吉林省辽河流域不同植被类型土壤水源涵养能力分析

2022-07-13于忠亮付世萃王梓默潘艳艳苑景淇张大伟

中国水土保持 2022年7期

于忠亮，付世萃，王梓默，潘艳艳，苑景淇，杨帆，张大伟

(1.吉林省林业科学研究院，吉林长春 130117； 2.吉林省林业调查规划院，吉林长春 130022)

在水资源日益短缺和水质遭受严重破坏的背景下，水源涵养功能得到了越来越多的关注，水源涵养林既可以涵养水源，又可以保育土壤[1]。土壤作为植物生长发育的基础物质，在整个森林生态系统中扮演着重要角色，其质量是衡量退化生态系统功能恢复与维持的关键指标之一[2-3]。森林水文运动过程主要包括林冠层、枯枝落叶层和土壤层三部分，林冠层的截留能力与植被郁闭度有关，枯枝落叶层的截留能力受其树种组成和叶片储存厚度制约，土壤层的截留能力与土壤孔隙大小有关[4-5]。研究发现地上持水量仅占林分水源涵养能力的15%左右，土壤层占林分水源涵养的85%左右，是涵养水源的主体[6]。土壤具有减少地表径流、控制水土流失的作用，对植被修复和生态保护有重要意义。

辽河是我国七大河流之一，随着经济迅猛发展，水资源的过度开发利用和水体污染的日益加重导致河流两岸的植被及土壤受到极大的干扰，对原有土壤水源涵养功能造成严重影响。众多学者对不同林型[7]、不同林分密度[8]、近林龄不同种之间[9]等的土壤水源涵养能力进行了研究，然而关于不同植被类型的土壤水源涵养能力却少有论述。本研究选取吉林省辽河流域内6种植被类型的样地，研究不同植被类型土壤在0～60 cm深度的结构特征、持水能力和渗透能力，分析不同植被类型土壤的水源涵养能力，为水源涵养林建设提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

辽河流经河北、内蒙古、吉林、辽宁四省(自治区)，吉林省内的辽河流域地处东经122°05′～125°35′、北纬42°37′～44°41′，位于吉林省西南部，流经四平市、双辽市、公主岭市、辽源市、梨树县、伊通满族自治县、东辽县、龙山区等。属于典型的温带大陆性季风气候区，年内温差较大，四季分明，年均气温6.15 ℃，年均降水量600 mm，年日照时长2 150～3 000 h。流域两侧以次生林、针阔混交林为主，主要树种有山杨(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黄刺玫(Rosaxanthina)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、蒙古栎(Quercusmongolica)，主要草本有猪毛蒿(Artemisiascoparia)、马齿笕(Portulacaoleracea)、鸭跖草(Commelinacommunis)等。

1.2 样地设置与采样

2019年7月15—26日对布设在吉林省辽河流域的51个调查点进行了调查，有效调查点位46个(图1)。依据海拔、坡度坡向、土壤类型、植被生长状况等选取具有代表性的样地，包括阔叶林样地5个、针叶林样地5个、针阔混交林样地5个、灌木林样地8个、草地样地10个、农田样地5个，其中阔叶林、针叶林和针阔混交林样地大小为30 m×30 m、灌木林和农田样地大小为10 m×10 m、草地样地大小为5 m×5 m。统计各样地海拔、坡度坡向、土壤类型、植被组成等相关指标，样地概况见表1。同时采用100 cm3环刀，按照0～20、20～40、40～60 cm土层深度分层采集各样地土壤样本，共采集土样114个，在实验室进行土壤指标测定。

图1 吉林省辽河流域调查点分布

表1 各样地类型概况

1.3 土壤指标测定

土壤结构特征指标包括土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤非毛管孔隙度，计算公式分别为

D=(m3-m)/v

(1)

Ptot=(m1-m3)/(m3-m)×D×100%

(2)

Pcap=(m2-m3)/(m3-m)×D×100%

(3)

Pnon=Ptot-Pcap

(4)

上四式中：D为土壤容重，g/cm3；m、m1、m2、m3分别为环刀质量、浸泡12 h后环刀及土壤的质量、静置5 h后环刀及土壤的质量、烘干后环刀及土壤的质量，g；v为环刀体积，cm3；Ptot、Pcap、Pnon分别为土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度，%。

土壤持水能力指标包括土壤含水量、最大持水量、毛管持水量，计算公式分别为

Cw=(m0-m3)/(m3-m)

(5)

Cmax=(m1-m3)/(m3-m)×103

(6)

Ccap=(m2-m3)/(m3-m)×103

(7)

上三式中：Cw为土壤含水量，%；m0为环刀及土壤的质量，g；Cmax、Ccap分别为最大持水量、毛管持水量，g/kg；其他符号意义同上。

土壤渗透能力指标包括土壤渗透速率和土壤渗透系数。土壤渗透速率依据《森林土壤滤率性的测定》(LY/T 1218—1999)计算；根据达西定律，分别计算初始温度时土壤渗透系数(K0)和10 ℃时土壤渗透系数(K10)。

1.4 数据处理及水源涵养能力计算

采用Excel 2020和SPSS 21.0软件对外业数据进行整理，对相关数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相关分析。采用坐标综合评定法评定不同植被类型土壤的结构特征、土壤持水能力和土壤渗透能力三项指标，分别用p1、p2、p3表示，三项指标值相加得到不同林型土壤的水源涵养能力指标(p)。坐标综合评定法基于多维空间理论，将评定指标视为多向量决定的空间点，比较各点与最佳点间的距离，可以对量纲不同的指标进行综合评价，指标值越小代表功能越优。计算公式为

dij=aij/mj

(8)

(9)

式中：dij为原始数据的相对值；aij为原始数据；mj为每个指标中的最优值；pi为第i个数据到标准点的距离。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤的结构特征

土壤容重和孔隙度是反映土体松紧虚实的重要指标，不仅会对土壤通气性、透水性、植物根系产生影响，也是土壤水源涵养能力的集中体现。由表2可知，在0～20、20～40、40～60 cm土层，土壤容重最大的是针阔混交林，土壤容重分别为1.37、1.41、1.45 g/cm3，土壤容重最小的是农田，土壤容重分别为1.20、1.26、1.18 g/cm3。阔叶林、针叶林、针阔混交林、灌木林和草地的土壤容重随着土层深度的增加而增大，而农田并未表现出此规律。在0～20、20～40、40～60 cm土层，土壤总孔隙度、毛管孔隙度最大的均为阔叶林，最小的均为农田；在0～20、20～40、40～60 cm土层，非毛管孔隙度最大的为灌木林，最小的为针阔混交林。

2.2 不同植被类型土壤的持水能力

由表3可知，在0～20、20～40 cm土层，含水量最大的均是阔叶林，含水量最小的分别是草地、农田。在40～60 cm土层，含水量最大的是农田，最小的是针叶林。在0～20、20～40 cm土层，最大持水量最大的是阔叶林，在40～60 cm土层，最大持水量最大的是草地，3个土层最大持水量最小的均是农田。在0～20、20～40、40～60 cm土层，毛管持水量最大的是阔叶林，最小的是农田；在0～20、40～60 cm土层，非毛管持水量最大的是灌木林，在20～40 cm土层，非毛管持水量最大的是农田，在0～20 cm土层，非毛管持水量最小的是针阔混交林，在20～40、40～60 cm土层，非毛管持水量最小是针叶林。除农田、灌木林外，其余样地土壤含水量随土层深度的增加而减小。阔叶林和针阔混交林在土层>40 cm时的最大持水量下降，针叶林、草地和农田在0～60 cm土层的最大持水量相对稳定，灌木林在土层>20 cm时的最大持水量下降显著。阔叶林、针叶林和针阔混交林的最大持水量和毛管持水量随土层深度的增加而减小。

表3 不同植被类型土壤的持水能力

2.3 不同植被类型土壤的渗透能力

由表4可知，土壤渗透能力表现为针阔混交林>针叶林>灌木林>阔叶林>草地>农田，渗透速率分别为11.5、8.75、8.10、4.13、3.25、1.25 mm/min，初始温度时的土壤渗透系数分别为6.08、4.01、3.49、1.99、1.56、0.91，10 ℃温度时土壤渗透系数分别为0.72、0.53、0.48、0.38、0.30、0.15。针阔混交林的土壤渗透速率和渗透系数明显高于其他植被类型。

表4 不同植被类型土壤的渗透能力

2.4 不同植被类型土壤的水源涵养能力

基于坐标综合判定法评定不同植被类型的土壤结构特征、持水能力、渗透能力和水源涵养能力(表5)。不同植被类型土壤的结构特征指标值表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林>灌木林>农田>草地。不同植被类型的土壤持水能力表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林>灌木林>草地>农田，渗透能力表现为针阔混交林>针叶林>灌木林>阔叶林>草地>农田，三项指标值相加得到的水源涵养能力表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林>灌木林>草地>农田，阔叶林的土壤水源涵养能力最优，农田的土壤水源涵养能力最差。

表5 不同植被类型土壤的结构特征、持水能力、渗透能力和水源涵养能力

3 讨论

除农田外其他植被类型土壤容重均表现为随着土层深度增加而增加，孔隙度随着土层深度的增加而减小。土壤结构特征主要是由外界环境因素和植被类型决定的，本研究的所有样地均位于吉林省辽河流域内，外界因素对土壤结构特征的影响很少，可以认为土壤结构特征的差异是植被类型不同造成的。阔叶林、针叶林、针阔混交林、灌木林、草地的土壤上层腐殖质含量随着枯落物腐烂分解而增加，表层土壤形成土壤团粒体结构，导致土壤孔隙度增大，土质疏松，土壤容重变小。由于农田种植的通常为玉米和大豆，二者均为浅根系植物，枯落物腐烂分解较少，对土壤结构特征的影响较小，因此并未呈现上述规律。这个结果与刘西刚等[10]、时钟瑜等[11]提出的森林土壤结构特征随土层变化的规律一致。

土壤水分是植物生长发育所必须，在促进水循环方面起重要作用，不同植被类型土壤的持水能力存在明显差异。试验结果表明，随着土层深度的增加，土壤含水量和最大持水量逐渐减少，在同一土层中，阔叶林的土壤持水能力最强，农田的土壤持水能力最弱。林地的枯枝落叶中含有大量的木质素、酚类物质化合物，不易被分解吸收，使土壤生物可降解性低[12]，可以有效减少地表径流，促进更多的降水渗入土壤。然而，农田长期受耕种，土壤层的原有结构遭到破坏，表层土壤呈现出退化、板结、孔隙度降低、持水能力变差。流域内实施退耕还林可以有效改善土壤持水能力。

土壤渗透能力是评价水源涵养能力的重要指标，与土壤结构、孔隙度、土壤湿度和温度有关[13]。试验结果表明不同植被类型的土壤渗透能力差异较大，灌木林、针叶林和针阔混交林的渗透能力较好，农田的渗透能力较差。由于不同植被类型土壤的地上凋落物和地下根系生长发育不同，因此造成地表土壤结构和孔隙度的差异，进一步引起土壤渗透能力的差异。刘宇等[14]发现土壤的渗透速度与土壤孔隙度呈正相关关系，本研究也呈现类似的关系，但未达到一致，笔者认为评价土壤的渗透能力需要综合考虑土壤湿度、温度和0～60 cm土壤层的结构特征。