半干旱区4种人工林植被的水文功能特征

王云霓，郭春燕，贾喜平，聂竹彦，桑 昊，师鹏飞，杨溢文

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 3. 卓资县上高台林场，内蒙古 乌兰察布 012314； 4. 土默特左旗白石头沟试验林场，内蒙古 呼和浩特 010010)

城市环境下森林植被具有涵养水源、调节小气候、改善大气质量等多种水文作用[1-2]。林地水文功能主要包括林冠层对降水的再分配[3-5]、枯落物层[6-7]和土壤层[8-9]等3部分。其中，森林植被的林冠层具有改变降水特征、影响地面径流等水文作用[3]，冠层截留主要受植被类型、冠层枝叶特征、降水特征等影响[3-5]。枯落物层具有涵养水源、延缓径流、减少土壤蒸发等重要的水文功能，其水文功能主要受林分类型、枯落物特征的影响[10-11]。王云霓等[3]在内蒙古大青山、时忠杰等[4]在宁夏六盘山、赵阳等[7]在河北省围场县北沟林场的研究表明：不同林分枯落物的持水能力具有显著的差异；张卫强等[8]研究发现：刺槐(Robiniapseudoacacia)林地土壤蒸发受枯落物层厚度的影响。此外，林地土壤具有涵养水源、减缓径流等水文生态效益，土壤层的水文效益主要与植被类型、土壤物理性质有关。张雷燕等[6]在宁夏六盘山南侧、赵阳等[7]在华北土石山区、姜海燕等[9]在大兴安岭岭南的研究均发现：不同植被类型土壤层水文功能存在差异；陈瑶等[12]对黄土坡耕地弃耕后土壤入渗研究认为：土壤空隙越大，土壤入渗量越大，有机质越多，容重越小，土壤入渗能力越好；王斌等[13]研究认为：森林土壤涵养水源能力取决于土壤和森林植被的综合状况。

目前，有关林分水文效益的研究多集中在丘陵或山地，而在城市环境下的研究相对较少。在城市环境下，不透水地面面积的增加，土壤-植物-大气之间水汽循环减弱，水汽调节能力差[14]；此外，随着城市热岛效应的影响，会加大林地无效蒸发，增加城市林地对水分的需求，所以林地水文涵养作用尤为重要。因而研究城市林地水文效益对于发挥干旱地区城市林地的生态效益、合理调配及利用水资源具有重要的意义。

本研究选择内蒙古林科院树木园的4种人工林植被为研究对象，通过确定其冠层截留量、枯落物持水特征及土壤层的贮水特征，以期了解城市环境下植被的水文功能，为城市森林的经营管理及生态服务功能评估提供科学依据。

1 研究区概况

内蒙古林科院树木园(40°49′N，111°41′E)位于内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区，始建于1954年，占地 21.7 hm2，海拔1 056 m。截至目前，各类乔灌木树种达到500种以上，树木园高覆盖度的森林植被对当地涵养水源、调节气候、改善大气环境起着重要的作用，丰富的植物资源也为当地林业生产、园林绿化树种选择提供了科学依据。

呼和浩特市属于典型的蒙古高原大陆性气候，四季分明，春、秋季干燥风大，夏季雨热同期，冬季漫长寒冷。根据呼和浩特市1960—2016年气象数据显示，平均气温为 6.82 ℃，年均气温为 4.86～8.98 ℃；7月温度最高，多年平均为 22.58 ℃；多年平均降水量为 402.60 mm，年降水量为 155.10～685.90 mm，降水主要集中在7—8月；平均大气相对湿度为 52.38%，年均风速为 1.89 m·s-1，年均蒸发量 1 802.32 mm，无霜期135 d左右。土壤类型为沙质栗钙土。

2 研究方法

2.1 样地基本情况

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林分布在树木园的东侧，平均胸径 17.10 cm，平均树高 14.70 m，平均冠幅 2.78 m。林下灌木或小乔木相对丰富，主要有细叶小檗(Berberispoiretii)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、美丽茶藨子(Ribespulchellum)、峨嵋蔷薇(Rosaomeiensis)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、蒙桑(Morusmongolica)、文冠果(Xanthocerassorbifolia)、家榆(Ulmuspumila)等。

油松(Pinustabuliformis)人工林分布在树木园的北侧，平均胸径 22.30 cm，平均树高 11.60 m，平均冠幅 5.16 m。林下有毛果绣线菊(Spiraeatrichocarpa)、美丽茶藨子、细叶小檗等灌木零星分布。

杨树人工林分布在树木园的东南侧和南侧，种类有新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)、银新杨(P.alba×P.albavar.pyramidalis)、北京杨(P.×beijingensis)。平均胸径 35.70 cm，平均树高 17.10 m，平均冠幅 6.42 m。

锦鸡儿人工灌木林分布在树木园的西南，锦鸡儿种类较多，有树锦鸡儿(Caraganaarborescens)、荒漠锦鸡儿(C.roborovskyi)、红花锦鸡儿(C.rosea)、小叶锦鸡儿(C.microphylla)、甘蒙锦鸡儿(C.opulens)、中间锦鸡儿(C.liouana)、刺叶锦鸡儿(C.acanthophylla)等7种，锦鸡儿的平均地径 1.38 cm，平均灌高 1.13 m，平均冠幅 1.52 m。样地基本情况详见表1。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation of stands in sample plots

4种林分的草本层均发育一般，盖度小于 15%，种类相似，以阴山薹草(Carexyinshanica)、麦瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黄花铁线莲(Clematisintricata)、无芒雀麦(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花针茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飞廉(Carduusnutans)、狗尾草(Setariaviridis)、车前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)为优势种。

2.2 林冠层的水文功能测定

林冠对降水的再分配按照常规森林水文学方法测定。林外降水量采用Dynamet小型自动气象站(USA)测定；穿透雨采用自动雨量计，结合自制接水面测定；树干茎流采用PVC管(乔木)或瓶盖(灌丛)蛇形缠绕法进行收集[3]，基于样地面积(S，m2)、径级数(n)、每一径级的树木株数(Mn)及树干茎流量(Cn，mL)计算树干茎流量(Sc，mm)，公式为：

(1)

次降水后，利用降水量(P，mm)减去林内穿透雨(Tc，mm)和树干茎流量(Sc，mm)，得到冠层截留量(Ic)，公式为：

Ic=P-Tc-Sc

(2)

2.3 枯落物层的水文功能测定

在样地内，沿对角线中心及四角设置5个30 cm × 30 cm的枯落物样方，钢尺测量枯落物层总厚度及未分解、半分解层的厚度，并分层取样称湿重；将样品分别装入网袋，浸入水中24 h后取出，静置5 min后称重，计算枯落物持水能力；结束后，将所有网袋放回野外进行自然风干，将所有样品在85 ℃条件下烘至恒重时进行称重，计算枯落物贮量。

2.4 土壤层的水文功能测定

2.4.1土壤物理性质

在样地选择3个取样点，挖掘土壤剖面，机械划分土层后，用200 cm3环刀在土深5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、95 cm 处取土样。根据《森林生态系统定位研究方法》[15]，测定土壤物理性质。

2.4.2土壤贮水能力

土壤贮水能力包括最大贮水能力和有效贮水能力，2个指标常用于评价土壤涵养水源及水文调节功能。土壤贮水能力计算公式为[3]：

S=104×hi×pi

(3)

式中：S为土壤的贮水能力(t·hm-2)；hi为土壤的厚度(m)；pi为土壤的非毛管孔隙度或总孔隙度(%)。

3 结果与分析

3.1 林冠层的水文功能

整个生长季降水量为 240.28 mm，穿透雨占降水量的比重最大，华北落叶松人工林、油松人工林、杨树人工林和锦鸡儿人工林的穿透雨占总降水量的 81.16%、71.26%、71.66% 和 61.50%；穿透雨的月动态与降水的变化一致，基本表现为6月和8月的林内雨量较大，5月和9月的穿透雨较少(图1)。穿透雨月动态主要受月降水量、植被类型和叶面积等因素的影响，生长季初期，落叶树种的叶量较少，穿透雨占同期降水量的比例相对较大，但此期间的降水量较少，所以总量较少。

注：1为杨树人工林，2为华北落叶松人工林，3为油松人工林，4为锦鸡儿人工林。

观测期内，油松人工林的冠层截留量最大，达到 68.90 mm，占同期降水量的 28.67%；杨树人工林截留量次之，为 62.48 mm，占同期降水量的 26.00%；锦鸡儿人工林和华北落叶松人工林的截留量最低，分别为 49.06 mm和 45.21 mm，截留率分别为 20.42% 和 18.82%。从季节变化来看，林冠截留量均呈先增大后减小的趋势。

研究期间，锦鸡儿人工林树干茎流占同期降水量的比例最大，达到 18.09%，茎流量为 43.46 mm；杨树人工林树干茎流量次之，为 5.63 mm，占同期降水量的 2.34%；华北落叶松人工林和油松人工林的树干茎流量最小，分别为 0.05 mm和 0.15 mm。

3.2 枯落物层的水文功能

3.2.1枯落物厚度和现存量

对4种森林植被枯落物厚度和现存量的调查发现，不同植被枯落物厚度和现存量差别较大(表2)。其中，杨树人工林枯落物厚度最大(4.54 cm)，华北落叶松人工林和油松人工林的枯落物厚度次之，分别为 2.94 cm和 2.11 cm，锦鸡儿人工林枯落物厚度最小，仅为 1.45 cm。枯落物现存量以油松人工林和杨树人工林的最大，分别达 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，华北落叶松人工林枯落物现存量次之(14.16 t·hm-2)，锦鸡儿人工林枯落物现存量最少，仅为 9.23 t·hm-2。由于针叶林枯落物分解速率慢且积累量大[3]，导致油松人工林枯落物总量大于杨树人工林；但杨树冠型大、冠幅长、叶量大，而华北落叶松冠型较小，死枝多，仅树冠上部枝条是活枝，叶量少于杨树，导致落叶松人工林枯落物低于杨树人工林。锦鸡儿人工林叶量比乔木林少，且为阔叶树种，分解较快，导致其枯落物最少。

表2 林分枯落物现存量和持水能力Tab.2 The biomass and water-holding characteristics of forest litters

3.2.2枯落物持水能力

华北落叶松人工林、油松人工林、杨树人工林和锦鸡儿人工林的枯落物最大持水率分别为 196.97%、189.11%、375.91% 和 307.13%，4种植被枯落物的最大持水量变化为 28.35～66.80 t·hm-2(表2)。杨树人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，锦鸡儿人工林(2.84 mm)和华北落叶松人工林(2.79 mm)最小。锦鸡儿人工林枯落物的最大持水率虽然高于油松人工林，但锦鸡儿人工林枯落物现存量较少导致其最大持水深比油松人工林小。这主要是因为枯落物最大持水深受枯落物的最大持水率、枯落物现存量、枯落物分解程度等多方面的综合影响[3]。

3.3 土壤层的水文功能

由表3可知，4种人工林植被的土壤容重变化为 1.00～1.10 g·cm-3，华北落叶松人工林、油松人工林、杨树人工林和锦鸡儿人工林的饱和持水率分别为 57.57%、53.23%、59.26% 和 59.11%，毛管持水率分别为 43.76%、45.59%、43.87%、45.92%。不同人工林植被的土壤总孔隙度变化范围为 56.51%～59.27%；华北落叶松人工林、油松人工林、杨树人工林和锦鸡儿人工林的非毛管孔隙度分别为 13.41%、8.16%、15.29% 和 13.14%。

表3 林地土壤物理性质及持水特征Tab.3 Soil physical properties and water-holding characteristics

4种人工林植被土壤最大贮水深在 439.77～572.50 mm之间(表3)，华北落叶松人工林地最大贮水能力最强，杨树人工林地的最大贮水能力最弱。不同人工林植被的最大贮水深为华北落叶松人工林(572.50 mm)>油松人工林(483.54 mm)>锦鸡儿人工林(459.24 mm)>杨树人工林(439.77 mm)。有效贮水深反映林地土壤的渗透能力，4种人工林植被土壤有效贮水深变化在 81.57～152.94 mm之间，不同人工林植被土壤有效贮水深为杨树人工林(152.94 mm)>华北落叶松人工林(134.08 mm)>锦鸡儿人工林(131.23 mm)>油松人工林(81.57 mm)。

3.4 不同植被类型林地总蓄水能力评价

林地总蓄水能力一般是指枯落物与土壤的最大持水能力之和[3]，常用来评价林地水源涵养能力。华北落叶松人工林地的总蓄水能力最大，达 575.29 mm，油松人工林地总蓄水能力次之(487.21 mm)，锦鸡儿人工林地略低于油松人工林地，为 462.08 mm，杨树人工林地的总蓄水深最低(446.45 mm)。林地总蓄水能力以土壤层为主，其中华北落叶松人工林、油松人工林、杨树人工林和锦鸡儿人工林的土壤层贮水能力分别占林地总蓄水能力的 99.52%、99.25%、98.50% 和 99.39%。

4 讨论与结论

(1)整个生长季，4种植被树干茎流率为锦鸡儿人工林(18.09%)>杨树人工林(2.34%)>油松人工林(0.06%)>华北落叶松人工林(0.02%)；林冠截留率以油松人工林(28.67%)和杨树人工林(26.00%)最大，锦鸡儿人工林(20.42%)次之，华北落叶松人工林(18.82%)最小。这与前人的研究基本一致。刘世荣等[16]研究发现林冠截留率为 11.40%～34.34%；五金旦增等[17]研究结果显示高山松(Pinusdensata)林冠层截留率变化幅度为 13.19%～68.72%；王云霓等[3]在内蒙古大青山、时忠杰等[4]在宁夏六盘山、姚卫星等[5]在冀北山区的研究均认为不同林分冠层截留量具有明显差异，基本呈现出针叶林>阔叶林。本研究中华北落叶松人工林枯死枝较多，活枝仅分布在树冠最上部，叶量稀疏，导致华北落叶松人工林冠层截留量最少。

(2)不同森林植被枯落物现存量和最大持水深差别较大。以油松人工林和杨树人工林的枯落物现存量最大，分别为 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，华北落叶松人工林枯落物现存量次之(14.16 t·hm-2)，锦鸡儿人工林枯落物现存量最少，仅为 9.23 t·hm-2。杨树人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，锦鸡儿人工林(2.84 mm)和华北落叶松人工林(2.79 mm)最小。枯落物水源涵养能力与林分类型、林分结构、枯落物组成、分解程度、累积量等因素有关[4,10,16]。时忠杰等[4]在宁夏六盘山的研究表明枯落物持水能力具有显著的植被类型差异；黄承标等[18]认为马尾松人工幼林枯枝落叶层现存量、贮水量及养分贮量等均与林分年龄的大小存在密切的相关性；侯春兰等[11]认为不同林分枯落物蓄积量对其水源涵养功能具有较大的影响，枯落物对水分的吸持能力随着枯落物层厚度、蓄积量的增加而增强。

(3)不同森林植被的土壤最大贮水深变化幅度为 439.77～572.50 mm，有效贮水深的变化幅度为 81.57～152.94 mm，高于王云霓等[3]在内蒙古大青山的研究结果，但与时忠杰等[4]在六盘山、张平等[19]在祁连山的研究结果接近。说明内蒙古林科院树木园4种植被类型土壤水源涵养功能均较好。

(4)综合来看，林地的水源涵养功能以土壤层为主，针叶林(华北落叶松人工林、油松人工林)总蓄水能力相对较强，具有较高的涵养水源能力，但华北落叶松枯死枝较多，仅树冠上部有活枝，急需进行森林经营活动调整林分结构。