林业科学  2003, Vol. 39 Issue (1): 168-172   PDF    
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赵鸿雁, 吴钦孝, 刘国彬.
Zhao Hongyan, Wu Qinxiao, Liu Guobin.
黄土高原人工油松林枯枝落叶层的水土保持功能研究
STUDIES ON SOIL AND WATER CONSERVATION FUNCTIONS OF LITTER IN CHINESE PINE STAND ON LOESS PLATEAU
林业科学, 2003, 39(1): 168-172.
Scientia Silvae Sinicae, 2003, 39(1): 168-172.

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收稿日期:2001-07-30

作者相关文章

赵鸿雁
吴钦孝
刘国彬

黄土高原人工油松林枯枝落叶层的水土保持功能研究
赵鸿雁, 吴钦孝, 刘国彬     
中国科学院水利部水土保持研究所 杨凌 712100
关键词: 黄土高原    油松林    枯枝落叶层    水土保持功能    
STUDIES ON SOIL AND WATER CONSERVATION FUNCTIONS OF LITTER IN CHINESE PINE STAND ON LOESS PLATEAU
Zhao Hongyan, Wu Qinxiao, Liu Guobin     
Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources Yangling 712100
Abstract: In order to expound the role of litter in controlling soil and water loss, the soil and water conservation functions of litter in Chinese pine stand have been studied, using the method of location monitor combined with simulation experiment.The results of the studies showed that the average interception rate of the litter is 12.4%, it's retarding effect on runoff is related to litter thickness, slope and runoff depth.The mathematical equation between them is ΔT=13.490·l0.245·α-0.200·q-0.186, the annual soil evaporation restrained by litter of 2 cm in thickness is 138.6mm, and the litter of 1.5 cm in thickness can decrease the splash erosion by 97.5% and increase soil antiscourability by 96.7%.Compared with the bare slope, the physical and chemical properties of soil covered with litter are improved obviously.All these provide the scientific basis for the rational management of forest and the estabishment of the optimal structure of stand.
Key words: Loess plateau    Chinese Pine stand    Litter    Soil and water conservation function    

自1868年巴乌尔研究栎类林枯枝落叶层的持水性以来(苏宁虎,1989),各国科研人员先后开展了森林枯枝落叶层截留降水、持水特性等方面的研究(刘向东等,1989杨吉华等,1993Laws, 1941)。特别是黄土高原,植被稀少,人为活动剧烈,降雨集中,且雨强大,加之黄土的易蚀特性,水土流失十分严重,生态环境非常脆弱。1999年,江泽民总书记提出“再造一个山川秀美的西北地区”,为本区的生态环境建设指明了方向。本项研究以人工油松林枯枝落叶层为对象,系统的研究了它的多项水土保持功能(吴钦孝等,1992苏宁虎,1988Jakson, 1975),使人们认识到枯枝落叶层在抵御自然灾害方面所发挥的巨大功能。

1 试验区概况

本试验于1996~2000年在宜川县铁龙湾林场森林水文和水土保持效益监测站完成。该区海拔860~1 200 m,坡度20°~25°,年均降水量574.0 mm,试验期年均降水量436.3 mm,平均气温9.7℃,土壤为灰褐色森林土。供试油松(Pinus tabulaeformis)林为1966年营造,初植密度6 600株·hm-2;经过3次抚育间伐,现保存1 600~1 800株·hm-2;林木平均高11~13 m,胸径11~13 cm;郁闭度0.8,叶面指数6.39。林下枯枝落叶层厚2~3 cm,蓄积量16.0 t·hm-2。林下灌木有黄刺玫(Rosax xanthina)、忍冬(Lonicera ferdinadii)等,盖度25%;草本植物有大披针叶苔草(Carex lanceolata)、铁杆蒿(Artemisia gmelini)等,盖度40%;林地腐殖质层厚5~8 cm。

2 研究方法 2.1 枯枝落叶层截留

在人工油松林地布设直径20 cm,高20 cm,底部用铁纱网封闭的截留框20个,框内装有与林地相同厚度(2 cm)的原状枯枝落叶层,常年观测枯枝落叶层的截留量。

2.2 枯枝落叶层滞缓地表径流

用自行研制的长1 m,宽10 cm,高10 cm的白铁皮流水槽,槽内放置吸水饱和的原状枯枝落叶层,厚度分别为0,0.5,1.0,2.0和3.0 cm,模拟实验和测定径流深度为1,2,3,4 mm,坡度为5°,10°,15°,20°,25°,30°时径流自槽顶至末端的出流需时,每个测定重复1次。

2.3 枯枝落叶层抑制土壤蒸发

用波波夫蒸发器,内装原状土,上覆2.0 cm厚的原状枯枝落叶层,置于林地上,用蒸发台称常年测定土壤蒸发量。

2.4 枯枝落叶层提高土壤抗冲性

在长1 m,宽20 cm,高20 cm的流水槽末端,放置20 cm×10 cm×10 cm的取样器,内装原状土及枯枝落叶层,在水流冲刷下测定枯枝落叶层覆盖下的土壤冲刷量,每个测定重复1次。

2.5 枯枝落叶层防止土壤击溅侵蚀

利用埃利森溅蚀板,面积60 cm×30 cm,垂直置立在人工油松林内,2 a雨季每次降水后,测定枯枝落叶层厚度为0,1.0,1.5,2.0和3.0 cm时溅蚀板上坡面和下坡面以及槽内的土壤溅蚀量。

2.6 枯枝落叶层改善土壤表层理化性状和营养元素含量

用常规分析法测定了人工油松林地和荒坡表层土壤的理化性状和营养元素含量,各处理土样测定重复1次。

3 结果分析 3.1 枯枝落叶层的截留量

枯枝落叶层的截留量大小与降水量、雨强及其自身的湿润程度有关。降水历时长,雨强小,截留量大;降水历时短,雨强大,截留量小。据静水浸泡试验,油松林枯枝落叶层最大吸水量为其自身重量的260.0%;浸泡饱和所需时间为30 h。可见,在一般降水条件下,枯枝落叶层的吸水常不达饱和程度。5 a测定(见表 1)表明,人工油松林枯枝落叶层截留量(I)占同期大气降水量(P)的12.4%;回归分析结果表明,两者之间呈幂函数关系I=14.618·P0.858(n=5, R=0.885),经F值检验在a=0.05水平上极显著。由于枯枝落叶层的截留,使林地净雨量减少,减弱了地表径流的产、汇流及其土壤侵蚀的能力,对保持水土起到了积极作用。

表 1 枯枝落叶层截留量 Tab.1 Interception amount of litter
3.2 枯枝落叶层滞缓地表径流

模拟试验表明,在1 m长的流水槽内于不同径流和坡度条件下,径流经过不同厚度枯枝落叶层出流需时的延长值ΔT有较大差异,其计算式:ΔT=Tlaq-Toaq。式中Tlaq表示不同厚度枯枝落叶层,在不同坡度和径流深度下,自试验槽上端供水至其末端出水所需时间;Toaq为无枯枝落叶层时自上端供水至末端出水所需时间。

表 2可见,枯枝落叶层滞缓径流的时间随其厚度增加而增加,随坡度和径流深的增加而减少。有一定厚度的枯枝落叶层存在,其滞缓径流的时间明显。根据枯枝落叶层滞缓径流时间(ΔT)与其厚度(l)、坡度(a)和径流深度(q)三者之间的数学式ΔT=k·la·αb·qc(赵鸿雁等,1999),利用表 2数据拟合得:ΔT=13.490l0.245·α-0.200·q-0.186(n=96,R=0.788),经F检验,在a=0.05水平上极显著。在林地,由于下垫面的存在及土壤的下渗,其滞缓径流的效应应比本试验更大。这种效应的结果将使径流在坡面上的流动时间延长,土壤下渗量增加,洪水时间延长,洪水量减小,森林的水文生态功能和水土保持作用得到充分的发挥。

表 2 枯枝落叶层滞缓径流时间 Tab.2 Time of runoff flow retarded by litter
3.3 枯枝落叶层抑制土壤蒸发

干旱、半干旱地区减少土壤无效蒸发是提高林分生产力和保持生态系统稳定的有效途径。2 a试验结果(见表 3)表明,林地去掉枯枝落叶层后其年土壤蒸发总量221.3 mm;2.0 cm厚原状枯枝落叶层覆盖的土壤年蒸发量为82.7 mm,4.00 cm厚枯枝落叶层覆盖时土壤的年蒸发量为70.6 mm。可见,随着枯枝落叶层厚度的增加,土壤蒸发总量减少,抑制土壤蒸发量的效应增加。因此,枯枝落叶层不仅通过截留使林地的净雨减少12.4%,对控制土壤侵蚀有积极作用;而且由于减少的土壤无效蒸发超过了截留损失的土壤水分,故对生态环境的保护起到十分有益的作用。

表 3 枯枝落叶层抑制土壤蒸发量 Tab.3 Soil evaporation capacity restrained by litter
3.4 枯枝落叶层提高土壤抗冲性

该试验以黄土高原常见的暴雨雨强(2 mm·min-1)在标准径流小区(20 m×5 m)内产生的最大流量计算的单宽流量作为冲刷流量(4 L·min-1),在流水槽内冲刷15 min,冲刷坡度为25°。测定结果(见表 4)表明,随着覆盖厚度的增加,土壤冲刷量显著减少。有1cm厚枯枝落叶层覆盖土壤时,能提高土壤抗冲性90.0%;1.5 cm厚时能提高土壤抗冲性96.7%;2 cm厚枯枝落叶层覆盖时,已完全控制土壤侵蚀。可见,由于枯枝落叶层的腐烂、分解,形成腐殖质层,使土壤表层结构和特性发生变化,显著地提高了土壤的抗冲性。

表 4 枯枝落叶层提高土壤抗冲性 Tab.4 Increased soil antiscourability by litter
3.5 枯枝落叶层防止土壤击溅侵蚀

枯枝落叶层覆盖土壤表层后,防止了雨滴直接击溅土壤表层,减少了土壤的击溅侵蚀。2 a雨季试验结果(见表 5)表明,随着枯枝落叶层厚度的增加,土壤击溅侵蚀量急剧减小。当枯枝落叶层厚度由0增加到1.0 cm时,土壤溅蚀量减小79.1%;枯枝落叶层厚为1.5 cm时,土壤击溅侵蚀量减小97.5%;枯枝落叶层厚达到2.0 cm时,已停止土壤的击溅侵蚀。可见,枯枝落叶层达到一定厚度后,由于将雨滴的能量不断消耗,消弱了土壤侵蚀的源,防止了水土流失。

表 5 枯枝落叶层防止土壤的击溅侵蚀量 Tab.5 Splash erosion decreased by litter
3.6 枯枝落叶层改良土壤的效应

枯枝落叶层和植物根系层直接参与对土壤的改良。深层的土壤改良主要与植物根系有关,而地表土壤的改良则主要与枯枝落叶层有关,二者共同发生作用,但重点不同。为了说明枯枝落叶层的作用,这里测定了0~10 cm土壤表层的理化性状和营养元素含量的变化(见表 6)。由表可见,油松林地与荒坡地在0~10 cm土层内土壤理化性状和营养元素含量差异较大。由于枯枝落叶层的凋落和分解,使土壤表层碱解氮以及速效磷、速效钾、有机质、全氮、全磷和全钾均有大幅提高,其提高量分别为荒坡的4.2,2.0,1.5,3.4,2.5,5.0和1.4倍,阳离子代换量则由荒坡的3.48毫克当量·(100g)-1,增加为油松林地的11.72毫克当量·(100g)-1,可见林地的肥力供应能力较荒坡有很大的增加,对生态环境的改善起到了积极的作用。此外林地容重变小,表明其土壤中腐殖质和有机质的含量提高,通气状况变好,肥力增强,从而改变了土壤表层物理性状,使其机械组成也发生明显变化(见表 7),粘粒、团粒、粉粒所占比例比荒坡增加4.4个百分点,总孔隙度增加8.97%,毛管孔隙度增加8.67%,土壤物理性质得到明显改善。

表 6 不同地表表层土壤理化性状 Tab.6 Physical and chemical properties of soil(0~10 cm)
表 7 表层土壤的机械组成 Tab.7 Mechanical composition in 10 cm soil layer(0~10 cm)
4 结论

枯枝落叶层截留量与大气降水量呈幂函数关系。5 a试验期间,当年均降水量为436.3 mm时,截留量为54.2 mm,平均截留率12.4%,其关系式为I=14.618·P0.858

枯枝落叶层能显著滞缓地表径流,对产、汇流影响极大,其滞缓时间与厚度、坡度和径流深度有关,据测试数据拟合的数学表达式为ΔT=13.490·l0.245·α-0.200·q-0.186,充分显示了其对暴雨径流的平抑作用。

枯枝落叶层能有效地抑制土壤蒸发,2.0 cm厚枯枝落叶层可抑制土壤年蒸发量138.6 mm,相当于无覆盖土壤蒸发量的62.6%,减少了土壤的无效蒸发。

枯枝落叶层能显著的提高土壤的抗冲性,在坡度为25°,冲刷流量相当于暴雨雨强(2mm·min-1)的条件下,有1.0 cm厚枯枝落叶层覆盖地表,可减少土壤冲刷量90.0%,2.0 cm厚枯枝落叶层则可完全抑制土壤侵蚀。

枯枝落叶层能有效地防止土壤的击溅侵蚀,1.5 cm厚枯枝落叶层能减少土壤击溅侵蚀97.5%;2.0 cm可完全防止土壤击溅侵蚀发生。

枯枝落叶层改良土壤表层效应明显,与荒坡比较,林地土壤物理化学性状都有明显的改善,全氮、全磷、全钾含量成倍提高,土壤容重降低,有机质、机械组成明显优于荒坡。

参考文献(References)
刘向东, 吴钦孝. 1989. 六盘山林区森林树冠截留、枯枝落叶层和土壤水文性质研究. 林业科学, 25(3): 220-227. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1989.03.001
苏宁虎. 1988. 林地枯枝落叶层最佳蓄积量确定方法探讨. 生态学报, 8(2): 147-153.
苏宁虎. 1989. 森林植物凋落动态的数学模型. 林业科学, 25(2): 162-165. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1989.02.007
吴钦孝, 刘向东. 1992. 陕北黄土丘陵区油松林枯枝落叶层蓄积量及其动态变化. 林业科学, 29(1): 63-66.
杨吉华, 柳凯生. 1993. 山丘地区森林保持水土效益的研究. 水土保持学报, 7(3): 47-52. DOI:10.3321/j.issn:1009-2242.1993.03.004
赵鸿雁, 吴钦孝. 1994. 山杨枯枝落叶的水文水保作用研究. 林业科学, 30(2): 176-180.
Jackson I J. 1975. Relationship between rainfall parameters and interception by tropical forest. Journal of Hydrology, 24: 215-238. DOI:10.1016/0022-1694(75)90082-7
Laws J O. 1941. Measurements of fall velocity of waterdrops and raindrops. Transactions of American Geographic Union, 22: 709-720. DOI:10.1029/TR022i003p00709