白龍江、洮河林區5種典型森林枯落物與土壤層水源涵養效應

趙 陽, 王 飛, 齊 瑞, 陳學龍, 雷 煒, 曹秀文, 劉錦乾, 楊永紅

(1甘肅省白龍江林業管理局林業科學研究所, 蘭州730070;2甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站, 甘肅 舟曲746300)

白龍江、洮河林區地處甘肅南部山區與秦嶺西段交匯處，屬青藏高原與黃土高原過渡帶，橫跨長江與黃河流域上游交匯區，地形復雜生態系統類型多樣。區內集成了森林資源、珍稀野生動植物資源、高原濕地和高原草甸等多種自然資源[1]，是甘肅乃至西北地區重要的生態屏障，對維系長江與黃河中下游地區的生態安全發揮著不可替代的作用。已有研究表明，白龍江與洮河林區的森林生態服務功能總價值分別達到303.702億元/a，217.280億元/a，占甘肅全省的20%以上[2-3]。以岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、油松(Pinustabuliformis)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、落葉松(Larixgmelinii)、樺木(Betula)等為主要建群種的森林群落作為該區森林資源的重要組成部分，發揮著不可替代的生態作用。

水源涵養作為森林生態系統的重要功能，主要體現在森林植被層、枯枝落葉層及土壤層等對水分的調蓄和再分配上[4-5]，在水源涵養方面發揮主導作用的為土壤層和枯枝落葉層，因此以往森林水源涵養的研究中常用枯落物和土壤層的最大持水量來研究森林的水源涵養效應[6]。大量研究表明，不同林型其水源涵養效應存在明顯差異[7-8]。白龍江、洮河林區森林類型多樣，歷史上經歷過大規模采伐及林區居民長期生產活動干擾，生態環境脆弱易變，植被、土壤退化嚴重[9]。20多年來隨著“天保工程”實施，森林生態逐漸恢復。近年來，隨著國家對生態文明重視程度的提高，森林環境進一步改善，生態功能恢復加快。目前，在白龍江林區不同植被類型枯落物和土壤持水的研究方面，馮宜明[10]、陳國鵬[11]、王飛[12]、楊永紅[13]等做了大量研究，但這些研究均屬小流域范圍，不能完全反映林區水源涵養現狀，而有關白龍江林區大范圍內林地水源涵養的研究尚不多見。為此，本研究以白龍、江洮河林區5種主要林型為對象，從枯落物和土壤層來綜合研究林地水源涵養效應，為該區森林水源涵效益評價和森林生態效益評估提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白龍江、洮河林區位于白龍江、洮河上游，地處青藏高原東部邊緣黃土高原與甘肅南部山區交匯帶(102°46′—104°52′E，33°04′—35°09′N)，屬青藏高原濕潤氣候區。地形以山地為主，山高谷深，相對高差大，海拔2 900～4 300 m，小氣候多樣，災害天氣多發，水資源較為豐富。年均降水646 mm，年均日照2 276 h，年均溫5.8℃，無霜期107 d。土壤主要為棕色灰化土、棕色森林土、褐色森林土及黃土[3]。森林以暗針葉林為主，覆蓋率60.57%，林下天然更新良好，森林結構相對完整，生態功能較強[14]。森林群落主要建群種為云、冷杉、油松、櫟類、樺木、落葉松等，森林質量總體較高，野生動植物資源豐富。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 2018年7—8月，在對研究區與進行全面踏查后，選取車巴林場的岷江冷杉林，羊沙林場的樺木林，臘子口林場以遼東櫟為主的櫟類混交林，洛大林場的油松林以及大峪溝的落葉松林為研究對象，選擇林相整齊的林分，設置50 m×50 m的樣地各3塊，逐一測量胸徑(D)≥5 cm的全部喬木樹種的胸徑，樹高，冠幅等指標，灌木層設置為2 m×2 m，草本層1 m×1 m，采用對角線法調查物種多樣性，對喬木幼苗、幼樹(D<5 cm)逐一測量并記錄其高度，地徑。各樣地用GPS定位，記錄其經緯度，海拔、坡度等因子。

表1 樣地基本信息

1.2.2 枯落物蓄積量及持水性測定 用5點法在各樣地內取面積為0.5 m×0.5 m的典型樣方，將枯落物分為木殘體、未分解和半分解層(木殘體層指落葉上層基本保持原狀較粗的木質化的枝干脫落物；未分解層指基本保持原形狀和質地的落葉、樹皮、花、果等；半分解層指植物組織為半分化狀態或部分殘余組織尚保持原形態)收集并稱重后，置于85℃烘箱中烘至恒重后稱重，計算單位面積的枯落物蓄積量。枯落物持水量及吸水速率采用浸水法測定，將烘干后的枯落物裝入尼龍網袋稱重后浸水，分別測定浸水0.5，1，2，3，4，8，10，12，24 h的質量變化，每次以無水滴滴下為標準進行稱重，以此研究枯落物持水過程及吸水速率，并計算枯落物持水量和持水率。計算公式參見胡曉聰[15]、劉凱等[16]。

1.2.3 土壤物理性質及持水性測定 在各樣地按照5點法挖土壤刨面，用環刀法分4層(0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm)取原狀土，每層4個重復，測定土壤容重、干重等，以此計算土壤孔隙度、持水量等指標。測定及計算方法參見中華人民共和國林業行業標準——森林土壤水分—物理性質的測定(LY/T1215-1999)[17]。

2 結果與分析

2.1 不同森林類型枯落物層水文效應

2.1.1 枯落物蓄積量 由表2可知，5種林型枯落物總蓄積量最大的為櫟類混交林(15.78 t/hm2)，其次是冷杉林(14.59 t/hm2)，最小的為樺木林(12.48 t/hm2)，但枯落物總蓄積量差異不顯著(p<0.05)。櫟類混交林木殘體比例(41.31%)顯著高于其他4種林型，落葉松林木殘體比例最小(25.99%)。通過分析不同分解程度枯落物蓄積量占總蓄積量的比例可知，5種林型除落葉松林外(33.22%)，未分解層的比例均不到總蓄積量的30%，顯著低于木殘體和半分解層比例，半分解層除櫟類混交林外都接近于總蓄積量的40%，可見半分解層在枯落物組分中占據主導地位，其次為木殘體層。

表2 不同森林類型枯落物蓄積量

2.1.2 枯落物持水能力 由表3可知，5種林型枯落物最大持水量在21.07～29.20 t/hm2，其大小依次為冷杉林(29.20 t/hm2)>櫟類混交林(28.29 t/hm2)>落葉松林(27.66 t/hm2)>樺木林(25.75 t/hm2)>油松林(21.07 t/hm2)，油松林最大持水量顯著小于其他4種林型。相同林型枯落物半分解層最大持水量均占枯落物層持水總量的44%以上，顯著高于(p<0.05)木殘體層與未分解層，木殘體層與未分解層最大持水量除落葉松林外差異均不顯著。比較不同林型枯落物相同組分發現，木殘體除落葉松林，未分解和半分解層除油松林外，其他4種林型枯落物相同組分最大持水量差異不顯著。

表3 不同森林類型枯落物持水狀況

枯落物不同組分平均最大持水率在164.88%～205.29%，最大的仍為冷杉林，油松林持水率顯著低于其他4種林型。5種林型枯落物最大持水率最大的均為半分解層，顯著大于木殘體層。除油松林外，其他4種林型未分解層最大持水率顯著高于木殘體層，半分解層高于未分解層。

2.1.3 枯落物持水過程 由圖1可知，5種林型枯落物持水過程基本一致，均在浸水之初持水量迅速增加，隨著浸水時間的延長，持水量增加逐漸減緩，直至后期逐漸飽和。5種林型木殘體層在浸水0～4 h內持水量迅速增加，0.5 h內持水量均已接近飽和持水量的50%，4 h內持水量達到80%以上，8～10 h持水量已達到95%以上并逐漸接近飽和。未分解層在0.5 h內持水量達到60%以上，2 h后均已達到80%以上，4 h后持水量接近飽和。而半分解層在浸水0.5 h內持水量均達到70%以上，2 h內已達到90%以上，并逐漸接近飽和。對5種林型枯落物持水量與浸水時間的關系進行擬合，得出二者呈對數函數關系(表4)，關系式為：Q=aln(t)+b，式中：Q為持水量(t/hm2)；t為浸水時間(h)；a為系數；b為常數。

圖1 不同森林類型枯落物持水過程

2.1.4 吸水速率 由圖2可知，5種林型枯落物各層吸水速率變化一致，均隨浸水時間的增加吸水速率逐漸降低，不同林型吸水速率大小均為半分解層>未分解層>木殘體層。總體來看，浸水之初0.5 h內枯落物吸水速率均最大，其大小為櫟類混交林>冷杉林>落葉松林>樺木林>油松林，2 h內吸水速率迅速降低，隨后隨著浸水時間的增加吸水速率逐漸降低，8～10 h后吸水速率接近于0，說明此時枯落物持水量已接近飽和。對5種林型枯落物吸水速率與浸水時間的關系進行擬合，得出二者之間呈冪函數關系(表4)，關系式為：V=k·tn，式中：V為吸水速率[t/(hm2·h-1)]；t為浸水時間(h)；k為系數，n為指數。

表4 不同森林類型枯落物持水和浸水時間的回歸方程

2.2 不同森林類型土壤水文效應

2.2.1 土壤容重與孔隙度 由表5可知，5種林型土壤容重均隨土層深度的加深呈現顯著增大現象。在0—20 cm土層，冷杉林土壤容重最小，在0—60 cm土層范圍內，冷杉林土壤容重變化最大，從520.40 mg/cm3增加到1 302.71 mg/cm3，增加了2.503倍，其他4種林型其容重增加均不到1.5倍。土壤容重平均值為冷杉林(941.61 mg/cm3)<櫟類混交林(964.47 mg/cm3)<油松林(1 017.34 mg/cm3)<樺木林(1 021.14 mg/cm3)<落葉松林(1 108.25 mg/cm3)，但彼此差異不顯著。

表5 不同森林類型土壤物理性質

在0—60 cm土層范圍內，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤總孔隙度均隨著土層深度加深而減小，與土壤容重變化相反。土壤總孔隙度在40.56%～69.95%變化，毛管孔隙度37.33%～65.71%變化，土壤平均總孔隙度大小依次為冷杉林(55.66%)>樺木林(53.92%)>櫟類混交林(53.21%)>油松林(50.32%)>落葉松林(49.35%)，但差異不顯著。平均毛管孔隙度為冷杉林(53.10%)>樺木林(47.91%)>油松林(47.10%)>落葉松林(45.75%)>櫟類混交林(44.30%)，差異也不顯著。

快速心房纖顫是心臟急癥,快速心房纖顫如持續時間過長可引起血流的動力學異常導致心功能下降,增加患者病情,增加住院率及死亡率,和肽素是前精氨酸加壓素的羧基肽,克服了精氨酸加壓素在臨床檢測方面的劣勢,結果穩定、靈敏度高且保存時間長,最近國內外在臨床心衰、心肌梗死中進行了大量研究。本研究對快速房顫患者并結合臨床數據進行分析,旨在探討心房纖顫患者血液中和肽素水平與房顫快速房顫心衰的相關性。

2.2.2 土壤層持水能力 5種林型土壤層持水能力見表5，在0—60 cm土層，油松、櫟類混交林和樺木林的土壤自然含水量隨著土層深度的增加逐漸減小，冷杉林與落葉松林則逐漸增大，土壤層平均自然含水量大小依次為冷杉林(609.85 t/hm2)>落葉松林(245.04 t/hm2)>櫟類混交林(211.24 t/hm2)>油松林(177.97 t/hm2)>樺木林(139.84 t/hm2)，其中冷杉林自然含水量顯著大于其他4種林型。5種林型平均最大持水量與有效持水量差異均不顯著。有效持水量占最大持水量的比例大小依次為冷杉林(89.26%)>油松林(87.18%)>落葉松林(84.97%)>樺木林(77.57%)>櫟類混交林(74.12%)。

圖2 不同森林類型枯落物吸水速率的變化

5種林型0—60 cm土層冷杉林總自然含水量(2 439.41 t/hm2)最高，并顯著高于其他4種林型，是最小的樺木林(559.33 t/hm2)的4.36倍。最大持水量仍以冷杉林(3 168.15 t/hm2)最高，顯著高于最低的落葉松林(2 848.97 t/hm2)，與樺木林(3 155.27 t/hm2)、櫟類混交林(3 107.46 t/hm2)和油松林(3 001.10 t/hm2)無顯著差異。由此可見，除落葉松林外，其他4種林型土壤層涵養水源能力相當。5種林型土壤層有效持水量大小依次為冷杉林(2 828.55 t/hm2)>油松林(2 780.23 t/hm2)>樺木林(2 447.61 t/hm2)>落葉松林(2 420.87 t/hm2)>櫟類混交林(2 303.41 t/hm2)，彼此差異均不顯著。

2.3 不同森林類型林地持水能力

森林持水能力一般用土壤層和枯落物層的持水總量來評價，林地持水量是反映林地水源涵養能力的重要指標之一，5種不同林型的林地持水總量大小依次為冷杉林(3 197.35 t/hm2)>樺木林(3 181.02 t/hm2)>櫟類混交林(3 135.76 t/hm2)>油松林(3 022.18 t/hm2)>落葉松林(2 876.63 t/hm2)，可見5種林型中冷杉林林地的水源涵養能力最強，其次為樺木林和櫟類混交林，落葉松林最小。不同林型枯落物層持水量均不到林地持水總量的1%，說明土壤層是林地水源涵養的主體，發揮著99%以上的水源涵養效應(圖3)。

圖3 不同森林類型林地水源涵養能力

3 討 論

3.1 不同林型枯落物層水文特征

枯落物持水能力多用干物質的最大持水率和最大持水量表示，其大小與森林類型，枯落物組成及分解程度有關[18]，由枯落物蓄積量和持水特性共同決定[9]，蓄積量受植被類型、立地條件、氣候、季節等多因素影響[19]。本研究的5種林型中，落葉松、樺木和櫟類均為落葉樹種，因此其枯落物蓄積量還與采樣季節有關，本研究采樣時間為7月，因此3種葉落樹種還尚未達到枯枝落葉大量凋落的季節，所以落葉樹種的枯落物蓄積量必會受到影響。

胡淑萍等[20]認為闊葉樹枯落物持水能力普遍高于針葉樹，本研究中，枯落物持水量大小為冷杉林>櫟類混交林>落葉松林>樺木林>油松林，持水率為冷杉林>樺木林>櫟類混交林>落葉松林>油松林。本研究認為，無論針葉和闊葉林，還是常綠和落葉林，枯落物持水能力受樹種、立地條件、林分密度和郁閉度及其所形成的水熱條件的綜合影響，持水量主要受蓄積量影響，持水率主要受分解程度影響。調查研究發現，冷杉林郁閉度大，林下環境濕潤，枯落物成分復雜分解程度高，因此持水能力強，油松林郁閉度小，林內濕度低，枯落物結構單一分解程度低，因此持水能力弱。相同林型枯落物半分解層最大持水量與持水率均顯著高于未分解層與木殘體層，說明半分解層是枯落物發揮持水功能的主體，這與周志立等[21]的研究一致。木殘體分解程度越高儲水潛力越大[22]，櫟類混交林枯落物蓄積量最大但持水量小于冷杉林，是因為木殘體比例偏高且木質堅硬不易分解，因此持水能力未充分發揮，樺木林亦是如此。

5種林型中，櫟類混交林枯落物蓄積最量大，冷杉林枯落物蓄積量小于櫟類，但分解程度高，因此二者吸水速率快，油松林枯落物蓄積量小且分解程度低，因此吸水速率最慢。不同林型枯落物吸水速率最快均為半分解層。5種林型枯落物持水量與浸水時間均符合Q=alnt+b的對數函數關系，吸水速率與浸水時間符合V=k·tn的冪函數關系。這與陳倩等[23]的研究一致。

3.2 不同林型土壤層水文特征

土壤容重和孔隙度是決定土壤水源涵養效應的重要因素[21]，孔隙度影響著土壤持水性能[24]。孔隙度大則土壤容重小，持水能力強，孔隙度小則土壤緊實，持水能力弱。本研究中，5種不同林型0—60 cm土層，土壤容重均隨土層深度增加而增大，孔隙度隨深度增加而減小，上層土壤持水能力大于下層土壤，這與范少輝等[25]的研究一致。

林地土壤自然含水量除與物質本身有關外，還與降水、林分郁閉度、光照等因素有關[22]。油松、櫟類和樺木林的林分郁閉度小，因此林地的蒸發導致上層土壤自然含水量小于深層，冷杉與落葉松林郁閉度大，對林地水分的保護作用強，因此土壤自然含水量高。

植被類型不同，土壤容重和孔隙度必然存在差異。本研究中，5種林型土壤總孔隙度大為小冷杉林>樺木林>櫟類混交林>油松林>落葉松林，容重變化與之相反。孔隙度決定土壤持水能力，容重和孔隙度不同反映了土壤層持水能力的差異，因此最大持水量與孔隙度變化一致，即冷杉林土壤層持水能力最強，其次為樺木林，落葉松林最小。此外，土壤持水性能還與土壤質地、成分、石櫟含量等因素有關[26]，本研究中，5種林型土壤質地不同，櫟類混交林和落葉松林土壤均含石礫，因此必然會影響到其持水能力。本研究認為，無論針葉和闊葉林、還是常綠和落葉林，其土壤層持水能力及孔隙度等物理性質是林地水熱條件，生物、微生物等因子長期共同作用的結果，受林木種類、密度、郁閉度等多因素影響。

3.3 不同林型林地水源涵養效應

林地水源涵養能力主要體現在枯落物層和土壤層[27]，因此許多研究[23-24]采用枯落物和土壤層的持水量之和來評價林地水源涵養效應。本研究發現，由于立木密度、林冠層郁閉度不同，不同林型林內水熱的再分配存在巨大差異，因此枯落物組成和分解程度各不相同，土壤質地、結構不同其持水能力也存在差異。因此本研究認為，林地水源涵養能力是林木種類、土壤、立地、氣候等因子共同作用的結果。5種林型林地水源涵養量在2 876.63～3 197.35 t/hm2，0—60 cm土壤層最大持水量均占林地持水總量的99%以上，冷杉林林地水源涵養效應最強。

調查研究可知，冷杉作為甘南亞高山白龍江、洮河林區廣泛分布的頂級天然林群落，經過長期的自然選擇形成了穩定的結構，具有強大的生態功能，油松林老齡化林木較多且自然更新不良，樺木林和櫟類混交林多為次生林，易受外界干擾，群落結構和生態功能均不如冷杉林穩定，落葉松人工林群落結構單一，生態功能較弱。5種林型林地水源涵養能力為冷杉林>樺木林>櫟類混交林>油松林>落葉松林，證明了冷杉林群落在甘南亞高山地區水源涵養方面舉足輕重的地位，也證明了不同林型在維護本林區生態系統穩定中的不同價值。

本研究從中度流域尺度上研究了種林型林地水源涵養效應，對本研究區森林水源涵養評價具有一定參考價值。森林水源涵養能力的體現除枯落物和土壤層外還主要體現在森林植被層上[4]，因此，關于本研究區森林水源涵養的研究仍需要在今后工作中持續開展。

4 結 論

(1) 5種林型枯落物蓄積量差異不顯著，最大持水量在21.07～29.20 t/hm2，大小依次為冷杉林>櫟類混交林>落葉松林>樺木林>油松林，半分解層蓄積量最大，是持水的主體；枯落物持水量與浸水時間均符合Q=alnt+b的對數函數關系，吸水速率與浸水時間符合V=k·tn的冪函數關系。

(2) 5種林型0—60 cm土壤層最大持水量在2 848.97～3 168.15 t/hm2，大小為冷杉林>樺木林>櫟類混交林>油松林>落葉松林。

(3) 林地水源涵養效應是林木種類、土壤、立地、氣候等因子共同作用的結果，土壤層是林地水源涵養的主體，5種林型0—60 cm土層最大持水量均占到林地持水總量的99%以上，林地最大持水量在2 876.63～3 197.35 t/hm2，大小為冷杉林>油松林>櫟類混交林>樺木林>落葉松林。