冀北地区典型林分枯落物层与土壤层的水文效应

2018-06-15宣立辉谷建才黄冬梅

水土保持研究 2018年4期

宣立辉, 康凡, 谷建才, 黄冬梅

(1.河北农业大学林学院, 河北保定 071000；2.廊坊泽通林业公司，河北廊坊 065000 ；3.河北农业大学理学院，河北保定 071000)

枯枝落叶是森林生长过程的自然产物,它在森林水文调节方面有重要功能,可以控制水土流失。枯落物的水文作用主要体现在枯落物的吸水方面,吸水量的多少与其林地现存量、分解状况以及自身的含水量、天气状况等多种因子有关[1]。枯落物层作为森林水文作用的第二个功能层,在截持降雨、阻抑径流、减少土壤水分蒸发和土壤流失等方面具有重要作用[2]。森林枯落物层是森林涵养水源作用的主要作用层[3]。由于接坝山地处于京津冀重要位置，其生态环境极其脆弱又处于极其重要的地位，对冀北生态环境起着重要的作用，所以研究冀北接坝地区典型林分的水文效应变得极其重要。

国内外许多学者对不同区域内、不同森林类型森林植被下的枯落物和土壤物理性质进行了大量研究，而且在枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、影响地表径流和土壤侵蚀机理等方面取得了一定的成果；国内学者还对枯落物凋落动态及其森林水文过程进行了模拟研究，刘向东等[4]认为油松截留量与降雨量的关系符合幂函数关系；土壤水分贮存和水分入渗作为森林植被的主要水文过程和功能是反映森林植被保持水土和涵养水源作用的重要水文参数[5]。但目前关于丰宁县小坝子乡榆树阔叶混交林、杨树针阔混交林、杂木林和杨树阔叶混交林4种林分枯落物持水能力及土壤物理性质的研究相对较少。本文拟对冀北地区4种典型林分的枯落物蓄积量、持水能力和土壤的持水能力进行研究，分析冀北地区枯落物层和土壤层的水文效应，以期为该地区的生态环境保护提供理论支持。

1 研究区概况

研究区在河北省丰宁满族自治县小坝子乡，地处冀北接坝山区，地理坐标北纬41°22′8″—41°34′6″，东经116°12′49″—116°29′30″,土地总面积31 002 hm2。小坝子气候寒冷而干旱，是典型的大陆季风性干旱气候。年平均气温0.9～6.2℃，无霜期110～145 d，坝上地区有效年积温1 082℃，坝下地区有效年积温1 489℃。年降水量350～550 mm。地带性植被为温带落叶阔叶林,由于小坝子乡地处农牧交错带，生态系统极其脆弱，是影响京津地区主要沙源地和风沙通道。加之地理地貌和自然条件特殊，以及人类的过度开发和放牧。现有植被主要为原始森林破坏后经过封育或天然更新发展起来的次生林,辅以人工林和经济林。

2 研究方法

2.1 样地调查

在前期踏查的基础上，于2016年7月底—8月中旬，在丰宁县小坝子乡进行试验样地调查。根据试验区的地形和植被自然分布情况设置标准样地，采用罗盘仪设置标准地，并选取4块面积为20 m×20 m的标准地，对林木进行每木检尺，测量胸径、树高等，并记录树种组成、海拔、坡度、郁闭度、林分密度等，其中郁闭度采用目测法测量，各样地基本调查结果见表1。

表1 样地基本情况

2.2 枯落物蓄积量及持水能力的测定

在每块标准地内选取3个有代表性的样方，面积为0.3 m×0.3 m，用钢尺测量并记录枯落物的未分解层、半分解层的厚度并分别装入牛皮纸袋中，带回实验室用精度为0.1 g的电子天平称其鲜重，然后放入烘箱内在85℃下烘干后称其干重，以计算单位面积枯落物蓄积量及自然含水率。

采用室内浸泡法[6]测定枯落物持水量及吸水速度。将烘干后的枯落物浸入水中,分别测定0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h的重量变化，以每次无水滴滴下为标准,进行称重，研究其吸水速度及吸水过程。每次取出称重后枯落物湿重与干重的差值，根据重量变化，测定分析枯落物的持水量、吸水速率和饱和持水率。采用以下公式计算枯落物的含水指标[7-8]，即：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-Ro)×M

(3)

W=(0.85Rm-Ro)×M

(4)

式中：C为枯落物自然含水量(%)；m1为样品鲜重(g)；m2为样品干重(g)；S为饱和持水率；m3为样品浸水24 h后的质量(g)；Wm为枯落物最大拦蓄量(t/hm2)；W为枯落物有效拦蓄量(t/hm2)；Rm为最大持水率(%)；Ro为平均自然含水量(%)；M为枯落物蓄积量(t/hm2)。

2.3 土壤水分物理性质的测定

土壤调查采用剖面法，在每块标准地内选取3块土壤剖面，用环刀在挖掘的剖面上按0—10，10—20，20—40 cm机械取样，用环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度等物理性质[9]，用双环法测定土壤入渗[10]，具体公式如下：

W=10000Ph

(5)

式中：W为土壤持水量(t/hm2)；P为土壤孔隙度(%)；h为土壤厚度(m)。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型枯落物蓄积量

枯落物蓄积量是衡量森林生态系统第一生产力的重要指标，枯落物蓄积量受到枯落物结构、地表积累时间和微生物等对其分解速率的影响，同时林分结构、气象因素、枯落物自身特性以及人类等因素与枯落物储量也密切相关[11]。由表2可知，4种林分类型的枯落物的厚度变动范围为3.7～5.2 cm，其中杨树阔叶混交林枯落物厚度最大为5.2 cm，杂木林枯落物厚度最小为3.7 cm，枯落物厚度由大到小为：杨树针阔混交林>杂木林>杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林，这可能由于针叶林树叶分解较慢，阔叶林树叶分解较快，且凋落物量及其分解速率受林分组成与林分环境的影响。

4种林分类型下枯落物蓄积量有一定差别，分析不同林分类型枯落物的未分解层和半分解层的储蓄量可知，4种林分类型枯落物蓄积量变动范围为9.58～11.50 t/hm2，其中在未分解层中杨树针阔混交林所占比例最大，占总储量的49.48%；榆树阔叶混交林所占的比例最小，占总储量的50.52%。在半分解层中杨树针阔混交林所占比例最大，占总量的50.52%；榆树阔叶混交林所占比例最小，占总储量的49.48%，蓄积量大小为：杨树针阔混交林>杂木林>杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林，这一差别主要是树种组成不同造成的。

表2 不同林分类型枯落物蓄积量

3.2 不同林分类型枯落物的持水能力

3.2.1 不同林分类型枯落物最大持水量枯落物持水量是评价森林涵养水源和保持水土能力的重要指标之一，林地枯落物的持水能力用最大持水量和最大持水率表示[12]。由表3可知，4种林分类型的最大持水量不同，枯落物最大持水量变动范围在13.58～14.56 t/hm2，其中在未分解层中杨树阔叶混交林的枯落物最大持水量最大，为14.56 t/hm2，杂木林枯落物的最大持水量最小，为13.58 t/hm2；在半分解层中杨树阔叶混交林的最大持水量最大，为14.48 t/hm2，杂木林枯落物的最大持水量最小，为11.78 t/hm2；枯落物的最大持水量的大小分别为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林。

表3 不同林分类型的最大持水量及最大持水率

4种林分类型中枯落物的最大持水率的变动范围222.06%～295.46%，其中在未分解层中杨树阔叶混交林的最大持水率最大，为292.37%；杂木林的最大持水率最小，为239.08%。在半分解层中杨树阔叶混交林的最大，为298.56%；杨树针阔混交林最大持水率最小，为204.65%；不同林分枯落物最持水率的大小分别为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杂木林>杨树针阔混交林。

3.2.2 不同林分类型枯落物持水过程枯落物的持水能力多用于干物质的最大持水量和最大持水率表示，枯落物越干燥，吸水的速度越快；枯落物越多，短时间内吸持的水量越大[13]。枯落物持水量与浸水时间的关系如图1所示。各枯落物层持水量与浸水时间的关系的排序大小为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林，在最初浸泡的0.5 h内，枯落物持水量迅速增加，以后随浸泡时间的增加，呈不断增加趋势，24 h基本达到饱和。

对4种不同林分枯落物做0.25～24 h的持水试验，对枯落物未分解层和半分解层持水量与时间的关系进行回归分析，得出该时间段的拟合模型：

Q=alnt+b

(6)

式中：Q为枯落物持水量(g/kg)；t为浸泡时间(h)；a为方程系数；b为方程常数项。不同林分类型枯落物持水量与浸水时间关系式见表4。

图1 枯落物未分解层、半分解层持水量与浸泡时间的关系

3.2.3 不同林分林分类型枯落物的吸水速率枯落物未分解层和半分解层吸水速率与浸泡时间关系如图2所示。各林型枯落物层吸水速率大小排序为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林，枯落物吸水速率在0.25 h内最大，之后随时间的增加吸水速度逐渐减慢，6 h后下降速度逐渐减慢，24 h基本达到饱和。

对4种不同林分枯落物做0.25～24 h的吸水试验，对枯落物未分解层和半分解层吸水速率与时间的关系进行回归分析，得出该时间段内吸水速率与浸泡时间存在拟合模型(表5)为：

v=ktn

(7)

式中：v为枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t为浸泡时间(h)；k为方程系数；n为指数。

3.3 不同林分类型枯落物的拦蓄能力

枯落物有效拦蓄量反映了枯落物的实际拦蓄降水能力，是判断枯落物对降水拦蓄的真实指标[14]。从表6中有效拦蓄量与有效拦蓄率可以看出：在未分解层中有效拦蓄量大小排序为：杨树阔叶混交林(11.84 t/hm2)>榆树阔叶混交林(11.41 t/hm2)>杨树针阔混交林(11.28 t/hm2)>杂木林(11.07 t/hm2)；在半分解层中有效拦蓄量大小排序为：杨树阔叶混交林(11.01 t/hm2)>榆树阔叶混交林(10.16 t/hm2)>杂木林(9.09 t/hm2)>杨树针阔混交林(9.07 t/hm2)。

图2 枯落物未分解层、半分解层持水量与浸泡时间的关系

3.4 不同林分类型土壤层水文效应

3.4.1 不同林分土壤容重土壤容重是土壤紧实度的敏感指标，它受林分土壤发育状况的影响，也是表征土壤质量的一个重要参数，反映土壤透水性、通气性和根系延展时阻力的大小[15]。由图3可知，随着土层深度的增加土壤容重不断增加。榆树阔叶混交林中林地土壤容重从0—10 cm的0.76 g/cm3增加到20—40 cm的0.78 g/cm3；杨树针阔混交林中林地土壤容重从0—10 cm的0.95 g/cm3增加到20—40 cm的1.01 g/cm3；杂木林中林地土壤容重从0—10 cm的0.93 g/cm3增加到20—40 cm的0.98 g/cm3；杨树阔叶混交林中林地土壤容重从0—10 cm的0.76 g/cm3增加到20—40 cm的0.82 g/cm3。这是因为土层深度的增加土壤有机质含量逐渐减少，土层也越来越结实。

表6 不同林分类型不同层次的拦蓄能力

图3不同林分土壤容重垂直变化

4种不同林地类型的土壤容重在0—40 cm土层厚度内，土壤容重均值的变化范围在0.77～0.98 g/cm3，其中杨树针阔混交林土壤容重最大为0.98 g/cm3，榆树阔叶混交林土壤容重最小为0.77 g/cm3。4种不同林分类型土壤容重的平均变化趋势由大到小排序为：杨树针阔混交林>杂木林>杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林。

3.4.2 不同林分土壤孔隙度土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度，并且对土壤水、肥、气和微生物活性等发挥着不同的调节功能[16]。由表7可知，4种不同林分下毛管孔隙度由浅入深逐渐增大。其变动范围为40.37%～46.65%，由大到小的顺序为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林。4种不同林分土壤非毛管孔隙度的变动范围为8.62%～9.32%，由大到小的排序分别为：杨树阔叶混交林(9.32%)>榆树阔叶混交林(9.05%)>杨树针阔混交林(8.78%)>杂木林(8.62%)。

总毛管孔隙度随着土壤厚度的加深而逐渐减少，4种不同林分类型土壤总孔隙度的变化范围为48.98%～56.72%，由大到小的排序为：杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林。

表7 不同林型土壤物理性状及持水量

3.4.3 不同林分土壤蓄水能力土壤层是水分涵养的重要层次，土壤持水量是反映水文效应的重要指标[17]。表7可知，4种不同林分土壤的土壤的最大持水量来看，其变动范围为726.33～623.67 t/hm2。其大小顺序是杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林>杨树针阔混交林>杂木林，其中杨树阔叶混交林的最大持水量是杂木林的1.16倍。林地的有效持水量变动范围为103.00～109.67 t/hm2。

3.4.4 不同林分土壤入渗特征土壤的渗透性是林分涵养水源的重要指标。土壤渗透性的好坏直接关系到地表径流的大小，渗透性能越好，地表径流越少，土壤侵蚀量也会相应减少[18]。表8为4种不同林分土壤的入渗速率。4种不同林分类型的土壤初渗速率差别较大，其变动范围为23.95～28.12 mm/min，其中杨树针阔混交林土壤初渗速率最大，为28.12 mm/min，榆树阔叶混交林的土壤初渗速率最小，为23.95 mm/min；当达到一定时间渗透速率趋于稳定，为1.76～1.96 mm/min，差别较小。其平均渗透速率的大小顺序为：杨树针阔混交林>杂木林>杨树阔叶混交林>榆树阔叶混交林。