北京市松山不同海拔油松林枯落物及土壤水文效應

魯紹偉， 高 琛， 李少寧， 陳 波， 潘青華， 張玉平

(1.北京市農林科學院林業果樹研究所, 北京 100093；2.河北農業大學 林學院， 河北省林木種質資源與森林保護重點實驗室， 河北 保定 071000)

森林對人類生態環境的顯著影響，已經越來越引起人們的重視。作為地球上可再生自然資源及陸地生態系統的主體，森林在人類生存和發展的歷史過程中具有不可替代的作用[1]。森林中的枯落物結構疏松，具有較強的吸水能力和透水性能，不但可以防止雨滴的擊濺和徑流的沖刷，而且對土壤的形成發育具有重要作用。同時，水文效應的研究對森林開發和營造、環境質量的控制和改善均有重要意義[2]。油松(PinustabuliformisCarr)在北京市無論是山區還是平原隨處可見，是較好的水土保持、用材和造林綠化樹種。目前，中國對油松林的研究主要集中在生態效益[3]、生物多樣性[4]和不同氣候條件下生長狀況[5]等方面，而對其在垂直梯度下水文效應的研究相對較少。為此，本文對北京市松山不同海拔油松天然林枯落物及土壤水文效應進行定量分析，旨在初步揭示不同海拔油松天然林枯落物層和土壤層的水源涵養功能，為油松天然林的生長提供一定的參考。

1 研究區概況

北京市松山國家級自然保護區位于北京市延慶縣境內西北部，地理坐標為東經115°43′44″—115°50′22″，北緯40°29′9″—40°33′35″。保護區西北與河北省赤城縣境內的大海坨國家級自然保護區相接，西南與河北省懷來縣接壤，東與北京市玉渡山自然保護區毗鄰，南與延慶縣張山營鎮相鄰。面積4 660.0 hm2，海拔為628～2 198 m，處于暖溫帶大陸性季風氣候區。受地形條件的影響，氣溫偏低，濕度偏高，具有典型的山地氣候特征。年降水量約450 mm，局部地段可達600 mm，年蒸發量約1 700 mm。該區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。保護區現有維管束植物109 科 413 屬783 種及變種，占北京市地區同類植物總數的49.8%。喬木樹種有山楊(Populusdavidiana)、油松(Pinustabuliformis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、秀麗槭(Acerelegantulum)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、側柏(Platycladusorientalis)和華山松(Pinusarmandii)等。

2 材料與方法

2012年8月底在北京市松山自然保護區調查不同海拔高度的油松天然林。選取4塊代表性的地段作為樣地進行采樣分析。樣地面積為50 m×50 m，對其進行每木檢尺，各樣地基本特征見表1。根據地形變化情況在每塊樣地內分別設1.0 m×1.0 m 9個樣方，調查樣方內枯落物層厚度及蓄積量。采用土壤剖面調查法，分別按0—10，10—20，20—40 cm分層取樣。

表1 不同海拔樣地基本特征

枯落物持水量和吸水速率測定采用室內浸泡法[6]，分別測定枯落物在浸泡2，4，6，12和24 h后的變化，3次重復，研究其吸水過程和吸水速度。枯落物攔蓄量采用有效攔蓄量估算枯落物對降雨的實際攔蓄量[7]，即：

W=(0.85Rm-Ro)M

(1)

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)。

用環刀浸泡法測土壤容重、孔隙度等土壤物理性質[8]，3次重復。公式如下：

土壤容重(g/cm3)= 〔(環刀重量+烘干土重量)-環刀重量〕/100

最大持水量(t/hm2)={〔環刀浸水24小時重量-

(環刀重量+烘干土重量)〕 /烘干土重量}×100

毛管持水量(t/hm2)={〔環刀控水24小時重量-

(環刀重量+烘干土重量)〕 /烘干土重量}×100

土壤非毛管孔隙度(%)=〔(最大持水量-毛管持水量)/土壤容重〕 ×100

土壤毛管孔隙度(%)=毛管持水量×土壤容重

土壤總孔隙度(%)= 土壤非毛管孔隙度+土壤毛管孔隙度

雙環法測土壤入滲[9]，土壤持水量采用下式[7]：

W=10 000Ph

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

3 結果與討論

3.1 不同海拔枯落物蓄積量分析

由表2可知，不同海拔油松天然林枯落物總蓄積量變動在9.03～27.75 t/hm2，大小排序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ，即油松天然林枯落物總蓄積量隨海拔降低先減小后增大。分析4個海拔梯度枯落物未分解層、半分解層蓄積量可以得出，各層次儲量所占比例不同，半分解層的蓄積量均大于未分解層蓄積量。樣地Ⅲ未分解層占總蓄積量的比例最大，為25.95%，樣地Ⅳ占的比例最小，為14.73%，排序為：樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ>樣地Ⅳ。樣地Ⅳ半分解層占總蓄積量的比例最大，為85.27%，樣地Ⅲ占的比例最小，為74.05%，排序為：樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，即未分解層和半分解層枯落物蓄積量隨海拔的降低均呈現出先減小后增大的規律。這與陳波等[10]在冀北山地對不同海拔華北落葉松人工林水文效應的研究結果不一致，原因是研究所選取的樹種不一致，油松枯落物易分解而華北落葉松枯落物不易分解，且與海拔和枯落物儲量相差較大有關。

表2 不同海拔枯落物厚度、儲量、最大持水量和最大持水率

3.2 不同海拔枯落物水文效應

3.2.1 不同海拔枯落物最大持水量 4個海拔梯度枯落物的最大持水量和最大持水率如表2所示。半分解層和未分解層枯落物最大持水量均呈現出隨海拔降低先減小后增大的規律。總和最大的是樣地Ⅲ，為90.54 t/hm2，相當于9.05 mm的降水，最小的是樣地Ⅱ，為26.66 t/hm2，相當于2.67 mm的降水，排序為：樣地Ⅲ>樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ。最大持水率同樣呈現出隨海拔降低先減小后增大的規律。這與田超等[11]在冀北山地對不同海拔蒙古櫟水文效應的研究結果不一致，原因是松山地區枯落物層較厚，分解速率較慢，最大持水量和最大持水率較高所致。

3.2.2 不同海拔枯落物有效攔蓄量 由表3可知，4個海拔梯度油松天然林枯落物的攔蓄能力各不相同。從有效攔蓄率看，未分解層和半分解層呈不同的變化規律。未分解層大小排序為：樣地Ⅱ>樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅲ；半分解層則為：樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ。這是因為未分解層和半分解層的枯落物層厚度和枯落物儲量及吸水速率不同。從有效攔蓄量看，未分解層和半分解層變化規律也不相同。未分解層排序為：樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ；半分解層為樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ。這主要與枯落物蓄積量有關。綜合未分解層和半分解層的變化規律可知，樣地Ⅰ(1 211 m)有效攔蓄能力最強，為46.34 t/hm2，相當于攔蓄4.63 mm的降雨；樣地Ⅱ(1 012 m)有效攔蓄能力最弱，為11.04 t/hm2，僅相當于攔蓄1.10 mm的降雨，即高海拔攔蓄能力最強，中海拔最弱。這是由于在相對原始的森林中高海拔地區接受陽光較多，加快了枯落物中水分的蒸發速率，使得枯落物能夠在較短的時間內再次攔蓄水分而導致高海拔地區枯落物的攔蓄能力較強。

表3 不同海拔枯落物的攔蓄能力

3.2.3 不同海拔枯落物持水過程 樹木枯落物的持水量與其在水中的浸泡時間存在著一定關系。由圖1可得，未分解層和半分解層在最初浸泡的2 h內，持水量迅速上升；之后隨著浸泡時間的延長持水量仍呈現出增長的趨勢，但增長速度明顯變緩；其中未分解層枯落物浸泡超過10 h基本達到飽和狀態，而半分解層枯落物在浸泡約6 h已基本達到飽和。且在相同浸泡時間內半分解層枯落物持水量總大于未分解層枯落物持水量。表明4塊樣地不同海拔枯落物半分解層持水能力均高于未分解層。這與陳波等[10]在冀北山地對不同海拔華北落葉松人工林水文效應的研究結果相反。這是因為研究區氣候不一致，在采樣時段內本研究區降水較多，濕度較大，枯落物自然含水率遠高于冀北地區；且4個樣地未分解層枯落物蓄積量略低于冀北地區；而半分解層蓄積量遠高于冀北地區；大量的半分解層枯落物使得其持水能力遠高于未分解層。

對1～24 h之間4塊樣地不同海拔枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時間的關系進行回歸分析，得出該時間段內持水量與浸泡時間之間存在如下關系：

Q=aln(t)+b

式中：Q——枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時間(h)；a——方程系數；b——方程常數項。擬合的對數曲線相關系數均在0.93以上。

圖1 枯落物不同分解層持水量與浸泡時間的關系

3.2.4 不同海拔枯落物吸水速率 由圖2可知，4塊樣地不同海拔梯度枯落物的吸水速率表現出一定的規律性。未分解層和半分解層枯落物在最初浸泡的1 h內吸水速率最大，之后急劇下降，6 h左右下降速度明顯減緩，24 h左右吸水基本停止。

隨浸泡時間的延長，枯落物吸水速率逐漸趨向一致。這主要是因為隨著浸泡時間延長，枯落物持水量接近其最大持水量，也就是說地被物逐漸趨于飽和，其持水量增長速度隨之減緩所致。

對4塊樣地不同海拔不同層次枯落物吸水速率與浸泡時間進行擬合，得出該時間段內吸水速率與浸泡時間之間存在如下擬合模型：

V=ktn〔g/(kg·h)〕

式中：V——枯落物吸水速度(g/kg/h)；t——浸泡時間(h)；k——方程系數；n——指數。擬合的冪函數曲線相關系數均在0.99以上。

圖2 枯落物不同分解層吸水速率與浸泡時間的關系

3.3 不同海拔土壤水文效應

3.3.1 不同海拔土壤容重 土壤容重越小，土壤疏松多孔，結構性越好，容重大則相反。由表4可知，不同樣地土壤容重有較大差異。在0—40 cm土層內，土壤容重均值排序為：樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ，即隨海拔升高土壤總容重減小。在容重均值最大的樣地Ⅳ內，容重從0—10 cm的1.61 g/cm3增加到20—40 cm的1.74 g/cm3；在容重均值最小的樣地Ⅰ內，容重從0—10 cm的1.29 g/cm3增加到20—40 cm的1.45 g/cm3。

從土壤容重的垂直變化看，4個海拔梯度土壤容重變化趨勢有相同的規律，即隨土壤厚度增加逐漸增大。主要是因為土壤中有機質含量隨土層深度的增加而逐漸減少，土壤團聚性同樣降低，從而增加了土壤緊實度，進而導致土壤理化性質的差異。這一結果與陳波等[10]在冀北山地對不同海拔華北落葉松人工林水文效應的研究結果一致，進一步證實了此結論的正確性。

表4 不同海拔土壤物理性狀及持水量

3.3.2 不同海拔土壤孔隙度 由表4可知，在0—40 cm土層內，從4個海拔梯度總孔隙度的垂直變化來看，隨著土壤厚度的加深樣地Ⅲ，Ⅳ增加，樣地Ⅰ，Ⅱ減小。說明樣地Ⅰ，Ⅱ海拔梯度表層土壤比較疏松；樣地Ⅲ土壤的總孔隙度從0—10 cm的21.01%增加到20—40 cm的23.99%；樣地Ⅱ土壤的總孔隙度從0—10 cm的29.36%減小到20—40 cm的22.85%。土壤總孔隙度均值順序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，這表明不同海拔土壤總孔隙度變化趨勢與土壤容重變化趨勢不同，即隨海拔升高，總孔隙度先減小而后增大。4個海拔梯度土壤毛管孔隙度均值排序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ。毛管孔隙度值越高，土壤中有效水的存貯量越大，樹木用于生長發育的有效水分的比例越大。表明隨海拔的降低油松天然林土壤毛管孔隙度先減小后增加，即高海拔(樣地Ⅰ1 211 m)和低海拔(樣地Ⅳ751 m)油松天然林用于自身生長發育所需的有效水分比例大，中海拔則相反。土壤非毛管孔隙度均值排序為：樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ。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，充分起到涵養水源的作用，即低海拔油松天然林地土壤的通透性最好，涵養水源作用最強。

3.3.3 不同海拔土壤蓄水能力 從表4可知，不同海拔土壤蓄水性能存在一定差異。樣地Ⅰ，Ⅳ這2個海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈增加趨勢；樣地Ⅱ，Ⅲ這2個海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈減少趨勢。從土壤飽和持水量均值來看，其大小順序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ。樣地Ⅰ土壤貯蓄水分潛在能力比樣地Ⅲ高130.32%，即高海拔油松天然林土壤貯蓄水分潛在能力最強，中海拔最弱。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為：樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ，樣地Ⅳ有效持水量最大，說明中低海拔油松天然林持水能力最強，高海拔最弱。

3.3.4 不同海拔土壤入滲 由圖3中土壤入滲曲線可以明顯看出，4個海拔梯度初滲速率相差較大。樣地Ⅰ初滲速率最大為60.00 mm/min，樣地Ⅱ最小為11.11 mm/min，兩者相差了5.40倍。隨時間的推移，入滲速率逐漸減慢，當達到一定時間時趨于穩滲，穩滲速率在1.95～7.06 mm/min，大小排序為：樣地Ⅱ>樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅲ。其中樣地Ⅲ在17 min后達到穩滲，樣地Ⅳ在11 min后達到穩滲，且入滲速率與入滲時間存在冪函數關系，其關系式如下：

y=at-b

式中：y——入滲速率(mm/min)；a，b——常數；t——入滲時間(min)。擬合的冪函數曲線相關系數均在0.70 以上。

圖3 不同海拔土壤入滲曲線

4 結 論

(1)枯落物總蓄積量排序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ，半分解層蓄積量均大于未分解層蓄積量，未分解層和半分解層枯落物蓄積量隨海拔的降低都呈現出先減小后增大的規律。

(2)枯落物最大持水量半分解層和未分解層均呈現出隨海拔降低先減小后增大的規律，而最大持水率同樣呈現出隨海拔降低先減小后增大的規律。

(3)從枯落物持水過程看，在最初浸泡的2 h內，枯落物持水量迅速增加，之后隨浸泡時間的延長增加速度逐漸變緩。4塊樣地不同海拔枯落物半分解層持水能力均高于未分解層。不同層次枯落物的有效攔蓄率不同，且未分解層有效攔蓄量隨海拔的升高而減小，半分解層則相反。

(4)在0—40 cm土層，土壤容重隨海拔升高而減小，且同一海拔土壤容重隨土壤厚度的加深而增大，總孔隙度隨海拔升高先減小后增大。

(5)土壤飽和持水量均值排序為：樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，高海拔油松天然林土壤貯蓄水分潛在能力最強，中海拔最弱。中低海拔油松天然林持水能力最強，高海拔最弱。

(6)4個海拔梯度初滲速率相差較大，樣地Ⅰ初滲速率最大，樣地Ⅱ最小，兩者相差5.40倍。

[參考文獻]

[1]Clarke J M, Richards R A, Condon A G. Effect of drought stress on residual transpiration and its relationship with water use of wheat[J]. Canadian Journal of Plant Science, 1991,71(3):695-702.

[2]田超,楊新兵,李軍,等.冀北山地陰坡枯落物層和土壤層水文效應研究[J].水土保持學報,2011,25(2):97-103.

[3]馬履一,李春義,王希群,等.不同強度間伐對北京市山區油松生長及其林下植物多樣性的影響[J].林業科學,2007,43(5):1-9.

[4]雷波,包維楷,賈渝,等.不同坡向人工林油松幼林下地表苔蘚植物層的物種多樣性與結構特征[J].生態研究,2004(4):410-418.

[5]孫書存,高賢明,包維楷,等.岷江上游油松造林密度對油松生長和群落結構的影響[J].應用與環境生物學報,2005(1):8-13.

[6]張振明,余新曉,牛健植,等.不同林分枯落物層的水文生態功能[J].水土保持學報,2006,19(3):139-143.

[7]陳波,楊新兵,趙心苗,等.冀北山地6種天然純林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持學報,2012,26(2):196-201.

[8]陳東莉,郭晉平,杜寧寧.間伐強度對華北落葉松林下生物多樣性的影響[J].東北林業大學學報,2011,39(4):37-39.

[9]胡淑萍,余新曉,岳永杰.北京市百花山森林枯落物層和土壤層水文效應研究[J].水土保持學報,2008,22(1):146-150.

[10]陳波,孟成生,趙耀新,等.冀北山地不同海拔華北落葉松人工林枯落物和土壤水文效應[J].水土保持學報,2012,26(3):1-6.

[11]田超,楊新兵,李軍,等.冀北山地不同海拔蒙古櫟林枯落物和土壤水文效應[J].水土保持學報,2011,25(4):221-226.