2022年冬奧會(huì)崇禮賽區(qū)針葉林枯落物及土壤水文效應(yīng)

郭建軍， 王佳歡， 胡靜霞，3， 楊新兵?

(1.張家口市塞北林場(chǎng)(市國(guó)有林場(chǎng)管理處)，075000，河北張家口；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，071000，河北保定；3.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，100081，北京)

林下枯落物層和土壤層是森林降水分配過程中的重要環(huán)節(jié)，枯落物可以攔持自身質(zhì)量3～5倍的降水，同時(shí)可以減緩地表徑流流速和徑流泥沙含量；土壤層的持水性能和入滲能力決定降水可入滲土壤水量(土壤水庫(kù))的大小，枯落物層還可以改良土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)，二者的水文功能直接對(duì)森林水循環(huán)的功能和調(diào)節(jié)起重要作用[1-2]。Burrows等[3]認(rèn)為枯落物層在一定程度上影響土壤層的持水能力；武啟騫等[4]通過對(duì)帽兒山地區(qū)森林植被枯落物和土壤層研究認(rèn)為枯落物蓄積量影響枯落物層對(duì)降雨的有效攔蓄能力，土壤的結(jié)構(gòu)、密度和孔隙度對(duì)土壤層蓄水能力起到?jīng)Q定性作用。石媛等[5]研究認(rèn)為密度對(duì)油松人工林枯落物及土壤水文效應(yīng)也存在一定影響。

崇禮區(qū)為2022年冬奧會(huì)舉辦地，滑雪場(chǎng)地多數(shù)建在林區(qū)的陰坡或半陰坡，也正好是林木最佳生長(zhǎng)區(qū)，修建滑道嚴(yán)重破壞林區(qū)地表植被，對(duì)林地水文功能影響很大。以往學(xué)者對(duì)枯落物和土壤層水文效應(yīng)進(jìn)行過很多研究，但是由于地域、植被、立地條件等的差異，針對(duì)冀西北崇禮區(qū)的研究為空白。為準(zhǔn)確評(píng)估冬奧會(huì)賽區(qū)針葉人工林枯落物及土壤水文效應(yīng)，筆者以華北落葉松、油松和樟子松3種針葉林為研究對(duì)象，比較其林下枯落物儲(chǔ)量和水文效應(yīng)、土壤層水分-物理性質(zhì)和入滲能力、及其綜合持水能力，旨在為冬奧會(huì)滑雪場(chǎng)地修建對(duì)森林水文功能影響評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省張家口市崇禮區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量488 mm，屬壩上壩下過渡型山區(qū)，海拔813～2 174 m。土壤以栗鈣土為主，喬木造林樹種主要有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabulaeformis)等，灌木主要有六道木(Abeliabiflora)、毛榛(Corylusmandshurica)、等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2016年7月在崇禮區(qū)和平林場(chǎng)設(shè)置華北落葉松林、油松林、樟子松林3個(gè)人工純林樣地，樣地面積為30 m×30 m，樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 指標(biāo)測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

2.2.1 枯落物層取樣與測(cè)定 設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的小樣方，分為未分解層和半分解層(未分解層由新鮮枯落物組成，保持原狀，顏色未變，外表無分解的痕跡；半分解層枯落物是指枝葉未完全腐爛，肉眼觀察能分辨出枝葉的大體形狀)，記錄各層厚度，野外取枯落物鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱質(zhì)量，計(jì)算蓄積量。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物持水過程和速率，浸泡時(shí)間分為0.5、1、2、4、6、8、24 h。有效攔蓄量計(jì)算公式為：

W=(0.85Rm-R0)M。

式中：W為有效攔蓄量,t/hm2;Rm為最大持水率,%;R0為平均自然含水率,%;M為枯落物蓄積量,t/hm2。

2.2.2 土壤水分—物理性質(zhì)測(cè)定 采用土壤剖面機(jī)械分層法，分為0～10、10～20、20～40、40～60 cm，環(huán)刀取樣，采用浸泡法測(cè)定和計(jì)算土壤密度、孔隙度、土壤持水量等指標(biāo)。采用雙環(huán)法測(cè)定土壤入滲速率。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物蓄積量與水文效應(yīng)比較

3.1.1 枯落物蓄積量 由表2可知，3種林分類型中枯落物總蓄積范圍為4.67～23.98 t/hm2，其大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(23.98 t/hm2)>油松林(15.80 t/hm2)>樟子松林(4.67 t/hm2)，3種林分間都存在顯著性差異?？萋湮锖穸却笮∨判?yàn)椋喝A北落葉松林(64 mm)>油松林(29 mm)>樟子松林(21 mm)，華北落葉松林和其他2種林分都存在顯著性差異，油松林和樟子松林差異不顯著。華北落葉松林和油松林半分解層枯落物蓄積量高于未分解層，樟子松林則與之相反。

表2 枯落物蓄積量、最大持水量和有效攔蓄量

3.1.2 枯落物最大持水量 由表2可知，枯落物最大持水量總和大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(2.15 t/hm2)>油松林(1.44 t/hm2)>樟子松林(0.80 t/hm2)。半分解層大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林>油松林>樟子松林，未分解層其大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林>油松林>樟子松林。半分解層3種針葉林最大持水量相互間存在顯著性差異，未分解層相互間無顯著性差異。

3.1.3 枯落物攔蓄量 由表2可知，枯落物有效攔蓄量總和范圍處于0.67～1.72 t/hm2之間，其大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(1.72 t/hm2)>油松林(1.22 t/hm2)>樟子松林(0.67 t/hm2)，半分解層有效攔蓄量各林分間相互存在顯著性差異，未分解層無顯著性差異。有效攔蓄率方面，華北落葉松林未分解層高于半分解層，油松林和樟子松林則是半分解層高于未分解層；華北落葉松林半分解層和未分解層枯落物有效攔蓄率與其他2個(gè)林分均存在顯著性差異，油松林和樟子松林間無顯著性差異。

3.1.4 枯落物持水量 由圖1可知，枯落物在浸水前4 h內(nèi)增加較快，隨后增加速度減緩，漸漸趨于一穩(wěn)定值。半分解層枯落物持水量大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林>樟子松林>油松林。未分解層排序?yàn)椋喝A北落葉松林>油松林>樟子松林，華北落葉松林明顯高于樟子松林和油松林。3種林分枯落物半分解層、未分解層持水量Q與浸水時(shí)間t符合Q=aln(t)+b關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，說明相關(guān)性明顯(表3)。

圖1 枯落物在不同浸水時(shí)間內(nèi)的持水量Fig.1 Litter water-holding capacity in different water immersion time

3.1.5 枯落物吸水速率 由圖2可知，在浸水前1 h內(nèi)吸水速率最快，8 h后幅度顯著變小，24 h趨近于0，表明枯落物已飽和。3種針葉林半分解層和未分解層枯落物吸水速率大小排序均為：華北落葉松林>樟子松林>油松林?？萋湮镂俾蔞與浸水時(shí)間符合V=ktn關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9(表3)。

圖2 枯落物在不同浸水時(shí)間內(nèi)的吸水速率Fig.2 Litter water-absorption rate in different immersion time

表3 枯落物持水量、吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

3.2 土壤水文效應(yīng)

由表4可知，土壤密度隨土壤深度增加而增加，土壤密度均值大小排序?yàn)椋赫磷铀闪?1.23 g/cm3)>油松林(1.19 g/cm3)>華北落葉松林(1.01 g/cm3)。華北落葉松林和油松林總孔隙度最大值均出現(xiàn)在10～20 cm處，樟子松林則出現(xiàn)在0～10 cm?？偪紫抖染荡笮∨判?yàn)椋喝A北落葉松林(62.22%)>樟子松林(50.44%)>油松林(43.47%)。毛管孔隙度隨土壤深度增加先增加后減小，非毛管孔隙度變化規(guī)律不明顯。毛管孔隙度均值大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(58.60%)>樟子松林(47.86%)>油松林(39.19%)；非毛管孔隙度均值大小排序?yàn)椋河退闪?4.28%)>華北落葉松林(3.62%)>樟子松林(2.58%)。土壤最大持水量均值大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(921.78 t/hm2)>樟子松林(743.58 t/hm2)>油松林(653.75 t/hm2)；土壤有效持水量均值大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(49.63 t/hm2)>樟子松林(32.97 t/hm2)>油松林(23.90 t/hm2)。

表4 各針葉林土壤物理性質(zhì)

3.3 土壤入滲比較

由表5可知：土壤穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林(1.54 mm/min)>油松林(0.36 mm/min)>樟子松林(0.27 mm/min)。土壤入滲時(shí)間和速率二者符合冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均>0.9。

表5 各針葉林土壤入滲速率及入滲回歸方程

3.4 綜合持水能力比較結(jié)果

林分綜合持水能力包括枯落物層和土壤層。由表6可知，枯落物層最大持水量大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林>油松林>樟子松林；土壤層最大持水量大小排序?yàn)椋喝A北落葉松林>樟子松林>油松林。土壤層最大持水量所占比例均>99%，說明在持水能力方面，土壤層占據(jù)主導(dǎo)地位。

表6 各針葉林枯落物層和土壤層的持水量

4 討論

4.1 不同林分枯落物的蓄積量和水文效應(yīng)差異

枯落物蓄積量與林分類型、生長(zhǎng)狀況和林地濕熱條件密切相關(guān)[6]。3種針葉林枯落物蓄積量華北落葉松林最大，可能是華北落葉松林林齡較大，林分生長(zhǎng)狀況較好，枯枝落葉較多；樟子松林蓄積量最小，可能是樟子松林齡較小，林分發(fā)育尚未充分。華北落葉松林和油松林半分解層蓄積量高于未分解層，可能是華北落葉松林與油松林位于陰坡，郁閉度較高，林下濕度較大，枯落物易于腐爛；而樟子松林半分解層蓄積量低于未分解層，可能是由于樟子松林位于陽(yáng)坡，郁閉度相對(duì)較小，林內(nèi)濕度低，不易分解。該結(jié)論與陳繼東等[7]研究結(jié)果一致。

枯落物水文狀況受林分類型、立地條件、枯落物分解程度的影響[8]。華北落葉松林的枯落物最大持水量最大，可能是因?yàn)槠淇萋湮镄罘e量最大，半分解層多于未分解層，半分解層細(xì)軟易儲(chǔ)存水分。本研究的3種林分半分解層最大持水量均高于未分解層，可能是因?yàn)槲捶纸獾尼樔~枯落物表層有蠟質(zhì)薄膜，不易吸水。

3種針葉林半分解層和未分解層的吸水速率均為華北落葉松林最大，油松林最小。可能是華北落葉松林枯落物蓄積量較大，枯落物細(xì)軟易吸水，而油松林枯落物表層存在油脂，排斥水分。

4.2 不同林分土壤水文效應(yīng)

土壤密度大小關(guān)系到土壤透水性、通氣性和根系的延伸[9]。華北落葉松林土壤密度均值最小，土壤透水性較好。華北落葉松林和油松林的土壤密度隨土壤深度增加而增加，但是樟子松表層土壤密度最大，10～60 cm密度隨土壤深度增加而增加，可能是表層土壤受風(fēng)蝕沉積和水蝕沉淀的影響，土壤粒石含量相對(duì)較高的原因。

土壤孔隙度直接影響土壤的保水、透氣性。華北落葉松林和油松林總孔隙度最大值均出現(xiàn)在10～20 cm處，表層孔隙度不是最大，可能與人為活動(dòng)頻繁有關(guān)(崇禮區(qū)村莊位置比較偏遠(yuǎn)，接近林區(qū)，本地人有采蘑菇的生活習(xí)慣)，樟子松林則出現(xiàn)在0～10 cm，與表層土壤粒石含量相對(duì)較高有關(guān)?？偪紫抖染荡笮∨判?yàn)椋喝A北落葉松林>樟子松林>油松林；毛管孔隙度呈隨土壤深度增加先增加后減小的變化趨勢(shì)，可能是在20～40 cm土層，植被根系較多，土壤緊實(shí)度較小，導(dǎo)致毛管孔隙度受到影響所致。該結(jié)論與劉斌等[10]研究結(jié)果相一致。

土壤最大持水量和有效持水量排序?yàn)椋喝A北落葉松林>樟子松林>油松林，可能與華北落葉松林林分年齡較大枯落物層積累較厚而樟子松林林分年齡相對(duì)較小枯落物層較薄有關(guān)。該結(jié)果與胡靜霞等[11]對(duì)冀西北地區(qū)典型林分土壤水文效應(yīng)研究結(jié)果相似。

5 結(jié)論

1)3種針葉純林中，華北落葉松林和油松林枯落物的蓄積量均為半分解層大于未分解層，樟子松林反之。枯落物蓄積量、最大持水量總和、有效攔蓄量總和均為華北落葉松林最大，樟子松林最小?？萋湮锍炙^程中，半分解層和未分解層持水量、吸水速率最大的均為華北落葉松林，持水量與浸水時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系。

2)土壤密度隨土層深度增加而增加，土壤密度均值最大為樟子松林，最小為華北落葉松林。土壤總孔隙度和毛管孔隙度均值華北落葉松林均為最大，非毛管孔隙度均值最大為油松林。

3)3種針葉純林綜合持水能力排序?yàn)椋喝A北落葉松林>樟子松林>油松林，土壤層持水量占99%以上。該研究結(jié)果旨在為評(píng)估冬奧會(huì)場(chǎng)地建設(shè)對(duì)林地水文功能影響提供參數(shù)。