沿壩地區(qū)3種混交林枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力

楊良辰, 張楠

(1.河北省涉縣職業(yè)技術(shù)教育中心， 河北 涉縣056400; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

枯落物層和土壤層是森林截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分具有很重要的作用[1-2]。木蘭圍場位于沿壩地區(qū)，森林多以針葉為主，其中華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、油松(Pinustabulaeformis)為主要組成部分，闊葉則以山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主。森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其很重要的一個功能是水源涵養(yǎng)，減少水土流失，枯落物層與土壤層作為林分涵養(yǎng)水源的重要部分，對林分發(fā)揮水文生態(tài)作用具有很大作用，不同森林組成在水源涵養(yǎng)方面的能力也是不一樣的，具有一定的差異[3-5]。枯落物作為林分發(fā)揮水文效應(yīng)的第二活動層，具有很好的攔蓄能力，能夠減少水土流失，避免降雨對土壤的直接沖刷，于此同時還能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)組成；土壤層作為林分發(fā)揮水文效應(yīng)的第三活動層能夠有效的儲存一定的水量，發(fā)揮起水源涵養(yǎng)的功能。該地區(qū)的研究主要集中林分的結(jié)構(gòu)、生長特性、物種多樣性、純林林分的各層次水源涵養(yǎng)能力，但是對混交林的水源涵養(yǎng)能力研究較少。本文通過對沿壩地區(qū)3種混交林類型枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力進行比較研究，能夠更加明確得出最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林分類型，以便于為該地區(qū)的森林健康經(jīng)營提供一定的理論依據(jù)[6-7]。

1 研究區(qū)概況

圍場縣位于承德境內(nèi)，地理坐標為東經(jīng)116°32′—118°14′，北緯41°35′—42°40′。與內(nèi)蒙古接壤，處于華北山石區(qū)的沿壩地區(qū)，是山區(qū)與壩上的過渡地帶，海拔750～1 829 m，年平均溫度較低為年平均氣溫4℃左右，年無霜期90～125 d，年均降水時間分布很不均勻，集中性比較強，主要在7—9月，3個月份的降雨量占到年降雨量70%，年均降雨量為380～560 mm，土壤的種類也較多，總共有143個土種，植物種類資源也是非常豐富，野生的種子植物達到793種，蕨類植物22種。此次的試驗地點在圍場縣木蘭林管局的北溝林場。

2 研究方法

2.1 枯落物層數(shù)據(jù)測定

2.1.1 枯落物生物量 2017年7月—9月在沿壩地區(qū)的北溝林場，選擇針葉混交林、闊葉混交林與針闊混交林3種混交林類型設(shè)置標準的樣地，樣地的大小為30 m×30 m，并對標準地的基本情況進行了調(diào)查(表1)，其中郁閉度的測定是通過在樣地內(nèi)隨機的設(shè)置100個樣點，在各樣點位置上進行抬頭垂直昂視，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計被覆蓋的樣點數(shù)，該點數(shù)與樣點數(shù)的比值則是林分的郁閉度。而枯落物生物量的測定則是在選取的標準地里選取樣地的4個角和中心位置設(shè)置5塊枯落物小樣方，大小為50 cm×50 cm，枯落物測定分未分解層和半分解層，以下枯落物的數(shù)據(jù)都是均值。

表1 3種混交林類型標準地概況

2.1.2 枯落物持水量和吸水速率 利用室內(nèi)浸泡法對3種林分的枯落物持水量和持水速率進行測定，先測量枯落物的厚度，根據(jù)枯落物分解的程度來進行區(qū)分，劃分為未分解層與半分解層，然后要快速對其鮮重進行稱量，此后帶回實驗室進行烘干，對其重量進行再次稱重，最后將需要測定的枯落物在水中進行浸泡，在0.5,1,2,4,6,8,10,24 h對枯落物的重量變化要進行測定，從而得出枯落物的持水量、持水速率和最大持水率測定枯落物的持水量[8-10]。利用下式進行計算：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C為枯落物自然含水量(%)；m1為樣品鮮質(zhì)量(g)；m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為飽和持水率；m3為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為平均自然含水量(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.1.3 枯落物有效攔蓄量 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,即:

W=(0.85Rm-Ro)M

(4)

式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);Ro為平均自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.2 土壤層物理性質(zhì)和土壤入滲過程測定

按照不同的土層深度取樣，即土壤剖面法，采用土壤烘干法和環(huán)刀法測定需要的土壤特性。其中土壤持水力S=10 000hp,式中：S為土持水力(t/hm2)；h為土壤層厚度(m)；p為非毛管孔隙度(%)[11-12]。

采用雙環(huán)法測定水分入滲土壤的過程，初滲率=最初入滲時段內(nèi)滲透量/入滲時間；平均滲透速率=達到穩(wěn)滲時的滲透總量/達到穩(wěn)滲時的時間。利用Kostiakov模型來對水入滲土壤的過程來擬合，在f=at-b中：f為t時間時的瞬時入滲速率；t為入滲時間；a，b則是指試驗資料擬合的參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物的存量多少是由很多因素決定的，決定枯落物存量的是林分枯落物的進入量和分解量，而林分枯落物的進入量是與林分樹種組成、郁閉度和林下植被生長情況都是有關(guān)的。由表2可以看出，針闊混交林的枯落物生物量最大，為40.29 t/hm2,其次是闊葉混交林，大小為35.08 t/hm2，最小的是針葉混交林為27.67 t/hm2。此外，3種林分類型的未分解層和半分解層組成比例也有差異，其中針葉混交林與針闊混交林未分解層的比例大于半分解層，而闊葉混交林半分解層比例大于未分解層；闊葉混交林未分解層所占比例最小，占總儲量46.24%，針葉混交林則最大，占總儲量的56.63%，而針闊混交林居中為51.75%。

3.2 枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 3種林分類型中闊葉混交林的最大持水量最大，為100.1 t/hm2,其次為針闊混交林，為88.9 t/hm2，最小的針葉混交林為22.6 t/hm2；3種林分類型的最大持水率的范圍133.2%～274.0%，依次為闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林(表3)。

表2 3種混交林類型枯落物生物量

表3 3種混交林類型枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.2 枯落物持水過程 枯落物在浸泡持水過程中有一定的規(guī)律，在0.5 h內(nèi)是吸水最快的階段，隨著時間的推移枯落物的持水量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，但是不同的林分枯落物的持水速率也是有差距的，枯落物的這一過程與降雨時枯落物的攔蓄過程有一定的相似性，在降雨的初期,枯落物的攔蓄能力比較強，但是隨著枯落物的持水量增加，枯落物的吸持能力降低。枯落物的未分解和半分解層的持水量也有一定的差距，達到飽和的時間也不相同(表4)。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(guān)系進行回歸分析,得出該時間段內(nèi)持水量與浸泡時間之間存在如下關(guān)系(表5):

Q=alnt+b

(7)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg);t為浸泡時間(h);a為方程系數(shù);b為方程常數(shù)項。

3.2.3 枯落物吸水速率 通過試驗表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率具有一定的規(guī)律，在0.25～1 h內(nèi)，枯落物由風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后，枯落物的表面的水勢差非常大，枯落物的吸水速率則比較高；隨后速率出現(xiàn)了較大的下降，在6 h左右時枯落物的下降速率趨于平緩，隨著時間推移，枯落物的吸水速率趨于穩(wěn)定，這種情況是因為隨著浸泡的時間不短增長，枯落物的持水量達到了最大持水量，枯落物持水量趨于飽和，持水速率趨于穩(wěn)定，枯落物持水速率的這種規(guī)律是由于枯落物表面的水勢差由大到小而決定的。

表4 3種混交林類型枯落物層持水過程 g/kg

表5 3種混交林類型枯落物層持水量、持水率與浸泡時間關(guān)系

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 最大持水量能夠反映枯落物的最大持水潛力，而最大持水率在一定程度上能夠反映枯落物的持水能力，但是枯落物的真實的攔蓄能力一般都是通過有效攔蓄量這個指標體現(xiàn)，造成這種情況是由于沒有把枯落物在測定前的自然含水狀況考慮在內(nèi)，這樣會導(dǎo)致高估林分的攔蓄能力，因此有效攔蓄能力更能合適的表達林分的攔蓄能力。

表6 3種混交林類型枯落物層有效攔蓄能力

林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見表6，枯落物未分解層最大持水率大小排序為：闊葉混交林(246.36 t/hm2)>針闊混交林(207.01 t/hm2)>針葉混交林(143.49 t/hm2)，半分解層最大持水率大小排序為：闊葉混交林(301.57 t/hm2)>針闊混交林(231.96 t/hm2)>針葉混交林(122.94 t/hm2)；未分解層有效攔蓄量大小排序為：闊葉混交林(12.42 t/hm2)>針闊混交林(8.16 t/hm2)>針葉混交林(7.15 t/hm2)，半分解層有效攔蓄量大小排序為：闊葉混交林(13.08 t/hm2)>針闊混交林(9.02 t/hm2)>針葉混交林(7.41 t/hm2)，有效攔蓄量能夠在一定程度上反映林分枯落物層的攔蓄能力，因此3種林分類型的攔蓄能力中最大的為闊葉混交林，其次為針闊混交林，最小的為針葉混交林。

3.3 土壤層的水文效應(yīng)

3.3.1 土壤層的物理性質(zhì) 土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，土壤容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好，容重大則相反，通過對林分土壤層的解析，該林齡3種混交林的水平根系主要集中在30—40 cm左右，而且考慮到實際操作問題，選擇的土層厚度為0—40 cm。

由表7可以看出，3種混交林土壤容重變化趨勢規(guī)律相同，即隨土層深度加深土壤容重逐漸增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因為隨土層深度增加，土壤中有機質(zhì)含量逐漸減少，土壤團聚性降低，從而增加了土壤的緊實度，表層土壤疏松、底層土壤則相反；3種混交林類型土壤容重的總體有一定的差距，其中針葉混交林最大，為1.15 g/cm3，闊葉混交林次之，為1.08 g/cm3，針闊混交林最小，為0.89 g/cm3；總孔隙度反映了飽和持水量的大小，兩者的排序相同：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林；而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序為：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林。

表7 3種混交林類型土壤的物理性質(zhì)

3.3.2 土壤層的滲透性 土壤滲透性是土壤物理性質(zhì)的主要特征之一，它代表了入滲的速度，而且還是林分水源涵養(yǎng)的指標之一。土壤的滲透性越好，林分的水源涵養(yǎng)能力越強，土壤的流失也會比較小，地表的徑流也會比較少，從而減少林分土壤的被侵蝕的程度。3種混交林土壤的入滲過程比較相似(圖1)。

圖1 3種混交林類型土壤入滲

從圖1可以看出，針葉混交林在24 min時達到了穩(wěn)滲，闊葉混交林在29 min時達到了穩(wěn)滲，針闊混交林在26 min時達到了穩(wěn)滲，通過對入滲速率與入滲時間進行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系(表8)：

f=at-b(R2>0.94)

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

從表8可以看出，3種混交林土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序為：針葉混交林(49.21 mm/min)>闊葉混交林(45.31 mm/min)>針闊混交林(24.39 mm/min)，隨著時間的不斷推移，土壤的入滲速率會趨于穩(wěn)定，各林分的穩(wěn)滲速率大小排序為：闊葉混交林(4.11 mm/min)>針闊混交林(1.86 mm/min)>針葉混交林(0.45 m/min)，呈現(xiàn)這種情況的主要原因為：闊葉混交林的土壤層的非毛管孔隙數(shù)量多，對于土壤的水分滲入非常有利，滲透性也會比較強。

表8 3種混交林類型土壤滲透的速率及滲透數(shù)學(xué)模型

4 結(jié) 論

(1) 生物量的大小與很多因素有關(guān)，決定枯落物生物量的為枯落物的進入量和分解量，3種混交林枯落物生物量大小排序為：針闊混交林>闊葉混交林>針葉混交林，林分未分解層和半分解層組成比例也有差異，其中針葉混交林與針闊混交林未分解層的比例大于半分解層，而闊葉混交林半分解層比例大于未分解層。

(2) 3種混交林中最大持水量大小排序為：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，枯落物最大持水率范圍為133.2%～274.0%，依次為闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，反映了3種林分中闊葉混交林的持水潛力最大，針葉混交林最小；有效攔蓄量：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，反映了3種混交林中真實攔蓄量最大的為闊葉混交林，出現(xiàn)這種差異主要是因為林分枯落物層不同層次的生物量不同，因此3種林分中最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林為闊葉混交林；持水量與浸水時間的回歸方程為Q=alnt+b(R2>0.89)，持水速率與浸水時間的回歸方程為V=Ktn(R2>0.99)。枯落物持水測定采用了浸泡法，雖然在一定程度上反映了林分的真實攔蓄量，但是對于特定降雨情況的攔蓄能力還需要進一步的研究。

(3) 3種林分類型總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度最高的均為闊葉混交林，高于其他兩種混交林，說明闊葉混交林的地理環(huán)境更有利于林木的生長和涵養(yǎng)水源；非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序與土壤持水能力相同，大小排序為：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序為：針葉混交林(49.21 mm/min)>闊葉混交林(45.31 mm/min)>針闊混交林(24.39 mm/min)，3個混交林穩(wěn)滲大小排序為：闊葉混交林(4.11 mm/min)>針闊混交林(1.86 mm/min)>針葉混交林(0.45 m/min)，入滲速率與入滲時間回歸方程為：f=at-b(R2>0.94)。