全 文 ：第 29卷第 5期
2009 年 10月 水土保持通报Bulletin of Soil and Water Conserv ation Vol.29 , No.5Oct., 2009
收稿日期:2009-01-16 修回日期:2009-03-17
资助项目:国家林业局重点项目(2008-12);湖南省科技攻关计划项目(2006NK3107)
作者简介:文仕知(1958—),男(汉族),湖南省衡阳市人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事生态学 、水土保持学研究。 E-mail:w enshizhi@163.com。
桤木属两个种人工林土壤水分特征
文仕知 , 胡孔飞 , 何功秀 , 张 杰
(中南林业科技大学 林学院 , 湖南 长沙 410004)
摘 要:对湘北第四纪红土红壤地区四川桤木人工林 、台湾桤木人工林土壤水分特征进行了研究。结果表
明 ,四川桤木林枯落物最大持水量达到 24.76 t/hm2 ,是台湾桤木林的 1.22 倍。土壤总孔隙度和非毛管孔
隙度大小顺序为:台湾桤木林>四川桤木林>荒地 , 土壤最大持水量是台湾桤木林最大 ,为 24.55 mm。
0—45 cm 层土壤渗透参数大小顺序为:台湾桤木林>四川桤木林>荒地。 说明桤木人工林能够改善该地
区的土壤结构 ,使其具有良好的土壤水分特征。
关键词:红壤;四川桤木;台湾桤木;枯落物;土壤水分
文献标识码:A 文章编号:1000-288X(2009)05-0085-05 中图分类号:S715.3
Soil Moisture Characteristics of Two Species of Alnus Plantations
WEN Shi-zhi , HU Kong-fei , HE Gong-xiu , ZHANG Jie
(College of Forestry , Central South University o f Forestry and Technology , Changsha , H u nan 410004 , China)
Abstract:Research on the soil moisture characteristics in Alnus cremastog yne and A lnus f ormosana forest-
land wi th the red soi l developed from quaternary red earth in N orthern Hu nan is conducted.Results show
that maximum moisture content fo r the Alnus cremastogyne li tter is 24.76 t/hm , which is 1.22 t imes of that
of the A lnus f ormosana.By bo th the to tal capil lary po ro sity and non-capillary po rosi ty , landuses can be
ranged in the order of A lnus f ormosana plantations > A lunus cremastogyne plantations > wasteland.The
maximum soi l moisture content for the Alnus f ormosana is 24.55 mm.By the infi lt ration parameter in 0-45
cm soi l layer , landuses can be ranged in the order of Alnus f ormosana plantat ions > Alnus cremastogyne
planta tions >wasteland.This indicates that the Alnus plantat ions could improve soil st ructure and make the
soil to keep ve ry good soil moisture characterist ics.
Keywords:red soil;Alnus cremastogyne;Alnus f ormosana;litter;soil moisture
桤木为桦木科(Betulaceae)桤木属(Alnus
Mill.)非豆科固氮落叶速生树种 ,生长迅速 ,适应性
强 ,根系发达 ,具固氮和改良土壤的作用 ,是喜温 、喜
湿 、耐水和耐瘠薄的优良纤维材树种和水土保持树
种 ,是亚热带地区极具发展前景的短周期优质阔叶速
生工业原材料树种[ 1-2] 。桤木作为一种新型的速生的
优良纸浆用材和水土保持树种 ,目前国内有众多学者
对桤木进行了研究 ,但大多数停留在造林育苗[ 3-4] ,或
单纯地对某一单方面的生态习性进行了研究[ 5-6] 。而
作为水土保持树种 ,对其水土保持性能作系统研究的
非常少 ,特别在林业上国内外对第四纪红土红壤研究
极少 。本文试图从四川桤木(Alnus cremastogyne)
和台湾桤木(Alnus formosana)人工林的土壤水分特
征出发揭示湘北地区桤木不同品种人工林在水土保
持 ,涵养水源等方面的作用。以期为第四纪红土红壤
地区桤木人工林的经营管理提供科学依据 ,同时为研
究桤木的水土保持性能和第四纪红壤的性质起到抛
砖引玉的作用。
1 试验地概况
试验地位于湖南省汨罗市林业科技示范园内
(E113°06′, N28°49′),属中亚热带季风湿润气候 ,四
季分明 ,雨量充足;年均气温 16.7 ℃,极端最高气温
为 39.7 ℃,极端最低温-13.4 ℃,年均降雨量 1 353
mm ,无霜期 263 d ,日照时数年均 715 h 。地形为丘
陵 ,海拔高度 70 ～ 80 m 。土壤为第四纪红土红壤 ,
pH 值 5.4 ～ 7.0 ,平均厚度为 75 cm 。
2 研究方法
2.1 标准地调查
在各林分类型中 ,选择典型地段 ,分别设置 30 m
DOI :10.13961/j.cnki.stbctb.2009.05.035
×20 m 的标准地(荒地除外)。在各标准地内 ,进行
每木检尺 ,测定树高 、胸径 、冠幅和郁闭度等因子。在
每木调查的基础上 ,每块标准地选取 3株平均木伐
倒 ,测定乔木层生物量。并且调查灌木层和草本层种
名以及其生长状况(表 1)。
2.2 枯落物的采集与持水性能测定
在每块标准地设 1 m ×1 m 样方 5 块 ,用卷尺测
量并记载枯落物层的总厚度 、未分解层厚度 、半分解
层厚度 ,将枯落物层按未分解层和半分解层分别收集
取样 ,分层称重 ,带回室内 ,95 ℃烘干称重 ,以推算其
单位面积累积量 。采用室内浸泡法 ,将原状枯落物试
样分别装入尼龙袋 ,在清水中浸泡 24 h后称重 ,计算
其最大持水率 ,每个林分类型重复 5次 ,另取未分解
层 、半分解层试样 ,称重后分别装入尼龙袋 ,测定浸入
清水后 0.5 ,1 ,1.5 , 2 ,4 , 6 ,8 , 12 ,24 h后重量变化 ,以
研究其吸水速度及吸水过程 [ 7] 。
2.3 土壤物理性状和持水性能的测定
采用环刀法测定土壤容重 、最大持水量 、毛管持
水量 ,通过公式换算可得土壤含水量 、容积湿度 、毛管
孔隙度 、非毛管孔隙度及总孔隙度等值[ 8] 。
2.4 土壤渗透性能测定
采用双环刀法测定土壤渗透性能 ,并将不同温度
下渗透系数换算成 10 ℃的渗透系数 K 10℃ ,以便比
较 。具体换算公式为:
K 10℃ = K ii
0.7+0.03ti
式中:K ti ———某温度下的渗透系数(mm/min);
ti ———土壤温度或水温[ 8-10] 。
表 1 标准地基本情况
林分类型 林龄/ a 生物量/(t· hm -2) 郁闭度 林下主要植物
四川桤木林 6 58.86 0.80 商陆 、大青 、鸡血藤 、华白檀 、菝葜 、小蓬草 ,等
台湾桤木林 6 57.09 0.75 商陆 、大青 、鸡血藤 、扛板归 、白背叶 、凤尾蕨 ,等
荒 地 — — — 山莓 、大青 、小果蔷薇 、盐肤木 、菝葜 、芒草 ,等
3 结果与分析
3.1 枯落物水分特征
不同类型林地枯落物的累积量测定结果见表 2。
由表 2可见枯落物的厚度 、未分解层厚度都是四川桤
木林大于台湾桤木林 ,但是半分解层的厚度是台湾桤
木林最大;四川桤木林枯落物累积量最大 ,为 7.86 t/
hm 2 ,半分解层累积量是未分解层累积量的 2.43倍 ,
台湾桤木林枯落物累积量略小于四川桤木林 ,但是其
半分解层累积量是未分解层累积量的 3.30 倍 ,从不
同层次累积量的指标来看 ,台湾桤木林枯落物的分解
速度要大于四川桤木林。荒地中枯落物累积量甚微 ,
以半分解层累积量所占比例最大 ,为 77.33%。
由表 2可知 ,由于荒地植物种类多 ,枯落物的组成
较桤木枯落物复杂 ,致使其最大持水率大于四川桤木
林和台湾桤木林。四川桤木林枯落物未分解层最大持
水量和半分解层最大持水量分别是台湾桤木林的
1.38 ,1.19倍 ,最大持水深度为 2.48 mm ,是台湾桤木
的 1.22倍 ,荒地的 9.19倍 ,这些主要是由枯落物的累
积量多少和枯落物分解程度 、组成等因素有关。
枯落物的吸水速率是反映枯落物持水性能的一
个重要指标 ,它有助于分析枯落物的整个持水过程 。
由表 3可见 ,枯落物半分解层的吸水速率大于未分解
层的速率 ,各类型标准地中 , 0.5 h 的半分解层吸水
速率是未分解层的 2.71 ～ 3.36倍。荒地枯落物的初
始吸水速率最大;四川桤木林未分解层的初始速率小
于台湾桤木林 ,而半分解层则相反 ,这也是由于林地
枯落物的组成成分存在差异的结果。3 个类型林地
枯落物吸水速率随时间变化的趋势一致 ,但前 4 h 吸
水速率减小的幅度大 , 4 h后出现重大转折点 ———吸
水速率逐渐减缓 ,到 24 h速率趋近于零 ,这主要是随
着浸泡时间增加 ,不同种类枯落物接近其最大持水
量 ,也就是说枯落物趋于饱和 ,其持水量增长速率随
之减缓所致 。
表 2 林地枯落物累积量与持水量
林分类型
未分解层累积量
(t · hm-2) %
半分解层累积量
(t · hm -2) %
总累积量/
(t · hm-2)
最大持
水率/ %
未分解层
最大持水量/
(t· hm -2)
半分解层
最大持水量/
(t · hm-2)
最大持
水总量/
(t · hm-2)
最大持
水深度/
mm
四川桤木林 2.48 31.55 5.38 68.45 7.86 268.25 3.64 21.12 24.76 2.48
台湾桤木林 1.71 23.27 5.65 76.87 7.35 233.09 2.63 17.78 20.41 2.04
荒地 0.17 22.67 0.58 77.33 0.75 281.73 0.27 2.38 2.65 0.27
86 水土保持通报 第 29 卷
表 3 枯落物在不同浸水时间段的吸水速率 kg/(kg · h)
林分类型 枯落物层 浸水时间/ h
0.5 1 2 4 6 8 12 24
四川桤木林 未分解层 1.33 0.85 0.50 0.28 0.20 0.15 0.10 0.05半分解层 4.23 2.45 1.33 0.79 0.51 0.41 0.29 0.15
台湾桤木林 未分解层 1.45 0.87 0.50 0.30 0.21 0.17 0.13 0.07半分解层 3.93 2.05 1.09 0.70 0.50 0.38 0.24 0.12
荒 地 未分解层 1.78 0.94 0.65 0.32 0.24 0.16 0.12 0.09半分解层 5.98 2.88 1.53 0.99 0.54 0.42 0.22 0.19
3.2 土壤水分物理性质
土壤水分物理性质直接影响到土壤的持水性能 、
保水能力 、抗侵蚀能力及渗透性。从表 4中可见 , 3
个类型林地土壤水分物理性质有一定的差异 ,表现为
土壤容重荒地>四川桤木林>台湾桤木林。每个类
型中 30—45 cm 层土壤容重要比 15—30 cm 层的小 ,
这与杨锋等[ 11] 1989年研究的第四纪红土红壤不同层
次容重变化规律相同 。土壤总孔隙度和非毛管孔隙
度是台湾桤木林>四川桤木林>荒地 。土壤毛管空
隙和毛管持水量是荒地最大 ,分别是 28.80%, 58.41
mm ,台湾桤木林其次 ,四川桤木林最小。土壤最大
持水量是台湾桤木林最大 224.55 mm , 荒地最小
197.74 mm ,荒地与四川桤木林差异不明显。
纵观以上几个指标分析差异的主要原因有:(1)
台湾桤木林的枯落物分解速度快造成表层土土质疏
松;(2)四川桤木林和台湾桤木林地在造林前进行过
整地 ,以致结构较荒地疏松 ,而荒地无人为干扰;(3)
荒地表层植物根系分布较多 ,裸露面较多 ,故存在表
层水分物理性质优于四川桤木林;(4)品种之间差
别 ,不同层次的根系分布不同 ,对土壤结构影响较大 ,
台湾桤木林与四川桤木林土壤水分物理性质差别明
显 ,其表现是台湾桤木林土壤水分物理性质较好。
表 4 各层次土壤水分物理性质
林分类型 土层/
cm
土壤容重/
(g· cm -3)
总空
隙度/ %
非毛管
空隙/ %
毛管
空隙/ %
毛管持水量
% mm
最大持水量
% mm
0-45 1.32 44.76 6.88 36.64 27.73 164.90 33.33 198.86
四川桤木林 0—15 1.20 39.90 5.25 30.95 25.79 46.42 31.17 57.30
15—30 1.45 45.58 5.05 40.54 28.05 60.81 31.55 68.38
30—45 1.31 48.79 10.35 38.44 29.36 57.67 37.26 73.18
0—45 1.28 49.90 12.63 37.27 29.38 167.72 39.70 224.55
台湾桤木林 0—15 1.09 53.90 17.89 36.00 33.03 54.01 49.45 80.85
15—30 1.39 50.10 10.73 39.37 28.33 59.06 36.04 75.15
30—45 1.36 45.70 9.26 36.44 26.79 54.65 33.60 68.55
0—45 1.37 43.94 5.00 38.94 28.80 175.24 32.83 197.74
荒 地 0—15 1.18 51.37 10.85 40.52 34.49 60.79 43.72 77.05
15—30 1.48 38.02 1.55 36.47 24.64 54.70 25.69 57.03
30—45 1.46 42.44 2.61 39.83 27.28 59.75 29.07 63.66
3.3 土壤渗透性能
土壤渗透性能是土壤的重要水分物理性质之一 ,
土壤的渗透性能的好坏 ,直接关系到地表产生径流量
的大小 ,对土壤侵蚀的影响很大。同一类型的土壤由
于植被不同 ,其渗透性能也会有很大的差异。对 3个
类型林地土壤渗透性能指标的测定结果见表 5。从
表 5中可看出 , 0—45 cm 层土壤初渗速度和稳渗速
度都是台湾桤木林>四川桤木林>荒地 。四川桤木
林和台湾桤木林 10 ℃的渗透系数 K 10℃是荒地的
1.04和 1.19 倍。0—15 cm 层土壤的初始渗透参数
都是台湾桤木林>荒地>四川桤木林 ,台湾桤木初渗
速度达到 16.51 mm/min ,主要是土层结构因凋落物
的影响比较透气 ,结构疏松;而四川桤木林 0 —15 cm
层土壤渗透参数最小 ,是四川桤木林枯落物分解慢 ,
灌木和草本根系较少的缘故 ,同时荒地表土分布的灌
木和草本根系分布较四川桤木林多 ,使土壤孔隙度较
大 ,因而变得透气 , 也就提高了土壤渗透性能 。在
15—45 cm 层土壤的渗透参数都是台湾桤木林 >四
川桤木林>荒地 ,这是因为人工造林影响 ,致使土层
微生物 、根系的活跃 ,而荒地无人为干扰 ,导致渗透性
87第 5 期 文仕知等:桤木属两个种人工林土壤水分特征
能低于桤木林地。各类型林地中 15—30 cm 层土壤
渗透参数都小于其上下层 ,这与第四纪红壤红土中间
层结构紧密有极大的关联 。
总之 ,从中可以体现出造林能够改变土壤渗透的
性能 ,台湾桤木对林地渗透性能改变比四川桤木林要
好(表 5)。
表 5 土壤渗透参数与模型
林分类型 土层/
cm
初渗速度/
(mm·min -1)
稳渗速度/
(mm·min-1) K ti K 10℃ 渗透模型 复相关系数 模型 t区间
0—45 7.70 2.22 1.11 0..72
四川桤木林 0—15 14.30 3.16 1.58 1.03 f = 14.737t -0.416 4 R2 =0.97 0
30—45 5.07 2.04 1.02 0.66
0—45 8.95 2.51 1.26 0.82
台湾桤木林 0—15 16.51 3.38 1.69 1.10 f = 19.130t -0.479 0 R2 =0.96 0
30—45 5.30 2.25 1.13 0.73
0—45 7.64 2.14 1.07 0.69
荒 地 0—15 14.96 3.20 1.60 1.04 f = 15.088t -0.423 0 R2 =0.92 0
30—45 4.81 1.91 0.95 0.62
通过测定四川桤木林地 、台湾桤木林地及荒地的
土壤入渗速率与入渗过程 ,对其入渗曲线进行拟合 ,
确定相应的入渗回归方程 ,得出土壤渗透速度与渗透
时间呈乘幂函数关系(见表 5)。从表 5 中可以看出 ,
复相关系数在 0.92 ～ 0.97 之间 ,说明方程拟合效果
较好 ,且 3个方程比较接近于目前常用描述土壤入渗
过程的模型考斯加柯夫公式(f =a×t-1/2 ,式中:f ,
a , t分别为入渗率 、常数和时间)[ 12] 。在表 5 的 3 个
渗透模型中 d f /dt为入渗速度的变化量 ,当:
(1)1 min≤t≤15 min 时 ,四川桤木林 、台湾桤
木林 、荒地的 d f/dt 分别为-0.711 8 , -0.993 0 ,
-0.734 9。
(2)15 min
-0.081 3。
(3)30 min
-0.060 6。
(4)60 min
-0.028 1。
为更好地反映不同品种林分中的土壤入渗过程以
及渗透量的大小 ,现将其做成模拟趋势线图(见图 1)。
4 结论
(1)湘北地区桤木人工林枯落物的累积量是:四
川桤木林>台湾桤木林>荒地。枯落物不同分解程
度的最大持水量也是四川桤木林最大 ,可以达到
24.76 t/hm2 ,台湾桤木 20.41 t/hm2 ,荒地最少只有
2.65 t/hm2 ;枯落物吸水速率随浸泡时间增长而减
少 ,荒地的枯落物的吸水速率总体要大于桤木林枯落
物的吸水速率。
图 1 土壤渗透过程曲线图
(2)土壤容重是荒地>四川桤木林>台湾桤木
林 ,30—45 cm 土层容重小于 15—30 cm 层容重 ,这
是第四纪红土红壤的特征;3个类型林地土壤总孔隙
度在 43.94%～ 49.90%之间 ,台湾桤木林最大 ,荒地
最小 ,土壤非毛管空隙由于根系总体影响是台湾桤木
林>四川桤木林>荒地 ,毛管空隙和毛管持水量则又
是荒地>台湾桤木林>四川桤木林;土壤最大持水量
是台湾桤木林最大 224.55 mm ,荒地与四川桤木林
差异不明显 ,四川桤木林略大于荒地 。
(3)3个类型林地土壤入渗性能分析结果表明 ,
整个土壤入渗过程 ,台湾桤木林从初始入渗到稳定入
渗始终大于荒地 。四川桤木林和台湾桤木林的10 ℃
88 水土保持通报 第 29 卷
的渗透系数是荒地的 1.04和 1.19倍 ,说明桤木具有
增加土壤入渗量 ,减少地表径流量的效果 ,但是四川
桤木的效果不明显。
总之 ,在湘北地区第四纪红土红壤地区推广种植
四川桤木和台湾桤木除了有较好的经济效益外 ,还具
有一定的生态效益 ,能够改变土壤的理化性质 ,增强
土壤的蓄水能力 、渗透性 、保持水土 、涵养水源功能 ,
表现出较好的水土保持效益。同时从本研究可知 ,四
川桤木林枯落物累积量与枯落物持水能力要好于台
湾桤木林 ,但是台湾桤木林要比四川桤木林更能够改
善土壤水分物理性质和土壤渗透性能。
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