2022年冬奧會崇禮賽區針葉林枯落物及土壤水文效應

郭建軍， 王佳歡， 胡靜霞，3， 楊新兵?

(1.張家口市塞北林場(市國有林場管理處)，075000，河北張家口；2.河北農業大學林學院，071000，河北保定；3.中央民族大學生命與環境科學學院，100081，北京)

林下枯落物層和土壤層是森林降水分配過程中的重要環節，枯落物可以攔持自身質量3～5倍的降水，同時可以減緩地表徑流流速和徑流泥沙含量；土壤層的持水性能和入滲能力決定降水可入滲土壤水量(土壤水庫)的大小，枯落物層還可以改良土壤養分和結構，二者的水文功能直接對森林水循環的功能和調節起重要作用[1-2]。Burrows等[3]認為枯落物層在一定程度上影響土壤層的持水能力；武啟騫等[4]通過對帽兒山地區森林植被枯落物和土壤層研究認為枯落物蓄積量影響枯落物層對降雨的有效攔蓄能力，土壤的結構、密度和孔隙度對土壤層蓄水能力起到決定性作用。石媛等[5]研究認為密度對油松人工林枯落物及土壤水文效應也存在一定影響。

崇禮區為2022年冬奧會舉辦地，滑雪場地多數建在林區的陰坡或半陰坡，也正好是林木最佳生長區，修建滑道嚴重破壞林區地表植被，對林地水文功能影響很大。以往學者對枯落物和土壤層水文效應進行過很多研究，但是由于地域、植被、立地條件等的差異，針對冀西北崇禮區的研究為空白。為準確評估冬奧會賽區針葉人工林枯落物及土壤水文效應，筆者以華北落葉松、油松和樟子松3種針葉林為研究對象，比較其林下枯落物儲量和水文效應、土壤層水分-物理性質和入滲能力、及其綜合持水能力，旨在為冬奧會滑雪場地修建對森林水文功能影響評估提供數據支撐。

1 研究區概況

研究區位于河北省張家口市崇禮區，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量488 mm，屬壩上壩下過渡型山區，海拔813～2 174 m。土壤以栗鈣土為主，喬木造林樹種主要有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabulaeformis)等，灌木主要有六道木(Abeliabiflora)、毛榛(Corylusmandshurica)、等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2016年7月在崇禮區和平林場設置華北落葉松林、油松林、樟子松林3個人工純林樣地，樣地面積為30 m×30 m，樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 指標測定與數據處理

2.2.1 枯落物層取樣與測定 設置3個1 m×1 m的小樣方，分為未分解層和半分解層(未分解層由新鮮枯落物組成，保持原狀，顏色未變，外表無分解的痕跡；半分解層枯落物是指枝葉未完全腐爛，肉眼觀察能分辨出枝葉的大體形狀)，記錄各層厚度，野外取枯落物鮮質量，帶回實驗室烘干稱質量，計算蓄積量。采用室內浸泡法測定枯落物持水過程和速率，浸泡時間分為0.5、1、2、4、6、8、24 h。有效攔蓄量計算公式為：

W=(0.85Rm-R0)M。

式中：W為有效攔蓄量,t/hm2;Rm為最大持水率,%;R0為平均自然含水率,%;M為枯落物蓄積量,t/hm2。

2.2.2 土壤水分—物理性質測定 采用土壤剖面機械分層法，分為0～10、10～20、20～40、40～60 cm，環刀取樣，采用浸泡法測定和計算土壤密度、孔隙度、土壤持水量等指標。采用雙環法測定土壤入滲速率。

3 結果與分析

3.1 枯落物蓄積量與水文效應比較

3.1.1 枯落物蓄積量 由表2可知，3種林分類型中枯落物總蓄積范圍為4.67～23.98 t/hm2，其大小排序為：華北落葉松林(23.98 t/hm2)>油松林(15.80 t/hm2)>樟子松林(4.67 t/hm2)，3種林分間都存在顯著性差異。枯落物厚度大小排序為：華北落葉松林(64 mm)>油松林(29 mm)>樟子松林(21 mm)，華北落葉松林和其他2種林分都存在顯著性差異，油松林和樟子松林差異不顯著。華北落葉松林和油松林半分解層枯落物蓄積量高于未分解層，樟子松林則與之相反。

表2 枯落物蓄積量、最大持水量和有效攔蓄量

3.1.2 枯落物最大持水量 由表2可知，枯落物最大持水量總和大小排序為：華北落葉松林(2.15 t/hm2)>油松林(1.44 t/hm2)>樟子松林(0.80 t/hm2)。半分解層大小排序為：華北落葉松林>油松林>樟子松林，未分解層其大小排序為：華北落葉松林>油松林>樟子松林。半分解層3種針葉林最大持水量相互間存在顯著性差異，未分解層相互間無顯著性差異。

3.1.3 枯落物攔蓄量 由表2可知，枯落物有效攔蓄量總和范圍處于0.67～1.72 t/hm2之間，其大小排序為：華北落葉松林(1.72 t/hm2)>油松林(1.22 t/hm2)>樟子松林(0.67 t/hm2)，半分解層有效攔蓄量各林分間相互存在顯著性差異，未分解層無顯著性差異。有效攔蓄率方面，華北落葉松林未分解層高于半分解層，油松林和樟子松林則是半分解層高于未分解層；華北落葉松林半分解層和未分解層枯落物有效攔蓄率與其他2個林分均存在顯著性差異，油松林和樟子松林間無顯著性差異。

3.1.4 枯落物持水量 由圖1可知，枯落物在浸水前4 h內增加較快，隨后增加速度減緩，漸漸趨于一穩定值。半分解層枯落物持水量大小排序為：華北落葉松林>樟子松林>油松林。未分解層排序為：華北落葉松林>油松林>樟子松林，華北落葉松林明顯高于樟子松林和油松林。3種林分枯落物半分解層、未分解層持水量Q與浸水時間t符合Q=aln(t)+b關系，相關系數R2均大于0.9，說明相關性明顯(表3)。

圖1 枯落物在不同浸水時間內的持水量Fig.1 Litter water-holding capacity in different water immersion time

3.1.5 枯落物吸水速率 由圖2可知，在浸水前1 h內吸水速率最快，8 h后幅度顯著變小，24 h趨近于0，表明枯落物已飽和。3種針葉林半分解層和未分解層枯落物吸水速率大小排序均為：華北落葉松林>樟子松林>油松林。枯落物吸水速率V與浸水時間符合V=ktn關系，相關系數R2均大于0.9(表3)。

圖2 枯落物在不同浸水時間內的吸水速率Fig.2 Litter water-absorption rate in different immersion time

表3 枯落物持水量、吸水速率與浸水時間的關系

3.2 土壤水文效應

由表4可知，土壤密度隨土壤深度增加而增加，土壤密度均值大小排序為：樟子松林(1.23 g/cm3)>油松林(1.19 g/cm3)>華北落葉松林(1.01 g/cm3)。華北落葉松林和油松林總孔隙度最大值均出現在10～20 cm處，樟子松林則出現在0～10 cm。總孔隙度均值大小排序為：華北落葉松林(62.22%)>樟子松林(50.44%)>油松林(43.47%)。毛管孔隙度隨土壤深度增加先增加后減小，非毛管孔隙度變化規律不明顯。毛管孔隙度均值大小排序為：華北落葉松林(58.60%)>樟子松林(47.86%)>油松林(39.19%)；非毛管孔隙度均值大小排序為：油松林(4.28%)>華北落葉松林(3.62%)>樟子松林(2.58%)。土壤最大持水量均值大小排序為：華北落葉松林(921.78 t/hm2)>樟子松林(743.58 t/hm2)>油松林(653.75 t/hm2)；土壤有效持水量均值大小排序為：華北落葉松林(49.63 t/hm2)>樟子松林(32.97 t/hm2)>油松林(23.90 t/hm2)。

表4 各針葉林土壤物理性質

3.3 土壤入滲比較

由表5可知：土壤穩滲速率大小排序為：華北落葉松林(1.54 mm/min)>油松林(0.36 mm/min)>樟子松林(0.27 mm/min)。土壤入滲時間和速率二者符合冪函數關系，相關系數R2均>0.9。

表5 各針葉林土壤入滲速率及入滲回歸方程

3.4 綜合持水能力比較結果

林分綜合持水能力包括枯落物層和土壤層。由表6可知，枯落物層最大持水量大小排序為：華北落葉松林>油松林>樟子松林；土壤層最大持水量大小排序為：華北落葉松林>樟子松林>油松林。土壤層最大持水量所占比例均>99%，說明在持水能力方面，土壤層占據主導地位。

表6 各針葉林枯落物層和土壤層的持水量

4 討論

4.1 不同林分枯落物的蓄積量和水文效應差異

枯落物蓄積量與林分類型、生長狀況和林地濕熱條件密切相關[6]。3種針葉林枯落物蓄積量華北落葉松林最大，可能是華北落葉松林林齡較大，林分生長狀況較好，枯枝落葉較多；樟子松林蓄積量最小，可能是樟子松林齡較小，林分發育尚未充分。華北落葉松林和油松林半分解層蓄積量高于未分解層，可能是華北落葉松林與油松林位于陰坡，郁閉度較高，林下濕度較大，枯落物易于腐爛；而樟子松林半分解層蓄積量低于未分解層，可能是由于樟子松林位于陽坡，郁閉度相對較小，林內濕度低，不易分解。該結論與陳繼東等[7]研究結果一致。

枯落物水文狀況受林分類型、立地條件、枯落物分解程度的影響[8]。華北落葉松林的枯落物最大持水量最大，可能是因為其枯落物蓄積量最大，半分解層多于未分解層，半分解層細軟易儲存水分。本研究的3種林分半分解層最大持水量均高于未分解層，可能是因為未分解的針葉枯落物表層有蠟質薄膜，不易吸水。

3種針葉林半分解層和未分解層的吸水速率均為華北落葉松林最大，油松林最小。可能是華北落葉松林枯落物蓄積量較大，枯落物細軟易吸水，而油松林枯落物表層存在油脂，排斥水分。

4.2 不同林分土壤水文效應

土壤密度大小關系到土壤透水性、通氣性和根系的延伸[9]。華北落葉松林土壤密度均值最小，土壤透水性較好。華北落葉松林和油松林的土壤密度隨土壤深度增加而增加，但是樟子松表層土壤密度最大，10～60 cm密度隨土壤深度增加而增加，可能是表層土壤受風蝕沉積和水蝕沉淀的影響，土壤粒石含量相對較高的原因。

土壤孔隙度直接影響土壤的保水、透氣性。華北落葉松林和油松林總孔隙度最大值均出現在10～20 cm處，表層孔隙度不是最大，可能與人為活動頻繁有關(崇禮區村莊位置比較偏遠，接近林區，本地人有采蘑菇的生活習慣)，樟子松林則出現在0～10 cm，與表層土壤粒石含量相對較高有關。總孔隙度均值大小排序為：華北落葉松林>樟子松林>油松林；毛管孔隙度呈隨土壤深度增加先增加后減小的變化趨勢，可能是在20～40 cm土層，植被根系較多，土壤緊實度較小，導致毛管孔隙度受到影響所致。該結論與劉斌等[10]研究結果相一致。

土壤最大持水量和有效持水量排序為：華北落葉松林>樟子松林>油松林，可能與華北落葉松林林分年齡較大枯落物層積累較厚而樟子松林林分年齡相對較小枯落物層較薄有關。該結果與胡靜霞等[11]對冀西北地區典型林分土壤水文效應研究結果相似。

5 結論

1)3種針葉純林中，華北落葉松林和油松林枯落物的蓄積量均為半分解層大于未分解層，樟子松林反之。枯落物蓄積量、最大持水量總和、有效攔蓄量總和均為華北落葉松林最大，樟子松林最小。枯落物持水過程中，半分解層和未分解層持水量、吸水速率最大的均為華北落葉松林，持水量與浸水時間成正相關關系。

2)土壤密度隨土層深度增加而增加，土壤密度均值最大為樟子松林，最小為華北落葉松林。土壤總孔隙度和毛管孔隙度均值華北落葉松林均為最大，非毛管孔隙度均值最大為油松林。

3)3種針葉純林綜合持水能力排序為：華北落葉松林>樟子松林>油松林，土壤層持水量占99%以上。該研究結果旨在為評估冬奧會場地建設對林地水文功能影響提供參數。