內蒙古林科院樹木園華北落葉松人工林枯落物和土壤層的水文效應

王云霓，趙 燕，張海東，張 南，劉 佳

(內蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院, 內蒙古 呼和浩特 010010)

森林具有涵養(yǎng)水源、吸收二氧化碳、調節(jié)氣候、改善大氣質量、降低暴雨洪峰流量和總量等多種水文作用[1-2]。其中，枯落物層和土壤層是林地水文功能的主要組成部分[3-5]?？萋湮飳泳哂薪爻纸邓?、延緩徑流、減少土壤蒸發(fā)等重要的水文功能，枯落物水文功能主要受枯落物的數(shù)量、分解狀態(tài)、持水特性等影響。張衛(wèi)強等[6]研究認為刺槐(Robiniapseudoacacia)林土壤蒸發(fā)與枯落物層厚度呈負相關；趙陽等[7]對華北土石山區(qū)4種不同林分的枯落物層和土壤層的水文效應研究表明：枯落物蓄積量、有效攔截量及土壤入滲速率、持水能力與林分類型有關；齊記等[8]認為栓皮櫟(Quercusvariabilis)林、油松(Pinustabuliformis)林、側柏(Platycladusorientalis)林和刺槐林的枯落物儲量和有效攔截量具有顯著差異。此外，林地土壤具有涵養(yǎng)水源、減緩徑流等水文功能，土壤層的水文效應主要與林地類型、土壤的物理性質有關[9-10]。趙陽等[7]、李卓[11]、陳瑤等[12]的研究均認為：土壤入滲速率與非毛管孔隙度顯著相關；孫艷紅等[13]在重慶縉云山、姜海燕等[14]在大興安嶺嶺南、鄧繼峰等[5]在寧夏鹽池、張雷燕等[15]在寧夏六盤山南側的研究均發(fā)現(xiàn)：不同林分土壤水文效應存在差異?？梢姡S著樹種不同及立地變化，森林植被枯落物層和土壤層的水文效應存在一定差異。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)具有生長迅速、適應性強、干形優(yōu)美等優(yōu)點，是我國三北地區(qū)主要造林樹種。目前，針對華北落葉松的研究主要集中在丘陵或山地環(huán)境，在城市環(huán)境下的研究相對較少，而研究半干旱地區(qū)城市環(huán)境下華北落葉松水文效應對于發(fā)揮城市林地的生態(tài)效益及合理調配、利用水資源具有重要意義。內蒙古林科院樹木園中的華北落葉松，于1964年從山西引入，生長良好，是當?shù)爻鞘协h(huán)境下森林的水文效應、景觀效應、調節(jié)微氣候等生態(tài)效益的重要組成部分。本研究選擇內蒙古林科院樹木園的華北落葉松人工林為研究對象，確定華北落葉松林枯落物現(xiàn)存量、持水特征、有效攔蓄量及林地土壤物理性質、貯水特征，以期了解華北落葉松林地枯落物層和土壤層的水文效應。

1 研究區(qū)概況

內蒙古林科院樹木園(40°49′N，111°41′E)位于內蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū)，占地 21.7 hm2，海拔1 056 m。研究區(qū)屬于典型的蒙古高原大陸性氣候，四季分明，春秋干燥風大，夏季雨熱同期，冬季漫長寒冷。近57 a氣象數(shù)據(jù)顯示(圖1)，平均氣溫 6.82 ℃；7月溫度最高，多年平均氣溫 22.58 ℃；年均降水量 402.60 mm，年降水量變化范圍 155.10～685.90 mm，降水主要集中在7—8月；平均大氣相對濕度 52.38%，平均風速 1.89 m·s-1，蒸發(fā)量 1 802.32 mm。無霜期135 d左右。土壤類型為沙質栗鈣土。

圖1 研究區(qū)1960—2016年的年均氣溫和年降水量Fig.1 Annual mean temperature and precipitation from 1960 to 2016 in research area

內蒙古林科院樹木園始建于1954年，是內蒙古自治區(qū)最早建立的植物園。截至目前，各類喬灌木樹種達500種以上。其中，針葉樹引種62種，比較豐富的屬類有云杉屬、松屬、落葉松屬；闊葉樹引種440種以上，比較豐富的屬類有丁香屬、錦雞兒屬、檉柳屬、忍冬屬、白蠟屬等。豐富的植物資源為當?shù)氐姆里L固沙、水源涵養(yǎng)、水土保持、城市綠化等林業(yè)生產(chǎn)及園林綠化中的樹種選擇提供了科學依據(jù)。

2 研究方法

2.1 樣地設置

華北落葉松人工林分布在樹木園的東側，胸徑為 17.10 cm，樹高 14.70 m，冠幅 2.78 m，樣地基本信息見表1。林下灌木或小喬木主要有：細葉小檗(Berberispoiretii)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、東北小葉茶藨子(Ribespulchellum)、峨嵋薔薇(Rosaomeiensis)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、蒙桑(Morusmongolica)、文冠果(Xanthocerassorbifolia)、家榆(Ulmuspumila)等。草本層發(fā)育一般，蓋度小于 15%，主要有苔草(Carexspp.)、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)、巴天酸模(Rumexpatientia)、狗尾草(Setariaviridis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、車前草(Plantugoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)等。

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

2.2 枯落物現(xiàn)存量及持水量

在樣地內，沿對角線中心及四角設置5個30 cm × 30 cm的枯落物樣方，鋼尺測量枯落物層總厚度、未分解及半分解層的厚度，并分層取樣稱重；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，計算枯落物吸水速率、貯水量；結束后，將所有網(wǎng)袋放回野外進行自然風干，將所有樣品85 ℃、10 h烘干稱重，計算枯落物貯量。

2.3 枯落物有效攔蓄量的測定

基于有效攔蓄量(W，t·hm-2)、最大持水率(Rm，%)、平均自然含水率(Ro，%)、枯落物蓄積量(M，t·hm-2)計算枯落物的有效攔蓄量，具體公式為：

W=(0.85×Rm-Ro)×M

(1)

2.4 土壤水文物理性質測定

在樣地選擇3個取樣點，挖掘土壤剖面，機械劃分土層后，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。根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究方法》[16]，測定土壤物理性質。

2.5 土壤貯水能力的測定

土壤貯水能力包括最大和有效貯水能力，最大貯水能力更多地指示土壤的潛在最大持水能力，有效貯水能力更多地指示土壤的滲透能力，2個指標常用于評價土壤涵養(yǎng)水源及水文調節(jié)功能[17-19]。

土壤貯水能力計算公式為[3]：

S=104×hi×pi

(2)

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 結果與分析

3.1 枯落物厚度和現(xiàn)存量

由表2可知，華北落葉松人工林枯落物層平均厚度為 2.94 cm，其中未分解層 1.26 cm，半分解層 1.67 cm；不同樣方枯落物厚度的變化范圍為 2.27～3.36 cm，未分解層厚度為 0.97～1.48 cm，半分解層厚度為 1.30～1.88 cm。各樣方華北落葉松人工林枯落物現(xiàn)存量為 9.80～17.33 t·hm-2，平均為 14.16 t·hm-2。其中，未分解層枯落物現(xiàn)存量比例僅占枯落物總現(xiàn)存量的 21.26%～28.67%，未分解層枯落物現(xiàn)存量變化為 2.81～4.87 t·hm-2，半分解層枯落物現(xiàn)存量為 6.99～12.46 t·hm-2。

表2 林分枯落物現(xiàn)存量Tab.2 The litter stock of forest stand

3.2 枯落物持水能力

本研究利用枯落物最大持水量和最大持水率指示華北落葉松人工林枯落物的持水能力。由表3可知，華北落葉松人工林的枯落物層平均最大持水率為 196.97%，未分解層和半分解層枯落物的最大持水率分別為 232.26%～243.19% 和 148.26%～162.50%，平均分別為 237.21% 和 156.74%。

表3 枯落物的持水特征Tab.3 Water-holding characteristics of litter

華北落葉松人工林枯落物層平均最大持水量為25.10 t·hm-2，其中未分解層 8.79 t·hm-2，半分解層 16.30 t·hm-2。不同樣方枯落物最大持水量的變化范圍為 17.89～30.24 t·hm-2，未分解層最大持水量為 6.53～11.77 t·hm-2，半分解層最大持水量為 11.36～19.03 t·hm-2。各樣方華北落葉松人工林的枯落物最大持水深為 1.79～3.02 mm，平均為 2.51 mm；其中，未分解層枯落物最大持水深為 0.65～1.18 mm，半分解層枯落物最大持水深為 1.14～1.90 mm。

3.3 枯落物層的有效攔蓄量

枯落物層的最大持水量只反映其潛在持水能力[15]，有效攔蓄量更能指示枯落物對降雨的攔蓄能力[20]。如表4所示，華北落葉松人工林枯落物層平均自然含水率和平均最大持水率分別為 51.09% 和 196.97%，變化范圍為 46.99%～57.15% 和 193.61%～200.17%。華北落葉松人工林枯落物層平均最大攔截量為 20.61 t·hm-2，平均有效攔蓄量為 16.43 t·hm-2；不同樣方枯落物最大攔截量變化范圍為 14.54～24.88 t·hm-2，有效攔蓄量的變化范圍為 11.64～19.81 t·hm-2。各樣方華北落葉松人工林的枯落物有效攔蓄深為 1.16～1.98 mm，平均為 1.64 mm。

表4 枯落物的有效攔截量Tab.4 The effective interception amount of litter

3.4 土壤層的水文功能

由表5可知，華北落葉松人工林不同土層的土壤容重變化為 0.84～1.13 g·cm-3，飽和持水率和毛管持水率變化范圍分別為 49.23%～77.60% 和 37.42%～60.68%，不同土層的平均總孔隙度、平均毛管孔隙度和平均非毛管孔隙度分別為 57.25%、43.84% 和 13.41%；隨著土層深度的增加，飽和持水率、毛管持水率、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度總體呈減小趨勢，但土壤容重呈增大的趨勢。

表5 土壤物理性質及持水特征Tab.5 Soil physical properties and the water-holding characteristics

從華北落葉松林地的土壤貯水特征來看，有效貯水深和最大貯水深的變化范圍為 9.09～19.24 mm和 53.70～64.66 mm，不同土層的平均有效貯水深和平均最大貯水深為 13.41 mm和 57.25 mm，0～100 cm土壤有效貯水深和最大貯水深分別達到 134.09 mm和 572.50 mm；隨著土層的增深，有效貯水深和最大貯水深總體呈減小趨勢。

4 結論

華北落葉松人工林枯落物層和土壤層均具有重要的水文作用，土壤層水文作用顯著大于枯落物層?？萋湮镂捶纸鈱雍桶敕纸鈱拥钠骄畲蟪炙罘謩e為 0.88 mm和 1.63 mm，枯落物層的平均有效攔蓄深為 1.64 mm。0～100 cm土層的平均土壤容重、飽和持水率、毛管持水率、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別為 1.02 g·cm-3、57.57%、43.77%、57.25%、43.84% 和 13.41%；不同土層深度的土壤有效貯水深和最大貯水深的變化范圍為 9.09～19.24 mm和 53.70～64.66 mm，0～100 cm土壤有效貯水深和最大貯水深分別達到 134.09 mm和 572.50 mm。由上可知，土壤層的水文效應遠高于枯落物層的水文效應，是林地水源涵養(yǎng)的主體。