內(nèi)蒙古大青山主要林分類型水源涵養(yǎng)能力研究

王冬至，張秋良，陳高娃，青 梅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

降水是地球生態(tài)系統(tǒng)大氣循環(huán)的結(jié)果，一般是由與森林無關(guān)的自然因子引起，但是具有大面積森林分布的區(qū)域，降水的形成和局部差異受到森林不同程度的影響，從而表現(xiàn)出區(qū)別于一般降水規(guī)律的差異性。森林與水的相互作用關(guān)系是水文學(xué)領(lǐng)域極為重要的研究內(nèi)容，是水文研究的中心議題［1］。特別是隨著人類發(fā)展與來自生存環(huán)境壓力的與日俱增，森林作為工業(yè)社會的主要材料來源之一的生態(tài)學(xué)后果的突現(xiàn)，人們對森林與林業(yè)對人類生存與發(fā)展現(xiàn)實的重要作用產(chǎn)生了新的認(rèn)識，使得林業(yè)經(jīng)營與發(fā)展進入更為注重生態(tài)與社會效益的經(jīng)營利用觀［2－3］。組成與結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要特征，不同的組成構(gòu)成了多種多樣的林分林型，森林由林冠層、枯落物層和土壤層3個作用層組成，不同林分林型的不同層次對森林涵養(yǎng)水源的作用不同［4］。本文通過對大青山人工油松林和天然白樺次生林不同生長發(fā)育階段的林冠截留、枯落物持水量及對不同土層持水能力進行研究，可以為該區(qū)進一步研究水土保持效益的計量研究奠定基礎(chǔ)，同時對研究該區(qū)林分的水文生態(tài)效益、建立森林健康評價指標(biāo)體系具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)試驗地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市北部陰山山脈中段的大青山和圣水梁區(qū)的人工油松林和白樺天然次生林林內(nèi)，地理位置約為:109°51'19″～111°57'43″E，40°41'52″～40°56'34″N，海拔高度約在1230 m ～2010 m之間。研究區(qū)地處內(nèi)陸地區(qū)，降水少而集中，日溫差較大，氣候干燥，年降水量約為350 mm ～450 mm。降水量年際變化大，歷年平均降水量為424.6 mm，降水時間多集中在5～9月份，降水量占全年總量的83.0%。研究區(qū)內(nèi)的成土母質(zhì)類型有:結(jié)晶巖殘坡積物、松散砂巖礫巖殘坡積物、黃土及黃土狀物母質(zhì)、洪積物母質(zhì)、沖－洪積物母質(zhì)。土壤由上而下呈帶狀分布，即灰色森林土－淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗鈣土［5］。

2 研究方法

2.1 林冠截留測定

分別在研究區(qū)中選取人工油松林的幼齡林(18 a)、中齡林(30 a)、成熟林(43 a);在白樺天然次生林中選取幼齡林(23 a)、中齡林(42 a)、成熟林(62 a)，并分別在不同林型中分別設(shè)3個臨時樣地(30×30 m2)，在每個樣地中呈品字形隨機放置3個雨量筒(規(guī)格為高0.5 m，口徑20 cm)，在每次降雨過后及時對雨量筒內(nèi)的雨水量進行觀測，并在距林緣三倍樹高的林外放置同規(guī)格雨量筒作為對照，記錄數(shù)據(jù)，然后用對照樣地的降雨量減去林內(nèi)降雨量即為每種林分的林冠截留流量，林冠截留率=林冠截留量/林外自然降雨量。

2.2 枯落物持水量

判斷林下枯落物的分解程度本文采用分解袋法［6］(網(wǎng)孔分別為5 mm和0.25 mm)，大于5 mm網(wǎng)孔的為未分解層，在網(wǎng)孔5 mm和0.25 mm之間的枯落物層為半分解層，小于網(wǎng)孔0.25 mm的枯落物層為分解層。分別在人工油松林、白樺天然次林的臨時樣地內(nèi)取三個0.5×0.5 m2的臨時小樣方，在每個小樣方內(nèi)分別取未分解枯落物、半分解枯落物、分解枯落物并稱重500 g帶回實驗室，計算單位面積枯落物蓄積量。然后取每種林型不同分解程度枯落物各50 g裝入絲袋，分別測定浸入清水后0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16、20、24 h吸水量的變化并記錄枯落物初期吸水階段、相對穩(wěn)定階段、停止吸水階段的時間，測定枯枝落葉層不同層次的吸水速度及持水量，分別取不同林型不同分解程度枯落物的烘干重各100 g浸入水中24 h后稱重然后烘干測定其最大持水量，從而對不同森林類型的枯落物進行持水量的測定。

2.3 土壤持水量的測定

土壤調(diào)查與取樣，在樣地內(nèi)選擇有代表性的測定地點，用環(huán)刀采取土樣，采樣過程中盡量不破壞土壤的結(jié)構(gòu)，分別在厚度為0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm的土層中每層土壤取3個重復(fù)，做好標(biāo)記帶回實驗室采用雙環(huán)刀法進行觀測。去掉環(huán)刀上下蓋子及濾紙，在環(huán)刀上面再反套上一個空環(huán)刀，接口處先用醫(yī)用膠布封好再用熔蠟粘合，嚴(yán)防從接口處漏水，然后將粘合的環(huán)刀放到玻璃漏斗上，漏斗下放置一個燒杯。用燒杯向上面的空環(huán)刀中加水，保持水面比上面的環(huán)刀口低1 mm，即水層厚度保持為5 mm。加水后，自水分穿透下面環(huán)刀中土壤開始向外滴漏出第一滴水的時刻開始計時，開始時每隔1、2、3、4、5 min更換一次燒杯，并用量筒測量出下滲水的體積，此后每隔5 min更換一次燒杯。試驗過程中要及時往上面環(huán)刀內(nèi)添水，使上面的環(huán)刀水面一直保持在原來高度，試驗進行到連續(xù)4次更換的燒杯內(nèi)水量相同時可以視為達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 林冠截留

林冠層作為森林水文功能作用的第一作用層次，對于森林生態(tài)系統(tǒng)年水量平衡具有十分重要的意義。從觀測數(shù)據(jù)來看7、8、9月份的降雨量相對較大，占年總降雨量的75.3%。根據(jù)水量平衡原理，忽略水平方向的水分變化，則大氣降雨通過林冠層發(fā)生第一次再分配的水量平衡方程可寫為:P=P'+I

式中:P為大氣降雨(mm);P'為林內(nèi)穿透雨量(mm);I為林冠截留雨量(mm)。

林冠截留率為林冠截留量/林外自然降雨量，利用對不同林齡發(fā)育階段的林冠截留量為觀測值，將每次觀測的大氣降雨數(shù)據(jù)按每5 mm為一個觀測區(qū)間，每個區(qū)間取3個觀測值，共取18個大氣降雨觀測值，通過SAS數(shù)據(jù)處理軟件對不同林分類型的自然降雨量和林冠截留量進行了一元一次及二次回歸分析以確定兩者之間線性的關(guān)系，其線性關(guān)系如表1所示。

表2 大氣降雨與林冠截流回歸方程Table 2 he regression equation of Rainfall and canopy closure

從對數(shù)據(jù)進行處理的結(jié)果來看，一元一次回歸方程在人工油松幼齡林和白樺天然次生林的幼齡林更接近擬合的直線，在兩種林分的幼齡林中一次回歸方程優(yōu)于二次回歸方程。人工油松中齡林、成熟林和白樺天然次生林的中齡林、成熟林的數(shù)據(jù)曲線更接近于二次回歸方程，因此，二次回歸方程比較適用于人工油松中齡林和成熟林及白樺天然次生林的中齡林和成熟林。不同林分類型的截留量有很大差別，與降雨量也有很大的關(guān)系，在0－10mm的降雨范圍內(nèi)隨著降雨量的增大，林冠截留量也成增加趨勢，由觀測數(shù)據(jù)可知人工油松林林冠平均截留量為幼齡林1.35 mm，中齡林1.85 mm，成熟林1.63 mm;天然白樺次生林樹冠平均截留量為幼齡林2.06 mm，中齡林2.81 mm，成熟林2.26 mm。對于森林實驗的林分而言，將自然降水視為不具有空間變化的性質(zhì)，但是由于郁閉度、林冠的形態(tài)特征和生物量分布具有明顯的空間變化特性。因此，林冠穿透雨量勢必會具有明顯的差異。

3.2 枯落物持水量

在森林垂直結(jié)構(gòu)的三個層次中，枯枝落葉層占有重要地位，是森林地表的一個重要覆蓋面，除了與林冠層一樣能截持降雨外，更有吸收和阻止地表徑流、增加降水入滲、防止土壤濺蝕、增強土壤抗沖力的作用［7］，不同森林類型枯落物的持水過程如圖1所示，從圖上可以看出枯落物隨時間的變化吸水率過程大致分為三個階段即初期吸水階段、相對穩(wěn)定階段、停止吸水階段。人工油松林和白樺天然次生林的幼齡林、中齡林和成熟林的初期吸水階段大約都在0.5 h左右，持水速度分解層＞半分解層＞未分解層;在第二個階段油松林在2 h時基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，在2 h以后吸水速度處于基本停滯狀態(tài)，而白樺天然次生林在1 h時就基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，在1.5 h以后吸水速度處于基本停滯狀態(tài)。由于不同枯落物的持水速度不同，因此建立了不同林分類型枯落物持水速度表達式，如表2所示。

表3 不同枯落物持水速度表達式Table 3 The expression of different rate of litter water－h(huán)olding

圖1 不同層次枯落物持水速率Fig.1 The Water－h(huán)olding rate of litter at different levels

由于不同林分類型枯落物厚度和分解程度的不同，蓄積量和持水量也有很大差別。人工油松林和天然白樺次生林枯落物的蓄積量都為成熟林＞中齡林＞幼齡林;不同分解程度枯落物最大持水量隨枯落物蓄積量的變化差異很大，其單位質(zhì)量枯落物最大持水量與其枯落物干重比值為人工油松林分解層為282.3%;半分解層為198.7%;未分解層為156.5%;天然白樺次生林分解層為338.1%;半分解層為255.6%;未分解層為216.2%;由此可知分解程度越大單位質(zhì)量的持水率就越高，持水能力就越強。

3.3 土壤持水量

土壤結(jié)構(gòu)與水分物理性質(zhì)決定了水分在土壤層的傳輸過程、途徑和規(guī)律及土壤層水文作用與功能［8］。森林土壤層水文動態(tài)功能研究，揭示了不同森林類型植被下土壤類型的組成、結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)，各類型土壤的水文特性，土壤層水分的時空變化規(guī)律及土壤層中水分傳輸過程與其規(guī)律性。林地土壤的滲透能力直接影響土壤的蓄水性能，土壤滲透能力強意味著降水可很快入滲，反之，則入滲少而且會以地表徑流流失［9］。林內(nèi)雨在經(jīng)過林下植被的截留后，穿過枯落物層開始向林地土壤層下滲，此時土壤的水文物理特性將直接影響降水的滲透速度和滲透量，從而影響整個林分涵養(yǎng)水源的能力。通過對不同林分土壤各層持水量的觀測，運用SAS數(shù)據(jù)處理軟件不同林分類型各層土壤最大持水量進行了數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表4、5所示。

表4 油松林不同發(fā)育階段各土層含水量分析(5%水平)Table 4 Pine forest at different developmental stages of the soil moisture content

表5 白樺林不同發(fā)育階段各土層含水量分析(5%水平)Table 5 Birch forest at different developmental stages of the soil moisture content

由分析結(jié)果知人工油松幼齡林0～10 cm的土層持水量明顯高于其他三個土層，10～60 cm的土層持水量差別不是很明顯，中齡林和成熟林土壤層持水量隨著深度的增加持水量逐漸減少，而且變化差異很大;不同林齡的不同土層之間也表現(xiàn)出了差異，中齡林20～40 cm、成熟林20～40 cm、幼齡林0～10 cm、成熟林10～20 cm、中齡林0～10 cm、成熟林0～10 cm的土層持水量差異顯著呈逐漸增多趨勢，中齡林10～20 cm、成熟林40～60 cm、中齡林40～60 cm、幼齡林20～40 cm的差異不顯著;白樺天然次生林幼齡林10～20 cm、成熟林20～40 cm、中齡林10～20 cm、幼齡林0～10 cm、成熟林10～20 cm、中齡林0～10 cm、成熟林0～10 cm的土層持水量差異顯著呈逐漸增多趨勢，不難看出隨著林分年齡的增加相同土層的持水量呈明顯的增加趨勢而且差異顯著?？偟目磥硖烊话讟宕紊值耐寥莱炙棵黠@高于油松人工林。隨著林分年齡的增大，土壤層的根系有很大差別，土壤微生物的的數(shù)量也有明顯變化，這些因素都會對表現(xiàn)在土壤的疏松性、結(jié)構(gòu)性、吸收性、持水性、透水性等方面產(chǎn)生影響。不同林齡土壤水文物理性質(zhì)包括土壤的容重、比重、各種孔隙度(毛管和非毛管孔隙度)、透水性、各種持水量等，這些都會對森林土壤的持水量造成很大影響。

4 結(jié)論與討論

(1)不同林分類型的林冠截留量有很大差別，在人工油松林中林和白樺天然次生林中林冠截留量都呈現(xiàn)出中齡林＞成熟林＞幼齡林，白樺天然次生林的林冠截留量高于人工油松林，一元一次回歸方程比較適用于幼齡林，二次回歸方程比較適用于中齡林和成齡林。

(2)不同林分類型不同分解程度枯落物的最大持水量依次為分解層＞半分解層＞未分解層，在同一分解層次白樺天然次生林枯落物最大持能力高于人工油松林，不同層次枯落物達到飽和持水量的時間為分解層最快，半分解層次之，未分解層達到飽和持水量的時間最長。

(3)不同林分類型不同土層的持水量隨著林齡的增加同一土層的持水量呈遞增趨勢，而且林齡越大同一土層持水量差異就越大，白樺天然次生林各林齡總的持水量高于人工油松林。

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