互助北山国家森公园林下枯落物及土壤水源涵养能力

贺睿，王钧，钱前，张会轩，胡延萍，李毅

(1.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810008;2.中国科学院大学,北京 100049)

在森林生态系统内，作为第2层次的枯落物层与第3层次的土壤林层持水量可占森林总持水量的85%[1].林下枯落物层包括地面植被组分产生的掉落物与动物残体等，它通常作为分解者物质与能量的来源，同时枯落物在降水储水的分配上也起着重要作用[2-3].枯落物覆盖于地表，能够截持降雨，减小降雨对土壤的溅烛力度，延缓地表径流速度与水量；再者，枯落物层自身的存在与分解还能通过增加土壤有机质起到改善土壤结构的作用，增加土壤入渗性能[4].林下土壤也被誉为森林的水库，森林土壤层的蓄水功能往往是通过对土壤内部结构改善，调节水分渗透与储蓄，以此来达到土壤保水性能提高的目的[5].因此,枯落物与林下土壤成为了研究森林水文学的首要目标[6].目前，不同区域、不同植被类型下的枯落物与土壤的相关性研究有很多，这些研究多集中于不同林分枯落物与土壤持水性能方面.王德连等[7]研究显示，不同林分类型的枯落物蓄积量和持水能力差异明显，Freschet等[8]对枯落物的持水性能进行了研究发现枯落物对土壤的理化性质有一定的影响.Gholami等[9-10]还对枯落物的阻流减沙作用进行了研究.何东宁等[11]的研究显示，土壤的非毛管孔隙中存了大部分的林地降水，因此非毛管孔隙度可以作为土壤储存水分能力的关键衡量因素.不同森林植被的入渗性能研究发现[12-13]，不同林地间土壤渗透性能存在较大的差异，初渗速率大的林分会吸收大量的雨水.另外有研究发现不同植被类型的土壤蒸发量大约占到林地总蒸发散的3%～21%[14-15]，而森林枯落物在地表的覆盖对0～20 cm土壤层的水分挥发影响是最显著的[4]，可以有效减少蒸发量.虽然如此，关于大面积林分的的单一种植下，枯落物持水与其吸水过程、土壤持水能力以及渗透过程的定量研究还比较少.

青海省互助县北山国家森林是青海祁连地区十分重要的生态林场.它不仅是黄河上游的水源涵养林区，而且也是青海省内重要的自然生态屏障，被青海省区划为国家生态公益林.由于其地理位置与气候条件的独特，形成了以高原森林为主，拥有多种野生动植物资源的自然生态系统[16].目前本地区的研究多集中于物种多样性、地质、土壤等方面,对水文功能的研究则相对较少.本研究以本区域内白桦青扦山杨混交林(The mixed ofBetulaplatyphyllaPiceawilsoniipopulusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)纯林、青扦(Piceawilsonii)纯林、山杨(Populusdavidiana)纯林4种林分为研究对象，对不同林分下枯落物层及表层土壤的水源涵养能力进行研究，进行水源涵养功能综合评价，为本地区针阔混交林种植，水源涵养效益提升提供科学的数据与理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

互助北山国家森林公园属于青海省面积较大的天然次生林场，地理坐标N 36°53′～37°03′,E 102°19′～102°28′，林区总面积达到11.27 hm2，森林覆盖率64.3%，海拔在2 100～4 308 m之间.位于互助县东北部，祁连山东端，大通河中下游，祁连山支脉冷龙岭南域，支脉达坂山北坡，山地地貌整体上属于多年冻土，气候属于大陆寒温带，冬季与夏季温差较大，冬季受西伯利亚季风和寒流影响，夏季受东南沿海台风影响.年平均气温5.8 ℃，其中最高气温达到30.3 ℃，最低气温达到-26.9 ℃；年降水量477.4 mm，年蒸发量1 198.3 mm[17].白桦青扦山杨混交林、白桦纯林、青扦纯林以及山杨纯林为北山国家森林公园内常见的林分.除去乔木外，还存在主要灌有木茶藨子(Ribesnigrum)、扁刺蔷薇(Rosasweginzowii)、小檗(Berberisthunbergii)，主要草本有早熟禾(Poaannua)、早沙蚕(Tripogonbromoides)东方草莓(Fragariaorientalis)等，其中青扦与白桦林中灌木10～20棵，山杨与混交林较少，只有6～10棵，草本在4中林分中均匀分布.

1.2 样地取样

2019年9月，林区勘基础上分别选取不同林分各设置1个28 m × 28 m的调查样方，对样方内所有林木进行调查(表1)，并在调查样方内随机设置10个1 m × 1 m小样方，每两个1 m2样方内的枯落物为一份全部取回，即每个调查样方内有5份枯落物样品，称重所取的枯落物样品，记为W1(g).在每一调查样方内用铝盒与土壤环刀十字交叉取表层(0～5 cm)土壤各10份，并称重，铝盒土记为M湿，环刀土记为M1(g).将称质量后的枯落物与土壤样品带回实验室开展室内试验.

表1 调查地林分基本概况

1.3 水源涵养功能测定

将带回实验室的枯落物样品用烘箱80 ℃烘24 h至恒质量记为W2(g)，计算枯落物生物量M(t/hm2).烘干的枯落物分别装入尼龙网袋中，浸泡在水中0.5、1、2、4、6、8、12、24 h，并在每个时间点取出静置无水滴滴下后称质量记录，24 h时称重W24(g)，以此计算枯落物的自然持水率%R0，最大持水率%Rm、最大持水量(t/hm2)Ms，以及有效拦蓄量(t/hm2)W[18].

M=W2/S草样方×0.01
R0=(W1-W2)/W2×100
Rm=(W24-W2)/W2×100
Ms=(W24-W2)/S草样方×0.01
W=(0.85Rm-R0)×N

式中:M为枯落物现存生物量(t/hm2)，W1为刚取枯落物的质量(g)；W2为枯落物烘干后质量(g)；S草样方是取枯落物的草样方面积，本研究中是2 m2,枯落物样品取自草样方;R0为枯落物自然持水率(%)；Rm为最大持水率(%)；W24为枯落物浸泡24 h后的质量(g)；Ms为枯落物最大持水量(t/hm2)；W为枯落物有效拦蓄量(t/hm2).

带回实验室的环刀土浸入水中，没过环刀上沿，吸水24 h后称质量，记为M24(g)，接着将一空环刀去掉上下盖，环刀土去上盖，环刀土未取盖面置于漏斗上，空环刀置于环刀土上，进行室内模拟渗透，计算其室内统一条件下的渗出水总量Q(mm),渗透速率V(mm/min).之后将浸泡过的环刀土置于干燥的土上12 h后称质量记为M12，以计算田间持水量等指标，然后环刀土与铝盒土均放入烘箱，105 ℃下烘干至恒质量，铝盒土记M干，环刀土记M2，计算土壤质量含水量P(g/Kg)，土壤容重P1(g/cm3)、最大持水量P2(g/kg)、田间持水量P3(g/kg)、毛管持水量P4(g/kg)、毛管孔隙度P5(%)、非毛管孔隙度P6(%)[19].

Q=(Q1+，…，+Qn)×10/S环刀截面积

V=10×Q/t×S环刀截面积

式中：Q(mm)为每个环刀室内统一条件下的渗出水总量，Q1，…，Qn(mL)为次渗出水量，本试验为每2 min；S(cm2)为环刀直径5 cm,高5 cm,横截面积19.63 cm2.V环刀(cm3)为环刀的体积，本文中为98.13 cm3/t(min)为每次测定的时间间隔，2 min测1次.P(g/Kg)为土壤质量含水量；M湿(g)为取样后铝盒土的质量；M干(g)为烘干后铝盒土的质量，M2(g)为烘干后的环刀土(环刀+土)质量，(铝盒土与环刀土均指盒+土)，M(g)空铝盒指无土的空铝盒质量.P1(g/cm3)为土壤容重，M1(g)为取样后环刀土的质量，M空环刀(g)指无土的空环刀的质量.P2(g/kg)为最大持水量，M24(g)为环刀土浸入水中吸水24 h后的质量.P3(g/kg)为毛管持水量.P3(g/kg)为田间持水量，M12(g)为浸泡过的环刀土置于干燥的土上一段时间后称的质量，本文中是放置12 h.P4(g/kg)为毛管持水量，M2 h(g)为浸泡过的环刀土置于干燥的土上2 h后质量.P5(%)为毛管

孔隙度，ρ土(g/cm3)为土壤的密度；ρ水(g/cm3)为浸泡所用水的密度，M2 h(g)指为浸泡过的环刀土置于干燥的土上2 h后质量.P6(%)为非毛管孔隙度；

1.3 统计分析

2 结果与分析

2.1 不同林分枯落物水源涵养

2.1.1 枯落物持水 枯落物的生物量与吸水量与枯落物类型关系极大，较大的林下现存量提供了一个比较大的吸水基础.四种类型的林分在枯落物的生物量以及最大持水率方面均存在一定的差异(表2).方差分析表明，现存生物量青扦>白桦>白桦青扦山杨混交林>山杨(P<0.05)，白桦青扦山杨混交林生物量与3种纯林平均生物量相比略低，白桦青扦山杨混交林相比山杨多出了13.15%.枯落物最大持水总量显示白桦青扦山杨混交林>白桦、山杨>青扦(P<0.05)，白桦青扦山杨混交林枯落物最大持水总量最高，与白桦、青扦纯及山杨相比分别提高了68.09%、189.40%和60.37%，白桦与青扦纯林相比提高了72.17%，山杨与青扦相比提高了80.46%.

表2 不同林分枯落物生物量和持水性能

2.1.2 枯落物持水过程 枯落物持水过程中的持水速率大小在一定程度上反映了持水能力[20].通过对4种林分枯落物浸水时间与持水量、持水速率的关系进行函数拟合，以此来反映林分枯落物持水的动态变化特征.干燥的枯落物在最开始阶段吸水量大，吸水速率快，随着时间的推移.枯落物持水量增多、水势差减小，持水速率迅速变小，在12 h左右持水量慢慢趋于饱和，枯落物层持水速率也趋于平缓(图1).在0.5 h 4种林分枯落物吸水量呈现白桦(3.69 t/hm2)>青扦(2.78 t/hm2)、青扦白桦山杨(2.83 t/hm2)>山杨(2.15 t/hm2)(P<0.05)，在吸水基本处于饱和的24 h时则呈现出白桦(5.04 t/hm2)、青扦(4.99 t/hm2)、青扦白桦山杨(4.76 t/hm2)>山杨(3.03 t/hm2)(P<0.05).4种林分吸水速率在0.5 h时，白桦(7.38 t/(hm2·h))>青扦(5.56 t/(hm2·h))、青扦白桦山杨(5.66 t/(hm2·h))>山杨(4.30 t/(hm2·h)，P<0.05).枯落物层浸水时间与持水量、持水速率函数拟合关系见表3.枯落物浸水时间与持水量之间呈对数函数关系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率与与浸水时间呈幂函数关系，关系式为：V=Ktn(R2>0.99).

图1 不同林分枯落物浸水时间与吸水量、吸水速率拟合曲线Figure 1 Fitting curves of soaking time，water absorption and water absorption rate of litter in different forest stands

表3 不同林分枯落物浸水时间与吸水量、吸水速率拟合关系

2.2 不同林分土壤水源涵养

2.2.1 土壤物理性质和持水能力 森林土壤层因为其有着巨大的水文调节与水分储存能力，被称为森林水源涵养系统的第三活动层.研究发现，林分类型不同，其林下土壤层的水分物理性质一般也会有所不同[21].土壤容重作为土壤层物理结构松紧度与透气性的重要衡量指标，在土壤层持水保水方面有重要的作用.由表4可以看出，土壤容重最大的为山杨，最小的白桦，前者是后者的1.64倍，大小排序为：山杨(0.472 6 g/cm3)>白桦青扦山杨混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白桦(0.287 5 g/cm3)；非毛管孔隙度是土壤有效持水量的重要影响指标，是水分和空气重要传输通道，直接反映出土壤持水能力强弱，在水分进入土壤后，非毛管孔隙能够贮存一定量的水分，能够起到保水固土的作用[17]，土壤非毛管孔隙大小排序为：白桦青扦山杨混交林(29.44%)>山杨(28.85%)>青扦(23.62%)>白桦(21.25%)；土壤最大持水量会在一定程度上反映土壤对水分的贮藏潜力，白桦青扦山杨混交林的最大持水量是最大的，而青扦纯林最小，大小排序为：白桦青扦山杨混交林>白桦>山杨>青扦.

表4 不同林分类型土壤水分物理性质

2.2.2 土壤渗透性能 土壤水分入渗作为森林系统水循环的重要过程，是对植被水分吸收与蒸发、表层水土流失等衡量的重要参数[19].通过函数拟合土壤渗透时间与渗透速率，发现两者之间具有较好的函数关系(图2、表5)，初渗速率最大的为白桦青扦山杨混交林，最小的为青扦，前者为后者的1.29倍，数值大小排序为：白桦青扦山杨混交林(27.78 mm/min)>白桦(23.61 mm/min)> 山杨(22.14 mm/min)> 青扦(21.52 mm/min).土壤初入渗时速率较大，随后慢慢减小，最后趋于稳定，白桦青扦山杨的稳渗速率最大，最小的为白桦纯林，由大到小为：白桦青扦山杨混交林(27.78 mm/min)>青扦(14.83 mm/min)>山杨(13.00 mm/min)>白桦(12.88 mm/min).入渗时间与入渗速率的拟合曲线符合回归方程Y=a×Xb(R2>0.80).

图2 不同林分土壤入渗速率与入渗时间拟合曲线Figure 2 Fitting curves of soil infiltration rate and infiltration time of different forest stands

3 讨论

在风和水蚀的相互作用下，累积的枯落物分解后最终在表层土壤中形成粘性地壳，被定义为凋落物地壳.生物结皮的粗糙表面有助于凋落物的拦截和积累[22].凋落物的覆盖改变了生物结皮的微生境，并进一步影响了生物结皮的代谢和生长.本文研究发现，从生物量来看，青扦纯林的枯落物生物量远远高于其他3种林分.4种林下枯落物生物量青扦>白桦>混交林>山杨(P<0.05)，这与李阳等[23]得出的针叶林纯林枯落物存量大于阔叶林纯林的结论一致，但与杨良辰等[24]在承德坝区得出的混交林枯落物蓄积量大于针叶林的结论不同.出现这种结果一由于青扦纯林林下枯落物存在较多的果实与松枝，松针叶及其少，采集样品中，松枝、松果与针叶比例为14∶1，所以同等面积下针叶林青扦的枯落物生物量会最多，二是互助北山海拔较高，温度较低，针叶分解速度较为缓慢，累积的针叶枯落物造成了土壤酸化，降低土壤微生物活性，进一步减缓甚至阻碍枯落物的分解，三种树种的混交林生物量低是因为在其中白桦与山杨数量占比大，而青扦占比小；林下枯落物最大持水量表现为混交林>山杨、白桦纯林>青扦纯林(P<0.05)，其中白桦青扦山杨混交林的林下枯落物层最大持水量与白桦纯林、青扦纯林与山杨纯林相比分别提高68.09%、189.40%和60.37%；与张佳楠[25]在晋西黄土区得出的针阔混交林>针叶林结论相同.与孙艳红等[26]得出的阔叶林枯落物的持水能力普遍高于针叶林也是一致的.这主要是因为于针叶相比阔叶，质地硬、吸水面积小、吸水少，所以在长时间的浸水情况下吸水量反而会小.不同林分类型枯落物持水能力的大小与林分类型、枯落物组成、积累状况等密切相关[27],因此在今后的研究中,还需在枯落物的持水能力与其他因子的关系方面进行更深人的探索.枯落物持水量与浸水时间枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率与与浸水时间呈幂函数关系，关系式为：V=Ktn(R2>0.09).这与兰亚男等[28]的研究,不同林分类型的枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系,持水速率与浸水时间呈幂函数关系是一致的.

表5 入渗速率与入渗时间的回归方程

土壤作为森林生态系统最主要的水分调节与水分储蓄层次，有着“绿色水库”的美称.其水源涵养主要在蓄水性与渗透性两个方面.土壤的蓄水主要受土壤容重与土壤非毛管孔隙度等因素的影响.土壤大孔隙在渗透过程中可以通过团聚体间的孔隙、土体间的裂隙、根系和动物通道提供优先水流路径[29-30]，其对水分的运输等水循环过程起重要的调节作用，它也是研究森林水文特征的重要要素.本研究中土壤非毛管孔隙度混交林>山杨>青扦>白桦(P<0.05).这与何东宁等[31]发现混交林土壤的粗孔隙率最高，持水能力最强的研究一致.土壤容重山杨>混交林>青扦>白桦(P<0.05)，土壤最大持水量混交林>白桦>山杨>青扦(P<0.05)，这与以往研究的混交林最大持水量高于纯林、不同林型土壤饱和持水量和土壤非毛管蓄水量均为混交林优于纯林,混交林对水分的静态涵养能力更强,混交林水源涵养能力大于纯林的结论一致[32].土壤的渗透能力是指不同林分通过改善土壤的内部结构，从而达到提高土壤水性能的目的，是影响土壤侵蚀的重要因素之一.本研究入渗初期，土壤初入渗速率较大，随后慢慢减小，最后趋于稳定，这与研究入渗初期，土壤入渗速率与土壤含水量呈负相关关系，并随着时间的推移其对土壤入渗的影响可以忽略不计[33-34]相吻合.初渗速率与吸水量最大的均为白桦山杨青扦混交林，这也与胡海波等[12]的研究，不同森林植被下土壤初渗速率大的林分有助于吸收大量的雨水相一致.从枯落物与土壤总体上来讲，本文研究山杨白桦青扦混交林最优，持水量最大,故可以建议本区域内可以通过调整林分结构，适量增加针叶阔叶混交林的种植比例，来提高林分水源涵养能力.

4 结论

青海省互助县北山国家森林林下枯落物现存量现存生物量青扦>白桦>白桦青扦山杨混交林>山杨，最大持水总量白桦青扦山杨混交林>白桦、山杨>青扦.枯落物浸水时间与持水量呈对数函数关系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物赤水时间与持水速率间呈幂函数关系，关系式为：V=Ktn(R2>0.99).土壤容重山杨(0.472 6 g/cm3)>白桦青扦山杨混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白桦(0.287 5 g/cm3)，土壤非毛管孔隙排序为：白桦青扦山杨混交林(29.44%)>山杨(28.85%)>青扦(23.62%)>白桦(21.25%)；最大持水量白桦青扦山杨混交林>白桦>山杨>青扦，入渗时间与入渗速率的拟合曲线符合回归方程Y=aXb(R2>0.80).整体上从持水量来看，白桦青扦山杨混交林优于其他三种纯林，阔叶林白桦、山杨优于青扦.