大興安嶺不同類型低質(zhì)林土壤和枯落物的水文性能1)

張?zhí)?董希斌 唐國華 曲杭峰 管慧文

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

劉福香

(哈爾濱商業(yè)大學(xué))

大興安嶺不同類型低質(zhì)林土壤和枯落物的水文性能1)

張?zhí)?董希斌 唐國華 曲杭峰 管慧文

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

劉福香

(哈爾濱商業(yè)大學(xué))

以大興安嶺地區(qū)闊葉混交低質(zhì)林、蒙古櫟低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林為研究對象，運(yùn)用描述性統(tǒng)計和差異性分析對其土壤層和枯落物層的水文效應(yīng)進(jìn)行比較分析，以期對低質(zhì)林水源涵養(yǎng)功能深入了解。結(jié)果表明：3種類型的土壤含水率、土壤密度、土壤毛管孔隙度范圍分別為0.86%～0.90%、0.41～0.53 g·cm-3、60.17%～68.16%，各類型間差異不顯著。蒙古櫟低質(zhì)林土壤密度最低，毛管孔隙度和總孔隙度最高。3種類型的枯落物總蓄積量范圍為8.87～15.18 t·hm-2，枯落物總蓄積量由大到小表現(xiàn)為闊葉混交低質(zhì)林、蒙古櫟低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林，各類型間差異顯著。3種類型低質(zhì)林的自然持水率、最大持水率、有效攔蓄率范圍分別為13.26%～19.53%、248.95%～401.97%、192.07%～323.88%，蒙古櫟低質(zhì)林最大持水率和有效攔蓄率高于其他2種類型，各類型間差異不顯著?？萋湮镒畲蟪炙俊⒂行r蓄量范圍分別為11.4～28.15、9.00～22.26 t·hm-2，其中白樺低質(zhì)林的均低于其他2種類型，各類型間差異顯著。綜合分析表明：蒙古櫟低質(zhì)林土壤水文效應(yīng)優(yōu)于其余2種類型，白樺低質(zhì)林枯落物水文性能明顯低于闊葉混交低質(zhì)林和蒙古櫟低質(zhì)林。

大興安嶺；低質(zhì)林；土壤；枯落物；水文性能

森林生態(tài)系統(tǒng)中水文性能是森林一項重要的服務(wù)功能，從水文調(diào)節(jié)過程來講，主要分為5大水文效應(yīng)：林冠截留、樹干流、枯落物、土壤和林地蒸騰蒸發(fā)[1]。其中，枯落物層具有很好的持水能力，能大大抑制林地水分蒸發(fā)，減緩地表徑流的速度和增強(qiáng)土壤抗沖擊能力等；土壤具有較高的蓄水能力，其特有的孔隙結(jié)構(gòu)對水分滲透、滲蓄起到調(diào)節(jié)作用[2]。不同類型的森林植被會影響著森林水文調(diào)節(jié)效果，導(dǎo)致森林在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)和保持水土的能力上有所差異[3-6]。目前，對不同林分類型下的土壤層及枯落物層水文效應(yīng)研究有很多，如吳迪等[7]對北京九龍山地區(qū)油松、側(cè)柏、黃櫨3種典型純林，苗勝杰等[8]對河北省興隆縣霧靈山地區(qū)油松、白樺、華北落葉松3種典型森林類型，鄧?yán)^峰等[9]對寧夏鹽池縣的新疆楊、樟子松、花棒3種林分，梁曉嬌等[10]對阿什河源頭4種類型紅松人工林，陳倩等[11]對太行山丘陵區(qū)的毛白楊林，側(cè)柏林，雜木林和灌叢4種典型林分的比較分析，但是關(guān)于大興安嶺低質(zhì)林類型的研究則很少。

目前大興安嶺林區(qū)形成了大面積的低質(zhì)低效林，究其形成原因，主要是受到人為因素干擾較大[12]。一般來說，低質(zhì)林表現(xiàn)出林分結(jié)構(gòu)失調(diào)、林分質(zhì)量下降、保持水土和涵養(yǎng)水源方面較差等特點(diǎn)，其森林生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益相對較低[13]。本文以大興安嶺地區(qū)闊葉混交低質(zhì)林、蒙古櫟低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林3種典型低質(zhì)林類型為研究對象，對其土壤層和枯落物層的水文性能進(jìn)行比較分析，更好地了解低質(zhì)林水文調(diào)節(jié)功能，為森林生態(tài)監(jiān)測和評價提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

試驗區(qū)位于大興安嶺林區(qū)加格達(dá)奇林業(yè)局翠峰林場174林班，地理坐標(biāo)位置為東經(jīng)124°23′47.8″～124°24′35.1″，北緯50°34′9.17″～50°34′32″，地區(qū)海拔范圍為370～420 m，平均坡度在10°以下。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，年平均氣溫-1.3 ℃，年平均降水量約為494.8 mm。林地土壤類型以暗棕壤和棕色針葉林土為主，土壤厚度在20 cm左右。在此試驗區(qū)內(nèi)主要的森林類型有3種：闊葉混交低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林和蒙古櫟低質(zhì)林。

各類型低質(zhì)林的樣地概況見表1。

2 研究方法

f

2016年6月在各類型研究區(qū)域內(nèi)按“S”型設(shè)置5個樣點(diǎn)，在樣點(diǎn)處用容積為100 cm3的環(huán)刀采集土壤樣本，帶回實驗室進(jìn)行土壤水文性能分析[14]。采用環(huán)刀法進(jìn)行指標(biāo)測定，指標(biāo)包括土壤含水率、土壤密度，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度。

表1 樣地概況

環(huán)刀法測定方法：去除環(huán)刀上蓋，用天平稱量質(zhì)量，記環(huán)刀內(nèi)土壤樣本質(zhì)量為M0，然后將其放入盛有清水的平底盆中，此時要確保盆中水的高度不能超過環(huán)刀上沿。浸泡12 h后，擦除環(huán)刀表面的水分并進(jìn)行稱其質(zhì)量，此時將環(huán)刀內(nèi)土壤濕質(zhì)量記為M12h，然后將環(huán)刀放置在干燥砂土上，2 h后稱量質(zhì)量，此時環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量記為M2h。取環(huán)刀內(nèi)中間部分土樣放入鋁盒中，進(jìn)行稱質(zhì)量，將鋁盒中濕土的質(zhì)量記為Mw，將其放入烘箱中105 ℃進(jìn)行烘干，記鋁盒中烘干土樣的質(zhì)量為Md。根據(jù)得到的結(jié)果可以推算上述指標(biāo)，其計算公式如下：

R0=((Mw-Md)/Md)×100%，

(1)

M′=M0×K，

(2)

D=M′/V。

(3)

式中:R0為土壤含水率；M′為烘干土樣的質(zhì)量；K為換算系數(shù)，K=Md/Mw；D為土壤密度；V為環(huán)刀容積，即為100 cm3。

Mmax=((M12h-M2h)/M2h)×100%，

(4)

Mc=((M2h-M′)/M′)×100%，

(5)

Pnc=((Mmax-Mc)×D)×100%,

(6)

Pc=(Mc×D)×100%，

(7)

Pt=Pc+Pnc。

(8)

式中:Mmax、Mhc分別為土壤最大持水率和毛管持水率，Pnc、Pc、Pt分別為土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度。

在各類型低質(zhì)林的研究區(qū)域內(nèi)隨機(jī)設(shè)置4個30 cm×30 cm的枯落物取樣點(diǎn)，分開收集樣方內(nèi)未分解層和半分解層枯枝落葉，并帶回實驗室進(jìn)行枯落物蓄積量和持水性能分析[15-16]。

枯落物蓄積量的測定：將取回的枯落物進(jìn)行鮮質(zhì)量的稱量，記為W0，然后取一定質(zhì)量的枯落物W1放置在烘箱內(nèi)85 ℃進(jìn)行烘干，8 h以后進(jìn)行稱量，測定其干質(zhì)量，此時質(zhì)量記為W2，根據(jù)得到的結(jié)果可以推算枯落物蓄積量和枯落物的自然持水率，其計算公式如下：

M=(W0×K′)/100。

(9)

式中：M為枯落物的蓄積量，K為換算系數(shù)，K′=W2/W1。

R=((W1-W2)/W2)×100%。

(10)

式中:R為枯落物的自然持水率。

枯落物持水性能分析試驗：將烘干后的枯落物裝入干凈網(wǎng)袋中，并將其浸泡于水中，使水的液面略高于網(wǎng)袋上沿，記錄入水后0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h的質(zhì)量，每次取出后需靜置一段時間，以不滴水時的質(zhì)量為準(zhǔn)。將浸水24 h時枯落物的持水量作為最大持水量，據(jù)此推算出有效攔蓄率和有效攔蓄量。計算公式如下：

Rmax=((W3-W2)/W2)×100%，

(11)

Qmax=Rmax×M。

(12)

式中:Rmax為最大持水率，W3為浸泡24 h后枯落物的質(zhì)量，Qmax為最大持水量。

Rsv=0.85Rmax-R，

(13)

Qsv=(0.85Rmax-R)×M。

(14)

式中:Rsv為有效攔蓄率，Qsv為有效攔蓄量。

試驗得到的數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析，顯著水平為0.05，數(shù)據(jù)作圖及非線性擬合分析采用OriginPro 2016軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水文性能分析

土壤密度和孔隙度結(jié)構(gòu)對土壤水文生態(tài)功能有很大作用[17]。由表2可知，各類型低質(zhì)林土壤含水率數(shù)值間相差不大，約為0.9%，經(jīng)方差分析，可以發(fā)現(xiàn)3者之間并無顯著性差異。土壤密度表現(xiàn)為蒙古櫟低質(zhì)林的最低(0.41 g·cm-3)，闊葉混交低質(zhì)林的最高(0.53 g·cm-3)，經(jīng)方差分析，各類型低質(zhì)林間有顯著性差異，經(jīng)LSD檢驗，闊葉混交低質(zhì)林與其余類型低質(zhì)林土壤密度差異性顯著。

土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為白樺低質(zhì)林的最高，為19.33%，闊葉混交低質(zhì)林的最低，為10.33%，經(jīng)方差分析，各類型間有顯著性差異，經(jīng)LSD檢驗，蒙古櫟和白樺低質(zhì)林間差異性不顯著。毛管孔隙度的變化范圍為60.17%～68.16%，表現(xiàn)為蒙古櫟低質(zhì)林的最高，白樺低質(zhì)林的最低，經(jīng)方差分析，3者間差異性不顯著?？偪紫抖鹊淖兓秶鸀?7.11%～84.49%，表現(xiàn)為蒙古櫟低質(zhì)林的最高，闊葉混交低質(zhì)林的最低，同時經(jīng)LSD檢驗，兩者之間差異性顯著。各類型低質(zhì)林的土壤毛管孔隙度均明顯高于非毛管孔隙度。

表2 不同林分類型土壤水文性能

注：同列不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

3.2 枯落物水文性能分析

3.2.1 不同類型低質(zhì)林枯落物蓄積量

枯落物總蓄積量，從大到小依次為闊葉混交低質(zhì)林(15.18 t·hm-2)、蒙古櫟低質(zhì)林(10.33 t·hm-2)、白樺低質(zhì)林(8.87 t·hm-2)。經(jīng)方差分析，各類型低質(zhì)林間有顯著性差異(表3)。

對各類型低質(zhì)林枯落物蓄積量進(jìn)行方差分析(表4)，各類型間未分解層枯落物蓄積量差異性不顯著，經(jīng)LSD檢驗，闊葉混交低質(zhì)林和白樺低質(zhì)林間存在顯著性差異，白樺低質(zhì)林和蒙古櫟低質(zhì)林間無顯著性差異。各類型間半分解層枯落物蓄積量差異性顯著，經(jīng)LSD檢驗，闊葉混交低質(zhì)林與其余2種類型間存在顯著差異。各狀態(tài)下的枯落物蓄積量均在闊葉混交低質(zhì)林中達(dá)到最大，同時發(fā)現(xiàn)各類型低質(zhì)林枯落物蓄積量均表現(xiàn)為半分解層枯落物蓄積量>未分解層的蓄積量，未分解層枯落物蓄積量占總蓄積量的比例分別為41.04%、43.56%、44.64%，半分解層枯落物蓄積量占總蓄積量的比例分別為58.96%、56.44%、44.64%。

表3 枯落物蓄積量

注：同行不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

表4 單因素方差分析

3.2.2 不同類型低質(zhì)林枯落物持水性能

由表5可知，3種低質(zhì)林枯落物自然持水率范圍為13.26%～19.53%，各類型間無顯著性差異。未分解層枯落物自然持水率，從大到小依次為蒙古櫟低質(zhì)林(17.79%)、白樺低質(zhì)林(17.36%)、闊葉混交低質(zhì)林(13.26%)；半分解層枯落物自然持水率，從大到小依次為白樺低質(zhì)林(19.53%)、闊葉混交低質(zhì)林(18.60%)、蒙古櫟低質(zhì)林(15.24%)。3種類型低質(zhì)林枯落物的自然持水率均表現(xiàn)為未分解層的小于半分解層的。

未分解層枯落物最大持水率范圍為266.67%～401.97%，表現(xiàn)為蒙古櫟低質(zhì)林的最高，闊葉混交低質(zhì)林的最低。半分解層枯落物最大持水率范圍為48.95%～337.75%，表現(xiàn)為蒙古櫟低質(zhì)林的最高，白樺低質(zhì)林的最低，經(jīng)LSD檢驗，蒙古櫟低質(zhì)林與白樺低質(zhì)林間存在顯著性差異?？萋湮镒畲蟪炙砍伺c最大持水率有關(guān)外，還與枯落物蓄積量相關(guān)。未分解層按大小依次為蒙古櫟低質(zhì)林、闊葉混交低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林，半分解層按大小依次為闊葉混交低質(zhì)林、蒙古櫟低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林，各類型間差異性顯著。3種類型低質(zhì)林枯落物最大持水量均表現(xiàn)為半分解層的大于未分解層的。

枯落物的有效攔蓄率與最大持水率和自然持水率有關(guān)，3種類型低質(zhì)林未分解層的范圍為213.41%～323.88%，其中闊葉混交低質(zhì)林的最小，蒙古櫟低質(zhì)林的最大。半分解層枯落物有效攔蓄率范圍為192.07%～271.85%，3種森林類型按大小依次為蒙古櫟低質(zhì)林、闊葉混交低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林，各類型間差異性不顯著。未分解層枯落物有效攔蓄量范圍為9.00～14.57 t·hm-2，半分解層枯落物的范圍為9.43～22.26 t·hm-2，經(jīng)LSD檢驗，白樺低質(zhì)林的半分解層枯落物有效攔蓄量與其余類型間存在顯著性差異。

表5 枯落物持水性能

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2.3 不同類型低質(zhì)林枯落物持水過程

對各類型低質(zhì)林枯落物持水量與浸泡時間進(jìn)行擬合，由表6可以發(fā)現(xiàn)兩者存在很好的對數(shù)關(guān)系，R2>0.85。在0～2 h時枯落物的持水量急速增加，此后隨著浸泡時間的延長，枯落物持水量增加速度緩慢，大約在浸泡8 h后趨于穩(wěn)定，浸泡24 h時枯落物持水量已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，不再變化。在相同時間下，未分解層枯落物持水量按大小依次為蒙古櫟低質(zhì)林、闊葉混交低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林，半分解層枯落物持水量由大到小表現(xiàn)為闊葉混交低質(zhì)林、蒙古櫟低質(zhì)林、白樺低質(zhì)林。在相同時間下，闊葉混交低質(zhì)林和白樺低質(zhì)林的半分解層枯落物持水量均高于未分解層的。

表6 枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系

由表7可知，各類型低質(zhì)林枯落物吸水速率與浸泡時間均滿足冪函數(shù)關(guān)系，R2達(dá)到0.99以上。隨浸泡時間的增加，吸水速率逐漸下降。在0～1 h時下降幅度較大，浸泡8 h后吸水速率逐漸接近0。各狀態(tài)下的枯落物，白樺低質(zhì)林的吸水速率均低于其余2種類型。闊葉混交低質(zhì)林半分解層的吸水速率大于未分解層的，這可能與樹種、枯落物各層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表7 枯落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

本次研究中，各類型低質(zhì)林土壤含水率變化范圍為0.86%～0.90%，3者之間無顯著性差異。土壤密度范圍為0.41～0.53 g·cm-3，毛管孔隙度的變化范圍為60.17%～68.16%，經(jīng)方差分析，各類型低質(zhì)林間差異性均不顯著，其中蒙古櫟低質(zhì)林的土壤密度最低，毛管孔隙度最大。3種類型低質(zhì)林非毛管孔隙度，從大到小依次為白樺低質(zhì)林(19.33%)、蒙古櫟低質(zhì)林(16.33%)、闊葉低質(zhì)林(10.33%)，各類型間差異性顯著。土壤總孔隙度的變化范圍為77.11%～84.49%，其中蒙古櫟低質(zhì)林的最高，闊葉混交低質(zhì)林的最低。3種類型低質(zhì)林的土壤毛管孔隙度均明顯高于非毛管孔隙度，說明土壤對水分的滲透能力弱，持水能力較強(qiáng)，有利于水土保持和水源涵養(yǎng)。從整體來看，蒙古櫟低質(zhì)林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于其余2種類型低質(zhì)林。

不同類型低質(zhì)林的枯落物蓄積量均表現(xiàn)為闊葉混交低質(zhì)林的最高，白樺低質(zhì)林的最低，說明相對于純林來說，混交林更有利于枯落物的積累。相關(guān)研究表明，白樺凋落物分解50%、95%分別需0.4、1.6 a[18]，蒙古櫟凋落物分解50%、95%分別需1.9、8 a，山楊凋落物分解50%、95%分別需1.6、6.7 a[19]，白樺枯落葉分解速率優(yōu)于其余樹種，從而造成累積量小。各類型低質(zhì)林枯落物蓄積量的均表現(xiàn)出半分解層的高于未分解層的，這與各層枯落物的數(shù)量以及分解速度有關(guān)，由未分解轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕纸獾臅r間短，每年凋落的未分解層都不能在當(dāng)年很快分解，這就造成逐年累加，而半分解層的枯落物達(dá)到完全分解還需要很長時間[20]。

枯落物的持水量與枯枝落葉組成比例以及分解速度有關(guān)[21]。本次研究中，3種類型低質(zhì)林枯落物的自然持水率范圍為13.26%～19.53%，最大持水率范圍為248.95%～401.97%，有效攔蓄率范圍為192.07%～323.88%，各類型間3個指標(biāo)并無顯著差異，說明在自然狀態(tài)下，3種類型低質(zhì)林枯落物持水率受林下植被影響并不顯著。蒙古櫟低質(zhì)林枯落物的最大持水率和有效持水率均高于其余2種類型?？萋湮锍炙颗c枯落物持水率和蓄積量有關(guān)。本次研究中，3種類型低質(zhì)林的最大持水量范圍為11.4～28.15 t·hm-2，有效攔蓄量范圍為9.00～22.26 t·hm-2，經(jīng)方差分析，各類型間枯落物的持水量差異性顯著，白樺低質(zhì)林枯落物的最大持水量和有效持水量均低于其余2種類型。各類型低質(zhì)林枯落物持水量與浸泡時間存在很好的對數(shù)關(guān)系，枯落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系均滿足冪函數(shù)關(guān)系。綜合來看，在這3種類型的低質(zhì)林中，白樺低質(zhì)林枯落物水文生態(tài)功能明顯低于闊葉混交低質(zhì)林和蒙古櫟低質(zhì)林。

目前，國內(nèi)外對森林單一水文效應(yīng)的研究上已趨于成熟，但水文調(diào)節(jié)功能是一個動態(tài)變化過程，同時各效應(yīng)之間聯(lián)系密切。因此今后研究需從2個方面進(jìn)行改善，一方面進(jìn)行長期觀測，揭示森林變化對水文過程的影響，另一方面，加強(qiáng)對森林水分分配情況的觀測，深入研究森林水文調(diào)節(jié)功能機(jī)制。

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HydrologicalPropertiesofSoilandLitterinDifferentTypesofLowQualityForestinDaxing’anMountains

//Zhang Tian, Dong Xibin, Tang Guohua, Qu Hangfeng, Guan Huiwen

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Liu Fuxiang

(Harin University of Commerce)

The water quality of soil layer and litter layer were compared and analyzed by descriptive statistics and difference analysis in three typical low-quality forest stands that broadleaved mixed forest,Quercusmongolicaforest andBetulaplatyphyllaforest in the Daxing’an Mountains. The soil water content, soil bulk density and soil capillary porosity in three types ranged in 0.86%-0.90%, 0.41-0.53 g·cm-3, and 60.17%-68.16%, there was no significant difference between the types. In terms of theQ.mongolicalow-quality forest, the soil bulk density was the lowest, and the porosity and total porosity were the highest. The total litter volume of three types was 8.87-15.18 t·hm-2, and presented in descending order of broadleaved mixed low-quality forest,Q.mongolicalow-quality forest, andB.platyphyllalow-quality forest, there were significant differences among the types. The natural water holding capacity, maximum water holding capacity and effective interception rate in three types of low quality forest were 13.26%-19.53%, 248.95%-401.97%, and 192.07%-323.88%, the maximum water holding capacity and effective interception rate in theQ.mongolicalow-quality forest were higher than the other two types, and the difference between the various types was not significant. The maximum water holding capacity and effective interception capacity ranged in 11.4-28.15 t·hm-2, and 9.00-22.26 t·hm-2, that in theB.platyphyllalow-quality forest were lower than the other two types, and there was no significant difference between the types. Conclusively, the soil hydrological effect ofQ.mongolicalow quality forest is better than the other two types, the hydrological properties of litter in theB.platyphyllalow-quality forest were significantly lower than those of the broadleaved mixed low-quality forest and theQ.mongolicalow-quality forest.

Daxing’an Mountains； Low-quality forest； Soil； Litter； Hydrological properties

S715.3

1)林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項目([2015]06號);黑龍江省自然科學(xué)基金項目(C201408)。

張?zhí)?，女?993年1月生，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，博士研究生。E-mail：346168733@qq.com。

董希斌，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2017年6月5日。

責(zé)任編輯：潘 華。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：1-5.