青海大通縣典型林分的枯落物和土壤蓄水能力評(píng)價(jià)

張 靜，賈洪文，李遠(yuǎn)航，左亞凡，林 莎，王帥軍，王作梟，賀康寧?

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，810100，西寧；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，310000，杭州)

水資源問題嚴(yán)重影響著高寒丘陵地區(qū)的生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-3]。森林生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(yǎng)水源、保持水土及固氮釋養(yǎng)等生態(tài)服務(wù)功能[4-5]，其中水源涵養(yǎng)功能具有調(diào)節(jié)徑流、補(bǔ)充地下水及凈化水質(zhì)等作用[6]，能夠有效緩解高寒丘陵地區(qū)地表侵蝕、水資源短缺、水質(zhì)下降等問題?？萋湮锱c土壤的蓄水能力是森林發(fā)揮水源涵養(yǎng)作用的主體，不同林分類型其群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性等均存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致林地蓄水能力存在較大差別[7-8]。深入了解并評(píng)價(jià)各林分類型的林地蓄水能力，對(duì)于人工林合理經(jīng)營(yíng)，提高森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能具有重要意義[9]。

自20世紀(jì)80年代以來，青海省大通縣實(shí)施天然林保護(hù)工程和退耕還林工程，雖然現(xiàn)有森林面積穩(wěn)定增長(zhǎng)，但是由于營(yíng)造的人工林結(jié)構(gòu)單一，導(dǎo)致小老樹，病蟲害等問題。近年來，由于初始用材林的造林方式未經(jīng)調(diào)整，導(dǎo)致森林的水源涵養(yǎng)功能不佳。劉凱等[10]研究該地區(qū)不同林分密度下白樺林內(nèi)枯落物的水文效應(yīng)，得出密度為900株/hm2時(shí)水文效應(yīng)最佳；黃乾等[11]研究該地區(qū)不同林分密度下青海云杉林的水源涵養(yǎng)功能，得出密度為1 575株/hm2時(shí)水源涵養(yǎng)能力較好；王先棒等[12]運(yùn)用層次分析法研究該地區(qū)5種純林的水源涵養(yǎng)功能，得出青海云杉林的水源涵養(yǎng)能力較好。前人的研究主要集中在同種林分在不同密度下以及純林之間水源涵養(yǎng)能力的比較，對(duì)純林和混交林之間水源涵養(yǎng)能力的研究尚不明確，以及著重分析林內(nèi)枯落物層和土壤層蓄水能力的研究相對(duì)缺乏。因此，筆者選取大通縣6種典型林分類型，采用主成分分析法客觀篩選主要影響指標(biāo)，結(jié)合模糊物元法進(jìn)行客觀賦權(quán)，綜合評(píng)價(jià)各林分類型在枯落物層和土壤層的蓄水能力，這相對(duì)于綜合蓄水能力法、層次分析法等更加客觀[13-14]，且更加深入地研究枯落物層和土壤層的影響。筆者對(duì)大通縣6種典型林分從枯落物層和土壤層2個(gè)主要作用層進(jìn)行蓄水能力的綜合評(píng)價(jià)，旨在篩選出最優(yōu)林分類型，并探討造成水源涵養(yǎng)功能差異的機(jī)制，為祁連山東部地區(qū)人工林的近自然經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省大通縣塔爾溝小流域(E 100°40′～101°42′，N 37°1′～37°2′)。塔爾溝小流域是祁連山地區(qū)實(shí)施退耕還林工程的典型代表區(qū)域[15]，屬大陸性高原氣候，海拔為2 500～3 000 m，年均氣溫3.7 ℃，最高溫36.6 ℃，最低溫-33.8 ℃，無霜期為60～120 d，年降水量為450～820 mm。土壤主要是黑鈣土、栗鈣土及山地棕褐土。主要造林樹種為青海云杉(Piceacrassifolia)、青楊(Populuscathayana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、檸條(Caraganaintermedia)、山杏(Armeniacavulgaris)等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

于2019年5—8月，在大通縣塔爾溝進(jìn)行采樣調(diào)查。由于中位淺山陰緩坡具有較全的林分類型，筆者選取立地條件為中位淺山陰緩坡[16]的典型林分進(jìn)行研究，分別是青楊林、白樺林、青海云杉林、落葉松林、青海云杉白樺混交林、青海云杉華北落葉松混交林。每種林分類型設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共布設(shè)18塊樣地。各樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of site

2.2 樣地調(diào)查

2.2.1 枯落物層調(diào)查 在每個(gè)樣地內(nèi)按五點(diǎn)取樣法布設(shè)5個(gè)25 cm×25 cm的小樣方，用鋼尺測(cè)量枯落物厚度，并將樣方內(nèi)的枯枝落葉進(jìn)行稱量，然后將所取樣品烘干稱其干質(zhì)量，計(jì)算枯落物的自然含水率和蓄積量。采用浸泡法測(cè)定枯落物的持水量(率)及有效攔蓄量。

(1)

(2)

W=(0.85Rm-R0)M。

(3)

式中：R0為枯落物自然含水率，%；M0為枯落物鮮質(zhì)量，g；M1為枯落物烘干質(zhì)量，g；M2為枯落物浸泡24 h的質(zhì)量，g；Rm為枯落物最大持水率，%；W為枯落物有效攔蓄量，t/hm2；M為枯落物蓄積量，t/hm2。

2.2.2 土壤層調(diào)查 在每個(gè)樣地內(nèi)按對(duì)角線選取3個(gè)采樣點(diǎn)，由于林地內(nèi)的土壤物理特性在60 cm以下差異不大[17]，故本次研究按0～20、20～40和40～60 cm分層取樣，每層用TWS-55型滲透儀配套環(huán)刀和普通環(huán)刀各取3個(gè)重復(fù)并編號(hào)，采用烘干法和浸泡法計(jì)算其土壤密度、孔隙度和田間持水量。

采用定水頭法測(cè)飽和導(dǎo)水率，將所取配套環(huán)刀放入TWS-55型滲透儀中，然后用塑料管連接馬里奧特瓶與滲透儀，首先進(jìn)行排水將滲透儀中的氣泡排出；然后用鋼尺測(cè)量馬里奧特瓶水位高H1、環(huán)刀水位高H2，計(jì)算出水頭差H；最后進(jìn)行排水計(jì)時(shí)，每排出10 mL水計(jì)時(shí)1次，直至出水速率保持不變。

(4)

式中：K為土壤飽和導(dǎo)水率，mm/min；Q=10 mL；L為環(huán)刀高，cm；S為環(huán)刀的橫截面積，cm2；t為排出10 mL水所需要的的時(shí)間，s；H為水頭差，cm。

2.3 林地蓄水能力評(píng)價(jià)

2.3.1 林地蓄水能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建 建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)林地蓄水能力的前提和依據(jù)[18]。筆者首先選取24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，枯落物層：厚度(mm)、蓄積量(t/hm2)、自然含水率(%)、最大持水量(t/hm2)、最大持水率(%)及有效攔蓄量(t/hm2)；土壤層：分別為0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤密度(g/cm3)、總孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、飽和導(dǎo)水率(mm/min)、田間持水量(%)。

2.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于選取指標(biāo)較多，筆者采用主成分分析法篩選主要影響指標(biāo)。在主成分分析之前，為消除因量綱及數(shù)量級(jí)不同而造成的影響，需要對(duì)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19]。本研究采用極值法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式如下：

(5)

(6)

式中：Xij為第i個(gè)林型第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)化值；Sij為第i個(gè)林型第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Sminij、Smaxij為評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最小值和最大值。

2.3.3 林地蓄水能力評(píng)價(jià)模型 筆者采用模糊物元法求指標(biāo)權(quán)重值，運(yùn)用加權(quán)評(píng)分法計(jì)算林地蓄水能力綜合評(píng)分，公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理及相關(guān)性分析，SPSS 20.0進(jìn)行主成分分析及顯著性分析，采用Origin 2018繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層持水性能

由表2可知，各林分的枯落物蓄積量之間均存在顯著性差異(P<0.05)，云杉落葉松混交林和落葉松林的厚度之間無顯著性差異(P>0.05)，且明顯高于其他4種林分，具體表現(xiàn)為針葉林>闊葉林。各林分的枯落物厚度變化范圍為2.89～4.43 mm，其中云杉落葉松混交林的厚度最大為(4.43±0.17)mm；各林分的枯落物蓄積量變化范圍為19.30～38.14 t/hm2，云杉林的枯落物蓄積量最大為(38.14±2.11)t/hm2，青楊林最小為(19.30±1.74)t/hm2，云杉林是青楊林的1.97倍。

表2 各林分類型枯落物層指標(biāo)信息Tab.2 Litter layer index information of each stand type

可見，各林分類型的枯落物持水能力指標(biāo)之間具有顯著差異(P<0.05)。各林分的枯落物最大持水量變化范圍為58.91～107.84 t/hm2，云杉落葉松混交林的最大持水量最大為(107.84±0.96)t/hm2，最大值是最小值的1.83倍；各林分的枯落物最大持水率變化范圍為227.12%～337.21%，云杉白樺混交林的最大持水率最大為(337.21±10.16)%，云杉林最小為(227.12±14.52)%，相差110.09%；各林分的枯落物有效攔蓄量變化范圍為31.74～60.14 t/hm2，依次為云杉白樺混交林>白樺林>云杉落葉松混交林>云杉林>落葉松林>青楊林。

3.2 土壤層持水性能

由表3可知，土壤密度隨土壤深度增加而增加，各林分之間土壤密度的差異性隨土壤深度增加而減小。0～20 cm土壤密度變化范圍為0.93～1.15 g/cm3，整體表現(xiàn)為針闊混交林<闊葉林<針葉林，其中云杉白樺混交林與白樺林的土壤密度最小，與其他林分之間具有顯著性差異(P<0.05)。總孔隙度和毛管孔隙度均隨土壤深度增加而減小，非毛管孔隙度無規(guī)律性變化。0～20 cm云杉白樺混交林的總孔隙度最大為(60.03±2.77)%，落葉松林最小為(54.88±1.13)%；0～20 cm毛管孔隙度變化范圍為50.59%～55.89%；0～20 cm非毛管孔隙度變化范圍為3.96%～5.47%，云杉林的非毛管孔隙度最大，白樺林最小。

表3 各林分類型土壤物理性質(zhì)Tab.3 Soil physical properties of each stand type

Q青楊、B白樺、Y云杉、L落葉松，下同。Q:Populus cathayana.B:Betula platyphylla.Y:Picea crassifolia.L:Larix principis-rupprechtii.The same below.圖1 各林分類型不同土層田間持水量Fig.1 Field water-holding capacity of different soil layers in each stand type

由圖1可知，各林分內(nèi)的田間持水量隨土壤深度增加而減小。在0～20 cm土層深度內(nèi)，田間持水量變化范圍為40.58%～63.15%，云杉白樺混交林的田間持水量最大為(63.15±1.63)%，落葉松林最小為(40.58±2.06)%，云杉白樺混交林與其他林分之間具有顯著差異(P<0.05)，但隨著土層深度增加，各林分田間持水量之間的差異性逐漸減小。

由圖2可見，各林分土壤飽和導(dǎo)水率的大小及林分之間的差異性均隨土壤深度增加而減小。0～20 cm飽和導(dǎo)水率在2.33～3.41 mm/min之間，云杉白樺混交林的飽和導(dǎo)水率最大為(3.41±0.23)mm/min；青楊林的飽和導(dǎo)水率最小為(2.33±0.22)mm/min。

圖2 各林分類型不同土層飽和導(dǎo)水率Fig.2 Saturated hydraulic conductivity of different soil layers in each stand type

3.3 林地蓄水能力綜合評(píng)價(jià)

3.3.1 主成分分析結(jié)果 由于初選指標(biāo)較多，采用主成分分析法篩選主要影響指標(biāo)。結(jié)果表明，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到94.62%，大于85%，故選取前3個(gè)主成分進(jìn)行分析。第一主成分以a：枯落物最大持水率(%)、b：0～20 cm土壤密度(g/cm3)、c：20～40 cm土壤密度(g/cm3)、d：0～20 cm總孔隙度(%)、e：20～40 cm總孔隙度(%)、f：40～60 cm總孔隙度(%)、g：0～20 cm毛管孔隙度(%)、h：20～40 cm毛管孔隙度(%)、i：40～60 cm毛管孔隙度(%)、j：0～20 cm飽和導(dǎo)水率(mm/min)、k：20～40 cm田間持水量(%)、l：40～60 cm田間持水量(%)為主，第二主成分以m：枯落物蓄積量(t/hm2)、n：枯落物最大持水量(t/hm2)為主，第三主成分以o：20～40 cm非毛管孔隙度(%)為主。

3.3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 將篩選出的15個(gè)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后運(yùn)用模糊物元法計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值(表4)，可以看出，枯落物層權(quán)重值約占34%，土壤層占66%，這表明土壤層是評(píng)價(jià)整個(gè)林分林地蓄水能力的主要影響因子。

3.3.3 各林分林地蓄水能力綜合評(píng)價(jià) 運(yùn)用公式9綜合評(píng)價(jià)出各個(gè)林分的林地蓄水能力(表4)，綜合評(píng)分值越大，表明該林分的林地蓄水能力越強(qiáng)。各林分林地蓄水能力綜合得分依次為云杉白樺混交林(0.89)>白樺林(0.69)>云杉林(0.46)>云杉落葉松混交林(0.44)>落葉松林(0.23)>青楊林(0.22)。由此可知，云杉白樺混交林的林地蓄水能力最好，落葉松林出與青楊林蓄水能力較差。

表4 各指標(biāo)權(quán)重值及各林分類型綜合評(píng)分值Tab.4 Weight value of each index and the comprehensive score value of each stand type

4 討論

1)枯落物層在林地蓄水能力中發(fā)揮著重要的作用，林分類型不同，林內(nèi)枯落物厚度、組成成分、分解程度及持水性能均有所差異[20]。筆者研究結(jié)果表明針葉林的枯落物厚度和蓄積量均最大，與徐娟等[21]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)獒樔~林的枯落物富含油脂不易分解，闊葉林的枯落物分解較快。李陽等[22]研究發(fā)現(xiàn)，枯落物分解程度越高，持水能力越強(qiáng)，闊葉林最大持水量大于針葉林，與本研究結(jié)果不一致，這是因?yàn)榭萋湮镒畲蟪炙坎粌H與枯落物分解程度有關(guān)，還與枯落物蓄積量相關(guān)(R2=0.84，P<0.05)，枯落物的蓄積量越高，儲(chǔ)存的雨滴更多。孟好軍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，枯落物的最大持水量與最大持水率規(guī)律相差較大，與筆者研究結(jié)果一致，這說明影響最大持水率的因素有很多，比如枯落物本身生物量、枯落物組成和分解程度等?？萋湮锏淖畲蟪炙恐荒芊从晨萋湮锍炙芰Φ拇笮。⒉荒芊从晨萋湮飳?duì)降雨的真實(shí)攔蓄能力[24]，因此筆者將有效攔蓄量作為評(píng)價(jià)枯落物實(shí)際攔蓄能力的指標(biāo)。枯落物層有效攔蓄量由大到小為云杉白樺混交林、白樺林、云杉落葉松混交林、云杉林、落葉松林、青楊林，同為闊葉樹種的青楊林有效攔蓄量最小，可能因?yàn)?5年生青楊處于衰退階段，枯枝較多，生長(zhǎng)狀況整體較差。

2)土壤層作為森林涵養(yǎng)水源的主體[22]，直接影響到森林植被的生長(zhǎng)發(fā)育。筆者發(fā)現(xiàn)，土壤密度隨土壤深度增加而增加，總孔隙度、毛管孔隙度、飽和導(dǎo)水率與此相反，非毛管孔隙度無明顯規(guī)律。這是因?yàn)殡S土壤深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，降低團(tuán)聚體的形成，從而影響土壤的物理性質(zhì)[25]。土壤密度和孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，其中土壤密度是影響土壤蓄水能力的主要限制因子，總孔隙度是主要決定因子[26]。筆者發(fā)現(xiàn)除青楊林外，土壤物理性質(zhì)整體表現(xiàn)為針闊混交林<闊葉林<針葉林，與王利等[27]研究結(jié)果一致。這是因?yàn)獒樔~林內(nèi)枯落物不易分解，導(dǎo)致土壤酸化、土壤硬度增大等現(xiàn)象；而針闊混交林內(nèi)物種多樣性豐富，土壤微生物活動(dòng)頻繁，枯落物分解程度更高；筆者發(fā)現(xiàn)青楊林土壤密度性質(zhì)較大，可能是因?yàn)榍鄺盍忠烟幱谒ネ穗A段，樹木根系過于龐大導(dǎo)致土壤緊實(shí)，土壤密度增大。田間持水量反映土壤實(shí)際的持水能力[28]，云杉白樺混交林的田間持水量最大，為63.15%，落葉松林最小，為40.58%。土壤飽和導(dǎo)水率反映土壤的滲透性能，飽和導(dǎo)水率越大，土壤滲透性越好，所產(chǎn)生的地表徑流越少[25]，林地蓄水能力越強(qiáng)。對(duì)于不同林分類型來說，林內(nèi)枯落物生物量、分解程度、土壤有機(jī)質(zhì)含量均不同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率存在較大差別[23]。

3)筆者得出云杉白樺混交林的林地蓄水能力最優(yōu)，這是因?yàn)獒橀熁旖涣謨?nèi)群落結(jié)構(gòu)發(fā)育完整，枯落物豐富，微生物活性較強(qiáng)，促進(jìn)枯枝落葉的分解，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效改善土壤物理性質(zhì)。落葉松林與青楊林綜合評(píng)分相差不大，青楊林相對(duì)較差，據(jù)實(shí)地調(diào)查及研究發(fā)現(xiàn)，35年生青楊已處于衰退階段，與其他樹種相比樹冠較大，在同一林分密度下對(duì)青楊而言密度過大。雖然本研究較為全面地、客觀地評(píng)價(jià)各個(gè)林型的林地蓄水能力，但是忽略季節(jié)變化的影響，在今后的研究中可進(jìn)一步探討對(duì)季節(jié)變化林地蓄水能力的影響。

5 結(jié)論

土壤層的權(quán)重值高于枯落物層，土壤層是影響林地蓄水能力的主要因子；塔爾溝小流域6種典型林分類型中云杉白樺混交林的綜合評(píng)分值最高為0.89；青楊林綜合評(píng)分最低為0.22。各林分類型0～60 cm土層蓄水能力由強(qiáng)到弱依次為云杉白樺混交林、白樺林、云杉林、云杉落葉松混交林、落葉松林、青楊林。綜上所述，云杉白樺混交林水源涵養(yǎng)能力最優(yōu)，可作為祁連山東部地區(qū)人工林近自然經(jīng)營(yíng)的目標(biāo)林分。