北京市松山不同海拔油松林枯落物及土壤水文效應(yīng)

魯紹偉， 高 琛， 李少寧， 陳 波， 潘青華， 張玉平

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所, 北京 100093；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 保定 071000)

森林對(duì)人類生態(tài)環(huán)境的顯著影響，已經(jīng)越來越引起人們的重視。作為地球上可再生自然資源及陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林在人類生存和發(fā)展的歷史過程中具有不可替代的作用[1]。森林中的枯落物結(jié)構(gòu)疏松，具有較強(qiáng)的吸水能力和透水性能，不但可以防止雨滴的擊濺和徑流的沖刷，而且對(duì)土壤的形成發(fā)育具有重要作用。同時(shí)，水文效應(yīng)的研究對(duì)森林開發(fā)和營(yíng)造、環(huán)境質(zhì)量的控制和改善均有重要意義[2]。油松(PinustabuliformisCarr)在北京市無論是山區(qū)還是平原隨處可見，是較好的水土保持、用材和造林綠化樹種。目前，中國(guó)對(duì)油松林的研究主要集中在生態(tài)效益[3]、生物多樣性[4]和不同氣候條件下生長(zhǎng)狀況[5]等方面，而對(duì)其在垂直梯度下水文效應(yīng)的研究相對(duì)較少。為此，本文對(duì)北京市松山不同海拔油松天然林枯落物及土壤水文效應(yīng)進(jìn)行定量分析，旨在初步揭示不同海拔油松天然林枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)功能，為油松天然林的生長(zhǎng)提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

北京市松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于北京市延慶縣境內(nèi)西北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°43′44″—115°50′22″，北緯40°29′9″—40°33′35″。保護(hù)區(qū)西北與河北省赤城縣境內(nèi)的大海坨國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)相接，西南與河北省懷來縣接壤，東與北京市玉渡山自然保護(hù)區(qū)毗鄰，南與延慶縣張山營(yíng)鎮(zhèn)相鄰。面積4 660.0 hm2，海拔為628～2 198 m，處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。受地形條件的影響，氣溫偏低，濕度偏高，具有典型的山地氣候特征。年降水量約450 mm，局部地段可達(dá)600 mm，年蒸發(fā)量約1 700 mm。該區(qū)土壤呈垂直帶譜分布，自下而上分為山地暗棕壤土帶、棕色針葉林土帶、亞高山疏林草甸土帶和高山苔原土帶。保護(hù)區(qū)現(xiàn)有維管束植物109 科 413 屬783 種及變種，占北京市地區(qū)同類植物總數(shù)的49.8%。喬木樹種有山楊(Populusdavidiana)、油松(Pinustabuliformis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、秀麗槭(Acerelegantulum)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)和華山松(Pinusarmandii)等。

2 材料與方法

2012年8月底在北京市松山自然保護(hù)區(qū)調(diào)查不同海拔高度的油松天然林。選取4塊代表性的地段作為樣地進(jìn)行采樣分析。樣地面積為50 m×50 m，對(duì)其進(jìn)行每木檢尺，各樣地基本特征見表1。根據(jù)地形變化情況在每塊樣地內(nèi)分別設(shè)1.0 m×1.0 m 9個(gè)樣方，調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層厚度及蓄積量。采用土壤剖面調(diào)查法，分別按0—10，10—20，20—40 cm分層取樣。

表1 不同海拔樣地基本特征

枯落物持水量和吸水速率測(cè)定采用室內(nèi)浸泡法[6]，分別測(cè)定枯落物在浸泡2，4，6，12和24 h后的變化，3次重復(fù)，研究其吸水過程和吸水速度?？萋湮飻r蓄量采用有效攔蓄量估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量[7]，即：

W=(0.85Rm-Ro)M

(1)

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；Ro——平均自然含水率(%)；M——枯落物累積量(t/hm2)。

用環(huán)刀浸泡法測(cè)土壤容重、孔隙度等土壤物理性質(zhì)[8]，3次重復(fù)。公式如下：

土壤容重(g/cm3)= 〔(環(huán)刀重量+烘干土重量)-環(huán)刀重量〕/100

最大持水量(t/hm2)={〔環(huán)刀浸水24小時(shí)重量-

(環(huán)刀重量+烘干土重量)〕 /烘干土重量}×100

毛管持水量(t/hm2)={〔環(huán)刀控水24小時(shí)重量-

(環(huán)刀重量+烘干土重量)〕 /烘干土重量}×100

土壤非毛管孔隙度(%)=〔(最大持水量-毛管持水量)/土壤容重〕 ×100

土壤毛管孔隙度(%)=毛管持水量×土壤容重

土壤總孔隙度(%)= 土壤非毛管孔隙度+土壤毛管孔隙度

雙環(huán)法測(cè)土壤入滲[9]，土壤持水量采用下式[7]：

W=10 000Ph

式中：W——土壤持水量(t/hm2)；P——土壤孔隙度(%)；h——土壤層厚度(m)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同海拔枯落物蓄積量分析

由表2可知，不同海拔油松天然林枯落物總蓄積量變動(dòng)在9.03～27.75 t/hm2，大小排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ，即油松天然林枯落物總蓄積量隨海拔降低先減小后增大。分析4個(gè)海拔梯度枯落物未分解層、半分解層蓄積量可以得出，各層次儲(chǔ)量所占比例不同，半分解層的蓄積量均大于未分解層蓄積量。樣地Ⅲ未分解層占總蓄積量的比例最大，為25.95%，樣地Ⅳ占的比例最小，為14.73%，排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅱ>樣地Ⅰ>樣地Ⅳ。樣地Ⅳ半分解層占總蓄積量的比例最大，為85.27%，樣地Ⅲ占的比例最小，為74.05%，排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅰ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，即未分解層和半分解層枯落物蓄積量隨海拔的降低均呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。這與陳波等[10]在冀北山地對(duì)不同海拔華北落葉松人工林水文效應(yīng)的研究結(jié)果不一致，原因是研究所選取的樹種不一致，油松枯落物易分解而華北落葉松枯落物不易分解，且與海拔和枯落物儲(chǔ)量相差較大有關(guān)。

表2 不同海拔枯落物厚度、儲(chǔ)量、最大持水量和最大持水率

3.2 不同海拔枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 不同海拔枯落物最大持水量 4個(gè)海拔梯度枯落物的最大持水量和最大持水率如表2所示。半分解層和未分解層枯落物最大持水量均呈現(xiàn)出隨海拔降低先減小后增大的規(guī)律?？偤妥畲蟮氖菢拥丌螅瑸?0.54 t/hm2，相當(dāng)于9.05 mm的降水，最小的是樣地Ⅱ，為26.66 t/hm2，相當(dāng)于2.67 mm的降水，排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ。最大持水率同樣呈現(xiàn)出隨海拔降低先減小后增大的規(guī)律。這與田超等[11]在冀北山地對(duì)不同海拔蒙古櫟水文效應(yīng)的研究結(jié)果不一致，原因是松山地區(qū)枯落物層較厚，分解速率較慢，最大持水量和最大持水率較高所致。

3.2.2 不同海拔枯落物有效攔蓄量 由表3可知，4個(gè)海拔梯度油松天然林枯落物的攔蓄能力各不相同。從有效攔蓄率看，未分解層和半分解層呈不同的變化規(guī)律。未分解層大小排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅲ；半分解層則為：樣地Ⅳ>樣地Ⅲ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ。這是因?yàn)槲捶纸鈱雍桶敕纸鈱拥目萋湮飳雍穸群涂萋湮飪?chǔ)量及吸水速率不同。從有效攔蓄量看，未分解層和半分解層變化規(guī)律也不相同。未分解層排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ；半分解層為樣地Ⅰ>樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ。這主要與枯落物蓄積量有關(guān)。綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知，樣地Ⅰ(1 211 m)有效攔蓄能力最強(qiáng)，為46.34 t/hm2，相當(dāng)于攔蓄4.63 mm的降雨；樣地Ⅱ(1 012 m)有效攔蓄能力最弱，為11.04 t/hm2，僅相當(dāng)于攔蓄1.10 mm的降雨，即高海拔攔蓄能力最強(qiáng)，中海拔最弱。這是由于在相對(duì)原始的森林中高海拔地區(qū)接受陽(yáng)光較多，加快了枯落物中水分的蒸發(fā)速率，使得枯落物能夠在較短的時(shí)間內(nèi)再次攔蓄水分而導(dǎo)致高海拔地區(qū)枯落物的攔蓄能力較強(qiáng)。

表3 不同海拔枯落物的攔蓄能力

3.2.3 不同海拔枯落物持水過程 樹木枯落物的持水量與其在水中的浸泡時(shí)間存在著一定關(guān)系。由圖1可得，未分解層和半分解層在最初浸泡的2 h內(nèi)，持水量迅速上升；之后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)持水量仍呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度明顯變緩；其中未分解層枯落物浸泡超過10 h基本達(dá)到飽和狀態(tài)，而半分解層枯落物在浸泡約6 h已基本達(dá)到飽和。且在相同浸泡時(shí)間內(nèi)半分解層枯落物持水量總大于未分解層枯落物持水量。表明4塊樣地不同海拔枯落物半分解層持水能力均高于未分解層。這與陳波等[10]在冀北山地對(duì)不同海拔華北落葉松人工林水文效應(yīng)的研究結(jié)果相反。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)氣候不一致，在采樣時(shí)段內(nèi)本研究區(qū)降水較多，濕度較大，枯落物自然含水率遠(yuǎn)高于冀北地區(qū)；且4個(gè)樣地未分解層枯落物蓄積量略低于冀北地區(qū)；而半分解層蓄積量遠(yuǎn)高于冀北地區(qū)；大量的半分解層枯落物使得其持水能力遠(yuǎn)高于未分解層。

對(duì)1～24 h之間4塊樣地不同海拔枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時(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：

Q=aln(t)+b

式中：Q——枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時(shí)間(h)；a——方程系數(shù)；b——方程常數(shù)項(xiàng)。擬合的對(duì)數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)均在0.93以上。

圖1 枯落物不同分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.2.4 不同海拔枯落物吸水速率 由圖2可知，4塊樣地不同海拔梯度枯落物的吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。未分解層和半分解層枯落物在最初浸泡的1 h內(nèi)吸水速率最大，之后急劇下降，6 h左右下降速度明顯減緩，24 h左右吸水基本停止。

隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，枯落物吸水速率逐漸趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，枯落物持水量接近其最大持水量，也就是說地被物逐漸趨于飽和，其持水量增長(zhǎng)速度隨之減緩所致。

對(duì)4塊樣地不同海拔不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，得出該時(shí)間段內(nèi)吸水速率與浸泡時(shí)間之間存在如下擬合模型：

V=ktn〔g/(kg·h)〕

式中：V——枯落物吸水速度(g/kg/h)；t——浸泡時(shí)間(h)；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。擬合的冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。

圖2 枯落物不同分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.3 不同海拔土壤水文效應(yīng)

3.3.1 不同海拔土壤容重 土壤容重越小，土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性越好，容重大則相反。由表4可知，不同樣地土壤容重有較大差異。在0—40 cm土層內(nèi)，土壤容重均值排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ，即隨海拔升高土壤總?cè)葜販p小。在容重均值最大的樣地Ⅳ內(nèi)，容重從0—10 cm的1.61 g/cm3增加到20—40 cm的1.74 g/cm3；在容重均值最小的樣地Ⅰ內(nèi)，容重從0—10 cm的1.29 g/cm3增加到20—40 cm的1.45 g/cm3。

從土壤容重的垂直變化看，4個(gè)海拔梯度土壤容重變化趨勢(shì)有相同的規(guī)律，即隨土壤厚度增加逐漸增大。主要是因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而逐漸減少，土壤團(tuán)聚性同樣降低，從而增加了土壤緊實(shí)度，進(jìn)而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的差異。這一結(jié)果與陳波等[10]在冀北山地對(duì)不同海拔華北落葉松人工林水文效應(yīng)的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了此結(jié)論的正確性。

表4 不同海拔土壤物理性狀及持水量

3.3.2 不同海拔土壤孔隙度 由表4可知，在0—40 cm土層內(nèi)，從4個(gè)海拔梯度總孔隙度的垂直變化來看，隨著土壤厚度的加深樣地Ⅲ，Ⅳ增加，樣地Ⅰ，Ⅱ減小。說明樣地Ⅰ，Ⅱ海拔梯度表層土壤比較疏松；樣地Ⅲ土壤的總孔隙度從0—10 cm的21.01%增加到20—40 cm的23.99%；樣地Ⅱ土壤的總孔隙度從0—10 cm的29.36%減小到20—40 cm的22.85%。土壤總孔隙度均值順序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，這表明不同海拔土壤總孔隙度變化趨勢(shì)與土壤容重變化趨勢(shì)不同，即隨海拔升高，總孔隙度先減小而后增大。4個(gè)海拔梯度土壤毛管孔隙度均值排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ。毛管孔隙度值越高，土壤中有效水的存貯量越大，樹木用于生長(zhǎng)發(fā)育的有效水分的比例越大。表明隨海拔的降低油松天然林土壤毛管孔隙度先減小后增加，即高海拔(樣地Ⅰ1 211 m)和低海拔(樣地Ⅳ751 m)油松天然林用于自身生長(zhǎng)發(fā)育所需的有效水分比例大，中海拔則相反。土壤非毛管孔隙度均值排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅰ>樣地Ⅱ。非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于降水的下滲，減少地表徑流，充分起到涵養(yǎng)水源的作用，即低海拔油松天然林地土壤的通透性最好，涵養(yǎng)水源作用最強(qiáng)。

3.3.3 不同海拔土壤蓄水能力 從表4可知，不同海拔土壤蓄水性能存在一定差異。樣地Ⅰ，Ⅳ這2個(gè)海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈增加趨勢(shì)；樣地Ⅱ，Ⅲ這2個(gè)海拔梯度土壤蓄水性能隨土層深度的增加呈減少趨勢(shì)。從土壤飽和持水量均值來看，其大小順序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ。樣地Ⅰ土壤貯蓄水分潛在能力比樣地Ⅲ高130.32%，即高海拔油松天然林土壤貯蓄水分潛在能力最強(qiáng)，中海拔最弱。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度的大小，有效持水量均值大小順序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅲ>樣地Ⅱ>樣地Ⅰ，樣地Ⅳ有效持水量最大，說明中低海拔油松天然林持水能力最強(qiáng)，高海拔最弱。

3.3.4 不同海拔土壤入滲 由圖3中土壤入滲曲線可以明顯看出，4個(gè)海拔梯度初滲速率相差較大。樣地Ⅰ初滲速率最大為60.00 mm/min，樣地Ⅱ最小為11.11 mm/min，兩者相差了5.40倍。隨時(shí)間的推移，入滲速率逐漸減慢，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)趨于穩(wěn)滲，穩(wěn)滲速率在1.95～7.06 mm/min，大小排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅰ>樣地Ⅳ>樣地Ⅲ。其中樣地Ⅲ在17 min后達(dá)到穩(wěn)滲，樣地Ⅳ在11 min后達(dá)到穩(wěn)滲，且入滲速率與入滲時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式如下：

y=at-b

式中：y——入滲速率(mm/min)；a，b——常數(shù)；t——入滲時(shí)間(min)。擬合的冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)均在0.70 以上。

圖3 不同海拔土壤入滲曲線

4 結(jié) 論

(1)枯落物總蓄積量排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅲ>樣地Ⅳ>樣地Ⅱ，半分解層蓄積量均大于未分解層蓄積量，未分解層和半分解層枯落物蓄積量隨海拔的降低都呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。

(2)枯落物最大持水量半分解層和未分解層均呈現(xiàn)出隨海拔降低先減小后增大的規(guī)律，而最大持水率同樣呈現(xiàn)出隨海拔降低先減小后增大的規(guī)律。

(3)從枯落物持水過程看，在最初浸泡的2 h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，之后隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)增加速度逐漸變緩。4塊樣地不同海拔枯落物半分解層持水能力均高于未分解層。不同層次枯落物的有效攔蓄率不同，且未分解層有效攔蓄量隨海拔的升高而減小，半分解層則相反。

(4)在0—40 cm土層，土壤容重隨海拔升高而減小，且同一海拔土壤容重隨土壤厚度的加深而增大，總孔隙度隨海拔升高先減小后增大。

(5)土壤飽和持水量均值排序?yàn)椋簶拥丌?樣地Ⅳ>樣地Ⅱ>樣地Ⅲ，高海拔油松天然林土壤貯蓄水分潛在能力最強(qiáng)，中海拔最弱。中低海拔油松天然林持水能力最強(qiáng)，高海拔最弱。

(6)4個(gè)海拔梯度初滲速率相差較大，樣地Ⅰ初滲速率最大，樣地Ⅱ最小，兩者相差5.40倍。

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