昆明市海口林場櫟類林分枯落物層及土壤層水源涵養功能的研究

郭倩汝 許彥紅 楊 旭 李子光,3 湯浩藩 李 潔 彭明俊

（1.西南林業大學林學院，云南 昆明 650233；2.云南省林業和草原科學院滇中高原森林生態站，云南 昆明 650204；3.昆明市海口林場，云南 昆明 650114）

森林作為綠地生態系統中最復雜和最重要的系統，擁有凈化空氣、水源涵養、保持水土等生態功能[1]。而其中水源涵養功能是評估森林生態服務功能和價值的重要指標，同時也是水資源可持續利用的關鍵[2]。森林的林冠層、枯落物層、土壤層分別作為水源涵養功能的3 個作用層，組成了3 個垂直層次，在森林生態系統的能量流動、物質循環、信息傳遞中發揮著重要作用[3-5]。森林中降水首先由樹木的林冠層攔截，隨后掉入枯落物中，枯落物將水吸收至飽和后滲入土壤中，這一過程減緩了降水對土壤層的直接沖刷，減少了地表徑流，同時能夠分散降水，減緩土壤侵蝕，減少水土流失[6-7]。目前，較多學者針對不同區域的不同森林類型的水源涵養功能做了大量研究，在森林影響地表徑流、改善土壤水分蒸發、增強土壤抗沖性等方面取得了一定成就[8]。本研究選擇了昆明市海口林場主要櫟類林分，研究其枯落物層和土壤層的水源涵養功能，以期為該區域的水源涵養型植被建設、水資源綜合管理等方面提供理論依據。

1 研究區基本概況

研究區域位于云南省昆明市海口林場，地理位置為東經102°28′～102°38′，北緯24°43′～24°56′。海拔高度1 800～2 400 m，森林覆蓋率為80.54%，年平均溫度為14.5 ℃，年平均降雨量為909.7 mm，屬于亞熱帶季風氣候，年平均日照時間約2 200 h，無霜期240 d 以上，土壤類型以紅壤為主。研究區內主要喬木樹種有華山松（Pinus armandii）、云南松（pinus yunnanensis）、櫟類（Quercus spp.）、圓 柏（Cupressaceae）、榿 木（Alnus nepalensis）、滇油杉（Keteleeria evelyniana）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置及調查

在研究區內選取了3 種以櫟類為主的林分作為研究對象，共設置了9 塊典型樣地，樣地面積為20 m × 20 m，并在樣地內進行每木檢尺，調查樣地內的樹種及樹種組成、平均胸徑、平均樹高以及主要生境等基本情況。樣地基本概況見表1。

表1 不同林分類型標準地基本概況Table 1 General situation of standard plots of different forest types

2.2 葉片采集及葉面積測定

在每塊標準樣地內選取優勢樹種的3 株標準木，在距地面2～3 m 的位置分東、南、西、北4 個方向各采集25 片樹葉，放入自封袋中帶回實驗室。用AM?300 手持式葉面積儀（ADC BioScientific，英國）測量葉面積。

2.3 枯落物收集及蓄積量測定

在標準樣地內4 個角和中心位置設置5 個0.5 m×0.5 m 樣方，調查其枯落物層的厚度，并分別調查未分解層和半分解層枯落物的厚度。枯落物按照分解狀態進行分層：已經開始分解，外形破碎的為半分解層；凋落不久的枯落物，其外形保持完整的為未分解層[9]。現場稱量樣方內枯落物的鮮質量，然后將枯落物按照半分解層和未分解層分別裝入自封袋帶回實驗室，在80 ℃烘干箱中烘干至質量不再變化，稱量其干質量，并分別計算3 種櫟類林分枯落物半分解層、未分解層的蓄積量以及總的蓄積量。在標準樣地內靠近4 個角和中心的位置設置5 個0.5 m×0.5 m 樣方，收集未分解層和半分解層的枯落物，現場稱量鮮質量后，帶回實驗室進行自然含水率測定。每個月的月末進行枯落物的采集工作。

2.4 枯落物水文效應測定

采用室內浸泡法對半分解層、未分解層的枯落物進行持水量的測定[10]。分別取50 g 枯落物干質量樣品裝入布袋中，浸泡時間分別為0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12、24 h，在對應時間將枯落物取出至不滴水為止，稱其濕質量[11]，設置5 次重復，取其平均值。枯落物以浸水24 h 為最大持水量[12]。并通過有效攔蓄量計算枯落物對降水的實際攔蓄量[13]。降雨量統計來自滇中高原森林生態站林外自動氣象站，且每月統計的是采集枯落物前到本月1 日的降雨總量。

2.5 土壤采集及物理性質測定

在各標準樣地內分上、中、下坡采用環刀法，在0～20、20～40、40～60 cm 土層取土樣帶回實驗室，每個層次重復3 次取樣。分別測定土壤含水量，最大持水重、土壤容重、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤總孔隙度等指標[14]。并且通過土壤最大持水量和土壤非毛管持水量計算土壤飽和蓄水量和土壤有效蓄水量。

2.6 數據處理

本研究利用Excel 2016 進行數據處理，用SPSS 21.0 中的最小顯著差數法（LSD）對不同林分類型枯落物的厚度、蓄積量進行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。

3 結果與分析

3.1 櫟類3 種林分枯落物層的厚度及蓄積量

由表2 可知，3 種櫟類林分枯落物的總厚度范圍為2.2～4.0 cm，未分解層蓄積量范圍為3.04～3.51 t/hm2，半分解層蓄積量范圍為3.03～3.90 t/hm2，而總蓄積量范圍為6.07～7.41 t/hm2，大小排列順序都為B>A>C。C 的枯落物總厚度與A 和B 差異顯著（P<0.05），而未分解層、半分解層的蓄積量和總蓄積量無顯著差異，占總蓄積量的比例都為50%左右，A 和B 的半分解層的蓄積量略高于未分解層。滇石櫟林分混交度最高，枯落物厚度和總蓄積量最大；滇青岡林分混交度最低趨于純林，并且其葉面積小于錐連櫟和滇石櫟，枯落物厚度和總蓄積量最小。因此，推測林分樹種組成的復雜程度是影響枯落物厚度與蓄積量的主要原因之一。

表2 3 種櫟類林分枯落物厚度及蓄積量Table 2 Litter thickness and volume of 3 oak stands

3.2 櫟類3 種林分枯落物層自然含水率

由圖1 可知，枯落物未分解層和半分解層的自然含水率都是5 月最低，6—10 月明顯高于5 月，5 月的降雨量為0，枯落物在自然環境下充分干燥，自然含水率非常小。而6 月降雨量與自然含水率相差非常大的原因是本月降雨主要集中在采集枯落物的前幾天，因此降雨總量較低但枯落物自然含水率較高。5、7—10 月自然含水率與降雨量的變化規律相似，其中7 月降雨量最大，3 種林分枯落物未分解層和半分解層的自然含水率也最高。這說明枯落物的自然含水率與降雨量聯系緊密，且受到采集前幾天降雨的影響非常大。

圖1 3 種櫟類林分枯落物自然含水率Fig.1 Natural moisture content of litter in 3 oak stands

3.3 櫟類3 種林分枯落物層水文效應

3.3.1 枯落物層持水能力

由表3 可知，3 種櫟類林分枯落物的最大持水量總量范圍為22.51～24.12 t/hm2，大小排列順序與總蓄積量相同，即B>A>C，反映出最大持水量受蓄積量影響。而最大持水率均值范圍為370.90%～407.99%，大小排列順序為A>C>B，其中A 以錐連櫟為優勢樹種，錐連櫟葉面積大于滇石櫟和滇青岡，反映出葉面積大小影響枯落物的最大持水率。

表3 3 種櫟類林分枯落物持水能力指標Table 3 Water holding capacity index of litter in 3 oak stands

3.3.2 枯落物層攔蓄能力

由表4 可知，不同林分類型枯落物的總最大攔蓄量變動范圍為12.77～13.83 t/hm2，平均最大攔蓄率范圍為218.08%～243.58%，總有效攔蓄量范圍為9.39～10.25 t/hm2，平均有效攔蓄率范圍為161.19%～182.38%，按大小排列順序都為A>B>C，說明錐連櫟混交林枯落物攔蓄能力最強，滇青岡混交林枯落物攔蓄能力最弱。而3 種林分枯落物半分解層的攔蓄量、攔蓄率、有效攔蓄量以及有效攔蓄率均大于未分解層的相應數值，錐連櫟混交林約為2.0 倍，滇石櫟約為2.6 倍，滇青岡約為3.0 倍，這說明枯落物的半分解層攔蓄能力比枯落物的未分解層攔蓄能力強。

表4 3 種櫟類林分枯落物攔蓄能力指標Table 4 Index of litter retention capacity of 3 oak stands

3.3.3 枯落物層持水量與浸水時間的關系

由圖2 可知，3 種櫟類林分枯落物隨浸水時間的增加，持水量也在不斷增長，因此持水性能隨浸水時間的變化有相似規律。在剛浸入水中的0.25 h 之內，增加速度最快；0.25～12 h 枯落物持水量的增長速度減緩，而12～24 h 枯落物半分解層和未分解層的持水量慢慢趨于飽和，直到24 h達到最大持水量，這與張建利等[15]、孫歐文等[16]的研究結果一致，說明在降水最初的0.25 h 之內森林枯落物攔截能力最強，隨著降水時間的增加，枯落物的持水能力逐漸減弱，而最終達到飽和。

圖2 3 種櫟類林分枯落物持水量隨浸水時間的變化Fig.2 Changes of litter water holding capacity in 3 oak stands with soaking time

通過對3 種櫟類林分枯落物層0.25～24 h 的持水量與對應浸水時間的回歸分析，發現其均有對數函數關系，R2均大于0.97（表5），相關方程為：

表5 3 種櫟類林分枯落物持水量W 與浸水時間t 的回歸方程Table 5 Regression equation between litter water holding capacity W and soaking time t of 3 oak stands

式中：W為枯落物層的持水量，t為對應浸水時長，a為方程系數，b為方程常數項。

3.3.4 枯落物層吸水速率與浸水時間的關系

由圖3 可知，3 種櫟類林分枯落物的吸水速率與時間都有相同的變化規律，在浸水2 h 之內吸水速率急劇增加，特別是0.25 h 之內吸水速率最快；浸水2～12 h，吸水速率逐漸減緩；浸水12～24 h，枯落物吸水的速率慢慢減緩趨于0，即到24 h 枯落物未分解層和半分解層的持水量趨于飽和，這與張建利等[15]、周至立等[17]、宣立輝等[18]的研究結果一致。說明在降水的2 h 之內森林枯落物層發揮的水文功能最強，而后降水時間不斷增加，枯落物層的吸水速率不斷下降，直到趨于飽和。

圖3 3 種櫟類林分枯落物吸水速率隨浸水時間的變化Fig.3 Changes of water absorption rate of litter in 3 oak stands with soaking time

對3 種櫟類林分枯落物層進行吸水速率與對應浸水時間回歸分析，發現其均存在冪函數關系，R2都大于0.96（表6），擬合方程為：式中：Q為枯落物層吸水速率，t為對應浸水時間，c為方程系數，d為方程指數。

表6 3 種櫟類林分枯落物吸水速率Q 與浸水時間t 的回歸方程Table 6 Regression equation between water absorption rate Q and soaking time t of litter in 3 oak stands

3.4 櫟類3 種林分土壤層的水文效應

3.4.1 土壤物理性質

土壤容重的大小是土壤質地、結構、孔隙等物理性質的綜合反映，而孔隙度則反映土壤通透性，其中毛管孔隙使土壤有蓄水性能，非毛管孔隙使土壤有透水性能[19]。由表7 可知，3 種林分土壤容重均值為1.04～1.16 g/cm3，大小順序依次為C>B>A，土壤容重都是隨土壤深度的增加而增大。非毛管孔隙度均值范圍為5.39%～7.34%，大小順序為C>B>A；毛管孔隙度均值范圍為42.33%～45.26%，土壤總孔隙度均值范圍為49.67%～52.03%，大小順序都為B>A>C；其中非毛管孔隙度明顯小于毛管孔隙度，說明土壤的持水性能較好，而透水透氣性能稍差。

表7 3 種櫟類林分土壤物理性質Table 7 Soil physical properties of 3 oak stands

3.4.2 土壤持水能力

由表8 可知，各林分自然持水量的范圍是464.66～607.26 t/hm2，大小順序為A>B>C，并且隨土壤深度的增加而增大；最大持水量范圍為745.04～780.47 t/hm2，大小順序為B>A>C，最大持水量隨土壤深度的增加而減小，與土壤毛管持水量的大小順序一致；而非毛管持水量的排列順序與土壤容重和土壤非毛管孔隙度一致，這說明土壤持水能力與土壤孔隙度密切相關。

表8 3 種櫟類林分土壤持水能力Table 8 Soil water holding capacity of 3 oak stands

3.5 櫟類3 種林分枯落物層及土壤層的綜合蓄水量比較

由表9 可知，3 種櫟類林分的綜合蓄水量由大到小依次為C>B>A，其中綜合蓄水量最大的是滇青岡混交林（449.99 t/hm2），最小的為錐連櫟混交林（333.85 t/hm2），滇青岡混交林綜合蓄水量約為錐連櫟混交林綜合蓄水量的1.36 倍，從3 種林分總體來看，土壤層是水源涵養功能的主體，其所占綜合蓄水量的比例都在96%以上，雖然枯落物層的蓄水量所占比例較小，但是卻減緩了降水對土壤層的直接沖刷，改善了土壤的水分蒸發等問題。

表9 櫟類3 種林分綜合蓄水量Table 9 Comprehensive water storage of 3 oak stands

4 結論與討論

各林分枯落物的總厚度、未分解層蓄積量、半分解層蓄積量以及總蓄積量的排列順序都為滇石櫟>椎連櫟>滇青岡，并且未分解層枯落物與半分解層枯落物的蓄積量占總蓄積量都為50%左右。3 種林分枯落物層的自然含水率說明枯落物層的自然含水率與降雨量密切相關，且受采集前幾天的降雨影響非常大。

3 種不同林分枯落物最大持水率的大小排列順序為椎連櫟>滇青岡>滇石櫟，而錐連櫟在3 種樹種中葉面積最大，反映出葉面積與枯落物持水性能相關。枯落物最大持水量總量的大小順序與總蓄積量大小順序一致為滇石櫟>椎連櫟>滇青岡，說明枯落物蓄積量是影響最大持水量的重要因素。

3 種櫟類林分枯落物的最大攔蓄量、最大攔蓄率、有效攔蓄量以及有效攔蓄率的大小順序都為椎連櫟>滇石櫟>滇青岡。3 種林分類型的半分解層枯落物的各項攔蓄能力指標均明顯大于未分解層的相應數值，其中錐連櫟混交林約為2.0倍，滇石櫟約為2.6 倍，滇青岡約為3.0 倍，說明枯落物半分解層比未分解層攔蓄能力更強。

不同林分類型枯落物層的持水量與浸水時間存在明顯的對數函數關系為W=alnt+b（R2>0.97）；枯落物層的吸水速率與浸水時間存在冪函數關系為Q=ct d（R2>0.96）。

3 種林分土壤容重、非毛管孔隙度和土壤非毛管持水量的大小順序為滇青岡>滇石櫟>椎連櫟，而土壤毛管孔隙度、土壤總孔隙度、土壤毛管持水量、土壤最大持水量的順序為滇石櫟>椎連櫟>滇青岡。

3 種林分通過枯落物和土壤綜合蓄水量的統計得出，滇青岡混交林的綜合蓄水量最高449.99 t/hm2，而錐連櫟混交林的綜合蓄水量最低333.85 t/hm2。其中土壤的蓄水量占比很高都在96%以上，說明土壤是森林水源涵養功能的主體，發揮著重要作用，雖然枯落物的蓄水量占比較小，但是其減緩了降水對土壤層的直接沖刷，有效改善了地表徑流、水分蒸發等問題。