2022年冬奥会崇礼赛区针叶林枯落物及土壤水文效应

郭建军， 王佳欢， 胡静霞，3， 杨新兵†

(1.张家口市塞北林场(市国有林场管理处)，075000，河北张家口；2.河北农业大学林学院，071000，河北保定；3.中央民族大学生命与环境科学学院，100081，北京)

林下枯落物层和土壤层是森林降水分配过程中的重要环节，枯落物可以拦持自身质量3～5倍的降水，同时可以减缓地表径流流速和径流泥沙含量；土壤层的持水性能和入渗能力决定降水可入渗土壤水量(土壤水库)的大小，枯落物层还可以改良土壤养分和结构，二者的水文功能直接对森林水循环的功能和调节起重要作用[1-2]。Burrows等[3]认为枯落物层在一定程度上影响土壤层的持水能力；武启骞等[4]通过对帽儿山地区森林植被枯落物和土壤层研究认为枯落物蓄积量影响枯落物层对降雨的有效拦蓄能力，土壤的结构、密度和孔隙度对土壤层蓄水能力起到决定性作用。石媛等[5]研究认为密度对油松人工林枯落物及土壤水文效应也存在一定影响。

崇礼区为2022年冬奥会举办地，滑雪场地多数建在林区的阴坡或半阴坡，也正好是林木最佳生长区，修建滑道严重破坏林区地表植被，对林地水文功能影响很大。以往学者对枯落物和土壤层水文效应进行过很多研究，但是由于地域、植被、立地条件等的差异，针对冀西北崇礼区的研究为空白。为准确评估冬奥会赛区针叶人工林枯落物及土壤水文效应，笔者以华北落叶松、油松和樟子松3种针叶林为研究对象，比较其林下枯落物储量和水文效应、土壤层水分-物理性质和入渗能力、及其综合持水能力，旨在为冬奥会滑雪场地修建对森林水文功能影响评估提供数据支撑。

1 研究区概况

研究区位于河北省张家口市崇礼区，属温带大陆性季风气候，年均降水量488 mm，属坝上坝下过渡型山区，海拔813～2 174 m。土壤以栗钙土为主，乔木造林树种主要有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabulaeformis)等，灌木主要有六道木(Abeliabiflora)、毛榛(Corylusmandshurica)、等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年7月在崇礼区和平林场设置华北落叶松林、油松林、樟子松林3个人工纯林样地，样地面积为30 m×30 m，样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况

2.2 指标测定与数据处理

2.2.1 枯落物层取样与测定 设置3个1 m×1 m的小样方，分为未分解层和半分解层(未分解层由新鲜枯落物组成，保持原状，颜色未变，外表无分解的痕迹；半分解层枯落物是指枝叶未完全腐烂，肉眼观察能分辨出枝叶的大体形状)，记录各层厚度，野外取枯落物鲜质量，带回实验室烘干称质量，计算蓄积量。采用室内浸泡法测定枯落物持水过程和速率，浸泡时间分为0.5、1、2、4、6、8、24 h。有效拦蓄量计算公式为：

W=(0.85Rm-R0)M。

式中：W为有效拦蓄量,t/hm2;Rm为最大持水率,%;R0为平均自然含水率,%;M为枯落物蓄积量,t/hm2。

2.2.2 土壤水分—物理性质测定 采用土壤剖面机械分层法，分为0～10、10～20、20～40、40～60 cm，环刀取样，采用浸泡法测定和计算土壤密度、孔隙度、土壤持水量等指标。采用双环法测定土壤入渗速率。

3 结果与分析

3.1 枯落物蓄积量与水文效应比较

3.1.1 枯落物蓄积量 由表2可知，3种林分类型中枯落物总蓄积范围为4.67～23.98 t/hm2，其大小排序为：华北落叶松林(23.98 t/hm2)>油松林(15.80 t/hm2)>樟子松林(4.67 t/hm2)，3种林分间都存在显著性差异。枯落物厚度大小排序为：华北落叶松林(64 mm)>油松林(29 mm)>樟子松林(21 mm)，华北落叶松林和其他2种林分都存在显著性差异，油松林和樟子松林差异不显著。华北落叶松林和油松林半分解层枯落物蓄积量高于未分解层，樟子松林则与之相反。

表2 枯落物蓄积量、最大持水量和有效拦蓄量

3.1.2 枯落物最大持水量 由表2可知，枯落物最大持水量总和大小排序为：华北落叶松林(2.15 t/hm2)>油松林(1.44 t/hm2)>樟子松林(0.80 t/hm2)。半分解层大小排序为：华北落叶松林>油松林>樟子松林，未分解层其大小排序为：华北落叶松林>油松林>樟子松林。半分解层3种针叶林最大持水量相互间存在显著性差异，未分解层相互间无显著性差异。

3.1.3 枯落物拦蓄量 由表2可知，枯落物有效拦蓄量总和范围处于0.67～1.72 t/hm2之间，其大小排序为：华北落叶松林(1.72 t/hm2)>油松林(1.22 t/hm2)>樟子松林(0.67 t/hm2)，半分解层有效拦蓄量各林分间相互存在显著性差异，未分解层无显著性差异。有效拦蓄率方面，华北落叶松林未分解层高于半分解层，油松林和樟子松林则是半分解层高于未分解层；华北落叶松林半分解层和未分解层枯落物有效拦蓄率与其他2个林分均存在显著性差异，油松林和樟子松林间无显著性差异。

3.1.4 枯落物持水量 由图1可知，枯落物在浸水前4 h内增加较快，随后增加速度减缓，渐渐趋于一稳定值。半分解层枯落物持水量大小排序为：华北落叶松林>樟子松林>油松林。未分解层排序为：华北落叶松林>油松林>樟子松林，华北落叶松林明显高于樟子松林和油松林。3种林分枯落物半分解层、未分解层持水量Q与浸水时间t符合Q=aln(t)+b关系，相关系数R2均大于0.9，说明相关性明显(表3)。

图1 枯落物在不同浸水时间内的持水量Fig.1 Litter water-holding capacity in different water immersion time

3.1.5 枯落物吸水速率 由图2可知，在浸水前1 h内吸水速率最快，8 h后幅度显著变小，24 h趋近于0，表明枯落物已饱和。3种针叶林半分解层和未分解层枯落物吸水速率大小排序均为：华北落叶松林>樟子松林>油松林。枯落物吸水速率V与浸水时间符合V=ktn关系，相关系数R2均大于0.9(表3)。

图2 枯落物在不同浸水时间内的吸水速率Fig.2 Litter water-absorption rate in different immersion time

表3 枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的关系

3.2 土壤水文效应

由表4可知，土壤密度随土壤深度增加而增加，土壤密度均值大小排序为：樟子松林(1.23 g/cm3)>油松林(1.19 g/cm3)>华北落叶松林(1.01 g/cm3)。华北落叶松林和油松林总孔隙度最大值均出现在10～20 cm处，樟子松林则出现在0～10 cm。总孔隙度均值大小排序为：华北落叶松林(62.22%)>樟子松林(50.44%)>油松林(43.47%)。毛管孔隙度随土壤深度增加先增加后减小，非毛管孔隙度变化规律不明显。毛管孔隙度均值大小排序为：华北落叶松林(58.60%)>樟子松林(47.86%)>油松林(39.19%)；非毛管孔隙度均值大小排序为：油松林(4.28%)>华北落叶松林(3.62%)>樟子松林(2.58%)。土壤最大持水量均值大小排序为：华北落叶松林(921.78 t/hm2)>樟子松林(743.58 t/hm2)>油松林(653.75 t/hm2)；土壤有效持水量均值大小排序为：华北落叶松林(49.63 t/hm2)>樟子松林(32.97 t/hm2)>油松林(23.90 t/hm2)。

表4 各针叶林土壤物理性质

3.3 土壤入渗比较

由表5可知：土壤稳渗速率大小排序为：华北落叶松林(1.54 mm/min)>油松林(0.36 mm/min)>樟子松林(0.27 mm/min)。土壤入渗时间和速率二者符合幂函数关系，相关系数R2均>0.9。

表5 各针叶林土壤入渗速率及入渗回归方程

3.4 综合持水能力比较结果

林分综合持水能力包括枯落物层和土壤层。由表6可知，枯落物层最大持水量大小排序为：华北落叶松林>油松林>樟子松林；土壤层最大持水量大小排序为：华北落叶松林>樟子松林>油松林。土壤层最大持水量所占比例均>99%，说明在持水能力方面，土壤层占据主导地位。

表6 各针叶林枯落物层和土壤层的持水量

4 讨论

4.1 不同林分枯落物的蓄积量和水文效应差异

枯落物蓄积量与林分类型、生长状况和林地湿热条件密切相关[6]。3种针叶林枯落物蓄积量华北落叶松林最大，可能是华北落叶松林林龄较大，林分生长状况较好，枯枝落叶较多；樟子松林蓄积量最小，可能是樟子松林龄较小，林分发育尚未充分。华北落叶松林和油松林半分解层蓄积量高于未分解层，可能是华北落叶松林与油松林位于阴坡，郁闭度较高，林下湿度较大，枯落物易于腐烂；而樟子松林半分解层蓄积量低于未分解层，可能是由于樟子松林位于阳坡，郁闭度相对较小，林内湿度低，不易分解。该结论与陈继东等[7]研究结果一致。

枯落物水文状况受林分类型、立地条件、枯落物分解程度的影响[8]。华北落叶松林的枯落物最大持水量最大，可能是因为其枯落物蓄积量最大，半分解层多于未分解层，半分解层细软易储存水分。本研究的3种林分半分解层最大持水量均高于未分解层，可能是因为未分解的针叶枯落物表层有蜡质薄膜，不易吸水。

3种针叶林半分解层和未分解层的吸水速率均为华北落叶松林最大，油松林最小。可能是华北落叶松林枯落物蓄积量较大，枯落物细软易吸水，而油松林枯落物表层存在油脂，排斥水分。

4.2 不同林分土壤水文效应

土壤密度大小关系到土壤透水性、通气性和根系的延伸[9]。华北落叶松林土壤密度均值最小，土壤透水性较好。华北落叶松林和油松林的土壤密度随土壤深度增加而增加，但是樟子松表层土壤密度最大，10～60 cm密度随土壤深度增加而增加，可能是表层土壤受风蚀沉积和水蚀沉淀的影响，土壤粒石含量相对较高的原因。

土壤孔隙度直接影响土壤的保水、透气性。华北落叶松林和油松林总孔隙度最大值均出现在10～20 cm处，表层孔隙度不是最大，可能与人为活动频繁有关(崇礼区村庄位置比较偏远，接近林区，本地人有采蘑菇的生活习惯)，樟子松林则出现在0～10 cm，与表层土壤粒石含量相对较高有关。总孔隙度均值大小排序为：华北落叶松林>樟子松林>油松林；毛管孔隙度呈随土壤深度增加先增加后减小的变化趋势，可能是在20～40 cm土层，植被根系较多，土壤紧实度较小，导致毛管孔隙度受到影响所致。该结论与刘斌等[10]研究结果相一致。

土壤最大持水量和有效持水量排序为：华北落叶松林>樟子松林>油松林，可能与华北落叶松林林分年龄较大枯落物层积累较厚而樟子松林林分年龄相对较小枯落物层较薄有关。该结果与胡静霞等[11]对冀西北地区典型林分土壤水文效应研究结果相似。

5 结论

1)3种针叶纯林中，华北落叶松林和油松林枯落物的蓄积量均为半分解层大于未分解层，樟子松林反之。枯落物蓄积量、最大持水量总和、有效拦蓄量总和均为华北落叶松林最大，樟子松林最小。枯落物持水过程中，半分解层和未分解层持水量、吸水速率最大的均为华北落叶松林，持水量与浸水时间成正相关关系。

2)土壤密度随土层深度增加而增加，土壤密度均值最大为樟子松林，最小为华北落叶松林。土壤总孔隙度和毛管孔隙度均值华北落叶松林均为最大，非毛管孔隙度均值最大为油松林。

3)3种针叶纯林综合持水能力排序为：华北落叶松林>樟子松林>油松林，土壤层持水量占99%以上。该研究结果旨在为评估冬奥会场地建设对林地水文功能影响提供参数。