崇陵流域不同林分类型枯落物水文效应研究

马佳明，赵鹏，刘雪莹，陆贵巧*，谷建才，温哲华

1.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2.河北省林业和草原局，河北 石家庄 050081

森林作为生态系统的主要组成成分，其水源涵养功能在森林生态系统占据一定的地位（Robert et al.，1997），在拦蓄降水、改善环境、调节地表径流及水分再分配等方面起到关键作用（王忠禹，2019；杨家慧等，2020）。枯落物层作为森林涵养水源功能的第二作用层，由林下的茎、叶、枝条、芽、鳞片、花、果实、树皮等的凋落物及动物残体组成，能改善降雨的有效性、调节地表径流、减轻土壤侵蚀与水分蒸发、加强土壤水分入渗、改善土壤理化性质等（Anne et al.，2010；Neris et al.，2013；侯东杰等，2018；彭云莲等，2018；周秋文等，2018；李阳等，2019；聂泽旭等，2020），在生态系统水土保持方面占据重要地位，研究林分枯落物的持水特性对于防止水土流失有重要意义。目前，许多学者对枯落物的水源涵养能力进行了研究，取得了一定的研究成果。枯落物的持水能力与诸多因素有关，王玲等（2019）比较八达岭林场4种密度油松人工林枯落物的持水性能，认为1260 plant·hm−2的持水能力较好；张佳楠等（2019）采用熵权法对晋西黄土区4种林分类型水源涵养能力进行研究，结果显示混交林相比纯林具有更好的水源涵养能力；杨寒月等（2019）比较了灌木群落和草本群落的持水能力，发现灌木群落的枯落物蓄积量和有效拦蓄量显著高于草本群落；高迪等（2019）比较了不同林龄落叶松（Larixprincipis-rupprechtiiMayr）的拦蓄能力，认为成熟林的有效拦蓄量最大。除上述研究中不同密度、不同林龄对枯落物的持水能力有影响外，不同树种对于枯落物的水文效应也有一定差异，杨霞等（2019）对比了辽东低山区5种水源涵养林枯落物持水特性，发现落叶松和红松（Pinus koraiensisSieb.et Zucc.）持水能力较好；郝弯弯等（2019）发现御道口牧场 4种不同防护林中落叶松的枯落物层持水能力最好；温林生等（2020）通过比较江西退化红壤区3种林分的枯落物和土壤层的持水能力，发现马尾松（PinusmassonianaLamb.）水源涵养能力最强。上述学者对于不同林分的水源涵养能力研究有一定的地域性，普遍性规律较弱，崇陵流域内不同林分类型的枯落物水源涵养能力需进一步研究。

太行山由于早期人类对森林资源的过度开发利用，导致林分资源遭到破坏，生态系统稳定性降低，土壤保土保肥能力下降，并且土层变的稀薄，对于森林的水土保持研究较为重要。崇陵流域地处太行山南段，其研究主要集中在气象监测、地表径流观测、降雨蒸发等观测、土壤水势观测等方面，对于流域内典型林分下枯落物的研究较少（塔莉等，2015），这对小流域的水源涵养能力了解不足，难以制定相应的水土保持措施，导致地区该水土流失严重。因此，本研究以崇陵流域4种典型人工林为研究对象，分析4种林分枯落物的持水性能，旨在揭示崇陵流域典型人工林下枯落物水文效应规律，为崇陵流域内水源涵养林种植类型及水文效应评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究区域位于河北省太行山北部，地处保定市易县境内（图 1），地理坐标为 115°21′E，39°23′N，海拔大部分在85—200 m，少部分低山区域达到220 m以上，流域面积达到6 km2，平均宽1.5 km，流域总长约4.4 km。研究区由丘陵和沟壑组成，是明显的丘陵地貌，地势西北高，东南低，丘陵多以花岗岩为主，还有部分地区为石灰岩和片麻岩，山丘坡度多为 10—20°，少部分坡度较高，达到在 25°以上。该区气候类型为温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，年均气温在11.6 ℃，全年极端气温为−23—41 ℃，年均降水量为641 mm，且降雨多集中在7—8月，年平均蒸发量为1905 mm，年均无霜期约210 d，沟壑区多以沙壤土和黄土为主要土层，土层厚度多集中在1—2 m，部分地区厚度在2 m以上。研究区主要植被种类为油松（PinustabuliformisCarr.）、侧柏（Platycladus orientalis（L.) Franco）、刺槐（RobiniapseudoacaciaL.）、杨树（PopulusL.）、荆条（VitexnegundoL.var.heterophylla(Franch.) Rehd）、酸枣（ZiziphusjujubeMill.var.spinose(Bunge) Hu ex H.F.Chow）、蔓出卷柏（Selaginelladavidiisp.Davidii.）、丛生隐子草（CleistogenescaespitosaKeng.）、鸭跖草（Commelina communisLinn.）等。

图1 试验地位置Fig.1 Location of test site

2 材料与方法

2.1 样地设置

在2019年8月，经过对崇陵流域内不同林分类型进行了样地调查后，选取了油松纯林、侧柏纯林、油松-刺槐混交林和杨树纯林4种典型林分类型为研究对象，每种林分类型各设置3块20 m×30 m的标准样地，计 12块，并详细调查样地内树木的树高、胸径和郁闭度等林分因子，样地基本信息见表1。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of sample plot

2.2 枯落物蓄积量测定

在标准样地内沿对角线在两端及中间设置3个30 cm×30 cm样方，用钢尺分别测量各样方内未分解层、半分解层枯落物厚度，并将枯落物按照未分解层和半分解层分别放入密封袋中，称其鲜质量。然后带回实验室置于85 ℃。烘箱中烘干至恒质量，烘干后干质量用于计算枯落物的蓄积量、自然含水率等。

2.3 枯落物的持水和拦蓄能力测定

枯落物持水量和吸水速度采用室内浸泡法测定，取一定质量的枯落物样品放入尼龙网袋，将其全部浸入水中，分别在0.25、05、1、2、4、6、8、10、12、24 h时取出控干，至不滴水为止，然后称其质量。根据其每次质量的变化，计算枯落物的持水量、持水速率、有效拦蓄量和最大拦蓄量。计算公式如下（王忠禹，2019）：

式中，Q为枯落物的持水量（g·kg−1），mt为枯落物浸水t时刻后的质量（g），m0为枯落物干质量（g），V为不同时刻吸水速率（g·kg−1·h−1），Rm为枯落物最大持水率（%），m24为枯落物浸水24 h后的质量（g），Wm为最大拦蓄量（t·hm−2），R0为枯落物自然含水率（%），M为蓄积量（t·hm−2），W为有效拦蓄量（t·hm−2）。

2.4 数据处理分析

运用Excel和SPSS软件进行数据处理，用单因素方差分析法分析不同林分枯落物的蓄积量及持水性能的差异，采用LSD最小显著法检验其显著性，所得结果用Origin软件作图，对拟合的多元回归关系经统计学检验得到拟合度参数R2。

3 结果分析

3.1 不同林分枯落物蓄积量及厚度

枯落物蓄积量受不同林分类型、林龄、枯落物分解速度等诸多因素的影响，枯落物的缓慢分解有利于林分养分的积累，枯落物蓄积量是研究林分水文效益的重要指标之一。由表2可知，4种林分类型的枯落物厚度大小依次为Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，其厚度范围为1.56—4.59 cm，其中油松纯林与侧柏纯林和杨树纯林间具有显著性差异，与油松-刺槐混交林无显著性差异。4种林分枯落物蓄积量总体上为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，其变化范围为 3.66—18.60 t·hm−2，其中油松纯林与油松-刺槐混交林差异不显著，与其他林分差异显著。

表2 不同林分类型枯落物厚度和蓄积量Table 2 The thickness and volume of litter of different forest types

分析不同林分类型未分解层蓄积量、半分解层蓄积量可知，油松纯林未分解层蓄积量最大为6.24 t·hm−2，杨树纯林未分解层蓄积量最小为 2.16 t·hm−2，杨树纯林与刺槐纯林无显著性差异，与其他两种林分有显著性差异；在半分解层蓄积量上，其变化规律与总蓄积量相同，蓄积量变化范围为1.51—12.47 t·hm−2。在不同林分的未分解层和半分解层蓄积量占比有所差异，从所占比例来看，除杨树纯林外，油松纯林、侧柏纯林和油松-刺槐混交林未分解层蓄积量所占比例均小于半分解层，半分解层在这3种林分中占主要地位，且极端比例均出现在油松-刺槐混交林，其半分解层占比最大为67.04%，未分解层占比最小为32.96%。

3.2 不同林分类型枯落物的持水能力及拦蓄能力

3.2.1 不同林分类型枯落物的持水能力

枯落物的持水能力可以用枯落物的最大持水量和最大持水率表现出来。如图2所示，从最大持水量来看，4种林分类型的总最大持水量呈现为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，这与4种林分的蓄积量变化规律一致，其中油松-刺槐混交林最大，为 45.27 t·hm−2，杨树纯林最小，为9.02 t·hm−2，侧柏纯林和杨树纯林与其他2种林分均具有显著性差异，侧柏纯林与杨树纯林间无显著性差异，油松纯林与油性-刺槐混交林之间差异性显著。

图2 不同林分类型枯落物的持水能力Fig.2 Water holding capacity of litter in different forest types

未分解层最大持水量为Ⅲ (13.78 t·hm−2)＞Ⅱ(10.62 t·hm−2)＞Ⅳ (5.57 t·hm−2)＞Ⅰ (4.58 t·hm−2)，侧柏纯林和杨树纯林与油松纯林和油松-刺槐混交林之间都具有显著性差异；半分解层最大持水量的变化规律为Ⅲ (31.49 t·hm−2)＞Ⅱ (23.97 t·hm−2)＞Ⅰ(7.72 t·hm−2)＞Ⅳ (3.45 t·hm−2)，侧柏纯林与油松纯林、油松-刺槐混交林和杨树纯林之间具有显著性差异。对比林分的半分解层和未分解层可以看出，侧柏纯林。油松纯林和油松-刺槐混交林的未分解层明显小于半分解层，而杨树纯林的未分解层明显大于半分解层，可能是由于杨树纯林半分解层蓄积量少，枯落物分解快速。

从最大持水率来看，杨树纯林平均最大持水率最大，为244.98%，油松-刺槐混交林和油松纯林次之，侧柏纯林最小，仅为166.02%。侧柏纯林与油松纯林间差异性显著，侧柏纯林和油松纯林与其他 2种林分具有显著性差异，油松-刺槐混交林与杨树纯林间无显著性差异。未分解层最大持水率变化为Ⅳ(257.1%)＞Ⅲ (224.82%)＞Ⅱ (169.85%)＞Ⅰ (143.99%)，侧柏纯林和油松纯林与油松-刺槐混交林和杨树纯林具有显著性差异；半分解层最大持水率规律为Ⅲ (254.92%)＞Ⅱ (242.75%)＞Ⅳ (232.87%)＞Ⅰ(188.07%)，侧柏纯林和油松纯林与油松-刺槐混交林和杨树纯林具有显著性差异。除杨树纯林外，其他3种林分的最大持水率均为半分解层大于未分解层。不同林分枯落物的最大持水量和最大持水率表现规律不一致，这是由于最大持水量与不同树种枯落物类型、蓄积量和分解速度等有关。相比其他 3种林分，油松-刺槐混交林的持水能力最强。

3.2.2 不同林分类型枯落物的拦蓄能力

最大拦蓄率和最大拦蓄量一般只能反映枯落物层的持水能力大小，但不能反映其对实际拦蓄能力。当降雨达到20—30 mm以后，实际拦蓄量和拦蓄率约为最大拦蓄量和最大拦蓄率的85%。因此，一般以有效拦蓄水量及有效拦蓄率来估算枯落物对降雨的实际拦蓄效果和能力（彭云莲等，2018）。

不同林分类型的枯落物拦蓄能力有所区别，其拦蓄能力与枯落物层次有关。由表3可知，4种林分枯落物总最大拦蓄量为油松-刺槐混交林最大（33.32 t·hm−2），杨树纯林最小（8.29 t·hm−2），其变化规律与最大持水量一致，不同林分的枯落物最大拦蓄量未分解层与半分解层呈现出不一致的规律。未分解层的排序为Ⅲ (10.13 t·hm−2)＞Ⅱ (9.01 t·hm−2)＞Ⅳ (4.95 t·hm−2)＞Ⅰ (4.27 t·hm−2)，油松纯林和油松-刺槐混交林与其他 2种林分具有显著性差异，油松纯林与油松-刺槐混交林间无显著性差异；半分解层的变化规律为Ⅲ (23.19 t·hm−2)＞Ⅱ (17.58 t·hm−2)＞Ⅰ (6.89 t·hm−2)＞Ⅳ (3.34 t·hm−2)，油松纯林和油松-刺槐混交林与其他 2种林分具有显著性差异。枯落物的最大拦蓄率排序大小为Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，其变化规律与最大持水率一致。枯落物有效拦蓄量变化范围 6.94—26.53 t·hm−2，在不同的枯落物层次与最大拦蓄量的变化规律一致，依旧为油松-刺槐混交林有效拦蓄量最大，杨树纯林最小，其有效拦蓄率变化与最大持水率一致。

表3 不同林分类型枯落物的拦蓄能力Table 3 Litter retention capacity of different forest types

3.3 枯落物的持水过程

由图3可知，不同林分类型枯落物经浸泡后持水量呈现相似的变化，随着浸水时间的加长，不同林分不同层次枯落物持水量均呈现逐渐增加的趋势。在整个枯落物持水过程中，0—2 h内，枯落物持水量增加迅速，浸泡 2—10 h，随时间的增加，其持水量也逐渐增加，但是增加的幅度减小，在10 h之后，枯落物持水量增加速度明显减少，基本达到稳定状态。在24 h后枯落物持水量达到最大值，处于饱和状态。不同林分类型的未分解层和半分解层持水量动态变化有所区别，未分解层持水量排序为Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，半分解层持水量排序为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ，除杨树纯林外，其余3种林分在相同时间段上枯落物半分解层持水量均大于未分解层持水量，表明其半分解层持水能力较强。

图3 不同林分类型枯落物持水量与浸水时间的关系Fig.3 The relationship between water holding capacity with immersion time of litter in different forest types

对4种林分枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间的关系进行回归分析，枯落物持水量与浸泡时间符合对数函数模型，其关系式为：

式中：Q为枯落物持水量（g·kg−1）；t为浸水时间（h）；a为方程系数；b为方程常数项。拟合结果如表4所示，4种林分不同枯落物层次相关系数R2均大于0.97，说明林分各层枯落物的持水量与浸水时间拟合效果较好。

表4 不同林分枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的关系Table 4 The relationship between water holding capacity, water absorption rate and soaking time of litter in different forest types

由图4可知，不同林分类型枯落物吸水速率随着浸水时间的加长逐渐降低。在0—1 h内，枯落物吸水速率急剧下降，随后吸水速率显著降低，在 4—8 h其下降速率减慢，24 h时枯落物不在吸水，其吸水速率趋于 0，持水量基本达到饱和，处于稳定状态。不同林分类型的未分解层和半分解层吸水速率动态变化有所区别，未分解层初始吸水速率排序为Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，未分解层为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ。对4种林分未分解层和半分解层枯落物的吸水速率与浸水时间的关系进行回归分析，其吸水速率与浸水时间呈幂函数关系，其关系式为：

图4 不同林分类型枯落物吸水速率与浸水时间的关系Fig.4 The relationship between water absorption rate with immersion time of litter in different forest types

式中：V为枯落物吸水速率（g·kg−1·h−1）；k为系数；b为指数。拟合结果如表4所示，4种林分不同枯落物层次相关系数r2均大于0.99，表明枯落物的吸水速率与浸水时间拟合效果较好。

4 讨论

枯落物的蓄积量及蓄积动态变化受枯落物的凋落量、分解快慢、累积时间、以及枯落物所处的立地条件等综合因素的影响，此外还与林分类型、林龄、密度、人为活动和气候条件等有所关系（杨霞等，2019）。根据研究结果显示，4种不同林分类型枯落物的厚度和蓄积量具有明显差异，油松纯林枯落物厚度最大，杨树纯林枯落物厚度最小，可能是由于阔叶树枯枝落叶比针叶树更易分解（吴初平等，2015），油松-刺槐混交林蓄积量最大（18.60 t·hm−2），杨树林蓄积量最小（3.66 t·hm−2），这与河北太行山 6种不同人工林（5.25—15.7 t·hm−2）的结果接近（赵鹏等，2020），与崇陵地区 3种人工林枯落物蓄积量（28.7—57.9 t·hm−2）差异较大（塔莉等，2015），这可能是由于塔莉选取的林分在崇陵流域海拔930 m左右，林分郁闭度较高，而办研究选取的海波仅为100 m左右，相差较大。4种林分中，除杨树纯林外，油松纯林、侧柏纯林和油松-刺槐混交林未分解层蓄积量所占比例均小于半分解层，这与张学龙等（2015）研究结果不一致，可能是杨树纯林半分解层分解快速，枯落物现存量较少，未分解层蓄积量比半分解层高，这与杨树纯林所处环境为公路旁交通便利的地带也有一定关系。一般来说枯落物厚度与其蓄积量有线性关系，厚度越大，蓄积量越大（孟庆权等，2019），崇陵流域4种林分枯落物厚度与蓄积量结果不一致，这与侯春兰等（2020）对草海流域的研究相似，可能是由于针叶林枯落物分解慢，阔叶林分解较快，且与林分生长状况有关，导致油松-刺槐混交林厚度较低，但蓄积量最大，油松纯林厚度最大，但蓄积量偏低。

枯落物最大持水量和最大持水率用于表示其持水能力，本研究表明总最大持水量为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，与4种林分的蓄积量变化规律一致。韦小茶等（2017）对喀斯特地区的针叶林蓄积量与最大持水量的探讨与本研究结果相似；平均最大持水率为Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，平均最大持水率和总最大持水量仅杨树纯林有所差异。已有研究表明，阔叶混交林最大持水率高于针叶林（王茜，2013）。杨树纯林枯落物分解较快，其持水率较针叶林高。持水能力不仅与枯落物分解程度有关，还与枯落物蓄积厚度有关。由于杨树纯林蓄积量和厚度均低于其他3种林分，因此杨树纯林的最大持水量较低，但其最大持水率较高。除杨树纯林外，枯落物半分解层最大持水量和最大持水率均大于未分解层，这与王美莲等（2015）对于不同林龄兴安落叶松（Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.）研究结果相似。主要原因是半分解层枯落物已经分解了一部分，较为疏松，枯落物空隙变大，枯落物持水量增大，而未分解层表面相对光滑，质地坚韧，不能有效持水。造成各林分枯落物持水量大小差异的原因是多样的，枯落物的持水量还与枯落物的立地条件、人为影响等因素有关。

一般而言，常用有效拦蓄量（率）表示枯落物的降水拦蓄能力。本研究表明，4种林分枯落物最大拦蓄量与有效拦蓄量变化规律与最大持水量一致，排序为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，最大拦蓄率与有效拦蓄率与最大持水率变化一致，这与冯楷斌等（2016）对冀北山地白桦林的研究结果相似。油松-刺槐混交林有效拦蓄量最大，杨树纯林有效拦蓄量最小，可能是由于油松-刺槐混交林下灌草植物较多，林分郁闭度较大，光照较少，形成了枯落物更适宜储存的环境，造成枯落物厚度及蓄积量的增加，而杨树纯林地处发达的道路旁，人为因素较大而导致林下植被较为稀少，枯落物不易留存，分解程度较大，厚度及蓄积量较低，造成杨树纯林枯落物的有效拦蓄量低。有效拦蓄量除与林地枯落物的蓄积量、自然含水率有关外，还与枯落物的组成、分解状况、累计状况紧密相关，因此不同层次枯落物拦蓄能力不同（王玲等，2019）。油松-刺槐混交林、侧柏纯林和油松纯林的半分解层有效拦蓄量均大于未分解层，与石亮等（2016）对兴安落叶松下不同枯落物层的研究结果一致。不同枯落物层拦蓄能力不同可能是半分解层与未分解层的枯落物分解程度、厚度和蓄积量不同造成的。

不同林分类型枯落物未分解层和半分解层持水量和吸水速率与浸水时间呈现相似的规律性，在浸水初期，由于水势差较大而迅速吸水，随之浸水时间的增长，枯落物吸水速率逐渐减小并趋向于稳定，持水量逐渐增大并趋向于饱和状态。枯落物吸水速率与浸水时间的关系符合V=ktn的幂函数，枯落物持水量与浸水时间的关系符合Q=alnt+b的对数函数，这与学者对于人工林枯落物持水过程基本一致（袁秀锦等，2018；吴晓光等，2020；温林生等，2020）。枯落物层的持水过程在前期发挥较大作用，因此人工林枯落物对林间短期降水具有良好的储蓄作用，有助于保育土壤、调节林内地表径流等。枯落物持水过程采取室内浸水的模拟试验，能够在一定程度反映枯落物的持水能力，在今后的研究中还应结合野外降雨的实际情况对枯落物的持水能力进行充分研究。

对枯落物的厚度、蓄积量、最大持水量（率）、有效拦蓄量（率）和持水过程等因子的评价，可知4种林分类型中油松-刺槐混交林的水源涵养能力最强。今后为充分发挥崇陵流域的水源涵养功能，可以考虑改造林分类型，在原有的油松纯林和刺槐纯林中进行混种，以种植刺槐-油松混交林，为提高水源涵养能力提供支持。人为活动的干扰也会影响森林枯落物持水能力，因此要减少人为活动的干扰以保证人工林及林下植被的完整性。一般通过森林林冠层、枯落物层和土壤层3个层次分析水源涵养能力（陈超，2014），但是本研究中仅分析了 4种林分的枯落物层的持水能力，没有涉及林冠层和土壤层的水源涵养能力，因此，为了更好地研究崇陵流域地区的水源涵养能力，土壤层和林冠层应作为下一步研究的主要目标。

5 结论

（1）4种林分类型枯落物总普度变化为1.56—4.59 cm，蓄积量变化范围为 3.66—18.60 t·hm−2，蓄积量大小排序为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，除杨树纯林外，其他3种林分未分解层蓄积量均小于半分解层。

（2）各林分类型的总最大持水量为9.02—45.27 t·hm−2，排序为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，与林分蓄积量排序一致；枯落物的平均最大持水率为 166.02%—244.98%，除杨树纯林外，枯落物半分解层最大持水量和最大持水率均大于未分解层。在枯落物的拦蓄能力中，有效拦蓄量变化规律为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ，最大拦蓄量与有效拦蓄量变化一致。除杨树纯林外，其他3种林分半分解层有效拦蓄量均大于未分解层。

（3）在持水过程中，枯落物持水量与浸水时间呈对数关系，关系式为Q=alnt+b，且关系系数＞0.97；枯落物吸水速率与浸水时间呈幂函数关系，关系式为V=ktn，关系系数＞0.99。

（4）通过综合分析表明，本次研究的4种林分中，油松-刺槐混交林的水源涵养能力最强。