接坝山区陡坡地段阔叶林改造对水文生态环境的影响

塔 莉, 梁文俊

(1.河北环境工程学院 生态学系, 河北 秦皇岛 066102; 2.山西农业大学, 山西 太谷 030800)

接坝地区地处滦河上游，对下游地区的树木生长和水源涵养影响较重，是浑善达克沙地与北京地区之间的一道天然绿色屏障，阻挡着浑善达克沙地向北京地区进军的风沙，担负着护卫京津生态安全这一重任，当今社会对生态环境质量的要求日益增高，人们对绿色生活的更加向往，但是目前清新的空气、清洁的水源和宜人的气候等生态产品明显短缺，而植树造林是我们提高环境质量、保护地球的一种最好、最有效、最直接的方法，森林能够通过枯落物层与土壤层的生态功能来调节大气水分循环，从而起到涵养水源、保持水土、净化水质等作用[1-2]。接坝地区始终致力于森林的培育，植被覆盖率高，但是坡度较高的阳面陡坡地段仍是植被重建和治理水土流失的重点、难点。目前国内对该地区的研究主要集中在林分结构、生物多样性、森林健康评价、针叶纯林水文效应等方面，而对陡坡地段植被水文生态研究较少。本文以陡坡地段较为常见的两种植被类型与引针入阔以后的林分作为研究对象，探究其枯落物层与土壤层水文生态效应，旨在为该地区造林与改善水文生态环境提供一定的科学依据[3-4]。

1 研究区概况

研究区设在木兰围场国有林场管理局，位于河北省围场满族蒙古族自治县境内，区域地理坐标为北纬41°35′—42°40′，东经116°32′—117°14′，地处浑善达克沙地南缘，与塞罕坝均属滦河上游地区，是阴山、大兴安岭、燕山余脉的汇接地段，同时也是连接坝上高原与冀北山地的结合部，其地质构造主要趋向于内蒙古台背斜区，海拔相差较大，从750～1 998 m。这一地区属半干旱向半湿润过度、寒温带向中温带过度、大陆性季风型山地气候，无霜期67～128 d，年平均气温-1.4～4.7 ℃,极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-42.9 ℃，年均降水量380～560 mm，土壤类型主要是黄棕壤与黑棕壤。研究区内植被主要乔木树种有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑桦(Betuladahurica)、山杨(Populusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、蒙古栎(QuercusMongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)等；林下灌木主要有榛子(Corylusheterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等；草本植物主要乌苏里苔草(Carexussuriensis)、歪头菜(Viciaunijuga)、宽叶苔草(Carexsiderosticta)、小花油点草(Tricyrtismacropoda)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)等。

2 标准地设置与研究方法

试验地设置在木兰围场国有林场管理局北沟林场哈叭气营林区，于2017年6—9月选择绣线菊灌丛、山杏林与油松—山杏混交林三种植被类型作为研究对象，并在每个植被内设置3块大小为30 m×30 m的标准地并调查林分的基本情况，其中植被覆盖度通过实地测定植被的投影面积并结合该林场的遥感地图来确定(表1)。

表1 研究区3种植被类型标准地概况

2.1 枯落物层水文测定

在标准样地4个角和中心位置各取面积为50 cm×50 cm的小样方5个，按照分解程度(未分解、半分解)分层取样并测定厚度、鲜重。将枯落物带回实验室，随后在设定75 ℃的烘箱进行烘干至恒重，统计各样地内枯落物的蓄积量。利用室内浸泡法对枯落物的持水能力进行测定，在尼龙网里放置烘干的枯落物并浸在水中，分别测定0.25，0.5，1，2，4，6，8，10和24 h时枯落物样品重量的变化，从而对枯落物持水量、持水过程进行研究[5-7]。为体现枯落物的真实拦蓄量一般都用有效拦蓄量表示：

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W——有效拦蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；R0——自然含水率(%)；M——枯落物储量(t/hm2)。

2.2 土壤层水文测定

利用环刀法和双环法对土壤层的物理性质进行测定，在林分标准地中选取适宜地点进行土壤剖面的挖取，将土壤分为3层，分别为0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm，并对土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等持水能力指标进行测定[8-10]。土壤持水量计算公式为：

W=10 000P·h

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

3 结果与分析

3.1 枯落物蓄积量

由表2可知，研究区3种植被类型林分枯落物厚度变化范围为11.5～14.8 mm，总蓄积量变动范围为6.24～9.23 t/hm2，其中油松—山杏混交林均为最大，绣线菊灌丛均为最小，未分解层蓄积量均低于半分解层，这种现象是由于枯落物蓄积量影响因素较多，决定枯落蓄积量则是枯枝落叶进入量与分解量，进入量受到林分树种组成、郁闭度、样地的水平及垂直结构、本身的厚度和林下植被生长情况等因素影响，分解量则受到树种组成、温度、湿度、光照等因素影响，综上可知引针入阔有利于林分枯落物的形成。

表2 研究区3种植被类型枯落物层厚度与蓄积量

3.2 枯落物水文生态效应

3.2.1 枯落物最大持水量 由表3可知，研究区3种植被类型中油松—山杏混交林最大持水量最大，为26.30 t/hm2，是最大持水量最小绣线菊灌丛(16.61 t/hm2)的1.6倍，这是由于油松—山杏混交林形成的枯落物蓄积量明显高于绣线菊灌丛；3种植被类型最大持水率变化范围在265.78%～281.27%之间，依次为：油松—山杏混交林(281.27%)>山杏林(268.13%)>绣线菊灌丛(265.78%)。油松—山杏混交林最大持水量和最大持水率均高于陡坡地区原有的两种林分，而最大持水量反映了林分拦蓄能力的潜力，表明引入针叶树种有助于提高该地区最大持水潜力的提高。

表3 研究区3种植被类型最大持水量与最大持水率

3.2.2 枯落物有效拦蓄量 由表4可知，研究区3种植被类型枯落物未分解层有效拦蓄量变化范围为6.32～7.78 t/hm2，差距不是特别明显，半分解层有效拦蓄量变化范围为7.32～13.54 t/hm2，枯落物的两个层次大小排序一致，均表现为：油松—山杏混交林>山杏林>绣线菊灌丛，在测定林分拦蓄能力时一般采用有效拦蓄量来代表林分真实拦蓄能力，而采用最大持水量代表林分拦蓄能力会导致结果偏高，综合以上3种植被类型枯落物有效拦蓄量变化规律，可知油松—山杏混交林真实拦蓄能力最强，即在山杏林引入油松后提高了林分枯落物层有效拦蓄能力，枯落物层有效拦蓄量受到林分树种组成、枯落物蓄积量、郁闭度、温度、湿度与林下植被生长情况等因素影响，引针入阔要遵循去掉较弱的阔叶树植入优良针叶树种的原则，在一定程度上提高了林分整体质量，并且阔叶引入针叶树种后提高了林分郁闭度，有效增加枯落物层蓄积量对林分有效拦蓄量有一定的促进作用。

3.2.3 枯落物持水过程 由图1可知，研究区3种植被类型枯落物未分解层、半分解层持水过程变化趋势较一致，在枯落物持水初期，枯落物较干燥，其吸水速度较快，林分枯落物蓄积量越多，在一定时间内持水的水量越大，试验中枯落物持水量在浸泡前0.5 h内迅速增加，持水量随着时间推移逐渐变缓，3种植被类型在浸泡10 h时基本处于饱和状态，室内浸泡法模拟的持水过程与室外降雨过程中枯落物表现趋势基本一致，即降雨初期，枯落物由于较干燥拦蓄降雨的功能较强，随后由于枯落物湿度增加，一定时间内持水量减少，最后枯落物蓄水饱和将不再吸水。3种植被类型枯落物未分解层、半分解层表现的持水规律均为：油松—山杏混交林>山杏林>绣线菊灌丛。

表4 研究区3种植被类型枯落物有效拦蓄量

图1 研究区3种植被类型枯落物持水量变化过程

对3种植被类型枯落物各层持水量与浸泡时间的关系进行拟合分析，两者存在较好的函数关系(表5)，具体表达式为：

Q=aln(t)+b

式中：Q，t，a，b——枯落物持水量(g/kg)、浸泡时间(h)、方程系数和常数项。

表5 研究区3种植被类型枯落物持水量、持水率与浸泡时间关系

3.2.4 枯落物吸水速率 由图2可知，3种植被类型枯落物两个层次吸水速率变化趋势较为一致，均与浸水时间呈“倒J”形曲线：枯落物浸泡初期吸水速率非常高，后迅速下降，达到4 h后下降速度明显减缓，在10 h后没有较大变化。3种植被类型枯落物未分解层、半分解层在浸泡初期，油松—山杏混交林吸水速率最大，高于其他两种林分，绣线菊灌丛远远低于乔木林分，3种植被类型枯落物未分解层、半分解层吸水速率与浸泡时间的关系进行拟合，两者具有较好函数关系(表5)，表达式为：

V=ktn(R2>0.99)

式中：V，t，k，n——枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕、浸泡时间(h)、方程系数和指数，其中n是由持水率与时间进行函数拟合得出。

图2 研究区3种植被类型枯落物吸水速率变化过程

3.3 土壤层物理性质及水文生态效应

3.3.1 土壤物理性质 由表6可知，研究区3种植被类型土壤容重大小排序为：山杏林(1.15 g/cm3)>油松—山杏混交林(1.12 g/cm3)>绣线菊灌丛(1.10 g/cm3)，土壤垂直面上随着深度的增加土壤容重呈现增大的趋势。

非毛管孔隙度决定土壤有效持水量的大小，3种植被类型大小排序为：油松—山杏混交林(6.90%)>山杏林(6.09%)>绣线菊灌丛(5.56%)，说明油松—山杏混交林有效持水量最高，这是由于引针入阔时要提前进行土地的整理并且采取减弱干扰乔木与灌木等干扰因素，增加了针叶树种生长空间，有利于非毛管孔隙度的形成，因此引针入阔提高了土壤层的有效拦蓄量。

表6 研究区3种植被类型土壤物理性质及持水量

3.3.2 土壤层孔隙度与蓄水能力 由表6可知，不同植被土壤结构有一定的差异，土壤孔隙一定程度上影响了土壤通透性与土壤持水量。非毛管孔隙度决定了林分土壤层有效涵养能力的强弱，有效持水量依次为：油松—山杏混交林(69.00 t/hm2)>山杏林(60.87 t/hm2)>绣线菊灌丛(55.60 t/hm2)；饱和持水量依次为：油松—山杏混交林(458.70 t/hm2)>山杏林(433.07 t/hm2)>绣线菊灌丛(394.67 t/hm2)。林分土壤蓄水能力是判定林分水文生态效应的重要指标之一，而决定林分土壤蓄水能力的主要因子是土壤结构，综合以上饱和持水量和有效持水量表现可知，油松—山杏混交林的土壤持水能力最强，即油松—山杏混交林土壤层水文生态效应最好，说明引针入阔提高了土壤层蓄水能力，改善了水文生态环境。

3.3.3 土壤层的渗透性 由表7可知，3种植被类型土壤层初渗速率差距比较大，油松—山杏混交林初渗速率最大为29.78 mm/min，绣线菊灌丛初渗速率最小为22.38 mm/min，前者为后者的1.33倍，随着时间的推移，入渗速率逐渐减慢，直至趋于稳渗，3种植被类型稳渗速率变化范围为0.96～1.29 mm/min，依次为：油松—山杏混交林(1.29 mm/min)>山杏林(1.06 mm/min)>绣线菊灌丛(0.96 mm/min)，林分土壤渗透性越好，其水源涵养能力越强，反映出林分土壤层水文生态效应越好，说明引针入阔有效提高了水源涵养能力，改善了水文生态环境。对3种植被类型入渗速率与时间进行函数拟合(图3)，两者具有较好的幂函数关系：

f=at-b(R2>0.97)

式中：f——入渗速率(mm/min)；a，b——常数；t——入渗时间(min)。

表7 研究区3种植被类型土壤渗透的速率及渗透数学模型

图3 研究区3种植被类型土壤入渗过程

4 结 论

(1) 研究区枯落物蓄积量依次为：油松—山杏混交林(9.23 t/hm2)>山杏林(8.55 t/hm2)>绣线菊灌丛(6.24 t/hm2)；有效拦蓄量依次为：油松—山杏混交林(21.32 t/hm2)>山杏林(18.73 t/hm2)>绣线菊灌丛(13.64 t/hm2)，有效拦蓄量决定了林分枯落物层真实拦蓄能力，但是受到的影响因子较多，与蓄积量、自然含水量和降雨特征等均有关；枯落物持水量、枯落物持水速率与浸水时间存在较好的函数关系，与陈波等[11]研究结果相一致。

(2) 研究区3种植被类型土壤容重随着土壤深度的增大而呈现增大的趋势，非毛管孔隙度则与之相反，这与涂志华等[12]研究结果一致；3种植被类型中油松—山杏混交林土壤层饱和持水量与有效持水量均为最大，主要取决于油松—山杏混交林土壤的孔隙特性，土壤结构决定林分土壤蓄水能力，土壤蓄水能力反映了林分土壤层水文生态环境是否良好，研究中油松—山杏混交林的土壤持水能力最强，即油松—山杏混交林土壤层水文生态效应最好，说明阔叶林改造提高了土壤层蓄水能力，改善了水文生态环境；3种植被类型中油松—山杏混交林初渗速率最大为29.78 mm/min，绣线菊灌丛初渗速率最小为22.38 mm/min，林分土壤渗透性越好，其水源涵养能力越强，反映出林分土壤层水文生态效应越好，这说明阔叶林改造有效地提高了其水源涵养能力，改善了水文生态环境；3种植被类型土壤入渗速率与入渗时间之间存在较好的幂函数关系(R>0.97)，这与韩雪成等[13]的研究结果一致。

(3) 综合枯落物层与土壤层持水能力可知，3种不同植被类型中油松—山杏混交林水源涵养功能最强，而绣线菊灌丛水源涵养能力最差，说明在陡坡地段阔叶林改造在一定程度上增强了林分水源涵养能力，改善了林分水文生态环境，因此从增强涵养水源的角度出发，建议在该地区灌木林与阔叶林中引入适当密度油松，从而改善该地区水文生态环境。

(4) 影响枯落物有效拦蓄量的因子较多，包括蓄积量、自然含水量和降雨特征等。本研究未将主要因素进行明确，需要进一步的进行试验来确定。但是本研究只引入了油松，未将该地区的主要树种华北落叶松与云杉进行引入，需要进一步引入探究。