太行山不同林型枯落物持水性及生態(tài)水文效應研究

王會京, 王紅霞， 謝宇光

(邢臺學院 美術與設計學院, 河北 邢臺 054001)

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太行山不同林型枯落物持水性及生態(tài)水文效應研究

王會京, 王紅霞， 謝宇光

(邢臺學院 美術與設計學院, 河北 邢臺 054001)

研究了太行山不同林型枯落物物持水性及生態(tài)水文效應，結(jié)果表明：(1) 灌叢和混交林未分解層占總厚度的一半以上，闊葉林和針葉林半分解層占總厚度的一半以上；枯落物總蓄積量大小排序為針葉林>混交林>闊葉林>灌叢，不同林型半分解層蓄積量均占總蓄積量一半以上，表明了高海拔枯落物分解速度比低海拔枯落物分解速度快。(2) 不同林型枯落物半分解層和未分解層最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率隨海拔的增加而增加，基本表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢，并且未分解層高于半分解層；針葉林枯落物有效攔蓄能力最強，灌叢最弱，即高海拔攔蓄能力較強，低海拔較弱。(3) 土壤容重隨著海拔的增加而降低，依次表現(xiàn)為灌叢>混交林>闊葉林>針葉林；土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度隨海拔的增加而降低，其中毛管孔隙度在不同林型差異均不顯著(p>0.05)；土壤飽和含水量、有效調(diào)蓄空間、最大持水率、最大持水量和有效持水量隨海拔的增加而增加，依次表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢。(4) 不同林型初滲速率與穩(wěn)滲速率存在較好的冪函數(shù)關系，相關性分析結(jié)果顯示土壤滲透性能與總孔隙度和非毛管孔隙度均為極顯著正相關關系(p<0.01)，其中，非毛管孔隙狀況對土壤滲透性的影響更為顯著。綜合分析表明：太行山森林水源涵養(yǎng)能力隨海拔的增加而增加。

太行山; 林型; 枯落物; 土壤; 生態(tài)水文

土壤生態(tài)系統(tǒng)是主要蓄存庫、調(diào)節(jié)器，影響著生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)等過程[1-3]；土壤物理性質(zhì)是結(jié)構狀況、養(yǎng)分狀況、持水性能和滲透能力的綜合反映，決定著其水文生態(tài)功能[4-5]。森林具有強大的水源涵養(yǎng)能力，主要通過林冠層、枯枝落葉層、土壤層截持和貯存水源，發(fā)揮著森林生態(tài)系統(tǒng)特有的水文生態(tài)功能[6-7]。森林枯落物和土壤層持水特征是整個森林—植被水源涵養(yǎng)功能的重要方面，在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強土壤抗沖性能等方面具有重要意義，森林枯落物及土壤層的水文功能是探討森林水文循環(huán)過程的基礎和前提[8]。人工造林(恢復植被)不僅可以提高森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能(與)潛力，還能夠有效的提高森林生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和恢復力。國內(nèi)外許多學者對大量人工造林枯落物特性進行了集中的研究，在其枯落物動態(tài)分解[9]、養(yǎng)分歸還[10]、持水特性[8]、截留降雨[11]、森林更新[12-13]等方面取得了一定成果，而以往對枯落物和土壤性能的研究比較單一，僅側(cè)重于枯落物在水源涵養(yǎng)及土壤水分等方面的作用，卻忽略了不同海拔林型枯落物持水性及生態(tài)水文效應。因此，本文以太行山不同海拔林型為研究對象，對林下枯落物持水性及生態(tài)水文效應進行定量研究，旨在揭示不同海拔林型枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能，為太行山森林水源涵養(yǎng)功能和水文生態(tài)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太行山(34°34′—40°43′N，110°14′—114°33′E)是中國東部地區(qū)的重要山脈和地理分界線。位于山西省與華北平原之間，縱跨北京、河北、山西、河南，北起北京西山，向南延伸至河南與山西交界地區(qū)的王屋山，西接山西高原，東臨華北平原，呈東北—西南走向，綿延數(shù)400余km。太行山北高南低，大部分海拔在1 200 m以上，北端最高峰為小五臺山，海拔高2 882 m；南端高峰為陵川的佛子山、板山，海拔分別為1 745 m和1 791 m。太行山屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年冬無嚴寒，夏無酷暑，雨熱同季，雖四季分明，但冬長夏短，近5 a來年平均氣溫在10℃左右，1月份最冷，平均氣溫為-5℃左右；7月份最熱，平均氣溫為23℃左右，平均最高氣溫在28℃左右，四季分明，年日照時數(shù)將近2 500 h，年降水量在500～700 mm，其中7月降水最多，為120～150 mm，12月最少，為3～8 mm。本研究區(qū)域選取太行山的小五臺山，山上植被和土壤的垂直地帶性比較明顯，地帶性土壤為磚紅壤和赤紅壤，1 000 m以下為灌叢(荊條VervainFamily和黃櫨Cotinuscoggygria)，1 000 m以上有混交林(側(cè)柏Platycladusorientalis和油松Pinustabuliformis混交林)、闊葉林(刺槐Robiniapseudoacacia)和針葉林(側(cè)柏純林Platycladusorientalis)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 為較全面地反映太行山植被垂直地帶性分布特征，2015年8月下旬不同海拔選取了發(fā)育較好、結(jié)構完整，受人為和自然因素影響較小、坡度較平緩的林型。不同林型(灌叢、混交林、闊葉林、針葉林)樣地面積為50×50=2 500 m2，每個樣地重復3個，樣地內(nèi)視地形變化設2×2=4 m2樣方5個(其中灌叢樣方面積為1×1=1 m2)，調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層厚度及蓄積量，不同林型樣地枯枝落葉層和腐殖質(zhì)較厚，林內(nèi)濕度較大，樹干上附生有較厚的苔蘚層，目測法測定林冠郁閉度，在每個樣地隨機選取5～10株植株，利用測樹儀和圖帕斯測距儀測定樹高及其距離地面1.2 m胸徑(若是灌木，則距離地面0.2 m)，并在樣地內(nèi)對植株進行計數(shù)(密度)。每一樣地的對角線上選5個0.5×0.5=0.25 m2的樣方，鋼板尺對枯落物的未分解層厚度、半分解層厚度進行測量并記錄，同時用尼龍網(wǎng)兜收集樣方內(nèi)的未分解層和半分解層枯落物，帶回實驗室稱重，風干后再稱重，以干物質(zhì)重計算蓄積量，在每個樣方內(nèi)采用5點取樣法挖取0—20 cm土層的混合土壤帶回實驗室進行土壤水文參數(shù)的測定，烘干法和浸水法測定土壤的自然含水量、土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度等各項指標，土壤入滲采用雙環(huán)刀法。并觀測記錄坡向、坡度、坡位和海拔等生境因子，各樣地的概況詳見表1。

表1 太行山不同林型基本特征

1.2.2 土壤水文物理參數(shù)的測定 取回的枯落物自然狀態(tài)下稱重，然后將枯落物樣品自然狀態(tài)下裝入尼龍袋浸水24 h 后取出，靜放至無水滴滴下時稱重，于75℃下烘干至恒重，冷卻后稱重，計算枯落物儲量，自然持水率、最大持水率和最大持水量[14-15]。

土壤持水性能的測定[16]：

土壤最大持水量=10000×土壤總孔隙度×土層厚度土壤有效持水量=10000×土壤非毛管孔隙度×土層厚度

土壤持水量=10000×土壤非毛管孔隙度×土層厚度

1.2.3 枯落物持水能力的測定 通常采用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量，具體計算公式如下[14-15]：

p=0.85Rm-R0

M=(0.85Rm-R0)×W

枯落物最大持水率=(浸泡后的枯落物質(zhì)量-干質(zhì)量)/干質(zhì)量×100%

枯落物有效攔蓄量=(0.85Rm-R0)×M

式中：P為有效攔蓄率(%)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然持水率(%)；M為有效攔蓄量(t/hm2)；W為枯落物儲量(t/hm2)

Excel 2010和Spss 18數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)檢驗其差異顯著性，Pearson相關性系數(shù)檢驗各指標的的相關性。

2 結(jié)果與分析

2.1 太行山不同林型枯落物水文效應

2.1.1 太行山不同林型枯落物儲量 由表2可知，不同林型枯落物未分解層厚度在1.36～4.56 mm之間，半分解層厚度在1.05～5.69 mm之間，灌叢和混交林未分解層占總厚度的一半以上，闊葉林和針葉林半分解層占總厚度的一半以上。未分解層和半分解層枯落物厚度排序為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢，其中針葉林枯落物層總厚度最大，與灌叢相比，混交林、闊葉林和針葉林分別是灌叢的2.53，3.82，4.25倍。由表1可知，不同林型枯落物總蓄積量有一定差別，枯落物總蓄積量大小排序為針葉林>混交林>闊葉林>灌叢，針葉林最大(17.08 t/hm2)，灌叢最小(9.25 t/hm2)，不同林型半分解層蓄積量均占總蓄積量一半以上。針葉林半分解層枯落物蓄積量為9.13 t/hm2，占總蓄積量的53.45%，闊葉林半分解層厚度為7.86 t/hm2，占總蓄積量的60.46%，混交林半分解層枯落物蓄積量為7.65 t/hm2，占總蓄積量的53.76%，灌叢半分解層枯落物蓄積量為5.13 t/hm2，占總蓄積量的55.46%。由此表明了低海拔枯落物分解速度較慢，主要因為低海拔陽光被高海拔樹木遮擋，太陽光不能直射到低海拔林分地面，相對于高海拔來說，低海拔林分接受的陽光較少，使林下枯落物不能快速充分分解。現(xiàn)存蓄積量主要是由往年凋落總量和凋落物分解速率共同決定的，而年凋落量和凋落物分解速率受林分組成和林分生長環(huán)境等諸多因素影響[17]。

表2 太行山不同林型枯落物儲量

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),下同。

2.1.2 太行山不同林型枯落物持水性能及有效攔蓄量 由于人工模擬降雨與自然降雨仍存在一定差異，浸泡法雖采用原狀枯落物但不符合自然降水截持規(guī)律，故只能反映理想狀態(tài)下的持水量，最大持水量則無法直接反映枯落物層的蓄水能力，而自然狀態(tài)下直接測量枯落物持水過程的難度和誤差較大，因此有效攔蓄量是切實反映枯落物層對降水攔蓄能力的指標[18-19]。由表3可知，不同林型枯落物半分解層和未分解層最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，隨海拔的增加而增加，基本表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢，并且不同林型未分解層最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率均高于半分解層。最大持水量與枯落物本身的蓄積量有關，而蓄積量又與枯落物的分解狀況、厚度等有關，枯落物持水能力取決于枯落物的組成、質(zhì)地、結(jié)構和分解程度等，一般由最大持水量和最大持水率表示。對于半分解層，不同林型枯落物最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率變化范圍分別在5.23～7.86 t/hm2，73.25%～124.74%，53.69%～113.25%，4.26～9.15 t/hm2，16.38%～22.08%之間；對于未分解層，不同林型枯落物最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率變化范圍分別在4.15～6.15 t/hm2，62.15%～105.89%，41.36%～89.34%，3.69～6.89 t/hm2，14.35%～18.05%。綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知，針葉林的枯落物有效攔蓄能力最強，灌叢最弱，即高海拔攔蓄能力較強，低海拔較弱。

表3 太行山不同林型枯落物持水性能及有效攔蓄量

2.2 太行山不同林型土壤水文效應

2.2.1 太行山不同林型土壤物理性質(zhì) 土壤是蓄存水源的主體，土壤容重和孔隙度直接影響著土壤蓄水和通氣性能，非毛管孔隙度的大小反映了植被滯留水分、發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力，直接反映土壤持水性能[13,20]。通過對太行山不同林型土壤物理性質(zhì)指標計算可知(表4)，土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度變化范圍分別為0.89～1.06 g/cm3，53.26%～61.27%，26.25%～36.14%和21.68%～22.69%。其中，土壤容重隨著海拔的增加而降低，依次表現(xiàn)為灌叢>混交林>闊葉林>針葉林；土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度隨海拔的增加而降低，其中毛管孔隙度在不同林型差異均不顯著(p>0.05)；灌叢和混交林總孔隙度顯著高于闊葉林和針葉林(p<0.05)，而闊葉林和針葉林總孔隙度差異并不顯著(p>0.05)；灌叢和混交林非毛管孔隙度差異顯著(p<0.05)，顯著高于闊葉林和針葉林(p<0.05)，而闊葉林和針葉林非毛管孔隙度差異并不顯著(p>0.05)。

表4 太行山不同林型土壤物理性質(zhì)

2.2.2 太行山不同林型土壤水文調(diào)節(jié)功能 土壤持水性能是評價不同林型土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)水循環(huán)的重要指標，反映了土壤持水、供水與調(diào)蓄能力，可用來評價土壤層的水文功能，包括最大持水量、毛管持水量和田間(最小)持水量[13,20]。由表5可知，太行山不同林型土壤水文調(diào)節(jié)功能具有有較大差別，土壤飽和含水量、有效調(diào)蓄空間、最大持水率、最大持水量和有效持水量變化范圍分別為1 126.2～2 163.5 g/kg，863.5～1 863.6 g/kg，45.6%～69.4%，623.5～1 162.8

t/hm2，132.5～185.7 t/hm2，土壤飽和含水量、有效調(diào)蓄空間、最大持水率、最大持水量和有效持水量隨海拔的增加而增加，局部有所波動，具體表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢。其中土壤飽和含水量、有效蓄水空間和最大持水率在不同林型之間差異均顯著(p<0.05)，針葉林土壤最大持水量和有效持水量顯著高于其他林型(p<0.05)，混交林和闊葉林土壤最大持水量和有效持水量差異并不顯著(p>0.05)，顯著高于灌叢(p<0.05)。

表5 太行山不同林型土壤水文調(diào)節(jié)功能

2.2.3 太行山不同林型土壤滲透性能 土壤滲透性是表征土壤對降水和地表徑流的就地入滲和吸收能力，是土壤水文調(diào)節(jié)功能和林分涵養(yǎng)水源的重要指標。土壤滲透性直接關系到地表產(chǎn)生徑流的多少，滲透性能越好，地表徑流越少，土壤侵蝕量也會相應減少[21-22]。表6顯示了不同林型初滲速率與穩(wěn)滲速率存在較好的冪函數(shù)關系，表7為不同林型土壤入滲能力與土壤孔隙狀況相關性分析結(jié)果，結(jié)果顯示土壤滲透性能與總孔隙度和非毛管孔隙度均為極顯著正相關關系(p<0.01)，土壤初滲速率與總孔隙度相關系數(shù)(R2)為0.902 5(p<0.01)，與非毛管孔隙度相關系數(shù)(R2)與0.963 7(p<0.01)，土壤穩(wěn)滲速率與總孔隙度相關系數(shù)(R2)為0.896 7(p<0.01)，非毛管孔隙度相關系數(shù)(R2)與0.942 8(p<0.01)。其中，非毛管孔隙狀況對土壤滲透性的影響更為顯著。

表6 太行山不同林型土壤滲透性能

表7 太行山不同林型土壤入滲速率與孔隙狀況的相關性

注：**相關性在0.01水平上顯著(雙尾)，*相關性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3 結(jié) 論

(1) 灌叢和混交林未分解層占總厚度的一半以上，闊葉林和針葉林半分解層占總厚度的一半以上。未分解層和半分解層枯落物厚度排序為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢；枯落物總蓄積量大小排序為針葉林>混交林>闊葉林>灌叢，不同林型半分解層蓄積量均占總蓄積量一半以上。由此表明了高海拔枯落物分解速度比低海拔枯落物分解速度快。

(2) 不同林型枯落物半分解層和未分解層最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，隨海拔的增加而增加，基本表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢，并且不同林型未分解層最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和自然含水率均高于半分解層；綜合比較可知，針葉林的枯落物有效攔蓄能力最強，灌叢最弱，即高海拔攔蓄能力較強，低海拔較弱。

(3) 土壤容重隨著海拔的增加而降低，依次表現(xiàn)為灌叢>混交林>闊葉林>針葉林；土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度隨海拔的增加而降低，其中毛管孔隙度在不同林型差異均不顯著(p>0.05)；土壤飽和含水量、有效調(diào)蓄空間、最大持水率、最大持水量和有效持水量隨海拔的增加而增加，局部有所波動，具體表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢。

(4) 土壤滲透性是表征土壤對降水和地表徑流的就地入滲和吸收能力，是土壤水文調(diào)節(jié)功能和林分涵養(yǎng)水源的重要指標。不同林型初滲速率與穩(wěn)滲速率存在較好的冪函數(shù)關系，相關性分析結(jié)果顯示土壤滲透性能與總孔隙度和非毛管孔隙度均為極顯著正相關關系(p<0.01)，其中，非毛管孔隙狀況對土壤滲透性的影響更為顯著。

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Hydrology Functions and Water Holding Capacity of Forest Litter in Taihangshan Scenic Area

WANG Huijing, WANG Hongxia， XIE Yuguang

(CollegeofArtandDesign,XingtaiUniversity,Xingtai，Hebei054001,China)

A preliminary study on hydrological effects of litter and soil was carried out at four different altitudes in Taihangshan scenic area. The results showed that: (1) the thickness of under-composed layer at different altitudes was more than half than that of total litter thickness, and semi-decomposed layer was more than half than that of total litter thickness, which decreased in the order: coniferous forest>mingled forest>broad-leaved forest>bushwood, and the total volume of litter increased with the increase of altitude, which suggested that litter decomposition speed was slow at low altitude and fast at high altitude; (2) the maximum capacity of soil moisture, the maximum rate of soil moisture, natural moisture rate, the effective rate of interception and the effective capacity of interception increased with the increase of altitude, which decreased in the order: coniferous forest>mingled forest>broad-leaved forest>bushwood and under-composed layer>semi-decomposed layer, and indicated that the water conservation ability was higher at high altitude and weaker at low altitude; (3) soil bulk density decreased with the increase of altitude, which decreased in the order: bushwood>broad-leaved forest>mingled forest>coniferous forest, and soil total porosity, noncapillary poropsity, capillary poropsity, soil maximum moisture rate, maximum water holding capacity, water holding capacity and effective reservoir space increased with the increase of altitude. which decreased in the order: coniferous forest>mingled forest>broad-leaved forest>bushwood; (4) correlation analysis showed that soil permeability was significantly positive correlated to soil total porosity and noncapillary poropsity (p<0.01), and noncapillary poropsity had a more significant effect on soil permeability. Generally, the water conservation function gradually increased with the increase of altitude in Taihangshan scenic area forest.

Taihangshan; forest; litter; soil; hydrology functions

2015-12-09

2015-12-23

河北省社會科學基金項目(HB15YS015；HB15YS014；HB15YS016)

王會京(1973—),男,河北磁縣人,碩士,講師,主要從事生態(tài)環(huán)境研究與設計。E-mail:Huijing_wang73@163.com

S715.3

A

1005-3409(2016)06-0135-05