張?zhí)? 李龍龍

摘 要：為探究中條山林區(qū)森林水文生態(tài)功能情況，以位于中條山腹地的運城市鳳凰谷森林公園為研究對象，選取該區(qū)域4種不同森林類型（樸-櫸闊葉混交林、山里紅闊葉林、欒樹闊葉林、油松-樸樹針闊混交林），分別對其枯落物層和土壤層水文性能進(jìn)行測定和差異性分析。結(jié)果表明，4種林型枯落物層總蓄積量范圍為10.75～15.84 t/hm2，由大到小依次為：油松-樸樹針闊混交林 、欒樹闊葉林 、 樸-櫸闊葉混交林、 山里紅闊葉林;枯落物累積最大持水量變動范圍為40.39～49.92 t/hm2，樸-櫸闊葉混交林枯落物層的持水性能優(yōu)于針闊混交林和純林;不同林型的土壤容重范圍為0.55～0.88 g/cm3，非毛管孔隙度范圍為3.07%～15.56%，以油松-樸樹針闊混交林的土壤容重最小，土壤非毛管孔隙度最大，表明其土壤滲透性能較好;樸-櫸闊葉混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、最大持水量均為最大，表現(xiàn)出良好的水源涵養(yǎng)性能。綜合分析得出，樸-櫸闊葉混交林的水文性能最佳，其中枯落物層分解作用是影響林區(qū)水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮的重要因素。

關(guān)鍵詞：中條山;森林類型;水源涵養(yǎng);枯落物;土壤

中圖分類號：S715.7??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0032-08

Hydrological Characteristics of Soil and Litter of Different Forest

Types in Zhongtiao Mountain

ZHANG Tian， LI Longlong

（Life Sciences Department， Yuncheng University， Yuncheng 044000， China）

Abstract：In order to explore the forest hydrological ecological function of Zhongtiao Mountain， the Phoenix Valley Forest Park in Yuncheng city is taken as the research object， which is located in the hinterland of Zhongtiao Mountain. In this paper， four kinds of forest types were selected in this area， including Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest， Crataegus pinnatifida forest， Koelreuteria paniculata forest， Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broad-leaved mixed forest. The hydrological properties of litter layer and soil layer were measured and their differences were analyzed. The results showed that the total litter accumulation of the four forest types ranged from 10.75 to 15.84 t/hm2， and the order from large to small was Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broad-leaved mixed forest， Koelreuteria paniculata forest， Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest， Crataegus pinnatifida forest. The range of maximum water holding capacity of litter accumulation was 40.39 to 49.92 t/hm2， and the water holding capacity of litter layer in Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest was better than that in coniferous and broad-leaved mixed forest and pure forest. The soil bulk density ranged from 0.55 to 0.88 g/cm3 of different forest types， and the non-capillary porosity ranged from 3.07% to 15.56%， the soil bulk density was the lowest and soil non-capillary porosity was the highest in Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broadleaved mixed forest， indicating that the soil permeability was good. The soil capillary porosity， total porosity， capillary water holding capacity and maximum water holding capacity of Celtis sinensis and Zelkova serrata broadleaved mixed forest were the largest， which showed good water conservation performance. The comprehensive analysis showed that the hydrological performance of the Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest was the best， and the decomposition of the litter layer was an important factor affecting the water conservation function of the forest area.A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

Keywords：Zhongtiao Mountain; forest type; water conservation; litter; soil

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)參與到陸地和海洋水分的再分配和調(diào)控，對水循環(huán)起著重要的作用，包括林冠層和枯落物層對降水截留與緩沖、土壤層的蓄水持水等過程[1-3]。枯落物層在森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)方面有重要作用，具有截持降水、減緩或阻緩地表徑流，同時也對土壤結(jié)構(gòu)和水肥狀況產(chǎn)生間接影響[4]。森林土壤也發(fā)揮著重要的水文效應(yīng)，其蓄水持水功能與其結(jié)構(gòu)狀況和孔隙度組成比例有緊密聯(lián)系[5-7]。

目前，許多學(xué)者已就不同地區(qū)內(nèi)不同森林類型的生態(tài)水文性能開展了研究。例如，時忠杰等[8]對六盤山典型森林生態(tài)水文功能進(jìn)行分析，結(jié)果表明紅樺枯落物層最大持水量最高，雜灌叢土壤層最大持水量最高。剪文灝等[9]對冀北山地的3種典型混交林進(jìn)行枯落物水文效應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)枯落物持水量和有效攔蓄量由大到小順序均為：松櫟混交林、 楊樺混交林、 落樺混交林。張復(fù)興[10]研究了五臺山不同森林類型枯落物和土壤的涵養(yǎng)水源效益，并且與荒草地土壤進(jìn)行對比，結(jié)果表明各森林類型的水源涵養(yǎng)效益均遠(yuǎn)超荒草地，白樺落葉松針闊混交林效益最高，灌木林最差。聶澤旭等[11]對華鎣市典型林分水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行研究，綜合分析發(fā)現(xiàn)杉木純林的水文功能優(yōu)于混交林。針對不同地區(qū)森林水文性能的研究為相應(yīng)地區(qū)的森林健康經(jīng)營提供了理論依據(jù)。

中條山林區(qū)位于山西省南部，居于太行山和華山之間，呈東北—西南走向，氣候類型為溫帶向亞熱帶的過渡，因此是山西樹種資源最豐富的地區(qū)。在森林類型中，針葉樹種以油松、華山松、白皮松和側(cè)柏為主，闊葉樹種以栓皮櫟、橿子櫟和遼東櫟等居多。目前對中條山森林的研究主要集中在人工林林分質(zhì)量、樹種資源多樣性和土壤養(yǎng)分等問題上[12-15]，而針對這一地區(qū)水文性能的研究鮮有報道。因此，本研究以中條山鳳凰谷森林公園為研究區(qū)域，對其進(jìn)行枯落物和土壤2個作用層的水文性能研究，以期為中條山林區(qū)森林經(jīng)營提供參考依據(jù)，充分發(fā)揮其水源涵養(yǎng)和水土保持功能。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中條山中段的運城市鳳凰谷森林公園（111°02′～111°08′E， 34°94′～34°97′N），屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫為13.3 ℃，平均無霜期165 d左右，年降水量達(dá)500～580 mm（多集中在7—9月）。根據(jù)地形、植被、土壤和林地分布等，選取研究區(qū)域內(nèi)具有典型代表性的4種森林類型：樸-櫸闊葉混交林、山里紅闊葉林、欒樹闊葉林、油松-樸樹針闊混交林，分別標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。各類型的樣地概況見表1。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

試驗于2021年7月進(jìn)行，每種森林類型分別設(shè)置3塊10 m × 10 m樣方，共計樣地12塊。所設(shè)置樣地海拔在800～1 000 m，均在陰坡，在樣地內(nèi)以“Z”形設(shè)置5個枯落物和土壤取樣點，收集各樣點內(nèi)30 cm × 30 cm的枯枝落葉，分開收集未分解、半分解枯落物，之后在各樣點處使用環(huán)刀采集0～10 cm土壤樣本，環(huán)刀刀刃垂直向下采集土壤，保持原狀土，將采集的120個枯落物樣本和60個土壤樣本帶回實驗室，分別進(jìn)行土壤層和枯落物層水文性能分析。最終試驗所得數(shù)據(jù)利用Excel軟件進(jìn)行擬合分析并得到函數(shù)模型，采用SPSS 23.0軟件對水文性能相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，顯著水平為0.05。

2.2 枯落物層蓄積量測定

將采集得到的樣本分別做標(biāo)記，同時稱取質(zhì)量，接著稱取一定質(zhì)量的枯落物放入鋁盒中（鋁盒要依次標(biāo)記并稱量），按序號放入烘箱，設(shè)置溫度85 ℃，8 h后取出，依次稱量?？萋湮镄罘e量及自然持水率計算公式為

M=W0×K′/100 。??? （1）

R=（W1-W2）/W2×100%。 （2）

式中：M為枯落物蓄積量，t/hm2;K′為換算系數(shù)，K′=W2/W1;R為自然持水率，%;W0為取樣枯落物的質(zhì)量，g;W1為鋁盒內(nèi)枯落物的質(zhì)量，g;W2為鋁盒內(nèi)烘干后枯落物的質(zhì)量，g。

2.3 枯落物層持水性能測定

枯落物烘干后分別裝入已做好標(biāo)記的網(wǎng)袋中，浸水0.25 、0.5 、1 、2 、4 、8 、24 h，每次取出懸掛瀝水，直至不滴水時記錄其質(zhì)量，在整個操作過程中避免擠壓樣本，以免造成誤差。持水性能各項指標(biāo)計算公式為

Rmax=（W3-W2）/W2×100%。（3）

Qmax=Rmax×M。 （4）

Qsv=（0.85Rmax-R）×M。（5）

式中：Rmax為最大持水率，%;Qmax為最大持水量，t/hm2;Qsv為有效攔蓄量，t/hm2;W3為浸泡24 h的樣本質(zhì)量，g。

2.4 土壤層水文性能測定

采用環(huán)刀法進(jìn)行測定，首先將裝有土壤樣品的環(huán)刀去除上蓋，按順序輕放于盛有清水的平底盆中，記錄浸泡12 h后的質(zhì)量;然后將環(huán)刀放置在干砂上，2 h后取出稱量;最后取部分土壤樣品于鋁盒中，置于105 ℃的烘箱內(nèi)烘干并稱量。試驗中注意：①取樣之前稱量環(huán)刀質(zhì)量，并做好標(biāo)記;②盆內(nèi)放入環(huán)刀后水的高度不高于環(huán)刀上沿;③記錄空鋁盒的質(zhì)量，并做好標(biāo)記。土壤水文性能各項指標(biāo)的計算公式為

R0=（Mw-Md）/Md×100%。（6）

M′=M0×K。（7）

D=M′/V 。（8）

Mmax=（M12h-M2h）/M2h×100%。（9）

Mc=（M2h-M′）/M′×100%。（10）

Pnc=（Mmax-Mc）×D×100%。（11）

Pc=Mc×D×100%。（12）A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

Pt=Pc+Pnc。（13）

式中：R0為土壤含水率，%;Mw為鋁盒內(nèi)濕土的質(zhì)量，g;Md為鋁盒內(nèi)烘干土樣的質(zhì)量，g;M′為環(huán)刀內(nèi)烘干土樣的質(zhì)量，g;M0為環(huán)刀內(nèi)土壤的質(zhì)量，g;K為換算系數(shù)，K=Md/Mw;D為土壤容重，g/cm3;V為環(huán)刀容積，即為100 cm3;Mmax為土壤最大持水量，%;M12h為浸水12 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量，g;M2h為放置干砂2 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量，g;Mc為土壤毛管持水量，%;Pnc、Pc、Pt分別表示土壤的非毛管孔隙度（%）、毛管孔隙度（%）和總孔隙度（%）。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層水文性能分析

3.1.1 枯落物蓄積量

對4種林型的枯落物蓄積量進(jìn)行方差分析，見表2，結(jié)果表明不同林型之間差異顯著。枯落物總蓄積量范圍為10.75～15.84 t/hm2，各林型枯落物總蓄積量大小依次為：林型Ⅳ、 林型Ⅲ、 林型Ⅰ、 林型Ⅱ。經(jīng)LSD（Least-significant difference）檢驗，林型Ⅳ的枯落物蓄積量與其他林型間差異顯著。各林型枯落物蓄積量均表現(xiàn)出半分解層的高于未分解層的，其中林型Ⅰ和林型Ⅱ的未分解層枯落物蓄積量占比較小，僅為總蓄積量的23%，而林型Ⅳ的未分解層枯落物蓄積量占比較大，達(dá)42.2%。

3.1.2 枯落物持水能力

對4種林型枯落物不同分解階段的持水性能進(jìn)行方差分析，見表3，結(jié)果表明各林型間枯落物自然持水率差異性不顯著，其他指標(biāo)均表現(xiàn)出顯著差異。枯落物累積最大持水量變動范圍為40.39～49.93 t/hm2，變化范圍較小。不同林型枯落物累積最大持水量由大到小依次為：林型Ⅰ、 林型Ⅳ、林型Ⅱ、林型Ⅲ，最大持水率由大到小排序為：林型Ⅱ、林型Ⅰ、林型Ⅲ、林型Ⅳ。綜上，這兩者之間的變化規(guī)律不相同，分析其原因，主要是受到枯落物蓄積量、成分以及溫度、濕度等因素影響。研究中所得出的最大持水量只能說明枯落物層持水能力的強(qiáng)弱，因其未將降水前枯落物的自然含水量綜合考慮在內(nèi)[16]。

土壤有效攔蓄量可以反映枯落物截留降水的能力[7]。經(jīng)方差分析，4種林型有效攔蓄量差異性顯著，由表3可知，4種林型枯落物總有效攔蓄量范圍為18.63～25.96 t/hm2，4種林型枯落物總有效攔蓄量由大到小依次為：林型Ⅰ、林型Ⅱ、林型Ⅳ、林型Ⅲ。經(jīng)LSD檢驗，在不同分解階段下，林型Ⅲ、Ⅳ與林型Ⅰ之間差異性顯著。

3.1.3 枯落物持水量與浸水時間的關(guān)系

從圖1可以看出，各林型2個分解階段的枯落物持水量隨時間延長均呈現(xiàn)增加趨勢，但不同時間段內(nèi)持水量的增長速率不同，即枯落物在浸泡0～2 h內(nèi)，吸持水量急劇增加，之后吸持水量逐漸變緩，浸水8 h以后，增長極為緩慢，達(dá)到飽和持水量的90%以上，當(dāng)浸水24 h時枯落物吸持水量不再變化，達(dá)到飽和狀態(tài)。在相同時間下，林型Ⅳ在各分解階段的持水量增長速率較其他林型快。

擬合各林型不同分解階段枯落物持水量與浸泡時間，見表4，從得出的函數(shù)模型發(fā)現(xiàn)，除林型Ⅳ枯落物未分解階段的R2>0.85外，其他林型回歸擬合R2均在0.90以上，整體擬合效果較好，尤其是各林型半分解枯落物階段，回歸擬合R2>0.95，說明持水量隨浸水時間變化的理論值與實際情況相接近，兩者均符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.1.4 枯落物吸水速率與浸水時間的關(guān)系

各林型不同分解階段的枯落物吸水速率隨時間變化逐漸降低，呈現(xiàn)“L”形趨勢，如圖2所示。不同時間段內(nèi)減緩速率不同，具體表現(xiàn)為在浸水4 h內(nèi)下降最快，隨后逐漸減緩，達(dá)到8 h時降速極為緩慢，當(dāng)浸水達(dá)24 h時，吸水作用停止，其持水量達(dá)到保持階段。各林型最終表現(xiàn)出的曲線幾乎重合，吸水速率接近一致。

擬合各林型不同分解階段枯落物吸水速率與浸泡時間，見表5，從得出的函數(shù)模型發(fā)現(xiàn)，兩者均符合冪函

數(shù)關(guān)系，回歸擬合R2均在0.99以上，擬合效果較好，說明吸水速率隨浸泡時間變化的理論值與實際情況相接近。

3.2 土壤層水文性能分析

3.2.1 土壤的物理特性

森林土壤的蓄水持水功能與土壤容重情況有關(guān)，綜合體現(xiàn)了土壤的結(jié)構(gòu)狀況。對4種林型的土壤容重進(jìn)行方差分析，見表6，結(jié)果表明各林型間差異顯著。4種林型土壤容重由大到小依次為：林型Ⅱ、 林型Ⅰ、 林型Ⅲ 、林型Ⅳ，經(jīng)LSD檢驗，林型Ⅰ與林型Ⅱ和林型Ⅲ間不存在顯著差異，而與林型Ⅳ的土壤容重值差異明顯。由此可見，林型Ⅳ的土壤容重最小，疏松透氣性能最好。

土壤孔隙狀況不僅直接影響土壤的貯水能力，而且不同的組成比例間接反映土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)情況。其中，土壤非毛管孔隙即通氣孔，孔徑較大，水分不受毛管力作用，可憑借土壤重力作用進(jìn)行自由移動。土壤非毛管孔隙度反映土壤通氣透水、涵養(yǎng)水源的能力，對其進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明各林型間差異性明顯，經(jīng)LSD檢驗，林型Ⅳ與其他3種林型差異性顯著，其非毛管孔隙度最大，達(dá)到了15.56%，說明其土壤滲透性能最好。土壤毛管孔隙即貯水孔隙，水分受毛管作用貯存其中，為植被提供生長所必需的有效水，因此土壤毛管孔隙度反映土壤蓄洪貯水能力，其由大到小排序為：林型Ⅰ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅳ，其中林型Ⅰ、Ⅲ與林型Ⅳ差異性顯著。總孔隙度綜合反映飽和持水量的大小，以林型Ⅰ的最大，林型Ⅱ的最低。

3.2.2 土壤的持水性能

對4種林型的土壤持水性能相關(guān)指標(biāo)土壤含水率、毛管持水量和最大持水量等進(jìn)行方差分析，見表7，經(jīng)LSD檢驗，各林型土壤最大持水量差異較為顯著。對比分析發(fā)現(xiàn)林型Ⅰ土壤的持水性能最優(yōu)，毛管持水量和最大持水量由大到小排序均為：林型Ⅰ、 林型Ⅲ、 林型Ⅳ、林型Ⅱ。

4 結(jié)論與討論

本文針對中條山鳳凰谷地區(qū)的4種不同森林類型的枯落物層和土壤層的生態(tài)水文功能進(jìn)行研究，探討了各類型枯落物層的儲量、持水過程和土壤層的物理特性、持水性能。A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

4種林型枯落物總蓄積量范圍為10.75～15.84 t/hm2，不同林型由大到小為：油松-樸樹針闊混交林、欒樹闊葉林、樸-櫸闊葉混交林、山里紅闊葉林?？萋湮锏默F(xiàn)存量主要受氣候、土壤、地形、森林自身結(jié)構(gòu)及生長狀況和干擾等因素影響[17]。分析其原因，油松屬于針葉樹種，凋落周期長，且凋落物中成分主要為針葉，分解速度比闊葉樹種要慢得多[18]?？萋湮锇敕纸鈱拥膬α棵黠@高于未分解層，主要原因是凋落周期以及微生物活動影響，枯落物成分主要為葉片，而欒樹葉為2～3回羽狀復(fù)葉，且花序頂生，枯落物中的葉柄和枯枝較多，較葉片來說分解速度慢，所以，欒樹林未分解層蓄積量較其他闊葉林占總蓄積量較大。

4種林型枯落物不同分解階段累積有效攔蓄量范圍為18.62～25.96 t/hm2，不同林型枯落物在不同分解階段累積有效攔蓄量由大到小依次為：樸-櫸樹闊葉混交林、欒樹闊葉林、油松-樸樹針闊混交林、山里紅闊葉林，表明闊葉混交林對降雨的有效攔蓄能力大于針闊混交林，同時均表現(xiàn)出半分解層的明顯較優(yōu)于未分解層的，其主要原因是受枯落物的形態(tài)特征和儲量影響較大，因闊葉樹種葉面積大且質(zhì)地較軟，較易儲存水分，故而闊葉林的枯落物持水能力優(yōu)于針葉林，這與楊霞等[19]、杜雪等[20]的研究結(jié)果相似。

4種林型土壤容重范圍為0.55～0.88 g/cm3，不同林型土壤容重由大到小排序為：山里紅闊葉林、樸-櫸闊葉混交林、欒樹闊葉林、油松針闊混交林，油松針闊混交林的土壤容重最小，疏松透氣性能最好，原因可能是油松混交林林下枯落物總蓄積量較多，為微生物分解提供有利條件[21]。本研究中，以油松針闊混交林的土壤非毛管孔隙度最大，其土壤滲透性能最好，有利于涵養(yǎng)水源。和其他林型相比，闊葉混交林的土壤毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、最大持水量均為最大，混交林涵養(yǎng)水源功能高于純林，表現(xiàn)出良好的水源涵養(yǎng)性能，這與楊良辰等[22]針對沿壩地區(qū)混交林枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力的研究結(jié)果相似。原因與林分的成層性和枯落物的分解作用有關(guān)，森林林冠層、植被層削弱了對地表的沖刷，從而維持了良好的土壤結(jié)構(gòu)和持水性能?？萋湮锓纸膺^程有效促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，這在很大程度上決定了土壤大小孔隙比相對適當(dāng)，使得土壤通氣透水且保水蓄水性能良好[23-25]。

中條山林區(qū)位于溫帶向亞熱帶過渡區(qū)域，植被類型豐富，分布面積廣泛。氣候過渡區(qū)的氣候和生態(tài)梯度具有急劇變化的特點，因此，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣地調(diào)查范圍，并在樣本采集、實驗和數(shù)據(jù)分析過程中，完善各項研究方式和相關(guān)工作，從而更好地了解氣候變化對該區(qū)域森林水源涵養(yǎng)功能的影響。

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