互助北山國家森公園林下枯落物及土壤水源涵養(yǎng)能力

賀睿，王鈞，錢前，張會(huì)軒，胡延萍，李毅

(1.中國科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，作為第2層次的枯落物層與第3層次的土壤林層持水量可占森林總持水量的85%[1].林下枯落物層包括地面植被組分產(chǎn)生的掉落物與動(dòng)物殘?bào)w等，它通常作為分解者物質(zhì)與能量的來源，同時(shí)枯落物在降水儲(chǔ)水的分配上也起著重要作用[2-3].枯落物覆蓋于地表，能夠截持降雨，減小降雨對(duì)土壤的濺燭力度，延緩地表徑流速度與水量；再者，枯落物層自身的存在與分解還能通過增加土壤有機(jī)質(zhì)起到改善土壤結(jié)構(gòu)的作用，增加土壤入滲性能[4].林下土壤也被譽(yù)為森林的水庫，森林土壤層的蓄水功能往往是通過對(duì)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善，調(diào)節(jié)水分滲透與儲(chǔ)蓄，以此來達(dá)到土壤保水性能提高的目的[5].因此,枯落物與林下土壤成為了研究森林水文學(xué)的首要目標(biāo)[6].目前，不同區(qū)域、不同植被類型下的枯落物與土壤的相關(guān)性研究有很多，這些研究多集中于不同林分枯落物與土壤持水性能方面.王德連等[7]研究顯示，不同林分類型的枯落物蓄積量和持水能力差異明顯，F(xiàn)reschet等[8]對(duì)枯落物的持水性能進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)枯落物對(duì)土壤的理化性質(zhì)有一定的影響.Gholami等[9-10]還對(duì)枯落物的阻流減沙作用進(jìn)行了研究.何東寧等[11]的研究顯示，土壤的非毛管孔隙中存了大部分的林地降水，因此非毛管孔隙度可以作為土壤儲(chǔ)存水分能力的關(guān)鍵衡量因素.不同森林植被的入滲性能研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，不同林地間土壤滲透性能存在較大的差異，初滲速率大的林分會(huì)吸收大量的雨水.另外有研究發(fā)現(xiàn)不同植被類型的土壤蒸發(fā)量大約占到林地總蒸發(fā)散的3%～21%[14-15]，而森林枯落物在地表的覆蓋對(duì)0～20 cm土壤層的水分揮發(fā)影響是最顯著的[4]，可以有效減少蒸發(fā)量.雖然如此，關(guān)于大面積林分的的單一種植下，枯落物持水與其吸水過程、土壤持水能力以及滲透過程的定量研究還比較少.

青海省互助縣北山國家森林是青海祁連地區(qū)十分重要的生態(tài)林場(chǎng).它不僅是黃河上游的水源涵養(yǎng)林區(qū)，而且也是青海省內(nèi)重要的自然生態(tài)屏障，被青海省區(qū)劃為國家生態(tài)公益林.由于其地理位置與氣候條件的獨(dú)特，形成了以高原森林為主，擁有多種野生動(dòng)植物資源的自然生態(tài)系統(tǒng)[16].目前本地區(qū)的研究多集中于物種多樣性、地質(zhì)、土壤等方面,對(duì)水文功能的研究則相對(duì)較少.本研究以本區(qū)域內(nèi)白樺青扦山楊混交林(The mixed ofBetulaplatyphyllaPiceawilsoniipopulusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)純林、青扦(Piceawilsonii)純林、山楊(Populusdavidiana)純林4種林分為研究對(duì)象，對(duì)不同林分下枯落物層及表層土壤的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行研究，進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)，為本地區(qū)針闊混交林種植，水源涵養(yǎng)效益提升提供科學(xué)的數(shù)據(jù)與理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

互助北山國家森林公園屬于青海省面積較大的天然次生林場(chǎng)，地理坐標(biāo)N 36°53′～37°03′,E 102°19′～102°28′，林區(qū)總面積達(dá)到11.27 hm2，森林覆蓋率64.3%，海拔在2 100～4 308 m之間.位于互助縣東北部，祁連山東端，大通河中下游，祁連山支脈冷龍嶺南域，支脈達(dá)坂山北坡，山地地貌整體上屬于多年凍土，氣候?qū)儆诖箨懞疁貛В九c夏季溫差較大，冬季受西伯利亞季風(fēng)和寒流影響，夏季受東南沿海臺(tái)風(fēng)影響.年平均氣溫5.8 ℃，其中最高氣溫達(dá)到30.3 ℃，最低氣溫達(dá)到-26.9 ℃；年降水量477.4 mm，年蒸發(fā)量1 198.3 mm[17].白樺青扦山楊混交林、白樺純林、青扦純林以及山楊純林為北山國家森林公園內(nèi)常見的林分.除去喬木外，還存在主要灌有木茶藨子(Ribesnigrum)、扁刺薔薇(Rosasweginzowii)、小檗(Berberisthunbergii)，主要草本有早熟禾(Poaannua)、早沙蠶(Tripogonbromoides)東方草莓(Fragariaorientalis)等，其中青扦與白樺林中灌木10～20棵，山楊與混交林較少，只有6～10棵，草本在4中林分中均勻分布.

1.2 樣地取樣

2019年9月，林區(qū)勘基礎(chǔ)上分別選取不同林分各設(shè)置1個(gè)28 m × 28 m的調(diào)查樣方，對(duì)樣方內(nèi)所有林木進(jìn)行調(diào)查(表1)，并在調(diào)查樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置10個(gè)1 m × 1 m小樣方，每兩個(gè)1 m2樣方內(nèi)的枯落物為一份全部取回，即每個(gè)調(diào)查樣方內(nèi)有5份枯落物樣品，稱重所取的枯落物樣品，記為W1(g).在每一調(diào)查樣方內(nèi)用鋁盒與土壤環(huán)刀十字交叉取表層(0～5 cm)土壤各10份，并稱重，鋁盒土記為M濕，環(huán)刀土記為M1(g).將稱質(zhì)量后的枯落物與土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室開展室內(nèi)試驗(yàn).

表1 調(diào)查地林分基本概況

1.3 水源涵養(yǎng)功能測(cè)定

將帶回實(shí)驗(yàn)室的枯落物樣品用烘箱80 ℃烘24 h至恒質(zhì)量記為W2(g)，計(jì)算枯落物生物量M(t/hm2).烘干的枯落物分別裝入尼龍網(wǎng)袋中，浸泡在水中0.5、1、2、4、6、8、12、24 h，并在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取出靜置無水滴滴下后稱質(zhì)量記錄，24 h時(shí)稱重W24(g)，以此計(jì)算枯落物的自然持水率%R0，最大持水率%Rm、最大持水量(t/hm2)Ms，以及有效攔蓄量(t/hm2)W[18].

M=W2/S草樣方×0.01
R0=(W1-W2)/W2×100
Rm=(W24-W2)/W2×100
Ms=(W24-W2)/S草樣方×0.01
W=(0.85Rm-R0)×N

式中:M為枯落物現(xiàn)存生物量(t/hm2)，W1為剛?cè)】萋湮锏馁|(zhì)量(g)；W2為枯落物烘干后質(zhì)量(g)；S草樣方是取枯落物的草樣方面積，本研究中是2 m2,枯落物樣品取自草樣方;R0為枯落物自然持水率(%)；Rm為最大持水率(%)；W24為枯落物浸泡24 h后的質(zhì)量(g)；Ms為枯落物最大持水量(t/hm2)；W為枯落物有效攔蓄量(t/hm2).

帶回實(shí)驗(yàn)室的環(huán)刀土浸入水中，沒過環(huán)刀上沿，吸水24 h后稱質(zhì)量，記為M24(g)，接著將一空環(huán)刀去掉上下蓋，環(huán)刀土去上蓋，環(huán)刀土未取蓋面置于漏斗上，空環(huán)刀置于環(huán)刀土上，進(jìn)行室內(nèi)模擬滲透，計(jì)算其室內(nèi)統(tǒng)一條件下的滲出水總量Q(mm),滲透速率V(mm/min).之后將浸泡過的環(huán)刀土置于干燥的土上12 h后稱質(zhì)量記為M12，以計(jì)算田間持水量等指標(biāo)，然后環(huán)刀土與鋁盒土均放入烘箱，105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，鋁盒土記M干，環(huán)刀土記M2，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量P(g/Kg)，土壤容重P1(g/cm3)、最大持水量P2(g/kg)、田間持水量P3(g/kg)、毛管持水量P4(g/kg)、毛管孔隙度P5(%)、非毛管孔隙度P6(%)[19].

Q=(Q1+，…，+Qn)×10/S環(huán)刀截面積

V=10×Q/t×S環(huán)刀截面積

式中：Q(mm)為每個(gè)環(huán)刀室內(nèi)統(tǒng)一條件下的滲出水總量，Q1，…，Qn(mL)為次滲出水量，本試驗(yàn)為每2 min；S(cm2)為環(huán)刀直徑5 cm,高5 cm,橫截面積19.63 cm2.V環(huán)刀(cm3)為環(huán)刀的體積，本文中為98.13 cm3/t(min)為每次測(cè)定的時(shí)間間隔，2 min測(cè)1次.P(g/Kg)為土壤質(zhì)量含水量；M濕(g)為取樣后鋁盒土的質(zhì)量；M干(g)為烘干后鋁盒土的質(zhì)量，M2(g)為烘干后的環(huán)刀土(環(huán)刀+土)質(zhì)量，(鋁盒土與環(huán)刀土均指盒+土)，M(g)空鋁盒指無土的空鋁盒質(zhì)量.P1(g/cm3)為土壤容重，M1(g)為取樣后環(huán)刀土的質(zhì)量，M空環(huán)刀(g)指無土的空環(huán)刀的質(zhì)量.P2(g/kg)為最大持水量，M24(g)為環(huán)刀土浸入水中吸水24 h后的質(zhì)量.P3(g/kg)為毛管持水量.P3(g/kg)為田間持水量，M12(g)為浸泡過的環(huán)刀土置于干燥的土上一段時(shí)間后稱的質(zhì)量，本文中是放置12 h.P4(g/kg)為毛管持水量，M2 h(g)為浸泡過的環(huán)刀土置于干燥的土上2 h后質(zhì)量.P5(%)為毛管

孔隙度，ρ土(g/cm3)為土壤的密度；ρ水(g/cm3)為浸泡所用水的密度，M2 h(g)指為浸泡過的環(huán)刀土置于干燥的土上2 h后質(zhì)量.P6(%)為非毛管孔隙度；

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分枯落物水源涵養(yǎng)

2.1.1 枯落物持水 枯落物的生物量與吸水量與枯落物類型關(guān)系極大，較大的林下現(xiàn)存量提供了一個(gè)比較大的吸水基礎(chǔ).四種類型的林分在枯落物的生物量以及最大持水率方面均存在一定的差異(表2).方差分析表明，現(xiàn)存生物量青扦>白樺>白樺青扦山楊混交林>山楊(P<0.05)，白樺青扦山楊混交林生物量與3種純林平均生物量相比略低，白樺青扦山楊混交林相比山楊多出了13.15%.枯落物最大持水總量顯示白樺青扦山楊混交林>白樺、山楊>青扦(P<0.05)，白樺青扦山楊混交林枯落物最大持水總量最高，與白樺、青扦純及山楊相比分別提高了68.09%、189.40%和60.37%，白樺與青扦純林相比提高了72.17%，山楊與青扦相比提高了80.46%.

表2 不同林分枯落物生物量和持水性能

2.1.2 枯落物持水過程 枯落物持水過程中的持水速率大小在一定程度上反映了持水能力[20].通過對(duì)4種林分枯落物浸水時(shí)間與持水量、持水速率的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，以此來反映林分枯落物持水的動(dòng)態(tài)變化特征.干燥的枯落物在最開始階段吸水量大，吸水速率快，隨著時(shí)間的推移.枯落物持水量增多、水勢(shì)差減小，持水速率迅速變小，在12 h左右持水量慢慢趨于飽和，枯落物層持水速率也趨于平緩(圖1).在0.5 h 4種林分枯落物吸水量呈現(xiàn)白樺(3.69 t/hm2)>青扦(2.78 t/hm2)、青扦白樺山楊(2.83 t/hm2)>山楊(2.15 t/hm2)(P<0.05)，在吸水基本處于飽和的24 h時(shí)則呈現(xiàn)出白樺(5.04 t/hm2)、青扦(4.99 t/hm2)、青扦白樺山楊(4.76 t/hm2)>山楊(3.03 t/hm2)(P<0.05).4種林分吸水速率在0.5 h時(shí)，白樺(7.38 t/(hm2·h))>青扦(5.56 t/(hm2·h))、青扦白樺山楊(5.66 t/(hm2·h))>山楊(4.30 t/(hm2·h)，P<0.05).枯落物層浸水時(shí)間與持水量、持水速率函數(shù)擬合關(guān)系見表3.枯落物浸水時(shí)間與持水量之間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率與與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：V=Ktn(R2>0.99).

圖1 不同林分枯落物浸水時(shí)間與吸水量、吸水速率擬合曲線Figure 1 Fitting curves of soaking time，water absorption and water absorption rate of litter in different forest stands

表3 不同林分枯落物浸水時(shí)間與吸水量、吸水速率擬合關(guān)系

2.2 不同林分土壤水源涵養(yǎng)

2.2.1 土壤物理性質(zhì)和持水能力 森林土壤層因?yàn)槠溆兄薮蟮乃恼{(diào)節(jié)與水分儲(chǔ)存能力，被稱為森林水源涵養(yǎng)系統(tǒng)的第三活動(dòng)層.研究發(fā)現(xiàn)，林分類型不同，其林下土壤層的水分物理性質(zhì)一般也會(huì)有所不同[21].土壤容重作為土壤層物理結(jié)構(gòu)松緊度與透氣性的重要衡量指標(biāo)，在土壤層持水保水方面有重要的作用.由表4可以看出，土壤容重最大的為山楊，最小的白樺，前者是后者的1.64倍，大小排序?yàn)椋荷綏?0.472 6 g/cm3)>白樺青扦山楊混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白樺(0.287 5 g/cm3)；非毛管孔隙度是土壤有效持水量的重要影響指標(biāo)，是水分和空氣重要傳輸通道，直接反映出土壤持水能力強(qiáng)弱，在水分進(jìn)入土壤后，非毛管孔隙能夠貯存一定量的水分，能夠起到保水固土的作用[17]，土壤非毛管孔隙大小排序?yàn)椋喊讟迩嗲ど綏罨旖涣?29.44%)>山楊(28.85%)>青扦(23.62%)>白樺(21.25%)；土壤最大持水量會(huì)在一定程度上反映土壤對(duì)水分的貯藏潛力，白樺青扦山楊混交林的最大持水量是最大的，而青扦純林最小，大小排序?yàn)椋喊讟迩嗲ど綏罨旖涣?白樺>山楊>青扦.

表4 不同林分類型土壤水分物理性質(zhì)

2.2.2 土壤滲透性能 土壤水分入滲作為森林系統(tǒng)水循環(huán)的重要過程，是對(duì)植被水分吸收與蒸發(fā)、表層水土流失等衡量的重要參數(shù)[19].通過函數(shù)擬合土壤滲透時(shí)間與滲透速率，發(fā)現(xiàn)兩者之間具有較好的函數(shù)關(guān)系(圖2、表5)，初滲速率最大的為白樺青扦山楊混交林，最小的為青扦，前者為后者的1.29倍，數(shù)值大小排序?yàn)椋喊讟迩嗲ど綏罨旖涣?27.78 mm/min)>白樺(23.61 mm/min)> 山楊(22.14 mm/min)> 青扦(21.52 mm/min).土壤初入滲時(shí)速率較大，隨后慢慢減小，最后趨于穩(wěn)定，白樺青扦山楊的穩(wěn)滲速率最大，最小的為白樺純林，由大到小為：白樺青扦山楊混交林(27.78 mm/min)>青扦(14.83 mm/min)>山楊(13.00 mm/min)>白樺(12.88 mm/min).入滲時(shí)間與入滲速率的擬合曲線符合回歸方程Y=a×Xb(R2>0.80).

圖2 不同林分土壤入滲速率與入滲時(shí)間擬合曲線Figure 2 Fitting curves of soil infiltration rate and infiltration time of different forest stands

3 討論

在風(fēng)和水蝕的相互作用下，累積的枯落物分解后最終在表層土壤中形成粘性地殼，被定義為凋落物地殼.生物結(jié)皮的粗糙表面有助于凋落物的攔截和積累[22].凋落物的覆蓋改變了生物結(jié)皮的微生境，并進(jìn)一步影響了生物結(jié)皮的代謝和生長.本文研究發(fā)現(xiàn)，從生物量來看，青扦純林的枯落物生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種林分.4種林下枯落物生物量青扦>白樺>混交林>山楊(P<0.05)，這與李陽等[23]得出的針葉林純林枯落物存量大于闊葉林純林的結(jié)論一致，但與楊良辰等[24]在承德壩區(qū)得出的混交林枯落物蓄積量大于針葉林的結(jié)論不同.出現(xiàn)這種結(jié)果一由于青扦純林林下枯落物存在較多的果實(shí)與松枝，松針葉及其少，采集樣品中，松枝、松果與針葉比例為14∶1，所以同等面積下針葉林青扦的枯落物生物量會(huì)最多，二是互助北山海拔較高，溫度較低，針葉分解速度較為緩慢，累積的針葉枯落物造成了土壤酸化，降低土壤微生物活性，進(jìn)一步減緩甚至阻礙枯落物的分解，三種樹種的混交林生物量低是因?yàn)樵谄渲邪讟迮c山楊數(shù)量占比大，而青扦占比??；林下枯落物最大持水量表現(xiàn)為混交林>山楊、白樺純林>青扦純林(P<0.05)，其中白樺青扦山楊混交林的林下枯落物層最大持水量與白樺純林、青扦純林與山楊純林相比分別提高68.09%、189.40%和60.37%；與張佳楠[25]在晉西黃土區(qū)得出的針闊混交林>針葉林結(jié)論相同.與孫艷紅等[26]得出的闊葉林枯落物的持水能力普遍高于針葉林也是一致的.這主要是因?yàn)橛卺樔~相比闊葉，質(zhì)地硬、吸水面積小、吸水少，所以在長時(shí)間的浸水情況下吸水量反而會(huì)小.不同林分類型枯落物持水能力的大小與林分類型、枯落物組成、積累狀況等密切相關(guān)[27],因此在今后的研究中,還需在枯落物的持水能力與其他因子的關(guān)系方面進(jìn)行更深人的探索.枯落物持水量與浸水時(shí)間枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物持水速率與與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：V=Ktn(R2>0.09).這與蘭亞男等[28]的研究,不同林分類型的枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,持水速率與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系是一致的.

表5 入滲速率與入滲時(shí)間的回歸方程

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的水分調(diào)節(jié)與水分儲(chǔ)蓄層次，有著“綠色水庫”的美稱.其水源涵養(yǎng)主要在蓄水性與滲透性兩個(gè)方面.土壤的蓄水主要受土壤容重與土壤非毛管孔隙度等因素的影響.土壤大孔隙在滲透過程中可以通過團(tuán)聚體間的孔隙、土體間的裂隙、根系和動(dòng)物通道提供優(yōu)先水流路徑[29-30]，其對(duì)水分的運(yùn)輸?shù)人h(huán)過程起重要的調(diào)節(jié)作用，它也是研究森林水文特征的重要要素.本研究中土壤非毛管孔隙度混交林>山楊>青扦>白樺(P<0.05).這與何東寧等[31]發(fā)現(xiàn)混交林土壤的粗孔隙率最高，持水能力最強(qiáng)的研究一致.土壤容重山楊>混交林>青扦>白樺(P<0.05)，土壤最大持水量混交林>白樺>山楊>青扦(P<0.05)，這與以往研究的混交林最大持水量高于純林、不同林型土壤飽和持水量和土壤非毛管蓄水量均為混交林優(yōu)于純林,混交林對(duì)水分的靜態(tài)涵養(yǎng)能力更強(qiáng),混交林水源涵養(yǎng)能力大于純林的結(jié)論一致[32].土壤的滲透能力是指不同林分通過改善土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高土壤水性能的目的，是影響土壤侵蝕的重要因素之一.本研究入滲初期，土壤初入滲速率較大，隨后慢慢減小，最后趨于穩(wěn)定，這與研究入滲初期，土壤入滲速率與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并隨著時(shí)間的推移其對(duì)土壤入滲的影響可以忽略不計(jì)[33-34]相吻合.初滲速率與吸水量最大的均為白樺山楊青扦混交林，這也與胡海波等[12]的研究，不同森林植被下土壤初滲速率大的林分有助于吸收大量的雨水相一致.從枯落物與土壤總體上來講，本文研究山楊白樺青扦混交林最優(yōu)，持水量最大,故可以建議本區(qū)域內(nèi)可以通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，適量增加針葉闊葉混交林的種植比例，來提高林分水源涵養(yǎng)能力.

4 結(jié)論

青海省互助縣北山國家森林林下枯落物現(xiàn)存量現(xiàn)存生物量青扦>白樺>白樺青扦山楊混交林>山楊，最大持水總量白樺青扦山楊混交林>白樺、山楊>青扦.枯落物浸水時(shí)間與持水量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：Q=alnt+b(R2>0.91)；枯落物赤水時(shí)間與持水速率間呈冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：V=Ktn(R2>0.99).土壤容重山楊(0.472 6 g/cm3)>白樺青扦山楊混交林(0.366 5 g/cm3)>青扦(0.311 3 g/cm3)>白樺(0.287 5 g/cm3)，土壤非毛管孔隙排序?yàn)椋喊讟迩嗲ど綏罨旖涣?29.44%)>山楊(28.85%)>青扦(23.62%)>白樺(21.25%)；最大持水量白樺青扦山楊混交林>白樺>山楊>青扦，入滲時(shí)間與入滲速率的擬合曲線符合回歸方程Y=aXb(R2>0.80).整體上從持水量來看，白樺青扦山楊混交林優(yōu)于其他三種純林，闊葉林白樺、山楊優(yōu)于青扦.