昆明市海口林场栎类林分枯落物层及土壤层水源涵养功能的研究

郭倩汝 许彦红 杨 旭 李子光,3 汤浩藩 李 洁 彭明俊

（1.西南林业大学林学院，云南 昆明 650233；2.云南省林业和草原科学院滇中高原森林生态站，云南 昆明 650204；3.昆明市海口林场，云南 昆明 650114）

森林作为绿地生态系统中最复杂和最重要的系统，拥有净化空气、水源涵养、保持水土等生态功能[1]。而其中水源涵养功能是评估森林生态服务功能和价值的重要指标，同时也是水资源可持续利用的关键[2]。森林的林冠层、枯落物层、土壤层分别作为水源涵养功能的3 个作用层，组成了3 个垂直层次，在森林生态系统的能量流动、物质循环、信息传递中发挥着重要作用[3-5]。森林中降水首先由树木的林冠层拦截，随后掉入枯落物中，枯落物将水吸收至饱和后渗入土壤中，这一过程减缓了降水对土壤层的直接冲刷，减少了地表径流，同时能够分散降水，减缓土壤侵蚀，减少水土流失[6-7]。目前，较多学者针对不同区域的不同森林类型的水源涵养功能做了大量研究，在森林影响地表径流、改善土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性等方面取得了一定成就[8]。本研究选择了昆明市海口林场主要栎类林分，研究其枯落物层和土壤层的水源涵养功能，以期为该区域的水源涵养型植被建设、水资源综合管理等方面提供理论依据。

1 研究区基本概况

研究区域位于云南省昆明市海口林场，地理位置为东经102°28′～102°38′，北纬24°43′～24°56′。海拔高度1 800～2 400 m，森林覆盖率为80.54%，年平均温度为14.5 ℃，年平均降雨量为909.7 mm，属于亚热带季风气候，年平均日照时间约2 200 h，无霜期240 d 以上，土壤类型以红壤为主。研究区内主要乔木树种有华山松（Pinus armandii）、云南松（pinus yunnanensis）、栎类（Quercus spp.）、圆 柏（Cupressaceae）、桤 木（Alnus nepalensis）、滇油杉（Keteleeria evelyniana）等。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查

在研究区内选取了3 种以栎类为主的林分作为研究对象，共设置了9 块典型样地，样地面积为20 m × 20 m，并在样地内进行每木检尺，调查样地内的树种及树种组成、平均胸径、平均树高以及主要生境等基本情况。样地基本概况见表1。

表1 不同林分类型标准地基本概况Table 1 General situation of standard plots of different forest types

2.2 叶片采集及叶面积测定

在每块标准样地内选取优势树种的3 株标准木，在距地面2～3 m 的位置分东、南、西、北4 个方向各采集25 片树叶，放入自封袋中带回实验室。用AM−300 手持式叶面积仪（ADC BioScientific，英国）测量叶面积。

2.3 枯落物收集及蓄积量测定

在标准样地内4 个角和中心位置设置5 个0.5 m×0.5 m 样方，调查其枯落物层的厚度，并分别调查未分解层和半分解层枯落物的厚度。枯落物按照分解状态进行分层：已经开始分解，外形破碎的为半分解层；凋落不久的枯落物，其外形保持完整的为未分解层[9]。现场称量样方内枯落物的鲜质量，然后将枯落物按照半分解层和未分解层分别装入自封袋带回实验室，在80 ℃烘干箱中烘干至质量不再变化，称量其干质量，并分别计算3 种栎类林分枯落物半分解层、未分解层的蓄积量以及总的蓄积量。在标准样地内靠近4 个角和中心的位置设置5 个0.5 m×0.5 m 样方，收集未分解层和半分解层的枯落物，现场称量鲜质量后，带回实验室进行自然含水率测定。每个月的月末进行枯落物的采集工作。

2.4 枯落物水文效应测定

采用室内浸泡法对半分解层、未分解层的枯落物进行持水量的测定[10]。分别取50 g 枯落物干质量样品装入布袋中，浸泡时间分别为0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12、24 h，在对应时间将枯落物取出至不滴水为止，称其湿质量[11]，设置5 次重复，取其平均值。枯落物以浸水24 h 为最大持水量[12]。并通过有效拦蓄量计算枯落物对降水的实际拦蓄量[13]。降雨量统计来自滇中高原森林生态站林外自动气象站，且每月统计的是采集枯落物前到本月1 日的降雨总量。

2.5 土壤采集及物理性质测定

在各标准样地内分上、中、下坡采用环刀法，在0～20、20～40、40～60 cm 土层取土样带回实验室，每个层次重复3 次取样。分别测定土壤含水量，最大持水重、土壤容重、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度等指标[14]。并且通过土壤最大持水量和土壤非毛管持水量计算土壤饱和蓄水量和土壤有效蓄水量。

2.6 数据处理

本研究利用Excel 2016 进行数据处理，用SPSS 21.0 中的最小显著差数法（LSD）对不同林分类型枯落物的厚度、蓄积量进行单因素方差分析，显著性水平为0.05。

3 结果与分析

3.1 栎类3 种林分枯落物层的厚度及蓄积量

由表2 可知，3 种栎类林分枯落物的总厚度范围为2.2～4.0 cm，未分解层蓄积量范围为3.04～3.51 t/hm2，半分解层蓄积量范围为3.03～3.90 t/hm2，而总蓄积量范围为6.07～7.41 t/hm2，大小排列顺序都为B>A>C。C 的枯落物总厚度与A 和B 差异显著（P<0.05），而未分解层、半分解层的蓄积量和总蓄积量无显著差异，占总蓄积量的比例都为50%左右，A 和B 的半分解层的蓄积量略高于未分解层。滇石栎林分混交度最高，枯落物厚度和总蓄积量最大；滇青冈林分混交度最低趋于纯林，并且其叶面积小于锥连栎和滇石栎，枯落物厚度和总蓄积量最小。因此，推测林分树种组成的复杂程度是影响枯落物厚度与蓄积量的主要原因之一。

表2 3 种栎类林分枯落物厚度及蓄积量Table 2 Litter thickness and volume of 3 oak stands

3.2 栎类3 种林分枯落物层自然含水率

由图1 可知，枯落物未分解层和半分解层的自然含水率都是5 月最低，6—10 月明显高于5 月，5 月的降雨量为0，枯落物在自然环境下充分干燥，自然含水率非常小。而6 月降雨量与自然含水率相差非常大的原因是本月降雨主要集中在采集枯落物的前几天，因此降雨总量较低但枯落物自然含水率较高。5、7—10 月自然含水率与降雨量的变化规律相似，其中7 月降雨量最大，3 种林分枯落物未分解层和半分解层的自然含水率也最高。这说明枯落物的自然含水率与降雨量联系紧密，且受到采集前几天降雨的影响非常大。

图1 3 种栎类林分枯落物自然含水率Fig.1 Natural moisture content of litter in 3 oak stands

3.3 栎类3 种林分枯落物层水文效应

3.3.1 枯落物层持水能力

由表3 可知，3 种栎类林分枯落物的最大持水量总量范围为22.51～24.12 t/hm2，大小排列顺序与总蓄积量相同，即B>A>C，反映出最大持水量受蓄积量影响。而最大持水率均值范围为370.90%～407.99%，大小排列顺序为A>C>B，其中A 以锥连栎为优势树种，锥连栎叶面积大于滇石栎和滇青冈，反映出叶面积大小影响枯落物的最大持水率。

表3 3 种栎类林分枯落物持水能力指标Table 3 Water holding capacity index of litter in 3 oak stands

3.3.2 枯落物层拦蓄能力

由表4 可知，不同林分类型枯落物的总最大拦蓄量变动范围为12.77～13.83 t/hm2，平均最大拦蓄率范围为218.08%～243.58%，总有效拦蓄量范围为9.39～10.25 t/hm2，平均有效拦蓄率范围为161.19%～182.38%，按大小排列顺序都为A>B>C，说明锥连栎混交林枯落物拦蓄能力最强，滇青冈混交林枯落物拦蓄能力最弱。而3 种林分枯落物半分解层的拦蓄量、拦蓄率、有效拦蓄量以及有效拦蓄率均大于未分解层的相应数值，锥连栎混交林约为2.0 倍，滇石栎约为2.6 倍，滇青冈约为3.0 倍，这说明枯落物的半分解层拦蓄能力比枯落物的未分解层拦蓄能力强。

表4 3 种栎类林分枯落物拦蓄能力指标Table 4 Index of litter retention capacity of 3 oak stands

3.3.3 枯落物层持水量与浸水时间的关系

由图2 可知，3 种栎类林分枯落物随浸水时间的增加，持水量也在不断增长，因此持水性能随浸水时间的变化有相似规律。在刚浸入水中的0.25 h 之内，增加速度最快；0.25～12 h 枯落物持水量的增长速度减缓，而12～24 h 枯落物半分解层和未分解层的持水量慢慢趋于饱和，直到24 h达到最大持水量，这与张建利等[15]、孙欧文等[16]的研究结果一致，说明在降水最初的0.25 h 之内森林枯落物拦截能力最强，随着降水时间的增加，枯落物的持水能力逐渐减弱，而最终达到饱和。

图2 3 种栎类林分枯落物持水量随浸水时间的变化Fig.2 Changes of litter water holding capacity in 3 oak stands with soaking time

通过对3 种栎类林分枯落物层0.25～24 h 的持水量与对应浸水时间的回归分析，发现其均有对数函数关系，R2均大于0.97（表5），相关方程为：

表5 3 种栎类林分枯落物持水量W 与浸水时间t 的回归方程Table 5 Regression equation between litter water holding capacity W and soaking time t of 3 oak stands

式中：W为枯落物层的持水量，t为对应浸水时长，a为方程系数，b为方程常数项。

3.3.4 枯落物层吸水速率与浸水时间的关系

由图3 可知，3 种栎类林分枯落物的吸水速率与时间都有相同的变化规律，在浸水2 h 之内吸水速率急剧增加，特别是0.25 h 之内吸水速率最快；浸水2～12 h，吸水速率逐渐减缓；浸水12～24 h，枯落物吸水的速率慢慢减缓趋于0，即到24 h 枯落物未分解层和半分解层的持水量趋于饱和，这与张建利等[15]、周至立等[17]、宣立辉等[18]的研究结果一致。说明在降水的2 h 之内森林枯落物层发挥的水文功能最强，而后降水时间不断增加，枯落物层的吸水速率不断下降，直到趋于饱和。

图3 3 种栎类林分枯落物吸水速率随浸水时间的变化Fig.3 Changes of water absorption rate of litter in 3 oak stands with soaking time

对3 种栎类林分枯落物层进行吸水速率与对应浸水时间回归分析，发现其均存在幂函数关系，R2都大于0.96（表6），拟合方程为：式中：Q为枯落物层吸水速率，t为对应浸水时间，c为方程系数，d为方程指数。

表6 3 种栎类林分枯落物吸水速率Q 与浸水时间t 的回归方程Table 6 Regression equation between water absorption rate Q and soaking time t of litter in 3 oak stands

3.4 栎类3 种林分土壤层的水文效应

3.4.1 土壤物理性质

土壤容重的大小是土壤质地、结构、孔隙等物理性质的综合反映，而孔隙度则反映土壤通透性，其中毛管孔隙使土壤有蓄水性能，非毛管孔隙使土壤有透水性能[19]。由表7 可知，3 种林分土壤容重均值为1.04～1.16 g/cm3，大小顺序依次为C>B>A，土壤容重都是随土壤深度的增加而增大。非毛管孔隙度均值范围为5.39%～7.34%，大小顺序为C>B>A；毛管孔隙度均值范围为42.33%～45.26%，土壤总孔隙度均值范围为49.67%～52.03%，大小顺序都为B>A>C；其中非毛管孔隙度明显小于毛管孔隙度，说明土壤的持水性能较好，而透水透气性能稍差。

表7 3 种栎类林分土壤物理性质Table 7 Soil physical properties of 3 oak stands

3.4.2 土壤持水能力

由表8 可知，各林分自然持水量的范围是464.66～607.26 t/hm2，大小顺序为A>B>C，并且随土壤深度的增加而增大；最大持水量范围为745.04～780.47 t/hm2，大小顺序为B>A>C，最大持水量随土壤深度的增加而减小，与土壤毛管持水量的大小顺序一致；而非毛管持水量的排列顺序与土壤容重和土壤非毛管孔隙度一致，这说明土壤持水能力与土壤孔隙度密切相关。

表8 3 种栎类林分土壤持水能力Table 8 Soil water holding capacity of 3 oak stands

3.5 栎类3 种林分枯落物层及土壤层的综合蓄水量比较

由表9 可知，3 种栎类林分的综合蓄水量由大到小依次为C>B>A，其中综合蓄水量最大的是滇青冈混交林（449.99 t/hm2），最小的为锥连栎混交林（333.85 t/hm2），滇青冈混交林综合蓄水量约为锥连栎混交林综合蓄水量的1.36 倍，从3 种林分总体来看，土壤层是水源涵养功能的主体，其所占综合蓄水量的比例都在96%以上，虽然枯落物层的蓄水量所占比例较小，但是却减缓了降水对土壤层的直接冲刷，改善了土壤的水分蒸发等问题。

表9 栎类3 种林分综合蓄水量Table 9 Comprehensive water storage of 3 oak stands

4 结论与讨论

各林分枯落物的总厚度、未分解层蓄积量、半分解层蓄积量以及总蓄积量的排列顺序都为滇石栎>椎连栎>滇青冈，并且未分解层枯落物与半分解层枯落物的蓄积量占总蓄积量都为50%左右。3 种林分枯落物层的自然含水率说明枯落物层的自然含水率与降雨量密切相关，且受采集前几天的降雨影响非常大。

3 种不同林分枯落物最大持水率的大小排列顺序为椎连栎>滇青冈>滇石栎，而锥连栎在3 种树种中叶面积最大，反映出叶面积与枯落物持水性能相关。枯落物最大持水量总量的大小顺序与总蓄积量大小顺序一致为滇石栎>椎连栎>滇青冈，说明枯落物蓄积量是影响最大持水量的重要因素。

3 种栎类林分枯落物的最大拦蓄量、最大拦蓄率、有效拦蓄量以及有效拦蓄率的大小顺序都为椎连栎>滇石栎>滇青冈。3 种林分类型的半分解层枯落物的各项拦蓄能力指标均明显大于未分解层的相应数值，其中锥连栎混交林约为2.0倍，滇石栎约为2.6 倍，滇青冈约为3.0 倍，说明枯落物半分解层比未分解层拦蓄能力更强。

不同林分类型枯落物层的持水量与浸水时间存在明显的对数函数关系为W=alnt+b（R2>0.97）；枯落物层的吸水速率与浸水时间存在幂函数关系为Q=ct d（R2>0.96）。

3 种林分土壤容重、非毛管孔隙度和土壤非毛管持水量的大小顺序为滇青冈>滇石栎>椎连栎，而土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度、土壤毛管持水量、土壤最大持水量的顺序为滇石栎>椎连栎>滇青冈。

3 种林分通过枯落物和土壤综合蓄水量的统计得出，滇青冈混交林的综合蓄水量最高449.99 t/hm2，而锥连栎混交林的综合蓄水量最低333.85 t/hm2。其中土壤的蓄水量占比很高都在96%以上，说明土壤是森林水源涵养功能的主体，发挥着重要作用，虽然枯落物的蓄水量占比较小，但是其减缓了降水对土壤层的直接冲刷，有效改善了地表径流、水分蒸发等问题。