不同灌木林分枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力研究

曹云生, 趙艷玲

(1中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院, 北京 100083; 2 北京市工程咨詢公司, 北京 100083; 3 中國礦業(yè)大學(北京) 土地復墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成成分，土壤不僅能夠影響林木的生長，而且能夠影響森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)，而枯落物層則能夠為森林中的微生物生存的能量來源，還可以截留降水，涵養(yǎng)水源，是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的一環(huán)[1-3]。植被恢復作為治理水土流失的重要措施之一，通過增加植被的覆蓋度能夠有效減少土壤的流失，木蘭圍場地區(qū)水土保持研究以喬木林為主，針對灌木林分水源涵養(yǎng)能力研究相對較少，該地區(qū)森林覆蓋率雖然很高，但是其境內以三大沙梁為主的地區(qū)沙化仍然很嚴重，這種地區(qū)種植喬木難以恢復，非常適合利用灌木進行防沙固土，從而遏制風沙地區(qū)進一步擴大，但是，因此探究灌木林分水源涵養(yǎng)能力是非常有必要的，是非常有意義的。

本文選擇河北省木蘭林管局的3種灌木林作為研究林分，并通過測定枯落物層與土壤層的持水指標，從而選擇出水源涵養(yǎng)能力最強的灌木林分，以期為木蘭圍場地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設、植被恢復與保護提供一定的科學指導依據[4-6]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北山地木蘭圍場國有林場管理局(41°35′—42°37′N，116°48′—118°20′E)，海拔為750～1 829 m年降水量為400～500 mm。該地區(qū)土壤類型多以黃棕壤和黑棕壤為主。植被豐富比較豐富，喬木華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、云杉(Piceaasperata)、油松(Pinustabulaeformis)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(QuercusMongolica)等，灌木主要有荊條(VitexnegundoL. var.heterophylla)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、蒙古黃榆(Ulmusmacrocarpavar.mongolica)等。

2016年木蘭圍場國有林場管理局孟灤林場內選擇了6塊灌木叢林，大小為10 m×10 m的標準大樣地，在樣地選擇時盡可能選擇立地條件和密度相近的林分，海拔處于900 m左右，并調查基本情況[7-9]，其中蓋度采用“對角樣線法”來測定蓋度，灌木的冠幅在對角線的占有率為其蓋度(表1)。

2 研究方法

2.1 枯落物層持水指標測定

枯落物一般采取現場測量與室內浸泡的方法進行測定，枯落物按照分解程度分為未分解層與半分解層，測量完厚度后要盡快并保持原狀將枯落物帶回實驗室進行稱重，采用室內浸泡法測量計算枯落物各項指標[10-13]。

W=(0.85Rm-R0)M

(1)

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然含水率(%)；M為枯落物儲量(t/hm2)。

表1 標準地概況

2.2 土壤層持水指標測定

利用環(huán)刀法對土壤層的性質進行測定，在林分標準地中選取合適進行土壤剖面的挖取，由于選擇的灌木林分根系分布主要集中在0—30 cm，因此將土壤分為3層，深度分別為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，采用雙環(huán)刀的方法分別對土壤容重、土壤孔隙度、持水能力指標進行測定[14-15]。

土壤持水量公式為

W=10000P·h

(2)

式中：W為土壤持水量(t/hm2)；P為土壤孔隙度(%)；h為土壤厚度(m)。

3 結果與分析

3.1 枯落物層水源涵養(yǎng)功能

枯落物層水源涵養(yǎng)功能作為森林水文生態(tài)功能中重要的指標，在改變林分土壤結構、保水固土和防止土壤孔隙堵塞等方面都有很重要影響。

3.1.1 枯落物層蓄積量和持水能力指標 3種灌木林分枯落物厚度、蓄積量與持水3個指標見表2。

由表2可以看出，枯落物層厚度變化范圍為23.5～43.1 mm，最厚的荊條枯落物為最薄的三裂繡線菊的1.83倍；枯落物蓄積量范圍為5.37～8.26 t/hm2，其中蓄積量最大的灌木林分為荊條灌木叢，為8.26 t/hm2，蓄積量最小的灌木林分為三裂繡線菊灌叢，為5.37 t/hm2。

3種灌木林分枯落物層最大持水量為10.02～19.38 t/hm2，其中最大持水量最大的灌木林分為荊條，為19.38 t/hm2，三裂繡線菊最小，為10.02 t/hm2，大小排序為：荊條(19.38 t/hm2)>胡枝子(13.40 t/hm2)>三裂繡線菊(10.02 t/hm2)；最大持水率、最大攔蓄率與有效攔蓄率三者大小排序一致，均為：荊條>三裂繡線菊>胡枝子，各因子變化規(guī)律不同是因為其影響因素不同并且較多所致，其中最大持水量與最大攔蓄量主要與林分枯落物層蓄積量有較大關系，而枯落物層攔蓄率影響因子有蓄積量與自然含水率等，因此變化規(guī)律有所不同；有效攔蓄量變化范圍為7.53～13.56 t/hm2，其中荊條有效攔蓄量最大，為13.56 t/hm2，三裂繡線菊最小，為7.53 t/hm2，荊條為三裂繡線菊的1.80倍，大小排序為：荊條(13.56 t/hm2)>胡枝子(9.78 t/hm2)>三裂繡線菊(7.53 t/hm2)。

表2 枯落物層厚度、蓄積量和持水指標

3.1.2 枯落物持水過程 枯落物層持水速率大小在一定程度上反映了持水能力，通過對3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時間的關系進行函數擬合，反映了林分枯落物持水的動態(tài)變化特征(圖1)。

圖1 3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時間曲線

由圖1可以看出，荊條枯落物吸水量在同一時間高于其他灌木林分，在0.25 h枯落物持水量大小排序為：荊條(4.51t/hm2)>胡枝子(3.59t/hm2)>三裂繡線菊(2.37 t/hm2)；在0.25 h枯落物持水速率的大小排序為：荊條>胡枝子>三裂繡線菊。枯落物在最開始的持水速率非常高，主要是枯落物在開始階段比較干燥，表面的水勢較低吸水速度較快，隨著時間的推移持水量增多和水勢差減小，持水速率迅速變小，在12 h左右持水量慢慢趨于飽和，枯落物層持水速率也趨于平緩。

枯落物層持水量、持水速率與浸水時間函數擬合關系見表3。枯落物持水量與浸水時間具有較好對數函數關系，關系式為：

Q=alnt+b(R2>0.97)

(3)

式中：Q為枯落物持水量(t/hm2)；t為浸水時間；a，b為待估參數。

持水速率與與浸水具有較好的冪函數關系，關系式為：

V=Ktn(R2>0.99)

(4)

式中：V為吸水速率[t/(hm2·h)]；K為方程系數；n為指數。

表3 3種灌木林分枯落物持水量、持水速率與浸水時間的擬合關系

3.2 土壤水土水源涵養(yǎng)功能

3.2.1 土壤物理性質和持水指標 3種灌木林分土壤物理性質和持水指標見表4。

由表4可知，3種灌木林分土壤物理性質有一定差別，土壤容重最大的為胡枝子，最小的荊條，前者是后者的1.15倍，大小排序為：胡枝子(1.06 g/cm3)>三裂繡線菊(0.97 g/cm3)>荊條(0.92 g/cm3)，土壤容重是衡量其物理結構、松緊度與通透性的指標之一。

表4 3種灌木林分土壤物理性質與持水指標

非毛管孔隙度是土壤有效持水量的重要影響指標，是水分和空氣重要傳輸通道，直接反映出土壤持水能力強弱，與土壤有效持水量變化規(guī)律一致，在水分進入土壤后，非毛管孔隙能夠貯存一定量的水分，能夠起到保水固土的作用，土壤有效持水量最大的為荊條灌木林，最小的為胡枝子灌木林，大小排序為：荊條(118.39 t/hm2)>三裂繡線菊(111.10 t/hm2)>胡枝子(101.84 t/hm2)；土壤毛管持水量最大的為荊條，最小的為三裂繡線菊，大小排序為：荊條(359.77 t/hm2)>胡枝子(327.35 t/hm2)>三裂繡線菊(319.75 t/hm2)；荊條的飽和持水量是最大的，而胡枝子最小，大小排序為：荊條(478.16 t/hm2)>三裂繡線菊(430.85 t/hm2)>胡枝子(429.19 t/hm2)，土壤飽和持水量在一定程度上反映了土壤貯藏水分的潛力。

3.2.2 土壤入滲性能 土壤層通過調節(jié)水分來體現其滲透性，土壤的滲透性能越強，則表示其能夠攔蓄的地表徑流越大，是反映林分土壤層水源涵養(yǎng)功能的重要指標之一。通過對土壤層入滲速率與入滲時間進行函數擬合，兩者具有較好的函數關系，曲線見圖2，關系式見表5。

由圖2、表5可知，3種灌木林分初滲速率有差距，初滲速率最大的為荊條，最小的為胡枝子，前者為后者的1.20倍，大小排序為：荊條(22.15 mm/min)>三裂繡線菊(20.17 mm/min)>胡枝子(18.39 mm/min)。土壤剛開始入滲時，其速率較大，隨后迅速減小，最后趨于穩(wěn)定，3種灌木林分中荊條的穩(wěn)滲速率最大，最小的為胡枝子，由大到小為：荊條(1.50 mm/min)>三裂繡線菊(1.34 mm/min)>胡枝子(1.21 mm/min)。由林分土壤的初滲速率和穩(wěn)滲時間能夠看出，荊條灌木林分土壤入滲能力最強，而胡枝子灌木林分最弱，在降雨過程中荊條灌木林分土壤層能夠迅速將降水貯藏起來，相反，則會以地表徑流的形式流失，并且會侵蝕土壤。

圖2 3種灌木林分土壤入滲速率與入滲時間擬合曲線

表5 入滲速率與入滲時間的回歸方程

通過對林分土壤入滲時間和入滲速率的關系進行擬合，具有較好函數關系，表達式為：

y=a·xb(R2>0.94)

(5)

式中：y為入滲速率(mm/min)；x為入滲時間(min)；a為系數；b為指數。

4 結 論

(1) 枯落物蓄積量主要由枯落物輸入量與分解量決定，范圍為5.37～8.26 t/hm2，最大持水量變化范圍為10.02～19.38 t/hm2，有效攔蓄量變化范圍為7.53～13.56 t/hm2，三者大小排序一致為：荊條>胡枝子>三裂繡線菊，反映了荊條的持水潛力與真實攔蓄能力均為最強；在0.25 h枯落物持水量、持水速率大小排序一致為：荊條>胡枝子>三裂繡線菊，反映出荊條枯落物吸水量在同一時間高于其他灌木林分，枯落物持水量與浸水時間具有較好的對數關系，表達式為：Q=alnt+b(R2>0.97)，持水速率與浸水時間具有較好的冪函數關系，表達式為：V=Ktn(R2>0.99)。

(2) 3種灌木林分土壤有效持水量、土壤毛管持水量與飽和持水量最大的均為荊條灌木林，反映出土壤層水源涵養(yǎng)能力最強的為荊條灌木林分。

(3) 3種灌木林分初滲速率大小排序為：荊條>三裂繡線菊>胡枝子，穩(wěn)滲速率大小排序為：荊條>三裂繡線菊>胡枝子；林分土壤入滲時間和入滲速率有較好的函數關系，表達式為：y=a·xb(R2>0.94)。