太行山典型森林水源涵養(yǎng)分層特征與差異研究

郭靈輝 高江波 王天平 張博 李琛

摘要：以豫北太行山典型森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，結合樣地調查、室內試驗以及K-W秩和檢驗等方法，分層探討太行山典型森林水源涵養(yǎng)功能的異同。結果表明：側柏林冠層最大持水量與有效攔蓄量均較大，分別為37.01、19.47t/hm2；栓皮櫟林冠層最大持水量與有效攔蓄量最小，但浸水初期持水速率較大：枯落物持水量大小順序為油松林>側柏林>栓皮櫟林，但有效攔蓄量大小順序則為側柏林>油松林>栓皮櫟林，其中半分解層起主導性作用；土壤層持水能力較高，是森林水源涵養(yǎng)功能的關鍵所在，尤其是側柏林，土壤最大持水量與土壤有效持水量分別為515.22、110.67t/hm2。

關鍵詞：森林生態(tài)系統(tǒng)；水源涵養(yǎng)功能；分層特征；太行山

中圖分類號：S157.5

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.021

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的一項重要生態(tài)功能，指森林攔蓄降水、調節(jié)徑流和凈化水質的能力。隨著人口增長、水資源供需矛盾加劇和水環(huán)境質量惡化，人們對森林水源涵養(yǎng)功能愈加重視，尤其在重要水源區(qū)。近年來，國內外學者從樣地、流域、行政單元等不同尺度對不同森林水源涵養(yǎng)功能開展了大量卓有成效的研究，探討了森林水源涵養(yǎng)功能的區(qū)域分異特征，豐富了森林水源涵養(yǎng)功能的物質量及其價值量評估的理論與方法。其中，綜合蓄水能力法是相對比較理想和常用的綜合評估方法，通過綜合核算森林冠層、枯落物層與土壤層等層次對降水的有效攔蓄和再分配來實現(xiàn)，但目前一些研究僅限于公式換算，體現(xiàn)區(qū)域森林水源涵養(yǎng)功能生態(tài)學過程的研究不夠。

太行山地處華北大平原西側，是海河水系的發(fā)源地及黃河中下游部分支流的上游集水區(qū)。受氣候變化、人口激增、植被破壞和水資源過度開發(fā)等因素影響，太行山區(qū)一度成為華北地區(qū)旱澇災害和京津水旱災害的根源。為此，以建設水源涵養(yǎng)林和水土保持林為重點的太行山綠化工程被列為我國大型重點林業(yè)工程。白1994年工程全面啟動以來，太行山森林資源總量不斷增長，森林植被大幅增加，工程效益顯著。筆者選擇太行山綠化工程主要樹種油松、側柏、栓皮櫟為研究對象，采用樣地調查、浸水試驗等方法，從最大持水量和有效持水量角度，對林冠層、枯落物層以及土壤層3個層次進行比較，分析太行山綠化工程典型森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力異同及形成機理，以期為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能評估及生態(tài)調控提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省太行山生態(tài)公益林焦作林場，屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫為11.6℃，年均降水量為600mm，年際降水量變化大、季節(jié)分配不均。土壤類型以褐土為主，陰坡土層相對較厚（一般為50～60Cm），陽坡土層薄、礫石較多，土壤容重為1.30g/cm2左右，空間差異較大。該區(qū)山地植被垂直地帶性明顯，低山以人工林、灌草叢為主，中低山主要由褐土落葉闊葉林構成，優(yōu)勢樹種有栓皮櫟（Q.variabilis）、側柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinustabuliformis）以及黃櫨（Cotinus coggygria Scop.）等，這些樹種耐旱、耐貧瘠，是太行山綠化的主要樹種，現(xiàn)以幼齡、中齡為主，森林外貌比較整齊，生長發(fā)育較好，郁閉度在0.7以上。灌叢以連翹（For.sythia suspensa）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、山皂角（Gleditsiajaponica Miq.）、黃荊（Vitex negundo Linn.）為主，草本主要有白草（Pennisetum flaccidum Griseb.）、羊胡子草（Carex rigescen.s）等。

2 研究方法

生物學調查與野外采樣時間為2017年3-4月與7月中旬，選擇研究區(qū)代表性森林類型油松、栓皮櫟和側柏，每種森林樣地隨機選擇3個10mxl0m的喬木樣方，樣方內分別設置3個5mx5m的灌木樣方和3個1mxlm的草本樣方，樣地基本情況見表1。

2.1 持水能力測定

葉片與枯落物持水特性采用浸水法，選擇胸徑、樹高接近林分平均水平的油松、栓皮櫟和側柏各1株作為標準木，采用分層切割法摘取標準木一定比例的鮮葉，密封帶回稱其鮮重。選取部分鮮葉，采用浸水法處理，分別測定其5、15、30min和1、2、4、8、24h控干至不再滴水以及烘干至65℃的質量，每組6個重復。樣地內隨機布設多個50cmx50Cm小樣方，按未分解層與半分解層分別測量枯落物厚度，并全部取出帶回稱重。隨機選取部分樣品烘干至65℃稱重，根據(jù)枯落物含水率和鮮重來計算樣地枯落物儲量。將烘干后的枯落物完全浸沒水中，分別在5、15、30min和1、2、4、8、24h取出，控干至不再滴水后稱重，每組重復5～8次，所得的枯落物濕質量與其烘干質量的差值除以烘干質量即為相應時段枯落物的持水量，該值與浸水時間的比值為相應時段枯落物的吸水速率。

土壤調查采用剖面法，在各樣地內隨機開挖土壤剖面3個，深度一般為50～60cm，下部為巖石層，采用環(huán)刀分層挖取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm土樣（側柏林地土壤底部礫石含量較多，僅取0～10、10～20、20～30Cm三層）。按照國家林業(yè)行業(yè)標準森林土壤水分物理性質的測定方法（LY/T1215-1999），測定土壤自然含水量、容重、孔隙度、最大持水量、有效持水量等。為充分反映土壤層持水特征，采用全剖面最大持水量、有效持水量均值計算土壤涵養(yǎng)水源能力。

2.2 冠層持水量尺度上推

采用森林植被葉片持水能力來表征森林冠層持水量。首先，實驗室測量林冠單位葉片質量的持水特性，結合林地標準木葉片質量以及林木密度數(shù)據(jù)，參照枯落物層持水量計算方法，尺度上推冠層持水量，具體計算公式為式中：WCmax、Wceff分別為冠層最大持水量和有效攔蓄量，t/hm2；Rmax為葉片最大持水率，%；Ro為葉片自然含水率，%；N為樣方內林木株數(shù)，株/hm2；m為標準木葉片質量，t/株。

2.3 枯落物持水量計算

以枯落物24h時持水率為最大持水率，推算其最大持水量。最大持水量僅反映枯落物層持水能力的大小，不考慮雨前枯落物層的自然含水狀況，有效攔蓄量才是反映枯落物對一次降水攔蓄的科學指標。有效攔蓄量是指枯落物對降水的實際攔蓄量，表達式為式中：WLmax、WLeff分別為枯落物最大持水量和有效攔蓄量，t/hm2：M為枯落物累積量，t/hm2。

2.4 顯著性分析

K-W秩和檢驗為非參數(shù)檢驗方法，其優(yōu)勢在于無需考慮樣本總體分布類型。本文借助SPSS軟件中K-W秩和檢驗方法對比分析不同森林的水源涵養(yǎng)能力，考慮到森林土壤厚度不同，分析土壤層涵養(yǎng)水源能力K-W秩和檢驗僅限于表層（0～30cm）土壤。

3 結果與分析

3.1 林冠層持水能力

3.1.1 林冠層持水量

不同類型森林的林冠層持水能力差異很大（見表2）。側柏林冠層的最大持水量與有效攔蓄量最大（分別為37.01、19.47t/hm2），油松林冠層的次之，原因是這兩種森林單位面積葉片質量較大，這與馬惠等的研究結果較為一致。相比之下，栓皮櫟林冠層自然含水率較小，最大含水率較大，但其葉片總質量有限，因此其最大持水量與有效攔蓄量最小，僅為側柏林的20.29%和30.25%。

3.1.2 冠層持水過程

在浸泡初期（1h內），葉片持水量迅速增大，之后隨浸泡時間延長呈不斷增大趨勢，5h后趨于平緩（見圖1（a））。側柏葉片持水量在不同觀測時間均大于油松和栓皮櫟的，24h后平均持水率為92.24%，說明側柏單位質量葉片最大持水能力遠高于油松和栓皮櫟的。但從持水速率上看，浸泡初期栓皮櫟葉片的持水速率最大，側柏的次之，油松的最?。▋H為前兩者的75%左右）（見圖1（b）），說明在歷時較短的強降水事件中，單位質量栓皮櫟葉片截留作用和持水能力均最大。

3.2 枯落物層持水能力

3.2.1 枯落物儲量

不同森林類型枯落物厚度與儲量差異明顯（見表3）。栓皮櫟林和油松林枯落物厚度較大，分別為10.28、8.30cm，顯著大于側柏林的（顯著性水平p<0.05）。然而，側柏林枯落物儲量最大（為39.93t/hm2），其次是油松林的（與側柏林的相差不大），栓皮櫟林的最?。▋H為23.66t/hm2，約為前兩者的60%）。不同森林類型枯落物儲量均表現(xiàn)為半分解層的大于未分解層的，其中側柏林的相差最大，其半分解層枯落物儲量是未分解層的4.76倍。

3.2.2 枯落物持水量

不同森林枯落物最大持水量異質性明顯（見表4）。栓皮櫟林枯落物最大持水率最大，說明栓皮櫟林單位質量枯落物持水能力最大。但油松林枯落物最大持水量最大（為83.34t/hm2，相當于8.3mm的降水），栓皮櫟林的枯落物最大持水量（56.71t/hm2）顯著小于油松林和側柏林的（p<0.05），這與枯落物形態(tài)和儲量有關。不同森林類型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，相差最大的是側柏林，其半分解層最大持水量是未分解層的5.35倍。不同森林類型半分解層枯落物有效攔蓄量均大于未分解層的，且側柏林的有效攔蓄量（相當于6.1mm降水量）顯著高于油松林和栓皮櫟林的（p<0.05），這主要與枯落物的自然含水率有關，側柏林枯落物自然含水率僅為12.80%，而油松林和栓皮櫟林枯落物的分別為62.22%和31.85%。

3.2.3 枯落物持水過程

在浸泡初期，枯落物持水量迅速增大，之后隨浸泡時間延長呈不斷增大趨勢，8h之后趨于平緩（見圖2）。在浸泡過程中的每個觀測時段，總持水量以及未分解層持水量大小順序均為栓皮櫟林>油松林>側柏林，而不同森林類型半分解層持水量變化比較復雜，浸泡初期油松林持水量大于栓皮櫟林的，后期栓皮櫟林持水量大于油松林的，而側柏林的始終最小。另外，栓皮櫟林枯落物未分解層持水量始終大于半分解層持水量，而油松林、側柏林枯落物半分解層持水量均大于未分解層的，這說明栓皮櫟林枯落物單位質量未分解層持水能力大于單位質量半分解層的，而油松林和側柏林枯落物單位質量半分解層單位質量持水能力大于單位質量未分解層的。

3.3 土壤層持水能力

不同森林類型土壤持水能力差異較大（見表5）。側柏林土壤最大持水量最大（為515.22t/hm2），栓皮櫟林的次之，油松林的最?。?76.00t/hm2）。土壤毛管持水量栓皮櫟林的最大，油松林的次之，側柏林的最小。不同森林類型間有效持水量差異顯著，側柏林的最大（為110.67t/hm2），栓皮櫟林的最?。?1.87t/hm2）。森林土壤的持水能力與土壤結構、孔隙狀況等有關，側柏林土壤容重小、顆粒較粗、非毛管孔隙大，因而有效持水量最大。

4 結語

本研究中測量的林冠層、枯落物層持水能力是理想狀況下的最大持水能力，是假定降水量足夠大且無外界干擾的完全浸泡條件下的吸持量，與林冠層、枯落物層的實際持水能力不盡相同。實際持水能力是千變萬化的，取決于林分狀況與降水特征等共同作用。林冠層持水量尺度上推法能夠有效實現(xiàn)點與面之間的轉換，但受實際情況下枝干持水量不確定性的限制，本研究沒有考慮林冠層枝干的持水能力，這使得結果存在一定的偏差。彭煥華等研究發(fā)現(xiàn)，考慮樹干持水量的情況比不考慮樹干時青海云杉林冠層最大持水量相差約14%，也可能會更高。今后應借鑒該研究方法探討枝干持水能力的準確測算方法。

綜上，本研究以豫北太行山油松、側柏和栓皮櫟等典型森林為研究對象，較為系統(tǒng)地探討了林冠層、枯落物層以及土壤層水源涵養(yǎng)功能，得出以下結論。

（1）林冠層最大持水量與有效攔蓄量側柏林最大，分別為37.01、19.47t/hm2，而栓皮櫟林冠層最大持水量與有效攔蓄量最小。但栓皮櫟葉片在浸泡初期持水速率大，這意味著在歷時較短的強降水事件中栓皮櫟葉片截留量最大。

（2）枯落物層最大持水量表現(xiàn)為油松林最大，約為83.34t/hm2，栓皮櫟林枯落物層的最大持水量顯著小于其他兩種林的（p<0.05），僅為56.71t/hm2，但有效攔蓄量表現(xiàn)為側柏林顯著大于油松林和栓皮櫟林的（p<0.05）。栓皮櫟林單位質量枯落物未分解層持水能力大于單位質量半分解層的，而油松林和側柏林單位質量枯落物半分解層持水能力大于單位質量未分解層的。

（3）土壤層最大持水量和有效持水量為側柏林的最大，分別為515.22、110.67t/hm2，油松林土壤最大持水量最小，而栓皮櫟林土壤有效持水量最小。