北京山區典型林分枯落物層和土壤層水文效應

馬雯靜,曾倩婷，鄭江坤，侯貴榮

(1.四川水利職業技術學院，四川 崇州 611231； 2.四川農業大學 林學院，四川 成都 611130； 3.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

森林水源涵養的功能是森林生態系統重要的生態功能之一[1]，其功能的實現主要是通過林分林冠層、枯落物層與土壤層對降水的再分配完成的[2]。其中，枯落物層和土壤層發揮著重要的水文效應，可以阻延地表徑流、截持降水、增加土壤水分入滲、減少侵蝕、抑制土壤水分蒸發，同時也是森林最基礎、最重要的組成部分[3-6]。因此，對森林枯落物層和土壤層水文功能的研究成為探討森林水文循環過程的基礎和前提。

陳蕾[7]以大興安嶺闊葉混交低質林為例，研究了林下土壤的化學性質及枯落物的持水性；李紅振[8]等選取大興安嶺地區4種樹種組成的林分，對林下枯落物的水源涵養功能進行了系統研究，結果表明不同林分類型枯落物的最大持水量差異顯著；李航[9]等研究了黃土丘陵溝壑區不同植被類型土壤有效水和持水能力，在同一土層間不同植被類型的土壤有效水和土壤持水能力均呈現出蒿禾類草本群落大于一年生草本群落而小于灌木林的規律；周秋文[10]等研究了喀斯特地區不同林型的土壤持水性后發現，在同為石灰土情況下，土壤有效持水量的大小表現為闊葉林最大，其次為混交林，針葉林最小。

目前,國內外許多學者從不同林分分層的枯落物的角度對枯落物的水文效應進行了研究[11-14]，而對未分層枯落物層的整體水文效應研究較少。林下，地表枯落物未分解層、半分解層和全分解層的枯枝落葉分解程度不一致，并且分布不均勻，每層的枯落物厚度也不完全一樣。枯落物的數量和形態發生變化，會導致持水性能的改變[15]。唐國華[15]、常紅娟[16]、胡曉聰[17]研究了我國不同地區不同林地枯落物層的持水性能，結果發現各林地枯落物未分解層持水量大于半分解層持水量；而趙芳[18]、趙錦梅[19]、周巧稚[20]等研究后得出相反的結論，各林地枯落物未分解層持水量小于半分解層持水量。因此，研究林地不分層的枯落物層整體水文效應具有重要意義。本文選取北京山區3種典型林分，研究不同林分不分層的枯落物層整體水文效應和土壤層水文效應，以期為北京山區水土保持造林營造提供一定依據。

1 研究區概況

北京市西部、北部、東部三面環山,山地面積1.04萬km2,占北京市總面積的62%，是北京重要的生態屏障[21]。鷲峰國家森林公園林場試驗區位于北京市海淀區西北部蘇家坨鎮境內，北緯39°54′，東經116°28′，年均氣溫12.5℃，年平均降水量628.9 mm，土壤類型以山地淋溶褐土、棕壤為主[22]。林場內地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，森林覆蓋率高達96.2% ,但原生植被較少，多為20世紀50～60年代營造的人工林，山上林分較為破碎，地下灌木較厚，樹種結構相對單一[23-24]，喬木類型主要是栓皮櫟(Quersusvariabilis)、側柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformis)等[25]；灌木類型主要是荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、構樹(Broussonetiapapyrifera)等；草本植物主要是羊胡子草(Eriophorumvaginatum)、中華卷柏(Selaginellasinensis)等[21]。

2 調查與分析方法

2.1 標準樣地設置

2018年7月的植物生長旺季，在試驗林場內進行調查，選取了油松林、栓皮櫟林和灌木林3個典型林分，其中灌木林以荊條為主；并在所選取的典型林分林地內選擇有代表性的地段，建立了3個20 m×20 m林分標準樣地。每個標準樣地的基本情況如表1所列。

表1 標準樣地基本情況Tab.1 Basic information of different forest types

2.2 枯落物采樣與測定

在每個標準樣地內分上部、中部、下部設置3個20 cm×20 cm的枯落物樣方,3種林地共9個樣方。不分層收集每個樣方內的枯落物并稱其鮮重。稱重后將不分層枯落物裝入紗袋取回，在烘箱85℃下烘干24 h后取出稱其干重。用室內浸泡法測定林下枯落物的持水量，將烘干后的枯落物浸沒于清水中，分別在浸泡1/12，0.25，0.5，1.5，3，7，9，12，24 h后取出，放至枯落物不滴水稱量枯落物濕重。稱量不同浸水時間的枯落物濕重,分別與其干重相減，其差值為枯落物不同浸水時間對應的的持水量；將每個浸水時間間隔持水量的變化值除以該浸水時間間隔，其比值為該時間段內的吸水速率[26]。枯落物的自然含水率、最大持水率、有效持水率、最大持水量和有效持水量的計算公式如下[4]：

Y0=(X0-Xd)/Xd×100%

(1)

Ymax=(X24-Xd)/Xd×100%

(2)

Ysv=0.85Ymax-Y0

(3)

Zmax=Ymax×M

(4)

Zsv=Ysv×M

(5)

式中：X0，Xd，X24為枯落物的鮮重、干重、浸泡24 h后的濕重；Y0，Ymax，Ysv為枯落物的自然含水率、最大持水率、有效持水率；Zmax,Zsv為枯落物的最大持水量和有效持水量，M為枯落物的蓄積量。

2.3 土壤采樣與測定

在各標準樣地內挖土壤剖面，取樣深度分別為：0～20,20～40，40～60 cm和60～80 cm，自上而下用環刀分層取樣，將土樣帶回分析。采用烘干法測定土壤自然含水量，用烘干法和浸水法測定土壤的持水性，用環刀法測定土壤密度、土壤容重和孔隙度等物理指標。土壤持水性能各項指標[17]的計算公式如下：

土壤最大持水量=土壤總孔隙度×土層厚度

土壤非毛管持水量=土壤非毛管孔隙度×土層厚度

土壤毛管持水量=土壤毛管孔隙度×土層厚度

3 結果與分析

3.1 不同林地枯落物的持水能力

3.1.1枯落物的蓄積量及其持水量

由表2可見：3種林地中油松林的枯落物蓄積量最大(32.67t/hm2)，灌木林蓄積量最小(12.93t/hm2)，枯落物蓄積量大小依次為油松林、栓皮櫟林、灌木林。3種林分枯落物蓄積量有一定的差異，差異不顯著(P<0.05)。枯落物蓄積量受到枯落物凋落量、枯落物在地表積累時間和微生物等對枯落物的分解速度的影響[2]，與氣候、水熱等外部環境條件有關[27-28]。栓皮櫟因葉片大，枯落物堆積比較疏松；油松枯落物的分解速度慢，故針葉林枯落物蓄積量大于闊葉林[29-30]。

表2 不同林分類型枯落物持水能力Tab.2 The litter water-holding capacity of different forest types

注：表中數據為平均值±標準差，不同小寫字母表示不同林分類型指標間差異顯著(P<0.05)。

最大持水量和最大持水率可以評價枯落物的持水特性，枯落物的實際攔蓄效果一般用有效攔蓄量和有效攔蓄率來反映[4]。3種林分栓皮櫟林枯落物層最大持水量最大(103.53 t/hm2)，灌木林最大持水量最小(27.30 t/hm2)，通過方差分析，栓皮櫟林與灌木林差異顯著，栓皮櫟林、灌木林與油松林差異不顯著(P<0.05)。枯落物有效攔蓄量除與最大持水量有關外，與枯落物蓄積量和自然含水率的關系密切[26]。3種林分中栓皮櫟林枯落物層有效攔蓄量最大(78.23 t/hm2)，灌木林有效攔蓄量最小(22.30 t/hm2)，通過方差分析，栓皮櫟林與灌木林、油松林差異顯著(P<0.05)。3種林地枯落物層最大持水量和有效攔蓄量表現出一致的規律，從大到小排序依次為栓皮櫟林、油松林、灌木林，說明闊葉林的持水能力和攔蓄降水能力較好，這與枯落物本身的蓄積量以及枯落物的分解狀況、枯落物層的厚度等有關[31]。

3.1.2枯落物持水量隨時間的變化

由圖1可以看出：3種林分的枯落物持水量隨浸水時間變化規律基本一致，持水量隨浸水時間增加而增大，0～2 h內枯落物持水量增加最快，隨后持水量持續增加，但增長的幅度變慢，持水量曲線變得平緩，表明枯落物持水量趨于飽和，持水量達到最大。

圖1 枯落物持水量與浸水時間的關系Fig.1 Change of water capacity of litter

對持水量與浸水時間進行多函數擬合比較，得出枯落物持水量與浸水時間的關系式為

Q=aln﹙t﹚+b

式中：Q為枯落物的持水量；t為浸水時間；a為方程系數；b為方程常數項。相關性較好(R2=0.714～0.949)。

3種林分枯落物在不同浸水時間內持水量有差異，栓皮櫟枯落物在不同浸水時間內高于油松林和灌木林枯落物，灌木林地最小。

3.1.3枯落物吸水速率的變化

枯落物吸水速率可以用來反映枯落物的潛在持水能力，吸水速率越大，在相應時段內，枯落物吸收的水量就越大，從而地表徑流量就越少[13]。從圖2可以看出：枯落物吸水速率與浸水時間有一定的相關關系，隨著時間增加，枯落物吸水速率減小并逐漸趨于平穩。

圖2 枯落物吸水速率與浸水時間的關系Fig.2 Change of water absorption rate of litter

浸水初期枯落物吸水速率最高，隨后的0～1 h急速下降，3 h以后緩慢下降后趨于平緩，12 h后幾乎停止吸水。初期枯落物吸水快，對短歷時、大暴雨所產生的地表徑流影響顯著，其持水能力是調節森林生態系統水分循環的重要環節[32]。將枯落物吸水速率與浸水時間進行函數擬合，得出的其關系式為

V=ktn

式中：V為枯落物吸水速率；k為方程系數；t為浸泡時間；n為方程指數。方程相關性好(R2在0.977～0.998之間)。

3.2 不同林地土壤層的持水能力

林地水分貯存的主要場所是土壤層，土壤層是森林生態系統調節地表水文過程、再分配水資源的載體[33]，其貯水量代表了土壤調蓄水分能力的大小，土壤層持水性能越好，其抗沖刷的能力就越強[34]。

3.2.1土壤持水量的垂直變化

從土壤持水量的垂直變化來看(見圖3)，3種林分土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量變化較復雜。隨土層深度的增加，最大持水量、毛管持水量呈增大趨勢；非毛管持水量先增加，在40 cm土層達到最大，隨后明顯降低。不同林分土壤最大持水量從大到小排序為栓皮櫟林、油松林、灌木林；土壤非毛管持水量從大到小排序為栓皮櫟林、油松林、灌木林。綜合來看，栓皮櫟林持水量較大，土壤持水能力更強。

圖3 土壤持水量垂直分布Fig.3 The vertical change of soil water capacity

3.2.2土壤層持水量

研究結果表明(見表3)：3種林分土壤層土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均表現為表層土壤(0～20 cm)大于同厚度(20～40，40～60，60～80 cm)的深層土壤，究其原因，表層土壤覆蓋有腐爛的枯枝落葉，與外界環境物質的交換頻繁，其在結構、質地以及有機質含量上遠高于深層土壤，土壤容重更小、總孔隙度更大。通常情況下，總孔隙度越大，土壤容重越小，土壤的疏松程度和通氣透水性越好，土壤發育就越好，土壤對水分蓄集和保持的能力越強[34]。

表3 不同林地土壤物理性質和持水能力Tab.3 The soil physical properties and water-holding capacity of different forest types

土壤的持水能力與土壤孔隙度有關，主要是與非毛管孔隙度有關，非毛管孔隙度的大小直接影響著土壤持水性能[17]，它們是決定林分涵養水源功能的重要指標。在0～80 cm土層中，土壤非毛管孔隙度的變動范圍為1.6%～13.2%，由大到小排序依次為栓皮櫟林、油松林、灌木林；土壤毛管孔隙度的變動范圍為30.5%～38.1%，由大到小排序依次為栓皮櫟林、油松林、灌木林。總體來看，栓皮櫟林的土壤透氣性好，利于植物吸收且保水能力強。

3.3 不同林分枯落物層和土壤層持水能力

不同林分類型的水文效應，應包括枯落物層和土壤層兩方面。由表4可知：3種林分枯落物層和土壤層最大持水深總和與有效持水深總和從大到小排序均為栓皮櫟林、油松林、灌木林，說明闊葉林的持水性最好，在營造人工林時，在針葉林和灌木的基礎上適當種植闊葉林，能增加林地的持水能力。從枯落物層和土壤層持水量所占總持水量的比例來看，枯落物層最大持水量和有效持水量的數值均小于10%，說明林地土壤層持水能力對總持水能力的影響更大。

表4 不同林地枯落物層和土壤層持水能力Tab.4 The litter layer and soil layer water-holding capacity of different forest types mm

注：()內數值表示占總持水量的比例，%。

4 結 論

(1) 很多學者研究了不同林地枯落物層的持水性能，結果表明，不同林地未分解層枯落物和半分解層枯落物的持水量變化規律是不一致的。鄭江坤[13]研究川中丘陵區幾種林地發現，對于未分解層枯落物的持水量，慈竹林最大，針闊混交林最小；而未分解層，馬尾松林最大，柏木林最小。趙芳[18]研究林下不同植被枯落物發現，未分解層枯落物攔蓄量，禾本科最大；半分解層，各類型差異不顯著。常紅娟[17]研究華北地區不同林分枯落物持水性能發現，未分解層枯落物持水量，油松林最大，栓皮櫟林最小；而半分解層，油松林最大，針闊混交林最小。本研究結果表明，油松林的枯落物蓄積量最大(32.67 t/hm2)，灌木林荊條蓄積量最小(12.93 t/hm2)，枯落物蓄積量大小依次為油松林、栓皮櫟林、灌木林；整體來看，3種林分枯落物層持水量和土壤層持水量由大到小排序均為栓皮櫟林、油松、灌木林，說明闊葉林的持水性最好，持水能力更強。

(2) 不同林分枯落物持水量與浸泡時間符合方程Q=aln﹙t﹚+b，相關性較好；枯落物層吸水速率與浸水時間符合方程V=ktn，相關性好。土壤層持水量表現為表層土壤(0～20 cm)大于同厚度(20～40，40～60，60～80 cm)的深層土壤；隨土層深度的增加，3種林分土壤分層累加持水量增大。

(3) 從枯落物層和土壤層持水量所占的兩層總持水量比例來看，枯落物層最大持水量和有效持水量的數值均小于10%，說明林地土壤層持水能力對總持水能力的影響更大。

(4) 3種林分中栓皮櫟林枯落物層最大持水量栓皮櫟林與灌木林差異顯著，栓皮櫟林、灌木林與油松林差異不顯著；有效攔蓄量栓皮櫟林與灌木林、油松林差異顯著。3種林地枯落物層最大持水量和有效攔蓄量表現出一致的規律，大小依次為栓皮櫟林、油松林、灌木林。