庫布齊沙漠人工防護(hù)林林下枯落物及土壤水文效應(yīng)研究

王濤，蒙仲舉，黨曉宏，李浩年，付東升，趙飛燕，楊圃暢

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的功能層（Park et al.，2010），枯落物獨特的疏松結(jié)構(gòu)可以有效地調(diào)節(jié)地表徑流，減少土壤侵蝕。同時，枯落物凋落分解后返還土壤，是植物-土壤進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要方式（王春陽等，2010）。枯落物下的土壤是森林系統(tǒng)蓄水的主要載體，土壤通過植物根系與土壤毛管孔隙實現(xiàn)地表水與地下水的水分交換。庫布齊沙漠東北緣邊際地區(qū)氣候干燥、風(fēng)沙活動強(qiáng)烈，人工防護(hù)林作為該地生態(tài)防護(hù)的重要措施，是當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)的重要屏障。前人針對該區(qū)域的研究多集中于防護(hù)林的防風(fēng)固沙效益、固土改土（顧夢鶴等，2017）及林下植被的演替等方面。而枯落物作為防護(hù)林建設(shè)一段時間后的產(chǎn)物，可以有效地攔蓄降水（莫菲等，2009）、固持土壤（王美蓮等，2015）、減少土壤層的蒸發(fā)（Neris et al.，2013），對當(dāng)?shù)鼗哪鷳B(tài)系統(tǒng)的保水蓄水具有重要的意義。

不同地區(qū)及不同林型地表枯落物組成結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致其水源涵養(yǎng)能力及保持水土能力也有所差別。近些年，相關(guān)學(xué)者對這些方面也進(jìn)行了大量的研究。如在砒砂巖地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)（吳曉光等，2020），油松林（Pinustabuliformis）林下土壤結(jié)構(gòu)更為疏松，毛管水容納量較多，更利于植被生長發(fā)育。在黃土殘塬溝壑區(qū)研究發(fā)現(xiàn)（侯貴榮等，2020），相比油松及刺槐（Robiniapseudoacacia）純林，二者的混交林涵養(yǎng)水源能力較高，對降水也具有較好的攔蓄能力。在冀北山區(qū)的研究（楊建偉等，2019）發(fā)現(xiàn)，側(cè)柏(Platycladusorientalis)×山杏（Armeniacasibirica）的混交林水源涵養(yǎng)能力顯著大于油松×落葉松（Larixgmelinii）和油松×山杏混交林。荒漠地區(qū)不同于其他地區(qū)，由于特殊的自然環(huán)境，不同類型的植被的枯落物出現(xiàn)的時間、部位及其尺度規(guī)模有所不同，由此對應(yīng)形成的枯落物分布亦不同。筆者在庫布齊沙漠防護(hù)林調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，不同林齡不同類型的防護(hù)林枯落物覆蓋下的土壤顏色、濕度等有所差別。基于此，本文針對庫布齊沙漠不同林齡人工防護(hù)林林下枯落物及土壤水文效應(yīng)進(jìn)行研究，旨在揭示庫布齊沙漠人工防護(hù)林林下枯落物與土壤的水文狀況，為庫布齊沙漠防護(hù)林的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

實驗地位于庫布齊沙漠東北緣，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗境內(nèi)（40°32′N，108°38′E，圖 1），屬半干旱區(qū)域，典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候。該區(qū)域年均降水量258 mm，年平均氣溫為5—8 ℃，年蒸發(fā)量為2400 mm。風(fēng)沙活動主要集中于3—5月，盛行西北風(fēng)和西風(fēng)，全年大風(fēng)日數(shù)約30 d。地貌以固定沙地、流動及半流動沙丘為主，土壤類型為風(fēng)沙土。防護(hù)林主要樹種為速生楊（Populuspopular）、沙柳（Salixpsammophila）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）及樟子松（Pinussylvestris）。防護(hù)林下草本植被以沙生植被為主，主要有羊柴（Hedysarumfruticosum）、沙米（Agriophyllumsquarrosum）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、蟲實（Corispermummongolicum）等。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

于2020年8月初在研究區(qū)開展試驗。分別調(diào)查區(qū)域內(nèi)2005年營建和2011年營建無灌溉條件下不再進(jìn)行人工撫育管理的沙棗純林、沙柳純林、樟子松純林及速生楊純林的樹高、冠幅等，統(tǒng)計并計算每種樹種的平均樹高、平均冠幅。依據(jù)計算結(jié)果選擇一塊具有代表性的30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，實驗共選取8塊樣地，樣地基本情況見表1。

表1 研究樣地基本特征Table1 Basic characteristics of the sample plots

2.2 枯落物與土樣的采集

在每個樣地的 4個角及中心位置選取 5個 0.3 m×0.3 m的枯落物樣方，分別收集枯落物未分解層（新鮮凋落物、顏色未發(fā)生明顯變化、保持原有形態(tài)、質(zhì)地堅硬、無分解痕跡）及半分解層（無完整葉輪廓、顏色已發(fā)生明顯變化、葉片已分解破碎），稱量其鮮質(zhì)量，裝入尼龍網(wǎng)袋中，然后在枯落物的基底挖取土壤剖面，取樣深度為50 cm，每10 cm為1層，共5層。取樣時用鋼尺測定每個樣方內(nèi)枯落物未分解層與半分解層的厚度。然后依次取樣稱質(zhì)量，并將枯落物在 80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，進(jìn)行蓄積量計算。

2.3 枯落物持水能力測定方法

枯落物持水量及持水速率采用浸泡法測定，具體方法為：將烘干的枯落物裝入收集袋內(nèi)浸入水中，分別在 0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、24.00 h時取出樣品放入篩內(nèi)，以每次樣品無水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn)，測定該枯落物樣品的重量，用于計算枯落物該浸水時間的持水量、吸水速率、攔蓄率等（吳曉光等，2020）。

2.4 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)測定方法

土壤物理性質(zhì)指標(biāo)測定采用環(huán)刀稱重法測定，先將環(huán)刀稱質(zhì)量記錄標(biāo)號，分層取土后帶回實驗室，在烘干箱中105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用于土壤含水量（%）的計算。然后將環(huán)刀放在水中充分浸泡12 h進(jìn)行稱質(zhì)量，用于土壤最大持水量的（%）測定；將其放置在預(yù)置好的沙盤中2 h后稱質(zhì)量，用于土壤毛管持水量（%）的測定；在沙盤中繼續(xù)放置至24 h后稱質(zhì)量，用于土壤最小持水量（%）的計算；最后計算土壤容重、土壤孔隙度等指標(biāo)（吳曉光等，2020）。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 25.0對枯落物及土壤水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計，用Origin 2017進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡防護(hù)林林下枯落物層厚度與蓄積量

防護(hù)林枯落物的蓄積量作為其水文評價的重要指標(biāo)，與防護(hù)林林分類型、水熱狀況、林分的生長狀況密切相關(guān)。不同的防護(hù)林類型及不同林齡的防護(hù)林對枯落物的輸入量、分解速率、蓄積量的影響作用不同。由表2可知，不同林齡及不同類型的防護(hù)林枯落物總蓄積量具有一定的差距，總體的變化范圍為 7.71—34.37 t·hm?2；總體儲量排序為Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅵ；營建9年的防護(hù)林枯落物總蓄積量排序為Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ；營建15年的防護(hù)林枯落物總蓄積量排序為Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅶ＞Ⅵ。綜上分析可知，同林齡不同類型的防護(hù)林枯落物蓄積量的儲量排序一致，楊樹林枯落物的蓄積量最大。形成這一差別的主要原因是楊樹屬于闊葉樹種，葉面積大，因此形成的蓄積量也較大。

表2 不同林齡防護(hù)林林下枯落物厚度與蓄積量Table 2 Thickness and volume on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.2 不同林齡防護(hù)林林下枯落物持水能力

由表3可知，不同林齡防護(hù)林林下枯落物自然含水率隨著營建年限的增加而增加，且半分解層自然含水率均大于未分解層自然含水率。本研究中枯落物的最大持水量變動范圍為20.86—59.58 t·hm?2，大小排序為Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅵ＞Ⅳ。其中，營建15年的楊樹林最大持水量遠(yuǎn)大于其他林分。枯落物最大攔蓄量的變動范圍為 19.28—45.23 t·hm?2，其大小排序為Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅶ＞Ⅵ＞Ⅳ。枯落物未分解層及半分解層最大攔蓄量的變化與最大持水量一致。枯落物有效攔蓄量的變動范圍為16.14—36.29 t·hm?2，其大小變化順序與最大攔蓄量基本一致。

表3 不同林齡防護(hù)林林下枯落物持水能力Table 3 Water-holding capacity on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.3 不同林齡防護(hù)林林下枯落物持水動態(tài)

由圖 2、3可知，不同林齡及不同類型的防護(hù)林林下枯落物在浸水的前幾個小時內(nèi)，枯落物的持水量迅速增加。隨著浸水時間的增大，枯落物持水量的增加逐漸變緩。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在自然降雨的過程中，干燥的枯落物會迅速吸水，但到達(dá)一定的程度后，其持水量就會達(dá)到飽和狀態(tài)。在未分解層中，營建 15年的楊樹持水量高于其他林分，其大小排序為Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅷ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅵ＞Ⅳ。除營建15年的楊樹林外，其他林分在浸水10 h之后持水量增加變緩。在半分解層中，營建 15年的楊樹持水量同樣高于其他林分，其大小排序變化與未分解層一致。除營建15年與9年的楊樹林外，其他林分在浸水8 h之后持水量增加變緩。對庫布齊沙漠人工防護(hù)林的枯落物在0.25—24 h之間的未分解層、半分解層持水量與浸水時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該時間段內(nèi)持水量與浸水時間之間呈對數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為Q=alnt+b[Q為浸水t時間內(nèi)的持水量（t·hm?2）；t為枯落物浸水時間（t）；a為方程系數(shù)；b為方程常數(shù)項]，R2均在0.881以上，擬合效果較好（表4）。

圖2 不同林齡防護(hù)林林下枯落物未分解層持水量與浸水時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between litter water holding capacity and soaking time of undecomposed litter on artificial shelterbelts understory of different ages

圖3 不同林齡防護(hù)林林下枯落物半分解層持水量與浸水時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between litter water holding capacity and soaking time of semi-decomposed litter on artificial shelterbelts understory of different ages

3.4 不同林齡防護(hù)林林下枯落物吸水速率

由圖 4、5可知，不同林齡防護(hù)林林下枯落物吸水速率隨著枯落物浸水時間的延長而逐漸減少，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在枯落物吸水的前2個小時內(nèi)，速度急劇下降，2個小時后，其下降速率變緩，24 h時吸水基本停止，此時枯落物已達(dá)到飽和狀態(tài)。對這8種林分在0.25—24 h之間的枯落物的未分解層、半分解層吸水速率與浸水時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該時間段內(nèi)吸水速率與浸水時間之間呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為V=ktn[V為浸水t時間內(nèi)的吸水速率（t·hm?2·h?1）；t為枯落物浸水時間（h）；k為方程系數(shù)；n為指數(shù)9]，R2均在0.986以上，擬合效果較好（表4）。

圖4 不同林齡防護(hù)林林下枯落物未分解層吸水速率與浸水時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the water absorption rate and soaking time of the undecomposed litter of artificial shelterbelts understory of different ages

圖5 不同林齡防護(hù)林林下枯落物半分解層吸水速率與浸水時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the water absorption rate and soaking time of the semi-decomposed litter of artificial shelterbelts understory of different ages

表4 不同林齡防護(hù)林林下枯落物持水量、吸水速率與浸水時間關(guān)系Table 4 Relationship between water holding capacity, water absorption rate and soaking time on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.5 不同林齡防護(hù)林林下土壤水文效應(yīng)及研究區(qū)土壤-枯落物水文相關(guān)關(guān)系

本實驗采用各樹種不同深度土壤層物理性質(zhì)的均值來反映其水文效應(yīng)。由表5可知，年份對土壤最小持水量、土壤非毛管孔隙度和土壤總孔隙度的影響作用相對其他指標(biāo)明顯。樹種對各指標(biāo)影響作用未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。將研究區(qū)水文功能參數(shù)與土壤性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析可知，枯落物最大持水量與有效攔蓄量和土壤容重呈極顯著相關(guān)（P＜0.01，下同）；枯落物自然含水率與土壤非毛管孔隙度呈極顯著相關(guān)；枯落物蓄積量與枯落物最大持水量和土壤總孔隙度也呈極顯著相關(guān)。枯落物自然含水率和土壤最大持水量呈顯著相關(guān)（P＜0.05，下同）；枯落物有效攔蓄量與土壤總孔隙度呈顯著相關(guān)（表6）。

表5 不同林齡防護(hù)林林下土壤物理性狀及持水量Table 5 Physical properties and water-holding capacity of artificial shelterbelts understory soil in different age

表6 枯落物水文功能參數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation analysis between litter hydrological parameters and soil properties

4 討論

不同林齡及不同林分類型的枯落物厚度和蓄積量因林種、氣候條件、林齡及下墊面的水熱條件的不同而有所差別（胡靜霞等，2017）。根據(jù)本實驗研究發(fā)現(xiàn)，實驗區(qū)枯落物的厚度介于 0.7—2.1 cm，枯落物蓄積量介于 7.71—34.37 t·hm?2，除楊樹林外，均表現(xiàn)為枯落物半分解層大于未分解層。這與楊霞等（2019）、公博等（2019）在遼東低山區(qū)的研究結(jié)果相同，但與吳曉光等（2020）的研究結(jié)果不同，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是由于實驗區(qū)域風(fēng)沙活動頻繁，未分解層含水量低不利于保存。

枯落物的持水能力由其蓄積量和枯落物的持水特性兩者共同決定，其是反映枯落物持水的一個重要性能（陳繼東等，2017）。本研究中，枯落物的最大持水量范圍為 24.71—54.12 t·hm?2，最大為營建15年的沙棗林，最小為營建9年的樟子松林。除楊樹林外，其他防護(hù)林中半分解層最大持水量均大于未分解層。這與關(guān)于錦雞兒屬（Caragana）林下枯落物的研究結(jié)果（張學(xué)龍等，2015）相似。這是半分解層的蓄積量大于未分解層的蓄積量所造成的。

攔蓄量是反映枯落物對一次降雨的截留量，其攔截能力與枯落物蓄積量、自然含水率及最大含水率密切相關(guān)（張學(xué)龍等，2015）。本研究中同林齡不同林分類型的防護(hù)林中，楊樹林的最大攔蓄量和有效攔蓄量均大于同期其他林分。這也是由于楊樹林的枯落物蓄積量差異所導(dǎo)致的。這表明楊樹林枯落物的攔蓄能力均高于其他林分。

枯落物的吸水速率與持水能力密切相關(guān)，吸水速率的快慢決定著林內(nèi)降水涵蓄的速度，從而決定著地表徑流的形成速度（王忠禹等，2019）。本研究中，吸水速率在前兩個小時迅速下降，這與吳曉光等（2020）的研究結(jié)果一樣，這主要是由于沙漠地區(qū)氣候干燥，枯落物含水量低，所以在初始的前兩個小時，枯落物的吸水速率快，隨著浸水時間的增加，吸水速率減少趨于一致（Du et al.，2008），其原因主要是枯落物吸水已達(dá)到飽和，這與孫立博（2019）和袁秀錦等（2018）的研究結(jié)果相似。除營建9年的楊樹外，其他林分枯落物半分解層的持水量均大于未分解層，說明半分解層在攔蓄截流方面起著主要作用。

本研究中，營建 15年的人工防護(hù)林植被林下毛管孔隙度大部分低于營建9年的人工防護(hù)林，這主要是因為隨著營建年限的增加，林下植被逐漸增加，在共同競爭作用下，人工林的吸水量變少，導(dǎo)致土壤毛管孔隙度下降。非毛管孔隙度對降水具有吸收快、滲透快等特點，在涵養(yǎng)水源等方面有著重要作用（林立文等，2015；婁淑蘭等，2019）。非毛管孔隙度的變化特點與毛管孔隙度恰恰相反，這表明營建 15年的人工防護(hù)林具有較強(qiáng)的涵養(yǎng)水源的能力。通過對研究區(qū)枯落物水文功能參數(shù)與土壤性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，枯落物的水文功能參數(shù)對土壤容重及土壤總孔隙度的影響作用較大。

5 結(jié)論

（1）庫布齊沙漠人工防護(hù)林枯落物厚度介于0.7—2.1 cm；蓄積量介于 7.71—34.37 t·hm?2，除楊樹林外，枯落物半分解層蓄積量對枯落物層的蓄積量含量的貢獻(xiàn)均在50%以上。枯落物最大持水量總和介于 20.86—59.59 t·hm?2，有效攔蓄量總和介于16.14—36.29 t·hm?2。

（2）庫布齊沙漠人工防護(hù)林枯落物持水量隨浸水時間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均在0.881以上；與吸水速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均在0.986以上。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，林齡對土壤最小持水量、土壤非毛管孔隙度和土壤總孔隙度的影響作用相對其他指標(biāo)明顯。樹種類型對各指標(biāo)影響作用未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對研究區(qū)枯落物水文功能參數(shù)與土壤性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，枯落物的水文功能參數(shù)對土壤容重及土壤總孔隙度的影響作用較大。

（4）從枯落物最大持水量、有效攔蓄量及最大攔蓄量等多個因素分析可知，在同林齡不同類型的林分枯落物層中，楊樹林枯落物層的水源涵養(yǎng)能力最佳。