承德市第三鄉林場不同林分類型枯落物和土壤的持水特性

郭宇嘉， 牛慶花， 陸貴巧， 谷建才

(河北農業大學 林學院， 河北 保定 071000)

森林是一種結構復雜且功能多樣的生態系統，其水文效應對于涵養水源、保持水土、科學規劃林分結構等具有重要意義。森林枯落物層作為森林水文效應的第二活動層是森林結構中重要的組成部分[1]。而森林土壤層作為森林水文效應的第三活動層是降雨等水分下滲的管道,同時也是土壤水分的儲蓄庫[1]。林分枯落物層與林分土壤層都可以有效的保持水分、攔蓄降雨、防止地表水分流失。由此看來，對于不同林分類型的持水能力，從枯落物和土壤方面來研究是很有必要的。

近年來，為營造良好的森林生態環境、研究森林水土保持能力，設計合理科學并能涵養水源的林分結構，國內外學者研究了不同林分類型枯落物層和土壤層的水文效應。如常紅娟等[2]利用室內浸水法測定枯落物持水量、持水率、吸水速率。敖特根其木格等[3]調查了內蒙古自治區多倫縣不同林地枯落物持水性能，發現在調查的幾種林分中赤楊林枯落物持水能力最好，灌木林土壤含水率低于喬木林，人工林土壤含水率低于天然林。邢曉光等[4]調查了冀西北山地華北落葉松和白樺林枯落物水文特征，發現白樺林持水能力大于華北落葉松純林。袁娜娜[5]利用室內環刀法測定土壤持水量、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤最大持水量、最小持水量等土壤物理性質。羅金明等[6]調查了大興安嶺針闊混交林區土壤持水效應，發現土壤土層較薄，使得除了枯落物層外其他土層土壤持水性能都弱。另外，很多學者綜合調查了不同地區多種林分類型下的枯落物和土壤的持水能力，比如吳迪等[7]發現在北京九龍山地區側柏純林的土壤持水量最大，黃櫨和油松純林在其之后。周立志等[8]發現落葉松—白樺次生林持水能力比落葉松純林要好。劉芝琴等[9]比較了云南高原金沙江流域的4種純林，發現滇楊林的水文功能最強。孟好軍等[10]則選擇了祁連山地區5種不同灌木林地進行比較，并對其水文效應進行分析等。但是，在這些調查中對承德第三鄉林場枯落物和土壤持水能力的報道卻很少。因此，本文擬對承德第三鄉林場3種林分類型的枯落物及土壤持水特性進行研究，科學選擇持水性能更好的林分類型。

1 研究區概況

研究區位于河北省承德市圍場縣第三鄉林場(42°8′—42°11′N， 117°14′—117°21′E)，是塞罕壩林場的下屬分場，平均海拔1 541 m。 這一地區屬半干旱向半濕潤過渡、寒溫帶向中溫帶過渡，大陸性季風型山地氣候，年平均氣溫3～4 ℃，年平均降雨量可達360 mm，氣候陰冷干旱，無霜期約為105 d。土壤類型有棕壤土、灰色森林土等。主要喬灌木樹種有落葉松(Larixkaempferi)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)，還有少量五角楓(Acermono)、柞樹(Xylosmaracemosum)、衛矛(Euonymusalatus)、蒙古莢蒾(Viburnummongolicum)、錦帶花(Weigelaflorida)、山刺玫(Rosadavurica)、覆盆子(Rubusidaeus)、野山楂(Crataeguscuneata)、毛榛(Corylusmandshurica)等。主要林分類型有落葉松純林(Ⅰ)、落葉松—白樺針闊混交林(Ⅱ)、白樺—山楊闊葉混交林(Ⅲ)。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2017年7月,在研究區內分別選擇落葉松純林、落葉松—白樺—山楊針闊混交林、白樺—山楊闊葉混交林3種典型林分類型，設置20 m×20 m的標準樣地，調查樣地中樹木的樹高、胸徑、年齡、郁閉度以及土壤類型等。其中，郁閉度采用系統樣點觀測法測定[11]，選擇樣地的2條對角線，在對角線上每走一步記做一個樣點，抬頭垂直昂視，若被樹冠遮蓋，記為1,若未被樹冠遮蓋，記為0。利用公式計算：郁閉度=被遮蓋(數字1)樣點的個數/總樣點數 。樣地信息見表1。

表1 樣地基本信息概況

2.2 枯落物蓄積量測定

按照不同坡位(上、中、下)分別在不同林分標準樣地中選取3個1 m×1 m的小樣方，將枯落物按照不同分解層(未分解、半分解)進行收集。然后將枯落物裝進相同規格的塑封袋內并詳細記錄，封存后立即稱其鮮重。最后，將樣品放入烘箱(80 ℃)24 h，烘干結束后稱重并計算枯落物蓄積量。

2.3 枯落物持水量與吸水速率測定

枯落物持水量采用室內浸水法[2]來測定，通過計算得出枯落物的吸水速率。分別取采集自不同分解層(未分解、半分解)的枯落物50 g，裝入尼龍袋中，各重復3次。浸入水中后，分別測定0.25，0.5，1，2，4，6，8，12，24 h的重量變化，拿起裝有枯落物的尼龍袋，需要等待幾分鐘直至袋子不滴水，然后稱其重量。計算公式如下：

枯落物持水量：

Mh=Mt-M0

(1)

式中：Mh——枯落物持水量(g/kg)；Mt——t時刻浸水后枯落物的重量(g)；M0——枯落物的干重(g)。

枯落物吸水速率：

(2)

式中：V——枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕；Mt——t時刻的枯落物持水量(g/kg)；t——枯落物的浸水時間(h)。

枯落物最大持水率：

(3)

式中：Rm——枯落物最大持水率(%)；G24——枯落物浸水24 h后的質量(g)；Gd——枯落物干重(g)。

2.4 枯落物有效攔截量的測定

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[12]。有效攔蓄量是枯落物對降雨的實際攔蓄量。由于枯落物攔截降雨時，有一部分降雨會滲入土壤中，所以有效攔蓄量實際上小于最大攔蓄量[13]。因此，我們選擇用有效攔截量來估計實際枯落物對降水的攔截能力。據研究可知，當降雨量達到20～30 mm后，實際持水率約為最大持水率的85%左右，所以調整系數為0.85，以此來估算實際攔截能力，即有效攔截量[14]。根據以下公式進行計算：

Wm=(Rm-R0)×M

(4)

W=(0.85Rm-R0)×M

(5)

式中：R0——枯落物自然含水率(%)；Rm——枯落物最大持水率(%)；Wm——枯落物最大攔蓄量(t/hm2)；W——枯落物有效攔截量(t/hm2)；M——枯落物蓄積量(t/hm2)。其中枯落物自然含水量用室內烘干法[15]測定。

2.5 土壤物理性質的測定

采用環刀法[5]對土壤的容重和孔隙度等一些物理指標進行測定。在樣地的上、中、下坡用環刀分別收集0—20，20—40，40—60 cm的土壤，各重復3次，分別裝袋封存并記錄。根據以下公式進行計算：

R=10 000hP

(6)

Rmax=10 000hPi

(7)

式中：R——土壤有效持水量(t/hm2)；Rmax——土壤最大持水量(t/hm2)；h——土層厚度(m)；P——非毛管孔隙度(%)；Pi——總孔隙度(%)。

3 結果與分析

3.1 3種林分類型枯落物蓄積量

從枯落物總儲量看：Ⅰ(26.58 t/hm2)>Ⅱ(25.01 t/hm2)>Ⅲ(21.55 t/hm2)(表2)。這是由于Ⅰ屬于針葉純林，針葉比闊葉較難分解，所以其未分解層儲量較多，總枯落物儲量也最多，而Ⅲ屬于闊葉類型的林分，其枯落物比較容易分解，所以枯落物的未分解層儲量較少，總儲量也最少。這幾種林分類型不同分解層枯落物儲量所占比例略有差異，未分解層和半分解層凋落物各占總儲量的50%左右。

表2 3種林分類型枯落物蓄積量

3.2 3種林分類型枯落物水文效應

3.2.1 3種林分類型枯落物最大持水量 枯落物持水量表征了枯落物的持水能力，這與其現存量、自然含水量等密切相關。由表3可見，枯落物最大持水量大小關系為：Ⅲ(56.88 t/hm2)>Ⅱ(56.24 t/hm2)>Ⅰ(51.91 t/hm2)。Ⅲ林分枯落物持水量最大，Ⅰ持水量最小，說明闊葉林分枯落物層能較好的保持水分，而針葉林枯落物層保持水分的能力較差。枯落物的平均持水率大小順序為：Ⅲ(264.89%)>Ⅱ(230.38%)>Ⅰ(204.96%)。這與最大持水量變化趨勢相同。由此可以看出，Ⅰ和Ⅱ比Ⅲ枯落物持水能力差，所以我們在某些地區設計林分時，可以適當的選擇闊葉林來使枯落物層更好的涵養水源。在最大持水量中，半分解層的最大持水量全部大于未分解層最大持水量。

3.2.2 3種林分類型枯落物持水過程 3種林分類型不同分解層枯落物的持水量均隨著時間的增加而逐漸增大，最后趨近于平穩狀態，只是此過程中不同時刻的持水速度不同。由圖1可知，在2 h之前，枯落物持水量增加速度非常快；2 h之后，增加速度開始變慢；在8 h時，增加速度開始平緩，持水量接近于飽和；到24 h，持水量變化不大，一直趨于平穩狀態。這3種林分枯落物持水量變化趨勢大致相同。通過比較，半分解層的持水量比未分解層的持水量大，這種現象說明枯落物半分解層有比較強的持水能力。

表3 3種林分類型最大持水量和最大持水率

圖1 3種林分類型枯落物持水量與浸水時間關系

對持水量與浸水時間進行擬合，通過SPSS軟件，對其進行回歸分析，發現持水量與浸水時間存在以下關系：

Q=alnt+b

(8)

3.2.3 3種林分類型枯落物吸水速率 對于研究區中的3種林分類型枯落物不同分解層的吸水速率，其隨著時間的增加而逐漸減小，最后接近于平穩。這3種林分不同分解層吸水速率變化趨勢大體相同。

由圖2可見，在5 h之前，曲線下降速度快，即吸水速率下降快；5 h之后，曲線下降速度開始放緩，吸水速率才開始逐漸放慢；在24 h左右，吸水速率變化不大，一直趨近于0。從不同分解層的吸水速率來看，未分解層吸水速率都大于半分解層吸水速率。

圖2 3種林分類型吸水速率與浸水時間關系

3.2.4 3種林分類型有效攔截量 由表4可見，3種林分類型的未分解層的最大攔截率：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。最大攔截量：Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ。Ⅲ的最大攔截率和最大攔截量都有最大值，分別為281.59%和29.76 t/hm2；Ⅱ的最大攔截率居中，最大攔截量最小，其值分別為180.98%，21.99 t/hm2。Ⅰ的最大攔截率最小，而最大攔截量在兩者之間，分別為180.87%，23.95 t/hm2。3種林分枯落物的半分解層的最大攔截率：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。最大攔截量變化趨勢與最大攔截率相同。Ⅱ的最大攔截率和最大攔截量都有最大值，分別為252.67%和33.00 t/hm2。Ⅲ的最大攔截率和最大攔截量都最小，分別為206.56%和22.68 t/hm2。而Ⅰ的最大攔截率和最大攔截量值居于兩者之間，為206.77%和27.58 t/hm2。

在3種林分類型的未分解層中，其有效攔截量的大小關系為：Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ。其值分別25.10， 20.20，18.52 t/hm2，分別相當于攔截2.51，2.02，1.85 mm降水。不同分解層的有效攔截量大小變化趨勢不同，半分解層有效攔截量的大小關系為：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，其值分別27.70，23.16，18.80 t/hm2，分別相當于攔截2.77，2.32，1.88 mm降水。由此可知，枯落物半分解層的有效攔截量比未分解層稍大一些，這可能與其蓄積量有關。

從有效攔截量整體看，3種林分類型有效攔截量的關系為：Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。其值分別為46.22，43.90，43.34 t/hm2，分別相當于攔截4.62，4.39，4.34 mm降水。由此可見，Ⅱ這種針闊類型的林分枯落物有效攔截降水的效果更好。

表4 3種林分類型枯落物攔截量

3.3 3種林分類型土壤水文效應

3.3.1 3種林分類型土壤容重 土壤容重是評價土壤物理性質的重要參數，它既是評價土壤緊實度一個重要指標，也可以用來表示土壤質量[16]，它還與土壤孔隙度密切相關[17]。據表5可知，在此次研究的3種林分類型中，土壤深度不同，土壤容重也不同，其變化規律為：隨著土層深度的逐漸增加，土壤容重也增加。這是因為隨著土層深度增加，土壤內的有機質減少，從而土壤更加緊實，容重增大[17]。且從土壤容重的總體來看，3種林分類型土壤容重的關系為：Ⅰ(1.13 g/cm3)>Ⅱ(1.12 g/cm3)>Ⅲ(0.99 g/cm3)。

3.3.2 3種林分類型土壤孔隙度 土壤孔隙度反映土壤透氣狀況和松緊程度[18]。非毛管孔隙在土壤中起到透氣作用，便于水分下滲，有效緩解地表徑流，促進水源涵養作用[19]。由表5可知，3種林分類型下的土壤總孔隙度的關系為：Ⅲ(51.89%)>Ⅱ(49.13%)>Ⅰ(41.38%)。與土壤容重對比發現，這不同于土壤容重的變化趨勢，兩者變化相反，這是因為土壤容重越大，土壤越緊密，孔隙度就會越小。3種林分類型的土壤毛管孔隙度與其總孔隙度大小變化大致相同。而非毛管孔隙度大小變化趨勢為:Ⅱ(9.38 %)> Ⅲ(6.98 %)>Ⅰ(6.79 %)。由上可知，Ⅱ的土壤非孔隙度最大，因此具有良好的透氣性，吸收降水能力也較好。

3.3.3 3種林分類型土壤持水能力 土壤有效持水量與非毛管孔隙度在一定程度上存在關聯,且土壤最大持水量與土壤的總孔隙度又有十分密切的關系。有效持水量反映了土壤水分的調節能力，而最大持水量反映了土壤的總蓄水能力[12]。由表5可知，土壤有效持水量，這3種林分關系為：Ⅱ(187.67 t/hm2)>Ⅲ(139.60 t/hm2)>Ⅰ(137.53 t/hm2)。其最大持水量大小順序為：Ⅲ(1 037.80 t/hm2)>Ⅱ(982.50 t/hm2)>Ⅰ(827.53 t/hm2)。綜合對比，由此可以看出Ⅲ這種闊葉類型的林分和Ⅱ這種針闊類型的林分土壤通透性較好，保持土壤水分的能力也較好。

3.4 3種林分類型枯落物層和土壤層持水能力比較

對不同林分水文特性的研究，需要從枯落物層和土壤層兩部分來進行分析。由表6可知，枯落物和土壤最大持水量總和大小順序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。說明Ⅲ這類闊葉林的持水量最好，Ⅰ這類針葉林最差，Ⅱ居于兩者之間。說明在Ⅰ類針葉林的基礎上適當的種植闊葉樹種，能增加枯落物層和土壤層的持水能力。從枯落物層持水量所占比例來看，其值全部小于10%，而土壤層全部大于90%，說明對不同林分枯落物層和土壤層持水特性進行分析時，土壤層持水能力對總持水特性的影響更大。

表5 3種林分類型土壤物理性質

表6 3種林分類型枯落物層和土壤層持水能力

4 結論與討論

(1) 枯落物量、枯落物性質以及枯落物分解程度，對3種林分枯落物保水功能存在影響。3種林分枯落物儲量大小關系為：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，變化范圍為21.55～26.58 t/hm2。由上可知，Ⅰ枯落物的總儲量雖然大，但是其持水能力相對不好，最可能的原因是枯落物性質不同，如針葉不易分解，且含有較多油脂，不容易吸收水分[20]，而Ⅱ枯落物的儲量大于Ⅲ林分的儲量。同時枯落物分解程度不同，也是枯落物保水能力存在差異的原因。綜合分析，半分解層的最大持水量和最大持水率都高于未分解層。可知分解程度越高，持水能力越強。

(2) 凋落物持水主要表現在浸水后的2～5 h，在降雨時間較短的情況下，凋落物可以發揮很大的持水作用，3種林分類型枯落物持水量與浸水時間變化存在一定的規律，其關系式為：Q=alnt+b。在2 h之前，其持水量增長較快；2 h之后，增長速度開始變慢；大約到8h時，持水量增長趨勢開始平緩，持水量趨近于飽和；到24 h，持水量一直趨于平穩。3種林分類型枯落物吸水速率與浸水時間變化同樣滿足一定規律，其關系式為：V=ktn。在5 h之前，曲線下降速度快，即吸水速率下降快；5 h之后，曲線下降速度開始放緩，吸水速率才開始逐漸放慢；24 h左右，吸水速率接近為0。

(3) 隨土壤深度增加，其容重也增加。且從土壤容重的總體來看，其大小順序為：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。說明Ⅰ層土壤容重最大，Ⅲ層最小。從土壤孔隙度來看，其大小順序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ?？紫抖茸兓厔莶煌谕寥廊葜刈兓厔?，且正好相反，這是由于土壤容重越大，表示土壤越緊實，其孔隙就越小。從土壤最大持水量來看，其大小順序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。從3種林分枯落物層和土壤層持水量所占比例來看，3種林分枯落物的最大持水量大小關系為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，變化范圍為51.88～56.88 t/hm2。3種林分類型枯落物有效攔蓄量大小順序為：Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ，其值變化范圍在43.36 ～46.22 t/hm2之間，分別相當于攔蓄4.34～4.62 mm降水。由此可以看出，Ⅱ，Ⅲ這類林分枯落物有效攔蓄降水的能力較好，Ⅰ有效攔蓄降水的能力最差。因此我們以后意在攔蓄降水時，可以在需要的地區適當的增加闊葉或者針闊混交林分。而在整個保水過程中，土壤層的持水量所占比重遠遠大于枯落物持水量所占比重，都超過90%。因此，土壤層的持水量對研究整體林分的持水能力稍重要些，其影響更大。最后通過綜合對比分析，發現土壤層和枯落物層的最大持水量總和都是Ⅲ最大。因此，在此次研究的3種林分中，Ⅲ這種類型的闊葉混交林的持水能力最好。所以，我們在森林經營中，可以適當多的營造闊葉林，來增強森林枯落物和土壤的持水能力，以此涵養水源，改善我們賴以生存的生態環境。

(4) 本文對第三鄉林場3種代表林分枯落物和土壤持水能力進行研究，由于調查時間不足夠充分和調查過程中存在的一些人為誤差等問題，如測量枯落物厚度出現偏差、測量持水量過程存在試驗失誤等，因此，我們在以后的研究中應更科學、更細致、更嚴謹考慮問題。除此之外，比如土壤容重和孔隙度是描述土壤物理性質的指標[21]，可以一定程度的反映土壤持水能力的大小，但是土壤物理性質還與土壤結構、鹽分、黏粒等[22]有關，這些參數的影響在此次調查中沒有充分考慮，所以在以后的調查研究中，要充分考慮影響參數，適當的增加調查參數，多面化的研究問題等。