內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物層水文效應

朱家晸, 秦富倉, 李 龍,2, 楊振奇, 張若曦

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010018; 2.荒漠生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010000; 3.水利部 牧區科學研究所, 內蒙古 呼和浩特 010018)

森林生態系統是地球各生態系統中最活躍的系統之一，在陸地生態系統中具有涵養水源、調節氣候、促進物質能量流動和保持水土等作用，素有“綠色水庫”之稱[1]。其中，枯落物作為典型的林地表層覆蓋物及林地物質能量循環流動的主要途徑[2]，是森林涵養水源的重要一環，對森林水源涵養能力有著重要影響[3-4]，枯落物層的存在，可消減雨滴動能、延緩產流時間、降低坡面流速、起到降低地表水土流失的作用[5]。枯落物的水文生態功能主要體現在對降雨的吸收及攔蓄上，這與蓄積量、分解狀況、林地類型、氣候氣象、人為活動等多種因子有關[6]。

針對林下枯落物層持水性的研究最早可以追溯到19世紀60年代[7]。之后，國內外眾多學者開始對不同地區、不同生態系統、不同植被類型的枯落物水文效應展開研究。時至今日，已形成了較為完備的理論體系。王鵬程[8]以三峽庫區11種林分為研究對象，提出反映枯落物生態水文效應主要有枯落物吸持水量、吸水速率以及最大吸濕比等指標。在研究枯落物持水的動態過程方面，Robertson等[9]研究得出，枯落物的持水量與其本身蓄積量和厚度成正比。劉宇等[10]在晉西黃土丘陵區不同林分枯落物的浸水試驗中發現，枯落物持水量與浸水時間存在對數曲線關系，而枯落物吸水速率與浸泡時間呈反函數關系，在浸泡最初的0.5 h持水量迅速增加，隨后增幅減小，在12 h以后枯落物吸水達到了最大值，持水量趨于動態平衡。枯落物的水文效應亦與林分類型與分解程度密切相關。龐學勇等[11]對林地水文特性影響的試驗中發現，用人工針葉林代替本地小灌木林，人工針葉林枯落物層保水量高于原生灌木林，且枯落物的半分解層持水量要顯著高于未分解層。

內蒙古自治區清水縣公益林區地處“蒙、陜、晉”三省交界地，是西北黃土丘陵區的重要生態屏障，也是內蒙古南部重要的水源涵養地之一。目前，針對黃土丘陵區枯落物水文效應的研究，大部分是從整體林下枯落物層的持水性能開展，而針對枯落物不同分解程度，開展不同枯落物層水文效應的研究較少。在此基礎上，本研究主要以內蒙古清水河縣公益林區的油松林、落葉松林、山杏林、針闊混交林(山楊+落葉松)、喬灌混交林(山杏+檸條)5種林地類型為研究對象。選取典型喬、灌樹種，系統對比研究其枯落物蓄積量、分布特征及其持水能力，以及林下土壤物理性質和持水能力。以不同林地類型中的林地枯落物層持水特性作為切入點，研究總結清水河縣不同林地類型森林涵養水源能力，旨在為今后黃土丘陵區人工林樹種的選取以及探究適宜的造林發展模式提供參考依據。

1 研究區概況

清水河縣位于內蒙古自治區呼和浩特市最南端(111°21′—112°07′E, 39°35′—40°11′N)，海拔在960～1 837 m之間。縣境內平川95 km2，山地974 km2，丘陵1 499 km2，構成了溝壑和平原并存的地貌類型。林木保存面積8.80×104hm2，森林覆蓋率30.8%，主要樹種有油松、落葉松、檸條、沙棘、杏等。清水河縣地處中溫帶，屬典型的溫帶大陸性季風氣候，雨熱同季，雨量集中，主要集中在6—9月。據當地氣象資料顯示2000—2020年期間，歷年平均降水量為413.8 mm，平均降水日數為75 d，全縣年平均蒸發量達2 577.2 mm；年平均氣溫7.1 ℃。主要有栗鈣土、栗褐土、灰褐土、潮土、風沙土、沼澤土、鹽土、石質土等8個土類。截至2020年1月，全縣公益林總面積2 376.07 km2，分布于全縣8個鄉鎮和1個國有林場。

2 研究方法

2.1 樣地設置與樣地基礎信息調查

試驗于2020年7月在內蒙古自治區呼和浩特市南端的清水河縣展開取樣調查。在不同林地中設置標準樣地，設定時保證地形、土壤和林齡等因素基本一致，立地條件也大致相同，以保證選取樣地內樣品的準確性和一致性[2]。樣地調查均取3個重復，其中喬木調查樣地大小為10 m×10 m，喬灌混交調查樣地大小為15 m×15 m，共計15塊樣地。最后在各樣地中調查測定海拔、樹高、胸徑(根徑)以及郁閉度等基礎信息，具體如表1所示。

表1 內蒙古自治區呼和浩特市南端的清水河縣樣地基本概況

2.2 枯落物收集及蓄積量調查

在各樣地內沿對角線分別設置3個1 m×1 m的樣方，共45個，在保持枯落物的自然狀態下，分別采用直尺法[6]和網格收集法[12]對樣方內枯落物的種類、組成以及厚度和蓋度進行測定。測定記錄完成后，按枯落物未分解層與半分解層分別收集樣方內枯落物，放入塑封袋編號并稱量鮮重，以自然狀態質量推算單位面積枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.3 枯落物持水性能測定

將樣品帶回實驗室烘干(85 ℃，24 h)，烘干后稱其干重，并求出枯落物的自然含水率，具體計算公式如下：

式中：S0為自然含水率(%)；W1為枯落物鮮重(g)；W0為枯落物干重(g)。

采用浸泡法對枯落物持水性能進行測定。采集的枯落物樣本烘干稱重后，將其裝入孔徑為1 mm的尼龍網袋中，然后放入清水盆中。分別于0.5，1，2，4，6，8，12，16 24 h時依次將樣本取出稱重，24 h后取出靜置一段時間，直至不再滴水時迅速稱量其重量。不同時間段的枯落物持水量與吸水速率計算公式如下：

Rn=Wn-W0

(2)

S=(Wn-W0)/n

(3)

式中：n為浸泡時間(h);Rn為各時間段枯落物持水量(g/g)；Wn為浸泡后枯落物質量(g)；S為吸水速率(g/g/h)。下同。

枯落物在吸持水量達到穩定飽和時，此時所持水量通常稱作枯落物的最大持水量，其對應的持水率為最大持水率。一般情況下，枯落物在水中浸泡24 h后的持水量約為其最大持水量[13]。由于研究區處于山地地形中，林分立地條件均為坡面，所以枯落物不存在長時間浸泡的情況，大量研究結果表明，山地林下枯落物的實際持水率通常僅為其最大持水率的85%[14-16]。故在計算枯落物的有效攔蓄量及有效攔蓄率時，將0.85作為調整參數。通過下列計算公式，可得出枯落物的最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量、有效攔蓄率、最大攔蓄量。

Rm=W24-W0

(4)

Ssv=0.85Sm-S0

(6)

Rsv=SsvM

(7)

Rmsv=(Sm-S0)M

(8)

式中：Rm為最大持水量(g)；W24為浸泡24 h后質量(g)；Sm為最大持水率(%)；Ssv為有效攔蓄率(%)；S0為自然含水率(%)；Rsv為有效攔蓄量(t/hm2)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)；Rmsv為最大攔蓄量(t/hm2)； 0.85為有效攔蓄系數。

2.4 數據處理

通過Excel 2010制作圖表，采用Excel，Origin進行數據統計分析，采用SPSS 22.0軟件進行相關性檢驗以及線性回歸分析。

3 結果與分析

3.1 不同林地類型枯落物厚度與蓄積量分析

枯落物的厚度及蓄積量可以減弱降雨對森林地表的沖擊，起到截留、減流的作用，同時枯落物也可以減少地表土壤的水分蒸發量，起到保水、保溫的作用[16]。大量研究結果顯示，森林枯落物蓄積量主要受到氣候條件、群落結構、林分類型、空間區域、植被年限等因素的影響[3-9]，其中林分類型的影響最為顯著。研究區內各樣地共45個樣方內的枯落物厚度及蓄積量測量結果(取平均值)見表2。

表2 內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物厚度與蓄積量

對比表中數據，經過方差分析得出5種林型的枯落物厚度與蓄積量存在顯著差異性(p<0.05)。枯落物層總厚度變化范圍在1.1～6.7 cm之間，且各林型未分解層的枯落物厚度除喬灌混交林外，其他均大于半分解層，這可能與研究區整體林下微生物群落活躍度有關，活躍度不高導致枯落物分解速度相對緩慢，致使未分解層枯落物厚度普遍較厚。其中，枯落物厚度具體表現為：針闊混交林(6.7 cm)>落葉松林=山杏林(2.1 cm)>油松林(1.8 cm)>喬灌混交林(1.1 cm)。各林型的枯落物總蓄積量變動范圍在8.49～25.52 t/hm2之間，總體趨勢與厚度表現基本一致，具體表現為：針闊混交林(25.52 t/hm2)>油松林(14.58 t/hm2)>落葉松(14.37 t/hm2)>山杏林(13.67 t/hm2)>喬灌混交林(8.49 t/hm2)。同時對比枯落物不同層次可以看出，針闊混交林與純林枯落物半分解層蓄積量占比高于未分解層，喬灌混交林則是未分解層占比高于半分解層。

3.2 不同林地類型枯落物層持水能力分析

3.2.1 枯落物層自然含水率分析 枯落物的自然含水率是衡量枯落物層水源涵養能力的重要指標，可以間接的體現出林下枯落物的持水蓄水能力。同時，自然狀態下的枯落物含水率也是研究當地森林水文效應的重要內容。對各林地類型枯落物層平均自然含水率測定如圖1所示。

從圖1可以看出，各林地類型枯落物層平均自然含水率具體表現為：針闊混交林(59.06%)>落葉松林(36.35%)>喬灌混交林(32.10%)>油松林(30.78%)>山杏林(28.24%)，其中，針闊混交林的枯落物平均自然含水率(59.06%)明顯高于其他林型。可以看出，其自然狀態下枯落物層的持水蓄水能力要優于其他林型，主要原因是針闊混交林林下枯落物組成較為復雜，其半分解層枯落物孔隙較多，對水的吸附性強，擁有更良好的吸水結構。此外，針葉林枯落物層平均自然含水率表現要優于闊葉林，主要原因是針葉林產生的枯落物主要是松針，松針表面含有較高油脂，不利于水分揮發，保水能力更好。總體來說，混交林枯落物的自然含水率表現要優于純林，也從側面反映出蓄積量與自然含水率呈現一種正相關關系。

圖1 內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物層平均自然含水率

3.2.2 枯落物最大持水量與最大持水率分析 大量研究結果顯示，林下枯落物的吸持水量可以達到自身干重的2～4倍[17-18]，主要受到樹種組成、生境、蓄積量和分解程度等因素的影響，枯落物的最大持水量與最大持水率可以很大程度上反映枯落物層乃至整個森林的水源涵養能力。因此，本研究對研究區5種類型人工林地的枯落物最大持水量與最大持水率進行了測定與分析，測定結果見表3。

如表3所示，各林地類型枯落物層總最大持水量變動范圍在10.10～38.82 t/hm2之間，具體表現為：針闊混交林(38.82 t/hm2)>山杏林(19.26 t/hm2)>油松林(17.59 t/hm2)>落葉松林(16.68 t/hm2)>喬灌混交林(10.10 t/hm2)。最大持水量可以反映出枯落物整體對水分的吸持能力，而最大持水率則更能直觀的反映出單位重量枯落物持水能力，各林地類型枯落物層平均最大持水率的變動范圍在152.42%～243.54%之間，其整體趨勢與最大持水量基本一致，具體表現為：針闊混交林(243.54%)>山杏林(181.54%)>落葉松林(159.10%)>油松林(159.01%)>喬灌混交林(152.42%)。所有林型中，表現最好的是針闊混交林，針葉林表現基本一致。喬灌混交林持水能力低于其他林型的主要原因是其主要組成樹種為山杏和檸條，檸條本身產生的枯落物主要是枯枝，枯枝不易分解自身持水能力較弱，且喬灌混交林地處研究區北部，風沙較大不利于枯落物積累。

表3 內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物最大持水量和最大持水率

從不同層次來看，未分解層最大持水率變化范圍在163.18%～268.41%之間，半分解層在141.67%～218.68%之間，所有林型均表現為未分解層大于半分解層。針葉林主要因為其枯落物主要是松針，含有較高油脂不易分解，所以未分解層的成分結構要比半分解層更為復雜；而針闊混交林的主要樹種之一的楊樹與山杏的均屬于闊葉林種，枯落物主要成分落葉葉面積較大，容易吸持更多的水分。綜合來看，針闊混交林枯落物層在最大持水量、最大持水率均是所有林型中表現最好的，證明其枯落物層的蓄水保水能力最佳。整體表現最差的是喬灌混交林。純林中，闊葉樹種的枯落物持水能力強于針葉林種。

3.2.3 不同時間段持水量與浸水時間的關系 通常情況下，枯落物吸持水的過程是呈現動態變化的，枯落物通常在浸水24 h后達到最大持水量，研究枯落物在24 h內各時間段的動態持水量，對了解枯落物層對地表降水的吸收過程有著重要意義。對不同林地類型人工林枯落物不同時間段的持水量變化測定結果見圖2。

圖2 內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物層各時間段持水量

從圖2可以看出，各林型的未分解層與半分解層在吸水過程中呈現出相似的規律，均表現為在0.5—2 h開始迅速大量吸水，6—8 h后吸水量變化幅度開始逐漸變小，慢慢趨近于飽和，大約在24 h達到最大持水量，這與前人[19-21]研究結果基本一致。

未分解層與半分解層在吸水量飽和時間點存在差異，未分解層枯落物大約在浸水8 h后吸水量開始趨于一致，可以看出未分解層枯落物在8 h后吸水量開始逐漸趨向飽和，在24 h左右基本達到飽和狀態，半分解層則是大致在浸水6 h后開始趨于穩定，較未分解層相對提前2 h左右。分析原因可能是未分解層的枯落物成分組成更為干燥松散，較半分解層擁有更多的吸水空間，導致達到其飽和狀態時間更長。

因此，通過上述分析，大致可將枯落物層的持水過程分為3個階段，分別為初期快速吸水階段(0.5—2 h)，中期吸水減緩階段(2—6 h)，后期穩定(飽和)吸水階段(6—24 h)。可見，在降水到達枯落物層2 h的時間內，枯落物層可以最大程度的發揮出其對降雨的吸持作用，也證明降雨初期是枯落物層對森林蓄水保水能力影響最大的時期。

通過SPSS 22.0對各林型的枯落物各時間段持水量與浸水時間進行線性回歸分析，兩數據擬合效果較好(R2>0.85)，具有顯著相關性(p<0.05)。擬合方程為：

R=aln(t)+b

(9)

式中：R為各時段持水量(g/g)；t為浸水時間(h)；a為方程回歸系數；b為方程常數項。具體擬合結果如下表所示，相關系數R2均大于0.85，回歸擬合效果理想，具體結果如表4。

表4 內蒙古清水河縣公益林區不同林地類型枯落物各時段持水量與浸水時間的擬合結果

3.2.4 不同時間段枯落物吸水速率的變化過程分析 枯落物吸水速率是反映其持水性能的另一個重要指標，主要指的是在單位時間內枯落物所吸持的水量。吸水速率越快，說明枯落物在單位時間內對降雨的攔蓄能力越強，對地表徑流的調控作用更好[16-18]。枯落物的吸水速率主要受植被類型、蓄積量、干燥程度和立地條件等因素的影響。各林型的枯落物層吸水效率與浸水時間的關系具體測定見圖3。

圖3 內蒙古清水河縣公益林區各林地類型枯落物未分解層各時段吸水速率與浸水時間的關系

從圖3可以看出，隨著浸水時間增加，各林型枯落物吸水速率與持水量表現出相反趨勢，未分解層與半分解層吸水速率隨時間的增加呈現出一種反“J”字型規律。均表現為0.5 h內枯落物吸水速率最快，隨著時間的增加，0.5—4 h吸水速率迅速減小，4—12 h吸水速率趨于平緩，12 h后吸水速率基本沒有變化。

可將枯落物層吸水速率隨時間的變化規律大致分為4個階段，在0.5 h內為快速吸水階段，此時間段內枯落物在干燥狀態下水勢較低，吸水速率最快；0.5—4 h為速率減緩階段，在此時間段內枯落物表層吸水基本飽和，吸水能力大幅減弱；4—12 h為緩慢吸水階段，此時枯落物細胞組織水分吸收逐漸趨近飽和；12 h后趨近于平衡狀態，此時間段枯落物吸持水量基本達到飽和狀態，吸水速率趨近于0。

通過SPSS 22.0對各林型的枯落物各時間段吸水速率與浸水時間進行線性回歸分析，兩數據擬合效果較好(R2>0.85)，具有顯著相關性(p<0.05)。擬合方程為：

V=xtn

(10)

式中：V為各時段吸水速率(g/g/h)；t為浸水時間(h)；x為方程回歸系數；n為方程指數項。具體擬合結果如下表所示，相關系數R2均大于0.87，回歸擬合效果理想，具體結果如表5。

表5 內蒙古清水河縣公益林區各林型枯落物吸水速率與浸泡時間的擬合方程

3.3 不同林地類型枯落物攔蓄能力分析

枯落物的攔蓄量是表示其蓄水能力的另一個重要參數。一般而言，枯落物的最大持水量只能反映枯落物對水分的吸持能力，而攔蓄量能夠反映枯落物對次降雨的攔蓄能力，也更能反映出森林的蓄水保土的能力[5-7]。各類型人工林地枯落物攔蓄量如表6。

如表6所示，枯落物最大總攔蓄量的變動范圍在10.55～46.19 t/hm2之間，具有明顯差異，總體趨勢與最大持水量一致。具體表現為：針闊混交林(46.19 t/hm2)>山杏林(20.80 t/hm2)>油松林(18.49 t/hm2)>落葉松林(17.50 t/hm2)>喬灌混交林(10.55 t/hm2)。由于研究區所有林型均位于坡面上，降水不會在坡面上長時間滯留，枯落物的實際持水率只有最大持水率的85%左右。所以，最大攔蓄量不能代表枯落物層對一次降雨的實際攔蓄能力，其僅代表理論上枯落物層的最大攔蓄能力。因此用有效攔蓄量與攔蓄率來估量枯落物層對降雨的實際攔蓄能力更為準確。

表6 內蒙古清水河縣公益林區不同類型人工林地枯落物攔蓄能力

從枯落物層次方面來看，未分解層有效攔蓄量變動范圍為2.61～16.52 t/hm2，半分解層為5.97～20.45 t/hm2。有效攔蓄率與攔蓄量呈現出不同的規律，未分解層有效攔蓄率變動范圍為106.62%～178.29%，半分解層為84.02%～117.62%，其中，所有林型半分解層的有效攔蓄率均小于未分解層。從整體來看，總有效攔蓄量變動范圍為8.58～36.97 t/hm2，總體趨勢與最大攔蓄量一致，具體表現為：針闊混交林(36.97 t/hm2)>山杏林(17.08 t/hm2)>油松林(15.03 t/hm2)>落葉松林(14.08 t/hm2)>喬灌混交林(8.58 t/hm2)。平均有效攔蓄率變動范圍在97.46%～147.96%之間，具體表現為：針闊混交林(147.96%)>山杏林(120.06%)>油松林(104.38%)>落葉松林(98.88%)>喬灌混交林(97.46%)。所有林型中，針闊混交林的枯落物總有效攔蓄量最大，達到36.97 t/hm2，相當于其枯落物層每次可攔蓄降雨3.7 mm左右，且在枯落物蓄積量、最大持水量和最大持水率方面，針闊混交林(落葉松+楊樹)均是表現最好的林型，可見有效攔蓄量與以上指標密切相關。

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 枯落物厚度與蓄積量表現最好的是以落葉松與楊樹為主要樹種的針闊混交林。可以看出在地上生物量的累積方面，針闊混交林的表現要優于純林。此結論與前人關于混交林與純林生物量對比研究的結果一致[12,19-21]。分析原因可能是針闊混交林為復層林冠，林分結構復雜，可以形成較純林更加穩定的生境和小氣候，種間關系較為緩和，且林分密度大，林下風速較低，這些因素均利于枯落物積累。

(2) 純林中，闊葉樹種的枯落物持水能力強于針葉林種，這與孫歐文等[22]研究結果一致。混交林中，針闊混交林的枯落物持水能力要高于喬灌混交林。這與李璐杉[23]研究結果一致，其中，針闊混交林枯落物層在最大持水量、最大持水率與有效攔蓄量方面均是所有林型中表現最好的，證明其枯落物層的蓄水保水能力最佳，建議在適地適樹，因地制宜的原則上，適當增加以楊樹和落葉松為主要樹種的針闊混交林比例。但是，針闊混交林的主要組成樹種為楊樹與落葉松，均屬于高大喬木，且對土壤的養分與水分要求較高，經實地調查發現，其并不適宜在風沙危害較大的研究區北部地區大面積種植。北部地區可以更多考慮以山杏與檸條為主要組成樹種的喬灌混交林，該組合地下根系發達，在發揮水源涵養能力的同時不易風折、風倒，防風固沙效果更好。

(3) 在試驗結果方面，有一處與前人研究結果不一致。本研究發現北部區枯落物層持水能力最佳的林型為山杏林，并非是林分結構更為復雜，生境更為優越的喬灌混交林。本研究在實地調查中發現，山杏林的林下草本植被較為豐富，其具體對枯落物層持水的影響還有待進一步考證，所以在日后研究對象選取方面可將林下草本層考慮進去。

4.2 結 論

(1) 5種林型的枯落物層總厚度變化范圍為1.1～6.7 cm，總蓄積量變動范圍為8.49～25.52 t/hm2，總體趨勢與厚度表現基本一致。具體表現為：針闊混交林>油松林>落葉松林>山杏林>喬灌混交林。其中，表現最好的是以落葉松與楊樹為主要樹種的針闊混交林，該組合地上生物量最高，可以最大程度利用環境與地力，提高林分生產率。

(2) 5種林型總最大持水量變動范圍為10.10～38.82 t/hm2，具體表現為：針闊混交林>山杏林>油松林>落葉松林>喬灌混交林，枯落物層持水量表現最好的是針闊混交林。

(3) 5種林型總有效攔蓄量變動范圍為8.58～36.97 t/hm2，總體趨勢與最大攔蓄量一致，具體表現為：針闊混交林>山杏林>油松林>落葉松林>喬灌混交林；

(4) 5種林型枯落物層的動態持水過程大致可分為3個階段，分別為快速吸水階段(0.5—2 h)，吸水減緩階段(2—6 h)，穩定(飽和)吸水階段(6—24 h)。對各林型的枯落物各時間段吸水量、吸水速率與浸水時間進行線性回歸分析，結果表明，枯落物吸水量與浸水時間呈現對數函數關系，枯落物吸水速率與浸水時間呈現冪函數關系，它們的R2均大于0.87，擬合效果較好。

綜合來看，純林中，闊葉樹種的枯落物持水能力強于針葉林種；混交林中針闊混交林的枯落物持水能力要喬灌混交林。其中，針闊混交林枯落物層在最大持水量、最大持水率與有效攔蓄量方面均是所有林型中表現最好的。