半干旱區(qū)4種人工林植被的水文功能特征

王云霓，郭春燕，賈喜平，聶竹彥，桑 昊，師鵬飛，楊溢文

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3. 卓資縣上高臺(tái)林場，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012314； 4. 土默特左旗白石頭溝試驗(yàn)林場，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

城市環(huán)境下森林植被具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)小氣候、改善大氣質(zhì)量等多種水文作用[1-2]。林地水文功能主要包括林冠層對(duì)降水的再分配[3-5]、枯落物層[6-7]和土壤層[8-9]等3部分。其中，森林植被的林冠層具有改變降水特征、影響地面徑流等水文作用[3]，冠層截留主要受植被類型、冠層枝葉特征、降水特征等影響[3-5]。枯落物層具有涵養(yǎng)水源、延緩徑流、減少土壤蒸發(fā)等重要的水文功能，其水文功能主要受林分類型、枯落物特征的影響[10-11]。王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山、時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤山、趙陽等[7]在河北省圍場縣北溝林場的研究表明：不同林分枯落物的持水能力具有顯著的差異；張衛(wèi)強(qiáng)等[8]研究發(fā)現(xiàn)：刺槐(Robiniapseudoacacia)林地土壤蒸發(fā)受枯落物層厚度的影響。此外，林地土壤具有涵養(yǎng)水源、減緩徑流等水文生態(tài)效益，土壤層的水文效益主要與植被類型、土壤物理性質(zhì)有關(guān)。張雷燕等[6]在寧夏六盤山南側(cè)、趙陽等[7]在華北土石山區(qū)、姜海燕等[9]在大興安嶺嶺南的研究均發(fā)現(xiàn)：不同植被類型土壤層水文功能存在差異；陳瑤等[12]對(duì)黃土坡耕地棄耕后土壤入滲研究認(rèn)為：土壤空隙越大，土壤入滲量越大，有機(jī)質(zhì)越多，容重越小，土壤入滲能力越好；王斌等[13]研究認(rèn)為：森林土壤涵養(yǎng)水源能力取決于土壤和森林植被的綜合狀況。

目前，有關(guān)林分水文效益的研究多集中在丘陵或山地，而在城市環(huán)境下的研究相對(duì)較少。在城市環(huán)境下，不透水地面面積的增加，土壤-植物-大氣之間水汽循環(huán)減弱，水汽調(diào)節(jié)能力差[14]；此外，隨著城市熱島效應(yīng)的影響，會(huì)加大林地?zé)o效蒸發(fā)，增加城市林地對(duì)水分的需求，所以林地水文涵養(yǎng)作用尤為重要。因而研究城市林地水文效益對(duì)于發(fā)揮干旱地區(qū)城市林地的生態(tài)效益、合理調(diào)配及利用水資源具有重要的意義。

本研究選擇內(nèi)蒙古林科院樹木園的4種人工林植被為研究對(duì)象，通過確定其冠層截留量、枯落物持水特征及土壤層的貯水特征，以期了解城市環(huán)境下植被的水文功能，為城市森林的經(jīng)營管理及生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古林科院樹木園(40°49′N，111°41′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū)，始建于1954年，占地 21.7 hm2，海拔1 056 m。截至目前，各類喬灌木樹種達(dá)到500種以上，樹木園高覆蓋度的森林植被對(duì)當(dāng)?shù)睾B(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、改善大氣環(huán)境起著重要的作用，豐富的植物資源也為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)、園林綠化樹種選擇提供了科學(xué)依據(jù)。

呼和浩特市屬于典型的蒙古高原大陸性氣候，四季分明，春、秋季干燥風(fēng)大，夏季雨熱同期，冬季漫長寒冷。根據(jù)呼和浩特市1960—2016年氣象數(shù)據(jù)顯示，平均氣溫為 6.82 ℃，年均氣溫為 4.86～8.98 ℃；7月溫度最高，多年平均為 22.58 ℃；多年平均降水量為 402.60 mm，年降水量為 155.10～685.90 mm，降水主要集中在7—8月；平均大氣相對(duì)濕度為 52.38%，年均風(fēng)速為 1.89 m·s-1，年均蒸發(fā)量 1 802.32 mm，無霜期135 d左右。土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土。

2 研究方法

2.1 樣地基本情況

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林分布在樹木園的東側(cè)，平均胸徑 17.10 cm，平均樹高 14.70 m，平均冠幅 2.78 m。林下灌木或小喬木相對(duì)豐富，主要有細(xì)葉小檗(Berberispoiretii)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、美麗茶藨子(Ribespulchellum)、峨嵋薔薇(Rosaomeiensis)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、蒙桑(Morusmongolica)、文冠果(Xanthocerassorbifolia)、家榆(Ulmuspumila)等。

油松(Pinustabuliformis)人工林分布在樹木園的北側(cè)，平均胸徑 22.30 cm，平均樹高 11.60 m，平均冠幅 5.16 m。林下有毛果繡線菊(Spiraeatrichocarpa)、美麗茶藨子、細(xì)葉小檗等灌木零星分布。

楊樹人工林分布在樹木園的東南側(cè)和南側(cè)，種類有新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、銀新楊(P.alba×P.albavar.pyramidalis)、北京楊(P.×beijingensis)。平均胸徑 35.70 cm，平均樹高 17.10 m，平均冠幅 6.42 m。

錦雞兒人工灌木林分布在樹木園的西南，錦雞兒種類較多，有樹錦雞兒(Caraganaarborescens)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)、紅花錦雞兒(C.rosea)、小葉錦雞兒(C.microphylla)、甘蒙錦雞兒(C.opulens)、中間錦雞兒(C.liouana)、刺葉錦雞兒(C.acanthophylla)等7種，錦雞兒的平均地徑 1.38 cm，平均灌高 1.13 m，平均冠幅 1.52 m。樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation of stands in sample plots

4種林分的草本層均發(fā)育一般，蓋度小于 15%，種類相似，以陰山薹草(Carexyinshanica)、麥瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黃花鐵線蓮(Clematisintricata)、無芒雀麥(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花針茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飛廉(Carduusnutans)、狗尾草(Setariaviridis)、車前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)為優(yōu)勢種。

2.2 林冠層的水文功能測定

林冠對(duì)降水的再分配按照常規(guī)森林水文學(xué)方法測定。林外降水量采用Dynamet小型自動(dòng)氣象站(USA)測定；穿透雨采用自動(dòng)雨量計(jì)，結(jié)合自制接水面測定；樹干莖流采用PVC管(喬木)或瓶蓋(灌叢)蛇形纏繞法進(jìn)行收集[3]，基于樣地面積(S，m2)、徑級(jí)數(shù)(n)、每一徑級(jí)的樹木株數(shù)(Mn)及樹干莖流量(Cn，mL)計(jì)算樹干莖流量(Sc，mm)，公式為：

(1)

次降水后，利用降水量(P，mm)減去林內(nèi)穿透雨(Tc，mm)和樹干莖流量(Sc，mm)，得到冠層截留量(Ic)，公式為：

Ic=P-Tc-Sc

(2)

2.3 枯落物層的水文功能測定

在樣地內(nèi)，沿對(duì)角線中心及四角設(shè)置5個(gè)30 cm × 30 cm的枯落物樣方，鋼尺測量枯落物層總厚度及未分解、半分解層的厚度，并分層取樣稱濕重；將樣品分別裝入網(wǎng)袋，浸入水中24 h后取出，靜置5 min后稱重，計(jì)算枯落物持水能力；結(jié)束后，將所有網(wǎng)袋放回野外進(jìn)行自然風(fēng)干，將所有樣品在85 ℃條件下烘至恒重時(shí)進(jìn)行稱重，計(jì)算枯落物貯量。

2.4 土壤層的水文功能測定

2.4.1土壤物理性質(zhì)

在樣地選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，挖掘土壤剖面，機(jī)械劃分土層后，用200 cm3環(huán)刀在土深5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、95 cm 處取土樣。根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究方法》[15]，測定土壤物理性質(zhì)。

2.4.2土壤貯水能力

土壤貯水能力包括最大貯水能力和有效貯水能力，2個(gè)指標(biāo)常用于評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源及水文調(diào)節(jié)功能。土壤貯水能力計(jì)算公式為[3]：

S=104×hi×pi

(3)

式中：S為土壤的貯水能力(t·hm-2)；hi為土壤的厚度(m)；pi為土壤的非毛管孔隙度或總孔隙度(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠層的水文功能

整個(gè)生長季降水量為 240.28 mm，穿透雨占降水量的比重最大，華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹人工林和錦雞兒人工林的穿透雨占總降水量的 81.16%、71.26%、71.66% 和 61.50%；穿透雨的月動(dòng)態(tài)與降水的變化一致，基本表現(xiàn)為6月和8月的林內(nèi)雨量較大，5月和9月的穿透雨較少(圖1)。穿透雨月動(dòng)態(tài)主要受月降水量、植被類型和葉面積等因素的影響，生長季初期，落葉樹種的葉量較少，穿透雨占同期降水量的比例相對(duì)較大，但此期間的降水量較少，所以總量較少。

注：1為楊樹人工林，2為華北落葉松人工林，3為油松人工林，4為錦雞兒人工林。

觀測期內(nèi)，油松人工林的冠層截留量最大，達(dá)到 68.90 mm，占同期降水量的 28.67%；楊樹人工林截留量次之，為 62.48 mm，占同期降水量的 26.00%；錦雞兒人工林和華北落葉松人工林的截留量最低，分別為 49.06 mm和 45.21 mm，截留率分別為 20.42% 和 18.82%。從季節(jié)變化來看，林冠截留量均呈先增大后減小的趨勢。

研究期間，錦雞兒人工林樹干莖流占同期降水量的比例最大，達(dá)到 18.09%，莖流量為 43.46 mm；楊樹人工林樹干莖流量次之，為 5.63 mm，占同期降水量的 2.34%；華北落葉松人工林和油松人工林的樹干莖流量最小，分別為 0.05 mm和 0.15 mm。

3.2 枯落物層的水文功能

3.2.1枯落物厚度和現(xiàn)存量

對(duì)4種森林植被枯落物厚度和現(xiàn)存量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同植被枯落物厚度和現(xiàn)存量差別較大(表2)。其中，楊樹人工林枯落物厚度最大(4.54 cm)，華北落葉松人工林和油松人工林的枯落物厚度次之，分別為 2.94 cm和 2.11 cm，錦雞兒人工林枯落物厚度最小，僅為 1.45 cm。枯落物現(xiàn)存量以油松人工林和楊樹人工林的最大，分別達(dá) 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，華北落葉松人工林枯落物現(xiàn)存量次之(14.16 t·hm-2)，錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量最少，僅為 9.23 t·hm-2。由于針葉林枯落物分解速率慢且積累量大[3]，導(dǎo)致油松人工林枯落物總量大于楊樹人工林；但楊樹冠型大、冠幅長、葉量大，而華北落葉松冠型較小，死枝多，僅樹冠上部枝條是活枝，葉量少于楊樹，導(dǎo)致落葉松人工林枯落物低于楊樹人工林。錦雞兒人工林葉量比喬木林少，且為闊葉樹種，分解較快，導(dǎo)致其枯落物最少。

表2 林分枯落物現(xiàn)存量和持水能力Tab.2 The biomass and water-holding characteristics of forest litters

3.2.2枯落物持水能力

華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹人工林和錦雞兒人工林的枯落物最大持水率分別為 196.97%、189.11%、375.91% 和 307.13%，4種植被枯落物的最大持水量變化為 28.35～66.80 t·hm-2(表2)。楊樹人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，錦雞兒人工林(2.84 mm)和華北落葉松人工林(2.79 mm)最小。錦雞兒人工林枯落物的最大持水率雖然高于油松人工林，但錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量較少導(dǎo)致其最大持水深比油松人工林小。這主要是因?yàn)榭萋湮镒畲蟪炙钍芸萋湮锏淖畲蟪炙?、枯落物現(xiàn)存量、枯落物分解程度等多方面的綜合影響[3]。

3.3 土壤層的水文功能

由表3可知，4種人工林植被的土壤容重變化為 1.00～1.10 g·cm-3，華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹人工林和錦雞兒人工林的飽和持水率分別為 57.57%、53.23%、59.26% 和 59.11%，毛管持水率分別為 43.76%、45.59%、43.87%、45.92%。不同人工林植被的土壤總孔隙度變化范圍為 56.51%～59.27%；華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹人工林和錦雞兒人工林的非毛管孔隙度分別為 13.41%、8.16%、15.29% 和 13.14%。

表3 林地土壤物理性質(zhì)及持水特征Tab.3 Soil physical properties and water-holding characteristics

4種人工林植被土壤最大貯水深在 439.77～572.50 mm之間(表3)，華北落葉松人工林地最大貯水能力最強(qiáng)，楊樹人工林地的最大貯水能力最弱。不同人工林植被的最大貯水深為華北落葉松人工林(572.50 mm)>油松人工林(483.54 mm)>錦雞兒人工林(459.24 mm)>楊樹人工林(439.77 mm)。有效貯水深反映林地土壤的滲透能力，4種人工林植被土壤有效貯水深變化在 81.57～152.94 mm之間，不同人工林植被土壤有效貯水深為楊樹人工林(152.94 mm)>華北落葉松人工林(134.08 mm)>錦雞兒人工林(131.23 mm)>油松人工林(81.57 mm)。

3.4 不同植被類型林地總蓄水能力評(píng)價(jià)

林地總蓄水能力一般是指枯落物與土壤的最大持水能力之和[3]，常用來評(píng)價(jià)林地水源涵養(yǎng)能力。華北落葉松人工林地的總蓄水能力最大，達(dá) 575.29 mm，油松人工林地總蓄水能力次之(487.21 mm)，錦雞兒人工林地略低于油松人工林地，為 462.08 mm，楊樹人工林地的總蓄水深最低(446.45 mm)。林地總蓄水能力以土壤層為主，其中華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹人工林和錦雞兒人工林的土壤層貯水能力分別占林地總蓄水能力的 99.52%、99.25%、98.50% 和 99.39%。

4 討論與結(jié)論

(1)整個(gè)生長季，4種植被樹干莖流率為錦雞兒人工林(18.09%)>楊樹人工林(2.34%)>油松人工林(0.06%)>華北落葉松人工林(0.02%)；林冠截留率以油松人工林(28.67%)和楊樹人工林(26.00%)最大，錦雞兒人工林(20.42%)次之，華北落葉松人工林(18.82%)最小。這與前人的研究基本一致。劉世榮等[16]研究發(fā)現(xiàn)林冠截留率為 11.40%～34.34%；五金旦增等[17]研究結(jié)果顯示高山松(Pinusdensata)林冠層截留率變化幅度為 13.19%～68.72%；王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山、時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤山、姚衛(wèi)星等[5]在冀北山區(qū)的研究均認(rèn)為不同林分冠層截留量具有明顯差異，基本呈現(xiàn)出針葉林>闊葉林。本研究中華北落葉松人工林枯死枝較多，活枝僅分布在樹冠最上部，葉量稀疏，導(dǎo)致華北落葉松人工林冠層截留量最少。

(2)不同森林植被枯落物現(xiàn)存量和最大持水深差別較大。以油松人工林和楊樹人工林的枯落物現(xiàn)存量最大，分別為 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，華北落葉松人工林枯落物現(xiàn)存量次之(14.16 t·hm-2)，錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量最少，僅為 9.23 t·hm-2。楊樹人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，錦雞兒人工林(2.84 mm)和華北落葉松人工林(2.79 mm)最小?？萋湮锼春B(yǎng)能力與林分類型、林分結(jié)構(gòu)、枯落物組成、分解程度、累積量等因素有關(guān)[4,10,16]。時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤山的研究表明枯落物持水能力具有顯著的植被類型差異；黃承標(biāo)等[18]認(rèn)為馬尾松人工幼林枯枝落葉層現(xiàn)存量、貯水量及養(yǎng)分貯量等均與林分年齡的大小存在密切的相關(guān)性；侯春蘭等[11]認(rèn)為不同林分枯落物蓄積量對(duì)其水源涵養(yǎng)功能具有較大的影響，枯落物對(duì)水分的吸持能力隨著枯落物層厚度、蓄積量的增加而增強(qiáng)。

(3)不同森林植被的土壤最大貯水深變化幅度為 439.77～572.50 mm，有效貯水深的變化幅度為 81.57～152.94 mm，高于王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山的研究結(jié)果，但與時(shí)忠杰等[4]在六盤山、張平等[19]在祁連山的研究結(jié)果接近。說明內(nèi)蒙古林科院樹木園4種植被類型土壤水源涵養(yǎng)功能均較好。

(4)綜合來看，林地的水源涵養(yǎng)功能以土壤層為主，針葉林(華北落葉松人工林、油松人工林)總蓄水能力相對(duì)較強(qiáng)，具有較高的涵養(yǎng)水源能力，但華北落葉松枯死枝較多，僅樹冠上部有活枝，急需進(jìn)行森林經(jīng)營活動(dòng)調(diào)整林分結(jié)構(gòu)。