北京土石山區(qū)4種典型林分的水文效應(yīng)研究

牛 勇, 汪 濱, 王 玲, 蔡永茂, 張志強(qiáng)

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2.北京市八達(dá)嶺林場, 北京 102112)

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北京土石山區(qū)4種典型林分的水文效應(yīng)研究

牛 勇1, 汪 濱1, 王 玲2, 蔡永茂2, 張志強(qiáng)1

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2.北京市八達(dá)嶺林場, 北京 102112)

以北京土石山區(qū)4種典型林分的林冠層、枯落物層、土壤層3個水文作用層為研究對象，采用浸水法等傳統(tǒng)測量方法，測定了不同林分的冠層截留量、樹干徑流量、穿透降雨量以及土壤和枯落物層的水力學(xué)參數(shù)，并分析了其水文效應(yīng)。結(jié)果表明：不同林分的林冠截留能力相差較大，其中側(cè)柏—黃櫨混交林的冠層截留率最大為29.1%，其余依次為側(cè)柏林、油松純林和元寶楓純林，油松純林的樹干徑流量占降雨比例最大(5.8%)，其余依次為側(cè)柏—黃櫨混交林、元寶楓純林和側(cè)柏林，各項(xiàng)林冠截留率與大多數(shù)在干旱半干旱地區(qū)取得結(jié)果較為一致。從月份尺度的變化趨勢來看，不同林分的截留量均為6月最大，7月、8月、9月、10月和5月依次減小，即截留量與降雨量呈正比關(guān)系。4種林分枯落物總蓄積量范圍為26.3～246.0 t/hm2，其中油松純林的枯落物儲量顯著大于其他林分類型(p<0.05)，側(cè)柏純林、側(cè)柏—黃櫨混交林、元寶楓純林依次次之，不同林分枯落物的最大持水量和有效持水量的大小排序與之一致。受土壤的物質(zhì)構(gòu)成、機(jī)械組成、根系的發(fā)育狀況等因素影響，側(cè)柏純林的土壤孔隙度和飽和入滲速率(Ks)依次大于側(cè)柏—黃櫨混交林、油松純林和元寶楓純林。

冠層截留; 枯落物; 水力學(xué)參數(shù); 土石山區(qū); 水文效應(yīng)

森林與水的關(guān)系問題一直是森林生態(tài)研究的中心議題，也是水文循環(huán)探索的重要內(nèi)容，森林生態(tài)系統(tǒng)對水分的時空分配、傳輸轉(zhuǎn)換以及水文循環(huán)機(jī)制的影響問題是其核心[1]，特別是在干旱半干旱地區(qū)，有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)—降雨作用機(jī)制的認(rèn)識對于森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營管理和水資源的合理開發(fā)利用具有重要的意義[2]。

森林生態(tài)系統(tǒng)對降雨的分配過程主要包括：一是地上部分的降雨截留，包括喬[3]、灌、草冠層截留[3-5]和樹干蓄留[6]；二是地被物對降雨的蓄留，例如地表苔蘚、枯枝落葉層的降雨蓄留[7-9]；三是土壤層對降雨的蓄留[10-11]、入滲[12-13]等。相較于灌木和草本截留，林冠截留損失大，其原因?yàn)榱止诰哂休^大的截留容量和空氣動力學(xué)阻力[14]。國外一般研究認(rèn)為溫帶針葉林林冠截留率為20%～40%[15-16]。我國學(xué)者研究結(jié)果表明，不同氣候帶截留率范圍為11.4%～34.3%[17]。森林枯枝落葉層較大的水分截持能力對土壤水分的補(bǔ)充有著不利的影響[18]，但枯落物較高的含水量有利于提高森林植被的養(yǎng)分供應(yīng)[19]。整體來看，森林土壤的入滲率高于其他土地類型，部分森林土壤的穩(wěn)定入滲率可達(dá)8 cm/h[20]，林地較大的土壤孔隙率是其主要原因[21]。已有的國內(nèi)相關(guān)研究，多采用有效含水量、初滲速率和穩(wěn)滲速率對土壤的水文作用進(jìn)行評價[12-13]。目前針對華北土石山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程的研究多為針對某一水文作用層所開展的研究，雖然這類研究可以較好地說明某一水文作用層的水文效應(yīng)，但典型植被群落整體的水文效應(yīng)分析可以更好、更全面地指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

華北土石山區(qū)位于中國海河流域上游，是北京、天津等特大城市的重要水源地。其氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫8～12℃，多年平均降水量400～800 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的85%以上[22]。該地區(qū)偏少的降雨量，使得合理的森林經(jīng)營措施的制定更加需要森林—水文作用機(jī)理的理論支撐。

本文在北京市西北部土石山區(qū)選取4種典型林分，通過野外監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)分析等手段，系統(tǒng)研究了典型林分的3個水文作用層的水文效應(yīng)特征，以期為該地區(qū)的植被恢復(fù)和森林經(jīng)營提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究在北京市八達(dá)嶺國家森林公園內(nèi)展開，北京市八達(dá)嶺國家森林公園位于北京西北部延慶縣境內(nèi)。該地區(qū)屬于中山地形區(qū)，平均海拔780 m，最高海拔1 238 m,最低海拔450 m,相對高差788 m[23]。氣候類型為半濕潤半干旱暖溫帶氣候，年平均氣溫10.8℃，最高月平均氣溫26.9℃(7月)，最低月平均氣溫-7.2℃(1月)。無霜期短，僅160 d 左右。年均降水量454 mm，其中7月、8月份的降雨量約占全年總降水量的59%。自20世紀(jì)50年代建場(園)以來，逐年營造的人工林現(xiàn)已大部分郁閉成林，樹種主要有油松(Pinustabuliformis)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、側(cè)柏[Platycladusorientalis(L.) Franco]、華山松(PinusarmandiiFranch.)、云杉(PiceaasperataMast.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山楊(Populusdavidiana)、山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam.]、黃櫨(CotinuscoggygriaScop.)等[24]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

在森林資源二類清查資料分析的基礎(chǔ)上，選定4種典型植被，分別為油松純林、元寶楓純林、側(cè)柏純林、側(cè)柏—黃櫨混交林，并在相應(yīng)小班內(nèi)設(shè)置觀測樣地20 m×20 m(主要尺寸)。對樣地進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，測定樣地的坡度、坡向、林分密度等生境因子(表1)。

表1 樣地基本概況

2.2 冠層截留觀測

在山地開闊地設(shè)置HOBO自動氣象站(Onset，美國)觀測生長季林外降雨。林內(nèi)穿透雨、樹干徑流采用傳統(tǒng)的人工方法觀測[25]，觀測結(jié)果見表2。由于樣地內(nèi)郁閉度較高，灌木層較少，而且草地截留量在林分截持中所占比例較小，故忽略灌木和草本植被的降雨截持影響。

2.3 枯落物持水量測定

枯落物儲量調(diào)查時間為2014年7月中旬。在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)定4塊10 m×10 m的小區(qū)，在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)布置3個30 cm×30 cm的樣方。根據(jù)枯落物狀況將枯落物分為兩層：半分解層，由樹枝、針葉、果實(shí)和樹皮等分解而成，顏色為黑褐色，用肉眼已無法分辨其原有形狀；未分解層，其顏色與新鮮狀態(tài)時發(fā)生較大變化，物理外形不完整，但仍能分辨出原型[26]。

表2 穿透雨量、樹干徑流量、林冠截留量月份動態(tài)變化

本研究中，將每個樣方中按未分解層、半分解層分層測定枯落物層厚度，并分別用100目紗網(wǎng)收集，稱其鮮重。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對采集的枯落物樣品進(jìn)行烘干(85℃)至恒重，計算得到對應(yīng)樣地枯落物儲量和自然含水量。將收集到的枯落物的樣品烘干后，連同紗網(wǎng)一同置入盛有清水的容器中，并使容器內(nèi)水面略高于紗網(wǎng)上沿。測定樣品浸泡時長為24 h，再將樣品從水中取出靜置5 min，使稱量時樣品內(nèi)不再有重力水滴落釋放，并稱樣品重量。為減少誤差，剔除紗網(wǎng)的持水量?？萋湮锏淖匀缓俊⒆畲蟪炙?、最大持水量分別由下式計算得到：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%

(1)

Rmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(2)

Wmax=RmaxM

(3)

式中：R0，Rmax——枯落物自然含水量、最大含水量；G0，Gd，G24——枯落物的自然重、烘干重和24 h泡水重；M，Wmax——枯落物儲量和最大持水量。

實(shí)際降雨過程中，枯落物不可能處于浸泡狀態(tài)，最大持水量僅能用來表征枯落物的最大攔蓄能力。目前國內(nèi)學(xué)者多引用Lee Richard(1980年)提出的相關(guān)結(jié)論來計算枯落物有效持水量：即當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，各類林分類型對降雨的有效攔蓄量約為最大持水量的85%，公式如下：

W=(0.85Rmax-R0)M

(4)

式中：W——枯落物有效持水量。

2.4 土壤水力學(xué)參數(shù)的推求

用環(huán)刀在各樣地內(nèi)分5層(0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)取土，每層3次重復(fù)，在實(shí)驗(yàn)室測定土壤樣品容重、機(jī)械組成，并將測試數(shù)據(jù)輸入RetC 6.02軟件[27]推求土壤樣品的飽和含水量θs(cm3/cm3)、入滲速率Ks(cm/d)等土壤水力學(xué)參數(shù)。通過換算，可以推求土壤孔隙度(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠對降雨的截留

2013年生長季(5—10月份)研究區(qū)降雨量為629.3 mm，降雨量最大的3個月依次為6月、7月、8月，其降雨量占生長季總降雨量的80%。由表2可知，穿透降雨量的大小表現(xiàn)為：元寶楓純林(514.7 mm)>側(cè)柏純林(474.8 mm)>油松純林(445.1 mm)>側(cè)柏—黃櫨混交林(421.8 mm)，即在本研究的林分范圍內(nèi)，闊葉林穿透降雨量大于針葉林。綜合分析月尺度穿透降雨量與降雨量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，穿透降雨量與降雨量呈正比關(guān)系，4種典型林分的穿透降雨量占降雨比例與降雨量的關(guān)系可較好地用對數(shù)函數(shù)表示。

不同植被群落生長季的樹干徑流量占降雨量的比例范圍為2.1%～5.8%，其中生長季油松純林的樹干徑流量最大，為36.7 mm，占降雨總量的5.8%，側(cè)柏—黃櫨混交林(24.9 mm)、元寶楓純林(21.9 mm)、側(cè)柏純林(13.3 mm)依次次之，其大小主要受樹皮的吸水性能、樹木胸徑、樹干枝角與冠型結(jié)構(gòu)、降雨量及降雨強(qiáng)度的影響[28]。不同植被群落的樹干徑流量占降雨比例和樹干截留量在年內(nèi)生長季內(nèi)的動態(tài)變化依次為6月>7月>8月>9月>5月>10月，即樹干徑流量占降雨比例和樹干截留量與月降雨量呈正比。

由表2可知，側(cè)柏—黃櫨混交林降雨截留量最高，其截留率達(dá)29.1%，油松純林(23.4%)、側(cè)柏純林(22.4%)、元寶楓純林(14.7%)依次次之，結(jié)果整體符合喬木樹種間的截留率大小規(guī)律，即針葉林大于闊葉林。不同植被群落的林冠截留率的年內(nèi)變化趨勢為：10月份的4種典型植被群落的平均林冠截留率依次大于9月、6月、5月、7月、8月，而且可以發(fā)現(xiàn)在降水量大的時間段內(nèi)，林冠截留量相對較大，截留率的大小順序則與其相反。這是在因?yàn)榻邓看蟮脑路葜?，葉片表層長期處于濕潤狀態(tài)，盡管在該月份中由于降水量大、降雨場次多的緣故，其在整個月份時間段內(nèi)的截留量較大，但場均降水截留量相對較小，導(dǎo)致植被冠層在該時間段的截留率偏小。對于降水量偏小的時間段，冠層葉片相對干燥，可以滯留較多的大氣降水，其林冠截留率較大。另外發(fā)現(xiàn)，由于混交，側(cè)柏—黃櫨混交林較之側(cè)柏純林(兩林分內(nèi)側(cè)柏密度一致)，截留量提高了近30%，但穿透降雨量則相應(yīng)減少了11%，即在不改變現(xiàn)有林分密度的基礎(chǔ)上混交其他樹種，會降低土壤層所能獲得的降雨補(bǔ)給。

3.2 枯落物層的持水能力

各典型林分中，油松純林的枯落物儲量顯著大于其他林分類型(p<0.05)，側(cè)柏純林、側(cè)柏—黃櫨混交林、元寶楓純林依次遞減，即針葉林的枯落物儲量大于闊葉林，這主要是由于針葉林枯落物中的角質(zhì)葉片的分解速率遠(yuǎn)小于闊葉林所造成的。

元寶楓枯落物單位重量的最大含水量最大，達(dá)3.7 t/t，分別是側(cè)柏、油松枯落物的2.8，2.1倍，表明不同樹種枯落物在單位重量條件下的持水能力不同，且闊葉樹種枯落物單位重量的持水能力大于針葉樹種，這種差異由枯落物質(zhì)地、儲量、分解程度等因素共同作用所致?？紤]到枯落物儲量的影響，油松純林的最大持水量在各林分中最大，側(cè)柏—黃櫨混交林、側(cè)柏純林、元寶楓純林依次減小。

為消除自然含水量的影響，枯落物的有效攔蓄能力可由有效攔蓄深表示。由表3可知，各林分的有效攔蓄深范圍為6.0～12.9 mm，說明在不考慮相鄰場降雨之間相互影響的情況下，由于林冠層和枯落物層的截留作用，小雨級別的降雨(0～10 mm)對本研究中所涉及的4種典型林分水分補(bǔ)給的作用均有限。

表3 4種林分枯落物層水力學(xué)參數(shù)

注：不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)，下表同。

3.3 土壤的持水能力及入滲速率

林地的蓄水能力是評價森林涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，主要受土壤層深度和孔隙度的影響[29]，本研究各樣地取樣深度均達(dá)到1 m，已接近基巖或強(qiáng)風(fēng)化巖石層，因此采用1 m土層內(nèi)土壤孔隙度的平均值來評價不同林分土壤的蓄水能力(表4)。4種典型林分中，側(cè)柏純林的土壤孔隙度最大，為47.1%，側(cè)柏—黃櫨混交林的孔隙度略小，為46.7%，通過顯著性分析，兩者的土壤孔隙度顯著大于元寶楓純林和油松純林(p<0.05)。

1 m深度內(nèi)土壤各層飽和入滲速率的平均值大小依次為側(cè)柏純林、側(cè)柏—黃櫨混交林、油松純林、元寶楓純林，其中元寶楓純林的平均飽和入滲速率顯著小于其他3種林分。在不同深度上，總體上有上層土壤飽和入滲速率大于下層土壤飽和入滲速率的趨勢(圖1)?，F(xiàn)有研究認(rèn)為土壤飽和入滲速率主要與有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、機(jī)械組成和初始含水量有關(guān)[1]，本文涉及到的4種林分中，元寶楓純林的枯落物儲量最低，其表層土壤易受到雨水沖刷的作用，導(dǎo)致土壤相對密實(shí)(見土壤容重)且有機(jī)質(zhì)含量偏低，而且相對于其他樹種，元寶楓的根系密度較小(取樣時觀測發(fā)現(xiàn))[29-30]，不利于在土壤中形成較大孔隙，因此水分在土壤中的滲透和擴(kuò)散能力有限，即元寶楓純林地的入滲速率相對于其他樣地較低，同時這也是本研究所有樣地中只有元寶楓純林樣地可以觀測到地表徑流的重要原因。

表4 4種林分土壤水力學(xué)參數(shù)

注：SL為砂質(zhì)壤土，SCL為砂質(zhì)黏壤土，L為壤土，CL為黏質(zhì)壤土，LS為壤質(zhì)砂土。

圖1 4種林分及土壤深度的Ks變化

4 結(jié) 論

(1) 冠層降雨截留量排序?yàn)閭?cè)柏—黃櫨混交林>油松純林>側(cè)柏純林>元寶楓純林；樹干徑流量排序?yàn)橛退杉兞?側(cè)柏—黃櫨混交林>元寶楓純林>側(cè)柏純林。

(2) 4種林分枯落物總儲量范圍為26.3～246.0 t/hm2，其中油松純林的枯落物總儲量顯著大于其他林分類型(p<0.05)，側(cè)柏純林、側(cè)柏—黃櫨混交林和元寶楓純林的枯落物總儲量依次小于油松純林。

(3) 闊葉樹種枯落物單位重量的持水能力大于針葉樹種，油松純林的枯落物的最大持水量在各林分中最大，側(cè)柏—黃櫨混交林、側(cè)柏純林、元寶楓純林依次次之。

(4) 受土壤的物質(zhì)構(gòu)成、機(jī)械組成、根系發(fā)育等因素影響，側(cè)柏純林的土壤孔隙度和飽和入滲速率(Ks)依次大于側(cè)柏—黃櫨混交林、油松純林和元寶楓純林。

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Study of Hydrological Functions of Four Types of Forest Stands in Rocky and Earthy Area of Beijing

NIU Yong1, WANG Bin1, WANG Ling2, CAI Yongmao2, ZHANG Zhiqiang1

(1.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.BeijingBadalingForestFarm,Beijing102112,China)

Hydrological functions of three hydrological function layers of four forest types were investigated in forest stands of rocky and earthy area in Beijing. The traditional measurement methods were used to monitor throughfall, stemflow, interception loss, hydraulics parameters of forest litter and soil. The results indicated that the interception capacity of different vegetation was significantly different, with the maximal canopy interception of stand of mixedPlatycladusorientalis(L.) Franco andCotinuscoggygriaScop. (29.1%), followed by stands ofPlatycladusorientalis(L.) Franco,Pinustabuliformis,Acertruncatum. The stem flow ratio of standPinustabuliformiswas the highest (5.83%), which fitted the results obtained in arid and semi-arid region well. At the monthly scale, the maximal interception ratio appeared in June, followed July, August, October and May, and there was a positive correlation between interception and rainfall. The forest litter quantity of four stands ranged from 26.3 t/hm2to 246.0 t/hm2, and the forest litter quantity of standPinustabuliformiswas much greater than the others (p<0.05)，followed by stands of mixedPlatycladusorientalis(L.) Franco andCotinuscoggygriaScop.,Platycladusorientalis(L.) Franco andAcertruncatum, as the same order of the maximum water holding capacity and available interception amount of forest litter. The soil porosity andKs of stand of mixedPlatycladusorientalis(L.) Franco andCotinuscoggygriaScop. were greater than the other stands with the influence of material composition, mechanical composition, root, etc.

canopy interception; forest litter; hydraulics parameter; rocky and earthy area; hydrological functions

2014-11-03

2014-12-05

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“森林經(jīng)營對生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合變化的影響機(jī)理研究”(201204102)

牛勇(1984—),男,山東鄄城縣人,博士,研究方向?yàn)樯炙摹-mail:niuyong1988@qq.com

張志強(qiáng)(1967—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士,教授,主要從事森林水文研究。E-mail:zhqzhang@bjfu.edu.cn

S715

1005-3409(2015)05-0113-05