白石水庫流域森林生態系統枯落物層和土壤層水文效應研究

王賀余

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

森林作為陸地生態系統分布范圍最廣、占地面積最大的重要性環境資源之一，在固土保肥、涵養水源、保持水土、抵御旱澇、調節大氣水文循環、消減洪峰及凈化水質等方面具有重要的生態價值。根據森林系統的垂直結構特征可將其劃分為土壤層、枯落物層和林冠層3個層次，降水經林冠層的重新分配作用后一部分被截流，另一部分則被枯落物截流用于大氣降水循環和土壤入滲，由此發揮森林系統涵養水源的功能。枯落物層作為森林垂直結構體系中涵養水源的主要層次，具有保持水土、增大降水入滲、改善土壤性質及攔蓄地表徑流等功能；同時，枯落物的分解不僅可提升土壤滲透性及改善土壤結構，而且可增加土壤有機質的含量、維持固碳和儲存養分等生態功能，為生物生長提供所需要的能量與養分。土壤層屬于森林水文效應系統中大氣-植被-土壤連續體SPAC的調節器與儲存庫，在水文調節、大氣降水循環、物質交流、能量流動等過程中發揮著巨大作用。因此，探討森林水文過程的前提與基礎是對枯落物層和土壤層水文效應的深入研究[1-3]。

白石水庫為阜新、錦州、朝陽等城市重要的飲用水水源地，其水質狀況直接關系著區域經濟發展和居民身體健康。近年來，水生態環境健康越來越引起人們的關注，針對不同植被類型的水源涵養功能從土壤層及枯落物層水文效應的角度分析，對于建設與保護白石水庫流域森林生態系統和水源地水生態安全具有重要意義。現有研究主要側重于白石水庫流域土壤淋溶特征、無機氮含量、重金屬污染和水質健康等方面，而涉及水源涵養功能和枯落物的研究還鮮有報道。鑒于此，文章以白石水庫3種不同植被類型為例，定量分析了刺槐、落葉松、油松林的土壤層和枯落物層水文效應及水源涵養功能，以期為建設和管理白石水庫流域水源涵養林提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 區域概況

白石水庫位于大凌河干流上，是一座以排澇、供水、農田灌溉為主，兼具水產養殖、旅游觀光、發電等功能的大型水利工程，總控制面積17649km2。大凌河主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，河流全長398km，年均徑流量16.67億m3，河床比降0.25%，含沙量57kg/m3。流域內地貌形態以山丘為主，極少數地區為平原區，河流兩側分散著較多數量的沖澗，沖澗兩側崗塝地以經濟林、旱作物為主，緩坡介于5-10°；林區高差較大，地面坡度約為10°。土質類別為黃棕壤土，土壤層有效磷含量9.7ppm，有效鉀125ppm，全氮0.094%，有機質含量2.4%，水源涵養能力差。白石水庫流域屬于溫帶大陸性季風氣候區，日照充足、雨量充沛、氣候溫和，年均氣溫9.1℃，年均降水量886.2mm，其中52%降水量集中在6-8月份。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林與針葉闊葉過渡型，植被類型近100多種，多達30多科。由于人類不合理開發和自然環境限制，人工植被較多而原生植被不斷減少，林木植被以蒙古櫟、刺槐、山楊、白樺等闊葉林和落葉松、油松等人工林為主，低矮灌木和天然雜草有胡枝子、紫穗槐、刺五加、車前草、狹葉蕁麻、紫花地丁等，且分布在道路和河坡兩側[4-18]。

1.2 樣地設置

2018年6月，在白石水庫流域選取刺槐天然次生林、落葉松人工林和油松人工林3種不同植被類型，然后設置3個20m×20m的試驗小區。樣地基本情況和植被類型，見表1。其中，油松人工林下有委陵菜、馬塘等草本植被，林草覆蓋率較低；落葉松人工林下有車前草、紫花地丁等植被，林草植被少；刺槐天然次生林下有葎草 、藜 、車前草等草本植物和懸鉤子、忍冬、胡枝子等灌木。

表1 樣地基本情況和植被類型

1.3 研究方法

不同植被類型的根系生長狀況、分解程度、枯枝落葉組成等，在很大程度上決定了土壤層水文物理性質的差異性，而降水氣候、林木生長發育、植被類型、枯落物產量等因素均可對枯落物蓄積量產生影響，文章采用如下方法定量分析不同植被的枯落物層和土壤層的水文效應，具體如下：

1)枯落物持水性能測定及蓄積量調查。針對不同林分類型樣地隨機選取5個50cm×50cm的小樣方，根據未分解、半分解枯落物進行分層取樣，測定各層厚度及鮮質量。在75℃條件下將分層樣品室內烘干，通過計算自然含水率確定各樣地枯落物蓄積量。枯落物持水性能利用室內浸水法測定，在水體中放入烘干的枯落物并浸泡24h、10h、8h、6h、4h、2h、1h、0.5h、0.25h后記錄濕重，通過研究樣本的質量變化特征揭示枯落物吸水過程、吸水速度及其最大持水量。為準確評價不同枯落對物攔蓄降雨量的作用程度引入有效攔蓄量因子，其測定方法如下：

W=(0.85Rm-R0)×M

(1)

式中：W、M分別為有效攔蓄量和枯落物蓄積量，t/hm2；Rm、R0為持水率最大值和平均自然含水率，%。

2)土壤水分物理性質的測定。采用隨機取樣法對各類型樣地分別布設3個樣點，挖土壤剖面并對20-30、10-20、0-10cm厚的土層利用100cm3環刀取樣。采用環刀法和烘干法測定土壤的總孔隙度、毛管、非毛管和含水量。采用下述計算方法確定土壤蓄水性能，即：

S=10000Ph

(2)

式中：P、S為孔隙度和持水量，%、t/hm2；h為土層厚，cm。

3)土壤入滲性能的測定。采用自制的內徑15cm、外徑為25cm、高25cm的雙環測定土壤的入滲性能，對各林分類型的土壤利用雙環豎直砸入10cm高度，然后在內、外環中注入水并維持在10cm水平面，單位時間的耗水量采用內環中放置的標尺讀取。

1.4 數據處理

數據的統計分析利用SPSS18.0工具實現，作圖軟件為Origin8.0，對不同林分類型的土壤與枯落物的持水能力差異性采用單因素方法分析，α=0.05顯著性水平的多重比較分析選用最小顯著差異LSD法完成。

2 結果與分析

2.1 枯落物蓄積量

枯落物的分解速度及其輸入量多少決定了枯落物蓄積量的大小，是反映森林水文效應的重要參數。所以，枯落物蓄積量與林地水熱條件、林分生長狀況、植被類型等間接因素存在相關性。枯落物有效蓄積量，見表2。根據表2可以看出，3種植被類型的枯落物蓄積量的差異水平顯著p<0.05，而枯落物厚度的差異性水平不顯著p>0.05。總蓄積量最大、最小的林分類型分別為刺槐的39.22t/hm2和落葉松的23.21t/hm2，油松林居中為33.36t/hm2。對比分析各林分類型不同層次的枯落物占比可知，刺槐天然次生林的半分解層占比較大為51.12%，其他2種植被類型的未分解層占比較大為59.34%、59.76%、，其原因為針葉林枯落物分解較慢而闊葉林枯落物分解較快相關。

表2 枯落物有效蓄積量

2.2 枯落物層水文效應

1)枯落物最大持水量。枯落物的持水能力一般選用干質量枯落物的持水率與持水量最大值描述，其分解累計狀況、林齡、組成及植被類型等因素均可在一定程度上影響其大小。3種典型枯落物持水量與持水率最大值，見表3。根據表3可知，3種不同林分類型的最大持水量處于50.90-109.41t/hm2，其中最大、最小持水量分別為刺槐和落葉松。3種不同林分類型的最大持水率為212.29%-314.26%，從小到大依次為油松林212.29%、落葉松人工林247.66%和刺槐天然次生林314.26%。持水量和持水率最大的均為刺槐天然次生林，而其他2種林分類型的規律性變化不盡相同，這可能與枯落物分解陳固定、蓄積量和植被類型等因素相關。

表3 3種典型枯落物持水量與持水率最大值

續表3 3種典型枯落物持水量與持水率最大值

2)枯落物有效攔蓄量。枯落物的持水能力采用最大持水量和持水率來描述，而無法反映降雨徑流的實際攔蓄能力和攔蓄量，為更加客觀、真實的描述實際攔蓄降水量引入枯落物有效攔蓄量指標。3種典型植被的枯落物有效攔蓄量，見表4。根據表4可知，半分解層、未分解層的攔蓄能力因林分類型的不同而存在一定差異。各林分類型的有效持水率平均值變化區間為156.96%-232.02%，自小到大依次為油松林156.96%、落葉松178.40%和刺槐天然次生林232.02%。由于蓄積量、枯落物層厚度在不同林分類型下存在一定差異，從而使得有效攔蓄深和攔蓄量不同，有效攔蓄量從小達到依次為落葉松41.65t·hm2、油松林51.82t·hm2和刺槐天然次生林90.63t·hm2，這與4.16、5.18、9.06mm的降雨攔蓄量相當。不同植被類型的有效攔蓄深表現出相同的變化規律，總體而言對降雨攔蓄能力最強的為刺槐天然次生林。

3)枯落物持水過程。浸水時間是影響枯落物持水量的直接因素，二者存在密切關系。從圖1可以看出，半分解層、未分解層持水量變化特征在3種不同植被類型中呈現出相同的變化趨勢，即持水量在1h浸水時間內顯著增大，單位時間內的持水量隨浸泡時間的推移而逐漸降低，直至趨于飽和。持水量最大和最小的為刺槐天然次生林、落葉松，且相對于未分解層半分解層持水量明顯較高，顯著性P<0.05。另外，在半分解層、未分解層中3種不同枯落物趨于飽和的時間約為8h、10h，由此表明相對于半分解層未分解層的持水能力較大。

表4 3種典型植被的枯落物有效攔蓄量

采用Origine軟件擬合3種不同枯落物的浸水時間與持水量關系，二者呈現出對數函數特征如下：

y=aInt+b;(R2>0.91)

(3)

式中：a、b為方程系數和常數項；t、y為浸水時間和持水量，h、t/hm2。半分解層、未分解層中3種不同枯落物的浸水時間與持水量關系式，枯落物層浸水時間與持水量關系特征，見表5。

(a)半分解層

(b)未分解層

4)枯落物吸水速率。枯落物吸水時間與吸水速率擬合過程，見圖2。根據圖2可以看出，白石水庫流域各林分類型枯落物浸水時間與吸水速率間呈現出“逆J”形曲線變化特征，在0-1h之間吸水速率隨時間的增長迅速增大，隨后開始緩慢下降并于4h后趨于穩定，吸水速率在浸水24h后趨于0，即達到飽和穩定狀態。在浸水初期不同林分類型枯落物的吸水速度相差較大，落葉松和油松人工林顯著低于刺槐天然次生林，但吸水速率隨著時間的推移逐漸區域穩定。采用Origine軟件擬合浸水時間與枯落物吸水速率的相關關系如下：

v=ktn;(R2>0.93)

(4)

式中：n、k為常數項與方程系數；v、t為吸水速率和浸水時間，t/(hm2·h)、h。各林分類型枯落物浸水時間與未分解層、半分解層吸水速率的關系式，浸水時間與吸水速率關系特征，見表6。

表5 枯落物層浸水時間與持水量關系特征

表6 浸水時間與吸水速率關系特征

2.3 土壤層水文效應

1)土壤物理性質。土壤的通氣透水性能與孔隙度、土壤容重密切相關，二者是描述土壤水文物理性質和水源涵養功能的重要參數。丘陵山區小流域土壤物理性質，見表7。根據表7可知，土壤容重差異性在3種植被類型中呈不顯著性特征(p>0.05)，具體而言土壤容重最大值的為落葉松人工林的1.24g/cm3，其次為有松林為1.16g/cm3，容重最小值為刺槐天然次生林的1.09g/cm3；通過對比0-30cm不同深度的容重值可知，隨著深度的增大各類型土壤容重均呈不斷增加趨勢。土壤的疏松程度利用總孔隙度反映，總孔隙度最大、最小值為刺槐的30.17%和油松人工林的27.85%，落葉松為28.96%；土壤的持水能力在一定程度上可對非毛管孔隙度產生影響，非毛管孔隙度的變化特征為：落葉松人工林(2.15%)<油松林人工林(2.22%)<刺槐天然次生林(2.94%)；隨著土層深的不斷增大，土壤非毛管孔隙度、總孔隙度呈逐漸降低的變化特征，而落葉松與油松的毛管孔隙度逐漸減少，在10-20cm土層中刺槐天然次生林的毛管孔隙度最大。

(a)半分解層

(b)未分解層

表7 丘陵山區小流域土壤物理性質

續表7 丘陵山區小流域土壤物理性質

2)土壤持水能力。土壤飽和持水量體現了土壤調蓄水分的能力及其涵蓄水源的潛力，主要由非毛管和毛管孔隙貯蓄量構成。因此，地下水補給、土壤潛流、地表徑流等均受到土壤持水能力的影響。土壤有效持水量的大小與非毛管孔隙的水分貯存量的多少密切相關，持水能力隨水分貯存量的增大而提升。白石水庫流域流域不同林分類型，其土壤物理性質、有效持水量和飽和持水量存在一定差異。根據表7可知，土壤飽和持水量最大、最小的分別為刺槐天然次生林和落葉松人工林，為301.79t/hm2、279.36t/hm2，隨土層深的增大不同土層的同一植被的飽和持水量呈不斷減少的變化趨勢。3種植被類型的有效持水量由低到高依次為：落葉松林21.67t/hm2、油松林28.98t/hm2、刺槐林29.57t/hm2。綜合考慮以上分析結果，土壤持水能力最強的為刺槐天然次生林。

3)土壤入滲。土壤的滲透性為描述土壤水源涵養功能及其物理性質的重要參數之一，直接關系到地表徑流轉化為地下徑流、壤中流的程度。土壤侵蝕量與地表徑流量隨土壤滲透性的增強而減少，因此定量評判土壤滲透性對于分析土壤水文效應、侵蝕性具有重要意義。土壤入滲模型及滲透速度，見表8。根據表8可知，初始入滲速率最大的為刺槐天然次生林26.07mm/min，其次為落葉松18.16mm/min，油松林最小為15.72mm/min，初深速率最大與最小值相差1.66倍。入滲速率隨時間的推移逐漸減小并趨于穩滲，穩滲速率最大的為刺槐天然次生林1.42mm/min，最小的為落葉松1.02mm/min，不同林分類型的穩深速率處于1.02-1.42mm/min之間。在達到穩滲時，落葉松、油松林和刺槐天然次生林的穩滲時間分別為28min、35min、34min左右。采用Origine8.0軟件擬合各林分類型土壤的入滲速率、入滲時間，土壤入滲擬合過程，見圖3，輸出結果顯示入滲時間與速率間具有冪函數關系，即：

f=atb(R2>0.90)

(5)

式中：a、b代表方程系數和指數；t、y代表入滲時間與速率，min、mm/min。

表8 土壤入滲模型及滲透速度

圖3 土壤入滲擬合過程

3 結 論

1)研究區3種不同林分類型的枯落物蓄積量處于23.21-39.22t/hm2之間，枯落物厚度介于5.30-5.88cm，從小達到依次為落葉松<油松林<刺槐天然次生林。刺槐天然次生林的半分解層占比較大為51.12%，其他2種植被類型的未分解層占比較大為59.34%、59.76%、，其原因為針葉林枯落物分解較慢而闊葉林枯落物分解較快相關。

2)3種不同林分類型的最大持水量處于50.90-109.41t/hm2，其中最大、最小持水量分別為刺槐和落葉松；蓄積量、枯落物層厚度在不同林分類型下存在一定差異，這是導致有效攔蓄深和攔蓄量不同的主要因素，有效攔蓄量自小達到為落葉松41.65t·hm2、油松林51.82t·hm2和刺槐天然次生林90.63t·hm2，這與4.16、5.18、9.06mm的降雨攔蓄量相當。不同植被類型的有效攔蓄深表現出相同的變化規律，對降雨攔蓄能力最強的為刺槐天然次生林。

3)半分解層、未分解層持水量變化特征在3種不同植被類型中呈現出相同的變化趨勢，即持水量在1h浸水時間內顯著增大，枯落物半分解層、未分解層趨于飽和的時間約為8h、10h。枯落物的浸水時間與持水量呈現出對數函數特征，顯著性R2>0.91；浸水時間與吸水速率間呈現出“逆J”形曲線變化特征，二者存在冪函數關系，在0-1h吸水速率隨時間的增長迅速增大，隨后開始緩慢下降并于4h后趨于穩定，吸水速率在浸水24h后達到飽和穩定狀態。

4)不同林分類型的土壤容重均值處于1.09-2.24g/cm3，隨著深度的增大各類型土壤容重均呈不斷增加趨勢。土壤總孔隙度處于27.85%-30.17%范圍，非毛管孔隙度的變化特征為落葉松(2.15%)<油松林(2.22%)<刺槐(2.94%)，有效持水量由低到高依次為落葉松林21.67t/hm2、油松林28.98t/hm2、刺槐林29.57t/hm2，土壤持水能力最強的為刺槐天然次生林。

5)初始入滲速率最大的為刺槐天然次生林26.07mm/min，其次為落葉松18.16mm/min，油松林最小為15.72mm/min，初深速率最大與最小值相差1.66倍。穩滲速率最大、最小的為刺槐和落葉松，穩深速率處于1.02-1.42mm/min，落葉松、油松林和刺槐的穩滲時間約為28min、35min、34min。擬合各林分類型土壤的入滲速率、入滲時間發現，二者具有冪函數關系且R2>0.90。