接壩地區(qū)3種典型林分類型枯落物層和土壤層水文效應(yīng)綜合分析

周長亮,李惠麗

(河北省木蘭圍場國有林場，河北 圍場 068450)

關(guān)鍵字：沿壩地區(qū)；枯落物層；土壤層；水文效應(yīng)；熵權(quán)法

森林枯落物層在保持水土和涵養(yǎng)水源方面具有重要功能，作為水文效應(yīng)的第二個(gè)活動(dòng)層，它能減少雨水對(duì)土壤層的沖刷，減少雨水對(duì)土壤層結(jié)構(gòu)的破壞和侵蝕，也能減少地表徑流的形成，減少徑流量[1-2]；土壤層是森林水文效應(yīng)的又一重要層次，是對(duì)枯落物層截留降水的又一次分配，土壤對(duì)水分的貯存和滲透可以影響地表徑流，在森林保持水土方面起著重要作用[3-4]。林分類型不同，植物生物學(xué)特性也不相同，本研究選取接壩地區(qū)典型的3種林分類型，分別對(duì)其枯落物層和土壤層水文效應(yīng)進(jìn)行研究，并選擇熵權(quán)法對(duì)3種林分類型的水文效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為接壩地區(qū)森林涵養(yǎng)水源和保持水土功能評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北承德市圍場縣木蘭林場八英莊分場，是冀北山地與蒙古高原的交界處，坐標(biāo)為E 117°44′～118°9′ ，N 41°56′～42°15′ ,海拔750～2 067 m ，坡度15°～30°，屬大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，最高氣溫38.9 ℃，最低-42.9 ℃，土壤為棕壤，主要喬木樹種有白樺、油松、華北落葉松、山楊、蒙古櫟、五角楓等[5]。

2 研究方法

研究地為木蘭林場八英莊分場，選取3種典型林分類型，包括油松純林、華北落葉松純林和油松華北落葉松混交林，每種林分設(shè)置6塊具有代表性的樣地，面積為20 m×20 m，海拔1 145～1 276 m，坡度20°左右，平均胸徑13.89～14.98 cm，平均樹高10.75～12.08 m。

枯落物現(xiàn)存量的測定。在每塊樣地中，分別設(shè)置 3 個(gè)0.5 m × 0.5 m的樣方，對(duì)樣方內(nèi)的枯落物分層測量其厚度，并采樣帶回實(shí)驗(yàn)室，稱其鮮重，利用烘干箱進(jìn)行烘干，溫度 75 ℃，烘干時(shí)間為6 h以上，根據(jù)文獻(xiàn)的相應(yīng)公式[6]，計(jì)算枯落物的蓄積量及自然含水率。

枯落物持水過程的測定。采用室內(nèi)浸泡法進(jìn)行測定，先測定0.25 h、0.5 h、1 h重量的變化，以后每2 h再測定1次(2 h、4 h、6 h……24 h)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的相應(yīng)公式計(jì)算出其每個(gè)時(shí)間段的持水量及吸水速率[7]。

有效攔蓄量的測定。 通過查閱文獻(xiàn)，要想了解枯落物對(duì)降水的實(shí)際攔蓄量，需要的指標(biāo)為有效攔蓄量，有效攔蓄量的計(jì)算公式為：W=(0.85Rn-R0)×M。

式中W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rn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)。

土壤物理性質(zhì)及入滲過程測定。 土壤物理性質(zhì)的測定采用的是環(huán)刀法，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)挖取土壤剖面，分層(0～20 cm；20～40 cm；40～60 cm)環(huán)刀取土，帶回實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用烘干、環(huán)刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度等土壤性質(zhì)[8]。土壤入滲過程采用的試驗(yàn)方法為雙環(huán)法。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型枯落物層水文效應(yīng)分析

3.1.1 不同林分類型枯落物現(xiàn)存量分析 枯落物現(xiàn)存量在森林發(fā)揮水文效應(yīng)過程中具有重要作用，是評(píng)價(jià)森林水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。林分類型不同，樹種組成、林分水熱情況、林分生長情況、密度、生物學(xué)特性等都能影響森林枯落物的輸入和分解情況[9]。由表1可以看出，接壩地區(qū)3種典型林分類型枯落物現(xiàn)存量存在一定差距，枯落物總蓄積量大小依次為：油松華北落葉松混交林(26.98 t/hm2)>油松林(11.29 t/hm2)>華北落葉松林(10.29 t/hm2)，這種情況主要是由樹種類型不同造成的。從3種林分類型枯落物不同層次占總儲(chǔ)量的比例看出，3種林分中枯落物未分解層儲(chǔ)量均大于半分解層，這是由3種林分的枯落物分解速度較慢造成的。半分解層枯落物現(xiàn)存量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(11.56 t/hm2)>油松林(5.61 t/hm2)>華北落葉松林(4.73 t/hm2)。未分解層枯落物現(xiàn)存量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(15.42 t/hm2)>油松林(5.68 t/hm2)>華北落葉松林(5.56 t/hm2)。其中油松林半分解層蓄積占總蓄積比例最大，說明油松林的枯落物分解速度較另外2種林分類型快。

表1 3種林分類型枯落物現(xiàn)存量Table 1 Litter standing stock of 3 stand types

3.1.2 不同林分類型枯落物最大持水量 3種林分類型枯落物持水量見表2。

表2 3種林分類型枯落物持水量Table 2 Litter water holding amount of 3 stand types

枯落物的持水能力主要由枯落物最大持水量和最大持水率來反映，枯落物持水量主要受植被類型、枯落物成分組成、分解程度和累計(jì)存量等影響[10]。由表2可以看出，3種林分枯落物最大持水量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林 (22.28 t/hm2)> 油松林(21.91 t/hm2)> 華北落葉松林(16.29 t/hm2)，枯落物持水量與枯落物未分解層的儲(chǔ)量有直接關(guān)系，未分解層儲(chǔ)量越大，枯落物對(duì)水分的保持能力越強(qiáng)。枯落物最大持水率排序?yàn)椋河退闪?180.83%)> 華北落葉松林 (147.68%) > 油松華北落葉松混交林 (127.02%)。最大持水量與最大持水率大小順序不同，原因在于林分類型、林齡枯落物分解情況、結(jié)構(gòu)、生物量等不同。

3.1.3 不同林分類型枯落物持水過程 枯落物持水量與浸水時(shí)間關(guān)系見圖1。

(a)枯落物半分解層持水量與浸水時(shí)間關(guān)系

(b)枯落物未分解層持水量與浸水時(shí)間關(guān)系圖1 枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系Figure 1 Relationship between water holding amount and soaking time of litter

由圖1可以看出3種林分類型枯落物的持水量均隨著浸泡時(shí)間的增加逐漸增加，在0.5 h內(nèi)增長速度最快，之后增長速度趨于平緩，在6～8 h時(shí)基本處于持水飽和狀態(tài)。隨著枯落物濕潤程度的增加，枯落物對(duì)水分的保持能力降低。這一規(guī)律與降雨時(shí)枯落物對(duì)地表徑流的攔蓄是一致的，降雨初期枯落物干燥，攔蓄地表徑流的作用也最大，隨著枯落物變濕潤，對(duì)地表徑流的攔蓄也逐漸降低。對(duì)比未分解層和分解層持水量的變化發(fā)現(xiàn)，未分解層的持水量在各時(shí)間都高于半分解層。而3種林分類型中，無論是半分解層還是未分解層，枯落物持水量均為：油松林>華北落葉松林>油松華北落葉松混交林，這主要是因?yàn)榱址诸愋筒煌?，枯落物現(xiàn)存量、生物學(xué)特性等不同造成的。

枯落物吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系見圖2。

(a)枯落物半分解層吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系

(b)枯落物未分解層吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系圖2 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系Figure 2 Relationship between water absorption capacity rate and soaking time of litter

由圖2可以看出，3種林分類型枯落物的吸水速率隨著浸泡時(shí)間的增加而逐漸降低，前4 h吸水速率較大，之后逐漸減小，浸水24 h后吸水速率基本為0。這是因?yàn)榻跗?，枯落物處于風(fēng)干狀態(tài)，浸水后，水勢(shì)差較大，則吸水速率較高，當(dāng)枯落物的含水量隨時(shí)間增加時(shí)，水勢(shì)差減小，吸水速率則變小。

枯落物不同層次持水量、吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系見表3。

表3 枯落物不同層次持水量、吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系式Table 3 Relationship between water holding capacity,water absorption capacity rate and soaking time at different levels of litter

對(duì)3種林分類型枯落物半分解層、未分解層浸水時(shí)間與持水量進(jìn)行回歸分析，見表3，得到枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系式擬合為y=aln(x)+b，其中y為枯落物持水量(t/hm2)；a為方程系數(shù)，b為常數(shù)；x為浸水時(shí)間(h)。R2均接近1，說明枯落物持水量與浸水時(shí)間呈顯著對(duì)數(shù)關(guān)系。對(duì)3種林分類型枯落物半分解層、未分解層浸水時(shí)間與吸水速率進(jìn)行擬合，得到枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系式擬合為v=axb，其中v為枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；a為方程系數(shù)，b為常數(shù)；x為浸水時(shí)間(h)。R2均接近1，說明枯落物吸水速率與浸水時(shí)間呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。

3.1.4 不同林分類型枯落物攔蓄量 枯落物層有效攔蓄量見表4。

表4 枯落物層有效攔蓄量Table 4 Effective holding capacity of litter layer

枯落物持水量與吸水速率并不能反應(yīng)出枯落物在實(shí)際降水中對(duì)地表徑流的攔蓄作用，在實(shí)際降水中，有效攔蓄量是反映枯落物對(duì)降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)[11]。由表 4 可以看出，3種林分類型的枯落物未分解層有效攔蓄量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(15.79 t/hm2)>油松林(8.45 t/hm2)>華北落葉松林(6.94 t/hm2)；枯落物半分解層有效攔蓄量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(10.24 t/hm2)>油松林(8.01 t/hm2)>華北落葉松林(4.42 t/hm2)；綜合未分解層、半分解層枯落物有效攔蓄量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(26.04 t/hm2)>油松林(16.46 t/hm2)>華北落葉松林(11.36 t/hm2)。

3.2 不同林分類型土壤層水文效應(yīng)分析

3.2.1 不同林分類型土壤物理性質(zhì) 3種林分類型土壤物理性質(zhì)見表5。

表5 3種林分類型土壤物理性質(zhì)Table 5 Soil physical properties of 3 stand types

土壤容重是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，容重越小土壤孔隙越多，土壤結(jié)構(gòu)越好，反之容重越大，孔隙越小，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)少，土壤更加緊實(shí)板結(jié)[12]。從表 5 中看出，3種林分類型土壤容重均值排序?yàn)椋喝A北落葉松林(1.29 g/cm3)>油松林(1.24 g/cm3)>油松華北落葉松混交林(1.05 g/cm3)。不同林分類型下枯落物組成、枯落物分解情況、植物根系生長情況不同，造成了土壤容重的差異。

土壤孔隙度也是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，土壤毛管孔隙具有毛管功能，能夠保存水分，供植物自身利用，其大小反映出森林植被吸收水分用于自身生長發(fā)育的能力[13]。土壤非毛管孔隙不具有毛管作用，水分不能保持其中，非毛管孔隙越大，土壤對(duì)降水的吸收越大，其直接影響土壤對(duì)滯留水分和調(diào)節(jié)水分的能力[14]。由表5可知，3種林分類型土壤非毛管孔隙度排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(5.56%)>油松林(4.84%)>華北落葉松林(4.67%)，說明油松華北落葉松混交林在滯留水分、減少地表徑流上功能最強(qiáng)。土壤毛管孔隙度排序?yàn)椋河退闪?44.23%)>油松華北落葉松混交林(41.21%)>華北落葉松林(37.46%)，說明油松林土壤中用于林分生長發(fā)育的水分占土壤比例最大。而土壤總毛管孔隙度大小依次為：油松林(49.07%)>油松華北落葉松混交林(46.77%)>華北落葉松林(42.13%)，從林分總毛管孔隙度可以看出，油松林土壤對(duì)水分的保持能力較其他2種強(qiáng)。

3.2.2 不同林分類型土壤持水能力 3種林分類型土壤持水量見表6。

表6 3種林分類型土壤持水量Table 6 Soil water holding amount of 3 stand types

土壤的持水能力是評(píng)價(jià)林分水文效應(yīng)的又一重要指標(biāo)，毛管持水量反映的是被植物根系利用和土壤蒸發(fā)的土壤蓄水量；有效持水量是非毛管持水量，是反映土壤吸收、下滲的土壤蓄水量，反映出土壤涵養(yǎng)水源、減少地表徑流的能力[15]。由表6可以看出，3種林分類型土壤最大持水量大小依次為：油松華北落葉松混交林(1 441.4 t/hm2)>油松林(963.5 t/hm2)>華北落葉松林(829.9 t/hm2)，說明油松華北落葉松混交林對(duì)水分的貯蓄能力最強(qiáng)；土壤毛管持水量排序?yàn)椋河退闪?866.5 t/hm2)>華北落葉松林(736.2 t/hm2)>油松華北落葉松混交林(405.8 t/hm2)，說明油松林用于自身植被生長發(fā)育的水分最多；土壤有效持水量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(1 035.6 t/hm2)>油松林(97.0 t/hm2)>華北落葉松林(93.7 t/hm2)，說明油松華北落葉松混交林的持水能力最強(qiáng)。

3.2.3 不同林分類型土壤入滲特征 3種林分類型土壤滲透速率及滲透數(shù)學(xué)模型見表7。

表7 3種林分類型土壤滲透速率及滲透數(shù)學(xué)模型Table 7 Soil infiltration rate and penetration mathematical model of 3 stand types

土壤入滲能力也是評(píng)價(jià)林分水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)，土壤的入滲能力越強(qiáng)，說明土壤滲透性越好，減少地表徑流量的功能越強(qiáng)，水土保持能力越強(qiáng)[16]。由表 7 可以看出，3種林分類型中，油松華北落葉松混交林初滲速率最大為 48.1 mm/min，油松林最小為16.9 mm/min，差距較大；穩(wěn)滲速率排序?yàn)椋喝A北落葉松林(0.8 mm/min)>油松林(0.79 mm/min)>油松華北落葉松混交林(0.58 mm/min)，差距較小。對(duì)入滲時(shí)間和入滲速率進(jìn)行擬合，呈較顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

3.3 不同林分類型土壤層和枯落物層水文效應(yīng)綜合分析

3.3.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 本研究采用熵權(quán)法對(duì)接壩地區(qū)3種林分類型水文效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選取的指標(biāo)包括8種，為枯落物現(xiàn)存量、枯落物最大持水量、枯落物有效攔蓄量、土壤容重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量、土壤穩(wěn)滲速率[17]。

3.3.2 評(píng)價(jià)方法 根據(jù)所選指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)判斷矩陣A′=(aij′)m×n,其中m=11，n=3，見表8。

表8 3種林分類型水文效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)表Table 8 Hydrological effect evaluation index data table of 3 stand types

運(yùn)用極值法根據(jù)公式(1)形成標(biāo)準(zhǔn)矩陣A=(aij)m×n，然后依據(jù)公式(2)和(3)計(jì)算各指標(biāo)的熵值Hi=(0.630,0.198,0.630,0.520,0.625,0.593,0.401,0.021,0.428,0.265,0.631)和權(quán)重Wi=(0.061,0.120,0.054,0.064,0.047,0.047,0.065,0.101,0.059,0.073,0.036)。根據(jù)相關(guān)公式構(gòu)建加熵權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R，在標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中找到各指標(biāo)的理想點(diǎn)X(取各指標(biāo)的最大值為理想點(diǎn)Xi，土壤容重取最小值為理想點(diǎn))。根據(jù)公式(2)計(jì)算出3種林分類型水文效應(yīng)與理想模式的貼近度T見表9。各公式見以下:

表9 3種林分類型水文效應(yīng)與理想模型貼近度Table 9 Closeness degree of hydrological effects and the ideal model of 3 stand types

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果 3種林分類型水文效應(yīng)與理想模型貼近度見表9。

由表9可看出，3種林分類型與模擬的理想林分類型的貼近度排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(0.42)<油松林(0.77)<華北落葉松林(0.93)，說明油松華北落葉松混交林最貼近3種林分類型水文效應(yīng)最理性模型。因此3種林分類型水源涵養(yǎng)能力排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林>油松林>華北落葉松林。由研究結(jié)果看接壩地區(qū)3種典型林分類型中，水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)的為油松華北落葉松混交林。

4 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，接壩地區(qū)3種典型林分類型枯落物最大持水量排序?yàn)橛退扇A北落葉松混交林(22.28 t/hm2)>油松林(21.91 t/hm2)>華北落葉松林(16.29 t/hm2)，油松華北落葉松混交林枯落物層持水能力最強(qiáng)；3種典型林分類型枯落物有效攔蓄量排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(26.04 t/hm2)>油松林(16.46 t/hm2)>華北落葉松林(11.36 t/hm2)，油松華北落葉松混交林在實(shí)際降水過程中，對(duì)降水的截持能力最強(qiáng)；對(duì)3種林分類型枯落物浸水時(shí)間與持水量、吸水速率關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)枯落物持水量與浸水時(shí)間呈顯著對(duì)數(shù)關(guān)系(R2>0.95)，枯落物吸水速率與浸水時(shí)間呈顯著冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.98)。

3種林分類型中，油松林土壤毛管孔隙度(44.23%)、總孔隙度(49.07%)都最大，因此從土壤物理性質(zhì)上看，油松林的地理環(huán)境更適合林木生長、水土保持能力較其他2種林分類型強(qiáng)；油松華北落葉松混交林非毛管孔隙度(5.56%)、土壤最大持水量(1 441.4 t/hm2)、有效持水量(1 035.6 t/hm2)、初滲速率(48.1 mm/min)最大，在土壤持水能力上，油松華北落葉松混交林高于其他2種林分類型；對(duì)入滲時(shí)間和入滲速率進(jìn)行擬合，其關(guān)系呈較顯著的冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.98)。

3種林分類型與模擬的理想林分類型的貼近度排序?yàn)椋河退扇A北落葉松混交林(0.42)<油松林(0.77)<華北落葉松林(0.93)，說明3種林分類型水源涵養(yǎng)能力排序?yàn)橛退扇A北落葉松混交林>油松林>華北落葉松林，因此3種林分類型中水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)的為油松落葉松混交林。

通過對(duì)接壩地區(qū)3種典型林分類型的枯落層持水能力、持水過程的研究，及對(duì)土壤物理性質(zhì)和入滲過程的探索，并運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)3種林分類型做了綜合的評(píng)價(jià)，得出接壩地區(qū)3種典型林分類型中，持水能力最強(qiáng)的林分類型為油松落葉松混交林，此項(xiàng)研究對(duì)今后接壩地區(qū)的營林生產(chǎn)工作和調(diào)控森林水源功能方面有一定的指導(dǎo)意義。