接坝地区3种典型林分类型枯落物层和土壤层水文效应综合分析

周长亮,李惠丽

(河北省木兰围场国有林场，河北 围场 068450)

关键字：沿坝地区；枯落物层；土壤层；水文效应；熵权法

森林枯落物层在保持水土和涵养水源方面具有重要功能，作为水文效应的第二个活动层，它能减少雨水对土壤层的冲刷，减少雨水对土壤层结构的破坏和侵蚀，也能减少地表径流的形成，减少径流量[1-2]；土壤层是森林水文效应的又一重要层次，是对枯落物层截留降水的又一次分配，土壤对水分的贮存和渗透可以影响地表径流，在森林保持水土方面起着重要作用[3-4]。林分类型不同，植物生物学特性也不相同，本研究选取接坝地区典型的3种林分类型，分别对其枯落物层和土壤层水文效应进行研究，并选择熵权法对3种林分类型的水文效应进行综合评价，以期为接坝地区森林涵养水源和保持水土功能评估提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于河北承德市围场县木兰林场八英庄分场，是冀北山地与蒙古高原的交界处，坐标为E 117°44′～118°9′ ，N 41°56′～42°15′ ,海拔750～2 067 m ，坡度15°～30°，属大陆性季风型高原山地气候，最高气温38.9 ℃，最低-42.9 ℃，土壤为棕壤，主要乔木树种有白桦、油松、华北落叶松、山杨、蒙古栎、五角枫等[5]。

2 研究方法

研究地为木兰林场八英庄分场，选取3种典型林分类型，包括油松纯林、华北落叶松纯林和油松华北落叶松混交林，每种林分设置6块具有代表性的样地，面积为20 m×20 m，海拔1 145～1 276 m，坡度20°左右，平均胸径13.89～14.98 cm，平均树高10.75～12.08 m。

枯落物现存量的测定。在每块样地中，分别设置 3 个0.5 m × 0.5 m的样方，对样方内的枯落物分层测量其厚度，并采样带回实验室，称其鲜重，利用烘干箱进行烘干，温度 75 ℃，烘干时间为6 h以上，根据文献的相应公式[6]，计算枯落物的蓄积量及自然含水率。

枯落物持水过程的测定。采用室内浸泡法进行测定，先测定0.25 h、0.5 h、1 h重量的变化，以后每2 h再测定1次(2 h、4 h、6 h……24 h)，根据相关文献的相应公式计算出其每个时间段的持水量及吸水速率[7]。

有效拦蓄量的测定。 通过查阅文献，要想了解枯落物对降水的实际拦蓄量，需要的指标为有效拦蓄量，有效拦蓄量的计算公式为：W=(0.85Rn-R0)×M。

式中W为有效拦蓄量(t/hm2)；Rn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)。

土壤物理性质及入渗过程测定。 土壤物理性质的测定采用的是环刀法，在标准地内挖取土壤剖面，分层(0～20 cm；20～40 cm；40～60 cm)环刀取土，带回实验室运用烘干、环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度等土壤性质[8]。土壤入渗过程采用的试验方法为双环法。

3 研究结果与分析

3.1 不同林分类型枯落物层水文效应分析

3.1.1 不同林分类型枯落物现存量分析 枯落物现存量在森林发挥水文效应过程中具有重要作用，是评价森林水文效应的重要指标。林分类型不同，树种组成、林分水热情况、林分生长情况、密度、生物学特性等都能影响森林枯落物的输入和分解情况[9]。由表1可以看出，接坝地区3种典型林分类型枯落物现存量存在一定差距，枯落物总蓄积量大小依次为：油松华北落叶松混交林(26.98 t/hm2)>油松林(11.29 t/hm2)>华北落叶松林(10.29 t/hm2)，这种情况主要是由树种类型不同造成的。从3种林分类型枯落物不同层次占总储量的比例看出，3种林分中枯落物未分解层储量均大于半分解层，这是由3种林分的枯落物分解速度较慢造成的。半分解层枯落物现存量排序为：油松华北落叶松混交林(11.56 t/hm2)>油松林(5.61 t/hm2)>华北落叶松林(4.73 t/hm2)。未分解层枯落物现存量排序为：油松华北落叶松混交林(15.42 t/hm2)>油松林(5.68 t/hm2)>华北落叶松林(5.56 t/hm2)。其中油松林半分解层蓄积占总蓄积比例最大，说明油松林的枯落物分解速度较另外2种林分类型快。

表1 3种林分类型枯落物现存量Table 1 Litter standing stock of 3 stand types

3.1.2 不同林分类型枯落物最大持水量 3种林分类型枯落物持水量见表2。

表2 3种林分类型枯落物持水量Table 2 Litter water holding amount of 3 stand types

枯落物的持水能力主要由枯落物最大持水量和最大持水率来反映，枯落物持水量主要受植被类型、枯落物成分组成、分解程度和累计存量等影响[10]。由表2可以看出，3种林分枯落物最大持水量排序为：油松华北落叶松混交林 (22.28 t/hm2)> 油松林(21.91 t/hm2)> 华北落叶松林(16.29 t/hm2)，枯落物持水量与枯落物未分解层的储量有直接关系，未分解层储量越大，枯落物对水分的保持能力越强。枯落物最大持水率排序为：油松林(180.83%)> 华北落叶松林 (147.68%) > 油松华北落叶松混交林 (127.02%)。最大持水量与最大持水率大小顺序不同，原因在于林分类型、林龄枯落物分解情况、结构、生物量等不同。

3.1.3 不同林分类型枯落物持水过程 枯落物持水量与浸水时间关系见图1。

(a)枯落物半分解层持水量与浸水时间关系

(b)枯落物未分解层持水量与浸水时间关系图1 枯落物持水量与浸水时间的关系Figure 1 Relationship between water holding amount and soaking time of litter

由图1可以看出3种林分类型枯落物的持水量均随着浸泡时间的增加逐渐增加，在0.5 h内增长速度最快，之后增长速度趋于平缓，在6～8 h时基本处于持水饱和状态。随着枯落物湿润程度的增加，枯落物对水分的保持能力降低。这一规律与降雨时枯落物对地表径流的拦蓄是一致的，降雨初期枯落物干燥，拦蓄地表径流的作用也最大，随着枯落物变湿润，对地表径流的拦蓄也逐渐降低。对比未分解层和分解层持水量的变化发现，未分解层的持水量在各时间都高于半分解层。而3种林分类型中，无论是半分解层还是未分解层，枯落物持水量均为：油松林>华北落叶松林>油松华北落叶松混交林，这主要是因为林分类型不同，枯落物现存量、生物学特性等不同造成的。

枯落物吸水速率与浸水时间关系见图2。

(a)枯落物半分解层吸水速率与浸水时间关系

(b)枯落物未分解层吸水速率与浸水时间关系图2 枯落物吸水速率与浸水时间的关系Figure 2 Relationship between water absorption capacity rate and soaking time of litter

由图2可以看出，3种林分类型枯落物的吸水速率随着浸泡时间的增加而逐渐降低，前4 h吸水速率较大，之后逐渐减小，浸水24 h后吸水速率基本为0。这是因为浸水初期，枯落物处于风干状态，浸水后，水势差较大，则吸水速率较高，当枯落物的含水量随时间增加时，水势差减小，吸水速率则变小。

枯落物不同层次持水量、吸水速率与浸水时间关系见表3。

表3 枯落物不同层次持水量、吸水速率与浸水时间关系式Table 3 Relationship between water holding capacity,water absorption capacity rate and soaking time at different levels of litter

对3种林分类型枯落物半分解层、未分解层浸水时间与持水量进行回归分析，见表3，得到枯落物持水量与浸水时间的关系式拟合为y=aln(x)+b，其中y为枯落物持水量(t/hm2)；a为方程系数，b为常数；x为浸水时间(h)。R2均接近1，说明枯落物持水量与浸水时间呈显著对数关系。对3种林分类型枯落物半分解层、未分解层浸水时间与吸水速率进行拟合，得到枯落物吸水速率与浸水时间的关系式拟合为v=axb，其中v为枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；a为方程系数，b为常数；x为浸水时间(h)。R2均接近1，说明枯落物吸水速率与浸水时间呈显著幂函数关系。

3.1.4 不同林分类型枯落物拦蓄量 枯落物层有效拦蓄量见表4。

表4 枯落物层有效拦蓄量Table 4 Effective holding capacity of litter layer

枯落物持水量与吸水速率并不能反应出枯落物在实际降水中对地表径流的拦蓄作用，在实际降水中，有效拦蓄量是反映枯落物对降水拦蓄的真实指标[11]。由表 4 可以看出，3种林分类型的枯落物未分解层有效拦蓄量排序为：油松华北落叶松混交林(15.79 t/hm2)>油松林(8.45 t/hm2)>华北落叶松林(6.94 t/hm2)；枯落物半分解层有效拦蓄量排序为：油松华北落叶松混交林(10.24 t/hm2)>油松林(8.01 t/hm2)>华北落叶松林(4.42 t/hm2)；综合未分解层、半分解层枯落物有效拦蓄量排序为：油松华北落叶松混交林(26.04 t/hm2)>油松林(16.46 t/hm2)>华北落叶松林(11.36 t/hm2)。

3.2 不同林分类型土壤层水文效应分析

3.2.1 不同林分类型土壤物理性质 3种林分类型土壤物理性质见表5。

表5 3种林分类型土壤物理性质Table 5 Soil physical properties of 3 stand types

土壤容重是反映土壤物理性质的重要参数，容重越小土壤孔隙越多，土壤结构越好，反之容重越大，孔隙越小，土壤团粒结构少，土壤更加紧实板结[12]。从表 5 中看出，3种林分类型土壤容重均值排序为：华北落叶松林(1.29 g/cm3)>油松林(1.24 g/cm3)>油松华北落叶松混交林(1.05 g/cm3)。不同林分类型下枯落物组成、枯落物分解情况、植物根系生长情况不同，造成了土壤容重的差异。

土壤孔隙度也是反映土壤物理性质的重要参数，土壤毛管孔隙具有毛管功能，能够保存水分，供植物自身利用，其大小反映出森林植被吸收水分用于自身生长发育的能力[13]。土壤非毛管孔隙不具有毛管作用，水分不能保持其中，非毛管孔隙越大，土壤对降水的吸收越大，其直接影响土壤对滞留水分和调节水分的能力[14]。由表5可知，3种林分类型土壤非毛管孔隙度排序为：油松华北落叶松混交林(5.56%)>油松林(4.84%)>华北落叶松林(4.67%)，说明油松华北落叶松混交林在滞留水分、减少地表径流上功能最强。土壤毛管孔隙度排序为：油松林(44.23%)>油松华北落叶松混交林(41.21%)>华北落叶松林(37.46%)，说明油松林土壤中用于林分生长发育的水分占土壤比例最大。而土壤总毛管孔隙度大小依次为：油松林(49.07%)>油松华北落叶松混交林(46.77%)>华北落叶松林(42.13%)，从林分总毛管孔隙度可以看出，油松林土壤对水分的保持能力较其他2种强。

3.2.2 不同林分类型土壤持水能力 3种林分类型土壤持水量见表6。

表6 3种林分类型土壤持水量Table 6 Soil water holding amount of 3 stand types

土壤的持水能力是评价林分水文效应的又一重要指标，毛管持水量反映的是被植物根系利用和土壤蒸发的土壤蓄水量；有效持水量是非毛管持水量，是反映土壤吸收、下渗的土壤蓄水量，反映出土壤涵养水源、减少地表径流的能力[15]。由表6可以看出，3种林分类型土壤最大持水量大小依次为：油松华北落叶松混交林(1 441.4 t/hm2)>油松林(963.5 t/hm2)>华北落叶松林(829.9 t/hm2)，说明油松华北落叶松混交林对水分的贮蓄能力最强；土壤毛管持水量排序为：油松林(866.5 t/hm2)>华北落叶松林(736.2 t/hm2)>油松华北落叶松混交林(405.8 t/hm2)，说明油松林用于自身植被生长发育的水分最多；土壤有效持水量排序为：油松华北落叶松混交林(1 035.6 t/hm2)>油松林(97.0 t/hm2)>华北落叶松林(93.7 t/hm2)，说明油松华北落叶松混交林的持水能力最强。

3.2.3 不同林分类型土壤入渗特征 3种林分类型土壤渗透速率及渗透数学模型见表7。

表7 3种林分类型土壤渗透速率及渗透数学模型Table 7 Soil infiltration rate and penetration mathematical model of 3 stand types

土壤入渗能力也是评价林分水源涵养能力的重要指标，土壤的入渗能力越强，说明土壤渗透性越好，减少地表径流量的功能越强，水土保持能力越强[16]。由表 7 可以看出，3种林分类型中，油松华北落叶松混交林初渗速率最大为 48.1 mm/min，油松林最小为16.9 mm/min，差距较大；稳渗速率排序为：华北落叶松林(0.8 mm/min)>油松林(0.79 mm/min)>油松华北落叶松混交林(0.58 mm/min)，差距较小。对入渗时间和入渗速率进行拟合，呈较显著的幂函数关系。

3.3 不同林分类型土壤层和枯落物层水文效应综合分析

3.3.1 建立评价指标体系 本研究采用熵权法对接坝地区3种林分类型水文效应进行综合评价，选取的指标包括8种，为枯落物现存量、枯落物最大持水量、枯落物有效拦蓄量、土壤容重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量、土壤稳渗速率[17]。

3.3.2 评价方法 根据所选指标构建指标判断矩阵A′=(aij′)m×n,其中m=11，n=3，见表8。

表8 3种林分类型水文效应评价指标数据表Table 8 Hydrological effect evaluation index data table of 3 stand types

运用极值法根据公式(1)形成标准矩阵A=(aij)m×n，然后依据公式(2)和(3)计算各指标的熵值Hi=(0.630,0.198,0.630,0.520,0.625,0.593,0.401,0.021,0.428,0.265,0.631)和权重Wi=(0.061,0.120,0.054,0.064,0.047,0.047,0.065,0.101,0.059,0.073,0.036)。根据相关公式构建加熵权的标准化矩阵R，在标准化矩阵中找到各指标的理想点X(取各指标的最大值为理想点Xi，土壤容重取最小值为理想点)。根据公式(2)计算出3种林分类型水文效应与理想模式的贴近度T见表9。各公式见以下:

表9 3种林分类型水文效应与理想模型贴近度Table 9 Closeness degree of hydrological effects and the ideal model of 3 stand types

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3.3 评价结果 3种林分类型水文效应与理想模型贴近度见表9。

由表9可看出，3种林分类型与模拟的理想林分类型的贴近度排序为：油松华北落叶松混交林(0.42)<油松林(0.77)<华北落叶松林(0.93)，说明油松华北落叶松混交林最贴近3种林分类型水文效应最理性模型。因此3种林分类型水源涵养能力排序为：油松华北落叶松混交林>油松林>华北落叶松林。由研究结果看接坝地区3种典型林分类型中，水源涵养功能最强的为油松华北落叶松混交林。

4 讨论与结论

研究结果表明，接坝地区3种典型林分类型枯落物最大持水量排序为油松华北落叶松混交林(22.28 t/hm2)>油松林(21.91 t/hm2)>华北落叶松林(16.29 t/hm2)，油松华北落叶松混交林枯落物层持水能力最强；3种典型林分类型枯落物有效拦蓄量排序为：油松华北落叶松混交林(26.04 t/hm2)>油松林(16.46 t/hm2)>华北落叶松林(11.36 t/hm2)，油松华北落叶松混交林在实际降水过程中，对降水的截持能力最强；对3种林分类型枯落物浸水时间与持水量、吸水速率关系进行拟合，发现枯落物持水量与浸水时间呈显著对数关系(R2>0.95)，枯落物吸水速率与浸水时间呈显著幂函数关系(R2>0.98)。

3种林分类型中，油松林土壤毛管孔隙度(44.23%)、总孔隙度(49.07%)都最大，因此从土壤物理性质上看，油松林的地理环境更适合林木生长、水土保持能力较其他2种林分类型强；油松华北落叶松混交林非毛管孔隙度(5.56%)、土壤最大持水量(1 441.4 t/hm2)、有效持水量(1 035.6 t/hm2)、初渗速率(48.1 mm/min)最大，在土壤持水能力上，油松华北落叶松混交林高于其他2种林分类型；对入渗时间和入渗速率进行拟合，其关系呈较显著的幂函数关系(R2>0.98)。

3种林分类型与模拟的理想林分类型的贴近度排序为：油松华北落叶松混交林(0.42)<油松林(0.77)<华北落叶松林(0.93)，说明3种林分类型水源涵养能力排序为油松华北落叶松混交林>油松林>华北落叶松林，因此3种林分类型中水源涵养功能最强的为油松落叶松混交林。

通过对接坝地区3种典型林分类型的枯落层持水能力、持水过程的研究，及对土壤物理性质和入渗过程的探索，并运用熵权法对3种林分类型做了综合的评价，得出接坝地区3种典型林分类型中，持水能力最强的林分类型为油松落叶松混交林，此项研究对今后接坝地区的营林生产工作和调控森林水源功能方面有一定的指导意义。