灤河典型林分枯落物層與土壤層的水文效應

張 寧, 郭賓良, 張 楠, 張紹杰, 張建華, 谷建才

(1.河北農業大學, 河北 保定 071000; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

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灤河典型林分枯落物層與土壤層的水文效應

張 寧1, 郭賓良1, 張 楠2, 張紹杰1, 張建華2, 谷建才1

(1.河北農業大學, 河北 保定 071000; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

摘要：[目的] 研究灤河上游典型林分的枯落物層與土壤層的水文效應，為森林健康監測和評價提供依據。 [方法] 對灤河上游3種林分的枯落物層未分解層與半分解層進行調查研究。 [結果] (1) 油松林的枯落物生物量為12.03 t/hm2,最大持水量為19.4 t/hm2,有效攔蓄量為23.52 t/hm2;落葉松林的枯落物生物量為9.51 t/hm2,最大持水量為11.9 t/hm2,有效攔蓄量為17.03 t/hm2;落葉松白樺混交林的枯落物生物量為5.54 t/hm2,最大持水量為13.0 t/hm2,有效攔蓄量為13.7 t/hm2。(2) 半分解層枯落物浸泡8 h已基本達到飽和,而未分解層需浸泡10 h?？萋湮镌诮那?.5 h內吸水速率最大,6 h左右時吸水速率明顯減緩。(3) 落葉松白樺混交林土壤層持水能力最強,為375.92 t/hm2;油松林土壤層的持水能力最差,為248.04 t/hm2。利用冪函數對入滲速率與入滲時間進行擬合,其相關系數R2均在0.98以上。[結論] 油松林枯落物層的生物量、最大持水量、有效攔蓄量都最大，而落葉松白樺混交林枯落物的土壤持水能力最強。

關鍵詞：枯落物層; 土壤層; 水文效應

森林的枯落物在整個森林生態系統中發揮著很重要的作用，不僅對截持降水，防止土壤濺蝕，阻延地表徑流，抑制土壤水分蒸發，增強土壤抗沖性等方面具有一定的作用，并且它作為森林水文效應的第二活動層,對森林涵養功能的調控具重要意義[1]。土壤層作為森林水文效應的第三活動層，通過土壤毛管空隙和非毛孔空隙，降水可以被植物利用，貯存起來或者匯入溪流，從而將體現出土壤層透水和貯水的功能。河北木蘭圍場國有林場位于灤河上游，森林生態系統以針葉林為主體,國內對于該區的研究主要集中在物種多樣性、地質、土壤等方面,對水文功能的研究則相對較少[2]。本文對北溝林場3種林分枯落物層與土壤層的水文效應做了詳細研究,旨在為森林健康的監測和評價提供一定的理論依據[3-5]。

1研究區概況

河北省圍場縣位于河北省最北部，地處灤河上游，41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E。東與內蒙古赤峰市接壤，南及西南與隆化、豐寧兩縣連接，北與內蒙古渾善達克沙地毗鄰。位于陰山山脈與大興安嶺山脈余脈的交匯處，是連接壩上高原和冀北山地的丘陵山地地帶。河北省圍場縣海拔高750~1 829 m，該區屬大陸性季風型氣候區,年平均溫度-1.5～4.8 ℃,全年西北部的無霜期為90～100 d，中部和東南部的無霜期為100～125 d,年均降水量380～560 mm，降水季節分配很不平衡。圍場縣主要包括棕壤、褐土、風砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土7個土類，共15個亞類，66個土屬，143個土種。河北圍場植物種類繁多,據調查統計有野生種子植物90科371屬793種，有大型真菌24科60種，有苔蘚植物34科83屬201種，其中河北新紀錄種有6種；有蕨類植物12科14屬22種。試驗地位于河北省圍場縣木蘭林管局北溝林場，調查樣地設置在北溝林場的東溝營林區。

2研究方法

2.1　枯落物生物量測定

選擇落葉松純林、油松純林和落葉松白樺混交林3種林分設置標準地，各種類型分別選取3塊，標準地大小為30 m×30 m，對標準地林分中的林木進行調查(表1)。在標準地內各采取5塊大小為50 cm×50 cm的樣方，分布在標準地4個角及中心部位，對于枯落物要測定其厚度，并把未分解層與半分解層分開放置到尼龍袋中,并迅速稱其鮮重。最后將其放置在干燥通風處8 d以上，在用手觸摸枯落物沒有潮濕感的時候，就可以稱其重量，即是風干重,計算出枯落物生物量，為方便表達，以下枯落物的基本數據均為5塊樣方的平均值。

表1　不同林分標準地概況

注：表中混交林指落葉松和白樺混交林。下同。

2.2　枯落物持水量和吸水速率的測定

采用室內浸泡法測定枯落物持水量及其吸水速度,先將5個小樣方內枯落物的總厚度、未分解層和半分解層的厚度測定出來，取各個樣方的平均值作為樣地內的枯落物的厚度，按照分解程度，收集枯落物分為未分解層與半分解層，迅速稱其鮮重，然后將其帶回實驗室稱其烘干以后的質量。最后將枯落物浸入水中后,分別測定其在0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 10和24 h的重量變化,研究其吸水速度和吸水過程[6-8]，測定枯落物的持水量(每次取出稱重后所得的枯落物濕重與其風干重差值)、吸水速率和飽和持水率。采用以下公式來計算各個含水指標：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C——枯落物自然含水量(%)；m1——樣品鮮質量(g)；m2——樣品烘干質量(g)；S——飽和持水率(%)；m3——樣品浸水24 h后的質量(g)；Wm——枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；R0——平均自然含水量(%)；M——枯落物蓄積量(t/hm2)。吸水速率為持水量與浸泡時間的比值。

2.3　枯落物有效攔蓄量的測定

枯落物對降雨的實際攔蓄量的測定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來進行計算[9-11],即:

W= (0.85Rm-Ro)M

(4)

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)。下同。

2.4　土壤層物理性質的測定

土壤調查采用剖面法,在各標準地選取有代表性樣點,分別按0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm取樣[12-14]。用烘干法測定土壤含水量,用環刀法測定土壤容重、孔隙度等物理性質,土壤持水力。

S′=10 000hp

(5)

式中：S′——土持水力(t/hm2);h——土壤層厚度(m);p——非毛管孔隙度(%)。

2.5　土壤入滲測定與計算

采用內環直徑為7.5 cm，外環直徑為15 cm的雙環測定0—20 cm的土壤水分入滲過程。其中，初滲率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間(初滲速率為第1分鐘的入滲速率，最初入滲時段內滲透量的時間為1 min)；平均滲透速率=達到穩滲時的滲透總量/達到穩滲時的時間；穩滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率[15-16]。本文選取Kostiakov數學模型對實測入滲過程進行擬合。公式如下：

f=at-b

(6)

式中：f——t時間時的瞬時入滲速率(mm/min)；t——入滲時間(min)；a，b——試驗資料擬合的參數。

3結果與分析

3.1　枯落物生物量

枯落物的現存生物量與林分類型有密切關系。林分樹種組成不同，生長狀況不同，都與枯落物層的儲量有直接關系，這些因素會不同程度地影響到枯落物的輸入與分解。如表2所示,3種類型林分類型下枯落物生物量有一定差別。其中，油松林枯落物生物量最大，其次是落葉松林為，落葉松和白樺混交林的枯落物生物量最小，這些差別主要是由于林分內針闊葉樹種組成不同所致。此外，根據枯落物的分解程度把枯落物分為未分解層與半分解層，通過分析不同類型林分枯落物未分解層、半分解層儲量可以看出，各層次儲量所占比例不同，落葉松和白樺混交林下枯落物未分解層所占比例最小，占總儲量的43.1%；而落葉松林下枯落物未分解層所占比例最大，占總儲量的53.8%，這可能是由于闊葉樹落葉分解較快，而針葉樹落葉難以分解的緣故。

表2　不同林分枯落物生物量

3.2　枯落物水文效應

3.2.1枯落物最大持水量3種類型林分枯落物的最大持水量有所不同(表3)。油松林的最大持水量最大，為19.4 t/hm2,落葉松林的最大持水量最小，僅為11.9 t/hm2；各類型林分枯落物最大持水率的變動范圍為187%～330%。同一類型林分的最大持水率與最大持水量呈現出不同的規律，這主要是因為枯落物自身結構不同有關。枯落物的分解程度也影響枯落物層的持水能力，枯落物分解程度越高，半分解層枯落物生物量越大，枯落物層的持水能力越高。

3.2.2枯落物持水過程枯落物持水量與浸泡時間具有一定的相關關系。由表4可知,在最初浸泡的半個小時內,枯落物持水量迅速增加,而后隨著浸泡時間的延長呈現不斷增加的趨勢,且增加速度逐步放緩。這一趨勢與枯落物攔蓄地表徑流規律相似,即降雨初期,枯落物攔蓄地表徑流功能較強,此后隨枯落物濕潤程度的增加,吸持能力降低[7]。此外,半分解層枯落物持水量在浸泡8 h時已基本達到飽和,而未分解層持水量浸泡10 h時基本達到飽和。對0.25～24 h之間3種類型林分枯落物各層持水量與浸泡時間的關系進行回歸分析,得出該時間段內持水量與浸泡時間之間存在如下關系(表5)：

Q=alnt+b

式中：Q——枯落物持水量(g/kg);t——浸泡時間(h);a——方程系數;b——方程常數項。

表3　3種林分枯落物最大持水量和最大持水率

表4　不同林下各枯落物層持水量

表5　不同林分枯落物層持水量與浸泡時間關系

3.2.3枯落物吸水速率試驗表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率表現出一定的規律性(表6)。在浸水初期0.5～1 h內，枯落物吸水速率最大，之后吸水速率急劇下降，6 h左右時下降速度明顯減緩，隨浸泡時間延長,枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因為隨著浸泡時間增長,枯落物持水量接近其最大持水量,也就是說枯落物持水量逐漸趨于飽和,其增長速度隨之減緩所致。

表6　不同浸泡時間3種林分枯落物層的平均吸水速率

3.2.4枯落物有效攔蓄量林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見表7。在本研究中，之所以采用有效攔蓄量來評價枯落物對降水的攔蓄能力，主要是因為最大持水量并不能代表枯枝落葉層對降雨的實際截留量，它只能反映枯枝落葉層持水能力的大小，用最大持水率來估算枯枝落葉層對降雨的攔蓄能力，其結果會有所偏高，不能真實反映出枯枝落葉層對降雨的實際攔蓄效果，故采用有效攔蓄量來反映枯枝落葉層對一次降水攔蓄能力，該指標主要與枯落物數量、水分狀況、降雨特性有關。從有效攔蓄率看，各林分未分解層均小于半分解層。由于不同林分枯落物的蓄積量不同，所以有效攔蓄量和有效攔蓄量深的變化規律也不盡相同，未分解層中，油松林的有效攔蓄能力最強，為23.52 t/hm2，落葉松白樺混交林有效攔蓄能力最弱。

表7　不同林分枯落物層有效攔蓄能力

3.3　土壤層的水文效應

3.3.1土壤層的物理性質如表8所示，3種林分類型土壤容重的總體變化不大。落葉松林的土壤容重最大，油松林的次之，落葉松白樺混交林的最小。總孔隙度的變化趨勢為：落葉松白樺混交林>油松林>落葉松林。而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關，表現為：落葉松白樺混交林>落葉松林>油松林。土壤持水能力表現為：落葉松白樺混交林持水能力最強，落葉松林的次之，油松林土壤的持水能力最差。

3.3.2土壤層的滲透性土壤滲透性能越好，地表徑流越少，土壤的流失量也相應減少，因此，土壤的滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素之一，是土壤水文效應評價的重要指標。從表9中得知：3種林分土壤的初滲速率相差較大，落葉松白樺混交林的初滲速率為24.7 mm/min，油松林的只有18.3 mm/min，但隨著時間的推移，入滲速率逐漸減慢，當達到一定時間時趨于定值。最終的穩滲速率落葉松白樺混交林為0.9 mm/min，落葉松林為0.8 mm/min，油松林為0.6 mm/min。分析主要原因為：落葉松白樺混交林土壤上下土層的非毛管孔隙數量多，有利于土壤水分的快速下滲，土壤的滲透性能強，而油松林土壤的非毛管孔隙較少，土壤的滲透性差。在入滲過程中，落葉松林和落葉松白樺混交林達到穩滲時的時間差不多，油松林與前兩者相差較大，在24 min時達到穩滲。通過對入滲速率與入滲時間進行線性回歸分析，發現二者之間存在較好的冪函數關系(表9)：

f=at-b

(R2≥0.98)

式中：f——入滲速率(mm/min)；a，b——常數；t——入滲時間(min)。

表8　不同林分類型土壤的物理性質

表9　土壤滲透的速率及滲透數學模型

4結 論

(1) 灤河上游不同類型種林分枯落物結構不同，水文相應也有所差異,3種不同林分類型枯落物的生物量在5.54～12.03 t/hm2,其中油松林枯落物的儲量最大,落樺混交林的儲量最小。

(2) 枯落物最大持水量在11.9～19.4 t/hm2，油松林枯落物的持水量最大；枯落物最大持水率在233%～294%，落樺混交林的持水率最大；枯落物在浸水的前0.5 h內吸水速率最大，6 h左右時吸水速率明顯減緩；油松林的有效攔蓄能力最強，為23.52 t/hm2，落葉松白樺混交林有效攔蓄能力最弱。

(3) 落葉松白樺混交林土壤層持水能力最強,為375.92 t/hm2,油松林最小為248.04 t/hm2；不同林分土壤的初滲速率相差較大,華北落葉松白樺混交林的初滲速率最大,為24.7 mm/min,但是3種林分土壤的穩滲速率相近,對入滲速率和入滲時間進行擬和,相關系數R2在0.98以上。

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Hydrological Effect of Litter Layer and Soil Layer Under Typical Stands in Luanhe River

ZHANG Ning1, GUO Binliang1, ZHANG Nan2, ZHANG Shaojie1, ZHANG Jianhua2, GU Jiancai1

(1.AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China;

2.MulanweichangForestryAdministrationofHebeiProvince,Weichang,Hebei068450,China)

Abstract：[Objective] To study the hydrological effect of typical forest litter layer and soil layer on the upper Luanhe River, in order to provide theoretical basis for monitoring and evaluation of the forest. [Methods] The non-decomposed layer and semi-decomposed layer of three different types forest litter were investigated. [Results] (1) The litter accumulation amount, the maximum moisture capacity, and the effective retaining content ofPinustabulaeformisforest were 12.03, 19.4, and 23.52 t/hm2respectively, those of larch forest were 9.51, 11.9, and 17.03 t/hm2respectively, and those of mixed forest of larch and birch were 5.54, 13.0, and 13.7 t/hm2, respectively. (2) It nearly reached saturation in 8 h for semi-decomposed layer, while it needed 10 h for non-decomposed layer. The water absorption rate of litter reached maximum within 0.5 h, and it slowed down obviously at about 6 h. (3) The water holding capacity of soil layer forLarixgmeliniandBetulaplatyphyllamixed forest was highest, which was 375.92 t/hm2, while it was lowest in soil layer ofPinustabulaeformisforest, which was 248.04 t/hm2. Using the power function to fit the infiltration rate and infiltration time, the correlation coefficientR2was more than 0.98. [Conclusion] The biomass, maximum water holding capacity, and the effective holding capacity are maximum in the litter layer ofPinustabulaeformisforest, and the mixed forest of larch and birch have the highest soil water holding capacity.

Keywords:litter layer; soil layer; hydrological effects

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0044-05

中圖分類號：S715.7

通信作者：谷建才(1963—),男(漢族),河北省石家莊市人,博士，教授,主要從事林業經營技術研究。E-mail:gujiancai@126.com。

收稿日期：2014-09-21修回日期：2014-10-03

資助項目：河北省科技廳資助項目“河北省灤河流域水源林經營關鍵技術研究與示范”(15227652D)

第一作者：張寧(1989—),女(漢族),河北省衡水市人,碩士研究生。研究方向為森林可持續經營。E-mail:934827579@qq.com。