滇中磨盤山幾種典型林分枯落物及土壤的持水特性

張亞慶 胡慧蓉

摘要：采用室內(nèi)浸水法和環(huán)刀法分析滇中磨盤山4種典型林分枯落物及土壤持水特性，為研究該地區(qū)水土保育提供依據(jù)。4種林分枯落物層的總蓄積量為3.22～8.98 t/hm2，大小依次為華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林。各林分枯落物持水量、吸水速率隨浸水時間分別呈Q=a+blnt、v=ktn的方程關(guān)系。4種林分枯落物的最大持水量為7.92～20.77 t/hm2，有效攔蓄量為4.46～12.85 t/hm2，均呈現(xiàn)出華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林，表明4種林分枯落物層華山松針葉林持水性能最強。在0～40 cm 的土層，土壤容重均值最大為華山松針葉林（0.84 g/cm3），最小的是高山栲常綠闊葉林（0.51 g/cm3）。非毛管孔隙度均值最大的是高山栲常綠闊葉林（16.97%），最小的是云南松+木荷混交林（8.69%）。土壤最大持水量均值為 586.60～777.13 t/hm2，有效持水量均值為109.33～207.25 t/hm2，4種林分土壤層持水性能表現(xiàn)為高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林。比較了滇中磨盤山4種林地枯落物層和土壤層的持水特征，發(fā)現(xiàn)枯落物層的持水量遠低于土壤層。因此，高山栲常綠闊葉林持水性能最好。

關(guān)鍵詞：典型林分;枯落物;土壤持水特性;滇中磨盤山;水土保育

中圖分類號： S718.5

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0296-05

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有最大的水源涵養(yǎng)和水土保持功能[1-2]。在森林垂直結(jié)構(gòu)的3個層次中，枯落物層和土壤層對森林系統(tǒng)涵養(yǎng)水源具有重要意義，主要表現(xiàn)在阻滯分散降水、避免地面濺蝕、調(diào)節(jié)地表徑流、削減水分蒸發(fā)、提高土壤蓄水量等方面[3]。同時，不同森林類型因為其林分發(fā)育環(huán)境、樹種組成結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)力存在差異，造成水土保持性能也有所不同[4-5]。因此，加強森林枯落物和土壤水文效應(yīng)監(jiān)測對于森林資源合理經(jīng)營/改善森林水環(huán)境、利用水資源具有重要意義[6-7]。

云南橫穿北回歸線，地處低緯高原，氣候類型多樣，植被種類豐富。冬、夏半年各受2種不同大氣環(huán)流影響（冬半年受北部大陸上空干暖氣候控制，夏半年受海洋暖濕氣流的控制），干、濕季分明，地域分配極不均勻。常伴有干旱和森林火災等自然災害的發(fā)生，因此研究其水分特性具有重要的意義。近年來，國內(nèi)學者對我國不同地區(qū)森林枯落物及其土壤持水特性等內(nèi)容已有較多的研究和報道[2，8-9]，但對云南高原垂直方向上亞熱帶向暖溫帶過渡地帶各林分下的枯落物與土壤水分特性研究的相關(guān)報道并不多見，未能反映出滇中高原山地森林土壤及其枯落物的水文特征。本研究以滇中磨盤山4種典型林分高山矮櫟林、高山栲常綠闊葉林、華山松針葉林、云南松+木荷混交林為研究對象，通過比較和分析4種典型林分枯落物及土壤的持水能力，以揭示其水文生態(tài)功能。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地滇中磨盤山地處云貴高原、橫斷山地和青藏高原南緣的地理結(jié)合部（101°16′06″～101°16′12″E、23°46′18″～23°54′34″N），海拔1 260.0～2 614.4 m，面積7 348.5 hm2。地處低緯高原，地形地貌復雜，兼具低緯氣候、季風氣候、山原氣候的特點。年平均氣溫15 ℃，年平均降水量1 050 mm，極端最高氣溫33.0 ℃，極端最低氣溫-2.2 ℃，全年日照時數(shù) 2 380 h。磨盤山海拔高度不高，但因其特殊的地理位置導致立體氣候明顯，森林類型多樣，植被種類豐富，隨海拔的升高呈現(xiàn)出垂直分布特征。土壤以山地紅壤和玄武巖紅壤為主，局部地區(qū)有黃棕壤分布。土壤厚度以中厚土壤層為主，局部為薄土層，全區(qū)有效土層厚度約為40 cm。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2016年11月在前期踏查的基礎(chǔ)上，以滇中磨盤山4種典型林分高山矮櫟林、高山栲常綠闊葉林、華山松針葉林、云南松+木荷混交林為研究對象，根據(jù)典型性和代表性原則，在林內(nèi)設(shè)置3個20 m×20 m標準地，并進行樣地調(diào)查。樣地基本情況見表1。

在上述4種典型樣地內(nèi)，沿對角線設(shè)5個面積為50 cm×50 cm[10]的小樣方，小樣方內(nèi)的枯落物按分解程度劃分為未分解層、半分解層2層，分層測量并取樣稱鮮質(zhì)量。同時，分別挖掘4個土壤剖面，按0～10、10～20、20～40 cm劃分土壤層，分層測定土壤自然含水率并取環(huán)刀，每層土壤測定重復3次。將枯落物樣品與帶土的環(huán)刀帶回實驗室，進行分析測定。

1.3 枯落物蓄積量及持水性能測定

枯落物蓄積量測定：將取得的枯落物稱鮮質(zhì)量，烘干高山矮櫟林 2 504 NW62 29 黃棕壤 0.95 高山櫟（Quercus semecarpifolia）、光葉柯（Lithocarpus mairei）、麻櫟（Quercus acutissima）

高山栲常綠闊葉林 2 430 SW31 18 紅壤 0.90 高山栲（Castanopsis delavayi）、小鐵子（Myrsine africana）、滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoides）

華山松針葉林 2 346 SW55 27 紅壤 0.75 華山松（Pinus armandii）、青岡（Cyclobalanopsis glauca）、斜基葉柃（Eurya obliquifolia）

云南松+木荷混交林 2 160 SW43 15 紅壤 0.85 云南松（Pinus yunnanensis）、云南含笑（Michelia yunnanensis）、木荷（Schima superba Gardn）

（80 ℃）至恒質(zhì)量，計算枯落物的自然含水率及蓄積量。

枯落物持水量及吸水速率測定：采用室內(nèi)浸水法，將烘干后的枯落物取部分（約20 g）稱量裝入尼龍網(wǎng)袋，分別測定其浸入清水后0.25、0.5、1、2、4、6、8、12、18、24 h的質(zhì)量，由此計算在不同浸水時間段內(nèi)枯落物的持水量、持水率及吸水速率[10-11]。計算公式為

式中：Q為枯落物不同時段的持水量，g/kg;Gt、Gd分別為每個時間段浸水后質(zhì)量和枯落物烘干質(zhì)量，g;v為枯落物的吸水速率，g/（kg·h）。

枯落物有效攔蓄量測定：采用有效攔蓄量來估算枯落物層對實際降水的有效攔蓄情況[12-14]。計算公式為式中：W為有效攔蓄量，t/hm2;Qm為最大持水率，%;Q0為自然含水率，%;M為枯落物蓄積量，t/hm2。

1.4 土壤物理性質(zhì)及持水性能測定

采用烘干法測定土壤自然含水量，采用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤水分物理性質(zhì)、土壤孔隙度。土壤持水量計算公式為[12]式中：Rmax為土壤最大持水量，t/hm2;R為土壤有效持水量，t/hm2;h為土層厚度，m;pi為土壤總孔隙度，%;p為土壤非毛管孔隙度，%。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用SPSS 16.0中的單因素方差分析檢驗4種典型林分枯落物不同分解層和土壤不同土層持水能力的差異顯著性。采用Excel 2007進行圖表處理和平均值等簡單描述性統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型林分枯落物持水特性

2.1.1 枯落物的蓄積量 森林枯落物層的儲水能力由枯落物數(shù)量和持水特性共同決定，一般枯落物的蓄積量越多，持水能力越強，其水源涵養(yǎng)功能越好[13]。由表2可知，4種林分枯落物總厚度在4.29～5.90 cm，大小依次為云南松+木荷混交林>高山矮櫟林>華山松針葉林>高山栲常綠闊葉林，且各林分枯落物厚度均表現(xiàn)為未分解層>半分解層。4種林分枯落物總蓄積量在3.22～8.98 t/hm2，大小依次為華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林，華山松針葉林與高山矮櫟林、高山栲常綠闊葉林間差異顯著（P<0.05），林下枯落物的蓄積量約是高山矮櫟林、高山栲常綠闊葉林的2倍。本研究結(jié)果與梁曉嬌等的研究結(jié)論[15]一致，可能是由于針葉林的枯落物產(chǎn)量多、難分解，而闊葉林易于分解造成的[14]。枯落物總厚度與總蓄積量并未表現(xiàn)出一致的規(guī)律，這是因為森林系統(tǒng)不同樹種組成和生長狀況會不同程度地影響到枯落物的輸入與分解，進而直接影響到森林枯落物的積累。其次，4種林分未分解層、半分解層蓄積量所占總蓄積量的比例也有不同，半分解層所占的比例較小，為21%～37%，未分解層所占的比例高達60%以上。本研究結(jié)果與趙雨森等的半分解層大于未分解層的研究結(jié)果[3，14]相反，但與趙陽等的研究結(jié)論[16]趨于一致，這與林木的凋落歸還主要發(fā)生在秋冬季節(jié)有很大關(guān)系。

要指標[17]?？萋湮锍炙看笮∨c森林類型、枯落物特性、枯落物分解狀況、枯落物自然含水量等有直接關(guān)系[18]。由圖1可知，4種林分所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律基本一致，即浸水初期持水量迅速增加，中期增加的幅度隨浸水時間的推移而下降，后期趨于穩(wěn)定。同時，半分解層枯落物浸泡8 h已基本趨于穩(wěn)定，而未分解層10 h才趨于穩(wěn)定。由此可見，枯落物分解程度不同，其持水量動態(tài)也不相同。在未分解層，高山矮櫟林累積持水量最大，為2 424 g/kg，華山松針葉林最小，為2 040 g/kg;半分解層華山松針葉林累積持水量最大，為3 123 g/kg，云南松+木荷混交林最小，為 2 897 g/kg。同一林分不同分解層間差異明顯，但是半分解層累積持水量均大于未分解層，表明枯落物半分解層比未分解層吸水能力強。對4種林分枯落物未分解層、半分解層持水量與浸水時間之間的關(guān)系進行回歸分析，得出如下關(guān)系式：Q=a+blnt。式中：Q為枯落物持水量，g/kg;t為浸泡時間，h;b為方程系數(shù);a為方程常數(shù)項。說明枯落物持水量與浸水時間存在較好的相關(guān)性（表3）。

由圖2可見，4種林分枯落物的吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：在前0.5 h內(nèi)吸水速率最大，之后急劇下降，4 h后下降速率逐漸變緩，24 h吸水基本停止，持水量趨于飽和。且不同林分半分解層吸水速率均大于未分解層，這與枯落物組成和分解速率等有關(guān)。對4種林分枯落物未分解層、半分解層吸水速率與浸水時間之間的關(guān)系進行回歸分析，得出如下關(guān)系式：v=ktn。式中：v為枯落物吸水速率，g/（kg·h）;t為浸泡時間，h;k為方程系數(shù);n為指數(shù)。說明凋落物吸水速率與浸水時間存在較好的相關(guān)性（表3）。枯落的持水過程與鄭江坤等研究所得枯落物持水率及持水量隨浸水時間呈對數(shù)增長、吸水速率隨浸水時間呈冪函數(shù)下降的結(jié)論[10，13]趨勢一致，說明降水的前期時間有利于枯落物的降水截留和儲蓄[19]。

2.1.3 枯落物持水能力與攔蓄能力 枯落物的持水能力是由最大持水率和最大持水量表示的。由表4可見，4種典型林分間枯落物最大持水率在223%～246%之間 ，依次為高山矮櫟林>云南松+木荷混交林>華山松針林>高山栲常綠闊葉林;枯落物最大持水量差異顯著，變幅為7.92～20.77 t/hm2，排序為華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林。其中華山松針葉林是高山矮櫟林的2.62倍，原因是最大持水量是由其最大持水率和蓄積量共同決定的，蓄積量越大，持水量越高。

一般認為，枯落物浸水24 h的持水率（量）為最大持水率（量），是理想狀態(tài)下的反映。在現(xiàn)實中，采用有效攔蓄量估算枯落物層對降水的實際攔蓄情況[12-14]。由表4可知，4種林分枯落物有效攔蓄率在129%～145%，高山栲常綠闊葉 林> 華山松針葉林>高山矮櫟林>云南松+木荷混交林。枯落物有效攔蓄量在4.46～12.85 t/hm2，華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林， 華山松針葉林是高山矮櫟林的2.88倍。4種林分枯落物有效攔蓄量差異顯著，其中華山松針葉林地表枯落物攔蓄能力最強，因此在保持水土和涵養(yǎng)水源過程中發(fā)揮重要的作用。

2.2 典型林分土壤持水特性

2.2.1 典型林分土壤容重及孔隙度 土壤容重和孔隙度是土壤物理特性的2項重要指標，反映土壤的通氣透水情況，進而影響土壤持水性能[9]。由表5可知，在0～40 cm的土層內(nèi)，土壤容重均值在0.51～0.84 g/cm3，大小為華山松針葉 林> 云南松+木荷混交林>高山矮櫟林>高山栲常綠闊葉林，且4種林分土壤容重變化趨勢一致，均隨土壤深度的增加而不斷增大。除了云南松+木荷混交林和華山松針葉林 20～40 cm之外，其他各林分0～40 cm土壤容重均<1 g/cm3。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是土壤表層富含大量的有機質(zhì)，隨土層加深，含量才逐漸減少，使土壤團聚性降低，增加了土壤的緊實度。

與容重相反，土壤孔隙度總體上呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而逐漸減小的趨勢，即表層土壤比較疏松，深層土壤比較緊實。由表5可見，在0～40 cm的土層內(nèi)，4種林分土壤總孔隙度均值在45.98%～59.84%，大小依次為高山矮櫟林>高山栲常綠闊葉林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林。毛管孔隙度均值在37.29%～46.04%，大小變化趨勢依次為高山矮櫟林>華山松針葉林>高山栲常綠闊葉林>云南松+木荷混交林。毛管孔隙度越大，土壤中貯存的有效水越多，對維持樹木自身的生長發(fā)育越有利。非毛管孔隙度均值在 8.69%～16.97%，高山栲常綠闊葉林約是云南松+木荷混交林的2倍，非毛管孔隙度越大，越有利于土壤滲透和降水下滲，起到涵養(yǎng)水源的作用，即高山栲常綠闊葉林土壤通透性最好，云南松+木荷混交林相對較差。

2.2.2 典型林分土壤持水性能 土壤持水性作為土壤生態(tài)功能的重要指標，不僅反映了土壤蓄集和保持水分的能力，同時也反映出土壤一定的抗水蝕性，其大小主要取決于土壤厚度、土壤孔隙度狀況等[20]。土壤最大持水量是由毛管孔隙度與非毛管孔隙度共同決定的，反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力[5，21];而土壤有效持水量與非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，非毛管孔隙度越大，土壤越能及時地吸收降水并下滲，越有利于提高土壤有效持水量[22]。由表5可知，4種典型林分同一土層持水性能差異顯著，但是各林分土壤最大持水量、有效持水量表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。從4種林分0～40 cm 的土壤最大持水量、有效持水量均值來看，均表現(xiàn)為高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林，說明高山栲常綠闊葉林的土壤層持水能力最強。

2.3 典型林地持水特性

林地持水量是土壤層與枯落物層持水量的綜合反映，其持水性能與枯落物層、土壤層持水性能密切相關(guān)，能夠有效地反映各林地對降水的攔蓄能力[22]。由表6可知，比較4種林分枯落物層和土壤層的持水特性，得知枯落物層的持水量遠低于土壤層。此結(jié)論與陳倩等的研究結(jié)果[9，12]基本一致，進一步表明土壤層是森林涵養(yǎng)水源的主要場所。4種林地最大持水量變化范圍為598.52～786.13 t/hm2，排序為高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林;林地有效持水量變化在115.76～213.11 t/hm2，其中高山栲常綠闊葉林約是云南松+木荷混交林的2倍，結(jié)果表明高山栲常綠闊葉林保持水土和涵養(yǎng)水源的能力最強。雖然土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，但是林地表層枯落物組成、累積和分解狀況有利于提高土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)，進而提高土壤的持水性能。所以，加強對現(xiàn)有的森林生態(tài)系統(tǒng)的整體經(jīng)營調(diào)控很有必要。

3 結(jié)論

4種典型林分枯落物的總厚度在4.29～5.90 cm，云南松+木荷混交林>高山矮櫟林>華山松針葉林>高山栲常綠闊葉林;總蓄積量在3.22～8.98 t/hm2，華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林。

整個吸水過程分析：枯落物在前0.5 h內(nèi)吸水速率最大，之后急劇下降，4 h下降速率逐漸變緩，24 h吸水基本停止?？萋湮锏某炙侩S浸水時間呈Q=a+blnt對數(shù)增長的方程關(guān)系，吸水速率隨浸水時間呈v=ktn冪函數(shù)下降的方程關(guān)系。受枯落物蓄積量的影響，4種典型林分枯落物層的最大持水量、有效攔蓄量均呈現(xiàn)出華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林，表明在枯落物層華山松針葉林的持水能力較好。

4種林分間土壤容重和孔隙度差異較大，在0～40 cm 的土層內(nèi)，土壤容重均值大小為華山松針葉林>云南松+木荷混交林>高山矮櫟林>高山栲常綠闊葉林，且隨著土層的加深不斷的增大;總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為高山矮櫟林最大，云南松+木荷混交林最小;非毛管孔隙度均值排序為高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林，即高山栲常綠闊葉林的土壤通透性最好?從4種林分0～40 cm的土壤層最大持水量、有效持水量均值來看，均表現(xiàn)為高山栲常綠闊葉林>高山矮櫟林>華山松針葉林>云南松+木荷混交林，說明在土壤層高山栲常綠闊葉林的持水能力最強。

綜合比較滇中磨盤山4種林分枯落物層和土壤層的持水特性，得知枯落物層的持水量遠低于土壤層，整個林地的4種林分最大持水量、有效持水量均表現(xiàn)為高山栲常綠闊葉林持水性能好，能夠更好地涵養(yǎng)水源。

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