小興安嶺南麓典型森林類型的土壤水文功能研究

張淑蘭，張海軍，張 武，王長寶，鄧際華，宋英博，張 強

（1.佳木斯大學，黑龍江 佳木斯154007；2.黑龍江省合江林業科學研究所，黑龍江 佳木斯154002；3.黑龍江省農業科學院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯154007）

森林土壤的水文功能主要指土壤的持水能力及滲透特性，是森林植被保持水土和涵養水源作用的重要體現［1－3］，也是森林生態系統服務功能評價的一個重要指標［4－5］。其中，森林土壤的持水能力是指森林生態系統中涵蓄土壤水分、補充地下水和調節河川流量的功能，其與森林土壤的物理性質有直接的關系［6－7］；同時研究表明森林土壤層對降水的調節能力可占90%以上［8－10］，土壤滲透特性主要表現為水分入滲速率，不僅受土壤物理性質的影響，還要受降雨因素、植被狀況、地形因素等影響，對地表徑流的產生和流域產流量的大小具有重要作用［11－12］。小興安嶺地區森林覆蓋率達80%以上，其重要的涵養水源功能價值可占到森林生態系統服務功能總價值的30%以上［13］。目前，有關該區森林土壤水文功能的研究報道較少；因此，本研究選擇小興安嶺南麓的典型森林植被類型，對其典型樣地下的土壤進行持水和蓄水能力測定與分析，為該區更好地全面評價和合理估測森林生態系統服務功能價值提供理論參考。

1 研究區和研究樣地概況

研究地點位于湯旺河流域下游、小興安嶺南麓湯原縣大亮子河國家級森林公園腹地（129°37′11″－129°45′22″E，46°57′47″－47°03′25″N），總面積71.71 km2，海拔在300～700m，屬低山丘陵地帶。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.3℃，無霜期為100～120d，年平均降水量為550～670mm，一般風力在5～6級。冬季漫長、嚴寒干燥而多風雪；夏季濕潤、溫熱而短促；春季遲緩，多風少雨；秋季降溫急劇，常出現早霜。區內森林土壤以暗棕壤為主，森林覆蓋率86.5%，主要植被有原始紅松林（Pinus koraiensis）以及白樺林（Betula platyphylla）、臭冷杉林（Abies nephrolepis）、紅皮云杉林（Picea koraiensis）、柞樹林（Quercus mongolica）等天然次生林及其混交林，并有部分人工興安落葉松林（Larix gmelini）和人工紅松林；林緣有少量灌木林。本次研究于2013年7—8月份對該區的原始紅松林Ⅰ、白樺林、臭冷杉林、針闊混交林、人工興安落葉松林和人工紅松林Ⅱ共6種森林植被類型的土壤進行取樣，其中針闊混交林為云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies）、槭樹（Acersaccharum）等混交林。具體樣地情況如表1所示。

表1 6種森林植被類型研究樣地概況

2 研究方法

2.1 土壤物理性質測定

在6種植被類型樣地上，選取代表性的地段并挖掘土壤剖面，記錄土壤剖面發生層次，并機械劃分土層，用200cm3（高5.2cm，半徑3.5cm）的環刀在0—10，10—20，20—40，40—50cm深度取土，每層3個重復。利用環刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等物理性質［14］。

2.2 土壤持水能力測定

土壤持水能力是評價土壤涵養水源及水文調節功能的重要指標，包括毛管持水能力和非毛管持水能力，其中非毛管持水能力稱為有效持水能力，二者之和為土壤最大持水能力［13］。其計算公式為：

S1＝10000×h×p1×r；S2＝10000×h×p2×r

式中：S1——土壤非毛管持水能力（t／hm2）；S2——土壤毛管持水能力（t／hm2）；h——土壤厚度（m）；p1——非毛管孔隙度（%）；p2——毛管孔隙度（%）；r——水的比重（t／m3）。

2.3 土壤滲透性的測定與模擬

在各植被類型典型樣地上，同樣用200cm3的環刀在各土層深度取樣，每層3個重復，并保持土壤環刀樣品原狀，參照單環有壓入滲法［13］，供水前浸泡時間為24h，人工供水保持5～6cm的水頭測定土壤滲透過程，確定不同土層的土壤水分入滲的初滲速率和穩滲速率；然后，利用SPSS 16.0對3種常用的入滲模型進行擬合分析，3種模型的方程分別如下：

Kostiakov方程：f（t）＝at－b

式中：f（t）——入滲透速率；t——入滲時間；a，b——擬合參數。

Horton方程：f（t）＝fc＋（f0－fc）e－βt

式 中：f（t）——入 滲 透 速 率；t——入 滲 時 間；f0，fc——初滲速率和穩滲速率；β——經驗參數。

Phillip方程：f（t）＝0.5St－1／2＋A

式中：f（t）——入滲速率；S——吸著率；A——穩滲速率。

3 結果與分析

3.1 土壤物理特征分析

表2為小興安嶺南麓主要植被類型土壤水文物理性質。從表中可見，各植被類型的土壤有明顯的分異，0—10cm土層的容重在各土層中均為最小值，且0—20cm土層的土壤容重均在1.00g／cm3以下，介于0.45～1.00g／cm3之間；大于20cm 深度的土層容重大多大于1.00，介于0.76～1.52g／cm3；各植被類型0—50cm的平均容重除白樺林為1.13g／cm3外，其他均略小于1.00g／cm3，平均為0.90g／cm3。

表2 各植被類型典型研究樣地各土層及0－50cm深度土壤物理性質平均值

從土壤的孔隙度看，土壤容重較輕的土層總孔隙度和毛管孔隙一般較大，反之，二者則較小；不同植被類型的總孔隙度為43.73%～79.21%，毛管孔隙度為38.45%～72.27%，非 毛 管 孔 隙 度 為 1.48% ～20.96%；0—50cm的平均總孔隙度和毛管孔隙度均以白樺林最小（56.8%和45.53%），其他各植被類型分別為61.20%～68.28%和51.13%～62.71%，均以人工興安落葉松林最大，而平均非毛管孔隙度則以人工興安落葉松林最小（5.58%），其他植被類型分別為8.67%～12.23%，以原始紅松林Ⅰ最大。從不同植被類型持水能力看，各土層飽和含水率介于28.73%～177.32%，毛管含水率25.26%～156.84%，自然含水率13.91%～119.18%，并隨著土層深度加厚，三者均具有明顯減小趨勢；其中人工興安落葉松林的飽和含水率（平均108.19%）、毛管含水率（平均97.76%）和自然含水率（平均73.38%）最大，而白樺林的三者均較小，分別為55.24%，43.63%和21.53%，其他則分別介于69.09%～91.39%，59.17% ～76.04%和31.16%～36.07%。根據土壤孔隙度及持水能力得出，各植被類型土壤通氣度除人工興安落葉松最小（15.26%）外，其他均差異不大，介于33.20%～39.47%之間。

3.2 土壤持水和蓄水能力分析

表3為各主要植被類型樣地0—50cm土厚的持水和蓄水能力，結果表明，該區在持水和蓄水能力上各植被類型間具有較大的差別。從持水能力看，各植被類型土壤的自然持水量為111.74～265.09mm，其大小依次為興安落葉松林（265.09mm）＞臭冷杉林（144.34mm）＞紅松林Ⅰ（137.10mm）＞針闊混交林（130.67mm）＞白樺林（116.090mm）＞紅松林Ⅱ（111.74mm）；最大持水量282.88～341.41mm，依次為興安落葉松林（341.41mm）＞針闊混交林（328.04mm）＞紅松林Ⅰ（316.77mm）＞臭冷杉林（313.65mm）＞紅松林Ⅱ（305.99mm）＞白樺林（282.88mm）；有效持水量27.88～61.13mm，依次為紅松林Ⅰ（61.13mm）＞針闊混交林（57.42mm）＞白樺林（55.21mm）＞臭冷杉林（46.86mm）＞紅松林Ⅱ（43.37mm）＞興安落葉松林（27.88mm）。

表3 主要植被類型典型樣地0－50cm土層的持水和蓄水能力 mm

從土壤蓄水能力看，其與土壤前期自然含水量和最大持水量密切相關，二者之差可作為衡量土壤涵蓄降水量的能力［15］，研究發現盡管人工興安落葉松林具有較大的最大持水量，但由于其自然持水量也較大，因此其涵蓄降水量最小，僅為76.32，而其他植被類型的涵蓄降水量能力均較高，為165.98～197.37 mm；另外，該區土壤最大持水量中以毛管持水量為主，因此也可用毛管持水量與土壤前期自然含水量之差來反映土壤的蓄水能力，稱其為有效涵蓄量［14］，各植被類型有效涵蓄降水量情況與土壤涵蓄降水量一致。

3.3 土壤滲透特征分析

土壤滲透特征是土壤水文生態功能的重要體現，其下滲能力特別是表層土壤影響著地表徑流的產生與否。由表4可見，各植被類型的土壤初滲速率和穩滲速率最大值一般在0—10cm或10—20cm土層，其平均值分別為11.92mm／min和2.78mm／min，而最小值在不同的植被類型下出現的土層不同，其平均值為2.19mm／min和0.66mm／min。從表層0—10cm土壤看，最大初滲速率為3.90～15.6mm／min，穩滲速率為0.44～2.87mm／min，其穩滲速率大小順序為臭冷杉林＞白樺林＞紅松林Ⅰ＞針闊混交林＞紅松林Ⅱ＞興安落葉松林。各植被類型0～50cm的平均初滲速率以針闊混交林最大（10.35 mm／min），其次為臭冷杉林（7.07mm／min）、紅松林Ⅰ（6.67mm／min）、紅松林Ⅱ（6.40mm／min）、人工興安落葉松林（3.54mm／min），白樺林最小（1.44mm／min）；平均穩滲速率以針闊混交林最大（2.80mm／min），其次為臭冷杉林（1.52mm／min）、白樺林（1.44 mm／min）、紅松林Ⅰ（1.42mm／min）和紅松林Ⅱ（1.18 mm／min），人工興安落葉松林最小（0.65mm／min）。

表4 不同植被類型樣地土壤各土層的初滲速率和穩滲速率

續表4

Kostiakov方程、Horton方程和Philip方程是3個概念較為明確且可靠的土壤水分入滲模型，通過實測數據模擬了各植被類型下不同土壤層次的入滲過程。表5中結果表明：Kostiakov方程中的參數a一般變化在0.57～19.78之間，平均為6.13，受土壤密度、孔隙度等的影響，反映了土壤初滲速率的變化情況，而b值反映了滲透速率變化的快慢，其變動范圍為0.04～0.57，平均為0.28；Horton方程中，f0和fc是通過給定初始值迭代擬合的初滲速率和穩滲速率，其值符合實測值（二者的相關系數R分別為0.82和0.98），β反映了滲透速率變化的情況，該值介于0.02～3.98之間，平均0.50；在Philip方程中，S表明了土壤含水量和孔隙度對入滲速率的影響，而A值表示穩滲速率的情況，二者的取值范圍分別為0.81～30.82和0.01～3.34，平均值分別為10.23和1.25，其中A值與實測的穩滲速率相關系數可達0.93。比Philip方程和Kostiakov方程的模擬精度略高，且Horton方程中各參數具有明確的物理意義，因此在該區進一步的水文過程模擬中可選擇Horton方程模擬土壤水分滲透速率。

表5 不同植被類型典型樣地土壤層次的滲透速率擬合參數

續表5

4 結 論

（1）在小興安嶺南麓，土壤容重介于0.45～1.52 g／cm3之間，0—20cm土層較疏松，大于20cm土層較緊實；土壤總孔隙度為43.73%～79.21%，毛管孔隙度為38.45%～72.27%，非毛管孔隙度為1.48%～20.96%，其中，白樺林的總孔隙度和毛管孔隙度最小，其他林分之間差異不大；人工興安落葉松林的非毛管孔隙度最小，原始紅松林Ⅰ最大。

（2）土壤的飽和含水率、毛管含水率和自然含水率分別介于28.73%～177.32%，25.26%～156.84%和13.91%～119.18%之間，隨著土層加厚，三者明顯減小。各植被類型最大持水量為282.88～341.41 mm，以人工興安落葉松林最大，白樺林最小，其他林分差異不大；有效持水量27.88～61.13mm，以紅松林Ⅰ最大，人工興安落葉松林的最小，其他差異不大；除人工興安落葉松林的涵蓄降水量為76.32mm以外，其他植被類型的均較高為165.98～197.37mm。

（3）各植被類型0—50cm的平均初滲速率介于1.44～10.35mm／min之間，穩滲速率為0.65～2.8 mm／min；Kostiakov方程、Horton方程和Philip方程均可模擬各植被類型的土壤入滲過程，但Horton方程模擬效果更好。

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