劉忠玲, 劉建明, 呂躍東

(黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所, 哈爾濱150081)

森林枯落物層表面積大，疏松多孔，具有明顯的截持降雨、延緩降水沿坡地流失，促進(jìn)降水下滲，調(diào)節(jié)地表徑流、減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)功能，從而起到保持水土和水源涵養(yǎng)的作用，是森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水分分配的第二作用層。根系土壤層具有較高的蓄水能力，其特有的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水分滲透、滲蓄起到調(diào)節(jié)作用，是第三作用層[1-4]。不同類型的森林植被會(huì)影響森林水文調(diào)節(jié)效果，渾河上游4種林分枯落物最大持水量排序?yàn)槿毡韭淙~松(Larixkaempferi)人工林>遼東櫟(Quercusliaotungensis)天然次生林>核桃楸(Juglansmandshurica)闊葉混交林>冷杉(Abiesnephrolepis)針闊混交林，長(zhǎng)白山4種林分枯落物最大持水量排序?yàn)榘讟?Betulaplatyphylla)林>落葉闊葉林>雜木林>紅松(Pinuskoraiensis)闊葉林，冀西北地區(qū)4種林分林地持水量白樺林>華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)林>云杉(Piceawilsonii)林>山楊(Populusdavidiana)林，阿什河源頭核桃楸—紅松林林分保水蓄水能力優(yōu)于紅松純林及其他紅松闊葉混交林[5-8]。雜木林是北方常見林型，處于不同的演替階段，郁閉度各異，樹種組成復(fù)雜，很難用借鑒他人的研究結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)本地林分持水能力，闊葉紅松林也會(huì)由于林內(nèi)闊葉樹種的不同而具有不同的持水能力。

孟家崗林場(chǎng)施業(yè)區(qū)為松花江水系的倭肯河的一級(jí)支流源頭匯水區(qū)，人工林約占森林總面積的2/3，次生林約占1/3[9]，人工林的木材生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了永續(xù)利用，次生林發(fā)揮著重要的涵養(yǎng)水源作用。這些次生林主要有兩種類型，有多年來(lái)一直封山育林形成的雜木林，也有一些是采取栽針保闊經(jīng)營(yíng)措施形成的闊葉紅松林，而這兩種林型的枯落物和土壤持水特性尚不明確。本文以倭肯河源頭的雜木林和闊葉紅松林為研究對(duì)象，分析其枯落物和土壤水文特性，可為水源涵養(yǎng)林的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省樺南縣孟家崗林場(chǎng)(130°32′42″—130°52′36″E，46°20′16″—46°30′50″N)，屬完達(dá)山西麓余脈，以低山丘陵為主，平均海拔250 m，坡度較為平緩，大部分坡度為10°～20°，土壤以暗棕壤為主。屬東亞大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.7℃，極端最高氣溫35.6℃，最低氣溫-34.7 ℃。年平均降水量550 mm，無(wú)霜期120 d左右，≥10℃的積溫為2 547℃[9]。試驗(yàn)林位于陽(yáng)坡的中下坡位置，按樹種組成可以分為雜木林和闊葉紅松林，雜木林為封山育林林分，闊葉紅松林為栽針保闊后形成。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2016年5月，在雜木林(記為MZ1)和闊葉紅松林(記為MZ2)中各設(shè)置3塊20 m×25 m標(biāo)準(zhǔn)地，調(diào)查樣地立地因子，每木檢尺，樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本特征

2.2 林下枯落物采集與蓄積量測(cè)定

2016年5月下旬，在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿一條對(duì)角線設(shè)置3個(gè)50 cm×50 cm的枯落物收集樣方，利用砍刀、枝剪等工具將樣方邊界內(nèi)外枯落物斷開，記錄枯落物層厚度，將每個(gè)樣方內(nèi)的枯落物分別按未分解層和半分解層裝入密封袋中，即每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地收集6袋。將分層的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，未分解層分選為枝、葉2種類型，闊葉紅松林未分解層葉分選為針葉、闊葉兩種，分別稱其自然狀態(tài)質(zhì)量，80℃烘箱中烘至恒重后稱其烘干質(zhì)量，以烘干質(zhì)量推算枯落物蓄積量[6]。

2.3 枯落物持水的測(cè)定

將上述烘干后的樣品裝入網(wǎng)眼為0.5 mm的尼龍網(wǎng)袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡(各類型的浸泡樣品均為每個(gè)樣方內(nèi)該類型的全部樣品)。分別在浸泡前、浸泡0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時(shí)取出，靜置至不滴水時(shí)立即稱質(zhì)量，計(jì)算持水量、吸水速率、攔蓄量等指標(biāo)[6]。

2.4 土壤持水的測(cè)定

采用剖面法，在各個(gè)樣地四角及中心選擇5個(gè)剖面，用環(huán)刀(100 cm3)在每個(gè)剖面上按照(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)分層采樣，每層采樣1個(gè)。用烘干法測(cè)定土壤含水量；用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度[7]。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel軟件，進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性水平為0.05，采用Excel制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層厚度和蓄積量

兩林分枯落物層厚度和蓄積量差異不顯著(p>0.05)，MZ1枯落物層厚度大于MZ2，蓄積量低于MZ2。MZ1未分解層厚度及蓄積量大于半分解層，MZ2相反。MZ2未分解層中針、闊葉蓄積量分別為2.17，1.44 t/hm2，比值為1.5∶1(表2)。

表2 枯落物層厚度及蓄積量

3.2 枯落物持水能力

3.2.1 枯落物持水過(guò)程 兩林分的不同枯落物層持水量隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)均呈對(duì)數(shù)型增加趨勢(shì)(圖1，表3)，浸水0.5 h，持水量急速增加，持水量可達(dá)最大持水量的72%以上，浸水1～4 h，持水量增加變緩，隨后持水量增加速度保持穩(wěn)定，10 h持水量達(dá)到最大持水量的93%以上。在浸水過(guò)程中，枯落物層持水量MZ1低于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。MZ1未分解層和半分解層含水量相近，MZ2半分解層持水量高于未分解層持水量。

圖1 枯落物持水量隨浸泡時(shí)間的變化

表3 枯落物持水量及吸水速率特征曲線擬合

兩林分的不同枯落物層吸水速率隨浸水時(shí)間的變化均呈冪指數(shù)趨勢(shì)(圖2，表3)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直線下降，隨后吸水速率下降變緩，直至枯落物吸水速率趨向一致，曲線趨于平直，枯落物吸水飽和(圖2)。在浸水過(guò)程中，枯落物層吸水速率MZ1慢于MZ2。MZ1未分解層吸水速率在0.5 h內(nèi)大于半分解層，0.5 h后小于半分解層吸水速率，而MZ2半分解層吸水速率在24 h內(nèi)始終大于未分解層。

圖2 枯落物吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

3.2.2 枯落物自然持水量、最大持水量和有效攔蓄量 兩林分的不同枯落物層自然含水量均為MZ2>MZ1，差異不顯著(p>0.05)，半分解層自然含水量高于未分解層(表4)。

表4 枯落物自然含水量 t/hm2

兩林分的枯落物層最大持水量，相當(dāng)于可吸收2.0～2.5 mm的降水，MZ2>MZ1。MZ2未分解層最大持水量低于MZ1，半分解層最大持水量高于MZ1(表5)。MZ1未分解層最大持水量高于半分解層，MZ2未分解層最大持水量低于半分解層。未分解層從枯落物組成來(lái)看，均為葉的最大持水量大于枝條，表明枯落物未分解層持水量主要受葉片影響。兩林分枯落物層最大持水率相當(dāng)于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水(表5)。MZ1枯落物未分解層枝、半分解層、全部枯落物最大持水率低于MZ2同層最大持水率，未分解層葉最大持水率顯著高于MZ2(p<0.05)。

表5 枯落物最大持水量和最大持水率

一般用最大持水率(量)估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力會(huì)偏高，而有效攔蓄率(量)則能反映枯落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄情況。兩林分的枯落物有效攔蓄量差異不顯著(p>0.05)，MZ2>MZ1，未分解層有效攔蓄量高于半分解層(表6)。兩林分的枯落物的有效攔蓄率范圍為114.86%～128.10%，MZ1有效攔蓄率高于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。

表6 枯落物攔蓄量和有效攔蓄率

對(duì)MZ2枯落物未分解層不同類型葉片浸水過(guò)程中的持水特性進(jìn)行比較，闊葉自然水含水量高于針葉自然含水量，闊葉的最大持水率(量)和有效攔蓄率(量)顯著高于針葉最大持水率(量)和有效攔蓄率(量)(表7)。說(shuō)明闊葉紅松林因其半分解層分解慢儲(chǔ)量高(表2)而在最大持水量和有效攔蓄量指標(biāo)方面高于雜木林(表5—6)。

表7 不同類型葉片枯落物持水特性

3.3 土壤水文效應(yīng)

3.3.1 土壤物理性質(zhì) 林地土壤容重和孔隙度是體現(xiàn)土壤物理性狀的基本指標(biāo)，反映了土壤的整體結(jié)構(gòu)狀況。在0—30 cm深的土層中，MZ1土壤容重平均值大于MZ2，差異不顯著(p>0.05)。MZ1土壤總孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)。

表8 兩種林分不同土壤層的物理性狀及持水量

從空間垂直角度來(lái)看，隨土層深度增加，2種林分土壤容重逐漸增加，總孔隙度逐漸降低(表8)。主要原因是隨土壤加深，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，土壤疏松度下降，這也對(duì)提高土壤水源涵養(yǎng)能力起著積極作用。土壤孔隙度的變化趨勢(shì)與容重變化大體相反，雜木林毛管孔隙度逐漸降低，闊葉紅松林中非毛管孔隙度逐漸降低；非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0—10 cm土層，說(shuō)明表層土壤通透性較好。

3.3.2 土壤持水能力 MZ2的最大持水量和有效持水量均高于MZ1，差異不顯著(表8，p>0.05)，隨著土層加深，MZ1最大持水量逐漸減小，MZ2最大持水量和有效持水量均逐漸減小(表8)。最大持水量和有效持水量最大值都在0—10 cm土層，說(shuō)明表層土壤蓄水能力較強(qiáng)。

3.4 枯落物和土壤的水文效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)

森林持水能力主要受枯落物層和土壤層兩層影響，可以說(shuō)林地最大持水量相當(dāng)于水源涵養(yǎng)能力的理論值，而有效持水量更能反映其實(shí)際持水能力[10]。MZ2的最大持水量總和、有效持水量總和均高于MZ1，表明闊葉紅松林的持水量更高(表9)。2種林分土壤層最大持水量占林分最大持水量總和的百分比達(dá)到98%以上，土壤層有效持水量占林分有效持水量總和的90%以上，說(shuō)明土壤層對(duì)森林涵養(yǎng)水源的作用是主要的。

表9 枯落物層和土壤層的持水總量 t/hm2

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

MZ1枯落物層厚度大于MZ2，蓄積量低于MZ2，主要是由于雖然MZ1未分解層厚度大于MZ2，但蓄積量低(表2)。林分樹種組成不同導(dǎo)致枯落葉組成不同，MZ1林內(nèi)主要是闊葉樹種，葉片之間空隙大，MZ2是闊葉紅松林，針葉分散在闊葉之間，因此可能導(dǎo)致MZ1林分雖然未分解層厚度大于MZ2，但是蓄積量低于MZ2。

MZ1未分解層厚度及蓄積量大于半分解層，MZ2未分解層蓄積量小于半分解層，主要是由于MZ2林內(nèi)針葉分解速度慢[11]，半分解層枯落物累積多造成的，也表明MZ1未分解層對(duì)持水量影響較大，而MZ2半分解層對(duì)持水量影響較大。對(duì)持水量的分析也發(fā)現(xiàn)MZ1未分解層和半分解層含水量相近，MZ2半分解層持水量高于未分解層持水量(圖1)。在浸水過(guò)程中，MZ1枯落物半分解層持水量低于MZ2(圖1)，吸水速率慢于MZ2，而未分解層吸水速率相近(圖2)，導(dǎo)致在浸水過(guò)程中MZ1枯落物層持水量低于MZ2枯落物層持水量(圖1)，吸水速率慢于MZ2(圖2)，最大持水量低于MZ2(表5)。受枯落物蓄積量影響，最大持水率變化規(guī)律與最大持水量不完全一致；受自然含水量影響，有效攔蓄率變化與最大持水率不一致(表5—6)。MZ1未分解層葉最大持水率顯著高于MZ2未分解層葉最大持水率(表5)，主要是葉片組成不同，闊葉紅松林未分解層內(nèi)有大量針葉存在，針葉含有較高的油脂，其吸水速率、最大持水率和有效攔蓄率小于闊葉(表6)。有效攔蓄率考慮了自然含水率，有效攔蓄量考慮了自然含水率與儲(chǔ)量，更能準(zhǔn)確地反映枯落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄情況，MZ2有效攔蓄量高于MZ1。枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，吸水速率與與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(表3)。這兩種函數(shù)模型與前人研究結(jié)果一致。

未分解層自然含水量低于半分解層(表4)，有效攔蓄量高于半分解層(表6)，表明在無(wú)雨時(shí)，林內(nèi)枯落物水分主要貯存在半分解層，在降雨時(shí)，未分解層能發(fā)揮更大的截持降雨作用。持水量隨浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，吸水速率隨浸水時(shí)間呈冪指數(shù)下降，說(shuō)明林地枯落物對(duì)短時(shí)、高強(qiáng)度的降雨有較好的攔蓄功能[7]，林內(nèi)降雨小于1.5 mm時(shí)，試驗(yàn)林分內(nèi)將不會(huì)產(chǎn)生地表徑流(圖1)。

有研究表明，冀北地區(qū)雜木林枯落物蓄積量11.43 t/hm2[1]，老禿頂子國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)雜木林枯落物蓄積量13.77 t/hm2[2]，吉林延邊八家子林業(yè)局雜木林枯落物蓄積量4.67 t/hm2，紅松闊葉林枯落物蓄積量4.62 t/hm2[6]，遼寧省清原甘井子林場(chǎng)的雜木林枯落物蓄積量15.58 t/hm2[11]，遼寧省試驗(yàn)林場(chǎng)以槭屬、椴樹屬、榆屬為主的林分枯落物蓄積量11.6 t/hm2[12]，遼西海棠山自然保護(hù)區(qū)雜木林枯落物蓄積量3.68 t/hm2[13]，阿什河流域天然雜木林林分枯落物蓄積量5.96 t/hm2[14]，針闊混交林枯落物蓄積量22.48 t/hm2[15]，這些林分的枯落物最大持水量范圍為10.9～75.19 t/hm2。本試驗(yàn)林分枯落物蓄積量為8.07～9.85 t/hm2，最大持水量20.3～25.3 t/hm2，與其他地區(qū)雜木林和闊葉紅松林相比較，枯落物層持水能力水平中等偏下。

一定土壤厚度條件下土壤的貯水能力取決于暫時(shí)蓄存在非毛管孔隙中的自由重力水[13]。MZ1土壤容重平均值大于MZ2，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)，說(shuō)明MZ2土壤非毛管孔隙度大，土壤通透性好，降水下滲較快，從而減少地表徑流，起到更好地涵養(yǎng)水源作用。土壤有效持水量取決于非毛管孔隙度，所以MZ2有效持水量也高于MZ1。

冀北地區(qū)闊葉雜木林0—40 cm非毛管孔隙度8.62%，有效持水量323 t/hm2[1]，遼西海棠山自然保護(hù)區(qū)雜木林0—40 cm土壤非毛管孔隙度1.40%，有效持水量為55.8 t/hm2[13]，阿什河上游闊葉紅松林土壤0—40 cm非毛管孔隙度9.57%，有效持水量392.80 t/hm2[15]，長(zhǎng)白山闊葉紅松林土壤0—30 cm非毛管孔隙度14.21%，有效持水量426.46 t/hm2[16]，本試驗(yàn)林分土壤非毛管孔隙度3.00～4.44%，有效持水量89.96～133.32 t/hm2，與其他地區(qū)雜木林和闊葉紅松林相比較，土壤持水能力水平中等。

4.2 結(jié) 論

試驗(yàn)兩種林型枯落物厚度約7.5 cm，總蓄積量為8.07～9.85 t/hm2，最大持水量相當(dāng)于可吸收2.0～2.5 mm的降水，最大持水率相當(dāng)于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水，有效攔蓄量相當(dāng)于1.0～1.1 mm的降水。枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.9843)，吸水速率與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.9999)。土壤容重變化范圍為1.13～1.21 g/cm3，隨著土層深度增加，容重增加。土壤最大持水量范圍為1 509.74～1 542.17 t/hm2，土壤有效持水量范圍為89.96 ～133.32 t/hm2。土壤層有效持水量占林分總持水量的90%以上。

本試驗(yàn)區(qū)域的兩種林型，闊葉紅松林密度低，長(zhǎng)勢(shì)好，郁閉度高。闊葉紅松林枯落物層蓄積、最大持水量和有效攔蓄量，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、有效持水量均高于雜木林。以森林水源涵養(yǎng)為功能導(dǎo)向時(shí)，兩種林型無(wú)顯著差異，可不進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)一步開展林分密度調(diào)整對(duì)枯落物和土壤持水影響的研究。

致謝：研究中得到了孟家崗林場(chǎng)的大力支持，在此表示感謝。