長白山不同林型土壤水源涵養功能特征

時鐘瑜, 李 婕,2

(1.商丘學院 風景園林學院, 河南 商丘 476000; 2.北京林業大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京 100083)

對于整個生態系統而言，陸地生態系統直接關乎人類社會生活，成為人類生存的載體[1-3]，環境變化對生存環境產生至關重要的影響，起著決定作用。作為陸地生態的關鍵組成部分，森林不僅是重要的林木資源，更決定著局地氣候調節，作為一種可再生資源而發揮著關鍵作用，影響著人類的生存環境[4]。森林生態系統具有較為獨特的復雜性[2-3]，能夠產生較為頻繁的能量交換及物質循環，并產生一系列的自然資源，為生物多樣性分布奠定重要基礎[4]，是重要的生物庫及貯碳庫，此外，還在涵養水源方面起著關鍵作用，成為重要的蓄水庫，對于空氣濕度等調節效果顯著，因此在生態系統中扮演著不可或缺的角色[5-6]。對于森林系統而言，不僅能夠有效攔蓄降雨，同時能夠有效降低土壤侵蝕現象，對理化特征加以改善，并通過林冠及枯枝落葉共同作用于土壤，形成了3個層次的作用機理[7-8]。但是近些年來，隨著大規模的林木砍伐等過度開發，林木保護意識不夠強，森林面臨著較為嚴重的粗放開發利用，大大降低了森林資源，其面積銳減，質量嚴重下降，對于其生態效應的發揮起著不利影響[9-11]。在生態環境治理不斷加大力度的情況下，森林資源重要性更加深入人心，國家層面已經大力注重森林資源保護，環保意識也在不斷加強，生態系統穩定性對于人類社會生活的重要性日益突出，森林資源的重要性被逐漸認可，并成為可持續發展的關鍵部分之一[12]，過去的幾十年，人們過于注重對森林資源的索取，而未注重對森林生態系統的保護，致使生態功能退化，面積及質量也面臨雙重威脅，涵養水源方面的能力被破壞[13-14]。

對于降雨而言，在土壤蓄水作用下由地表徑流進入地下，在這一過程中，森林起著關鍵作用，在地表裸露的情況下，土壤的蓄水能力大大降低；對于森林而言，最終的涵養水源很大程度上要依賴于土壤蓄水，并形成了大部分的蓄水量[15]。土壤結構等特征直接決定著水分的轉移方式，尤其是其持水性能、滲透能力等方面，加之養分狀況的影響，這些都對土壤的水文特點起著決定性作用[16]。對于森林而言，涵養水源的能力不僅取決于母巖，更與土壤結構息息相關，森林能夠依靠發達的根系及樹干形成較強的蓄水能力，枯枝落葉層也能夠進行有效的蓄水，并降低蒸發造成的水分散失，與土壤共同涵養水源，并形成較強的降雨吸納能力，這也正是森林成為天然蓄水庫的原因所在[17-18]。對于土壤而言，入滲特性也制約著地表徑流的轉化能力，從而決定著土壤對水分的蓄水能力，關乎涵養水源，該特性不僅與土壤特性密切相關，還與人為活動干預關系密切，尤其是土地耕種方式等[19-20]。因此，開展相應的土壤特性研究及森林蓄水具有重要現實意義和必要性[17-18]，對于土壤而言，其孔隙度及容重在其通氣性方面起著決定性作用，進而制約著蓄水能力，成為其重要的特點參數。為進一步深入探討林木涵養水源方面的作用機理，本研究將長白山林木作為研究對象，并進行連續3年的觀測研究，從而通過對比分析探究其涵養水源特性，為涵養水源提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于長白山東麓，地理坐標北緯51°14′，東經122°39′，該區域森林面積多達7.7×105hm2，受所處地理位置的影響，該區域的大陸季風氣候特點較為明顯，由于在北半球高緯度，因而夏季相對較短，但是冬季時間比較長，一年之中其一半時間屬于冰凍期，其最低氣溫達到零下47.5℃，通過近年來的氣象數據可以看出其年均氣溫接近于4.7℃，全年的平均降雨量僅不足500 mm，全年霜期較長，霜期接近于280 d。在嚴寒及濕潤條件影響下，興安落葉松苔蘚發育較好，同時枯枝落葉不易腐化導致在土壤表面堆積，因此在土壤表層形成較強的滯水性，使得土壤長期保持相對濕潤，該區域土層一般低于0.4 m；草甸土、沼澤土為主，該區域具有較多的枯枝落葉等殘積物，處于凍土帶的南部邊緣，較低的山地地貌，其坡度基本低于15°，擁有近812 m的海拔；該區域多寒溫性針葉林，主要優勢物種是興安落葉松，還有白樺、山楊等闊葉喬木。

1.2 樣地設置

本試驗開始于2015年，并進行連續3年的觀測實驗，所選擇的區域為長白山區，選取的林木資源為3種：針葉林、針闊混交林和闊葉林，同時為了分析海拔的影響，特在不同海拔選擇不同的林型，要求樣地長、寬均為50 m，為了提升實驗對比的準確性，充分進行數據采集的精確性，特對各樣地進行3次重復取樣；然后在樣地設置長、寬均為1 m 的小樣方，首先對其枯枝落葉厚度進行測量記錄，并區分分解層及半分解層，同時測算蓄積量及土壤厚度，海拔不同，其腐殖質狀況也存在較大差異。對枯枝落葉進行取樣的過程中利用尼龍網兜，并區分分解層及半分解層，將之帶回實驗室進行風干處理，蓄積量的計算以干物質為基準；對地表及地下20 cm深度進行土壤取樣，同時記錄相應的生境數據，尤其是坡位和海拔等，具體見表1。

表1 長白山不同林型樣地基本特征

1.3 樣品測定

對于土壤的含水量及容重借助于烘干法進行，對于其孔隙度計算采取浸水法進行，利用環刀法測定入滲特性[17]。在進行相關指標測定前首先將雜物去除，以免影響實驗數據準確性，然后將雙環打入土中，要求深度達到5 cm，兩側同時加水，要求水層達到3 cm，此時進行計時，以對其內環耗水量進行測定，同時對水溫進行及時記錄；對于其滲透速率的計算借助于常用公式[14]，并在此基礎上計算初滲率及穩滲率等。

對于土樣的采集利用環刀法，并將其帶回實驗室，在稱重后浸水處理24 h，并將之與空環刀粘接，置于漏斗并加水，進行滲水計時，記錄不同時段的滲水量，進而計算滲透速率，為了提升實驗準確性，進行3次重復。對于其持水性能的計算采取如下公式[18]：

MWC=10000m2×TSP×SD

EWC=10000m2×NSP×SD

式中：MWC為最大持水量(m3)；EWC為有效持水量(m3)；TSP為土壤總孔隙度(%)；NSP為土壤非毛管孔隙度(%)；SD為土層厚度(m)

1.4 數據處理

Microsoft Excel 2007進行數據的統計和整理，SPSS 18.0進行方差分析和統計學檢驗，LSD多重比較(顯著水平設置p<0.05)，單因素方差分析(One-way ANOVA)比較其差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 長白山不同林型土壤物理性質

由表2可知，0—20 cm土層土壤密度變化范圍在為1.05～1.16 g/cm3，大小順序依次表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林，20—40 cm土層土壤密度變化范圍為1.08～1.18 g/cm3，大小順序依次表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林，40—60 cm土層土壤密度變化范圍為1.13～1.26 g/cm3，大小順序依次表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林，60—80 cm土層土壤密度變化范圍為1.19～1.37 g/cm3，大小順序依次表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林；不同林型土壤密度隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢，相同土層土壤密度大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。不同林型土壤總孔隙度均隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，相同土層土壤總孔隙度大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。針葉林、針闊混交林、闊葉林毛管孔隙度變化范圍分別為28.79%～34.02%，22.78%～30.15%，30.74%～35.29%，其中，不同林型毛管孔隙度隨土層深度的增加逐漸降低，相同土層毛管孔隙度大小基本表現為針闊混交林<針葉林<闊葉林。針葉林、針闊混交林、闊葉林非毛管孔隙度變化范圍分別為1.86%～2.35%，2.97%～3.26%，1.98%～2.21%，其中，不同林型土壤非毛管孔隙度均隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，相同土層土壤非毛管孔隙度大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。

2.2 長白山不同林型土壤密度和孔隙度與土層的關系

回歸分析結果表明土壤總孔隙度和土層深度以指數函數方程擬合最好，如表3所示，針葉林土壤密度與土層深度呈顯著的指數關系，其R2=0.9236，F=136.23，針闊混交林土壤密度與土層深度呈顯著的指數關系，其R2=0.9516，F=198.58，闊葉林土壤密度與土層深度呈顯著的指數關系，其R2=0.9147，F=121.58。針葉林土壤總孔隙度土層深度以對數函數方程擬合最好，其中針葉林土壤總孔隙度與土層深度的相關系數R2=0.9157，針闊混交林土壤總孔隙度與土層深度的相關系數R2=0.9602，闊葉林土壤總孔隙度與土層深度的相關系數R2=0.8941。

表2 長白山不同林型土壤物理性質

表3 長白山不同林型土壤密度和孔隙度與土層的關系

2.3 長白山不同林型涵養水源能力

土壤自然含水量與土壤蓄水性能關系密切，當土壤濕度很大時，即使降水量很少，也可能產生地表徑流。由表4可知，土壤剖面各層次的自然含水量均隨著土層深度的遞增而逐漸降低，相同土層自然含水量基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。針葉林、針闊混交林、闊葉林土壤通氣性變化范圍分別為23.02%～32.19%，30.74%～36.98%，18.24%～28.36%，其中，不同林型土壤通氣性均隨土層深度的增加逐漸降低，相同土層土壤通氣性大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。土壤飽和蓄水量反映了土壤貯存和調節水分的潛在能力。飽和蓄水量是由總孔隙度和土層厚度決定的。不同林型土壤飽和蓄水量均隨著土層深度的遞增而逐漸降低，相同土層土壤通氣性大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。不同林型土壤最大持水量和有效持水量均隨著土層深度的遞增而逐漸降低，相同土層土壤最大持水量和有效持水量基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。不同林型土壤毛管蓄水量和非毛管蓄水量呈相反的變化趨勢，土壤毛管蓄水量均隨著土層深度的遞增而逐漸降低，相同土層土壤毛管蓄水量基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。不同林型非毛管蓄水量均隨著土層深度的遞增而逐漸增加，相同土層土壤非毛管蓄水量基本表現為針闊混交林<針葉林<闊葉林。

2.4 長白山不同林型土壤的滲透性能

由表5可知，不同林型常溫土壤穩滲速度和10℃情況下滲透各不相同，針葉林土壤穩滲速度變化范圍為7.03～9.56 mm/min，針闊混交林土壤穩滲速度變化范圍為7.06～11.98 mm/min，闊葉林土壤穩滲速度變化范圍為3.57～5.23 mm/min，其中，不同林型土壤穩滲速度均隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，相同土層土壤穩滲速度基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。針葉林、針闊混交林、闊葉林土壤滲透系數(K1)變化范圍為3.02～4.26，5.13～6.25，1.17～2.01，其中，不同林型土壤滲透系數均隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，相同土層土壤滲透系數基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。針葉林、針闊混交林、闊葉林土壤滲透系數(K10)變化范圍分別為0.43～0.63，0.65～0.85，0.31～0.47，其中不同林型土壤滲透系數均隨土層深度的增加逐漸降低，相同土層土壤滲透系數基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。

表4 長白山不同林型涵養水源能力

表5 長白山不同林型土壤的滲透性能

注：K1為滲透試驗時水溫的滲透系數，K10為10℃的滲透系數。

土壤滲透性是表征土壤對降水和地表徑流的就地入滲和吸收能力，是土壤水文調節功能和林分涵養水源的重要指標。土壤滲透性的好壞，直接關系到地表產生徑流的多少，滲透性能越好，地表徑流越少，土壤侵蝕量也會相應減少。表6中顯示了不同林型初滲速率與穩滲速率存在較好的冪函數關系，針葉林冪函數相關系數R2=0.9236，針闊混交林冪函數相關系數R2=0.9549，闊葉林冪函數相關系數R2=0.9017。相關性分析表明(表7)土壤滲透性能與總孔隙度和非毛管孔隙度均為極顯著正相關關系(p<0.01)，與毛管孔隙度呈極顯著負相關關系(p<0.01)，其中，非毛管孔隙狀況對土壤滲透性的影響更為顯著。

表6 長白山不同林型土壤滲透性能

注：**表示在0.01水平上顯著(雙尾)，*表示在0.05水平上顯著(雙尾)，下表同。

表7 長白山不同林型土壤入滲速率與孔隙狀況的相關性

注：“—”表示未發現顯著相關性。

2.5 綜合評定長白山不同林型土壤涵養水源功能

由表8可知，根據坐標綜合評定法(P值表示綜合評定值)，P值越大，性能越好，土壤物理性質大小排序為針闊混交林>針葉林>闊葉林；不同林型土壤蓄水能力變化范圍為0.357～0.458，大小排序為針闊混交林>針葉林>闊葉林；不同林型土壤滲透能力變化范圍為0.561～0.659，大小排序為針闊混交林>針葉林>闊葉林；綜合能力范圍為0.714～0.956，大小排序為針闊混交林>針葉林>闊葉林。

表8 長白山不同林型水源涵養的綜合能力

3 討 論

通過本研究分析得知，雖然林型存在較明顯的差異，但是對于土壤密度而言，其在深度不斷增加的情況下呈現較明顯的上升；對于相同土層而言，不同的林型具有較大差異的土壤密度，其中針闊混交林的密度最大，其次是針葉林，而闊葉林最低，也就是說土層對于其熟化程度產生較明顯的制約，從土壤密度也能夠加以反映。對于表層土壤而言，土壤密度并不高，主要原因在于土層20 cm深度為主要的根系分布區，此外，腐殖質分解等導致土壤較為疏松；從土壤密度及深度回歸分析得知，其冪函數方程具有較好擬合性，其相關性而言，混交林系數最高，其次是針葉林。

對于土壤水分而言，不僅僅是植被生長發育過程中的必需，同時更扮演著其理化特征的角色，在促進水循環方面起著重要作用[21-22]，作為一種獨特的生態系統，森林系統有其較為獨特的復雜性，同時也是相對完整的局地生態系統[23]，開展其土壤水分的相關研究能夠探究森林生長情況，利于林地管理。通過實驗對比分析可知，在土層深度不斷增加的情況下，不僅水分明顯下降，其通氣性也出現明顯降低，對于相同土層而言，針闊混交林的密度最大，其次是針葉林，而闊葉林最低；含水量與通氣性之間息息相關，二者呈現明顯的負向影響，當含水量高的情況下，土壤孔隙被堵塞，造成土壤氧氣消耗增加，抑制了根系呼吸[24-25]。對于土壤通氣性而言，不僅孔隙度、密度起著決定作用，自然含水量也起著關鍵影響作用[21-22]；雖然林型存在較大差異，但是從其總孔隙度與毛管孔隙度的角度來講，二者具有明顯的負向變化關系，尤其是表層土壤最高；對于枯枝落葉層而言，在腐殖質分解及降解作用下，腐殖質含量明顯上升，這明顯增強了土壤團聚，加之根系分布的作用，土壤孔隙呈現較高水平。通過方差分析可知，土層深度對毛管孔隙的影響極為顯著[26-28]，主要原因在于土壤深度不同的情況下，其熟化程度也出現較大差異，加之根系主要分布在土壤的表層，使得土層深度對孔隙度產生了較為重要的影響。

在土壤蓄水的作用下，地表徑流形成了大量的地下徑流，在這一過程中，森林起著關鍵作用，對于森林而言，其最終的涵養水源很大程度上要依賴于土壤蓄水，并形成了大部分的蓄水量，因此常將其作為涵養水源的重要衡量指標，尤其是非毛管需水量，具有較高的準確性。當其蓄水能力較強的情況下，降雨的轉化量大幅增加，一方面為植被生長提供必要的水分支撐，另一方起著調節水循環的作用，在局地生態中扮演著重要角色[15-16]。通過實驗對比，針闊混交林具有較強的涵養水源能力，在人工育林方面要加以充分利用。綜合來看，雖然長白山地區林型出現較大的差異，但是其在涵養水源方面均發揮著一定作用，只是作用大小不同，其效果最為明顯的是針闊混交林，其次是針葉林，而闊葉林效果最差；對于森林而言，其涵養水源的能力不僅取決于母巖，更與土壤結構息息相關，森林能夠依靠發達的根系及樹干形成較強的蓄水能力，其枯枝落葉層也能夠進行有效的蓄水，并降低蒸發造成的水分散失，與土壤共同涵養水源，并形成較強的降雨吸納能力，此外，林木胸徑、密度等特點也會產生直接的影響，這也是下一步研究的方向之一[12-13]。對于森林而言，其枯枝落葉層在降低蒸發造成的水分散失方面作用明顯，在林地管理過程中不僅要選擇適宜的林型，同時要注意枯枝落葉層的保護，在對天然闊葉林進行有效保護的同時加強針闊混交林種植，通過林型錯配來達到涵養水源、保持水土、調節局地氣候的效果。

4 結 論

(1) 不同林型土壤密度隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢，相同土層土壤密度大小基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。不同林型土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，相同土層土壤總孔隙度和毛管孔隙度基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林；然而相同土層毛管孔隙度大小基本表現為針闊混交林<針葉林<闊葉林。

(2) 土壤總孔隙度和土層深度以指數函數方程擬合最好，而土壤總孔隙度土層深度以對數函數方程擬合最好，其中針闊混交林相關系數最高。

(3) 土壤剖面各層次的自然含水量、土壤通氣性、飽和蓄水量、最大持水量、有效持水量、毛管蓄水量和非毛管蓄水量均隨著土層深度的遞增而逐漸降低，相同土層自然含水量、土壤通氣性、飽和蓄水量、最大持水量、有效持水量、毛管蓄水量和非毛管蓄水量基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。

(4) 不同林型土壤穩滲速度、滲透系數(K1和K10)隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢，相同土層基本表現為針闊混交林>針葉林>闊葉林。相關性分析表明土壤滲透性能與總孔隙度和非毛管孔隙度均為極顯著正相關關系(p<0.01)，與毛管孔隙度呈極顯著負相關關系(p<0.01)，其中，非毛管孔隙狀況對土壤滲透性的影響更為顯著。層次分析法顯示：不同林型綜合能力范圍為0.714～0.956，大小排序為針闊混交林>針葉林>闊葉林。