白石水庫(kù)流域森林生態(tài)系統(tǒng)枯落物層和土壤層水文效應(yīng)研究

王賀余

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 引 言

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)分布范圍最廣、占地面積最大的重要性環(huán)境資源之一，在固土保肥、涵養(yǎng)水源、保持水土、抵御旱澇、調(diào)節(jié)大氣水文循環(huán)、消減洪峰及凈化水質(zhì)等方面具有重要的生態(tài)價(jià)值。根據(jù)森林系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)特征可將其劃分為土壤層、枯落物層和林冠層3個(gè)層次，降水經(jīng)林冠層的重新分配作用后一部分被截流，另一部分則被枯落物截流用于大氣降水循環(huán)和土壤入滲，由此發(fā)揮森林系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的功能。枯落物層作為森林垂直結(jié)構(gòu)體系中涵養(yǎng)水源的主要層次，具有保持水土、增大降水入滲、改善土壤性質(zhì)及攔蓄地表徑流等功能；同時(shí)，枯落物的分解不僅可提升土壤滲透性及改善土壤結(jié)構(gòu)，而且可增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量、維持固碳和儲(chǔ)存養(yǎng)分等生態(tài)功能，為生物生長(zhǎng)提供所需要的能量與養(yǎng)分。土壤層屬于森林水文效應(yīng)系統(tǒng)中大氣-植被-土壤連續(xù)體SPAC的調(diào)節(jié)器與儲(chǔ)存庫(kù)，在水文調(diào)節(jié)、大氣降水循環(huán)、物質(zhì)交流、能量流動(dòng)等過(guò)程中發(fā)揮著巨大作用。因此，探討森林水文過(guò)程的前提與基礎(chǔ)是對(duì)枯落物層和土壤層水文效應(yīng)的深入研究[1-3]。

白石水庫(kù)為阜新、錦州、朝陽(yáng)等城市重要的飲用水水源地，其水質(zhì)狀況直接關(guān)系著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民身體健康。近年來(lái)，水生態(tài)環(huán)境健康越來(lái)越引起人們的關(guān)注，針對(duì)不同植被類型的水源涵養(yǎng)功能從土壤層及枯落物層水文效應(yīng)的角度分析，對(duì)于建設(shè)與保護(hù)白石水庫(kù)流域森林生態(tài)系統(tǒng)和水源地水生態(tài)安全具有重要意義。現(xiàn)有研究主要側(cè)重于白石水庫(kù)流域土壤淋溶特征、無(wú)機(jī)氮含量、重金屬污染和水質(zhì)健康等方面，而涉及水源涵養(yǎng)功能和枯落物的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，文章以白石水庫(kù)3種不同植被類型為例，定量分析了刺槐、落葉松、油松林的土壤層和枯落物層水文效應(yīng)及水源涵養(yǎng)功能，以期為建設(shè)和管理白石水庫(kù)流域水源涵養(yǎng)林提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

白石水庫(kù)位于大凌河干流上，是一座以排澇、供水、農(nóng)田灌溉為主，兼具水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游觀光、發(fā)電等功能的大型水利工程，總控制面積17649km2。大凌河主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，河流全長(zhǎng)398km，年均徑流量16.67億m3，河床比降0.25%，含沙量57kg/m3。流域內(nèi)地貌形態(tài)以山丘為主，極少數(shù)地區(qū)為平原區(qū)，河流兩側(cè)分散著較多數(shù)量的沖澗，沖澗兩側(cè)崗塝地以經(jīng)濟(jì)林、旱作物為主，緩坡介于5-10°；林區(qū)高差較大，地面坡度約為10°。土質(zhì)類別為黃棕壤土，土壤層有效磷含量9.7ppm，有效鉀125ppm，全氮0.094%，有機(jī)質(zhì)含量2.4%，水源涵養(yǎng)能力差。白石水庫(kù)流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，日照充足、雨量充沛、氣候溫和，年均氣溫9.1℃，年均降水量886.2mm，其中52%降水量集中在6-8月份。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林與針葉闊葉過(guò)渡型，植被類型近100多種，多達(dá)30多科。由于人類不合理開(kāi)發(fā)和自然環(huán)境限制，人工植被較多而原生植被不斷減少，林木植被以蒙古櫟、刺槐、山楊、白樺等闊葉林和落葉松、油松等人工林為主，低矮灌木和天然雜草有胡枝子、紫穗槐、刺五加、車前草、狹葉蕁麻、紫花地丁等，且分布在道路和河坡兩側(cè)[4-18]。

1.2 樣地設(shè)置

2018年6月，在白石水庫(kù)流域選取刺槐天然次生林、落葉松人工林和油松人工林3種不同植被類型，然后設(shè)置3個(gè)20m×20m的試驗(yàn)小區(qū)。樣地基本情況和植被類型，見(jiàn)表1。其中，油松人工林下有委陵菜、馬塘等草本植被，林草覆蓋率較低；落葉松人工林下有車前草、紫花地丁等植被，林草植被少；刺槐天然次生林下有葎草 、藜 、車前草等草本植物和懸鉤子、忍冬、胡枝子等灌木。

表1 樣地基本情況和植被類型

1.3 研究方法

不同植被類型的根系生長(zhǎng)狀況、分解程度、枯枝落葉組成等，在很大程度上決定了土壤層水文物理性質(zhì)的差異性，而降水氣候、林木生長(zhǎng)發(fā)育、植被類型、枯落物產(chǎn)量等因素均可對(duì)枯落物蓄積量產(chǎn)生影響，文章采用如下方法定量分析不同植被的枯落物層和土壤層的水文效應(yīng)，具體如下：

1)枯落物持水性能測(cè)定及蓄積量調(diào)查。針對(duì)不同林分類型樣地隨機(jī)選取5個(gè)50cm×50cm的小樣方，根據(jù)未分解、半分解枯落物進(jìn)行分層取樣，測(cè)定各層厚度及鮮質(zhì)量。在75℃條件下將分層樣品室內(nèi)烘干，通過(guò)計(jì)算自然含水率確定各樣地枯落物蓄積量。枯落物持水性能利用室內(nèi)浸水法測(cè)定，在水體中放入烘干的枯落物并浸泡24h、10h、8h、6h、4h、2h、1h、0.5h、0.25h后記錄濕重，通過(guò)研究樣本的質(zhì)量變化特征揭示枯落物吸水過(guò)程、吸水速度及其最大持水量。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同枯落對(duì)物攔蓄降雨量的作用程度引入有效攔蓄量因子，其測(cè)定方法如下：

W=(0.85Rm-R0)×M

(1)

式中：W、M分別為有效攔蓄量和枯落物蓄積量，t/hm2；Rm、R0為持水率最大值和平均自然含水率，%。

2)土壤水分物理性質(zhì)的測(cè)定。采用隨機(jī)取樣法對(duì)各類型樣地分別布設(shè)3個(gè)樣點(diǎn)，挖土壤剖面并對(duì)20-30、10-20、0-10cm厚的土層利用100cm3環(huán)刀取樣。采用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定土壤的總孔隙度、毛管、非毛管和含水量。采用下述計(jì)算方法確定土壤蓄水性能，即：

S=10000Ph

(2)

式中：P、S為孔隙度和持水量，%、t/hm2；h為土層厚，cm。

3)土壤入滲性能的測(cè)定。采用自制的內(nèi)徑15cm、外徑為25cm、高25cm的雙環(huán)測(cè)定土壤的入滲性能，對(duì)各林分類型的土壤利用雙環(huán)豎直砸入10cm高度，然后在內(nèi)、外環(huán)中注入水并維持在10cm水平面，單位時(shí)間的耗水量采用內(nèi)環(huán)中放置的標(biāo)尺讀取。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS18.0工具實(shí)現(xiàn)，作圖軟件為Origin8.0，對(duì)不同林分類型的土壤與枯落物的持水能力差異性采用單因素方法分析，α=0.05顯著性水平的多重比較分析選用最小顯著差異LSD法完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量

枯落物的分解速度及其輸入量多少?zèng)Q定了枯落物蓄積量的大小，是反映森林水文效應(yīng)的重要參數(shù)。所以，枯落物蓄積量與林地水熱條件、林分生長(zhǎng)狀況、植被類型等間接因素存在相關(guān)性。枯落物有效蓄積量，見(jiàn)表2。根據(jù)表2可以看出，3種植被類型的枯落物蓄積量的差異水平顯著p<0.05，而枯落物厚度的差異性水平不顯著p>0.05。總蓄積量最大、最小的林分類型分別為刺槐的39.22t/hm2和落葉松的23.21t/hm2，油松林居中為33.36t/hm2。對(duì)比分析各林分類型不同層次的枯落物占比可知，刺槐天然次生林的半分解層占比較大為51.12%，其他2種植被類型的未分解層占比較大為59.34%、59.76%、，其原因?yàn)獒樔~林枯落物分解較慢而闊葉林枯落物分解較快相關(guān)。

表2 枯落物有效蓄積量

2.2 枯落物層水文效應(yīng)

1)枯落物最大持水量。枯落物的持水能力一般選用干質(zhì)量枯落物的持水率與持水量最大值描述，其分解累計(jì)狀況、林齡、組成及植被類型等因素均可在一定程度上影響其大小。3種典型枯落物持水量與持水率最大值，見(jiàn)表3。根據(jù)表3可知，3種不同林分類型的最大持水量處于50.90-109.41t/hm2，其中最大、最小持水量分別為刺槐和落葉松。3種不同林分類型的最大持水率為212.29%-314.26%，從小到大依次為油松林212.29%、落葉松人工林247.66%和刺槐天然次生林314.26%。持水量和持水率最大的均為刺槐天然次生林，而其他2種林分類型的規(guī)律性變化不盡相同，這可能與枯落物分解陳固定、蓄積量和植被類型等因素相關(guān)。

表3 3種典型枯落物持水量與持水率最大值

續(xù)表3 3種典型枯落物持水量與持水率最大值

2)枯落物有效攔蓄量。枯落物的持水能力采用最大持水量和持水率來(lái)描述，而無(wú)法反映降雨徑流的實(shí)際攔蓄能力和攔蓄量，為更加客觀、真實(shí)的描述實(shí)際攔蓄降水量引入枯落物有效攔蓄量指標(biāo)。3種典型植被的枯落物有效攔蓄量，見(jiàn)表4。根據(jù)表4可知，半分解層、未分解層的攔蓄能力因林分類型的不同而存在一定差異。各林分類型的有效持水率平均值變化區(qū)間為156.96%-232.02%，自小到大依次為油松林156.96%、落葉松178.40%和刺槐天然次生林232.02%。由于蓄積量、枯落物層厚度在不同林分類型下存在一定差異，從而使得有效攔蓄深和攔蓄量不同，有效攔蓄量從小達(dá)到依次為落葉松41.65t·hm2、油松林51.82t·hm2和刺槐天然次生林90.63t·hm2，這與4.16、5.18、9.06mm的降雨攔蓄量相當(dāng)。不同植被類型的有效攔蓄深表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，總體而言對(duì)降雨攔蓄能力最強(qiáng)的為刺槐天然次生林。

3)枯落物持水過(guò)程。浸水時(shí)間是影響枯落物持水量的直接因素，二者存在密切關(guān)系。從圖1可以看出，半分解層、未分解層持水量變化特征在3種不同植被類型中呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即持水量在1h浸水時(shí)間內(nèi)顯著增大，單位時(shí)間內(nèi)的持水量隨浸泡時(shí)間的推移而逐漸降低，直至趨于飽和。持水量最大和最小的為刺槐天然次生林、落葉松，且相對(duì)于未分解層半分解層持水量明顯較高，顯著性P<0.05。另外，在半分解層、未分解層中3種不同枯落物趨于飽和的時(shí)間約為8h、10h，由此表明相對(duì)于半分解層未分解層的持水能力較大。

表4 3種典型植被的枯落物有效攔蓄量

采用Origine軟件擬合3種不同枯落物的浸水時(shí)間與持水量關(guān)系，二者呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)特征如下：

y=aInt+b;(R2>0.91)

(3)

式中：a、b為方程系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)；t、y為浸水時(shí)間和持水量，h、t/hm2。半分解層、未分解層中3種不同枯落物的浸水時(shí)間與持水量關(guān)系式，枯落物層浸水時(shí)間與持水量關(guān)系特征，見(jiàn)表5。

(a)半分解層

(b)未分解層

4)枯落物吸水速率。枯落物吸水時(shí)間與吸水速率擬合過(guò)程，見(jiàn)圖2。根據(jù)圖2可以看出，白石水庫(kù)流域各林分類型枯落物浸水時(shí)間與吸水速率間呈現(xiàn)出“逆J”形曲線變化特征，在0-1h之間吸水速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)迅速增大，隨后開(kāi)始緩慢下降并于4h后趨于穩(wěn)定，吸水速率在浸水24h后趨于0，即達(dá)到飽和穩(wěn)定狀態(tài)。在浸水初期不同林分類型枯落物的吸水速度相差較大，落葉松和油松人工林顯著低于刺槐天然次生林，但吸水速率隨著時(shí)間的推移逐漸區(qū)域穩(wěn)定。采用Origine軟件擬合浸水時(shí)間與枯落物吸水速率的相關(guān)關(guān)系如下：

v=ktn;(R2>0.93)

(4)

式中：n、k為常數(shù)項(xiàng)與方程系數(shù)；v、t為吸水速率和浸水時(shí)間，t/(hm2·h)、h。各林分類型枯落物浸水時(shí)間與未分解層、半分解層吸水速率的關(guān)系式，浸水時(shí)間與吸水速率關(guān)系特征，見(jiàn)表6。

表5 枯落物層浸水時(shí)間與持水量關(guān)系特征

表6 浸水時(shí)間與吸水速率關(guān)系特征

2.3 土壤層水文效應(yīng)

1)土壤物理性質(zhì)。土壤的通氣透水性能與孔隙度、土壤容重密切相關(guān)，二者是描述土壤水文物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的重要參數(shù)。丘陵山區(qū)小流域土壤物理性質(zhì)，見(jiàn)表7。根據(jù)表7可知，土壤容重差異性在3種植被類型中呈不顯著性特征(p>0.05)，具體而言土壤容重最大值的為落葉松人工林的1.24g/cm3，其次為有松林為1.16g/cm3，容重最小值為刺槐天然次生林的1.09g/cm3；通過(guò)對(duì)比0-30cm不同深度的容重值可知，隨著深度的增大各類型土壤容重均呈不斷增加趨勢(shì)。土壤的疏松程度利用總孔隙度反映，總孔隙度最大、最小值為刺槐的30.17%和油松人工林的27.85%，落葉松為28.96%；土壤的持水能力在一定程度上可對(duì)非毛管孔隙度產(chǎn)生影響，非毛管孔隙度的變化特征為：落葉松人工林(2.15%)<油松林人工林(2.22%)<刺槐天然次生林(2.94%)；隨著土層深的不斷增大，土壤非毛管孔隙度、總孔隙度呈逐漸降低的變化特征，而落葉松與油松的毛管孔隙度逐漸減少，在10-20cm土層中刺槐天然次生林的毛管孔隙度最大。

(a)半分解層

(b)未分解層

表7 丘陵山區(qū)小流域土壤物理性質(zhì)

續(xù)表7 丘陵山區(qū)小流域土壤物理性質(zhì)

2)土壤持水能力。土壤飽和持水量體現(xiàn)了土壤調(diào)蓄水分的能力及其涵蓄水源的潛力，主要由非毛管和毛管孔隙貯蓄量構(gòu)成。因此，地下水補(bǔ)給、土壤潛流、地表徑流等均受到土壤持水能力的影響。土壤有效持水量的大小與非毛管孔隙的水分貯存量的多少密切相關(guān)，持水能力隨水分貯存量的增大而提升。白石水庫(kù)流域流域不同林分類型，其土壤物理性質(zhì)、有效持水量和飽和持水量存在一定差異。根據(jù)表7可知，土壤飽和持水量最大、最小的分別為刺槐天然次生林和落葉松人工林，為301.79t/hm2、279.36t/hm2，隨土層深的增大不同土層的同一植被的飽和持水量呈不斷減少的變化趨勢(shì)。3種植被類型的有效持水量由低到高依次為：落葉松林21.67t/hm2、油松林28.98t/hm2、刺槐林29.57t/hm2。綜合考慮以上分析結(jié)果，土壤持水能力最強(qiáng)的為刺槐天然次生林。

3)土壤入滲。土壤的滲透性為描述土壤水源涵養(yǎng)功能及其物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，直接關(guān)系到地表徑流轉(zhuǎn)化為地下徑流、壤中流的程度。土壤侵蝕量與地表徑流量隨土壤滲透性的增強(qiáng)而減少，因此定量評(píng)判土壤滲透性對(duì)于分析土壤水文效應(yīng)、侵蝕性具有重要意義。土壤入滲模型及滲透速度，見(jiàn)表8。根據(jù)表8可知，初始入滲速率最大的為刺槐天然次生林26.07mm/min，其次為落葉松18.16mm/min，油松林最小為15.72mm/min，初深速率最大與最小值相差1.66倍。入滲速率隨時(shí)間的推移逐漸減小并趨于穩(wěn)滲，穩(wěn)滲速率最大的為刺槐天然次生林1.42mm/min，最小的為落葉松1.02mm/min，不同林分類型的穩(wěn)深速率處于1.02-1.42mm/min之間。在達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)，落葉松、油松林和刺槐天然次生林的穩(wěn)滲時(shí)間分別為28min、35min、34min左右。采用Origine8.0軟件擬合各林分類型土壤的入滲速率、入滲時(shí)間，土壤入滲擬合過(guò)程，見(jiàn)圖3，輸出結(jié)果顯示入滲時(shí)間與速率間具有冪函數(shù)關(guān)系，即：

f=atb(R2>0.90)

(5)

式中：a、b代表方程系數(shù)和指數(shù)；t、y代表入滲時(shí)間與速率，min、mm/min。

表8 土壤入滲模型及滲透速度

圖3 土壤入滲擬合過(guò)程

3 結(jié) 論

1)研究區(qū)3種不同林分類型的枯落物蓄積量處于23.21-39.22t/hm2之間，枯落物厚度介于5.30-5.88cm，從小達(dá)到依次為落葉松<油松林<刺槐天然次生林。刺槐天然次生林的半分解層占比較大為51.12%，其他2種植被類型的未分解層占比較大為59.34%、59.76%、，其原因?yàn)獒樔~林枯落物分解較慢而闊葉林枯落物分解較快相關(guān)。

2)3種不同林分類型的最大持水量處于50.90-109.41t/hm2，其中最大、最小持水量分別為刺槐和落葉松；蓄積量、枯落物層厚度在不同林分類型下存在一定差異，這是導(dǎo)致有效攔蓄深和攔蓄量不同的主要因素，有效攔蓄量自小達(dá)到為落葉松41.65t·hm2、油松林51.82t·hm2和刺槐天然次生林90.63t·hm2，這與4.16、5.18、9.06mm的降雨攔蓄量相當(dāng)。不同植被類型的有效攔蓄深表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，對(duì)降雨攔蓄能力最強(qiáng)的為刺槐天然次生林。

3)半分解層、未分解層持水量變化特征在3種不同植被類型中呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即持水量在1h浸水時(shí)間內(nèi)顯著增大，枯落物半分解層、未分解層趨于飽和的時(shí)間約為8h、10h。枯落物的浸水時(shí)間與持水量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)特征，顯著性R2>0.91；浸水時(shí)間與吸水速率間呈現(xiàn)出“逆J”形曲線變化特征，二者存在冪函數(shù)關(guān)系，在0-1h吸水速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)迅速增大，隨后開(kāi)始緩慢下降并于4h后趨于穩(wěn)定，吸水速率在浸水24h后達(dá)到飽和穩(wěn)定狀態(tài)。

4)不同林分類型的土壤容重均值處于1.09-2.24g/cm3，隨著深度的增大各類型土壤容重均呈不斷增加趨勢(shì)。土壤總孔隙度處于27.85%-30.17%范圍，非毛管孔隙度的變化特征為落葉松(2.15%)<油松林(2.22%)<刺槐(2.94%)，有效持水量由低到高依次為落葉松林21.67t/hm2、油松林28.98t/hm2、刺槐林29.57t/hm2，土壤持水能力最強(qiáng)的為刺槐天然次生林。

5)初始入滲速率最大的為刺槐天然次生林26.07mm/min，其次為落葉松18.16mm/min，油松林最小為15.72mm/min，初深速率最大與最小值相差1.66倍。穩(wěn)滲速率最大、最小的為刺槐和落葉松，穩(wěn)深速率處于1.02-1.42mm/min，落葉松、油松林和刺槐的穩(wěn)滲時(shí)間約為28min、35min、34min。擬合各林分類型土壤的入滲速率、入滲時(shí)間發(fā)現(xiàn)，二者具有冪函數(shù)關(guān)系且R2>0.90。