羅金明， 王永潔， 陳 凱， 胡守才, 劉志遠(yuǎn)

(1.齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2.黑龍江省南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)， 黑龍江 加格達(dá)奇 165012)

森林植被的枯落物層—土壤層作為森林生態(tài)系統(tǒng)中不可分割的完整系統(tǒng)[1]，不僅具有攔蓄雨水、減少土壤表面水分蒸發(fā)耗損的作用[2-4]，同時(shí)也削弱雨滴對(duì)土壤的直接濺擊從而產(chǎn)生水土保持的效應(yīng)[5]。此外，枯落物和土壤層增加表層的蓄水能力，減少了地表徑流的產(chǎn)生，起到保持水土和涵養(yǎng)水源的作用，這對(duì)森林土壤的發(fā)育、保護(hù)和改良有重要意義[6]。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，地表枯落物—土壤系統(tǒng)的水文物理性質(zhì)是森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的重要組成部分，也是林木賴以生存的基礎(chǔ)[1]。不同森林類型的枯落物及其林下土壤具有不同的森林水文功能。目前,國內(nèi)外對(duì)森林枯落物的涵養(yǎng)水源功能的研究已經(jīng)取得了階段性的成果,但是研究多針對(duì)某一種森林生態(tài)系統(tǒng)本身的生態(tài)功能，很少從地理的角度出發(fā)探討坡面系統(tǒng)不同林份的差異，從而取得森林—土壤的涵養(yǎng)水源功能的研究成果。

大興安嶺具有獨(dú)特的地理和氣候條件，本文通過對(duì)大興安嶺嶺南4種不同森林類型的枯落物及土壤的森林水文功能的研究，進(jìn)一步揭示大興安嶺嶺南不同森林類型在水土保持、涵養(yǎng)水源等方面的規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，地理坐標(biāo)為50°07′42″N，125°07′18″E，海拔高度530～560 m，屬于低山丘陵地帶。氣候?qū)儆诤疁貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量500 mm，受季風(fēng)影響，冬季寒冷且漫長，夏季高溫多雨，年平均氣溫-3 ℃，最冷月的氣溫達(dá)-48 ℃。由于該區(qū)地勢(shì)平緩，河谷寬闊平坦，加之土壤季節(jié)性凍融的普遍存在和分布，土層透水性極差，使其流域幾乎全部形成沼澤，發(fā)育典型的島狀林濕地。該地區(qū)地帶性土壤為棕色針葉林土壤，此外還有暗棕壤、草甸土、沼澤土、泥炭土。植被屬于南部蒙古櫟—興安落葉松林區(qū)，主要喬木樹種有興安落葉松〔Larixgmelini(Rupr.)Ruzen.〕、山楊(Populusdavidaiana)、蒙古櫟(QuerusmongolicaFischer ex Ledeb.)、云杉(PiceaasperataMast.)、紅毛柳〔Choseniaarbutifolia(Pall.)A.skv〕等；灌木種類有杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch)、日本榿木〔Alunsjaponica(Thunb.)Steud.〕、榛子(CorylusheterophyllaFisch.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)等。

在研究區(qū)4種植被類型依次布點(diǎn)，樣點(diǎn)1(海拔560 m)位于較陡峭的山嶺(坡度>25°)，植被為落葉松+柞樹；樣點(diǎn)2(海拔545.65 m)位于較平緩的山麓(坡度<10°)，植被群落為興安落葉松+白樺林；樣點(diǎn)3位于河谷盆地邊緣，植被為稀疏的赤楊+紅毛柳林(海拔533.8 m)；樣點(diǎn)4位于平坦的河谷盆地，發(fā)育典型的塔頭苔草群落(海拔530.6 m)。整個(gè)研究樣點(diǎn)的相對(duì)高差約為30 m。在各取樣點(diǎn)分別取土樣帶回室內(nèi)分析土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，樣點(diǎn)1和樣點(diǎn)2取樣深度0—50 cm，樣點(diǎn)3取樣深度0—100 m，樣點(diǎn)4的取樣深度0—130 cm。

2 研究方法

(1)土壤含水率使用烘干法測(cè)定，用吸管法測(cè)定土壤粒徑組成，根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)分為粗砂粒、細(xì)砂粒、粉砂粒和黏粒[7]。

在標(biāo)準(zhǔn)地的對(duì)角線上均勻布設(shè) 3個(gè)50 cm×50 cm大小的樣方，用鋼尺對(duì)枯落物的總厚度及未分解層、半分解層厚度進(jìn)行測(cè)量并記錄。將采取的未分解層和半分解層的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用天平稱其鮮重，并用烘箱烘干稱重，以干物質(zhì)重量計(jì)算蓄積量[8]，每個(gè)林分類型重復(fù) 3次。同時(shí)收集每個(gè)樣點(diǎn)單位面積不同土壤深度的根系，回室內(nèi)烘干稱重得到每個(gè)樣方的生物量。

(2)用室內(nèi)浸泡法測(cè)定土壤的的持水過程。將環(huán)刀土壤樣品上端套8 cm橡膠圈，以馬氏瓶控制土壤樣品上端的水頭為5 cm，通過記錄單位時(shí)間內(nèi)馬氏瓶水分消耗速率來指示各種土壤的持水過程。

(3)采用室內(nèi)自然蒸發(fā)法進(jìn)行土壤持水后水分蒸發(fā)研究。取環(huán)刀土壤置于實(shí)驗(yàn)水槽，加水至環(huán)刀上端，使土柱充分飽和后降低水槽水的高度至環(huán)刀下端，靜置24 h ,在充分排除重力水后稱重 ,計(jì)算最大持水系數(shù)。然后，在5，10和30 min，1 h 稱重，其后每1 h定時(shí)稱重。

(4)降水頭法測(cè)定土壤滲透系數(shù)。以環(huán)刀(h=30 cm，d=10 cm)分別在4個(gè)取樣點(diǎn)不同深度采取原狀土柱，取樣深度為0—30，30—60，60—90 cm，帶回室內(nèi)用降水頭法測(cè)定滲透速率[9]。

(5)采用石英砂—高嶺土吸力板 (中國科學(xué)院南京土壤研究所生產(chǎn))測(cè)量土壤水分特征曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤特征及地表枯枝含量

研究區(qū)為大興安嶺低山丘陵地區(qū)，山地與河谷盆地相間分布。受地貌的控制，研究區(qū)不同地貌部位的水、熱性質(zhì)出現(xiàn)分異，發(fā)育的土壤類型以及植被都表現(xiàn)出典型的高寒森林濕地中域景觀。沿局部分水嶺向河谷低漫灘土壤分布格局依次為塔頭苔草草甸土—灰色森林土—白漿土—暗棕壤。暗棕壤的土體構(gòu)型為O—AH—E—B—R，灰色森林土的土體構(gòu)型為A—E—B—C，塔頭苔草草甸土的土體構(gòu)型為O—Ah—Bg—G，白漿土的土體構(gòu)型為O—Ah—Ecs—Bts。

圖1表示研究區(qū)4種植被類型下地表生物量以及植物根系干重。由圖1可知，柞樹+落葉松、赤楊+紅毛柳以及落葉松+白樺林3種植被地表枯枝落葉生物量干重都在0.6 kg/m3以下，柞樹+落葉松的地表枯枝落葉生物量為0.49 kg/m3，赤楊林為0.59 kg/m3，落葉松+白樺林為0.43 kg/m3。塔頭苔草地表的生物量則是三者總和的10倍以上，地表生物干重達(dá)16.7 kg/m3。另外，各取樣點(diǎn)土壤中的根系(主要是草本植被的根系)分布在土壤表層，樣點(diǎn)1—3表層根系干重分別為5.55，4.64和12.35 kg/m3，樣點(diǎn)4的0—10 cm土層的根干重則高達(dá)67.55 kg/m3。樣點(diǎn)1—3土層中根系重量隨著深度增加而迅速降低，20 cm以下土層的根系含量已經(jīng)很少了。樣點(diǎn)4發(fā)育的土壤(塔頭苔草草甸土)植被根系含量隨著土壤剖面近似呈拋物線的變化規(guī)律，從10 cm向下逐漸減少，50 cm以下土層仍然有一定的根系分布。微地貌控制下的土壤特征以及水分狀況可對(duì)地表的植被特征可產(chǎn)生明顯的影響。

圖1 2009年12月15日取樣點(diǎn)單位面積生物量(地表枯枝落葉干重與不同土層包含的植物根系干重之和)

表1為研究區(qū)4種土壤的物理性質(zhì)。由表1可知，大興安嶺地區(qū)山嶺和山麓發(fā)育的土壤土層較薄，土壤質(zhì)地以細(xì)砂為主，表層/亞表層出現(xiàn)礫石。樣點(diǎn)1除表層有5 cm左右的枯枝落葉覆蓋層外，整個(gè)土層土質(zhì)以砂質(zhì)為主，質(zhì)地較粗且土層較薄(50 cm以下開始出現(xiàn)母巖)，表層的砂質(zhì)含量高達(dá)60%，礫石含量高達(dá)30%以上，整個(gè)土層的黏粒含量都在15%以下。另外，整個(gè)土層除了表層的飽和含水量高達(dá)38.72%外，5 cm以下土壤的飽和含水率都在22%以下，外加暗棕壤位于坡麓位置，坡度較大，易于形成坡面徑流。所以該地區(qū)土壤持水性主要體現(xiàn)在土壤表層的枯枝落葉層，一旦枯枝落葉層受到破壞整個(gè)山嶺表層的土壤將發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。樣點(diǎn)2的土壤質(zhì)地十分黏重，亞表層發(fā)育的高粉砂含量的白漿層，10—20 cm的粉砂質(zhì)含量高達(dá)39.41%，同時(shí)間雜塊狀或棱柱狀結(jié)構(gòu)的礫石層。這種高粉砂含量的結(jié)果使土壤表層的水分難以下滲，往往造成地表局部滯水，外加高覆蓋率的覆被特征，白漿土表層(枯枝落葉層和腐殖質(zhì)層)的飽和含水量高達(dá)36.89%，對(duì)于局部森林濕地的沼澤化具有十分重要的意義。樣點(diǎn)3的土壤質(zhì)地以砂質(zhì)為主，表層的砂質(zhì)含量高達(dá)80%，容重在1.1以上，60 cm以上的土層開始出現(xiàn)礫石。這種疏松的結(jié)構(gòu)將使地表降雨的迅速垂直下滲而不利于土壤的水分貯存和持水。實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明，整個(gè)土層的飽和含水率最高也不過33%。樣點(diǎn)4的質(zhì)地以粉砂、黏粒為主，整個(gè)土層質(zhì)地以粉砂和黏粒為主，孔隙結(jié)構(gòu)較好，30 cm以上的土層的黏粒含量高達(dá)27%以上，尤其是表層，黏粒含量高達(dá)37%，飽和含水量則在48%以上，50 cm以下土層質(zhì)地開始以粉砂為主。

地表生物量的特征以及土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)決定著土壤的孔隙結(jié)構(gòu)[10]。各取樣點(diǎn)的土壤的表層具有一定的枯枝落葉和腐殖質(zhì)層(O/A層)，因此孔隙度較高。例如，樣點(diǎn)1土壤表層的孔隙度可達(dá)56%(非毛管孔隙和毛管孔隙度分別為26.6%和29.4%)，樣點(diǎn)2土壤表層的孔隙度為49%，即使是以砂質(zhì)為主的樣點(diǎn)3土壤表層的孔隙度也在40%以上，樣點(diǎn)4土表層的孔隙度高達(dá)63.69%。從垂向分布來看，山嶺和山麓地區(qū)土壤10 cm以下的孔隙度含量都迅速減小，且主要以非毛管孔隙為主(樣點(diǎn)2亞表層的孔隙度僅30%)。整個(gè)樣點(diǎn)4土壤的孔隙度都很高，即使在100 cm土層的孔隙度任然在50%以上，且主要以0.005～1.2 mm的粗孔隙為主(占土壤總孔隙度的70%以上)，塔頭苔草豐富的根系和大量的枯枝落葉聚集層，使0—50 cm土層結(jié)構(gòu)具有類似“泡沫”的疏松結(jié)構(gòu)，對(duì)于苔草濕地的水分儲(chǔ)存以及濕地的發(fā)育具有十分重要的意義[3]。

表1 不同取樣點(diǎn)土壤不同深度的物理性質(zhì)

3.2 凍融期土壤的持水特征

已有研究表明，凍融作用對(duì)中高緯度地區(qū)森林土壤系統(tǒng)的水分儲(chǔ)存有重要的意義[11-13]。本文以2009年1，8和12月期間各取樣點(diǎn)土壤的含水率變化來說明其持水性能(表2)。由表2可知，4月初研究區(qū)土壤開始消融，不同地貌部位，不同土壤類型消融過程存在差異。2009年4月15日，位于山麓的暗棕壤消融深度為20 cm，灰色森林土消融深度為12 cm，白漿土和塔頭苔草草甸土尚未消融。進(jìn)入7月后，幾種土壤消融深度已經(jīng)超過1.5 m。11月初研究區(qū)進(jìn)入凍結(jié)期，土壤表層又開始呈現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

從表2的觀測(cè)結(jié)果可知，12月中旬暗棕壤凍結(jié)深度為0—30 cm，灰色森林土和白漿土50 cm以上土層已經(jīng)發(fā)生凍結(jié)，而草甸土凍結(jié)深度已經(jīng)到70 cm。另外，從表2還可以看出，不同地貌部位、不同土壤類型的凍結(jié)特征存在明顯的差異。以落葉松/白樺林地區(qū)發(fā)育的白漿土地表積雪密度最大，研究區(qū)土壤表層的水分變化也存在明顯的差異。凍結(jié)期各種土壤表層的含水率明顯增加，達(dá)到過飽和狀態(tài)。暗棕壤0—10 cm土層的含水率高達(dá)43.79(飽和含水率為38%)，2009年12月再次進(jìn)入凍結(jié)期后土壤表層的含水率接近飽和含水量，進(jìn)入4月(消融期)和8月(未凍結(jié)期)表層的含水率則迅速下降至32.8%和29%。另外，暗棕壤凍結(jié)期10 cm以下土層的含水率變化很小。白漿土凍融過程中的水分變化規(guī)律和暗棕壤相似，但是含水率明顯高于暗棕壤，凍融期表層的含水率高達(dá)50%以上，但是白漿層(10 cm以下)的含水率在凍融前后的含水率變化不明顯。塔頭苔草草甸土整個(gè)土體凍融前后的水分含量變化最明顯。1月表層的含水率受蒸發(fā)的影響為40%左右，另外，在消融季節(jié)，表層受到消融的積雪的影響所以含水率反而上升到51.66%，當(dāng)土壤消融后表層的含水率則下降為47.48%。當(dāng)再次進(jìn)入凍結(jié)期(12月)，表層的含水率再次增加至60%以上。

通過分析可知，大興安嶺地區(qū)森林濕地存在明顯的凍融過程，在凍融作用的影響下森林濕地表層的水分?jǐn)?shù)量和狀態(tài)都發(fā)生明顯的變化。不同地貌部位和土壤條件下森林濕地的凍融水分效益存在明顯的差異，凍融過程中位于高位的森林植被濕地表層蓄水明顯。

表2 不同季節(jié)土壤的凍融深度以及含水率變化 %

3.3 非凍融期土壤的持水性能

3.3.1 水分特征曲線 圖2為研究區(qū)不同土壤對(duì)應(yīng)的水分特征曲線。由圖2可知，樣點(diǎn)1，3，4的土壤0—30 cm土層飽和含水率都在35%以上(其中樣點(diǎn)1為38%，樣點(diǎn)3為41%，樣點(diǎn)4表層飽和含水率高達(dá)47%)，而樣點(diǎn)2的0—30 cm土層的飽和含水率低于25%。此外，在0—300 cm土水勢(shì)條件下，各種土壤的含水率都迅速下降，其中土壤表層水分的變化特征最明顯(樣點(diǎn)2的土壤除外，其水分特征曲線十分平緩，近乎成一條直線)，而30 cm以下土層的含水率在0—300 cm土水勢(shì)條件下變化較為平緩?？傮w來看，森林土壤的水分特征曲線變化平緩，而塔頭苔草草甸土的水分特征曲線成指數(shù)形式減少，即在較小的土水勢(shì)作用下土壤水分也發(fā)生明顯的減少。

塔頭苔草草甸土0—60 cm土壤含有大量腐殖質(zhì)以及不同程度分解的苔草根系，所以容重輕、孔隙度較高且主要以毛管孔隙為主，毛管水上下相通，因此土壤飽和含水率較高且土壤水分遷移的速率較快，在受到一定的土水勢(shì)作用下土壤水分迅速變化。暗棕壤表層具有較高的枯枝落葉歸還物，所以孔隙度也較高，所以其飽和含水量高達(dá)40%，并且在一定水勢(shì)作用下孔隙水會(huì)迅速散失。灰色森林土質(zhì)地以砂質(zhì)為主，主要為非毛管孔隙，所以水分散較快。白漿土地區(qū)容重高達(dá)1.4 g/cm3以上，含有大量大礫石塊，另一方面，白漿化層質(zhì)地緊實(shí)，孔隙水含量少，所以在0～300 cm水勢(shì)作用下土壤含水量變化不明顯。白漿層存在緊實(shí)的隔水層，限制地表蓄積的水分下滲到亞表層。同時(shí)由于白漿土的白漿層土質(zhì)地密實(shí)，沒有粗毛管孔徑，在300 cm甚至更大的土水勢(shì)作用下土壤水分也難以穿過致密的柱狀堿土層，因此，白漿土的水分特征曲線非常平緩(即土壤水分變化微弱)。

3.3.2 土壤的持水過程 圖3為在大興安嶺地區(qū)地表積水5 cm條件下，各種土壤持水過程曲線。從圖3可看出，大興安嶺不同土壤的持水過程存在明顯的差異。以柞樹/落葉松為主發(fā)育的暗棕壤表層蓄水較快，經(jīng)過30 min已經(jīng)達(dá)到飽和，最大飽和持水量達(dá)42%。10 cm以下持水速率和持水總量都十分微弱，20和30 cm土層的飽和含水率僅在25%左右。赤楊/紅毛柳灰色森林土質(zhì)地以細(xì)砂粉砂為主，蓄水過程較快。在地表積水5 cm條件下，含有機(jī)質(zhì)較高的0—20 cm土層經(jīng)過25 min達(dá)到飽和狀態(tài)(飽和含水率為34%)，50 cm以下的土層蓄水量和速率都較表層緩慢。塔頭苔草植被群落地區(qū)發(fā)育的草甸土蓄水速率比其他3種土壤迅速，蓄水量也是最大的，在經(jīng)過20 min后0—50 cm土層已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，飽和含水量高達(dá)50%。50 cm以下土層塔頭苔草的根系、土壤有機(jī)質(zhì)都明顯減少，土壤質(zhì)地也變成以粉砂為主，這種土壤特征下土壤蓄水量明顯減小，飽和含水量不到40%。落葉松/白樺林植被群落下發(fā)育的白漿土持水過程與其他3種類型的土壤存在明顯的差異，整個(gè)土層蓄水過程都較緩慢，0—20 cm土層經(jīng)過60 min后才逐漸達(dá)到水分的平衡狀態(tài)，但是表層的飽含水率還是高達(dá)40%以上，20 cm以下的土層蓄水緩慢且飽和含水率低，僅為20%左右。

圖2 不同土壤深度的水分特征曲線

圖3 在5 cm水頭壓力作用下不同土壤土層的蓄水過程

3.4 討 論

通過分析可知，局部土壤理化性質(zhì)的差異和地貌特征不僅影響森林濕地持水的效應(yīng)，也影響森林濕地的發(fā)育和演化特征。由于河谷漫灘部位地勢(shì)低洼，土壤含有大量腐殖質(zhì)以及不同程度分解的苔草根系，促使土壤發(fā)育大量的孔隙結(jié)構(gòu)，因此，土壤飽和含水率較高，持水性能最好，尤其是凍融季節(jié)土體蓄水對(duì)于嫩江水源的補(bǔ)給具有十分重要的意義。局部分水嶺發(fā)育的暗棕壤質(zhì)地粗糙、土層淺薄，不利于大量水分的存儲(chǔ)。由于平緩的高漫灘/低階地部位，水平徑流較緩慢，外加白漿土的白漿層十分密實(shí)，限制水分垂向遷移，其持水性能很差，在表層的枯枝層/腐殖質(zhì)層對(duì)于該地貌部位的水分保持具有重要的意義。暗棕壤對(duì)應(yīng)的潛水埋藏較深，且土層很淺，潛水垂直向上遷移速率和數(shù)量十分有限，因此整個(gè)凍融期暗棕壤的水分增量微弱。另一方面，暗棕壤表層具有約2 cm厚度的枯枝落葉層和3 cm厚度的腐殖質(zhì)層，結(jié)構(gòu)疏松，容重小，孔隙度較高，其持水性能主要體現(xiàn)在表層，所以，森林濕地表層的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)森林地區(qū)的以及固定水土和維持整個(gè)區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)具有舉足輕重的作用。一旦表層受到破壞，不僅持水性能降低，還可能造成嚴(yán)重的水土流失[14-15]?；疑滞岭m然地勢(shì)較低，與河谷漫灘毗鄰，地下水位較低，但是土壤質(zhì)地以砂質(zhì)為主，孔隙以非毛管孔隙為主，外加地表植被稀疏，枯枝落葉層很薄，土壤表層含腐殖質(zhì)少，所以即使在強(qiáng)烈的凍融季節(jié)，整個(gè)土層的含水率并沒有明顯的增加。因此灰色森林土的持水性能相對(duì)較弱，且主要表現(xiàn)在表層。

4 結(jié) 論

受地貌的控制，大興安嶺低山丘陵地區(qū)不同地貌部位的水、熱性質(zhì)出現(xiàn)分異，發(fā)育的土壤類型以及植被都表現(xiàn)出典型的高寒森林濕地中域景觀。森林濕地存在明顯的凍融過程，凍融作用影響下的森林濕地表層的水分?jǐn)?shù)量和狀態(tài)都發(fā)生明顯的變化。不同地貌部位和土壤條件下森林濕地的凍融水分效益存在明顯的差異，凍融過程中位于高位的森林植被濕地表層蓄水明顯，而位于低位的塔頭苔草濕地整體土體的水分?jǐn)?shù)量和狀態(tài)都發(fā)生明顯的變化。

塔頭苔草草甸土0—60 cm土壤含有大量腐殖質(zhì)以及不同程度分解的苔草根系，土壤飽和含水率較高且土壤水分遷移的速率較快。暗棕壤表層具有較高的枯枝落葉歸還物，所以孔隙度也較高，飽和含水量高達(dá)40%，并且在一定水勢(shì)作用下孔隙水會(huì)迅速散失?；疑滞临|(zhì)地以砂質(zhì)為主，土壤孔隙主要以非毛管孔隙為主，所以水分散較快。白漿土白漿土的水分特征曲線非常平緩(即土壤水分變化微弱)。

大興安嶺地區(qū)山嶺和山麓發(fā)育的土壤土層較薄，土壤質(zhì)地以細(xì)砂質(zhì)為主，表層/亞表層出現(xiàn)礫石。整個(gè)土層除了表層的飽和含水量高達(dá)38.72%外，5 cm以下土壤的飽和含水率都在22%以下。外加暗棕壤位于坡麓位置，坡度較大，該地區(qū)土壤持水性主要體現(xiàn)在地表的枯枝落葉層，一旦枯枝落葉層受到破壞整個(gè)山嶺表層的土壤將發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。

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