枯落物层对六盘山华北落叶松人工林土壤性质的影响

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摘要：摘要：为探究枯落物层对六盘山华北落叶松人工林土壤物理、水文性质的影响，于2017年通过设置不同密度的华北落叶松人工林枯落物保留/去除样地，调查了枯落物保留/去除样地林下土壤物理和水文性质的差异。结果表明：枯落物层能够增加土壤的孔隙度、土壤蓄水和

　　摘要：为探究枯落物层对六盘山华北落叶松人工林土壤物理、水文性质的影响，于2017年通过设置不同密度的华北落叶松人工林枯落物保留/去除样地，调查了枯落物保留/去除样地林下土壤物理和水文性质的差异。结果表明：枯落物层能够增加土壤的孔隙度、土壤蓄水和渗透能力，去除地表枯落物(LR)和保留枯落物(CK)两种林分在0～100 cm土层中平均容重分别为1.38 g/cm3和1.30 g/cm3，平均总孔隙度分别为44.88%和49.74%，毛管孔隙度分别为36.33%和42.56%，非毛管孔隙度表现为8.55%和7.19%，LR和CK土壤初渗速率变化为6.25和7.98 mm/min，土壤稳渗速率范围为3.81和5.22 mm/min，土壤平均入渗速率LR和CK分别为4.38和5.64 mm/min。以上结果说明了枯落物层会显著影响华北落叶松人工林的土壤物理水文性质。

　　关键词：六盘山;华北落叶松;枯落物;土壤物理一水文性质

　　《榆林科技》坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导，贯彻“百花齐放、百家争鸣”和“古为今用、洋为中用”的方针，坚持实事求是、理论与实际相结合的严谨学风。

　　1引言

　　为治理严重的水土流失和荒漠化，我国几十年间连续斥巨资实施了全球规模最大的人工造林，目前人工林面积高达全球的1/3，而且作为积极应对气候变化的国家行动与重要措施，仍将计划大规模造林，且主要在北方干旱地区。尽管人工林建设取得了显著成就，但也存在一些负面问题，如导致土地地力退化和林下植被多样性降低，一个主要的原因是由于过厚的枯落层改变了林下植被组成、土壤性质及养分循环。因此，对于林下枯落物层的科学管理，就成为我国现有人工林资源经营与管理不可忽视的一个重要问题。

　　枯落层是森林生态系统重要组份，是土壤和林木间物质交换的中间环节，直接影响着土壤理化性质和现代成土过程。研究发现长期去除枯落物对土壤容重、地表径流、侵蚀和温度波动有显著影响，破坏了土壤水分平衡，可导致干旱期土壤含水量降低。枯落物对土壤性质的影响与枯落物的数量、化学成分、分布位置和分解过程密切相关。尽管已经开展了一些关于枯落物层对土壤理化性质影响的研究，但在宁夏地区还缺少枯落物层去除对针叶人工林林下土壤物理及水文性质影响的研究。

　　华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii Mayr)是我国北方广大地区的主要造林树种之一，其人工林的水土保持和水源涵养等生态水文功能对于维持区域生态平衡发挥重要的作用。地处我国西北地区黄土高原的宁夏六盘山为泾河、葫芦河、清水河等河流发源地，也是我国黄土高原的重要水源地，该地区生态环境脆弱，植被破坏严重，森林植被的生态水文功能亟待恢复和加强。然而目前存在树种单一、间伐不及时、密度不合理等问题，导致土壤地力退化、生物多样性降低、水源涵养功能衰退等一系列问题。本研究通过对六盘山华北落叶松人工林林下枯落物采取去除试验，探索了枯落物层对人工林土壤物理性质的影响，该研究将有助于从枯落层角度提升我国西北地区人工林的合理经营和科学管理。

　　2研究区概况与研究方法

　　2.1研究区概况

　　研究区位于宁夏六盘山，是泾河、清水河的水源发源地。不仅是暖温带半干旱到半湿润过渡气候区，还是黄土一土石过渡区，植被类型属暖温带落叶阔叶林及油松侧柏林地区，海拔最高2942 m，样地布设在宁夏南部六盘山香水河小流域(106°10’～106°30’E，35°15’～35°42’N)，流域面积约43.74 km。，属暖温带半湿润气候，年均气温5.8℃，年均相对湿度68%，无霜期90～130d，多年平均降水量632 mm，6～9月占全年降水量的72.2%，全年蒸发量1214～1426 mm，海拔为2300 m左右。土壤类型主要为灰褐土。小流域的森林植被生长良好，森林覆盖率高达73%，主要为天然次生林、人工林及灌丛，人工林以华北落叶松(Larixprincipis-rup-prechtii Mayr)为主，面积占23.62%。另有一些油松(Pinustabuliformis Carr.)、青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)等人工林;天然次生林的树种组成包括辽东栎(Quercusliaotungensis Koidz.)、少脉椴(Tilia paucico-stata Maxim.)和华山松(Pinusarmandii Franch.)等;林下灌丛主要由华西箭竹(Fargesianitida(Mitford)Kengf.)、沙棘(Hippophaerhamnoides Linn.)、灰枸子(Cotoneasteracuti，0lius Turcz.)等组成;林下草本植物主要有苔草(Carexspp.)、东方草莓(FragariaorientalisLosinsk)等。

　　2.2研究方法

　　2.2.1样地设置和调查

　　2017年11月在香水河小流域内，选取不同密度华北落叶松人工林样地4块，各样地落叶松林龄均为34a，立地条件基本一致，单个样地面积为20 m×20 m，调查样地内所有树木树高、胸径、枝下高等林分結构指标，记录海拔、坡度、坡向等地形指标。在每个密度样地内，选取对照样地和枯落物去除样地各一块，对照样地不做处理，枯落物去除样地于2017年11月进行枯落物去除，之后于每月中旬进行样地内枯落物清除工作，直至2018年10月底(生长季末)，各林分样地基本情况见表1。

　　2.2.2土壤采集

　　2018年10月，在不同样地(枯落物去除/对照)随机挖取5处土壤剖面，调查有无枯落物覆盖下土壤物理特征差异，机械划分土层，共计6个层次，用容积为200cm3的环刀在O～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层深度取土，每层3个重复。

　　2.2.3土壤物理性质测定

　　带回土壤室内称取重量，按《LY/T 1215-1999》测定土壤物理性质。土壤物理性质部分指标计算公式如下：

　　式(1)～(6)中：G-土壤容重(g/cm3);K1-环刀内烘干土重(g);K2-浸润12 h后环刀内湿土重(g);K3-干沙搁置12 h后环刀内湿土重(g);K4-干沙搁置60 h后环刀内湿土重(g);R1-土壤最大持水量(g/kg);R2一土壤毛管持水量(g/kg);We一土壤毛管孔隙度(%);W。一土壤非毛管孔隙度(%);Tm土壤总孔隙度(%);k-土壤比重。

　　2.2.4土壤渗透性测定

　　土壤渗透性能测定方法按照《LY/T 1218-1999》，采用双环刀法，测定O～100cm土层的渗透性能指标，测定结果包括渗出水总量、渗率速度等。

　　2.2.5数据处理

　　运用R、Microsoft Excel 2010软件处理数据，并用SigmaPlot绘图;运用R软件对枯落物蓄积量及厚度进行单因子方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平为0.05。

　　3结果与分析

　　3.1枯落物层对土壤容重和孔隙度的影响

　　在土壤物理性质中，土壤容重的大小是评价土壤质量的重要指标，体现了土壤结构、松紧程度和土壤水分涵蓄能力，由于不同林分类型枯落物特性、植物根系分布以及林下微生物差异，其土壤容重也存在一定差异。由表2可知，在地表枯落物层的保留(CK)和去除(LR)条件下，华北落叶松人工林土壤层容重在土层垂直结构中变化基本一致，都表现为随着土层厚度加深，土壤容重逐渐增大的趋势，枯落物保留(CK)土壤层在O～10 cm容重为0.96 g/cm3，当深度在80～100 cm时，土壤容重为1.55 g/cm3，增幅为61.46%;枯落物去除(LR)土壤层在0～10 cm容重为1.10 g/cm3，当深度在80～100 am时，土壤容重为1.56 g/cm3，增幅为41.82%。CK和LR土壤层在0～100 cm土层平均容重分别为1.30 g/cma和1.38 g/am3，其中在O～10 cm土层中LR的土壤容重显著大于CK土壤容重(P<0.05)，增加为14.58%，在土壤层10～20 cm，LR的土壤容重大于CK土壤容重，增长为8.03%，枯落物的去除易使土壤表层紧实，容易导致土壤退化。

　　土壤孔隙度大小决定了土壤结构的性质，孔隙度越大，则说明土壤比较疏松，透水性较好，利于降水的下渗以及植物细根的生长。样地内CK和LR土壤总孔隙度均随土层厚度加深呈下降趋势，CK和LR土壤层在0～100 cm土层平均总孔隙度分别为49.74%和44.88%;毛管孔隙度分别为42.56%和36.33%;非毛管孔隙度为7.19%和8.55%。在O～10 cm土层，LR总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度比CK分别减少了12.92%、11.26%以及16.72%，在10～20 am土层，LR总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度比CK分别减少了15.67%、20.47%和2.76%。一般而言，土壤层总孔隙度越大，说明该林分具有较强的水源涵养和土壤改善能力，土壤生态水文功能较好。

　　3.2枯落物层对土壤持水性能的影响

　　不同枯落物处理下土壤持水量变化如表3所示，随着土层的加深，土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量均呈下降趋势，其中，CK和LR土壤在O～100 cm深度平均最大持水量表现为39.61%和34.97%，毛管持水量依次为33.84%和27.20%;最小持水量大小为27.85%和23.32%。在土层O～10 cm，LR土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量相比较于CK土壤分别降低了21.36%、28.91%、18.10%。在土层10～20cm，则分别降低了10.91%、28.91%、29.67%。

　　土壤层作为森林水分的储蓄库和调节器，其持水能力可以直接影响到森林生态水文过程。土壤的持水能力受土壤容重、孔隙度等物理性质影响。林地植被的林分组成、结构、枯枝落叶层等因素都可能影响土壤的蓄水功能。由表4可知，林分CK和LR在O～40 cm土壤层最大蓄水量(mm)为246.11 mm和220.72 mm;毛管蓄水量则为196.18 mm和151.68 mm;最小蓄水量依次为166.25 mm和135.13 mm。

　　土壤实际蓄水能力与土壤自然含水量有着密切联系，一般情况下，土壤自然含水量越大，土壤蓄水能力就越小。通常用土壤最大蓄水深减去自然含水量所得的最大有效涵蓄降水深以及毛管蓄水量减去自然含水量所得的有效含蓄降水深更能衡量土壤蓄水性能。由表4可知，在O～40 cm土壤层，地表有无枯落物覆盖对土壤最大有效含蓄降水深具有一定影响，CK和LR分别为119.94 mm和102.26 mm;而有效含蓄降水深则为70.01 mm和33.22 mm，有枯落物覆盖的土壤层涵养水源能力高于裸地。

　　3.3枯落物层对土壤渗透能力的影响

　　在森林生态水文研究中，土壤人渗是评价林地蓄水能力和水分调节能力的重要参数指标，土壤的入渗性受到土壤容重、质地结构、地面覆盖物、覆盖度、植物根系分布状况等多种因素的影响。枯落物层對落叶松林土壤人渗速率在各个时间内变化的影响如图1所示，华北落叶松人工林样地地表枯落物的去除(LR)和保留(CK)土壤人渗速率趋势变化大致相同，在渗透初期(O～10 min)，渗透速率变幅较大，渗透速率迅速下降后随入渗时间的增加而变化幅度逐渐降低并趋于平缓，直至进入稳定状态。其中，枯落物保留(CK)的土壤层人渗速率均大于枯落物去除(LR)的土壤层。由图2可知，受枯落物层覆盖的影响，华北落叶松人工林样地内LR和CK的土壤初渗速率为6.25和7.98 mm/min;土壤稳渗速率分别为3.81和5.22 mm/min;土壤平均入渗速率LR和CK分别为为4.38和5.64 mm/min，地表枯落物保留(CK)土壤渗透性能均优于枯落物去除土壤(LR)。

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