倭肯河上游兩種林型枯落物和土壤持水特性

劉忠玲, 劉建明, 呂躍東

(黑龍江省林業科學研究所, 哈爾濱150081)

森林枯落物層表面積大，疏松多孔，具有明顯的截持降雨、延緩降水沿坡地流失，促進降水下滲，調節地表徑流、減少土壤流失及改善土壤理化性質功能，從而起到保持水土和水源涵養的作用，是森林生態系統調節水分分配的第二作用層。根系土壤層具有較高的蓄水能力，其特有的孔隙結構對水分滲透、滲蓄起到調節作用，是第三作用層[1-4]。不同類型的森林植被會影響森林水文調節效果，渾河上游4種林分枯落物最大持水量排序為日本落葉松(Larixkaempferi)人工林>遼東櫟(Quercusliaotungensis)天然次生林>核桃楸(Juglansmandshurica)闊葉混交林>冷杉(Abiesnephrolepis)針闊混交林，長白山4種林分枯落物最大持水量排序為白樺(Betulaplatyphylla)林>落葉闊葉林>雜木林>紅松(Pinuskoraiensis)闊葉林，冀西北地區4種林分林地持水量白樺林>華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)林>云杉(Piceawilsonii)林>山楊(Populusdavidiana)林，阿什河源頭核桃楸—紅松林林分保水蓄水能力優于紅松純林及其他紅松闊葉混交林[5-8]。雜木林是北方常見林型，處于不同的演替階段，郁閉度各異，樹種組成復雜，很難用借鑒他人的研究結果來評價本地林分持水能力，闊葉紅松林也會由于林內闊葉樹種的不同而具有不同的持水能力。

孟家崗林場施業區為松花江水系的倭肯河的一級支流源頭匯水區，人工林約占森林總面積的2/3，次生林約占1/3[9]，人工林的木材生產已經實現了永續利用，次生林發揮著重要的涵養水源作用。這些次生林主要有兩種類型，有多年來一直封山育林形成的雜木林，也有一些是采取栽針保闊經營措施形成的闊葉紅松林，而這兩種林型的枯落物和土壤持水特性尚不明確。本文以倭肯河源頭的雜木林和闊葉紅松林為研究對象，分析其枯落物和土壤水文特性，可為水源涵養林的結構調控提供參考。

1 研究區概況

研究地點位于黑龍江省樺南縣孟家崗林場(130°32′42″—130°52′36″E，46°20′16″—46°30′50″N)，屬完達山西麓余脈，以低山丘陵為主，平均海拔250 m，坡度較為平緩，大部分坡度為10°～20°，土壤以暗棕壤為主。屬東亞大陸性季風氣候，年平均氣溫2.7℃，極端最高氣溫35.6℃，最低氣溫-34.7 ℃。年平均降水量550 mm，無霜期120 d左右，≥10℃的積溫為2 547℃[9]。試驗林位于陽坡的中下坡位置，按樹種組成可以分為雜木林和闊葉紅松林，雜木林為封山育林林分，闊葉紅松林為栽針保闊后形成。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2016年5月，在雜木林(記為MZ1)和闊葉紅松林(記為MZ2)中各設置3塊20 m×25 m標準地，調查樣地立地因子，每木檢尺，樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本特征

2.2 林下枯落物采集與蓄積量測定

2016年5月下旬，在各標準地內沿一條對角線設置3個50 cm×50 cm的枯落物收集樣方，利用砍刀、枝剪等工具將樣方邊界內外枯落物斷開，記錄枯落物層厚度，將每個樣方內的枯落物分別按未分解層和半分解層裝入密封袋中，即每個標準地收集6袋。將分層的枯落物帶回實驗室，未分解層分選為枝、葉2種類型，闊葉紅松林未分解層葉分選為針葉、闊葉兩種，分別稱其自然狀態質量，80℃烘箱中烘至恒重后稱其烘干質量，以烘干質量推算枯落物蓄積量[6]。

2.3 枯落物持水的測定

將上述烘干后的樣品裝入網眼為0.5 mm的尼龍網袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡(各類型的浸泡樣品均為每個樣方內該類型的全部樣品)。分別在浸泡前、浸泡0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時取出，靜置至不滴水時立即稱質量，計算持水量、吸水速率、攔蓄量等指標[6]。

2.4 土壤持水的測定

采用剖面法，在各個樣地四角及中心選擇5個剖面，用環刀(100 cm3)在每個剖面上按照(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)分層采樣，每層采樣1個。用烘干法測定土壤含水量；用環刀法測定土壤容重、孔隙度[7]。

2.5 數據統計與分析

采用Excel軟件，進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性水平為0.05，采用Excel制圖。

3 結果與分析

3.1 枯落物層厚度和蓄積量

兩林分枯落物層厚度和蓄積量差異不顯著(p>0.05)，MZ1枯落物層厚度大于MZ2，蓄積量低于MZ2。MZ1未分解層厚度及蓄積量大于半分解層，MZ2相反。MZ2未分解層中針、闊葉蓄積量分別為2.17，1.44 t/hm2，比值為1.5∶1(表2)。

表2 枯落物層厚度及蓄積量

3.2 枯落物持水能力

3.2.1 枯落物持水過程 兩林分的不同枯落物層持水量隨浸水時間的延長均呈對數型增加趨勢(圖1，表3)，浸水0.5 h，持水量急速增加，持水量可達最大持水量的72%以上，浸水1～4 h，持水量增加變緩，隨后持水量增加速度保持穩定，10 h持水量達到最大持水量的93%以上。在浸水過程中，枯落物層持水量MZ1低于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。MZ1未分解層和半分解層含水量相近，MZ2半分解層持水量高于未分解層持水量。

圖1 枯落物持水量隨浸泡時間的變化

表3 枯落物持水量及吸水速率特征曲線擬合

兩林分的不同枯落物層吸水速率隨浸水時間的變化均呈冪指數趨勢(圖2，表3)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直線下降，隨后吸水速率下降變緩，直至枯落物吸水速率趨向一致，曲線趨于平直，枯落物吸水飽和(圖2)。在浸水過程中，枯落物層吸水速率MZ1慢于MZ2。MZ1未分解層吸水速率在0.5 h內大于半分解層，0.5 h后小于半分解層吸水速率，而MZ2半分解層吸水速率在24 h內始終大于未分解層。

圖2 枯落物吸水速率隨浸泡時間的變化

3.2.2 枯落物自然持水量、最大持水量和有效攔蓄量 兩林分的不同枯落物層自然含水量均為MZ2>MZ1，差異不顯著(p>0.05)，半分解層自然含水量高于未分解層(表4)。

表4 枯落物自然含水量 t/hm2

兩林分的枯落物層最大持水量，相當于可吸收2.0～2.5 mm的降水，MZ2>MZ1。MZ2未分解層最大持水量低于MZ1，半分解層最大持水量高于MZ1(表5)。MZ1未分解層最大持水量高于半分解層，MZ2未分解層最大持水量低于半分解層。未分解層從枯落物組成來看，均為葉的最大持水量大于枝條，表明枯落物未分解層持水量主要受葉片影響。兩林分枯落物層最大持水率相當于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水(表5)。MZ1枯落物未分解層枝、半分解層、全部枯落物最大持水率低于MZ2同層最大持水率，未分解層葉最大持水率顯著高于MZ2(p<0.05)。

表5 枯落物最大持水量和最大持水率

一般用最大持水率(量)估算枯落物層對降雨的攔蓄能力會偏高，而有效攔蓄率(量)則能反映枯落物層對降雨的實際攔蓄情況。兩林分的枯落物有效攔蓄量差異不顯著(p>0.05)，MZ2>MZ1，未分解層有效攔蓄量高于半分解層(表6)。兩林分的枯落物的有效攔蓄率范圍為114.86%～128.10%，MZ1有效攔蓄率高于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。

表6 枯落物攔蓄量和有效攔蓄率

對MZ2枯落物未分解層不同類型葉片浸水過程中的持水特性進行比較，闊葉自然水含水量高于針葉自然含水量，闊葉的最大持水率(量)和有效攔蓄率(量)顯著高于針葉最大持水率(量)和有效攔蓄率(量)(表7)。說明闊葉紅松林因其半分解層分解慢儲量高(表2)而在最大持水量和有效攔蓄量指標方面高于雜木林(表5—6)。

表7 不同類型葉片枯落物持水特性

3.3 土壤水文效應

3.3.1 土壤物理性質 林地土壤容重和孔隙度是體現土壤物理性狀的基本指標，反映了土壤的整體結構狀況。在0—30 cm深的土層中，MZ1土壤容重平均值大于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。MZ1土壤總孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)。

表8 兩種林分不同土壤層的物理性狀及持水量

從空間垂直角度來看，隨土層深度增加，2種林分土壤容重逐漸增加，總孔隙度逐漸降低(表8)。主要原因是隨土壤加深，土壤有機質含量逐漸減少，土壤疏松度下降，這也對提高土壤水源涵養能力起著積極作用。土壤孔隙度的變化趨勢與容重變化大體相反，雜木林毛管孔隙度逐漸降低，闊葉紅松林中非毛管孔隙度逐漸降低；非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0—10 cm土層，說明表層土壤通透性較好。

3.3.2 土壤持水能力 MZ2的最大持水量和有效持水量均高于MZ1，差異不顯著(表8，p>0.05)，隨著土層加深，MZ1最大持水量逐漸減小，MZ2最大持水量和有效持水量均逐漸減小(表8)。最大持水量和有效持水量最大值都在0—10 cm土層，說明表層土壤蓄水能力較強。

3.4 枯落物和土壤的水文效應綜合評價

森林持水能力主要受枯落物層和土壤層兩層影響，可以說林地最大持水量相當于水源涵養能力的理論值，而有效持水量更能反映其實際持水能力[10]。MZ2的最大持水量總和、有效持水量總和均高于MZ1，表明闊葉紅松林的持水量更高(表9)。2種林分土壤層最大持水量占林分最大持水量總和的百分比達到98%以上，土壤層有效持水量占林分有效持水量總和的90%以上，說明土壤層對森林涵養水源的作用是主要的。

表9 枯落物層和土壤層的持水總量 t/hm2

4 討論與結論

4.1 討 論

MZ1枯落物層厚度大于MZ2，蓄積量低于MZ2，主要是由于雖然MZ1未分解層厚度大于MZ2，但蓄積量低(表2)。林分樹種組成不同導致枯落葉組成不同，MZ1林內主要是闊葉樹種，葉片之間空隙大，MZ2是闊葉紅松林，針葉分散在闊葉之間，因此可能導致MZ1林分雖然未分解層厚度大于MZ2，但是蓄積量低于MZ2。

MZ1未分解層厚度及蓄積量大于半分解層，MZ2未分解層蓄積量小于半分解層，主要是由于MZ2林內針葉分解速度慢[11]，半分解層枯落物累積多造成的，也表明MZ1未分解層對持水量影響較大，而MZ2半分解層對持水量影響較大。對持水量的分析也發現MZ1未分解層和半分解層含水量相近，MZ2半分解層持水量高于未分解層持水量(圖1)。在浸水過程中，MZ1枯落物半分解層持水量低于MZ2(圖1)，吸水速率慢于MZ2，而未分解層吸水速率相近(圖2)，導致在浸水過程中MZ1枯落物層持水量低于MZ2枯落物層持水量(圖1)，吸水速率慢于MZ2(圖2)，最大持水量低于MZ2(表5)。受枯落物蓄積量影響，最大持水率變化規律與最大持水量不完全一致；受自然含水量影響，有效攔蓄率變化與最大持水率不一致(表5—6)。MZ1未分解層葉最大持水率顯著高于MZ2未分解層葉最大持水率(表5)，主要是葉片組成不同，闊葉紅松林未分解層內有大量針葉存在，針葉含有較高的油脂，其吸水速率、最大持水率和有效攔蓄率小于闊葉(表6)。有效攔蓄率考慮了自然含水率，有效攔蓄量考慮了自然含水率與儲量，更能準確地反映枯落物層對降雨的實際攔蓄情況，MZ2有效攔蓄量高于MZ1。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系，吸水速率與與浸水時間呈冪函數關系(表3)。這兩種函數模型與前人研究結果一致。

未分解層自然含水量低于半分解層(表4)，有效攔蓄量高于半分解層(表6)，表明在無雨時，林內枯落物水分主要貯存在半分解層，在降雨時，未分解層能發揮更大的截持降雨作用。持水量隨浸水時間呈對數增長，吸水速率隨浸水時間呈冪指數下降，說明林地枯落物對短時、高強度的降雨有較好的攔蓄功能[7]，林內降雨小于1.5 mm時，試驗林分內將不會產生地表徑流(圖1)。

有研究表明，冀北地區雜木林枯落物蓄積量11.43 t/hm2[1]，老禿頂子國家級自然保護區雜木林枯落物蓄積量13.77 t/hm2[2]，吉林延邊八家子林業局雜木林枯落物蓄積量4.67 t/hm2，紅松闊葉林枯落物蓄積量4.62 t/hm2[6]，遼寧省清原甘井子林場的雜木林枯落物蓄積量15.58 t/hm2[11]，遼寧省試驗林場以槭屬、椴樹屬、榆屬為主的林分枯落物蓄積量11.6 t/hm2[12]，遼西海棠山自然保護區雜木林枯落物蓄積量3.68 t/hm2[13]，阿什河流域天然雜木林林分枯落物蓄積量5.96 t/hm2[14]，針闊混交林枯落物蓄積量22.48 t/hm2[15]，這些林分的枯落物最大持水量范圍為10.9～75.19 t/hm2。本試驗林分枯落物蓄積量為8.07～9.85 t/hm2，最大持水量20.3～25.3 t/hm2，與其他地區雜木林和闊葉紅松林相比較，枯落物層持水能力水平中等偏下。

一定土壤厚度條件下土壤的貯水能力取決于暫時蓄存在非毛管孔隙中的自由重力水[13]。MZ1土壤容重平均值大于MZ2，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)，說明MZ2土壤非毛管孔隙度大，土壤通透性好，降水下滲較快，從而減少地表徑流，起到更好地涵養水源作用。土壤有效持水量取決于非毛管孔隙度，所以MZ2有效持水量也高于MZ1。

冀北地區闊葉雜木林0—40 cm非毛管孔隙度8.62%，有效持水量323 t/hm2[1]，遼西海棠山自然保護區雜木林0—40 cm土壤非毛管孔隙度1.40%，有效持水量為55.8 t/hm2[13]，阿什河上游闊葉紅松林土壤0—40 cm非毛管孔隙度9.57%，有效持水量392.80 t/hm2[15]，長白山闊葉紅松林土壤0—30 cm非毛管孔隙度14.21%，有效持水量426.46 t/hm2[16]，本試驗林分土壤非毛管孔隙度3.00～4.44%，有效持水量89.96～133.32 t/hm2，與其他地區雜木林和闊葉紅松林相比較，土壤持水能力水平中等。

4.2 結 論

試驗兩種林型枯落物厚度約7.5 cm，總蓄積量為8.07～9.85 t/hm2，最大持水量相當于可吸收2.0～2.5 mm的降水，最大持水率相當于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水，有效攔蓄量相當于1.0～1.1 mm的降水。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系(R2>0.9843)，吸水速率與浸水時間呈冪函數關系(R2>0.9999)。土壤容重變化范圍為1.13～1.21 g/cm3，隨著土層深度增加，容重增加。土壤最大持水量范圍為1 509.74～1 542.17 t/hm2，土壤有效持水量范圍為89.96 ～133.32 t/hm2。土壤層有效持水量占林分總持水量的90%以上。

本試驗區域的兩種林型，闊葉紅松林密度低，長勢好，郁閉度高。闊葉紅松林枯落物層蓄積、最大持水量和有效攔蓄量，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、有效持水量均高于雜木林。以森林水源涵養為功能導向時，兩種林型無顯著差異，可不進行結構調整，進一步開展林分密度調整對枯落物和土壤持水影響的研究。

致謝：研究中得到了孟家崗林場的大力支持，在此表示感謝。