大興安嶺典型針闊混交林區土壤持水效應

羅金明， 王永潔， 陳 凱， 胡守才, 劉志遠

(1.齊齊哈爾大學 理學院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2.黑龍江省南甕河國家級自然保護區， 黑龍江 加格達奇 165012)

森林植被的枯落物層—土壤層作為森林生態系統中不可分割的完整系統[1]，不僅具有攔蓄雨水、減少土壤表面水分蒸發耗損的作用[2-4]，同時也削弱雨滴對土壤的直接濺擊從而產生水土保持的效應[5]。此外，枯落物和土壤層增加表層的蓄水能力，減少了地表徑流的產生，起到保持水土和涵養水源的作用，這對森林土壤的發育、保護和改良有重要意義[6]。相關研究已經證實，地表枯落物—土壤系統的水文物理性質是森林生態系統水文功能的重要組成部分，也是林木賴以生存的基礎[1]。不同森林類型的枯落物及其林下土壤具有不同的森林水文功能。目前,國內外對森林枯落物的涵養水源功能的研究已經取得了階段性的成果,但是研究多針對某一種森林生態系統本身的生態功能，很少從地理的角度出發探討坡面系統不同林份的差異，從而取得森林—土壤的涵養水源功能的研究成果。

大興安嶺具有獨特的地理和氣候條件，本文通過對大興安嶺嶺南4種不同森林類型的枯落物及土壤的森林水文功能的研究，進一步揭示大興安嶺嶺南不同森林類型在水土保持、涵養水源等方面的規律。

1 研究區概況

試驗區位于黑龍江省南甕河國家級自然保護區，地理坐標為50°07′42″N，125°07′18″E，海拔高度530～560 m，屬于低山丘陵地帶。氣候屬于寒溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降雨量500 mm，受季風影響，冬季寒冷且漫長，夏季高溫多雨，年平均氣溫-3 ℃，最冷月的氣溫達-48 ℃。由于該區地勢平緩，河谷寬闊平坦，加之土壤季節性凍融的普遍存在和分布，土層透水性極差，使其流域幾乎全部形成沼澤，發育典型的島狀林濕地。該地區地帶性土壤為棕色針葉林土壤，此外還有暗棕壤、草甸土、沼澤土、泥炭土。植被屬于南部蒙古櫟—興安落葉松林區，主要喬木樹種有興安落葉松〔Larixgmelini(Rupr.)Ruzen.〕、山楊(Populusdavidaiana)、蒙古櫟(QuerusmongolicaFischer ex Ledeb.)、云杉(PiceaasperataMast.)、紅毛柳〔Choseniaarbutifolia(Pall.)A.skv〕等；灌木種類有杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch)、日本榿木〔Alunsjaponica(Thunb.)Steud.〕、榛子(CorylusheterophyllaFisch.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)等。

在研究區4種植被類型依次布點，樣點1(海拔560 m)位于較陡峭的山嶺(坡度>25°)，植被為落葉松+柞樹；樣點2(海拔545.65 m)位于較平緩的山麓(坡度<10°)，植被群落為興安落葉松+白樺林；樣點3位于河谷盆地邊緣，植被為稀疏的赤楊+紅毛柳林(海拔533.8 m)；樣點4位于平坦的河谷盆地，發育典型的塔頭苔草群落(海拔530.6 m)。整個研究樣點的相對高差約為30 m。在各取樣點分別取土樣帶回室內分析土壤物理和化學性質，樣點1和樣點2取樣深度0—50 cm，樣點3取樣深度0—100 m，樣點4的取樣深度0—130 cm。

2 研究方法

(1)土壤含水率使用烘干法測定，用吸管法測定土壤粒徑組成，根據國際土壤質地分類標準分為粗砂粒、細砂粒、粉砂粒和黏粒[7]。

在標準地的對角線上均勻布設 3個50 cm×50 cm大小的樣方，用鋼尺對枯落物的總厚度及未分解層、半分解層厚度進行測量并記錄。將采取的未分解層和半分解層的樣品帶回實驗室用天平稱其鮮重，并用烘箱烘干稱重，以干物質重量計算蓄積量[8]，每個林分類型重復 3次。同時收集每個樣點單位面積不同土壤深度的根系，回室內烘干稱重得到每個樣方的生物量。

(2)用室內浸泡法測定土壤的的持水過程。將環刀土壤樣品上端套8 cm橡膠圈，以馬氏瓶控制土壤樣品上端的水頭為5 cm，通過記錄單位時間內馬氏瓶水分消耗速率來指示各種土壤的持水過程。

(3)采用室內自然蒸發法進行土壤持水后水分蒸發研究。取環刀土壤置于實驗水槽，加水至環刀上端，使土柱充分飽和后降低水槽水的高度至環刀下端，靜置24 h ,在充分排除重力水后稱重 ,計算最大持水系數。然后，在5，10和30 min，1 h 稱重，其后每1 h定時稱重。

(4)降水頭法測定土壤滲透系數。以環刀(h=30 cm，d=10 cm)分別在4個取樣點不同深度采取原狀土柱，取樣深度為0—30，30—60，60—90 cm，帶回室內用降水頭法測定滲透速率[9]。

(5)采用石英砂—高嶺土吸力板 (中國科學院南京土壤研究所生產)測量土壤水分特征曲線。

3 結果與討論

3.1 土壤特征及地表枯枝含量

研究區為大興安嶺低山丘陵地區，山地與河谷盆地相間分布。受地貌的控制，研究區不同地貌部位的水、熱性質出現分異，發育的土壤類型以及植被都表現出典型的高寒森林濕地中域景觀。沿局部分水嶺向河谷低漫灘土壤分布格局依次為塔頭苔草草甸土—灰色森林土—白漿土—暗棕壤。暗棕壤的土體構型為O—AH—E—B—R，灰色森林土的土體構型為A—E—B—C，塔頭苔草草甸土的土體構型為O—Ah—Bg—G，白漿土的土體構型為O—Ah—Ecs—Bts。

圖1表示研究區4種植被類型下地表生物量以及植物根系干重。由圖1可知，柞樹+落葉松、赤楊+紅毛柳以及落葉松+白樺林3種植被地表枯枝落葉生物量干重都在0.6 kg/m3以下，柞樹+落葉松的地表枯枝落葉生物量為0.49 kg/m3，赤楊林為0.59 kg/m3，落葉松+白樺林為0.43 kg/m3。塔頭苔草地表的生物量則是三者總和的10倍以上，地表生物干重達16.7 kg/m3。另外，各取樣點土壤中的根系(主要是草本植被的根系)分布在土壤表層，樣點1—3表層根系干重分別為5.55，4.64和12.35 kg/m3，樣點4的0—10 cm土層的根干重則高達67.55 kg/m3。樣點1—3土層中根系重量隨著深度增加而迅速降低，20 cm以下土層的根系含量已經很少了。樣點4發育的土壤(塔頭苔草草甸土)植被根系含量隨著土壤剖面近似呈拋物線的變化規律，從10 cm向下逐漸減少，50 cm以下土層仍然有一定的根系分布。微地貌控制下的土壤特征以及水分狀況可對地表的植被特征可產生明顯的影響。

圖1 2009年12月15日取樣點單位面積生物量(地表枯枝落葉干重與不同土層包含的植物根系干重之和)

表1為研究區4種土壤的物理性質。由表1可知，大興安嶺地區山嶺和山麓發育的土壤土層較薄，土壤質地以細砂為主，表層/亞表層出現礫石。樣點1除表層有5 cm左右的枯枝落葉覆蓋層外，整個土層土質以砂質為主，質地較粗且土層較薄(50 cm以下開始出現母巖)，表層的砂質含量高達60%，礫石含量高達30%以上，整個土層的黏粒含量都在15%以下。另外，整個土層除了表層的飽和含水量高達38.72%外，5 cm以下土壤的飽和含水率都在22%以下，外加暗棕壤位于坡麓位置，坡度較大，易于形成坡面徑流。所以該地區土壤持水性主要體現在土壤表層的枯枝落葉層，一旦枯枝落葉層受到破壞整個山嶺表層的土壤將發生嚴重的水土流失。樣點2的土壤質地十分黏重，亞表層發育的高粉砂含量的白漿層，10—20 cm的粉砂質含量高達39.41%，同時間雜塊狀或棱柱狀結構的礫石層。這種高粉砂含量的結果使土壤表層的水分難以下滲，往往造成地表局部滯水，外加高覆蓋率的覆被特征，白漿土表層(枯枝落葉層和腐殖質層)的飽和含水量高達36.89%，對于局部森林濕地的沼澤化具有十分重要的意義。樣點3的土壤質地以砂質為主，表層的砂質含量高達80%，容重在1.1以上，60 cm以上的土層開始出現礫石。這種疏松的結構將使地表降雨的迅速垂直下滲而不利于土壤的水分貯存和持水。實測的數據表明，整個土層的飽和含水率最高也不過33%。樣點4的質地以粉砂、黏粒為主，整個土層質地以粉砂和黏粒為主，孔隙結構較好，30 cm以上的土層的黏粒含量高達27%以上，尤其是表層，黏粒含量高達37%，飽和含水量則在48%以上，50 cm以下土層質地開始以粉砂為主。

地表生物量的特征以及土壤質地結構決定著土壤的孔隙結構[10]。各取樣點的土壤的表層具有一定的枯枝落葉和腐殖質層(O/A層)，因此孔隙度較高。例如，樣點1土壤表層的孔隙度可達56%(非毛管孔隙和毛管孔隙度分別為26.6%和29.4%)，樣點2土壤表層的孔隙度為49%，即使是以砂質為主的樣點3土壤表層的孔隙度也在40%以上，樣點4土表層的孔隙度高達63.69%。從垂向分布來看，山嶺和山麓地區土壤10 cm以下的孔隙度含量都迅速減小，且主要以非毛管孔隙為主(樣點2亞表層的孔隙度僅30%)。整個樣點4土壤的孔隙度都很高，即使在100 cm土層的孔隙度任然在50%以上，且主要以0.005～1.2 mm的粗孔隙為主(占土壤總孔隙度的70%以上)，塔頭苔草豐富的根系和大量的枯枝落葉聚集層，使0—50 cm土層結構具有類似“泡沫”的疏松結構，對于苔草濕地的水分儲存以及濕地的發育具有十分重要的意義[3]。

表1 不同取樣點土壤不同深度的物理性質

3.2 凍融期土壤的持水特征

已有研究表明，凍融作用對中高緯度地區森林土壤系統的水分儲存有重要的意義[11-13]。本文以2009年1，8和12月期間各取樣點土壤的含水率變化來說明其持水性能(表2)。由表2可知，4月初研究區土壤開始消融，不同地貌部位，不同土壤類型消融過程存在差異。2009年4月15日，位于山麓的暗棕壤消融深度為20 cm，灰色森林土消融深度為12 cm，白漿土和塔頭苔草草甸土尚未消融。進入7月后，幾種土壤消融深度已經超過1.5 m。11月初研究區進入凍結期，土壤表層又開始呈現凍結現象。

從表2的觀測結果可知，12月中旬暗棕壤凍結深度為0—30 cm，灰色森林土和白漿土50 cm以上土層已經發生凍結，而草甸土凍結深度已經到70 cm。另外，從表2還可以看出，不同地貌部位、不同土壤類型的凍結特征存在明顯的差異。以落葉松/白樺林地區發育的白漿土地表積雪密度最大，研究區土壤表層的水分變化也存在明顯的差異。凍結期各種土壤表層的含水率明顯增加，達到過飽和狀態。暗棕壤0—10 cm土層的含水率高達43.79(飽和含水率為38%)，2009年12月再次進入凍結期后土壤表層的含水率接近飽和含水量，進入4月(消融期)和8月(未凍結期)表層的含水率則迅速下降至32.8%和29%。另外，暗棕壤凍結期10 cm以下土層的含水率變化很小。白漿土凍融過程中的水分變化規律和暗棕壤相似，但是含水率明顯高于暗棕壤，凍融期表層的含水率高達50%以上，但是白漿層(10 cm以下)的含水率在凍融前后的含水率變化不明顯。塔頭苔草草甸土整個土體凍融前后的水分含量變化最明顯。1月表層的含水率受蒸發的影響為40%左右，另外，在消融季節，表層受到消融的積雪的影響所以含水率反而上升到51.66%，當土壤消融后表層的含水率則下降為47.48%。當再次進入凍結期(12月)，表層的含水率再次增加至60%以上。

通過分析可知，大興安嶺地區森林濕地存在明顯的凍融過程，在凍融作用的影響下森林濕地表層的水分數量和狀態都發生明顯的變化。不同地貌部位和土壤條件下森林濕地的凍融水分效益存在明顯的差異，凍融過程中位于高位的森林植被濕地表層蓄水明顯。

表2 不同季節土壤的凍融深度以及含水率變化 %

3.3 非凍融期土壤的持水性能

3.3.1 水分特征曲線 圖2為研究區不同土壤對應的水分特征曲線。由圖2可知，樣點1，3，4的土壤0—30 cm土層飽和含水率都在35%以上(其中樣點1為38%，樣點3為41%，樣點4表層飽和含水率高達47%)，而樣點2的0—30 cm土層的飽和含水率低于25%。此外，在0—300 cm土水勢條件下，各種土壤的含水率都迅速下降，其中土壤表層水分的變化特征最明顯(樣點2的土壤除外，其水分特征曲線十分平緩，近乎成一條直線)，而30 cm以下土層的含水率在0—300 cm土水勢條件下變化較為平緩。總體來看，森林土壤的水分特征曲線變化平緩，而塔頭苔草草甸土的水分特征曲線成指數形式減少，即在較小的土水勢作用下土壤水分也發生明顯的減少。

塔頭苔草草甸土0—60 cm土壤含有大量腐殖質以及不同程度分解的苔草根系，所以容重輕、孔隙度較高且主要以毛管孔隙為主，毛管水上下相通，因此土壤飽和含水率較高且土壤水分遷移的速率較快，在受到一定的土水勢作用下土壤水分迅速變化。暗棕壤表層具有較高的枯枝落葉歸還物，所以孔隙度也較高，所以其飽和含水量高達40%，并且在一定水勢作用下孔隙水會迅速散失。灰色森林土質地以砂質為主，主要為非毛管孔隙，所以水分散較快。白漿土地區容重高達1.4 g/cm3以上，含有大量大礫石塊，另一方面，白漿化層質地緊實，孔隙水含量少，所以在0～300 cm水勢作用下土壤含水量變化不明顯。白漿層存在緊實的隔水層，限制地表蓄積的水分下滲到亞表層。同時由于白漿土的白漿層土質地密實，沒有粗毛管孔徑，在300 cm甚至更大的土水勢作用下土壤水分也難以穿過致密的柱狀堿土層，因此，白漿土的水分特征曲線非常平緩(即土壤水分變化微弱)。

3.3.2 土壤的持水過程 圖3為在大興安嶺地區地表積水5 cm條件下，各種土壤持水過程曲線。從圖3可看出，大興安嶺不同土壤的持水過程存在明顯的差異。以柞樹/落葉松為主發育的暗棕壤表層蓄水較快，經過30 min已經達到飽和，最大飽和持水量達42%。10 cm以下持水速率和持水總量都十分微弱，20和30 cm土層的飽和含水率僅在25%左右。赤楊/紅毛柳灰色森林土質地以細砂粉砂為主，蓄水過程較快。在地表積水5 cm條件下，含有機質較高的0—20 cm土層經過25 min達到飽和狀態(飽和含水率為34%)，50 cm以下的土層蓄水量和速率都較表層緩慢。塔頭苔草植被群落地區發育的草甸土蓄水速率比其他3種土壤迅速，蓄水量也是最大的，在經過20 min后0—50 cm土層已經達到飽和狀態，飽和含水量高達50%。50 cm以下土層塔頭苔草的根系、土壤有機質都明顯減少，土壤質地也變成以粉砂為主，這種土壤特征下土壤蓄水量明顯減小，飽和含水量不到40%。落葉松/白樺林植被群落下發育的白漿土持水過程與其他3種類型的土壤存在明顯的差異，整個土層蓄水過程都較緩慢，0—20 cm土層經過60 min后才逐漸達到水分的平衡狀態，但是表層的飽含水率還是高達40%以上，20 cm以下的土層蓄水緩慢且飽和含水率低，僅為20%左右。

圖2 不同土壤深度的水分特征曲線

圖3 在5 cm水頭壓力作用下不同土壤土層的蓄水過程

3.4 討 論

通過分析可知，局部土壤理化性質的差異和地貌特征不僅影響森林濕地持水的效應，也影響森林濕地的發育和演化特征。由于河谷漫灘部位地勢低洼，土壤含有大量腐殖質以及不同程度分解的苔草根系，促使土壤發育大量的孔隙結構，因此，土壤飽和含水率較高，持水性能最好，尤其是凍融季節土體蓄水對于嫩江水源的補給具有十分重要的意義。局部分水嶺發育的暗棕壤質地粗糙、土層淺薄，不利于大量水分的存儲。由于平緩的高漫灘/低階地部位，水平徑流較緩慢，外加白漿土的白漿層十分密實，限制水分垂向遷移，其持水性能很差，在表層的枯枝層/腐殖質層對于該地貌部位的水分保持具有重要的意義。暗棕壤對應的潛水埋藏較深，且土層很淺，潛水垂直向上遷移速率和數量十分有限，因此整個凍融期暗棕壤的水分增量微弱。另一方面，暗棕壤表層具有約2 cm厚度的枯枝落葉層和3 cm厚度的腐殖質層，結構疏松，容重小，孔隙度較高，其持水性能主要體現在表層，所以，森林濕地表層的物質組成和結構對于整個森林地區的以及固定水土和維持整個區域的生態效應具有舉足輕重的作用。一旦表層受到破壞，不僅持水性能降低，還可能造成嚴重的水土流失[14-15]。灰色森林土雖然地勢較低，與河谷漫灘毗鄰，地下水位較低，但是土壤質地以砂質為主，孔隙以非毛管孔隙為主，外加地表植被稀疏，枯枝落葉層很薄，土壤表層含腐殖質少，所以即使在強烈的凍融季節，整個土層的含水率并沒有明顯的增加。因此灰色森林土的持水性能相對較弱，且主要表現在表層。

4 結 論

受地貌的控制，大興安嶺低山丘陵地區不同地貌部位的水、熱性質出現分異，發育的土壤類型以及植被都表現出典型的高寒森林濕地中域景觀。森林濕地存在明顯的凍融過程，凍融作用影響下的森林濕地表層的水分數量和狀態都發生明顯的變化。不同地貌部位和土壤條件下森林濕地的凍融水分效益存在明顯的差異，凍融過程中位于高位的森林植被濕地表層蓄水明顯，而位于低位的塔頭苔草濕地整體土體的水分數量和狀態都發生明顯的變化。

塔頭苔草草甸土0—60 cm土壤含有大量腐殖質以及不同程度分解的苔草根系，土壤飽和含水率較高且土壤水分遷移的速率較快。暗棕壤表層具有較高的枯枝落葉歸還物，所以孔隙度也較高，飽和含水量高達40%，并且在一定水勢作用下孔隙水會迅速散失。灰色森林土質地以砂質為主，土壤孔隙主要以非毛管孔隙為主，所以水分散較快。白漿土白漿土的水分特征曲線非常平緩(即土壤水分變化微弱)。

大興安嶺地區山嶺和山麓發育的土壤土層較薄，土壤質地以細砂質為主，表層/亞表層出現礫石。整個土層除了表層的飽和含水量高達38.72%外，5 cm以下土壤的飽和含水率都在22%以下。外加暗棕壤位于坡麓位置，坡度較大，該地區土壤持水性主要體現在地表的枯枝落葉層，一旦枯枝落葉層受到破壞整個山嶺表層的土壤將發生嚴重的水土流失。

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