混交林林木生长状况林分类型林龄／坡位坡向土层厚度／NN／树种树高胸径冠枝下高郁闭度acmLJmCmmrn侧柏+刺槐1O中上西南4O21刺槐1O169．188．754．25O-78．侧柏6．816．296．483．50侧柏+麻栎1O中上西南4O21麻栎8O·82．848．998．963．8O侧柏6．856．316．723．52侧柏+五角枫1O中上西南4O五角枫8．668．548．273．66O·73黑松7．396．796．733．65黑松+刺槐1O中上西南4O2O刺槐1OO·81．219．438．724．28黑松7．136．486．693．64黑松+麻栎1O中上西南402O麻栎8O·83．899．368．873．83黑松7．246．646．643．62黑松+五角枫1O中上西南4O2O五角枫8．718．768．493．68O·75对照(黑松)10中上西南4O2]黑松6．946．387．323．420．7O2．2试验方法(1)标准地布设：2013年1O月，在6种针阔混交林内分别设置5个6m×131TI的标准地，在黑松纯林内设置3个6rn×13m的标准地作为对照，重复3次，测定树高、胸径、冠幅、枝下高、郁闭度。(2)林下灌草植被生 第2期杨菲等：鲁中片麻岩低山丘陵针阔混交林蓄水保土效益研究物量测定：在标准地内均匀布设3个2m×2m的样方，采用样方收获法计算生物量。(3)枯落物蓄积量测定：在标准地的对角线上均匀布设3个1m×1m的样方，测量枯落物厚度，采用烘干法计算积蓄量。(4)土壤理化性状的测定：在标准地内选取3个样点分别取0—20cm，20—40cm土壤样品，用烘干法测定土壤含水量i用环刀浸水法测定土壤密度、土壤孔隙度、土壤饱和贮水量；采用单环定量加水法测定土壤的人渗速率i有机质、全磷和速效磷分别采用重铬酸钾法、氢氧化钠一钼锑抗比色法、0．5mol／L碳酸氢钠法测定，全钾和速效钾、全氮和水解氮采用火焰光度计法、凯氏仪法和扩散吸收法测定，计算每种混交林0—40cm平均值。(5)土壤侵蚀量测定：2013年分别在6种针阔混交林和黑松纯林的标准地内插入600个标尺，用标尺法测定3—1O月的平均土壤侵蚀深度(mm)，再乘以各针阔混交林和黑松纯林的土壤密度，即为土壤侵蚀模数口。]。2．3数据处理利用Excel2003对测定实验数据进行处理与表格制作，利用SPSS17．0对实验数据进行方差分析、Duncan法多重比较。3结果与分析3．1不同针阔混交林林下灌草生物量和枯落物蓄积量研究3．1．1不同针阔混交林林下灌草生物量林下灌草层对降雨的截留作用可以避免降雨对土壤的直接冲刷，其截留量的大小取决于灌草枝叶量的多少，此外灌草根系可以增强土壤的抗冲性和抗蚀性，因此对灌草生物量的研究能在一定程度上反映出林分固持土壤的作用。由表2可以看出，6种针阔混交林的灌草盖度与生物量均小于黑松纯林，这主要是因为针阔混交林的郁闭度较大，抑制了林下灌草的生长，其中以侧柏五角枫混交林、黑松五角枫混交林的灌草生物量较大，其他4种混交林之间差值较小，但均小于黑松纯林。对6种针阔混交林的灌木总生物量、草本总生物量和灌草总生物量进行方差分析，其显著性概率P一0．000，表明不同针阔混交林的灌草生物量之间存在显著差异。表2不同针阔混交林林下灌草生物量3．1．2不同针阔混交林枯落物层蓄积量林下枯落物层不仅对降水有一定的截留作用，还能消减降雨动能、降低径流流速、增加土壤人渗、减少地表径流。由表3可以看出，不同针阔混交林的枯落物层蓄积量和厚度均大于黑松纯林，枯落物层蓄积量以黑松麻栎混交林的8．91t／hm。较大，其次为侧柏麻栎混交林、黑松刺槐混交林、侧柏刺槐混交林，黑松五角枫混交林、侧柏五角枫混交林的较小。对枯落物未分解层、半分解层、已分解层和枯落物总蓄积量进行方差分析，结果显示其显著性概率P一0．000，表明6种针阔混交林的枯落物未分解层、半分解层、已分解层和枯落物总蓄积量存在显著差异，多重比较结果如表3中字母标记所示。表3不同针阔混交林枯落物蓄积量侧柏+刺槐1O2．71d2．63．04c2．52．80a1．88．55C6．9侧柏+麻栎1O2．87f2．93．01b2．52．83C1．78．71e7．1侧柏+五角枫1O2．61a2．42．89a2．32．88dl_98．38a6．6黑松+刺槐1O2．68c2．53．06e2．62．95e2．O8．69d7．1黑松+麻栎1O2．84e2．73．05d2．53．02f2．18．91f7．3黑松+五角枫1O2．66b2．53．01b2．52．82b1．58．49b6．5对照(黑松)102．522．42．241．82．151．56．915．7注：A为枯落物未分解层；Az为枯落物半分解层；As为枯落物已分解层。 54水土保持学报第28卷在未分解层中麻栎林因叶片大而肥厚腐烂较慢，而刺槐、五角枫的叶片小而薄则易腐烂，黑松枯落物成分中含大量油脂，分解很慢Ⅲ。因此，未分解层以侧柏麻栎混交林和黑松麻栎混交林的蓄积量较大，侧柏刺槐混交林、黑松刺槐混交林、黑松五角枫混交林、侧柏五角枫混交林的较小；而已分解层以黑松麻栎混交林较大，侧柏刺槐混交林的较小。3．2不同针阔混交林土壤理化性质研究表4不同针阔混交林土壤物理性状3．2．1不同针阔混交林土壤物理性状土壤侵蚀可导致土地退化，土地退化则集中体现为土壤一系列理化性质变差，特别是土壤物理性状的明显恶化，因此土壤物理性状能在一定程度上反映出土壤侵蚀的强弱l_5]，也能较好的反映不同林分对林地水土保持功能的改善作用。由表4可以看出，6种混交林的土壤密度均小于黑松纯林，而孔隙度均大于黑松纯林。其中黑松刺槐混交林、侧柏刺槐混交林的土壤密度较小，黑松麻栎混交林的较大；土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度均以黑松刺槐混交林的较大，侧柏麻栎混交林的较小。对6种针阔混交林的土壤密度、总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度进行方差分析，其显著性概率P一0．000，说明不同针阔混交林土壤物理性状差异显著。3．2．2不同针阔混交林土壤养分质量分数植被对土壤养分的改良效应与植物群落的生物量大小、储存率和转化率等是分不开的，因此对土壤养分的研究有利于了解林分生物量的状况，从而反映出针阔混交林对土壤养分的改良效应。由表5可知，不同针阔混交林土壤养分质量分数均优于黑松纯林，说明针阔混交林较纯林有较好的养分改良作用，其中黑松刺槐混交林和侧柏刺槐混交林的土壤养分质量分数较高，黑松五角枫混交林、侧柏五角枫混交林的次之，黑松麻栎混交林、侧柏麻栎混交林的较小。对6种针阔混交林土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾的质量分数进行方差分析，其显著性概率分别为：P一0．000，P一0．000，P一0．006，P一0．027，P一0．000，P一0．000，P===0．000，表明不同针阔混交林的土壤养分质量分数均存在显著差异。表5不同针阔混交林土壤养分质量分数3．3不同针阔混交林土壤水文效应研究3．3．1不同针阔混交林土壤持水与贮水效应土壤层是林地贮存水分的主要场所，土壤的持水和贮水性能在一定程度上能够反映林地的水源涵养功能。毛管孔隙能较长时间保持土壤中的水分，主要用于植物吸收和土壤蒸发，非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗，对森林水源涵养功能更为有利。6种针阔混交林的土壤水文效应均优于黑松纯林，其中黑松刺槐混交林的土壤持水和贮水量较大，侧柏麻栎混交林的较小。方差分析结果表明，6种针阔混交林各水文效应指标的显著性概率P一0．000，除黑松五角枫混交林和侧柏五角枫混交林的土壤最大持水率和土壤毛管最大持水率无显著差异外，6种针阔?昆交林的现有土壤贮水量、土壤饱和贮水量和增加的土壤饱和贮水量均存在显著差异。其中黑松刺槐混交林与黑松纯林相比增加的土壤饱和贮水量较大，为228．4m。／hm，侧柏麻栎混交林的较小，为169．2m。／hm。3．3．2不同针阔混交林土壤渗透速率土壤的理化性状主要指土壤密度、土壤孔隙度和土壤有机质质量分数等指标，土壤理化性状的优劣直接影响土壤的持水和渗透能力，优良的土壤理化性状对于减少地表径流、涵养水源、保持水土具有重要作用l6]。6种针阔混交林的土壤初渗速率、稳渗速率、平均渗透速率均大于黑松纯林，6种针阔混交林的平均渗透速率分别比黑松纯林增加了1．46，1．35，1．38，l_49，1．36，1．43倍，这是由于针阔 第2期杨菲等：鲁中片麻岩低山丘陵针阔混交林蓄水保土效益研究55混交林有较好的土壤非毛管孔隙改良作用，从而促使土壤入渗加快。其中以黑松刺槐混交林和侧柏刺槐混交林的初渗速率、稳渗速率和平均渗透速率较大，而侧柏麻栎混交林的较小。方差分析结果显示6种针阔混交林的显著性概率均为P：0．000。‘表6不同针阔混交林土壤水文效应3．4不同针阔混交林土壤侵蚀量研究林分对土壤的减蚀作用是通过植被的树冠群体、植物群落、枯落物层和土壤层的综合效能对地表径流产生影响，从而改变土壤侵蚀量，这种综合效能表现出针阔混交林>针叶林的规律。6种针阔混交林的侵蚀深度和土壤侵蚀模数均小于黑松纯林，说明针阔混交林较纯林有较好的保土效益。对6种针阔混交林的土壤减蚀量进行方差分析，显著性概率P===0．000，多重比较结果表明6种针阔混交林的土壤减蚀量之间两两差异显著。其中以黑松刺槐混交林的减蚀量较大，为6．55t／(hm·a)，侧柏麻栎混交林的较小，为4．98t／(hm·a)。表8不同针阔混交林土壤侵蚀量3．5不同针阔混交林蓄水保土效益林分的蓄水保土效益是乔木层、灌草层、枯落物层和植物根系等通过拦截降水、蓄集径流、保护林地表层土壤以及固持土壤，提高土壤抗蚀性、抗冲性来体现的，植被类型不同其蓄水保土功能也不同。在选取不同针阔混交林的林分郁闭度、林下灌草盖度、林下灌草生物量、枯落物蓄积量、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机质、平均渗透速率、与对照相比增加的土壤饱和贮水量、与对照相比减少的土壤侵蚀量等因子时由于单位不统一，无法直接进行汇总，所以数据整理后还需对其进行消除量纲处理，本文采用均值化法对数据进行消除量纲处理，计算公式为：X=X／X洋均，结果见表9。对各项蓄水保土指标进行无量纲化处理，按各项蓄水保土指标得分相加得出蓄水保土效益：w—X+X+X3+X4+X+X6+X7+X8+X9+X1o式中：w为蓄水保土效益；X为林分郁闭度；X为林下灌草盖度；X。为林下灌草生物量；X为枯落物蓄积量； 水土保持学报第28卷X为土壤总孑L隙度；X为土壤非毛管孔隙度；X为土壤有机质；X为增加的土壤饱和贮水量；X。为土壤平均渗透速率；X。为减蚀量l4]。6种针阔混交林的蓄水保土效益以黑松刺槐混交林的较大，为1O．36，侧柏麻栎混交林的最小，为9．50。对6种混交林的蓄水保土效益进行方差分析，差异性概率P一0．000，多重分析结果如表9，表明6种针阔混交林之间两两差异显著。表9不同针阔混交林消除量纲后各影响因子与蓄水保土效益林分类型郁闭度盖度嚣生物量蓑积蓄量隙度孑L隙度有⋯顺一饱和贮素水量透速率减⋯蚀’。量一土效益侧柏+刺槐0．991．031．O00．991．011．011．O41．O71_O41．O8l0．26e侧柏+麻栎l_O40．950．951．01O．98O．980．95O．830．960．859．5Oa侧柏+五角枫0．931．O91．O9O．971．OO1．OOO．991．O2O．98O．991O．06黑松+刺槐i．030．990．97l_011．0l1．O21．041．121．05l_l210．36f黑松+麻栎1．060．890．941．030．990．980．970．900．960．929．64b黑松+五角枫0．951．O51．050．981．OO1．O11．OO1．O41．011．O510．14d4结论(1)随林分郁闭度的增加林下灌草植被盖度和灌草生物量减小，6种针阔混交林的林下灌草生物量均小于黑松纯林，这是因为针阔混交林郁闭度较大，影响了林下灌草的生长，其中侧柏五角枫混交林的较大，黑松麻栎混交林的较小；而枯落物层蓄积量则表现为随林分郁闭度的增加而增加，其中黑松麻栎混交林的较大，侧柏五角枫混交林的较小。(2)林地土壤理化性质表现为针阔混交林优于黑松纯林。针阔混交林具有较厚的枯落物层，加之林内水分、温度等的影响使枯落物的转化率增加，从而促进土壤团粒结构形成，改善土壤物理性状，并增加了土壤养分质量分数，其中黑松刺槐混交林的较大，侧柏麻栎混交林的较小。(3)针阔}昆交林林地土壤的持水、贮水的潜在能力明显高于黑松纯林。在增加的土壤饱和贮水量方面，6种林分中以黑松刺槐混交林的较大，侧柏麻栎混交林的较小。林地土壤水分入渗速率方面，6种针阔混交林的渗透速率均大于黑松纯林。(4)由于针阔混交林在枯落物蓄积量、土壤理化性质和土壤水文效应方面均优于黑松纯林，因此6种针阔混交林均能有效减少土壤侵蚀，其中以黑松刺槐混交林的土壤减蚀量较大，而侧柏麻栎混交林的较小。(5)不同针阔混交林蓄水保土效益大小与林分郁闭度、林下灌草生物量、枯落物蓄积量、土壤理化性质、土壤水文效益和土壤减蚀量密切相关。6种针阔混交林的蓄水保土效益大小顺序为黑松刺槐混交林>侧柏刺槐混交林>黑松五角枫混交林>侧柏五角枫混交林>黑松麻栎混交林>侧柏麻栎混交林。因此在鲁中片麻岩低山丘陵区营造针阔混交林时，应优先选择黑松刺槐混交林和侧柏刺槐混交林，其次可选择黑松五角枫混交林、侧柏五角枫混交林和黑松麻栎混交林。参考文献：[1]胡建朋，杨吉华，罗明达，等．山东砂石山区不同林分类型土壤的蓄水效益[J]．中国水土保持科学，2011，9(5)：67—72．72]关丙武，吴庆兴，孙华，等．营造针阔混交林的优势浅析[J]．林业勘察设计，2005(1)：81—82．[3]李星辰，杨吉华，于连家，等．石灰岩山地不同整地方式对侧柏林土壤蓄水保土功能的研究[J]．中国水土保持科学，2013，11(3)：59-65．[4]杨吉华，胡建朋，罗明达，等．鲁中南砂石山区不同林分类型保土功能及其效益[J]．水土保持学报，2Ol1，25(4)：63—68．[5]程圣东，李占斌，李强，等．干热河谷地区土壤物理特性对土壤侵蚀的影响[J]．水资源与水工程学报，2008，19(5)：38—41．[6]杨吉华，张永涛，李红云，等．不同林分枯落物的持水性能及对表层土壤理化性状的影响EJ]．水土保持学报，2003，17(2)：】4]一]44