库布齐沙漠人工防护林林下枯落物及土壤水文效应研究

王涛，蒙仲举，党晓宏，李浩年，付东升，赵飞燕，杨圃畅

内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018

枯落物是森林生态系统水分循环中的功能层（Park et al.，2010），枯落物独特的疏松结构可以有效地调节地表径流，减少土壤侵蚀。同时，枯落物凋落分解后返还土壤，是植物-土壤进行物质循环和能量流动的重要方式（王春阳等，2010）。枯落物下的土壤是森林系统蓄水的主要载体，土壤通过植物根系与土壤毛管孔隙实现地表水与地下水的水分交换。库布齐沙漠东北缘边际地区气候干燥、风沙活动强烈，人工防护林作为该地生态防护的重要措施，是当地脆弱生态的重要屏障。前人针对该区域的研究多集中于防护林的防风固沙效益、固土改土（顾梦鹤等，2017）及林下植被的演替等方面。而枯落物作为防护林建设一段时间后的产物，可以有效地拦蓄降水（莫菲等，2009）、固持土壤（王美莲等，2015）、减少土壤层的蒸发（Neris et al.，2013），对当地荒漠生态系统的保水蓄水具有重要的意义。

不同地区及不同林型地表枯落物组成结构差异较大，导致其水源涵养能力及保持水土能力也有所差别。近些年，相关学者对这些方面也进行了大量的研究。如在砒砂岩地区的研究发现（吴晓光等，2020），油松林（Pinustabuliformis）林下土壤结构更为疏松，毛管水容纳量较多，更利于植被生长发育。在黄土残塬沟壑区研究发现（侯贵荣等，2020），相比油松及刺槐（Robiniapseudoacacia）纯林，二者的混交林涵养水源能力较高，对降水也具有较好的拦蓄能力。在冀北山区的研究（杨建伟等，2019）发现，侧柏(Platycladusorientalis)×山杏（Armeniacasibirica）的混交林水源涵养能力显著大于油松×落叶松（Larixgmelinii）和油松×山杏混交林。荒漠地区不同于其他地区，由于特殊的自然环境，不同类型的植被的枯落物出现的时间、部位及其尺度规模有所不同，由此对应形成的枯落物分布亦不同。笔者在库布齐沙漠防护林调查中发现，不同林龄不同类型的防护林枯落物覆盖下的土壤颜色、湿度等有所差别。基于此，本文针对库布齐沙漠不同林龄人工防护林林下枯落物及土壤水文效应进行研究，旨在揭示库布齐沙漠人工防护林林下枯落物与土壤的水文状况，为库布齐沙漠防护林的建设与养护提供理论依据。

1 研究区概况

实验地位于库布齐沙漠东北缘，内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗境内（40°32′N，108°38′E，图 1），属半干旱区域，典型温带大陆性季风气候。该区域年均降水量258 mm，年平均气温为5—8 ℃，年蒸发量为2400 mm。风沙活动主要集中于3—5月，盛行西北风和西风，全年大风日数约30 d。地貌以固定沙地、流动及半流动沙丘为主，土壤类型为风沙土。防护林主要树种为速生杨（Populuspopular）、沙柳（Salixpsammophila）、沙枣（Elaeagnusangustifolia）及樟子松（Pinussylvestris）。防护林下草本植被以沙生植被为主，主要有羊柴（Hedysarumfruticosum）、沙米（Agriophyllumsquarrosum）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、虫实（Corispermummongolicum）等。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 样地调查

于2020年8月初在研究区开展试验。分别调查区域内2005年营建和2011年营建无灌溉条件下不再进行人工抚育管理的沙枣纯林、沙柳纯林、樟子松纯林及速生杨纯林的树高、冠幅等，统计并计算每种树种的平均树高、平均冠幅。依据计算结果选择一块具有代表性的30 m×30 m的标准样地，实验共选取8块样地，样地基本情况见表1。

表1 研究样地基本特征Table1 Basic characteristics of the sample plots

2.2 枯落物与土样的采集

在每个样地的 4个角及中心位置选取 5个 0.3 m×0.3 m的枯落物样方，分别收集枯落物未分解层（新鲜凋落物、颜色未发生明显变化、保持原有形态、质地坚硬、无分解痕迹）及半分解层（无完整叶轮廓、颜色已发生明显变化、叶片已分解破碎），称量其鲜质量，装入尼龙网袋中，然后在枯落物的基底挖取土壤剖面，取样深度为50 cm，每10 cm为1层，共5层。取样时用钢尺测定每个样方内枯落物未分解层与半分解层的厚度。然后依次取样称质量，并将枯落物在 80 ℃下烘干至恒质量，进行蓄积量计算。

2.3 枯落物持水能力测定方法

枯落物持水量及持水速率采用浸泡法测定，具体方法为：将烘干的枯落物装入收集袋内浸入水中，分别在 0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、24.00 h时取出样品放入筛内，以每次样品无水滴滴下为标准，测定该枯落物样品的重量，用于计算枯落物该浸水时间的持水量、吸水速率、拦蓄率等（吴晓光等，2020）。

2.4 土壤物理性质指标测定方法

土壤物理性质指标测定采用环刀称重法测定，先将环刀称质量记录标号，分层取土后带回实验室，在烘干箱中105 ℃下烘干至恒质量，用于土壤含水量（%）的计算。然后将环刀放在水中充分浸泡12 h进行称质量，用于土壤最大持水量的（%）测定；将其放置在预置好的沙盘中2 h后称质量，用于土壤毛管持水量（%）的测定；在沙盘中继续放置至24 h后称质量，用于土壤最小持水量（%）的计算；最后计算土壤容重、土壤孔隙度等指标（吴晓光等，2020）。

2.5 数据处理

用Excel 2010和SPSS 25.0对枯落物及土壤水文数据进行分析与统计，用Origin 2017进行绘图。

3 结果与分析

3.1 不同林龄防护林林下枯落物层厚度与蓄积量

防护林枯落物的蓄积量作为其水文评价的重要指标，与防护林林分类型、水热状况、林分的生长状况密切相关。不同的防护林类型及不同林龄的防护林对枯落物的输入量、分解速率、蓄积量的影响作用不同。由表2可知，不同林龄及不同类型的防护林枯落物总蓄积量具有一定的差距，总体的变化范围为 7.71—34.37 t·hm−2；总体储量排序为Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅵ；营建9年的防护林枯落物总蓄积量排序为Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ；营建15年的防护林枯落物总蓄积量排序为Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅶ＞Ⅵ。综上分析可知，同林龄不同类型的防护林枯落物蓄积量的储量排序一致，杨树林枯落物的蓄积量最大。形成这一差别的主要原因是杨树属于阔叶树种，叶面积大，因此形成的蓄积量也较大。

表2 不同林龄防护林林下枯落物厚度与蓄积量Table 2 Thickness and volume on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.2 不同林龄防护林林下枯落物持水能力

由表3可知，不同林龄防护林林下枯落物自然含水率随着营建年限的增加而增加，且半分解层自然含水率均大于未分解层自然含水率。本研究中枯落物的最大持水量变动范围为20.86—59.58 t·hm−2，大小排序为Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅵ＞Ⅳ。其中，营建15年的杨树林最大持水量远大于其他林分。枯落物最大拦蓄量的变动范围为 19.28—45.23 t·hm−2，其大小排序为Ⅴ＞Ⅷ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅶ＞Ⅵ＞Ⅳ。枯落物未分解层及半分解层最大拦蓄量的变化与最大持水量一致。枯落物有效拦蓄量的变动范围为16.14—36.29 t·hm−2，其大小变化顺序与最大拦蓄量基本一致。

表3 不同林龄防护林林下枯落物持水能力Table 3 Water-holding capacity on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.3 不同林龄防护林林下枯落物持水动态

由图 2、3可知，不同林龄及不同类型的防护林林下枯落物在浸水的前几个小时内，枯落物的持水量迅速增加。随着浸水时间的增大，枯落物持水量的增加逐渐变缓。出现这一现象的主要原因是在自然降雨的过程中，干燥的枯落物会迅速吸水，但到达一定的程度后，其持水量就会达到饱和状态。在未分解层中，营建 15年的杨树持水量高于其他林分，其大小排序为Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅷ＞Ⅶ＞Ⅱ＞Ⅵ＞Ⅳ。除营建15年的杨树林外，其他林分在浸水10 h之后持水量增加变缓。在半分解层中，营建 15年的杨树持水量同样高于其他林分，其大小排序变化与未分解层一致。除营建15年与9年的杨树林外，其他林分在浸水8 h之后持水量增加变缓。对库布齐沙漠人工防护林的枯落物在0.25—24 h之间的未分解层、半分解层持水量与浸水时间的关系进行回归分析，得出该时间段内持水量与浸水时间之间呈对数关系，其关系式为Q=alnt+b[Q为浸水t时间内的持水量（t·hm−2）；t为枯落物浸水时间（t）；a为方程系数；b为方程常数项]，R2均在0.881以上，拟合效果较好（表4）。

图2 不同林龄防护林林下枯落物未分解层持水量与浸水时间的关系Fig.2 Relationship between litter water holding capacity and soaking time of undecomposed litter on artificial shelterbelts understory of different ages

图3 不同林龄防护林林下枯落物半分解层持水量与浸水时间的关系Fig.3 Relationship between litter water holding capacity and soaking time of semi-decomposed litter on artificial shelterbelts understory of different ages

3.4 不同林龄防护林林下枯落物吸水速率

由图 4、5可知，不同林龄防护林林下枯落物吸水速率随着枯落物浸水时间的延长而逐渐减少，表现出一定的规律性。在枯落物吸水的前2个小时内，速度急剧下降，2个小时后，其下降速率变缓，24 h时吸水基本停止，此时枯落物已达到饱和状态。对这8种林分在0.25—24 h之间的枯落物的未分解层、半分解层吸水速率与浸水时间的关系进行回归分析，得出该时间段内吸水速率与浸水时间之间呈幂函数关系，其关系式为V=ktn[V为浸水t时间内的吸水速率（t·hm−2·h−1）；t为枯落物浸水时间（h）；k为方程系数；n为指数9]，R2均在0.986以上，拟合效果较好（表4）。

图4 不同林龄防护林林下枯落物未分解层吸水速率与浸水时间的关系Fig.4 Relationship between the water absorption rate and soaking time of the undecomposed litter of artificial shelterbelts understory of different ages

图5 不同林龄防护林林下枯落物半分解层吸水速率与浸水时间的关系Fig.5 Relationship between the water absorption rate and soaking time of the semi-decomposed litter of artificial shelterbelts understory of different ages

表4 不同林龄防护林林下枯落物持水量、吸水速率与浸水时间关系Table 4 Relationship between water holding capacity, water absorption rate and soaking time on litter of artificial shelterbelts understory of different ages

3.5 不同林龄防护林林下土壤水文效应及研究区土壤-枯落物水文相关关系

本实验采用各树种不同深度土壤层物理性质的均值来反映其水文效应。由表5可知，年份对土壤最小持水量、土壤非毛管孔隙度和土壤总孔隙度的影响作用相对其他指标明显。树种对各指标影响作用未表现出一定的规律性。将研究区水文功能参数与土壤性质进行相关分析可知，枯落物最大持水量与有效拦蓄量和土壤容重呈极显著相关（P＜0.01，下同）；枯落物自然含水率与土壤非毛管孔隙度呈极显著相关；枯落物蓄积量与枯落物最大持水量和土壤总孔隙度也呈极显著相关。枯落物自然含水率和土壤最大持水量呈显著相关（P＜0.05，下同）；枯落物有效拦蓄量与土壤总孔隙度呈显著相关（表6）。

表5 不同林龄防护林林下土壤物理性状及持水量Table 5 Physical properties and water-holding capacity of artificial shelterbelts understory soil in different age

表6 枯落物水文功能参数与土壤性质的相关关系Table 6 Correlation analysis between litter hydrological parameters and soil properties

4 讨论

不同林龄及不同林分类型的枯落物厚度和蓄积量因林种、气候条件、林龄及下垫面的水热条件的不同而有所差别（胡静霞等，2017）。根据本实验研究发现，实验区枯落物的厚度介于 0.7—2.1 cm，枯落物蓄积量介于 7.71—34.37 t·hm−2，除杨树林外，均表现为枯落物半分解层大于未分解层。这与杨霞等（2019）、公博等（2019）在辽东低山区的研究结果相同，但与吴晓光等（2020）的研究结果不同，出现这种结果的原因可能是由于实验区域风沙活动频繁，未分解层含水量低不利于保存。

枯落物的持水能力由其蓄积量和枯落物的持水特性两者共同决定，其是反映枯落物持水的一个重要性能（陈继东等，2017）。本研究中，枯落物的最大持水量范围为 24.71—54.12 t·hm−2，最大为营建15年的沙枣林，最小为营建9年的樟子松林。除杨树林外，其他防护林中半分解层最大持水量均大于未分解层。这与关于锦鸡儿属（Caragana）林下枯落物的研究结果（张学龙等，2015）相似。这是半分解层的蓄积量大于未分解层的蓄积量所造成的。

拦蓄量是反映枯落物对一次降雨的截留量，其拦截能力与枯落物蓄积量、自然含水率及最大含水率密切相关（张学龙等，2015）。本研究中同林龄不同林分类型的防护林中，杨树林的最大拦蓄量和有效拦蓄量均大于同期其他林分。这也是由于杨树林的枯落物蓄积量差异所导致的。这表明杨树林枯落物的拦蓄能力均高于其他林分。

枯落物的吸水速率与持水能力密切相关，吸水速率的快慢决定着林内降水涵蓄的速度，从而决定着地表径流的形成速度（王忠禹等，2019）。本研究中，吸水速率在前两个小时迅速下降，这与吴晓光等（2020）的研究结果一样，这主要是由于沙漠地区气候干燥，枯落物含水量低，所以在初始的前两个小时，枯落物的吸水速率快，随着浸水时间的增加，吸水速率减少趋于一致（Du et al.，2008），其原因主要是枯落物吸水已达到饱和，这与孙立博（2019）和袁秀锦等（2018）的研究结果相似。除营建9年的杨树外，其他林分枯落物半分解层的持水量均大于未分解层，说明半分解层在拦蓄截流方面起着主要作用。

本研究中，营建 15年的人工防护林植被林下毛管孔隙度大部分低于营建9年的人工防护林，这主要是因为随着营建年限的增加，林下植被逐渐增加，在共同竞争作用下，人工林的吸水量变少，导致土壤毛管孔隙度下降。非毛管孔隙度对降水具有吸收快、渗透快等特点，在涵养水源等方面有着重要作用（林立文等，2015；娄淑兰等，2019）。非毛管孔隙度的变化特点与毛管孔隙度恰恰相反，这表明营建 15年的人工防护林具有较强的涵养水源的能力。通过对研究区枯落物水文功能参数与土壤性质进行相关分析发现，枯落物的水文功能参数对土壤容重及土壤总孔隙度的影响作用较大。

5 结论

（1）库布齐沙漠人工防护林枯落物厚度介于0.7—2.1 cm；蓄积量介于 7.71—34.37 t·hm−2，除杨树林外，枯落物半分解层蓄积量对枯落物层的蓄积量含量的贡献均在50%以上。枯落物最大持水量总和介于 20.86—59.59 t·hm−2，有效拦蓄量总和介于16.14—36.29 t·hm−2。

（2）库布齐沙漠人工防护林枯落物持水量随浸水时间呈正相关关系，相关系数R2均在0.881以上；与吸水速率呈负相关关系，相关系数R2均在0.986以上。

（3）研究发现，林龄对土壤最小持水量、土壤非毛管孔隙度和土壤总孔隙度的影响作用相对其他指标明显。树种类型对各指标影响作用未表现出一定的规律性。通过对研究区枯落物水文功能参数与土壤性质进行相关分析发现，枯落物的水文功能参数对土壤容重及土壤总孔隙度的影响作用较大。

（4）从枯落物最大持水量、有效拦蓄量及最大拦蓄量等多个因素分析可知，在同林龄不同类型的林分枯落物层中，杨树林枯落物层的水源涵养能力最佳。