河北省太行山區3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應

龐夢麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

(河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000)

河北省太行山區3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應

龐夢麗, 朱辰光, 翟博超, 屈 宇

(河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000)

[目的] 揭示人工水土保持林林下枯落物以及土壤持水特征，為太行山區水土保持林的建造和規劃提供理論依據。[方法] 運用烘干法，室內浸泡法，環刀法等得出不同林分林下枯落物蓄積量、持水量、吸水速率、最大持水能力和攔蓄量，比較了不同林分枯落物和土壤的持水能力。[結果] 枯落物總儲量范圍為9.96～19.19 t/hm2，表現為栓皮櫟林總儲量最大，荒坡總儲量最小。枯落物最大持水量變化范圍為23.76～66.72 t/hm2，栓皮櫟—側柏混交林最大，荒坡最小。栓皮櫟—側柏混交林有效攔蓄量可達51.50 t/hm2，在各林分中最大；荒坡有效攔蓄量為19.55 t/hm2，在各林分中最小。枯落物持水量、吸水速率均與浸泡時間呈相關關系，前者為對數關系(R>0.97)，后者為冪函數關系(R>0.98)。各林分土壤容重均值介于1.14～1.55 g/cm3，總孔隙度介于38.62%～43.76%。各林分土壤有效持水量表現為:刺槐林>栓皮櫟—側柏混交林>栓皮櫟林>荒坡，其中刺槐林最大(為106.85 t/hm2)，荒坡最小(為89.37 t/hm2)。[結論] 水土保持林持水能力遠大于荒坡。

太行山; 水土保持林; 枯落物; 土壤水文

文獻參數： 龐夢麗, 朱辰光, 翟博超, 等.河北省太行山區3種人工水土保持林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持通報，2017,37(1)：051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009； Pang Mengli, Zhu Chenguang, Zhai Bochao, et al. Water-holding capacity of litter and soil in three kinds of soil and water conservation forests in Taihang Mountains of Hebei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：051-056.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.009

作為森林與土壤的重要媒介，枯落物發揮著水源涵養、防止水土流失的功能[1]。一般將枯落物分為未分解層和半分解層2個層次。未分解層是指大致保留原狀及質地的枯枝落葉，而半分解層是指還未全部腐敗、人眼可分辨其大體形狀的枯枝落葉[2]。作為森林生態系統最具活力的功能層次之一，枯落物層由于內部結構疏松且分布廣泛，可顯著截持降雨，削弱雨水對土壤的直接沖刷；且具有減少地表水分蒸發，減少土壤流失及改善土壤理化性質的功能，在水源涵養、水土保持，以及促進生態系統物質循環中發揮的作用不可忽視[3-4]。枯落物的儲量以及持水能力是研究森林生態功能的重要依據和理論基礎，而土壤作為森林生態系統的又一重要組成部分，其水文效應是探究森林水文過程的基礎和前提[5]。目前，針對涵養水源的研究表明，枯落物層與土壤層調節降水能力非常可觀[6]。

河北省太行山區存在地域土壤瘠薄、植被面積小，水土流失及旱澇災害頻發等問題。廣大人民積極探索、努力實踐,在發展經濟的同時致力于以林業為主的水土保持生態環境建設,因地制宜、適地適樹進行林草建設等綜合治理。現有研究成果表明這些措施已對該區的生態環境以及經濟建設起到非常積極的作用。本研究擬選擇該區栓皮櫟—側柏混交林、栓皮櫟林、刺槐林等3種典型水土保持林以及對照荒坡為研究對象，對其枯落物以及土壤水文效應進行研究，以期揭示不同林分的水源涵養能力，進而為研究區水土保持林的保護、提質、改造等相關決策提供基礎數據與技術參考。

1 研究區概況

試驗區位于太行山中南部的河北省邢臺市內丘縣侯家莊鄉崗底村。該區為片麻巖山區，位于太行山南段東麓，地理坐標為113°45′—115°50′E，36°45′—37°48′N，海拔518～1 200 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季干旱，夏季高溫多雨，平均氣溫11.6 ℃，最高氣溫為38 ℃，最低氣溫為-19 ℃；年均降水量523 mm，多集中在7—8月，無霜期180 d。土壤以褐土為主，類型為壤土或砂壤土。主要喬木樹種栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)，主要灌木有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、杭子梢(Campylotropismacrocarpa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、雀兒舌頭(Leptopuschinensisvar.chinensis)等，草本多為白蓮蒿(Artemisiasacrorumvar.sacrorum)、中華卷柏(Selaginellasinensis)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、叢生隱子草(Cleistogenescaespitosa)等。

2 研究方法

2.1 樣地調查

于2015年8月實地考察研究區植被特征，選擇了該區典型的栓皮櫟—側柏混交林、栓皮櫟、刺槐以及荒坡作為研究對象。在各林分中分別設置20 m×20 m的標準樣地各3個，記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度，并進行每木檢尺，測量胸徑、樹高等因子，郁閉度采用樣點法目測確定。樣地基本特征如表1所示。

2.2 枯落物儲量調查

在標準樣地內沿對角線設置100 cm×100 cm的樣方3個，用鋼尺測定各樣方內枯落物層厚度，按枯落物未分解層、半分解層分別收納入尼龍袋內，快速稱取鮮重。取樣時盡可能保持枯落物樣品的原始狀態，將樣品取回后用干燥箱在80 ℃恒溫條件下烘24 h后稱其干重，并計算各林分類型枯落物的蓄積量。

表1 研究區各林分樣地概況

2.3 枯落物持水特性測定

采用室內浸泡法[7]，取恒溫烘干的枯落物適量(按不同分解層)裝入網紗袋內浸沒在水中，分別記錄其在0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時的重量，計算在各時段不同分解層次的持水量和持水速率。

2.4 枯落物有效攔蓄量測定

在森林生態系統中，枯落物對降雨的攔截，減弱降水對坡面沖刷起著十分重要的作用。枯落物對降水的實際攔蓄量多使用有效攔蓄量進行估計[8]，公式如下：

W=(0.85Rm-Ro)M

(1)

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——枯落物最大持水率(%)；Ro——枯落物自然含水率(%)；M——枯落物儲量(t/hm2)； 0.85——枯落物有效攔水系數。

2.5 土壤水分與物理性質測定

本研究采用剖面法對土壤進行調查，在各不同林分標準地內隨機選取樣點。由于研究地為片麻巖山區，土層淺薄，受自然環境所限，采用環刀法在已挖掘的剖面上按照0—5，5—10，10—20 cm進行機械取樣。土壤含水量利用烘干法測算，土壤容重以及孔隙度等物理指標采用環刀浸泡法[9]測定。持水量計算公式為:

W=1 000Ph

(2)

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

3 結果與分析

3.1 枯落物厚度與蓄積量

枯落物量是衡量森林生態系統第一生產力的重要指標，枯落物儲量受到枯落物結構、地表積累時間和微生物等對其分解速度的影響，同時林分結構、氣象因素、枯落物自身特性以及人類活動等因素與枯落物儲量也密切相關[10]。

從表2中可以看出，枯落物總厚度變化范圍為32～55 mm，從大到小依次為：Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ，其中Ⅱ厚度最大，Ⅳ厚度最小。總蓄積量存在差異，在9.96～19.19 t/hm2范圍內變動，且Ⅱ>I>Ⅲ>Ⅳ。Ⅱ蓄積量最大，Ⅳ蓄積量最小，I和Ⅲ介于兩者之間。Ⅱ枯落物蓄積量最大，主要是因為Ⅱ郁閉度大，且林下灌草結構豐富，枯落物年生產量大；I郁閉度較低而儲量較大，這可能由于林分組成中闊葉樹種栓皮櫟枯落物年生產力大，且側柏枯落物質地堅硬分解較慢所致；Ⅳ林分結構簡單，枯枝落葉組成相對單調，所以儲量較小。

表2 研究區各林分類型枯落物厚度和儲量

各林分未分解層占其總儲量的百分比依次為：Ⅳ>I>Ⅱ>Ⅲ。Ⅳ枯落物中未分解層比例最大，Ⅲ所占比例最小，I與Ⅱ所占比例介于兩者之間。由于Ⅳ主要為小型灌木，缺少高大喬木遮蔽，蒸發旺盛，缺少促進枯落物分解的水分條件，故Ⅳ枯落物分解程度低；由于枯落物的N，P含量越高，其分解速率越快[11]，而刺槐N，P釋放相對容易[12]，故Ⅲ枯落物分解程度較高。I，Ⅱ，Ⅲ半分解層儲量所占百分比均高于未分解層，這可能在一定程度刺激有機質的分解[13]，提高土壤養分[14]。

3.2 各林分枯落物的持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 從表3可看出，各林分最大持水總量變化范圍為24.54～66.72 t/hm2，從大到小依次表現為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，最大值I約為最小值Ⅳ的2.7倍，表明I持水能力最強，Ⅳ持水能力最弱。結合表2可知，枯落物蓄積量是最大持水量的決定性因素。各林分最大持水率范圍為217.06%～362.92%，從大到小依次表現為：I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，最大值約為最小值的1.7倍，與最大持水量變化不盡相同，這是由于樹種組成不同所造成的[15]。最大持水量可以反映枯落物自身持水能力的大小[16]，但由于降雨因素和枯落物及土壤層的透水性，實際情況中枯落物一般不會被雨水浸泡24 h,使用最大持水量來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力，結果偏高[17]。

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 枯落物自然含水量、最大持水量、最大攔蓄量等指標無法代表枯落物對降雨的實際截留量，只能反映枯落物層自身持水能力的大小，而枯落物對雨水的實際攔蓄量常用有效攔蓄量來估算，它與枯落物總量、水文狀況和降雨特性等因素有關。從表4中可知各林分有效攔蓄能力存在差異，有效攔蓄率在未分解層中從大到小依次為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，最高的是I，最低的是Ⅳ；在半分解層中從高到底依次為：Ⅲ>I>Ⅳ>Ⅱ，最高的是Ⅲ，最低的是Ⅱ。有效攔蓄量在未分解層中I最大，在半分解層中Ⅱ最大，這表明枯落物蓄積量是影響不同林分有效攔蓄量的主要因素[18]。

表3 研究區各林分枯落物最大持水率和最大持水量

表4 研究區各林分枯落物攔蓄能力

3.2.3 枯落物持水量與浸水時間的關系 如圖1可知，各林分枯落物總持水量變化規律大體相似。隨著枯落物浸泡時間逐漸增加，單位時間內的持水量逐漸減少。未分解層持水量由大到小表現為：I>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，在半分解層中：I>Ⅲ>Ⅳ>Ⅱ。

圖1 研究區各林分枯落物持水量與浸水時間的關系

在浸泡初期2 h內隨著浸水時間的增加，曲線呈上升趨勢，表明枯落物正處于快速吸水的階段，浸水時間越久，曲線趨于平緩，表明枯落物持水量逐漸穩定接近飽和。半分解層枯落物持水在6 h左右基本達到飽和狀態，之后隨著浸泡時間的推移，持水量基本未發生較明顯的變化；而未分解層枯落物持水在浸泡6 h后仍繼續增加，在12 h左右出現飽和狀態，這表明未分解層持水能力強于半分解層。

對各林分不同分解層次枯落物在0.5～24 h的持水量與浸泡時間關系進行回歸分析，可知林分枯落物各層持水量與浸水時間均滿足對數關系(表5)，可得出持水量和浸泡時間的關系式：

Q=aln(t)+b

(3)

式中：Q—枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時間(h)；a——系數；b——常數項。

3.2.4 枯落物吸水速率與浸水時間的關系 由圖2可知：各林分枯落物在浸泡1 h內吸水速率最大，隨后吸水速率顯著降低，4～6 h時，吸水速率逐漸減小，浸泡24 h時吸水速率趨向于0，說明此時枯落物吸水基本達到飽和。I枯落物未分解層和半分解層吸水速率在各林分之間始終保持最大。對各林分未分解層和半分解層枯落物的吸水速率與浸水時間的關系進行擬合方程，得出吸水速率和浸泡時間之間的擬合模型(表5)為:

V=aebt

(4)

式中：V——枯落物吸水速度〔g/(kg·h)〕；t——浸泡時間(h)；a，b——常數。可以看出，各層吸水速率與浸水時間均滿足指數關系，相關系數均大于0.98，擬合效果比較好。

表5 研究區各林分枯落物持水量與浸水時間的關系式

圖2 研究區各林分枯落物持水速率與浸水時間的關系

3.3 土壤水文效應

3.3.1 土壤容重與孔隙度 森林的水土保持能力不僅取決于枯落物，且與森林土壤的水源涵養能力有著密切的聯系，土壤主要的物理性狀包括土層的厚度、土壤容重和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)等指標[19]。

土壤容重的大小能夠反映出土壤孔隙狀況和壓實程度。從表6中可看出，I土壤容重最大，Ⅳ最小，土壤總孔隙度變化規律表現為：Ⅲ>I>Ⅱ>Ⅳ，土壤孔隙度隨著土層的厚度增加呈現減少的趨勢，毛管孔隙度與總孔隙度變化規律基本相同。非毛管孔隙度越大，土壤有效水的儲量也隨之增大。非毛管孔隙度呈現的規律為：I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，這可能是由于水土保持林枯落物在土壤表面堆積以及植被根系發育在不同程度上改善了土壤的結構組成，故土壤的非毛管孔隙度大于荒坡。非毛管孔隙度越高說明該林分土壤透氣性和透水性越好，便于水分下滲，有效緩解地表徑流，促進水源涵養作用[20]。

3.3.2 土壤持水能力 土壤層是水分涵養的重要層次，土壤持水量是反映水文效應的重要指標。土壤持水能力與其孔隙度密切相關，土壤越疏松，容重越小，孔隙度越大，土壤通氣性和透水性越強。最大持水量反映了土壤的總蓄水能力，而有效持水量反映了土壤水分的調節能力。從表6可以看出：不同林分類型最大持水量均值大小排序為：I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，I的土壤持水能力最強。各林分土壤有效持水量均值介于89.37～106.85 t/hm2，與非毛管孔隙度成正相關關系，這是由于非毛管孔隙度的高低決定了土壤有效持水量的大小。

4 結 論

(1) 各林分枯落物總蓄積量范圍在9.96～19.19 t/hm2，Ⅱ蓄積量最大，Ⅳ蓄積量最小，不同分解層儲量總體表現為半分解層大于未分解層。枯落物蓄積量與枯落物層厚度密切相關,同時受樹種組成、林分郁閉度等因素的影響。

(2) 各林分林下枯落物持水量與浸泡時間呈明顯對數關系(R>0.97)。枯落物吸水速率與浸泡時間呈明顯冪函數關系(R>0.98)。通過對各林分枯落物最大持水量和有效攔蓄量的研究，I，Ⅱ，Ⅲ明顯大于Ⅳ，水土保持林枯落物的持水能力遠大于荒坡。

(3) 林分類型I的土壤毛管孔隙度最大，Ⅳ的毛管孔隙度最小，而非毛管孔隙度呈現的規律為：林分類型I>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ，說明各水土保持林土壤透氣性和透水性優于荒坡，便于水分下滲，有效緩解地表徑流，促進水源涵養作用。林分類型I，Ⅱ，Ⅲ土壤最大持水量和有效水的儲量均大于Ⅳ，可見水土保持林的建設對于增強該區土壤蓄水能力和水分調節能力起著重要的作用。

表6 各林分土壤物理性質

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Water-holding Capacity of Litter and Soil in Three Kinds of Soil and Water Conservation Forests in Taihang Mountains of Hebei Province

PANG Mengli, ZHU Chenguang, ZHAI Bochao, QU Yu

(CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

[Objective] The objective of this study is to investigate the water-holding capacity of litter and soil and to provide support for planning and planting soil and water conservation forests in Taihang Mountains. [Methods] Drying method, indoor soaking and cutting ring method were used to determine the water holding capacity by litter and soil in different kinds of forest stands. [Results] The total storage by litter ranged from 9.96 t/hm2to 19.19 t/hm2. The maximum water-holding volume of different forests was about 23.76 t/hm2to 66.72 t/hm2, the order wasQuercusvariabilisandPlatycladusorientalismixed forest>Q.variabilisforest >Robiniapseudoacaciaforest>controlled forestland. The maximum effective retaining water of litter occured inQ.variabilisandP.orientalismixed forest while the minimum in controlled forestland. The water-holding capacity of litters and immersion time had visible logarithmic relationship(R>0.97), whereas the litter absorption rate and immersion time followed an exponential relationship(R>0.98). Soil bulk desity was about 1.14 g/cm3to 1.55 g/cm3, the total porosity ranged from 38.62% to 43.76%. The order of effective water-holding capacity of soil in these forests wasR.pseudoacaciaforest>Q.variabilisandP.orientalismixed forest>Q.variabilisforest>controlled forestland( maximum inR.pseudoacacia106.85 t/hm2, while minimum in controlled forest land 89.37 t/hm2). [Conclusion] The water holding capacity of forest lands was much better than controlled forestland.

Taihang Mountains; soil and water conservation forests; litters; porosity

2016-06-21

2016-06-27

國家林業公益性行業科研專項“太行山干旱退化山地旱澇災害生態調控技術研究”(201504408)

龐夢麗(1990—),女(漢族),河南省南陽市人，碩士研究生，研究方向為生態學。E-mail:shenqiuse@qq.com。

屈宇(1960—),男(族漢),河北省保定市人，副教授,主要從事城市景觀生態的教學和研究。E-mail:quyu0312@126.com。

A

1000-288X(2017)01-0051-06

S715.7