大兴安岭不同类型低质林土壤和枯落物的水文性能1)

张甜 董希斌 唐国华 曲杭峰 管慧文

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

刘福香

(哈尔滨商业大学)

大兴安岭不同类型低质林土壤和枯落物的水文性能1)

张甜 董希斌 唐国华 曲杭峰 管慧文

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

刘福香

(哈尔滨商业大学)

以大兴安岭地区阔叶混交低质林、蒙古栎低质林、白桦低质林为研究对象，运用描述性统计和差异性分析对其土壤层和枯落物层的水文效应进行比较分析，以期对低质林水源涵养功能深入了解。结果表明：3种类型的土壤含水率、土壤密度、土壤毛管孔隙度范围分别为0.86%～0.90%、0.41～0.53 g·cm-3、60.17%～68.16%，各类型间差异不显著。蒙古栎低质林土壤密度最低，毛管孔隙度和总孔隙度最高。3种类型的枯落物总蓄积量范围为8.87～15.18 t·hm-2，枯落物总蓄积量由大到小表现为阔叶混交低质林、蒙古栎低质林、白桦低质林，各类型间差异显著。3种类型低质林的自然持水率、最大持水率、有效拦蓄率范围分别为13.26%～19.53%、248.95%～401.97%、192.07%～323.88%，蒙古栎低质林最大持水率和有效拦蓄率高于其他2种类型，各类型间差异不显著。枯落物最大持水量、有效拦蓄量范围分别为11.4～28.15、9.00～22.26 t·hm-2，其中白桦低质林的均低于其他2种类型，各类型间差异显著。综合分析表明：蒙古栎低质林土壤水文效应优于其余2种类型，白桦低质林枯落物水文性能明显低于阔叶混交低质林和蒙古栎低质林。

大兴安岭；低质林；土壤；枯落物；水文性能

森林生态系统中水文性能是森林一项重要的服务功能，从水文调节过程来讲，主要分为5大水文效应：林冠截留、树干流、枯落物、土壤和林地蒸腾蒸发[1]。其中，枯落物层具有很好的持水能力，能大大抑制林地水分蒸发，减缓地表径流的速度和增强土壤抗冲击能力等；土壤具有较高的蓄水能力，其特有的孔隙结构对水分渗透、渗蓄起到调节作用[2]。不同类型的森林植被会影响着森林水文调节效果，导致森林在涵养水源、净化水质和保持水土的能力上有所差异[3-6]。目前，对不同林分类型下的土壤层及枯落物层水文效应研究有很多，如吴迪等[7]对北京九龙山地区油松、侧柏、黄栌3种典型纯林，苗胜杰等[8]对河北省兴隆县雾灵山地区油松、白桦、华北落叶松3种典型森林类型，邓继峰等[9]对宁夏盐池县的新疆杨、樟子松、花棒3种林分，梁晓娇等[10]对阿什河源头4种类型红松人工林，陈倩等[11]对太行山丘陵区的毛白杨林，侧柏林，杂木林和灌丛4种典型林分的比较分析，但是关于大兴安岭低质林类型的研究则很少。

目前大兴安岭林区形成了大面积的低质低效林，究其形成原因，主要是受到人为因素干扰较大[12]。一般来说，低质林表现出林分结构失调、林分质量下降、保持水土和涵养水源方面较差等特点，其森林生态、经济、社会效益相对较低[13]。本文以大兴安岭地区阔叶混交低质林、蒙古栎低质林、白桦低质林3种典型低质林类型为研究对象，对其土壤层和枯落物层的水文性能进行比较分析，更好地了解低质林水文调节功能，为森林生态监测和评价提供理论依据。

1 研究区域概况

试验区位于大兴安岭林区加格达奇林业局翠峰林场174林班，地理坐标位置为东经124°23′47.8″～124°24′35.1″，北纬50°34′9.17″～50°34′32″，地区海拔范围为370～420 m，平均坡度在10°以下。该区属于寒温带大陆性气候，年平均气温-1.3 ℃，年平均降水量约为494.8 mm。林地土壤类型以暗棕壤和棕色针叶林土为主，土壤厚度在20 cm左右。在此试验区内主要的森林类型有3种：阔叶混交低质林、白桦低质林和蒙古栎低质林。

各类型低质林的样地概况见表1。

2 研究方法

f

2016年6月在各类型研究区域内按“S”型设置5个样点，在样点处用容积为100 cm3的环刀采集土壤样本，带回实验室进行土壤水文性能分析[14]。采用环刀法进行指标测定，指标包括土壤含水率、土壤密度，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度。

表1 样地概况

环刀法测定方法：去除环刀上盖，用天平称量质量，记环刀内土壤样本质量为M0，然后将其放入盛有清水的平底盆中，此时要确保盆中水的高度不能超过环刀上沿。浸泡12 h后，擦除环刀表面的水分并进行称其质量，此时将环刀内土壤湿质量记为M12h，然后将环刀放置在干燥砂土上，2 h后称量质量，此时环刀内湿土质量记为M2h。取环刀内中间部分土样放入铝盒中，进行称质量，将铝盒中湿土的质量记为Mw，将其放入烘箱中105 ℃进行烘干，记铝盒中烘干土样的质量为Md。根据得到的结果可以推算上述指标，其计算公式如下：

R0=((Mw-Md)/Md)×100%，

(1)

M′=M0×K，

(2)

D=M′/V。

(3)

式中:R0为土壤含水率；M′为烘干土样的质量；K为换算系数，K=Md/Mw；D为土壤密度；V为环刀容积，即为100 cm3。

Mmax=((M12h-M2h)/M2h)×100%，

(4)

Mc=((M2h-M′)/M′)×100%，

(5)

Pnc=((Mmax-Mc)×D)×100%,

(6)

Pc=(Mc×D)×100%，

(7)

Pt=Pc+Pnc。

(8)

式中:Mmax、Mhc分别为土壤最大持水率和毛管持水率，Pnc、Pc、Pt分别为土壤的非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度。

在各类型低质林的研究区域内随机设置4个30 cm×30 cm的枯落物取样点，分开收集样方内未分解层和半分解层枯枝落叶，并带回实验室进行枯落物蓄积量和持水性能分析[15-16]。

枯落物蓄积量的测定：将取回的枯落物进行鲜质量的称量，记为W0，然后取一定质量的枯落物W1放置在烘箱内85 ℃进行烘干，8 h以后进行称量，测定其干质量，此时质量记为W2，根据得到的结果可以推算枯落物蓄积量和枯落物的自然持水率，其计算公式如下：

M=(W0×K′)/100。

(9)

式中：M为枯落物的蓄积量，K为换算系数，K′=W2/W1。

R=((W1-W2)/W2)×100%。

(10)

式中:R为枯落物的自然持水率。

枯落物持水性能分析试验：将烘干后的枯落物装入干净网袋中，并将其浸泡于水中，使水的液面略高于网袋上沿，记录入水后0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h的质量，每次取出后需静置一段时间，以不滴水时的质量为准。将浸水24 h时枯落物的持水量作为最大持水量，据此推算出有效拦蓄率和有效拦蓄量。计算公式如下：

Rmax=((W3-W2)/W2)×100%，

(11)

Qmax=Rmax×M。

(12)

式中:Rmax为最大持水率，W3为浸泡24 h后枯落物的质量，Qmax为最大持水量。

Rsv=0.85Rmax-R，

(13)

Qsv=(0.85Rmax-R)×M。

(14)

式中:Rsv为有效拦蓄率，Qsv为有效拦蓄量。

试验得到的数据采用Excel 2010进行整理，用SPSS 19.0进行单因素方差分析，显著水平为0.05，数据作图及非线性拟合分析采用OriginPro 2016软件进行。

3 结果与分析

3.1 土壤水文性能分析

土壤密度和孔隙度结构对土壤水文生态功能有很大作用[17]。由表2可知，各类型低质林土壤含水率数值间相差不大，约为0.9%，经方差分析，可以发现3者之间并无显著性差异。土壤密度表现为蒙古栎低质林的最低(0.41 g·cm-3)，阔叶混交低质林的最高(0.53 g·cm-3)，经方差分析，各类型低质林间有显著性差异，经LSD检验，阔叶混交低质林与其余类型低质林土壤密度差异性显著。

土壤非毛管孔隙度表现为白桦低质林的最高，为19.33%，阔叶混交低质林的最低，为10.33%，经方差分析，各类型间有显著性差异，经LSD检验，蒙古栎和白桦低质林间差异性不显著。毛管孔隙度的变化范围为60.17%～68.16%，表现为蒙古栎低质林的最高，白桦低质林的最低，经方差分析，3者间差异性不显著。总孔隙度的变化范围为77.11%～84.49%，表现为蒙古栎低质林的最高，阔叶混交低质林的最低，同时经LSD检验，两者之间差异性显著。各类型低质林的土壤毛管孔隙度均明显高于非毛管孔隙度。

表2 不同林分类型土壤水文性能

注：同列不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。

3.2 枯落物水文性能分析

3.2.1 不同类型低质林枯落物蓄积量

枯落物总蓄积量，从大到小依次为阔叶混交低质林(15.18 t·hm-2)、蒙古栎低质林(10.33 t·hm-2)、白桦低质林(8.87 t·hm-2)。经方差分析，各类型低质林间有显著性差异(表3)。

对各类型低质林枯落物蓄积量进行方差分析(表4)，各类型间未分解层枯落物蓄积量差异性不显著，经LSD检验，阔叶混交低质林和白桦低质林间存在显著性差异，白桦低质林和蒙古栎低质林间无显著性差异。各类型间半分解层枯落物蓄积量差异性显著，经LSD检验，阔叶混交低质林与其余2种类型间存在显著差异。各状态下的枯落物蓄积量均在阔叶混交低质林中达到最大，同时发现各类型低质林枯落物蓄积量均表现为半分解层枯落物蓄积量>未分解层的蓄积量，未分解层枯落物蓄积量占总蓄积量的比例分别为41.04%、43.56%、44.64%，半分解层枯落物蓄积量占总蓄积量的比例分别为58.96%、56.44%、44.64%。

表3 枯落物蓄积量

注：同行不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。

表4 单因素方差分析

3.2.2 不同类型低质林枯落物持水性能

由表5可知，3种低质林枯落物自然持水率范围为13.26%～19.53%，各类型间无显著性差异。未分解层枯落物自然持水率，从大到小依次为蒙古栎低质林(17.79%)、白桦低质林(17.36%)、阔叶混交低质林(13.26%)；半分解层枯落物自然持水率，从大到小依次为白桦低质林(19.53%)、阔叶混交低质林(18.60%)、蒙古栎低质林(15.24%)。3种类型低质林枯落物的自然持水率均表现为未分解层的小于半分解层的。

未分解层枯落物最大持水率范围为266.67%～401.97%，表现为蒙古栎低质林的最高，阔叶混交低质林的最低。半分解层枯落物最大持水率范围为48.95%～337.75%，表现为蒙古栎低质林的最高，白桦低质林的最低，经LSD检验，蒙古栎低质林与白桦低质林间存在显著性差异。枯落物最大持水量除了与最大持水率有关外，还与枯落物蓄积量相关。未分解层按大小依次为蒙古栎低质林、阔叶混交低质林、白桦低质林，半分解层按大小依次为阔叶混交低质林、蒙古栎低质林、白桦低质林，各类型间差异性显著。3种类型低质林枯落物最大持水量均表现为半分解层的大于未分解层的。

枯落物的有效拦蓄率与最大持水率和自然持水率有关，3种类型低质林未分解层的范围为213.41%～323.88%，其中阔叶混交低质林的最小，蒙古栎低质林的最大。半分解层枯落物有效拦蓄率范围为192.07%～271.85%，3种森林类型按大小依次为蒙古栎低质林、阔叶混交低质林、白桦低质林，各类型间差异性不显著。未分解层枯落物有效拦蓄量范围为9.00～14.57 t·hm-2，半分解层枯落物的范围为9.43～22.26 t·hm-2，经LSD检验，白桦低质林的半分解层枯落物有效拦蓄量与其余类型间存在显著性差异。

表5 枯落物持水性能

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2.3 不同类型低质林枯落物持水过程

对各类型低质林枯落物持水量与浸泡时间进行拟合，由表6可以发现两者存在很好的对数关系，R2>0.85。在0～2 h时枯落物的持水量急速增加，此后随着浸泡时间的延长，枯落物持水量增加速度缓慢，大约在浸泡8 h后趋于稳定，浸泡24 h时枯落物持水量已经达到饱和状态，不再变化。在相同时间下，未分解层枯落物持水量按大小依次为蒙古栎低质林、阔叶混交低质林、白桦低质林，半分解层枯落物持水量由大到小表现为阔叶混交低质林、蒙古栎低质林、白桦低质林。在相同时间下，阔叶混交低质林和白桦低质林的半分解层枯落物持水量均高于未分解层的。

表6 枯落物持水量与浸泡时间的关系

由表7可知，各类型低质林枯落物吸水速率与浸泡时间均满足幂函数关系，R2达到0.99以上。随浸泡时间的增加，吸水速率逐渐下降。在0～1 h时下降幅度较大，浸泡8 h后吸水速率逐渐接近0。各状态下的枯落物，白桦低质林的吸水速率均低于其余2种类型。阔叶混交低质林半分解层的吸水速率大于未分解层的，这可能与树种、枯落物各层结构有关。

表7 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

4 结论与讨论

本次研究中，各类型低质林土壤含水率变化范围为0.86%～0.90%，3者之间无显著性差异。土壤密度范围为0.41～0.53 g·cm-3，毛管孔隙度的变化范围为60.17%～68.16%，经方差分析，各类型低质林间差异性均不显著，其中蒙古栎低质林的土壤密度最低，毛管孔隙度最大。3种类型低质林非毛管孔隙度，从大到小依次为白桦低质林(19.33%)、蒙古栎低质林(16.33%)、阔叶低质林(10.33%)，各类型间差异性显著。土壤总孔隙度的变化范围为77.11%～84.49%，其中蒙古栎低质林的最高，阔叶混交低质林的最低。3种类型低质林的土壤毛管孔隙度均明显高于非毛管孔隙度，说明土壤对水分的渗透能力弱，持水能力较强，有利于水土保持和水源涵养。从整体来看，蒙古栎低质林土壤物理性质优于其余2种类型低质林。

不同类型低质林的枯落物蓄积量均表现为阔叶混交低质林的最高，白桦低质林的最低，说明相对于纯林来说，混交林更有利于枯落物的积累。相关研究表明，白桦凋落物分解50%、95%分别需0.4、1.6 a[18]，蒙古栎凋落物分解50%、95%分别需1.9、8 a，山杨凋落物分解50%、95%分别需1.6、6.7 a[19]，白桦枯落叶分解速率优于其余树种，从而造成累积量小。各类型低质林枯落物蓄积量的均表现出半分解层的高于未分解层的，这与各层枯落物的数量以及分解速度有关，由未分解转变为半分解的时间短，每年凋落的未分解层都不能在当年很快分解，这就造成逐年累加，而半分解层的枯落物达到完全分解还需要很长时间[20]。

枯落物的持水量与枯枝落叶组成比例以及分解速度有关[21]。本次研究中，3种类型低质林枯落物的自然持水率范围为13.26%～19.53%，最大持水率范围为248.95%～401.97%，有效拦蓄率范围为192.07%～323.88%，各类型间3个指标并无显著差异，说明在自然状态下，3种类型低质林枯落物持水率受林下植被影响并不显著。蒙古栎低质林枯落物的最大持水率和有效持水率均高于其余2种类型。枯落物持水量与枯落物持水率和蓄积量有关。本次研究中，3种类型低质林的最大持水量范围为11.4～28.15 t·hm-2，有效拦蓄量范围为9.00～22.26 t·hm-2，经方差分析，各类型间枯落物的持水量差异性显著，白桦低质林枯落物的最大持水量和有效持水量均低于其余2种类型。各类型低质林枯落物持水量与浸泡时间存在很好的对数关系，枯落物吸水速率与浸泡时间的关系均满足幂函数关系。综合来看，在这3种类型的低质林中，白桦低质林枯落物水文生态功能明显低于阔叶混交低质林和蒙古栎低质林。

目前，国内外对森林单一水文效应的研究上已趋于成熟，但水文调节功能是一个动态变化过程，同时各效应之间联系密切。因此今后研究需从2个方面进行改善，一方面进行长期观测，揭示森林变化对水文过程的影响，另一方面，加强对森林水分分配情况的观测，深入研究森林水文调节功能机制。

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HydrologicalPropertiesofSoilandLitterinDifferentTypesofLowQualityForestinDaxing’anMountains

//Zhang Tian, Dong Xibin, Tang Guohua, Qu Hangfeng, Guan Huiwen

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Liu Fuxiang

(Harin University of Commerce)

The water quality of soil layer and litter layer were compared and analyzed by descriptive statistics and difference analysis in three typical low-quality forest stands that broadleaved mixed forest,Quercusmongolicaforest andBetulaplatyphyllaforest in the Daxing’an Mountains. The soil water content, soil bulk density and soil capillary porosity in three types ranged in 0.86%-0.90%, 0.41-0.53 g·cm-3, and 60.17%-68.16%, there was no significant difference between the types. In terms of theQ.mongolicalow-quality forest, the soil bulk density was the lowest, and the porosity and total porosity were the highest. The total litter volume of three types was 8.87-15.18 t·hm-2, and presented in descending order of broadleaved mixed low-quality forest,Q.mongolicalow-quality forest, andB.platyphyllalow-quality forest, there were significant differences among the types. The natural water holding capacity, maximum water holding capacity and effective interception rate in three types of low quality forest were 13.26%-19.53%, 248.95%-401.97%, and 192.07%-323.88%, the maximum water holding capacity and effective interception rate in theQ.mongolicalow-quality forest were higher than the other two types, and the difference between the various types was not significant. The maximum water holding capacity and effective interception capacity ranged in 11.4-28.15 t·hm-2, and 9.00-22.26 t·hm-2, that in theB.platyphyllalow-quality forest were lower than the other two types, and there was no significant difference between the types. Conclusively, the soil hydrological effect ofQ.mongolicalow quality forest is better than the other two types, the hydrological properties of litter in theB.platyphyllalow-quality forest were significantly lower than those of the broadleaved mixed low-quality forest and theQ.mongolicalow-quality forest.

Daxing’an Mountains； Low-quality forest； Soil； Litter； Hydrological properties

S715.3

1)林业科学技术推广项目([2015]06号);黑龙江省自然科学基金项目(C201408)。

张甜，女，1993年1月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，博士研究生。E-mail：346168733@qq.com。

董希斌，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2017年6月5日。

责任编辑：潘 华。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：1-5.