互助北山國家森公園林下枯落物及土壤水源涵養能力

賀睿，王鈞，錢前，張會軒，胡延萍，李毅

(1.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008;2.中國科學院大學,北京 100049)

在森林生態系統內，作為第2層次的枯落物層與第3層次的土壤林層持水量可占森林總持水量的85%[1].林下枯落物層包括地面植被組分產生的掉落物與動物殘體等，它通常作為分解者物質與能量的來源，同時枯落物在降水儲水的分配上也起著重要作用[2-3].枯落物覆蓋于地表，能夠截持降雨，減小降雨對土壤的濺燭力度，延緩地表徑流速度與水量；再者，枯落物層自身的存在與分解還能通過增加土壤有機質起到改善土壤結構的作用，增加土壤入滲性能[4].林下土壤也被譽為森林的水庫，森林土壤層的蓄水功能往往是通過對土壤內部結構改善，調節水分滲透與儲蓄，以此來達到土壤保水性能提高的目的[5].因此,枯落物與林下土壤成為了研究森林水文學的首要目標[6].目前，不同區域、不同植被類型下的枯落物與土壤的相關性研究有很多，這些研究多集中于不同林分枯落物與土壤持水性能方面.王德連等[7]研究顯示，不同林分類型的枯落物蓄積量和持水能力差異明顯，Freschet等[8]對枯落物的持水性能進行了研究發現枯落物對土壤的理化性質有一定的影響.Gholami等[9-10]還對枯落物的阻流減沙作用進行了研究.何東寧等[11]的研究顯示，土壤的非毛管孔隙中存了大部分的林地降水，因此非毛管孔隙度可以作為土壤儲存水分能力的關鍵衡量因素.不同森林植被的入滲性能研究發現[12-13]，不同林地間土壤滲透性能存在較大的差異，初滲速率大的林分會吸收大量的雨水.另外有研究發現不同植被類型的土壤蒸發量大約占到林地總蒸發散的3%～21%[14-15]，而森林枯落物在地表的覆蓋對0～20 cm土壤層的水分揮發影響是最顯著的[4]，可以有效減少蒸發量.雖然如此，關于大面積林分的的單一種植下，枯落物持水與其吸水過程、土壤持水能力以及滲透過程的定量研究還比較少.

青海省互助縣北山國家森林是青海祁連地區十分重要的生態林場.它不僅是黃河上游的水源涵養林區，而且也是青海省內重要的自然生態屏障，被青海省區劃為國家生態公益林.由于其地理位置與氣候條件的獨特，形成了以高原森林為主，擁有多種野生動植物資源的自然生態系統[16].目前本地區的研究多集中于物種多樣性、地質、土壤等方面,對水文功能的研究則相對較少.本研究以本區域內白樺青扦山楊混交林(The mixed ofBetulaplatyphyllaPiceawilsoniipopulusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)純林、青扦(Piceawilsonii)純林、山楊(Populusdavidiana)純林4種林分為研究對象，對不同林分下枯落物層及表層土壤的水源涵養能力進行研究，進行水源涵養功能綜合評價，為本地區針闊混交林種植，水源涵養效益提升提供科學的數據與理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

互助北山國家森林公園屬于青海省面積較大的天然次生林場，地理坐標N 36°53′～37°03′,E 102°19′～102°28′，林區總面積達到11.27 hm2，森林覆蓋率64.3%，海拔在2 100～4 308 m之間.位于互助縣東北部，祁連山東端，大通河中下游，祁連山支脈冷龍嶺南域，支脈達坂山北坡，山地地貌整體上屬于多年凍土，氣候屬于大陸寒溫帶，冬季與夏季溫差較大，冬季受西伯利亞季風和寒流影響，夏季受東南沿海臺風影響.年平均氣溫5.8 ℃，其中最高氣溫達到30.3 ℃，最低氣溫達到-26.9 ℃；年降水量477.4 mm，年蒸發量1 198.3 mm[17].白樺青扦山楊混交林、白樺純林、青扦純林以及山楊純林為北山國家森林公園內常見的林分.除去喬木外，還存在主要灌有木茶藨子(Ribesnigrum)、扁刺薔薇(Rosasweginzowii)、小檗(Berberisthunbergii)，主要草本有早熟禾(Poaannua)、早沙蠶(Tripogonbromoides)東方草莓(Fragariaorientalis)等，其中青扦與白樺林中灌木10～20棵，山楊與混交林較少，只有6～10棵，草本在4中林分中均勻分布.

1.2 樣地取樣

2019年9月，林區勘基礎上分別選取不同林分各設置1個28 m × 28 m的調查樣方，對樣方內所有林木進行調查(表1)，并在調查樣方內隨機設置10個1 m × 1 m小樣方，每兩個1 m2樣方內的枯落物為一份全部取回，即每個調查樣方內有5份枯落物樣品，稱重所取的枯落物樣品，記為W1(g).在每一調查樣方內用鋁盒與土壤環刀十字交叉取表層(0～5 cm)土壤各10份，并稱重，鋁盒土記為M濕，環刀土記為M1(g).將稱質量后的枯落物與土壤樣品帶回實驗室開展室內試驗.

表1 調查地林分基本概況

1.3 水源涵養功能測定

將帶回實驗室的枯落物樣品用烘箱80 ℃烘24 h至恒質量記為W2(g)，計算枯落物生物量M(t/hm2).烘干的枯落物分別裝入尼龍網袋中，浸泡在水中0.5、1、2、4、6、8、12、24 h，并在每個時間點取出靜置無水滴滴下后稱質量記錄，24 h時稱重W24(g)，以此計算枯落物的自然持水率%R0，最大持水率%Rm、最大持水量(t/hm2)Ms，以及有效攔蓄量(t/hm2)W[18].

M=W2/S草樣方×0.01
R0=(W1-W2)/W2×100
Rm=(W24-W2)/W2×100
Ms=(W24-W2)/S草樣方×0.01
W=(0.85Rm-R0)×N

式中:M為枯落物現存生物量(t/hm2)，W1為剛取枯落物的質量(g)；W2為枯落物烘干后質量(g)；S草樣方是取枯落物的草樣方面積，本研究中是2 m2,枯落物樣品取自草樣方;R0為枯落物自然持水率(%)；Rm為最大持水率(%)；W24為枯落物浸泡24 h后的質量(g)；Ms為枯落物最大持水量(t/hm2)；W為枯落物有效攔蓄量(t/hm2).

帶回實驗室的環刀土浸入水中，沒過環刀上沿，吸水24 h后稱質量，記為M24(g)，接著將一空環刀去掉上下蓋，環刀土去上蓋，環刀土未取蓋面置于漏斗上，空環刀置于環刀土上，進行室內模擬滲透，計算其室內統一條件下的滲出水總量Q(mm),滲透速率V(mm/min).之后將浸泡過的環刀土置于干燥的土上12 h后稱質量記為M12，以計算田間持水量等指標，然后環刀土與鋁盒土均放入烘箱，105 ℃下烘干至恒質量，鋁盒土記M干，環刀土記M2，計算土壤質量含水量P(g/Kg)，土壤容重P1(g/cm3)、最大持水量P2(g/kg)、田間持水量P3(g/kg)、毛管持水量P4(g/kg)、毛管孔隙度P5(%)、非毛管孔隙度P6(%)[19].

Q=(Q1+，…，+Qn)×10/S環刀截面積

V=10×Q/t×S環刀截面積

式中：Q(mm)為每個環刀室內統一條件下的滲出水總量，Q1，…，Qn(mL)為次滲出水量，本試驗為每2 min；S(cm2)為環刀直徑5 cm,高5 cm,橫截面積19.63 cm2.V環刀(cm3)為環刀的體積，本文中為98.13 cm3/t(min)為每次測定的時間間隔，2 min測1次.P(g/Kg)為土壤質量含水量；M濕(g)為取樣后鋁盒土的質量；M干(g)為烘干后鋁盒土的質量，M2(g)為烘干后的環刀土(環刀+土)質量，(鋁盒土與環刀土均指盒+土)，M(g)空鋁盒指無土的空鋁盒質量.P1(g/cm3)為土壤容重，M1(g)為取樣后環刀土的質量，M空環刀(g)指無土的空環刀的質量.P2(g/kg)為最大持水量，M24(g)為環刀土浸入水中吸水24 h后的質量.P3(g/kg)為毛管持水量.P3(g/kg)為田間持水量，M12(g)為浸泡過的環刀土置于干燥的土上一段時間后稱的質量，本文中是放置12 h.P4(g/kg)為毛管持水量，M2 h(g)為浸泡過的環刀土置于干燥的土上2 h后質量.P5(%)為毛管

孔隙度，ρ土(g/cm3)為土壤的密度；ρ水(g/cm3)為浸泡所用水的密度，M2 h(g)指為浸泡過的環刀土置于干燥的土上2 h后質量.P6(%)為非毛管孔隙度；

1.3 統計分析

2 結果與分析

2.1 不同林分枯落物水源涵養

2.1.1 枯落物持水 枯落物的生物量與吸水量與枯落物類型關系極大，較大的林下現存量提供了一個比較大的吸水基礎.四種類型的林分在枯落物的生物量以及最大持水率方面均存在一定的差異(表2).方差分析表明，現存生物量青扦>白樺>白樺青扦山楊混交林>山楊(P<0.05)，白樺青扦山楊混交林生物量與3種純林平均生物量相比略低，白樺青扦山楊混交林相比山楊多出了13.15%.枯落物最大持水總量顯示白樺青扦山楊混交林>白樺、山楊>青扦(P<0.05)，白樺青扦山楊混交林枯落物最大持水總量最高，與白樺、青扦純及山楊相比分別提高了68.09%、189.40%和60.37%，白樺與青扦純林相比提高了72.17%，山楊與青扦相比提高了80.46%.

表2 不同林分枯落物生物量和持水性能

2.1.2 枯落物持水過程 枯落物持水過程中的持水速率大小在一定程度上反映了持水能力[20].通過對4種林分枯落物浸水時間與持水量、持水速率的關系進行函數擬合，以此來反映林分枯落物持水的動態變化特征.干燥的枯落物在最開始階段吸水量大，吸水速率快，隨著時間的推移.枯落物持水量增多、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(圖1).在0.5 h 4種林分枯落物吸水量呈現白樺(3.69 t/hm2)>青扦(2.78 t/hm2)、青扦白樺山楊(2.83 t/hm2)>山楊(2.15 t/hm2)(P<0.05)，在吸水基本處于飽和的24 h時則呈現出白樺(5.04 t/hm2)、青扦(4.99 t/hm2)、青扦白樺山楊(4.76 t/hm2)>山楊(3.03 t/hm2)(P<0.05).4種林分吸水速率在0.5 h時，白樺(7.38 t/(hm2·h))>青扦(5.56 t/(hm2·h))、青扦白樺山楊(5.66 t/(hm2·h))>山楊(4.30 t/(hm2·h)，P<0.05).枯落物層浸水時間與持水量、持水速率函數擬合關系見表3.枯落物浸水時間與持水量之間呈對數函數關系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率與與浸水時間呈冪函數關系，關系式為：V=Ktn(R2>0.99).

圖1 不同林分枯落物浸水時間與吸水量、吸水速率擬合曲線Figure 1 Fitting curves of soaking time，water absorption and water absorption rate of litter in different forest stands

表3 不同林分枯落物浸水時間與吸水量、吸水速率擬合關系

2.2 不同林分土壤水源涵養

2.2.1 土壤物理性質和持水能力 森林土壤層因為其有著巨大的水文調節與水分儲存能力，被稱為森林水源涵養系統的第三活動層.研究發現，林分類型不同，其林下土壤層的水分物理性質一般也會有所不同[21].土壤容重作為土壤層物理結構松緊度與透氣性的重要衡量指標，在土壤層持水保水方面有重要的作用.由表4可以看出，土壤容重最大的為山楊，最小的白樺，前者是后者的1.64倍，大小排序為：山楊(0.472 6 g/cm3)>白樺青扦山楊混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白樺(0.287 5 g/cm3)；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，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[17]，土壤非毛管孔隙大小排序為：白樺青扦山楊混交林(29.44%)>山楊(28.85%)>青扦(23.62%)>白樺(21.25%)；土壤最大持水量會在一定程度上反映土壤對水分的貯藏潛力，白樺青扦山楊混交林的最大持水量是最大的，而青扦純林最小，大小排序為：白樺青扦山楊混交林>白樺>山楊>青扦.

表4 不同林分類型土壤水分物理性質

2.2.2 土壤滲透性能 土壤水分入滲作為森林系統水循環的重要過程，是對植被水分吸收與蒸發、表層水土流失等衡量的重要參數[19].通過函數擬合土壤滲透時間與滲透速率，發現兩者之間具有較好的函數關系(圖2、表5)，初滲速率最大的為白樺青扦山楊混交林，最小的為青扦，前者為后者的1.29倍，數值大小排序為：白樺青扦山楊混交林(27.78 mm/min)>白樺(23.61 mm/min)> 山楊(22.14 mm/min)> 青扦(21.52 mm/min).土壤初入滲時速率較大，隨后慢慢減小，最后趨于穩定，白樺青扦山楊的穩滲速率最大，最小的為白樺純林，由大到小為：白樺青扦山楊混交林(27.78 mm/min)>青扦(14.83 mm/min)>山楊(13.00 mm/min)>白樺(12.88 mm/min).入滲時間與入滲速率的擬合曲線符合回歸方程Y=a×Xb(R2>0.80).

圖2 不同林分土壤入滲速率與入滲時間擬合曲線Figure 2 Fitting curves of soil infiltration rate and infiltration time of different forest stands

3 討論

在風和水蝕的相互作用下，累積的枯落物分解后最終在表層土壤中形成粘性地殼，被定義為凋落物地殼.生物結皮的粗糙表面有助于凋落物的攔截和積累[22].凋落物的覆蓋改變了生物結皮的微生境，并進一步影響了生物結皮的代謝和生長.本文研究發現，從生物量來看，青扦純林的枯落物生物量遠遠高于其他3種林分.4種林下枯落物生物量青扦>白樺>混交林>山楊(P<0.05)，這與李陽等[23]得出的針葉林純林枯落物存量大于闊葉林純林的結論一致，但與楊良辰等[24]在承德壩區得出的混交林枯落物蓄積量大于針葉林的結論不同.出現這種結果一由于青扦純林林下枯落物存在較多的果實與松枝，松針葉及其少，采集樣品中，松枝、松果與針葉比例為14∶1，所以同等面積下針葉林青扦的枯落物生物量會最多，二是互助北山海拔較高，溫度較低，針葉分解速度較為緩慢，累積的針葉枯落物造成了土壤酸化，降低土壤微生物活性，進一步減緩甚至阻礙枯落物的分解，三種樹種的混交林生物量低是因為在其中白樺與山楊數量占比大，而青扦占比小；林下枯落物最大持水量表現為混交林>山楊、白樺純林>青扦純林(P<0.05)，其中白樺青扦山楊混交林的林下枯落物層最大持水量與白樺純林、青扦純林與山楊純林相比分別提高68.09%、189.40%和60.37%；與張佳楠[25]在晉西黃土區得出的針闊混交林>針葉林結論相同.與孫艷紅等[26]得出的闊葉林枯落物的持水能力普遍高于針葉林也是一致的.這主要是因為于針葉相比闊葉，質地硬、吸水面積小、吸水少，所以在長時間的浸水情況下吸水量反而會小.不同林分類型枯落物持水能力的大小與林分類型、枯落物組成、積累狀況等密切相關[27],因此在今后的研究中,還需在枯落物的持水能力與其他因子的關系方面進行更深人的探索.枯落物持水量與浸水時間枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率與與浸水時間呈冪函數關系，關系式為：V=Ktn(R2>0.09).這與蘭亞男等[28]的研究,不同林分類型的枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系,持水速率與浸水時間呈冪函數關系是一致的.

表5 入滲速率與入滲時間的回歸方程

土壤作為森林生態系統最主要的水分調節與水分儲蓄層次，有著“綠色水庫”的美稱.其水源涵養主要在蓄水性與滲透性兩個方面.土壤的蓄水主要受土壤容重與土壤非毛管孔隙度等因素的影響.土壤大孔隙在滲透過程中可以通過團聚體間的孔隙、土體間的裂隙、根系和動物通道提供優先水流路徑[29-30]，其對水分的運輸等水循環過程起重要的調節作用，它也是研究森林水文特征的重要要素.本研究中土壤非毛管孔隙度混交林>山楊>青扦>白樺(P<0.05).這與何東寧等[31]發現混交林土壤的粗孔隙率最高，持水能力最強的研究一致.土壤容重山楊>混交林>青扦>白樺(P<0.05)，土壤最大持水量混交林>白樺>山楊>青扦(P<0.05)，這與以往研究的混交林最大持水量高于純林、不同林型土壤飽和持水量和土壤非毛管蓄水量均為混交林優于純林,混交林對水分的靜態涵養能力更強,混交林水源涵養能力大于純林的結論一致[32].土壤的滲透能力是指不同林分通過改善土壤的內部結構，從而達到提高土壤水性能的目的，是影響土壤侵蝕的重要因素之一.本研究入滲初期，土壤初入滲速率較大，隨后慢慢減小，最后趨于穩定，這與研究入滲初期，土壤入滲速率與土壤含水量呈負相關關系，并隨著時間的推移其對土壤入滲的影響可以忽略不計[33-34]相吻合.初滲速率與吸水量最大的均為白樺山楊青扦混交林，這也與胡海波等[12]的研究，不同森林植被下土壤初滲速率大的林分有助于吸收大量的雨水相一致.從枯落物與土壤總體上來講，本文研究山楊白樺青扦混交林最優，持水量最大,故可以建議本區域內可以通過調整林分結構，適量增加針葉闊葉混交林的種植比例，來提高林分水源涵養能力.

4 結論

青海省互助縣北山國家森林林下枯落物現存量現存生物量青扦>白樺>白樺青扦山楊混交林>山楊，最大持水總量白樺青扦山楊混交林>白樺、山楊>青扦.枯落物浸水時間與持水量呈對數函數關系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物赤水時間與持水速率間呈冪函數關系，關系式為：V=Ktn(R2>0.99).土壤容重山楊(0.472 6 g/cm3)>白樺青扦山楊混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白樺(0.287 5 g/cm3)，土壤非毛管孔隙排序為：白樺青扦山楊混交林(29.44%)>山楊(28.85%)>青扦(23.62%)>白樺(21.25%)；最大持水量白樺青扦山楊混交林>白樺>山楊>青扦，入滲時間與入滲速率的擬合曲線符合回歸方程Y=aXb(R2>0.80).整體上從持水量來看，白樺青扦山楊混交林優于其他三種純林，闊葉林白樺、山楊優于青扦.