浙江省天臺縣不同森林類型枯落物及土壤水文特性

鄒奕巧, 孫歐文, 劉海英, 蔡人岳, 林 松, 葛宏立, 吳家森

(1.天臺縣林業(yè)特產(chǎn)局， 浙江 天臺 317200； 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300； 3.浙江省公益林和國有林場管理總站， 浙江 杭州 310020)

森林生態(tài)系統(tǒng)的水文性能是森林重要功能之一，水文調(diào)節(jié)過程可分為5種水文效應(yīng)：林冠截留、樹干流、凋落物、土壤和林地蒸騰蒸發(fā)[1]。其中枯落物層可以緩沖雨滴產(chǎn)生的動能，具有良好的吸水能力，由于其透氣結(jié)構(gòu)，可有效地調(diào)節(jié)地表徑流和減少土壤侵蝕的作用[2-3]。土壤層是森林主要的水存儲載體，其存儲水和滲透水能力反映了森林水土保持能力，森林枯落物層和土壤層的水文功能是森林水文循環(huán)過程的基礎(chǔ)和前提[4-5]，目前，許多學(xué)者對不同森林型的枯落物和土壤的水文特征進(jìn)行了研究，在土壤保持能力和枯落物滲透能力等方面取得一定研究成果[6]，而對浙江省天臺縣不同森林枯落物持水性能還未見報道。本文針對天臺縣山地丘陵區(qū)不同植被類型的枯落物蓄積量、持水性能、土壤物理性質(zhì)及持水性能進(jìn)行研究分析，以期為該區(qū)域今后在森林水源涵養(yǎng)等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)天臺縣，位于浙江省東中部，臺州市北部，地處北緯28°57′02″—29°20′39″之間、東經(jīng)120°41′24″—121°15′46″之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、降水豐富，年平均氣溫17.0 ℃，年平均降水量為1 411.7 mm，年平均日照總時數(shù)1 756.3 h。天臺的地貌以低山、丘陵為主，占全縣總面積的81%，主要土壤類型有紅壤、黃壤、巖性土、潮土及水稻土5種。

1.2 采集方法

根據(jù)天臺縣森林植被、土壤的分布特性，在查閱森林資源檔案的基礎(chǔ)上，于2017年10月在浙江省天臺縣選取典型地段長勢良好的毛竹Phyllostachysedulis林、闊葉混交林、針闊混交林、針葉混交林、馬尾松Pinusmassoniana林、杉木Cunninghamialanceolata林、黑松Pinusthunbergii林、木荷Schimasuperba林這8種不同森林類型作為研究對象，在不同森林類型內(nèi)布設(shè)30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對其林木的胸徑、樹高、郁閉度等指標(biāo)進(jìn)行測量，并在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)布設(shè)5個1 m×1 m樣方，采集枯落物裝入密封袋，并采集樣地內(nèi)表層(0—30 cm)土壤容重樣。喬木層郁閉度和植被總蓋度采用“一步一抬頭法”測定冠幅投影面積占總面積的比例。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本特征

1.3 測定方法

1.3.1 枯落物蓄積量及持水能力測定 枯落物蓄積量采用烘干法測定，將帶回實(shí)驗(yàn)室的枯落物樣品，置于實(shí)驗(yàn)室干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干然后稱其干重，并以此推算出單位面積枯落物的蓄積量[7]。

持水能力采用室內(nèi)浸泡法測定，將天臺縣8種不同類型枯落物放入水中浸沒，分別測定0.25，0.5，1，2，3，4，5，6，12，24 h的重量變化(以無水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn))，據(jù)此計算最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量等[8]。

1.3.2 土壤物理性狀和持水量測定 將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過2 mm篩后待用。用環(huán)刀法測定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等[6]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用SPSS 19.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、Duncan法多重比較、回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型枯落物的水文特性

2.1.1 不同森林類型枯落物蓄積量 由表2可知，8種森林類型的枯落物蓄積量在8.05～23.84 t/hm2之間，其大小排序?yàn)椋耗竞闪?針闊混交林>黑松林>馬尾松林>闊葉混交林>杉木林>毛竹林>針葉混交林，經(jīng)Duncan檢驗(yàn)，不同森林類型枯落物蓄積量存在顯著差異，其中木荷林蓄積量顯著大于其他7種類型，而毛竹林、針葉混交林蓄積量顯著小于其他類型，且二者蓄積量分別比木荷林小64.97%，66.23%。除此之外其余5種森林類型枯落物蓄積量均無顯著差異。

表2 淅江省天臺縣不同森林類型枯落物攔蓄能力

2.1.2 不同森林類型枯落物持水與攔蓄能力 由表2可知，不同森林類型的自然含水率依次表現(xiàn)為木荷林(49.64%)>針闊混交林(29.57%)>針葉混交林(27.07%)>黑松林(27.00%)>馬尾松林(23.21%)>闊葉混交林(17.69%)>杉木林(18.23%)>毛竹林(16.69%)，其中木荷林枯落物的自然含水率顯著高于其余類型。8種森林類型枯落物最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率范圍分別為135.44%～251.81%，103.84%～235.12%，80.82%～197.35%，3項指標(biāo)中不同森林類型大小排序的前5種類型相同，即均為：毛竹林>針葉混交林>杉木林>闊葉混交林>針闊混交林；不同森林類型枯落物最大持水量介于14.59～35.15 t/hm2之間，表現(xiàn)為木荷林最大、針葉混交林最??；不同林型枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量分別介于12.98～22.96 t/hm2和10.79～18.99 t/hm2之間，且8種森林類型枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量之間無顯著差異。

2.2 不同森林類型枯落物的持水動態(tài)

2.2.1 枯落物持水量動態(tài)過程 由圖1可以看出，8種森林類型林下枯落物持水量與浸泡時間之間變化規(guī)律基本一致。浸泡初期0.5 h內(nèi)持水量迅速增加，隨著浸泡時間的增加，持水量增速變緩，當(dāng)浸泡時間到達(dá)6 h左右時，各森林類型枯落物持水量基本達(dá)到其最大值，6 h以后隨著浸泡時間增加，持水量增加十分緩慢，基本不變。對比相同浸泡時間下不同類型枯落物持水量發(fā)現(xiàn)，無論浸泡初期還是后期均表現(xiàn)為毛竹林最大，馬尾松林和木荷林最小。將不同林型枯落物持水量與浸泡時間進(jìn)行回歸分析擬合，相關(guān)系數(shù)均在R2=0.89以上，說明林下枯落物的持水量與浸泡時間具有極好的相關(guān)性，并且呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(見表3)。

表3 浙江省天臺縣不同森林類型枯落物持水量、吸水速率與浸泡時間回歸方程

圖1 浙江省天臺縣不同森林類型枯落物持水量變化特征

2.2.2 枯落物吸水速率動態(tài)過程 由圖2可以看出，8種森林類型枯落物持水速率變化規(guī)律具有一致性。在前期0.5 h內(nèi)，8種類型枯落物吸水較快，且0.25 h的吸水速率最大；浸泡時間2 h內(nèi)，吸水速率下降明顯但仍相對較高，隨著浸泡時間的延長，其吸水速率逐步變緩，在浸泡12 h左右吸水速率逐漸趨向0，這是因?yàn)榇藭r枯落物的持水量基本飽和，故吸水速率不再發(fā)生較大變化。對不同類型枯落物吸水速率與浸泡時間進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上，其擬合方程為：y=atb。式中：y為枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕；t為浸水時間(h)；a為方程系數(shù)；b為指數(shù)。

圖2 浙江省天臺縣不同森林類型枯落物吸水速率變化特征

2.3 不同森林類型土壤的物理性質(zhì)及持水量

由表4可知天臺縣8種森林類型土壤容重介于0.83～1.21 g/cm3之間，除黑松林土壤容重顯著小于其余類型土壤容重外，其他7種森林類型土壤容重?zé)o顯著差異，各森林類型的毛管孔隙度、非毛管孔隙度差異均不顯著，而土壤總孔隙表現(xiàn)為黑松林最大，且顯著大于其余森林類型，其余森林類型之間則無顯著性差異。

表4 浙江省天臺縣不同森林類型土壤物理性質(zhì)及持水量

不同森林類型土壤持水力變化范圍為200.74～575.70 t/hm2，其中黑松林土壤持水力顯著大于其余類型，針葉混交林土壤持水力最小，另6種森林類型具體表現(xiàn)為：針闊混交林>木荷林>杉木林>毛竹林>馬尾松林>闊葉混交林。

3 討 論

天臺縣地貌主要以低山、丘陵為主，兩種地形總面積占全縣總面積的81%，本研究通過對天臺縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)林場、山地等調(diào)查，選取代表性的8種森林類型對其枯落物及林下土壤持水性進(jìn)行分析，8種森林類型分別為：毛竹林、闊葉混交林、針闊混交林、針葉混交林、馬尾松林、杉木林、黑松林和木荷林。

3.1 不同森林類型枯落物的水文特性

枯落物的累積量受枯落物的數(shù)量、積累周期和分解速度的影響，而林木的組成、不同的水熱條件等對枯落物蓄積量也影響較大[9]。本研究中，8種森林類型枯落物蓄積量表現(xiàn)為木荷林最大、針葉混交林最小，其中木荷林蓄積量為針葉混交林的296.15%，這主要是因?yàn)槟竞扇~片為厚革質(zhì)，葉片質(zhì)量較大，其凋落物的分解速率相對比較緩慢，所以致使木荷林具有相對較大凋落物量，這一現(xiàn)象與殷沙等[10]研究結(jié)果相似。

本研究中，不同類型枯落物最大持水率和最大攔蓄率都表現(xiàn)為毛竹林最大，但最大持水率和最大攔蓄率一般只反映了枯落物蓄水能力大小，不能反映其對實(shí)際降雨的截持作用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，以有效攔蓄量對枯落物攔截實(shí)際降雨量進(jìn)行估計[11]。本研究中，有效攔蓄量表現(xiàn)為闊葉混交林最大、針葉混交林最小，且兩者相差76.0%，這與最大持水率等變化規(guī)律有所不同，這是由于枯落物有效攔蓄量還受到枯落物單位面積的蓄積量影響，即蓄積量大的森林其持水量也相對較大，這與魏雅麗等[12]研究結(jié)果相似。綜合研究結(jié)果表明，闊葉林及含有闊葉樹種林分其枯落物持水量相對于針葉樹種的更強(qiáng)。

利用枯落物層吸水能力和吸水率可模擬森林枯落物對雨水的吸收過程，以此了解不同類型林木的蓄水變化動態(tài)[13]。研究結(jié)果表明，8種森林類型林下枯落物持水量與浸泡時間之間變化規(guī)律基本一致，兩者呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，而不同類型枯落物吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)關(guān)系，本研究中關(guān)于枯落物持水動態(tài)變化結(jié)果與許多學(xué)者研究結(jié)果相似[14-16]。

3.2 不同森林類型林下土壤水文特性

森林水文性能重要參數(shù)之一是土壤儲存水分能力，而土壤層的水分貯存主要通過土壤的物理性質(zhì)和持水力特性表現(xiàn)[17]。本研究中，林下土壤容重均約為1.1 g/cm3，總孔隙度范圍為54.20%～68.57%，其中黑松林林下土壤容重相對最小，且總空隙度最大，這表明黑松林林下土壤相對最疏松，土壤含蓄水源能力最強(qiáng)；各森林類型的毛管孔隙度和非毛管孔隙度之間差異不顯著。綜合比較發(fā)現(xiàn)，黑松林林下土壤持水能力最強(qiáng)，這與許多學(xué)者闊葉林土壤持水能力要強(qiáng)于針葉林的研究結(jié)果有所不同[18-19]，這可能是由于本研究中黑松林樣本選自華頂林場萬年林區(qū)，該區(qū)域樹木林齡相對成熟，林齡越大，其枯落物累積量越大，導(dǎo)致淺層土壤越疏松，土壤透水、保水能力就相對更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

天臺縣8種森林類型枯落物中以木荷林和針闊混交林的蓄積量最大，最大攔蓄量和有效攔蓄量則為闊葉林和木荷林最大；8種森林類型枯落物持水量與浸泡時間之間均呈正相關(guān)，變化趨勢一致，且相同時間下持水量與持水速率表現(xiàn)為毛竹林最大；闊葉林以及含有闊葉樹種的森林類型其枯落物持水力優(yōu)于針葉林。黑松林土壤總孔隙度和土壤持水力均為最大，其土壤持水能力最強(qiáng)。