北京松山不同密度丁香天然林枯落物及土壤水文效應(yīng)

高 琛，魯紹偉，楊新兵，陳 波，潘青華，李少寧，張玉平

（1．河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071000；2．北京市農(nóng)林科學(xué)院 林業(yè)果樹(shù)研究所，北京100093）

森林作為地球上可再生資源及陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，通過(guò)龐大的林冠層和豐富的枯落物層，既能吸收和截留一定的降雨，又能有效地減輕雨水對(duì)土壤的濺蝕，有利于雨水下滲，在人類(lèi)生存和發(fā)展的歷史過(guò)程中起著不可替代的作用［1－2］。森林中的枯落物層在涵養(yǎng)水源、攔蓄地表徑流、增加土壤通透性、保護(hù)及促進(jìn)土壤形成和發(fā)育方面起著重要的作用［3］。土壤層中的土壤毛管孔隙和非毛管孔隙能促進(jìn)雨水的下滲，不但能給植物提供水分，而且能把多余的水分儲(chǔ)存起來(lái)或通過(guò)滲流匯入溪流中，充分體現(xiàn)了森林涵養(yǎng)水源、保持水土的功能。丁香主要分布在西南、西北、華北和東北地區(qū) ，是我國(guó)北方各省區(qū)主要的園林綠化樹(shù)木之一，丁香天然種多分布在海拔800～3 800m的山地 ，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄，病蟲(chóng)害較少，適應(yīng)性較強(qiáng)，和一定的水土保持功能的特點(diǎn)。目前，有關(guān)丁香屬植物的研究多集中于光合特性［4］、生理特性［5］、化學(xué)研究［6］和藥用［7］等方面，而對(duì)其不同密度下水文效應(yīng)研究相對(duì)較少。為此，本文對(duì)北京松山不同密度丁香天然林枯落物及其土壤水文效應(yīng)進(jìn)行定量分析，旨在初步揭示不同密度下丁香天然林枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)功能，為不同密度丁香天然林的生長(zhǎng)提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

北京松山自然保護(hù)區(qū)位于北京市西北部延慶縣海坨山南麓，地處燕山山脈的軍都山中，總面積4 671hm2，距北京市區(qū)僅90km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°43′44″—115°50′22″，北緯40°29′09″—40°33′35″。松山地區(qū)處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受地形條件的影響，與延慶盆地相比，氣溫偏低，濕度偏高，形成典型的山地氣候，是北京地區(qū)的低溫區(qū)之一。山前低山地帶年平均氣溫8．5℃，最高氣溫39℃，最低氣溫－27．3℃，年降水量450mm。中山地帶年平均溫度為4～5℃，年降水量600mm。山頂年平均溫度只有2℃左右。區(qū)內(nèi)地形比較復(fù)雜，海拔高度627．6～2 199．6m，多數(shù)山地海拔在1 200～1 600m之間。該區(qū)土壤呈垂直帶譜分布，自下而上分為山地暗棕壤土帶、棕色針葉林土帶、亞高山疏林草甸土帶和高山苔原土帶，保護(hù)區(qū)現(xiàn)有維管束植物109科413屬783種及變種，占北京地區(qū)同類(lèi)植物總數(shù)的49．8%。喬木樹(shù)種有丁香（Syzygiumaromaticum）、山 楊 （Populusdavidiana）、油松（Pinustabuliformis）、核桃楸（Juglans mandshurica）、五角楓（Acerelegantulum）、蒙古櫟（Quercusmongolica）、白 樺 （Betulaplatyphylla）、黑樺（Betuladahurica）、側(cè)柏（Platycladusorientalis）和華山松（Pinusarmandi）等。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

于2012年8月底在北京松山自然保護(hù)區(qū)調(diào)查不同密度丁香天然林，選取5塊具有代表性的地段作為標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行采樣分析，樣地面積為50m×50m，對(duì)其進(jìn)行每木檢尺，各樣地基本特征見(jiàn)表1。在5塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，根據(jù)地形變化情況分別設(shè)1．0m×1．0m9個(gè)樣方，調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層厚度及蓄積量，其中未分解枯落物系指基本上保持其原有形狀及質(zhì)地的枯枝落葉；半分解枯落物系指只有部分植物組織殘片尚保持其原來(lái)形態(tài)的枯枝落葉；而枯落物的分解層指枯落物完全分解腐爛，呈連片、污黑的有機(jī)物質(zhì)，看不出殘?bào)w的植物枯落物痕跡［8］。采用土壤剖面調(diào)查法，分別按0—10，10—20，20—40cm機(jī)械分層取樣?？萋湮锍炙亢臀俾实臏y(cè)定采用室內(nèi)浸泡法［9］，分別測(cè)定枯落物在浸泡1，2，4，6，12，24h的變化，設(shè)3次重復(fù)，研究其吸水過(guò)程和吸水速度?？萋湮镉行r蓄量采用有效攔蓄量估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量［10］，即：

W＝（0．85Rm－Ro）M

式中：W——有效攔蓄量（t／hm2）；Rm——最大持水率（%）；Ro——平均自然含水率（%）；M——枯落物累積量（t／hm2）。

用環(huán)刀浸泡法測(cè)土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)［11］，雙環(huán)法測(cè)土壤入滲［12］，土壤持水量采用下式［13］計(jì)算：

W＝10000Ph

式中：W——土壤持水量（t／hm2）；P——土壤孔隙度（%）；h——土壤層厚度（m）。

表1 不同密度標(biāo)準(zhǔn)地基本特征

3 結(jié)果與分析

3．1 不同密度枯落物蓄積量分析

由表2知，不同密度丁香天然林枯落物總蓄積量存在一定差別，其變動(dòng)范圍為13．19～31．66t／hm2，枯落物總蓄積量大小排序?yàn)椋簶拥丌瘢緲拥丌酰緲拥丌簦緲拥丌螅緲拥丌?，即丁香天然林枯落物總蓄積量隨密度的升高而增大。分析5個(gè)不同密度丁香天然林枯落物未分解層、半分解層蓄積量可以得出，相同密度條件下枯落物半分解層蓄積量均大于未分解層，且各層蓄積量所占總量的比例不同。未分解層樣地Ⅴ枯落物蓄積量占總蓄積量的比例最大，為39．89%。樣地Ⅲ占比例最小，為17．65%，在半分解層內(nèi)樣地Ⅴ枯落物蓄積量占總蓄積量的比例最小，為60．11%。未分解層枯落物隨密度的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，半分解層則相反。

表2 不同密度枯落物蓄積量

3．2 不同密度枯落物水文效應(yīng)

3．2．1 不同密度枯落物最大持水量 5個(gè)不同密度丁香天然林枯落物的最大持水量和最大持水率如表3所示。由表3可得：半分解層和未分解層枯落物最大持水量隨丁香天然林密度的升高均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，總和最大的是樣地Ⅴ，為125．79t／hm2，相當(dāng)于12．58mm 的降雨，最小的是樣地 Ⅱ，為50．76t／hm2，相當(dāng)于5．08mm的降雨。樣地Ⅰ最大持水量達(dá)到119．29t／hm2，可能與該樣地所處的海拔較低以及林下植被比較多有關(guān)。枯落物最大持水率的變動(dòng)范圍在385．72%～507．16%之間，大小順序?yàn)闃拥丌簦緲拥丌酰緲拥丌螅緲拥丌颍緲拥丌瘢砻鞫∠闾烊涣挚萋湮镒畲蟪炙孰S密度升高而表現(xiàn)出增大的規(guī)律。

3．2．2 不同密度枯落物有效攔蓄量 由表4可以得出：5個(gè)不同密度丁香天然林枯落物的攔蓄能力各不相同，但隨著密度的增高，五種樣地未分解層和半分解層的變化規(guī)律基本一致。如從有效攔蓄率和有效攔蓄量來(lái)分析，未分解層和半分解層都隨著密度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，這與枯落物層蓄積量的變化規(guī)律相同，表明枯落物的有效攔蓄量與其蓄積量有直接關(guān)系。綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知，樣地Ⅴ的有效攔蓄能力最強(qiáng)，為79．77t／hm2，相當(dāng)于能攔蓄7．98mm的降水，而樣地Ⅱ的有效攔蓄能力最弱，為32．71t／hm2，只相當(dāng)于攔蓄3．27mm 的降雨，即高密度丁香天然林枯落物攔蓄能力較強(qiáng)。

表4 不同密度枯落物的攔蓄能力

3．2．3 不同密度枯落物持水過(guò)程 由圖1可明顯地看出，枯落物持水量與浸泡時(shí)間有一定的相關(guān)性。在最初浸泡的2h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，而后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，最后基本停止，半分解層枯落物持水量在浸泡8h后就基本達(dá)到飽和，而未分解層枯落物持水量浸泡超過(guò)12h才達(dá)到飽和，表明丁香天然林枯落物未分解層持水量大于半分解層，這與兩個(gè)分解層的自然含水率有關(guān)。此外，由圖1可以明顯地看出，相同浸泡時(shí)間內(nèi)樣地Ⅳ、樣地Ⅴ的持水量明顯大于其它樣地，表明相同條件下密度大的丁香天然林枯落物持水量大于密度小的丁香天然林，這與枯落物的蓄積量有關(guān)，密度越大，枯落物的蓄積量就越多，相同條件下的持水量就越高。

圖1 枯落物不同分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

對(duì)1～24h之間5塊樣地未分解層、半分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析（表5），得出該時(shí)間段內(nèi)枯落物持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系：

式中：Q——枯落物持水量 （g／kg）；t——浸泡時(shí)間（h）；a——方程系數(shù)；b——方程常數(shù)項(xiàng)。擬合的對(duì)數(shù)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0．86以上。

表5 不同密度枯落物持水量、持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

3．2．4 不同密度枯落物吸水速率 由圖2可明顯看出，5塊不同密度樣地枯落物的吸水速率與浸泡時(shí)間同樣表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：無(wú)論是未分解層還是半分解層，枯落物在前2h內(nèi)吸水速率最大，之后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)急劇下降，6h后下降速度明顯減緩，12 h后吸水基本停止，枯落物吸水速率趨向一致。對(duì)5塊樣地不同密度不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合（表5），得出該時(shí)間段內(nèi)吸水速率與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系：

式中：V——枯落物吸水速度［g／（kg·h）］；t——浸泡時(shí)間（h）；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。擬合的冪函數(shù)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0．99以上。

3．3 不同密度土壤水文效應(yīng)

3．3．1 不同密度土壤容重 土壤容重越小，土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性越好，越大則相反。由表6可看出，5個(gè)樣地土壤容重存在較大差異，在0—40cm土層內(nèi)，土壤容重均值的排列順序?yàn)闃拥丌颍緲拥丌酰緲拥丌瘢緲拥丌螅緲拥丌?，表明在中低密度和高密度下土壤容重最大，而低密度和中高密度下土壤容重最小?/p>

從土壤容重的垂直變化來(lái)看，5個(gè)不同密度樣地土壤容重的變化規(guī)律相同，即隨土層深度增加而逐漸增大。在樣地Ⅲ內(nèi)，土壤容重從0—10cm時(shí)的0．98g／cm3增加到20—40cm時(shí)的1．24g／cm3，兩者之間的差值達(dá)到了0．26g／cm3。這是因?yàn)?，有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而逐漸減少，同時(shí)土壤團(tuán)聚性降低，從而增加了土壤緊實(shí)度，進(jìn)而導(dǎo)致不同深度土壤理化性質(zhì)的差異。這一結(jié)果與陳波等［14］在冀北山地對(duì)不同海拔華北落葉松人工林水文效應(yīng)的研究結(jié)果一致。

圖2 枯落物不同分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3．3．2 不同密度土壤孔隙度 由表6可知，在0—40 cm土層內(nèi)，從5個(gè)不同樣地總孔隙度的變化來(lái)看，隨著土層深度的加深樣地Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ增加，樣地Ⅰ、Ⅳ減小，表明在樣地Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ密度條件下表層土壤比較疏松，樣地Ⅲ土壤的總孔隙度從0—10cm的37．45%增加到20—40cm的48．71%，樣地Ⅰ土壤的總孔隙度從0—10cm 的 42．06% 減 小 到 20—40cm 的26．81%。土壤總孔隙度均值順序?yàn)闃拥丌螅緲拥丌颍緲拥丌瘢緲拥丌酰緲拥丌?，表明不同密度土壤總孔隙度變化趨?shì)與土壤容重的變化趨勢(shì)不同，即隨密度升高，總孔隙度先增大而后減小。毛管孔隙度值越高，土壤中有效水的存貯量越大，樹(shù)木用于生長(zhǎng)發(fā)育的有效水分的比例越大，不同密度土壤毛管孔隙度均值排序?yàn)椋簶拥丌螅緲拥丌瘢緲拥丌颍緲拥丌酰緲拥丌?，表明隨密度增加，丁香天然林土壤毛管孔隙度先增大后減小，即中密度丁香天然林用于自身生長(zhǎng)發(fā)育所需的有效水分的比例高，低密度和高密度則相對(duì)較低。非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于降水的下滲，減少地表徑流，充分起到涵養(yǎng)水源的作用，5種不同密度土壤非毛管孔隙度均值排序?yàn)椋簶拥丌颍緲拥丌螅緲拥丌酰緲拥丌瘢緲拥丌?，即中密度丁香天然林地土壤的通透性和水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。

3．3．3 不同密度土壤蓄水能力 由表6可知：5種不同密度樣地土壤蓄水性能存在一定差異，樣地Ⅱ、Ⅴ土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)，而其它樣地隨土層深度的增加呈現(xiàn)出先減小后迅速增加的規(guī)律。從飽和持水量均值來(lái)看，其大小順序是：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅳ，且樣地Ⅲ土壤貯蓄水分潛在能力比樣地Ⅳ高127．90%，表明中密度丁香天然林土壤貯蓄水分潛在能力最強(qiáng)，而高密度最弱。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度的大小，有效持水量均值大小順序是：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ，這與非毛管孔隙度均值的順序基本一致。樣地Ⅱ、Ⅲ有效持水量相對(duì)較大，表明中密度丁香天然林持水能力最強(qiáng)，而低密度和高密度較弱。

3．3．4 不同密度土壤入滲性能 土壤滲透性能不僅是土壤重要的水分物理性質(zhì)之一，而且能直接體現(xiàn)出樣地涵養(yǎng)水源的能力。土壤滲透性能的好壞，直接關(guān)系到地表能否產(chǎn)生徑流及產(chǎn)生徑流的大小。滲透性好的土壤，在一定降雨強(qiáng)度下，水分可以進(jìn)入土壤并儲(chǔ)存起來(lái)或轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅?，從而使林地水土流失得到很好地控制?5－16］。由表7可得，5種不同密度樣地土壤初滲速率均在37．50～54．55mm／min之間。隨著時(shí)間的推移，入滲速率逐漸變慢，當(dāng)達(dá)到一定的時(shí)間后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)滲速率在1．69～4．44mm／min之間，穩(wěn)滲速率大小順序依次為：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅰ。表明中密度丁香天然林土壤滲透性能最好。從入滲過(guò)程（圖3）來(lái)看，5個(gè)樣地達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間都在20mm左右，且入滲速率與入滲時(shí)間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系（表7），其關(guān)系式如下：

式中：y——入滲速率（mm／min）；a，b——常數(shù)；t——入滲時(shí)間（min）。擬合的冪函數(shù)曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0．99以上。

表7 不同密度土壤滲透速率及滲透模型

4 結(jié) 論

（1）枯落物總蓄積量大小排序?yàn)椋簶拥丌瘢緲拥丌酰緲拥丌簦緲拥丌螅緲拥丌?，即丁香天然林枯落物總蓄積量隨密度的升高而增大。相同密度條件下，枯落物半分解層蓄積量均大于未分解層，未分解層枯落物隨密度的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，半分解層則相反。

圖3 不同密度土壤入滲曲線(xiàn)

（2）半分解層和未分解層枯落物最大持水量隨丁香天然林密度的升高均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，最大持水率的變動(dòng)范圍在385．72%～507．16%之間，且丁香天然林枯落物最大持水率隨密度升高呈現(xiàn)出增大的規(guī)律。

（3）從枯落物持水過(guò)程來(lái)看，在最初浸泡的2h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，之后隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)增加速度逐漸變緩。不同層次枯落物的有效攔蓄率不同，但攔蓄量變化相同，均呈現(xiàn)出高密度丁香天然林枯落物的攔蓄能力強(qiáng)，低密度弱的趨勢(shì)。

（4）中低密度和高密度丁香天然林的土壤容重最大，其它密度條件下的土壤容重相對(duì)較小。在0—40cm土層內(nèi)，同一密度土壤容重隨土層深度的增加而增大，總孔隙度隨密度升高先達(dá)到最大而后減小。且中密度丁香天然林地土壤的通透性和水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。

（5）土壤飽和持水量均值大小順序是：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅳ，即中密度丁香天然林土壤儲(chǔ)蓄水潛在能力最強(qiáng)，而高密度最弱。有效持水量均值大小順序是：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ，即中密度丁香天然林持水能力最強(qiáng)，低密度和高密度下最弱。

（6）初滲速率在37．50～54．55mm／min之間，穩(wěn)滲速率大小順序依次為：樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅴ＞樣地Ⅰ。表明中密度丁香天然林土壤滲透性能最好。

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