冀北山地5個(gè)海拔梯度油松林枯落物與土壤水源涵養(yǎng)功能研究

張 引, 黃永梅, 周長亮, 梁文俊

(1.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 太原 030009; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局,河北 圍場 068450; 3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué), 山西 太谷030800)

森林枯落物層對(duì)截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面具有一定的作用，而且作為森林水源涵養(yǎng)的第二活動(dòng)層,對(duì)森林涵養(yǎng)功能的調(diào)控具重要意義[1-3]。土壤層作為森林水源涵養(yǎng)的第三活動(dòng)層，利用孔隙的貯藏功能將水分進(jìn)行儲(chǔ)存起來，起到保持水土和涵養(yǎng)水源的功能[4-6]。河北木蘭圍場國有林場管理局作為研究地，在林分的水源涵養(yǎng)研究主要集中在不同林分類型的差異性方面，而針對(duì)不同海拔的林分水源涵養(yǎng)功能研究較少。本文對(duì)該地區(qū)不同海拔梯度油松純林枯落物層與土壤層的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行詳細(xì)研究，旨在為油松純林健康生長的海拔提供一定的理論依據(jù)[7-8]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北山地的木蘭圍場國有林場管理局(41°35′—42°37′N，116°48′—118°20′E)，該地區(qū)山巒起伏、溝壑縱橫，海拔高度約為750～1 829 m，年平均溫度較低，為-1.5～4.8℃，降雨量為380～560 mm，屬于寒溫帶向中溫帶過渡、半干旱向半濕潤過渡、大陸性季風(fēng)型山地氣候。具有水熱同季、冬長夏短、春季偏旱、四季分明、晝夜溫差大的特征。研究區(qū)內(nèi)土壤類型主要有：黃棕壤、黑棕壤等。研究區(qū)內(nèi)主要喬木樹種有華北落葉松、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(QuercusMongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等。

2 研究方法

2.1 枯落物層數(shù)據(jù)測定

2.1.1 枯落物蓄積量 2016年9月在北溝林場的北溝作業(yè)區(qū)，選擇了5個(gè)海拔梯度的油松純林設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)的樣地，樣地的大小為30 m×30 m，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況進(jìn)行了調(diào)查(表1)，其中郁閉度的測定是通過在樣地內(nèi)機(jī)械地設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，該點(diǎn)數(shù)與樣點(diǎn)數(shù)的比值則是林分的郁閉度。枯落物的樣地選擇在林分中隨機(jī)選擇5塊樣地，大小為0.5 m×0.5 m。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.1.2 枯落物持水量和吸水速率 利用室內(nèi)浸泡法對(duì)3種林分的枯落物持水量和持水速率進(jìn)行測定，測量枯落物的厚度，然后要快速對(duì)其鮮重進(jìn)行稱量，此后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干，對(duì)其重量進(jìn)行再次稱重，最后將需要測定的枯落物在水中進(jìn)行浸泡，在0.5，1，2，4，8，24 h對(duì)枯落物的重量變化要進(jìn)行測定，從而得出枯落物的持水量、持水速率和最大持水率測定枯落物的持水量[9-11]。

為體現(xiàn)枯落物的真實(shí)攔蓄量一般都用有效攔蓄量表示：

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W代表有效攔蓄量(t/hm2)；Rm代表最大持水率(%)；R0代表自然含水率(%)；M代表枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)。

2.2 土壤層物理水源涵養(yǎng)功能測定

利用環(huán)刀法和雙環(huán)法對(duì)土壤層的性質(zhì)進(jìn)行測定[12-13]，在林分標(biāo)準(zhǔn)地中選取合適進(jìn)行土壤剖面的挖取，將土壤分為3層，分別為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，并對(duì)土壤容重、孔隙度、持水能力指標(biāo)進(jìn)行測定。

土壤持水量公式為：W=10000Ph

式中：W代表土壤持水量(t/hm2)；P代表土壤孔隙度(%)；h代表土壤厚度(m)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物蓄積量

枯落物的存量多少是由很多因素決定的，決定枯落物存量的是林分枯落物的進(jìn)入量和分解量，而林分枯落物的進(jìn)入量是與林分樹種組成、郁閉度、樣地的水平及垂直結(jié)構(gòu)、本身的厚度和林下植被生長情況等都是有關(guān)的。從表2中可以看出，不同海拔梯度的枯落物總蓄積量有一定的差別，總蓄積量變動(dòng)范圍為32.14～41.97 t/hm2，枯落物總蓄積量由大到小排序?yàn)椋孩?Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ，隨著海拔的升高，油松純林枯落物總蓄積量是先減少后增加的。對(duì)5個(gè)海拔梯度枯落物的未分解層、半分解層進(jìn)行分析研究，表明：各海拔梯度的蓄積量所占比例不同，其中未分解枯落物蓄積量都小于半分解層；未分解層枯落物蓄積量隨著海拔變化是先減小后增大，由大到小依次排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ，半分解層枯落物蓄積量隨著海拔變化是先減小后增大，由大到小依次排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ；未分解層枯落物蓄積量占有的比例隨著海拔的增大而減小，其中樣地Ⅰ所占比例最大，為19.03%，最小的為樣地Ⅴ，為14.34%，大小排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ，而半分解層蓄積量占有的比例隨海拔變化的規(guī)律與未分解層恰好相反，排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，以上表明高海拔(1 450 m)枯落物分解速度較快，而低海拔海拔(910 m)分解速度較慢，主要原因是海拔高的地方陽光能夠直接射到林分的地面，接受的陽光比較多，而低海拔的則相反，枯落物不能夠充分的分解。

表2 不同海拔梯度油松純林枯落物蓄積量

3.2 不同海拔梯度枯落物水源涵養(yǎng)功能

3.2.1 不同海拔梯度枯落物最大持水量 由表3可知，隨著海拔的升高最大持水量先減小后增大，最高的為樣地Ⅴ，達(dá)到了103.95 t/hm2，與10.40 mm降雨相當(dāng)，樣地Ⅱ的最低，為67.31 t/hm2，與6.73 mm降雨相當(dāng)，大小排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ，其中枯落物未分解層最大持水量最小的為樣地Ⅲ，最大的為樣地Ⅰ，半分解層最小的為樣地Ⅱ，最高的為樣地Ⅴ；枯落物最大持水率隨著海拔的升高先減小后增大再減小，變化的范圍在196.85%～253.34%，大小排序?yàn)棰?Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ?？萋湮锟偤妥畲蟪炙颗c最大持水率隨著海拔的升高呈現(xiàn)了不同的規(guī)律，這與兩者的相關(guān)因子有關(guān)系，最大持水量與枯落物的蓄積量有關(guān)，而枯落物的兩個(gè)分解層的組成比例和枯落物厚度有關(guān)系。

表3 不同海拔梯度油松純林最大持水量和最大持水率

3.2.2 不同海拔梯度枯落物有效攔蓄量 枯落物的最大持水率在一定程度上反映了其持水能力的大小，但是不能夠真實(shí)地反映其攔蓄情況，因?yàn)樽畲蟪炙什]有把枯落物在測定前的自然含水狀況考慮在內(nèi)，這樣會(huì)導(dǎo)致高估林分的攔蓄能力，因此有效攔蓄能力更能合適地表達(dá)林分的攔蓄能力。從表4可看出，未分解層有效攔蓄率大小排序?yàn)棰?Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，半分解層有效攔蓄率大小排序?yàn)棰?Ⅴ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，未分解層與半分解層規(guī)律的不同主要是因?yàn)閮烧叩膬?chǔ)量和吸水速率不同。由有效攔蓄量看，未分解層大小排序?yàn)椋孩?Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ，半分解層Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，兩者的差別主要是由于枯落物蓄積量不同；綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知，有效攔蓄能力最強(qiáng)的為樣地Ⅴ，為84.69 t/m2，相當(dāng)于攔蓄8.47 mm的降雨，樣地Ⅱ攔蓄能力最弱，為48.16 t/hm2，只相當(dāng)于攔蓄4.82 mm的降雨，即海拔(1 450 m)攔蓄能力較強(qiáng)，海拔(1 050 m)較弱。

表4 不同海拔枯落物攔蓄能力

3.2.3 枯落物持水過程 從圖1可以看出，在最初浸泡的0.5 h內(nèi)，枯落物持水速率比較高，持水量會(huì)迅速增加，隨著時(shí)間的推移而呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，在8 h左右持水量增加速度會(huì)變緩，變化規(guī)律與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律非常相似，在降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流能力比較強(qiáng)，此后隨枯落物濕度的增加，吸持能力降低。在到達(dá)24 h的持水量，從未分解層來看是Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，半分解層是Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅱ。

對(duì)1～24 h之間5個(gè)海拔林分枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系式(表5)為：

Q=alnt+b

式中:Q表示枯落物持水量(g/kg);t表示浸泡時(shí)間(h);a表示方程系數(shù);b表示方程常數(shù)項(xiàng)。

圖1 枯落物不同分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

表5 不同海拔梯度枯落物持水量、持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.4 不同海拔梯度枯落物吸水速率 從圖2可以看出，5個(gè)樣地不同梯度枯落物吸水速率呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：未分解層和半分解層都是在前0.5 h內(nèi)吸水速率非常高，隨后迅速減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因?yàn)樵诳葜β淙~從風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后，枯枝落葉表面水勢差較大，吸水速率高；4 h左右時(shí)吸水速率下降的速度明顯減緩，在浸泡24 h以后基本處于停止?fàn)顟B(tài)，即枯落物隨浸泡時(shí)間延長，吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間增長，枯落物持水量接近其最大持水量，即枯落物逐漸趨于飽和，其持水量增長速度隨之減緩所致。對(duì)5塊樣地不同海拔不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，得出該時(shí)間段內(nèi)吸水速率與浸泡時(shí)間之間的擬合模型(表5)為：

V=ktnR>0.99

式中：V為枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t為浸泡時(shí)間(h)；k為方程系數(shù)；n為指數(shù)。

圖2 枯落物不同分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.3 不同海拔梯度土壤層物理性質(zhì)及水源涵養(yǎng)功能

3.3.1 不同海拔梯度土壤層容重 土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況。土壤容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好，容重大則相反，而該林齡的水平根系主要集中在30—40 cm左右，因此土層的厚度選擇0—40 cm。由表6可知，不同樣地土壤容重有較大差異，在0—40 cm土層內(nèi)，土壤容重均值排列順序?yàn)棰?Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ，即隨海拔升高土壤總?cè)葜叵仍龃蠛鬁p小。從土壤容重的垂直變化看，5個(gè)海拔梯度土壤容重變化趨勢有相同的規(guī)律，即隨土層深度加深土壤容重逐漸增大。在容重均值最大的樣地Ⅳ內(nèi)，容重從0—10 cm的1.13 g/cm3增加到20—40 cm的1.27 g/cm3；在容重均值最小的樣地Ⅰ內(nèi)，容重從0—10 cm的0.85 g/cm3增加到20—40 cm的1.06 g/cm3。造成這種變化的原因主要是隨土層深度增加，土壤中有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，土壤團(tuán)聚性降低，從而增加了土壤的緊實(shí)度，表層土壤疏松、底層土壤則相反。

表6 不同海拔梯度土壤物理性質(zhì)及持水量

3.3.2 不同海拔梯度土壤層孔隙度 土壤孔隙的組成會(huì)直接影響土壤通透性，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)而言，毛管孔隙度大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長發(fā)育的能力；而非毛管孔隙度大小反映了森林植被滯留水分、發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力。從表6可以看出，土壤總毛管孔隙度從垂直方向來看，5個(gè)樣地都是隨著土壤厚度的加深而減小，說明油松純林土壤表層比較疏松，樣地Ⅰ的總孔隙度從0—10 cm的51.53 %減小到20—40 cm的44.01%，樣地Ⅴ的總孔隙度從0—10 cm的57.90%減小到20—40 cm的51.24%。土壤總孔隙度均值大小排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，即隨海拔升高總孔隙度先減小后增大。5個(gè)海拔梯度土壤毛管孔隙度均值排序與總孔隙度一致，毛管孔隙度大，土壤中有效水的貯存量越大，樹木用于自身生長發(fā)育所需的有效水分的比例越大，說明隨海拔增加油松人工林土壤毛管孔隙度增大，即低海拔油松人工林用于自身生長發(fā)育所需的有效水分的比例大，高海拔相反。

3.3.3 不同海拔梯度土壤蓄水能力 林地土壤的蓄水能力是評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，其大小與土壤厚度和土壤孔隙度狀況有關(guān)。非毛管孔隙能較快吸收降水并及時(shí)下滲，有利于水源涵養(yǎng)。因此，不同林地土壤的非毛管孔隙度不同，林地的蓄水能力也不相同。由表6可知，不同海拔土壤蓄水性能存在一定差異，從土壤飽和持水量均值來看，其大小順序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，樣地Ⅴ土壤貯蓄水分潛在能力為樣地Ⅱ的1.38倍。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度的大小，有效持水量均值大小順序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ，其中樣地Ⅰ有效持水量最大，說明低海拔(910 m)油松純林持水能力最強(qiáng)，高海拔(1 450 m)最弱。

3.3.4 土壤層的滲透性 土壤的滲透性越好，林分的水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)，土壤的流失也會(huì)比較小，地表的徑流也會(huì)比較少，從而減少林分土壤的被侵蝕的程度。從表7可以看出，不同海拔土壤層的初滲速率差距比較大，樣地Ⅱ初滲速率最大，為39.56 mm/min，最低的是樣地Ⅴ，為10.88 mm/min，大小排序?yàn)椋孩?Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ；隨著時(shí)間的不斷推移，土壤的入滲速率會(huì)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋孩?Ⅰ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ。對(duì)林分土壤的入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行關(guān)系擬合，兩者具有較好的函數(shù)關(guān)系：

f=at-b(R>0.92)

式中：f為入滲速率(mm/min)；a，b為常數(shù)；t為入滲時(shí)間(min)。

4 結(jié) 論

(1) 枯落物總蓄積量大小排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ，未分解層枯落物蓄積量隨著海拔變化是先減小后增大，由大到小依次排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ，半分解層枯落物蓄積量隨著海拔變化是先減小后增大，由大到小依次排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ，說明高海拔枯落物分解速度較快；枯落物最大持水量總和隨海拔升高表現(xiàn)為先減小而后增大，大小排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ，最大持水率隨海拔的升高而呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，變化的范圍在196.85%～253.34%，大小排序?yàn)棰?Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ；在浸水初期，枯落物持水速率比較高，持水量會(huì)迅速增加，隨著時(shí)間的推移而不斷增加，在到達(dá)24 h的持水量，從未分解層來看是Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，半分解層是Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅱ。

(2) 在0—40 cm土層內(nèi)，隨海拔升高土壤總?cè)葜叵仍龃?，且同一海拔土壤容重呈現(xiàn)隨土壤厚度的加深而增大的變化規(guī)律，總孔隙度隨海拔升高表現(xiàn)為先減小后增大；從土壤飽和持水量均值來看，其大小順序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，即高海拔油松人工林土壤貯蓄水分潛在能力最強(qiáng)，樣地Ⅴ土壤貯蓄水分潛在能力為樣地Ⅱ的1.38倍。土壤有效持水量均值大小順序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ，低海拔(910 m)持水能力最強(qiáng)，高海拔(1 450 m)最弱。

(3) 不同海拔土壤層的初滲速率差距比較大，樣地Ⅱ初滲速率最大，為39.56 mm/min，最低的是樣地Ⅴ，為10.88 mm/min，大小排序?yàn)椋孩?Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ；隨著時(shí)間的不斷推移，土壤的入滲速率會(huì)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋孩?Ⅰ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ；入滲速率與入滲時(shí)間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系：f=at-b(R>0.92)。