松花壩水源區(qū)主要林分類型土壤理化性質(zhì)研究

森林有“綠色水庫”之稱。它擁有巨大的樹冠、厚的凋落物層和稀疏多孔的森林土壤，在保護水源方面發(fā)揮著作用，并具有良好的水源保護功能。其中森林土壤水文物理性質(zhì)是決定森林生態(tài)水文功能的重要基礎(chǔ),是反映森林植被保持水土和涵養(yǎng)水源作用的重要水文參數(shù)。對于森林的水源涵養(yǎng)功能已有大量研究,國內(nèi)外各學(xué)者對次生林不同林種土壤理化性質(zhì)及蓄水量差異,人工林不同林種土壤理化性質(zhì)及蓄水量差異,同種林中不同坡位、不同坡度其森林水源涵養(yǎng)功能的差異,天然次生林和混交林水源涵養(yǎng)功能的對比等方面都進行了詳細(xì)系統(tǒng)的研究。其中對土壤物理的研究最多,也取得了豐碩的成果。以上的研究對有機質(zhì)、土壤粒度的影響程度未加分析,對高原盆地城市水源地森林土壤的水源涵養(yǎng)功能更是很少有人研究。作為昆明市主要供水源的松花壩水源區(qū)主要以大氣降水補充水源,在這種云南高原盆地水庫水源內(nèi),林地土壤的貯水性能在水源涵養(yǎng)功能中發(fā)揮著重要的作用,是森林植被水文生態(tài)效應(yīng)的重要內(nèi)容。因此,優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)是恢復(fù)健康森林生態(tài)系統(tǒng)和水源涵養(yǎng)能力的重要措施。通過對不同林分土壤貯水特征參數(shù)的測定分析,可以了解和評價不同林分類型土壤層的土壤特性和水源涵養(yǎng)功能。本研究以松花壩水源區(qū)為背景,以裸荒地為對照目標(biāo),對不同林分土壤特性(土壤容重、孔隙度、有機質(zhì)和土壤粒度等)和土壤貯水性能進行對比研究,以期衡量哪種林分的土壤特性最優(yōu)及土壤水源涵養(yǎng)功能最好。為水源地水源涵養(yǎng)功能修復(fù)提供依據(jù)。1流域經(jīng)濟環(huán)境松華壩水源區(qū)是昆明市最重要的飲用水源地,位于昆明市主城區(qū)東北部13km處,地處東經(jīng)102°45′～102°59′,北緯25°08′～25°27′。流域面積為629.8km2,主要河流有牧羊河和冷水河,多年平均徑流量為8900萬km3。全區(qū)以淺切割的中山山地為主體,有面積不大的河谷階地、斷陷盆地、溶蝕洼地。整個地勢由東北向西南逐漸傾斜,境內(nèi)海拔1917～2840m,相對高差923m。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均溫15℃,多年平均降雨量900mm。土壤以紅壤為主,分布少部分的黃棕壤、棕壤和水稻土。流域內(nèi)總林地達378.16km2,約占總面積的60.2%。亞熱帶針葉林是區(qū)內(nèi)的主要森林植被,以云南松林為主,之外還有以滇石櫟為主的常綠闊葉林,以栓皮櫟、旱冬瓜為主的落葉闊葉林、灌木林也有少量分布,在高海拔地帶是華山松林。人工林主要有華山松林、云南松林、旱冬瓜以及圣誕樹林等。2土樣的采集和貯水量的測定選擇云南松、青岡櫟、華山松、圣誕樹4種林分類型,同時選擇一處裸荒地進行對照,測定各土壤物理特征和土壤貯水量進行對比。每個采樣點的各標(biāo)準(zhǔn)地立地條件見表1。各剖面以相同的方法分別進行采樣。每個土壤剖面挖成1.5m×1m×0.8m的長方形土坑,用環(huán)刀法分別按0～20cm,20～40cm,40～60cm3個土壤層次取自然狀態(tài)土樣,每層重復(fù)3次,用于測定土壤容重、孔隙度等。同時每層采取鋁盒樣品和散樣樣品,用于測定土壤含水量、有機質(zhì)和其他土壤特性及臨時備用。利用烘干法測定土壤的含水量。利用環(huán)刀法所取的原狀土樣,根據(jù)常規(guī)分析方法,測定土壤容重、孔隙度和飽和含水量。土壤層厚度和非毛管孔隙度、總孔隙度可綜合反映土壤水源涵養(yǎng)的潛在能力,因此采用土壤非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤層厚度計算土壤的貯水量。即:土壤的非毛管空隙貯水量V非=10000×P非×D。式中:V非—土壤的非毛管空隙貯水量(t/hm2),P非—非毛管孔隙度(%),D—土層深度(m)。土壤的最大貯水量V=10000×P×D。V—土壤的最大貯水量(t/hm2),P—土壤的總毛管孔隙度(%),D—土層深度(m)。土層深度,本文按0.8m計算。3結(jié)果與分析3.1土層深度對土壤水分運動的影響土壤的自然含水量是表示土壤水分狀況的一個重要指標(biāo),對植物生長和水文循環(huán)控制方面均具有重要的意義,在一定程度上能直觀地反映土壤的水源涵養(yǎng)能力。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知:松華壩水源地內(nèi)5種樣地土壤的自然含水量都呈隨著土層深度的增加而逐漸增高。在0～80cm土層內(nèi),圣誕樹林土壤的平均自然含水量最高,為37.79%,華山松林次之,為31.93%,滇石櫟林為19.91%,云南松林為16.99%,裸荒地的最小,僅為11.93%,從大到小依次為:圣誕樹>華山松>滇石櫟>云南松>裸荒地。圣誕樹林土壤的自然含水量比裸荒地的高出26個百分點,華山松林高出20個百分點,滇石櫟林高出8個百分點,較小的云南松林也高出5個百分點。4種林分平均土壤的自然含水量比裸荒地高15個百分點。顯然,林分比裸荒地能更好地保存水分,對水源的涵養(yǎng)作用巨大。3.2不同土層土壤容重、孔隙狀況及對水源涵養(yǎng)的效益分析土壤容重和孔隙度對土壤的水源涵養(yǎng)能力影響程度最突出。土壤容重的大小與土壤緊實致密密切相關(guān),在一定程度上反映出土壤的孔隙狀況和貯水能力。土壤容重較低,意味著土壤疏松和空隙較多,水源涵養(yǎng)和水土保持功能較高,反之亦然。而土壤的孔隙度的大小決定著土壤的通氣狀況和積水能力,對生物的生長有著重要作用。一般把總孔隙度中的非毛管貯水稱為有效貯水能力,非毛管孔隙度大,涵養(yǎng)水源的效益高,反之則低。土壤總孔隙度貯水稱為最大貯水量,是衡量土壤水源涵養(yǎng)功能的參數(shù)。從樣品各指標(biāo)測定的數(shù)據(jù)來看(表1、圖1、圖2),5種樣地土壤的容重均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸增大,在0～20cm的表層,4種林分的土壤容重平均值為1.18g/cm3,而裸荒地的土壤容重為1.46g/cm3,高出23.73%。在0～80cm土層內(nèi),5種樣地容重平均值從大到小的順序為:裸荒地>滇石櫟>云南松>華山松>圣誕樹,分別為1.53、1.44、1.42、1.21,1.10g/cm3。裸荒地的土壤容重比圣誕樹林高39.10%,比4種林分平均值高18.49%。土壤的總孔隙度則與容重相反,隨土層厚度的增加而逐漸降低。總孔隙度在0～80cm土層內(nèi),圣誕樹林的最大,裸荒地的最小,從大到小的順序為:圣誕樹、華山松、云南松、滇石櫟和裸荒地,分別為58.67%、54.30%、46.42%、45.71%和42.11%。裸荒地的總孔隙度明顯低于各林分,比最高的圣誕林低16個百分點,比4種林分的平均值約低9個百分點。土壤的非毛管孔隙度在0～80cm土層內(nèi),從大到小的順序則是云南松>圣誕樹>華山松>滇石櫟>裸荒地,分別為24.48%、19.14%、15.70%、14.20%和11.40%。4種林分的非毛管孔隙度差異不明顯,平均值比裸荒地的高出7個百分點。無論是各林分之間還是與裸荒地的比較,都沒有總孔隙度的差幅明顯。綜合以上分析的結(jié)果得知,圣誕樹林土壤的容重、孔隙狀況最好,對水源涵養(yǎng)的效益最好,華山松的次之,裸荒地的最差。總體來說,林分的容重、孔隙狀況和對水源涵養(yǎng)的效益都遠遠高于裸荒地。說明保護林地、培植林分對水源涵養(yǎng)有巨大作用,對生態(tài)健康發(fā)展意義重大。3.3cm土層厚度和土壤有機質(zhì)含量的含量土壤有機質(zhì)是土壤中最重要的組成成分之一,其含量的高低在一定程度上反映了地上植被的發(fā)育狀況。它可改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重、增加土壤孔隙度和自身疏松多孔易吸水的特性,對土壤的水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生作用。從表1、圖3可以得出,5種樣地土壤的有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而遞減,并且表層有機質(zhì)的含量明顯大于以下各層,而且含量高出的幅度很大。0～20cm土層中各林分土壤有機質(zhì)平均含量為2.12%,明顯高于裸荒地表層的含量,約是它的4.8倍。0～80cm的有機質(zhì)含量平均值從大到小的順序為:華山松>圣誕樹>云南松>滇石櫟>裸荒地,分別為1.43%、0.94%、0.93%、0.55%和0.29%。華山松林土壤有機質(zhì)含量明顯高出其他,約是圣誕樹、云南松林的1.5倍,滇石櫟林的2.6倍,裸荒地的4.9倍。各林分樣地的平均值為1.04%,是裸荒地的3.6倍。綜合以上分析結(jié)果可知,在0～20cm土層中各林分土壤有機質(zhì)平均含量為裸荒地的4.8倍,在0～80cm土層中各林分土壤有機質(zhì)平均含量為裸荒地的3.6倍,無論是表層還是整個土壤剖面中都遠遠高于裸荒地。裸荒地有機質(zhì)含量很少,是其容重大、孔隙度小、水源涵養(yǎng)效益差的原因之一。3.4各樣地黏粒含量土壤粒度對土壤的水力特性、土壤肥力狀況以及土壤侵蝕等有著顯著的影響。隨著土壤顆粒變細(xì)和表面積的增加,不僅土壤顆粒表面吸附、離子交換等物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變,而且土壤的物理性質(zhì)也發(fā)生變化。一般說來,隨著粒級的減小,土壤顆粒的孔隙度、吸濕量、持水量、毛管含水量、表面積、膨脹潛能、吸附性能、塑性和黏結(jié)性將增加,而土壤的通氣性、透水性、土壤密度將降低。實驗觀測表明,土壤吸水速度以砂粒、粉粒間的顆粒為最快,而黏粒則非常緩慢。從表2可以看出,各樣地黏粒的比例隨土壤的深度增加而升高,粉砂粒和砂粒表現(xiàn)不明顯。在0～20cm土層內(nèi),黏粒含量最大的是圣誕樹林,為29.24%,華山松林次之,為25.26%,裸荒地最小,為8.31%;粉砂含量最大的是華山松林,為65.72%,滇石櫟林次之,為55.22%,圣誕樹林最小,為50.11%;砂粒含量最大的是裸荒地,為40.00%,云南松林次之,為37.82%,華山松林最小,為9.02%;黏粒和粉砂粒含量最大的是華山松林,為90.08%,圣誕樹林次之,為79.35%,裸荒地最小,為60.00%。在0～80cm土層內(nèi)黏粒含量最大的是圣誕樹林,為42.41%,華山松林次之,為38.52%,滇石櫟林為26.52%,云南松林為14.07%,裸荒地最小,為12.73%;粉砂含量最大的是華山松林,為55.36%,滇石櫟林次之,為51.78%,云南松林為51.76%,滇石櫟林為50.89%,圣誕樹林最小,為50.11%;黏粒和粉砂粒含量最大的是華山松林,為93.88%,圣誕樹林次之,為93.30%,滇石櫟林為78.29%,云南松林為65.83%,裸荒地最小,為60.53%;砂粒含量最大的是裸荒地,為39.47%,云南松林次之,為34.17%,滇石櫟林為21.71%,圣誕樹林最小,為6.70%,華山松林最小,為6.12%。3.5不同立地條件下各林分有效貯水量的變化規(guī)律森林林分不同,其林內(nèi)的水分、溫度、大氣等都有差別,土壤發(fā)育也不相同,土壤各性質(zhì)也有差距,導(dǎo)致土壤降水貯存量也有差異。有效貯水量是土壤中非毛管孔隙或大孔隙中在下大雨時貯存的水分,能夠減少地表徑流,向深層下滲,補充地下水,參與徑流循環(huán)系統(tǒng)。后者主要供給植物根系吸收,葉面蒸騰和蒸發(fā),是對植物正常生長和生態(tài)功能的保證。兩者是評價土壤水源涵養(yǎng)功能的最終指標(biāo)。據(jù)測定(圖4),幾種樣地土壤0～20cm土層有效貯水量最大的為圣誕樹林,云南松林次之,裸荒地最小,從大到小依次為:圣誕樹>云南松>滇石櫟>華山松>裸荒地,分別為558.40、535.20、491.60、461.00和325.60t/hm2。各林分間的數(shù)值變化幅度不大,但林分與裸荒地之間的變化幅度很大,最大高出71.50%,最小者也高出41.58%。幾種樣地土壤0～20cm土層最大貯水量最大的為圣誕林,裸荒地最小,從大到小依次為:圣誕樹>云南松>華山松>滇石櫟>裸荒地,分別為1185.00、1130.00、1119.20、1040.60和896.40t/hm2。各林分間數(shù)值變化幅度很小,最高的圣誕樹林只比最小的滇石櫟林高出13.94%,而林分整體比裸荒地高出很多,最高的圣誕樹林比裸荒地高出32.20%,最小的滇石櫟也高出裸荒地16.87%。在0～80cm土層內(nèi),各樣地的有效貯水量從大到小的順序為云南松>圣誕樹>華山松>滇石櫟>裸荒地,分別為1958.40、1531.2、1256、1135.6和912t/hm2。各林分間數(shù)值變化幅度比較大,最高的云南松林比最小的滇石櫟林高出72.46%,林分整體比裸荒地都高,最高的云南松林比裸荒地高出114.73%,最小的滇石櫟林也高出裸荒地24.52%。從圖4直觀地看到,每個土壤層中圣誕樹的最大貯水量都表現(xiàn)最好,各林分土壤的最大貯水量都高于裸荒地。在0～80cm土層內(nèi),通過計算,各樣地的最大貯水量從大到小的順序為:圣誕樹>華山松>云南松>滇石櫟>裸荒地,分別為4693.2、4344.2、3723.2、3572.4和3368.4t/hm2。各林分間數(shù)值變化幅度也比較大,最高的圣誕樹比華山松林高出8.03%,比最小的滇石櫟林高出31.38%。林分整體比裸荒地都高,最高的圣誕樹林比裸荒地高出39.33%,最小的滇石櫟林和裸荒地差幅不是很大,只高出6.06%。綜合以上分析結(jié)果可知,無論在0～20cm土壤表層,還是0～80cm土層內(nèi),林分的水源涵養(yǎng)功能好于裸荒地。綜合來說,圣誕樹林水源涵養(yǎng)能力最好,華山松林次之,云南松林和滇石櫟林稍差。4林分的水源涵養(yǎng)能力遠高于裸兩種土層1)圣誕樹林土壤的自然含水量比裸荒地高26個百分點,華山松林高出20個百分點,滇石櫟林高出8個百分點,較小的云南松林也高出5個百分點。4種林分平均土壤的自然含水量比裸荒地高15個百分點。圣誕林土壤的容重、孔隙狀況最好,對水源涵養(yǎng)的效益最好,華山松林的次之,裸荒地的最差。顯然,林分比裸荒地能更好地保存水分,林分的容重、孔隙狀況和對水源涵養(yǎng)效益都遠遠高于裸荒地,對水源的涵養(yǎng)作用巨大。2)在0～20cm土層中各林分土壤有機質(zhì)平均含量為裸荒地的4.8倍,在0～80cm土層中各林分土壤有機質(zhì)平均含量為裸荒地的3.6倍,無論是在表層還是整個土壤剖面中都遠遠高于裸荒地。3)黏粒和粉砂粒含量最大的是華山松林,為93.88%,圣誕樹林次之