馮 宇，彭培好*，劉賢安，韓子鈞，龐 溯

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

林下枯落物作為森林涵養(yǎng)水源的主體之一，是森林水文效應(yīng)的第二活動層[1]，具有吸收與攔截降水、減少地表徑流、防止土壤濺蝕、增加土壤抗蝕性等功能[2]?？萋湮镂炙芰ψ鳛樯挚萋湮锖B(yǎng)水源的重要體現(xiàn)，其評定指標(biāo)通常有枯落物持水量、持水率、吸水速率、攔蓄率、攔蓄量等[3]，它們雖能較直觀地體現(xiàn)枯落物持水能力，卻具耗時、耗財?shù)热秉c。自1954年第5屆土壤磁學(xué)大會首次提出土壤磁化率相關(guān)問題[4]以來，土壤磁化率便以其高效、無損、低成本等優(yōu)點[5-6]，被廣泛應(yīng)用于土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)的研究中。已有研究表明，土壤磁化率受土壤侵蝕強度[8-9]、土壤水文條件[10-11]、林分類型及枯落物覆蓋狀況[12-14]等因素影響。然而，利用土壤磁化率與林下枯落物之間的關(guān)系，進行枯落物水源涵養(yǎng)能力預(yù)測的相關(guān)研究尚未見報道。因此，本文以綿陽官司河流域為研究對象，研究土壤磁化率與林下枯落物儲量及持水量的關(guān)系，探索土壤磁化率作為林下枯落物水源涵養(yǎng)功能評估指標(biāo)的可行性，旨在為今后林地枯落物水源涵養(yǎng)功能快速評估提供一個高效、低成本的土壤磁學(xué)方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

官司河流域位于四川省綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)，地理坐標(biāo) 31°32′30″～31°37′30″N、104°45′00″～104°48′40″E，屬川中低山丘陵地貌，海拔高度 485～627 m，流域面積21.2 km2[15]。流域土壤類型以紫色土、老沖積黃壤、姜石黃壤為主，另有部分為灰白砂土[15-16]。流域共有維管束植物67科、125屬、146種，主要喬木優(yōu)勢種類有柏木（Cupressus funebris）、馬尾松（Pinus massoniana）、櫟類（Quercussp.）等；主要灌木優(yōu)勢種類有黃荊（Vitex negurdo）、鐵籽（Myrsine Africana）、火棘（Pyracantha fortuneana）等；主要草本優(yōu)勢種類有苔草（Carexspp.）、莎草（Cyperussp.）、藎草（Arthraxon hispidus）、紫菀（Aster ageratoides）和野菊（Dendranthema indicum）等[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查

野外樣地調(diào)查及磁化率測量于2017年10月—11月進行。在流域內(nèi)柏木林、馬尾松林、麻櫟林、松柏混交林中分別設(shè)置3個10 m×10 m樣地，記錄各樣地坡度、坡向、海拔、林齡（見表1）。根據(jù)方精云等[18]的方法，測定群落喬木郁閉度、林分密度、胸徑、高度，并記錄喬木種名；在各樣地內(nèi)按對角線設(shè)3個3 m×3 m灌木樣方，記錄種名、株數(shù)、蓋度、高度，在樣地4角及中心設(shè)置5個1 m×1 m草本樣方，記錄種名、株高、蓋度。

1.2.2 土壤磁化率測定

土壤磁化率使用澳大利亞Alpha公司產(chǎn)MagROCK磁化率儀進行原位測量，測量工作與樣地調(diào)查同步進行。土壤磁化率測量前，采取與D.A.Grimelty等[6]相似的方法對測量點位進行預(yù)處理，用無磁性工具或樹枝移除覆蓋于土壤表面的全部枯落物及雜草，適當(dāng)平整土壤表面，以確保磁化率儀在測量時與土壤表面緊密接觸。每個樣地按圖1所示點位，重復(fù)測量25次，求得各樣地土壤磁化率平均值（測得的土壤磁化率為體積磁化率，無量綱，采用國際單位制SI）。

1.2.3 枯落物儲量及持水量測定

在各樣地內(nèi)隨機設(shè)置3個20 cm×20 cm枯落物樣方，采集樣方內(nèi)所有枯落物，稱重，裝入自封袋并編號，枯落物樣品共計36件。將枯落物置于85℃干燥箱內(nèi)烘干24 h，稱重，得枯落物儲量（t/hm2）。

用“浸水法”研究枯落物持水能力，將干燥后枯落物裝入尼龍網(wǎng)袋，分別浸水 0.25、0.5、1、2、4、8、10、12和24 h后靜置5 min[19]，測得各時間點枯落物吸水后的重量。每次浸水后測得重量減去初始枯落物重量（干重），得到不同浸水時間枯落物持水量，枯落物持水量與相對應(yīng)浸水時間的比值即枯落物吸水速率，以浸水24 h時所得枯落物持水量作為枯落物的最大持水量?？萋湮锍炙?、吸水速率計算公式如下[20]：

表1 樣地概況Table 1 Sample plot summary

圖1 土壤磁化率測量點位Figure 1 Soil susceptibility measurement point

式（1）中，ΔW ij為第i種枯落物在j+i～j浸泡時段內(nèi)的吸水量（g/kg），W i（j+1）為第i種枯落物在浸泡j+1時間的重量（g），W ij為第i種枯落物在浸泡j時間的重量（g）。

式（2）中，ΔSij為第i種枯落物在j+i～j浸泡時間段內(nèi)的吸水速率（g/（kg·h）），Δtij為第i種枯落物在浸泡j+1時與浸泡j時的時間差（h）。

將各林分類型林下枯落物的9個樣品分別按以上方法進行處理，取其平均值，得各林分林下枯落物持水量與吸水速率。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013對原始數(shù)據(jù)進行整理；在IBM Statistics SPSS 23.0中利用曲線估算功能進行最佳擬合方程的篩選；使用SigmaPlot 12.0繪制枯落物持水量、吸水速率與浸水時間關(guān)系圖；利用Pearson相關(guān)系數(shù)對土壤磁化率、枯落物總儲量、枯落物最大持水量之間進行相關(guān)分析，將顯著性水平設(shè)置為P=0.05，極顯著性水平設(shè)置為P=0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物儲量

枯落物儲量是決定林地枯落物水源涵養(yǎng)能力的重要因素之一[28]。官司河流域林下枯落物儲量變化范圍為4.43～7.77 t/hm2，4種林分依次為麻櫟林（7.77 t/hm2）＞松柏混交林（5.40 t/hm2）＞柏木林（4.43 t/hm2）＞馬尾松林（4.03 t/hm2），表現(xiàn)為落葉闊葉林枯落物儲量大于常綠針葉林。

2.2 枯落物水源涵養(yǎng)

2.2.1 枯落物持水能力

最大持水量是反映枯落物持水能力的常用指標(biāo)之一[22]。官司河流域林下枯落物最大持水量變化范圍為14.62～30.26 t/hm2，4種林分依次為麻櫟林（30.26 t/hm2）＞松柏混交林（19.85 t/hm2）＞柏木林（18.14 t/hm2）＞馬尾松林（14.62 t/hm2）。由表 2可知，枯落物自身持水性能也因林分類型各異。4種林分單位質(zhì)量枯落物最大持水量（浸水24 h）依次為麻櫟林（3 094.17 g/kg）＞柏木林（3 084.17 g/kg）＞松柏混交林（2 633.13 g/kg）＞馬尾松林（2 622.50 g/kg）。

表2 不同林分單位質(zhì)量枯落物持水量與浸水時間關(guān)系Table 2 Relationship between water-holding capacity of litter per unit mass and soaking time in different forest types

2.2.2 枯落物吸水動態(tài)變化

枯落物持水量、持水率與浸水時間的擬合曲線可以揭示不同林分林下枯落物吸水動態(tài)變化特征。由圖2可知，4種林分林下枯落物在浸水0～2 h內(nèi)，持水量均呈明顯上升趨勢，隨后放緩，至24 h時達到飽和狀態(tài)。

圖2 枯落物持水量與浸水時間關(guān)系Figure 2 Relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)4種林分林下枯落物持水量與浸水時間均存在以下關(guān)系：

式（3）中，Q為林下枯落物持水量（g/kg）；t為浸水時間（h）；a、b為待估系數(shù)。

由圖3可知，在浸水0～2 h內(nèi)，4種林分林下枯落物吸水速率均下降迅速，隨后放緩，并在24 h時趨于零。

圖3 枯落物吸水速率與浸水時間關(guān)系Figure 3 Relationship between water absorption rate and soaking time of litter

回歸分析發(fā)現(xiàn)，枯落物吸水速率與浸水時間呈冪指數(shù)關(guān)系：

式（4）中，S為枯落物吸水速率（g/（kg·h））；K為方程系數(shù)；n為指數(shù)。

2.3 枯落物水源涵養(yǎng)與土壤磁化率關(guān)系

林下枯落物層除具有吸收、截持降水的能力外，還能減少地表徑流、增加土壤抗蝕性[23]。由表4可知，4種林分土壤侵蝕產(chǎn)沙量依次為馬尾松林（1.21 t/hm2）＞松柏混交林（1.01 t/hm2）＞柏木林（0.88 t/hm2）＞麻櫟林（0.45 t/hm2），表明落葉闊葉林土壤侵蝕產(chǎn)沙量小于常綠針葉林；土壤磁化率的變化規(guī)律依次為麻櫟林（30.38×10-6SI）＞松柏混交林（25.15×10-6SI）＞柏木林（22.01×10-6SI）＞馬尾松林（20.59×10-6SI），表現(xiàn)為落葉闊葉林土壤磁化率大于常綠針葉林。由此可見，土壤磁化率與侵蝕產(chǎn)沙量相關(guān)，侵蝕產(chǎn)沙量越小對應(yīng)土壤磁化率越高，這與前人結(jié)論相似[24]。

表3 不同林分枯落物持水量、吸水速率與浸水時間回歸方程Table 3 Regression equation of water-holding capacity，water absorption rate and soaking time of different forest litter

表4 土壤磁化率與枯落物水源涵養(yǎng)功能關(guān)系Table 4 Relationship between soil magnetic susceptibility and water conservation function of litter

Pearson相關(guān)分析表明，土壤磁化率與枯落物總儲量呈極顯著正相關(guān)（R2=0.994，P=0.006），與枯落物最大持水量顯著正相關(guān)（R2=0.980，P=0.020），回歸方程如下：

式中，WL為枯落物總儲量（t/hm2）；MS為土壤磁化率（10-6SI）；Q為枯落物最大持水量（t/hm2）。

3 討論與結(jié)論

官司河流域林下枯落物總儲量、最大持水量依次為麻櫟林＞松柏混交林＞柏木林＞馬尾松林，枯落物水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為闊葉林＞針葉林，這與前人研究結(jié)果相似[26-27]。各林分之間林下枯落物持水量、吸水速率與浸水時間的動態(tài)變化規(guī)律存在相似性，林下枯落物持水量與浸水時間t符合方程Q=alnt+b，吸水速率與浸水時間t符合方程S=Ktn，且R2均在0.85以上，本研究所得擬合方程與張衛(wèi)強等[27-29]等所得結(jié)果一致。各林分林下枯落物持水量、吸水速率與浸水時的變化規(guī)律一致，林下枯落物持水量、吸水速率均在浸水0～2 h內(nèi)變化迅速，隨后漸緩，至24 h時趨于穩(wěn)定，這與張峰等[30]研究結(jié)果一致。麻櫟林在4種林分中水源涵養(yǎng)能力（枯落物儲量、最大持水量、侵蝕產(chǎn)沙量）最強，適當(dāng)減少人為活動（砍伐、開荒）對麻櫟林的影響，增加其在流域內(nèi)的覆蓋范圍，將有利于保護區(qū)域水環(huán)境安全、減小區(qū)域水土流失。

林下枯落物儲量、持水量能較好地反映枯落物涵養(yǎng)水源的能力[2-3]。在官司河流域的研究發(fā)現(xiàn)，林下枯落物儲量與土壤磁化率關(guān)系符合方程WL=0.384MS-4.012 2，林下枯落物最大持水量與土壤磁化率符合回歸方程Q=1.518 7MS-16.539，R2均在0.96以上，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系；同時還發(fā)現(xiàn)，林地土壤侵蝕產(chǎn)沙量與土壤磁化率相關(guān)。說明土壤磁化率與林下枯落物水源涵養(yǎng)能力關(guān)系密切，可以將土壤磁化率應(yīng)用在林下枯落物儲量及持水量的快速估算中。

本文在對綿陽官司河流域4種常見林分類型水源涵養(yǎng)功能進行評估和比較的基礎(chǔ)上，探討了土壤磁化率應(yīng)用在官司河流域林下枯落物水源涵養(yǎng)功能快速評估中的可行性。然而，在更廣大的研究區(qū)域及更豐富的林分類型情況下，土壤磁化率在林下枯落物水源涵養(yǎng)功能評估中的適用性仍待進一步探討。