楊良辰, 張楠

(1.河北省涉縣職業(yè)技術(shù)教育中心， 河北 涉縣056400; 2.河北木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局, 河北 圍場(chǎng) 068450)

枯落物層和土壤層是森林截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分具有很重要的作用[1-2]。木蘭圍場(chǎng)位于沿壩地區(qū)，森林多以針葉為主，其中華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、油松(Pinustabulaeformis)為主要組成部分，闊葉則以山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主。森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其很重要的一個(gè)功能是水源涵養(yǎng)，減少水土流失，枯落物層與土壤層作為林分涵養(yǎng)水源的重要部分，對(duì)林分發(fā)揮水文生態(tài)作用具有很大作用，不同森林組成在水源涵養(yǎng)方面的能力也是不一樣的，具有一定的差異[3-5]?？萋湮镒鳛榱址职l(fā)揮水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層，具有很好的攔蓄能力，能夠減少水土流失，避免降雨對(duì)土壤的直接沖刷，于此同時(shí)還能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)組成；土壤層作為林分發(fā)揮水文效應(yīng)的第三活動(dòng)層能夠有效的儲(chǔ)存一定的水量，發(fā)揮起水源涵養(yǎng)的功能。該地區(qū)的研究主要集中林分的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)特性、物種多樣性、純林林分的各層次水源涵養(yǎng)能力，但是對(duì)混交林的水源涵養(yǎng)能力研究較少。本文通過對(duì)沿壩地區(qū)3種混交林類型枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行比較研究，能夠更加明確得出最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林分類型，以便于為該地區(qū)的森林健康經(jīng)營(yíng)提供一定的理論依據(jù)[6-7]。

1 研究區(qū)概況

圍場(chǎng)縣位于承德境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°32′—118°14′，北緯41°35′—42°40′。與內(nèi)蒙古接壤，處于華北山石區(qū)的沿壩地區(qū)，是山區(qū)與壩上的過渡地帶，海拔750～1 829 m，年平均溫度較低為年平均氣溫4℃左右，年無(wú)霜期90～125 d，年均降水時(shí)間分布很不均勻，集中性比較強(qiáng)，主要在7—9月，3個(gè)月份的降雨量占到年降雨量70%，年均降雨量為380～560 mm，土壤的種類也較多，總共有143個(gè)土種，植物種類資源也是非常豐富，野生的種子植物達(dá)到793種，蕨類植物22種。此次的試驗(yàn)地點(diǎn)在圍場(chǎng)縣木蘭林管局的北溝林場(chǎng)。

2 研究方法

2.1 枯落物層數(shù)據(jù)測(cè)定

2.1.1 枯落物生物量 2017年7月—9月在沿壩地區(qū)的北溝林場(chǎng)，選擇針葉混交林、闊葉混交林與針闊混交林3種混交林類型設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的樣地，樣地的大小為30 m×30 m，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況進(jìn)行了調(diào)查(表1)，其中郁閉度的測(cè)定是通過在樣地內(nèi)隨機(jī)的設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，該點(diǎn)數(shù)與樣點(diǎn)數(shù)的比值則是林分的郁閉度。而枯落物生物量的測(cè)定則是在選取的標(biāo)準(zhǔn)地里選取樣地的4個(gè)角和中心位置設(shè)置5塊枯落物小樣方，大小為50 cm×50 cm，枯落物測(cè)定分未分解層和半分解層，以下枯落物的數(shù)據(jù)都是均值。

表1 3種混交林類型標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.1.2 枯落物持水量和吸水速率 利用室內(nèi)浸泡法對(duì)3種林分的枯落物持水量和持水速率進(jìn)行測(cè)定，先測(cè)量枯落物的厚度，根據(jù)枯落物分解的程度來進(jìn)行區(qū)分，劃分為未分解層與半分解層，然后要快速對(duì)其鮮重進(jìn)行稱量，此后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干，對(duì)其重量進(jìn)行再次稱重，最后將需要測(cè)定的枯落物在水中進(jìn)行浸泡，在0.5,1,2,4,6,8,10,24 h對(duì)枯落物的重量變化要進(jìn)行測(cè)定，從而得出枯落物的持水量、持水速率和最大持水率測(cè)定枯落物的持水量[8-10]。利用下式進(jìn)行計(jì)算：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C為枯落物自然含水量(%)；m1為樣品鮮質(zhì)量(g)；m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為飽和持水率；m3為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為平均自然含水量(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.1.3 枯落物有效攔蓄量 枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量的測(cè)定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來進(jìn)行計(jì)算,即:

W=(0.85Rm-Ro)M

(4)

式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);Ro為平均自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.2 土壤層物理性質(zhì)和土壤入滲過程測(cè)定

按照不同的土層深度取樣，即土壤剖面法，采用土壤烘干法和環(huán)刀法測(cè)定需要的土壤特性。其中土壤持水力S=10 000hp,式中：S為土持水力(t/hm2)；h為土壤層厚度(m)；p為非毛管孔隙度(%)[11-12]。

采用雙環(huán)法測(cè)定水分入滲土壤的過程，初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間；平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間。利用Kostiakov模型來對(duì)水入滲土壤的過程來擬合，在f=at-b中：f為t時(shí)間時(shí)的瞬時(shí)入滲速率；t為入滲時(shí)間；a，b則是指試驗(yàn)資料擬合的參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物的存量多少是由很多因素決定的，決定枯落物存量的是林分枯落物的進(jìn)入量和分解量，而林分枯落物的進(jìn)入量是與林分樹種組成、郁閉度和林下植被生長(zhǎng)情況都是有關(guān)的。由表2可以看出，針闊混交林的枯落物生物量最大，為40.29 t/hm2,其次是闊葉混交林，大小為35.08 t/hm2，最小的是針葉混交林為27.67 t/hm2。此外，3種林分類型的未分解層和半分解層組成比例也有差異，其中針葉混交林與針闊混交林未分解層的比例大于半分解層，而闊葉混交林半分解層比例大于未分解層；闊葉混交林未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量46.24%，針葉混交林則最大，占總儲(chǔ)量的56.63%，而針闊混交林居中為51.75%。

3.2 枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 3種林分類型中闊葉混交林的最大持水量最大，為100.1 t/hm2,其次為針闊混交林，為88.9 t/hm2，最小的針葉混交林為22.6 t/hm2；3種林分類型的最大持水率的范圍133.2%～274.0%，依次為闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林(表3)。

表2 3種混交林類型枯落物生物量

表3 3種混交林類型枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.2 枯落物持水過程 枯落物在浸泡持水過程中有一定的規(guī)律，在0.5 h內(nèi)是吸水最快的階段，隨著時(shí)間的推移枯落物的持水量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，但是不同的林分枯落物的持水速率也是有差距的，枯落物的這一過程與降雨時(shí)枯落物的攔蓄過程有一定的相似性，在降雨的初期,枯落物的攔蓄能力比較強(qiáng)，但是隨著枯落物的持水量增加，枯落物的吸持能力降低?？萋湮锏奈捶纸夂桶敕纸鈱拥某炙恳灿幸欢ǖ牟罹?，達(dá)到飽和的時(shí)間也不相同(表4)。對(duì)0.25～24 h之間3種類型林分枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系(表5):

Q=alnt+b

(7)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg);t為浸泡時(shí)間(h);a為方程系數(shù);b為方程常數(shù)項(xiàng)。

3.2.3 枯落物吸水速率 通過試驗(yàn)表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率具有一定的規(guī)律，在0.25～1 h內(nèi)，枯落物由風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后，枯落物的表面的水勢(shì)差非常大，枯落物的吸水速率則比較高；隨后速率出現(xiàn)了較大的下降，在6 h左右時(shí)枯落物的下降速率趨于平緩，隨著時(shí)間推移，枯落物的吸水速率趨于穩(wěn)定，這種情況是因?yàn)殡S著浸泡的時(shí)間不短增長(zhǎng)，枯落物的持水量達(dá)到了最大持水量，枯落物持水量趨于飽和，持水速率趨于穩(wěn)定，枯落物持水速率的這種規(guī)律是由于枯落物表面的水勢(shì)差由大到小而決定的。

表4 3種混交林類型枯落物層持水過程 g/kg

表5 3種混交林類型枯落物層持水量、持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 最大持水量能夠反映枯落物的最大持水潛力，而最大持水率在一定程度上能夠反映枯落物的持水能力，但是枯落物的真實(shí)的攔蓄能力一般都是通過有效攔蓄量這個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)，造成這種情況是由于沒有把枯落物在測(cè)定前的自然含水狀況考慮在內(nèi)，這樣會(huì)導(dǎo)致高估林分的攔蓄能力，因此有效攔蓄能力更能合適的表達(dá)林分的攔蓄能力。

表6 3種混交林類型枯落物層有效攔蓄能力

林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見表6，枯落物未分解層最大持水率大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(246.36 t/hm2)>針闊混交林(207.01 t/hm2)>針葉混交林(143.49 t/hm2)，半分解層最大持水率大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(301.57 t/hm2)>針闊混交林(231.96 t/hm2)>針葉混交林(122.94 t/hm2)；未分解層有效攔蓄量大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(12.42 t/hm2)>針闊混交林(8.16 t/hm2)>針葉混交林(7.15 t/hm2)，半分解層有效攔蓄量大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(13.08 t/hm2)>針闊混交林(9.02 t/hm2)>針葉混交林(7.41 t/hm2)，有效攔蓄量能夠在一定程度上反映林分枯落物層的攔蓄能力，因此3種林分類型的攔蓄能力中最大的為闊葉混交林，其次為針闊混交林，最小的為針葉混交林。

3.3 土壤層的水文效應(yīng)

3.3.1 土壤層的物理性質(zhì) 土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長(zhǎng)的阻力狀況，土壤容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好，容重大則相反，通過對(duì)林分土壤層的解析，該林齡3種混交林的水平根系主要集中在30—40 cm左右，而且考慮到實(shí)際操作問題，選擇的土層厚度為0—40 cm。

由表7可以看出，3種混交林土壤容重變化趨勢(shì)規(guī)律相同，即隨土層深度加深土壤容重逐漸增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡S土層深度增加，土壤中有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，土壤團(tuán)聚性降低，從而增加了土壤的緊實(shí)度，表層土壤疏松、底層土壤則相反；3種混交林類型土壤容重的總體有一定的差距，其中針葉混交林最大，為1.15 g/cm3，闊葉混交林次之，為1.08 g/cm3，針闊混交林最小，為0.89 g/cm3；總孔隙度反映了飽和持水量的大小，兩者的排序相同：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林；而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序?yàn)椋洪熑~混交林>針闊混交林>針葉混交林。

表7 3種混交林類型土壤的物理性質(zhì)

3.3.2 土壤層的滲透性 土壤滲透性是土壤物理性質(zhì)的主要特征之一，它代表了入滲的速度，而且還是林分水源涵養(yǎng)的指標(biāo)之一。土壤的滲透性越好，林分的水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)，土壤的流失也會(huì)比較小，地表的徑流也會(huì)比較少，從而減少林分土壤的被侵蝕的程度。3種混交林土壤的入滲過程比較相似(圖1)。

圖1 3種混交林類型土壤入滲

從圖1可以看出，針葉混交林在24 min時(shí)達(dá)到了穩(wěn)滲，闊葉混交林在29 min時(shí)達(dá)到了穩(wěn)滲，針闊混交林在26 min時(shí)達(dá)到了穩(wěn)滲，通過對(duì)入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系(表8)：

f=at-b(R2>0.94)

式中：f為入滲速率(mm/min)；a，b為常數(shù)；t為入滲時(shí)間(min)。

從表8可以看出，3種混交林土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序?yàn)椋横樔~混交林(49.21 mm/min)>闊葉混交林(45.31 mm/min)>針闊混交林(24.39 mm/min)，隨著時(shí)間的不斷推移，土壤的入滲速率會(huì)趨于穩(wěn)定，各林分的穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(4.11 mm/min)>針闊混交林(1.86 mm/min)>針葉混交林(0.45 m/min)，呈現(xiàn)這種情況的主要原因?yàn)椋洪熑~混交林的土壤層的非毛管孔隙數(shù)量多，對(duì)于土壤的水分滲入非常有利，滲透性也會(huì)比較強(qiáng)。

表8 3種混交林類型土壤滲透的速率及滲透數(shù)學(xué)模型

4 結(jié) 論

(1) 生物量的大小與很多因素有關(guān)，決定枯落物生物量的為枯落物的進(jìn)入量和分解量，3種混交林枯落物生物量大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?闊葉混交林>針葉混交林，林分未分解層和半分解層組成比例也有差異，其中針葉混交林與針闊混交林未分解層的比例大于半分解層，而闊葉混交林半分解層比例大于未分解層。

(2) 3種混交林中最大持水量大小排序?yàn)椋洪熑~混交林>針闊混交林>針葉混交林，枯落物最大持水率范圍為133.2%～274.0%，依次為闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，反映了3種林分中闊葉混交林的持水潛力最大，針葉混交林最??；有效攔蓄量：闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林，反映了3種混交林中真實(shí)攔蓄量最大的為闊葉混交林，出現(xiàn)這種差異主要是因?yàn)榱址挚萋湮飳硬煌瑢哟蔚纳锪坎煌虼?種林分中最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林為闊葉混交林；持水量與浸水時(shí)間的回歸方程為Q=alnt+b(R2>0.89)，持水速率與浸水時(shí)間的回歸方程為V=Ktn(R2>0.99)?？萋湮锍炙疁y(cè)定采用了浸泡法，雖然在一定程度上反映了林分的真實(shí)攔蓄量，但是對(duì)于特定降雨情況的攔蓄能力還需要進(jìn)一步的研究。

(3) 3種林分類型總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度最高的均為闊葉混交林，高于其他兩種混交林，說明闊葉混交林的地理環(huán)境更有利于林木的生長(zhǎng)和涵養(yǎng)水源；非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序與土壤持水能力相同，大小排序?yàn)椋洪熑~混交林>針闊混交林>針葉混交林，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序?yàn)椋横樔~混交林(49.21 mm/min)>闊葉混交林(45.31 mm/min)>針闊混交林(24.39 mm/min)，3個(gè)混交林穩(wěn)滲大小排序?yàn)椋洪熑~混交林(4.11 mm/min)>針闊混交林(1.86 mm/min)>針葉混交林(0.45 m/min)，入滲速率與入滲時(shí)間回歸方程為：f=at-b(R2>0.94)。