华西雨屏区人工竹林凋落物及表层土壤的水源涵养功能研究

水土保持学报

Journal of So il and W ater Con servati on

V o l.22N o.1

Feb.,2008

华西雨屏区人工竹林凋落物及表层土壤的水源涵养功能研究①

陈光升1,2,胡庭兴1,3,黄立华1,唐天云1,涂利华1,雒守华1

(1.四川农业大学生态林业工程省级重点实验室,四川雅安625014;

2.绵阳师范学院生命科学与技术学院,四川绵阳621000)

摘要:以华西雨屏区退耕还林后形成的人工竹林(慈竹林、苦竹林、撑绿杂交竹林、苦竹+光皮桦混交林)为对象,

对其凋落物及表层土壤的水源涵养功能进行了初步研究。结果表明:几种竹林凋落物蓄积量的大小顺序是:撑绿

杂交竹林>混交林>苦竹林>慈竹林,且都大于光皮桦林。叶凋落物持水量的大小关系为:慈竹林>混交林>苦

竹林>杂交竹林,光皮桦林的持水量介于慈竹林和混交林之间。几种叶凋落物持水量与浸泡时间的关系符合指数

函数的模型、持水速率与浸泡时间的关系符合幂函数的模型。不同林地的表层土壤容重在1127～1134g c m3之

间,总孔隙度48108%～55196%,不同林地表层土壤的水分物理性质差异不大。

关键词:水源涵养功能;　人工竹林;　凋落物;　表层土壤;　华西雨屏区

中图分类号:S157.1;S718.516　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2008)0120159204

Study on W a ter Con serva ti on Functi on of L itter and Surface So il

of D i fferen t Bam boo Plan t a ti on s i n Ra i n y Area of W est Ch i n a

CH EN Guang2sheng1,2,HU T ing2x ing1,3,HUAN G L i2hua1,TAN G T ian2yun1,TU L i2hua1,LUO Shou2hua1 (11S ichuan P rov incial K ey L aboratory of E colog ical F orestry E ng ineering,S ichuan A g ricu ltu ral U niversity,Y aπan625014;

21D ep art m ent of L if e S cience and T echnolog y,M iany ang N or m al U niversity,M iany ang621000)

Abstract:A n experi m en t w as conducted to study the w ater con servati on functi on of litter and surface layer s o il of p lan tati on s(P leioblastus p lan tati on,B a m busa p ervariabilis×D end rocala m op sis p lan tati on,N eosinocala m us af f inis p lan tati on and P leioblastus+B etu la lum inif era p lan tati on)in rainy area of W est Ch ina1T he resultsw ere as fo ll ow s:the a moun t of litter layer is B a m busa p ervariabilis×D end rocala m op sis p lan tati on>P leioblastus+ B etu la lum inif era p lan tati on>P leioblastus p lan tati on>N eosinocala m us af f inis p lan tati on>B etu la lum inif era p lan tati on.T he w ater2ho lding capacity of leaf litter is N eosinocala m us af f inis p lan tati on>B etu la lum inif era p lan2 tati on>P leioblastus+B etu la lum inif era p lan tati on>P leioblastus p lan tati on>B a m busa p ervariabilis×D end rocala m op sis p lan tati on1T he model bet w een the w ater2ho lding capacity of the leaf litter and the i m m erse ti m e acco rds w ith exponen tial functi on1T he model bet w een the w ater abs o rp ti on s peed of the leaf litter and the i m m erse ti m e acco rds w ith pow er functi on1So il bulk den sity and s o il to tal po ro sity of surface s o il of differen t stands range from1127～1134g c m3and48108%～55196%,res pectively1T he surface s o ilw ater2physical p rop2 erties a mong vari ous p lan tati on s are no t sign ifican tly difference1

Key words:w ater con servati on functi on;　ba m boo p lan tati on s;　litter;surface s o il;　rainy area of w est Ch ina

凋落物层作为森林生态系统中独特的结构层次,不仅对森林土壤发育和改良有重要意义,而且凋落物层结构疏松、具有良好的透水性和持水能力,在降水过程中起着缓冲器的作用[1]。凋落物覆盖于地表,增大了地表的粗糙系数,可起到阻缓径流的作用,从而增加了径流入渗时间和入渗量,同时还能抑制土壤水分的蒸发,故能起到很好的蓄水保水的作用[2]。森林土壤的物理性质差异直接影响土壤水分的储蓄方式和蓄存量,关系到森林涵养水源潜能的强弱[3]。许多学者在不同区域对多种森林的凋落物水源涵养功能进行了研究[4],但是对竹林凋落物的关注还较少[5]。华西雨屏区是我国降雨量最丰富的区域之一,在整个长江上游生态屏障建设中占有重要位置;同时该区域也是四川省实施退耕还林工程的重点区域。竹林冠层浓密,根系发达,凋落量大,具有很好的水土保持与水源涵养功能。加之对竹林的经营管理多采用每年间伐的方式,因此,在退耕还林中,竹林体现了良好的生态、经济、社会效益。目前,对该区域植被恢复模式生态功能的研究主要集中在土壤改良、水土保持等方

①收稿日期:2007209201　3通讯作者

基金项目:国家“十一五”科技支撑计划子专题(2006BA C01A11-03)

作者简介:陈光升,男,生于1976年,博士生。研究方向为林业生态工程和植物生态学。E-m ail:jiasheng802002@yahoo.com.cn

面[6,7],对凋落物水源涵养功能的研究尚无相关报道。通过对该区域人工竹林生态系统凋落物及表层土壤的水源涵养功能的初步分析,旨在为系统、全面地研究这一地区的人工竹林积累资料,以便更好地认识人工竹林在该地区的生态效益,为退耕还林的继续实施提供理论依据。

1　研究区域概况

研究区设在四川盆地边缘低山地的洪雅县柳江镇,地处东经102°49′～103°47′,北纬29°24′～30°01′。该区属中亚热带湿润山地季风气候,最高气温3618℃,最低气温-313℃,年均气温1618℃,年日照时数1080h ,太

阳辐射量为33811×103J c m 2

a ,无霜期352～360d ;年降水量149318mm ,降雨多集中在夏、秋两季,年平均相对湿度82%。地带性植被为亚热带常绿阔叶林,地带性土壤为黄壤。退耕还林主要栽植的有光皮桦(B etu la

lum inif era )、苦竹(P leioblastus a m arus )、撑绿杂交竹(B a m busa p ervariabilis ×D end rocala m op sis )、慈竹

(N eosinocala m us af f inis )等[8]。

2　研究方法

2007年3月,选择苦竹林、慈竹林、撑绿杂交竹林(以下简称杂交竹林)、苦竹+光皮桦混交林(以下简称混交

林)等不同人工竹林,以光皮桦林作为对照,设置大小为150m 2的标准样地,样地基本特征见表1。在每个样地内随机设置3个1m ×1m 的小样方,将样方内的凋落物全部取回,测定蓄积量(以80℃烘干的质量表示)。

选择外观完整的叶凋落物,80℃烘干至恒重后放人尼龙网袋中,置于清水中,每0125,015,1,2,4,8,16,24

h 将尼龙网袋取出,静置5m in 左右,直至叶片不滴水时称重。

凋落物持水量和吸水速率分别计算如下[9]:凋落物持水量(g kg )=(凋落物湿重(g )-凋落物烘干重(g ))

凋落物烘干重(g )×1000凋落物吸水速率(g kg h )=凋落物持水量(g kg )

吸水时间(h )用环刀取各样地表层(0～15c m )的原状土壤,测定土壤的水分-物理性质(GB 7835-87)。

表1　不同样地基本特征

林分

类型海拔

(m )坡向

坡位坡度(°)

郁闭度

密度(株 hm 2)

凋落物蓄积量

(t hm 2)慈竹林630S W 中501915113154光皮桦林650S W 中上20017206019530混交林620S W 中下10018886+153114957苦竹林600S W 下120183556114438撑绿杂交竹林

615

S W

中下

4

019

932

212101

3　结果与分析

311　凋落物层蓄积量

凋落物蓄积量(又称现存量),主要取决于凋落物的输入量、分解速度和累积年限,而森林的树种组

成不同、林地所处的水热条件不同都会对凋落物蓄积量有较大影响。

研究区退耕还林后形成的人工竹林的凋落物层蓄积量见表1。从表1可以看出,几种竹林的蓄积量都比光皮桦林的蓄积量大,说明从蓄积量这个指标来看,竹林是优于光皮桦林的。究其原因,除了受种群密度大小影响外,光皮桦叶片分解可能较快。此外,光皮桦林和几种竹林都是在退耕还林初期同时栽种的,树龄在7a 左右,光皮桦林尚未达到成熟阶段,这也可能导致蓄积量低于竹林。在几种竹林中,凋落物蓄积量的大小顺序为杂交竹林>混交林>苦竹林>慈竹林,原因可能是受植物材料本身特性所影响,撑绿杂交竹的叶片大而厚,因而其凋落物的蓄积量也最大。312　凋落物持水性能

凋落物持水能力是森林生态系统水分循环中的重要部分,是反映森林生态系统水文生态功能的重要指标。几种林地叶凋落物持水量及其吸水速率见图1和图2。

31211　凋落物持水量　一般认为凋落物浸水一昼夜(24h )后的持水量为最大持水量[10]。由图1可知,慈竹林叶凋落物浸泡24h 后持水量为3523g kg ,是几种林地中最大的;其次为混交林,其持水量为2548g kg ;光皮桦林的持水量与混交林差异不大,持水量为2488g kg ;慈竹林的持水量小于前述几种林地,持水量为2312g

kg ;苦竹林的持水量最小,仅为1787g kg 。

不同的环境,不同的树种,不同的凋落物组成,都可造成凋落物持水能力的不同[2]。本研究所选样地的环境条件(海拔、坡向、坡度等)基本一致,实验所选的材料为结构完整的叶片,因此,导致几种林地林下凋落物持水量不同的原因,应该主要是由物种自身特性的差异所造成。从凋落物持水量的角度来看,慈竹林的水源涵养功能最好,甚至优于当地普遍生长的光皮桦林;而苦竹林的水源涵养功能相对较差。

31212　凋落物持水量与浸泡时间的关系　凋落物持水量与浸泡时间之间的关系见图1。叶凋落物在各浸泡时间的持水量均为慈竹林最大,而杂交竹林和苦竹林相对较小,光皮桦林和混交林的差异不大。几种竹林的持水

061水土保持学报第22卷

图1　凋落物持水量与浸泡时间的关系量大小关系为:慈竹林>混交林>杂交竹林>苦竹林。从凋落物持水量随时间变化的整个过程来看,各林地的叶凋落物浸入水中0～2h 其持水量都有一个急速上升的过程,其中又以前15

m in 的上升幅度最大。

其后随着浸泡时间的延长,凋落物持水量的增加变缓并趋于最大值。因此,凋落物拦蓄地表径流的功

能在降雨开始时较强,此后随着凋落物湿润程度的增加,吸持能力降低,直至达到饱和持水量。由于华西雨屏区是我国降雨量最丰富的地区之一,几种林地凋落物的这一特点在雨季可能会更好地发挥保水保土的作用。对持水量与浸泡时间之间的关系进行曲线估计,得出最优拟合方程(R 2值最大)为对数函数:y =a ln t +b ,式中:y ——枯落物层持水量(g kg );t ——浸泡时间(h );a ——回归系数;b ——常数。拟合方程如下:慈竹,y =1921662ln t +2761199,R 2=01940;苦竹,y =1581854ln t +1325118,R 2=01977;杂交竹,y =2111408ln t +1551124,R 2=01928;混交林,y =1681591ln t +1915159,R 2=01991;光皮桦,y =11056ln t +1927156,R 2=01954。图2　凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

31213　凋落物吸水速率与浸泡时间关系　凋落物吸水速率与浸泡时间之间的关系见图2。与持水量类似,叶凋落物各浸泡时间吸水速率都是慈竹林最大,在前15m in 的吸水速率高达10118g kg h ,超出其他几种林分在相应时段的一倍以上。从24h 内的吸水速率来看,变化趋势仍然为:慈竹林>混交林>光皮桦林>杂交竹林>苦竹林,其速率依次为:147,106,104,96,74g kg h 。

在凋落物持水作用较强的前15m in 内,吸水速率是慈竹林>光皮桦林>混交林>杂交竹林>苦竹林。从图2中可以看出,各林地叶凋落物浸入水中初期其吸水速率相差很大,但随浸泡时间的延长,吸水速率的差异变小。这主要是因为随着时间的延长,凋落物持水量接近其最大持水量,逐渐趋于

饱和,其吸水速率随之减缓所致。从整个吸水过程叶凋落物吸水速率的变化来看,0～1h 各林地吸水速率几乎都呈直线下降趋势,1h 后吸水速率下降速度逐渐变缓并趋于动态平衡。对吸水速率与浸水时间之间关系进行曲线估计,发现两者之间存在幂函数关系(R 2值接近于1):y =at b ,式中:y ——吸水速率(g kg h );t ——浸泡时间(h );a ——常数;b ——回归系数。拟合方程如下:慈竹,y =27541t -019352,R 2=11000;苦竹,y =1308181t -0180

,R 2=01999;杂交竹,y =1537112t -018810

,R 2=01999;混交林,y =1906161t -

019190

,R 2=11000;

光皮桦,y =917175t -019206

,R 2=11000。

表2　不同林地的土壤水分-物理性质

林地

类型质量湿度

(%)土壤容重(g c m 3)最大持水量

(%)毛管持水量

(%)最小持水量(%)非毛管孔隙度(%)毛管孔隙度

(%)总孔隙度

(%)土壤通气度

(%)慈竹林2711011313617329150271369145381634810812160光皮桦林25112112939106281772512013125371045012917195混交林26155113436187291242619610120391124913213180苦竹林26132112741127301622716613145381905213518190杂交竹林

31114

1129

43145

37143

35110

7175

48121

55196

15185

313　表层土壤的持水性能

土壤水分-物理性质的数量特征即土壤水分常数,不仅反映了土壤肥力的高低,而且是定量研究土壤水源涵养功能的重要因素[11]。森林对土壤物理性状的影响是多方面的,但是对0～20c m 土壤层影响最显著的是森林的凋落物[12]。不同林地表层土壤的水分-物理性质见表2。土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参

数,两者直接影响着土壤蓄水和通气性能[13]。不同林地的表层土壤容重在1127～1134g c m 3

之间,最大为混交林,最小为苦竹林,但总体差异不大,可能原因是几种林地都是退耕还林后形成的,成林时间较短,对土壤容重的影响较小。总孔隙度主要与土壤质地和母岩种类有关[11],土壤孔隙度越大,说明土壤结构越疏松,有利于雨水迅速下渗,减少地表径流的冲刷。在本研究中,不同林地的表层土壤总孔隙度为48108%～55196%,杂交竹林的总孔隙度最大(55196%),慈竹的总孔隙度最小(48108%)。但杂交竹林的非毛管孔隙度最小,而苦竹林和光

1

61第1期陈光升等:华西雨屏区人工竹林凋落物及表层土壤的水源涵养功能研究

皮桦林相对较大,表明苦竹和光皮桦对降水水分疏通作用最大,相应地,毛管对水分的吸持作用最大的是杂交竹林。土壤通气度指标也表明苦竹林的表层土壤通透性最好(18190%),其次为光皮桦林(17195%),杂交竹林为(15185%)。从几种林地地表凋落物特征来看也是如此,杂交竹林和苦竹林的凋落物蓄积量较大,其覆盖作用可防止土壤直接受到降雨的溅击,还可对土壤入渗水起到过滤作用并阻碍细小土壤颗粒堵塞非毛管孔隙。不同林地类型对土壤总孔隙度影响甚小。

4　结论与讨论

几种人工竹林中,凋落物层蓄积量杂交竹林>混交林>苦竹林>慈竹林,几种竹林的蓄积量都大于光皮桦林。用浸泡法对几种竹林叶凋落物的持水性能实验结果表明,从凋落物持水量的角度来看,慈竹林的水源涵养功能最好,而苦竹林的水源涵养功能相对较差。但是,综合凋落物层蓄积量和持水量两个方面的结果,混交林应当是比较适当的植被恢复模式。

一般认为,凋落物最大持水量大约为其自身重量的2～4倍,对5种林分凋落物持水量的研究结果与这个规律基本吻合,只有苦竹林接近2倍。凋落物在降雨过程前期2h对降雨的吸持具有更重要的作用和意义,有研究表明,凋落物持水作用主要表现在降雨前期的2h内,特别是前30m in以内[14],本文结果与这些研究一致。对凋落物持水量与浸泡时间进行曲线拟合发现,两者存在对数函数的关系;凋落物吸水速率与浸泡时间存在幂函数的关系,这与其它地区的研究结论一致[14]。

不同林地的表层土壤容重在1127～1134g c m3之间,差异不大,可能原因是几种林地都是退耕还林后形成的,成林时间相对较短,不同林地类型对土壤容重的影响较小。非毛管孔隙度能说明森林对降水水分疏通作用,可以作为评价林地土壤水源涵养能力的重要指标[13]。本文的研究结论表明,虽然杂交竹林的总孔隙度最大(55196%),但非毛管孔隙度反而是最小的。说明杂交竹林的表层土壤的排水能力相对较差,在降雨不多的情况下,可以更好的将水分吸收在表层土壤中,但是,如果降雨过多,排水能力就相对较差。从几种林地地表凋落物蓄积量来看,杂交竹林和苦竹林的凋落物蓄积量较大,其覆盖作用可防止土壤直接受到降雨的溅击,还可对土壤入渗水起到过滤作用并阻碍细小土壤颗粒堵塞非毛管孔隙。不同林地类型土壤总孔隙度的差异不大。

从以上研究结果来看,在华西雨屏区选择多种竹子作为主要造林树种,在发挥较好的经济效益的同时,也在水源涵养功能方面起着良好的作用,是值得持续推广和发展的植被恢复模式。

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