接坝地区9种典型林分类型枯落物层和土壤层水文效应

陈继东, 周长亮, 李惠丽

(河北省木兰林管局, 河北 围场 068450)

接坝地区9种典型林分类型枯落物层和土壤层水文效应

陈继东, 周长亮, 李惠丽

(河北省木兰林管局, 河北 围场 068450)

以八英庄林场9种典型林分类型为研究对象，对其枯落物层、土壤层水文效应进行研究，结果表明：(1) 9种典型林分类型枯落物蓄积量在5.79～24.97 t/hm2的范围内，排序为白桦纯林>白桦山杨混交林>油松纯林>山杨纯林>蒙古栎纯林>落叶松油松混交林>白桦黑桦混交林>落叶松纯林>落叶松白桦混交林。(2) 9种典型林分类型枯落物持水能力有一定差异，排序为白桦山杨混交林>山杨纯林>油松纯林>白桦纯林>白桦黑桦混交林>落叶松油松混交林>蒙古栎纯林>落叶松白桦混交林>落叶松纯林。(3) 枯落物持水量与浸水时间呈较好的指数关系，相关系数在0.95以上，吸水速率与浸水时间呈较好的幂函数关系，相关系数大于0.9。(4) 白桦山杨混交林枯落物有效拦蓄量最大为52.63 t/hm2，落叶松白桦混交林枯落物有效拦蓄量最小为14 t/hm2。(5) 蒙古栎纯林土壤持水能力最强为117.42 t/hm2，其次是白桦山杨混交林为104.75 t/hm2，白桦纯林土壤持水能力最差为37.80 t/hm2。(6) 土壤初渗速率在2.3～56.8 mm/min范围内，土壤入渗速率与入渗时间呈较好的幂函数关系，相关系数大于0.95。

接坝地区; 典型林分; 枯落物; 土壤; 水文效应

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，拥有重要的水文生态功能，在大气水分循环中起着重要的调节作用[1-3]。森林枯落物层和土壤层作为森林水文过程中重要的两个层次，是实现森林水源涵养和水土保持功能的重要部分[4-5]。其中枯落物层是森林水源涵养功能的主要层次，土壤层的水分贮存和渗透是反映森林水文效应的重要参数[6]。林分类型不同森林的水文功能也有所差异[7]。目前国内对于接坝地区的研究主要集中在物种多样性、地质、土壤等方面，对水文功能的研究则相对较少[8]，本文以接坝地区9种典型林分类型为研究对象，从枯落物层和土壤层两个层面出发，对接坝地区典型林分的水文效应进行分析，以期为接坝地区森林健康监测和评价以及合理地经营森林提供科学理论依据和数据支持。

1 研究区概况

本次研究区位于河北省木兰围场国有林场管理局下的八英庄林场，地理坐标为北纬42°0′7″—42°1′46″,东经118°44′27″—118°3′25″，海拔高度1 010～1 600 m，阳坡陡，土层薄，阴坡较缓，土层较厚[9-10]。该区域属于燕山余脉低寒区，年平均气温3.0℃，最低气温可达-42.9℃，最高气温达38.9℃，年积温为1 600℃，无霜期110 d。研究区降水主要集中在每年7—8月，年平均降水量为380—560 mm。该区土壤主要分为7类，即棕壤、褐土、黑土、风沙土、草甸土、沼泽土以及灰色森林土[11]。主要乔木树种有白桦(Betulaplatyphylla)，油松(Pinustabulae)，华北落叶松(Larixprincipis-rupprechti)，山杨(Pobulusdavidiana)，蒙古栎(Quercusmongolica)，五角枫(Acermonomaxim)等[12]。

2 研究方法

2.1 样地调查

本次研究区设在河北省木兰林管局八英庄林场，在对全林区森林植被全面调查的基础上，选择具有代表性、典型性的林分类型，在林区内设置山杨纯林、白桦纯林、油松纯林、蒙古栎纯林、落叶松纯林、落叶松白桦混交林、落叶松油松混交林、白桦黑桦混交林和白桦山杨混交林9种林分类型的标准地各1块，并对标准地坡向、坡度、海拔进行记录，对标准地林分郁闭度、平均胸径、平均树高进行测定，其中郁闭度的测定采用样点法，标准地概况见表1。

表1 不同林分类型标准地概况

2.2 研究方法

(1) 枯落物现存量测定。分别在各林分类型标准地内，分上坡、中坡、下坡各设置1块面积为1.0 m×1.0 m样方，分别测量各样方内枯落物总厚度及半分解层、未分解层厚度，之后对枯落物进行分层取样，量取鲜重，并烘干称其干重，计算枯落物自然含水率和现存量。

(2) 枯落物持水过程测定。采用室内浸水法对枯落物持水过程进行测定，将烘干的枯落物浸入水中，并在0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h时记录其湿重，并计算枯落物最大持水量、最大持水率(其中枯落物最大持水量为枯落物浸水24 h的持水量，相对应的持水率为最大持水率)，分析枯落物持水过程。

(3) 枯落物有效拦蓄量的测定。有效拦蓄量可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量,即:

W=(0.85Rn—Ro)×M

式中：W为有效拦蓄量(t/hm2)；Rn为最大持水率(%)；Ro为平均自然含水率(%)；M为枯落物蓄积量(t/hm2)。

(4) 土壤物理性质及持水能力测定。采用剖面法对土壤进行分层取样，采取环刀法在土壤剖面0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm处机械取样，并通过浸水法、置砂法来测定土壤物理性质和持水能力。

(5) 土壤入渗测定。土壤入渗的测定采用双环法。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型枯落物层水文效应

3.1.1 不同林分类型枯落物蓄积量分析 枯落物蓄积量是评价森林水文效应的重要指标。枯落物蓄积量的多少取决于枯落物的输入量和枯落物的分解速度。因此林分类型、林分生长情况、林地水热条件等都会间接影响枯落物的蓄积量[13]。由表2可知，不同林分类型枯落物的蓄积量有一定的差异，在5.79～24.97 t/hm2的范围浮动。其中不同林分类型枯落物总蓄积量排序为白桦纯林(24.97 t/hm2)>白桦山杨混交林(24.16 t/hm2)>油松纯林(23.61 t/hm2)>山杨纯林(23.25 t/hm2)>蒙古栎纯林(12.73 t/hm2)>落叶松油松混交林(12.70 t/hm2)>白桦黑桦混交林(10.50 t/hm2)>落叶松纯林(9.63 t/hm2)>落叶松白桦混交林(5.79 t/hm2)。不同林分类型枯落物半分解层、未分解层蓄积量所占比例不同。其中落叶松纯林、落叶松油松混交林未分解层蓄积量大于半分解层蓄积量，其他林分类型半分解层蓄积量大于未分解层蓄积量。其中白桦纯林枯落物半分解层所占比例最大为74.02%，落叶松纯林半分解层所占比例最小为46.32%，这主要是因为针叶树种和阔叶树种的分解难易程度不同。

表2 不同林分类型枯落物蓄积量

3.1.2 不同林分类型枯落物持水量分析 枯落物干物质的最大持水量和最大持水率多用来表示枯落物的持水能力，影响其大小的因素有很多，包括植被类型、枯落物的组成、林龄、枯落物的分解累积状况等因素[14]。由表3可知，不同林分类型枯落物的最大持水量不同，在61.18～11.95 t/hm2范围内，最大持水量总和排序为白桦山杨混交林(61.18 t/hm2)>山杨纯林(46.46 t/hm2)>油松纯林(38.32 t/hm2)>白桦纯林(34.26 t/hm2)>白桦黑桦混交林(28.07 t/hm2)>落叶松油松混交林(25.34 t/hm2)>蒙古栎纯林(24.46 t/hm2)>落叶松白桦混交林(13.29 t/hm2)>落叶松纯林(11.95 t/hm2)。不同林分类型枯落物的最大持水率变化范围在297.67%～162.43%，排序为落叶松白桦混交林(297.67%)>白桦山杨混交林(288.90%)>落叶松油松混交林(284.28%)>白桦黑桦混交林(258.80%)>落叶松纯林(233.81%)>山杨纯林(212.92%)>蒙古栎纯林(205.71%)>白桦纯林(164.22%)>油松纯林(162.43%)。不同林分类型枯落物最大持水量和持水率不同是因为枯落物持水量与枯落物蓄积量有关，枯落物的蓄积量又与枯落物的分解程度有关，枯落物的分解程度越大，即枯落物的半分解层蓄积量越大，枯落物的持水能力越强。因此枯落物分解难易程度影响枯落物的持水能力。

表3 不同林分类型枯落物最大持水量和最大持水率

3.1.3 不同林分类型枯落物拦蓄量分析 枯落物层的最大持水量和最大持水率只代表了枯落物层的持水能力，而并不能代表枯落物层对降水的实际拦蓄量和拦蓄能力；枯落物的有效拦蓄量才能真实反映枯落物实际拦蓄降水的量[15]。由表4可知，不同林分类型枯落物未分解层、半分解层拦蓄能力不同。其中枯落物未分解层有效拦蓄量排序为白桦山杨混交林(24.04 t/hm2)>山杨纯林(21.82 t/hm2)>落叶松油松混交林(18.76 t/hm2)>落叶松纯林(11.82 t/hm2)>白桦纯林(11.02 t/hm2)>白桦黑桦混交林(10.26 t/hm2)>蒙古栎纯林(9.73 t/hm2)>油松纯林(7.25 t/hm2)>落叶松白桦混交林(6.76 t/hm2)。枯落物半分解层有效拦蓄量排序为白桦山杨混交林(28.59 t/hm2)>油松纯林(20.68 t/hm2)>山杨纯林(13.40 t/hm2)>白桦纯林(13.26 t/hm2)>落叶松油松混交林(11.03 t/hm2)>白桦黑桦混交林(10.62 t/hm2)>蒙古栎纯林(9.69 t/hm2)>落叶松白桦混交林(7.24 t/hm2)>落叶松纯林(6.01 t/hm2)。综合枯落物未分解层、半分解层有效拦蓄量可知白桦山杨混交林枯落物有效拦蓄量最大为52.63 t/hm2，落叶松白桦混交林枯落物有效拦蓄量最小为14 t/hm2。

3.1.4 不同林分类型枯落物持水过程分析

(1) 不同林分类型枯落物持水量与浸水时间关系。枯落物持水量与浸水时间有一定的相关关系，由图1可知在浸水0～2 h内枯落物持水量迅速增加，2 h之后枯落物持水量持续增加，但增加的速度逐渐缓慢，最后趋于不变。这是因为枯落物的干燥程度的变化，跟实际降水过程中一样，降水开始，枯落物较干燥对水分的截持能力较强，之后枯落物达到一定湿度，即枯落物达到一定的持水量，对降水的截持能力逐渐变小。从图中还可以看出白桦纯林、白桦山杨混交林未分解层持水量在各时间段高于半分解层，其他林分类型则是半分解层持水量大于未分解层。对各林分类型枯落物半分解层、未分解层持水量与浸水时间关系进行拟合，见表5得出关系为：Q=aln(t)+b式中：Q为枯落物持水量(g/kg)；t为浸水时间(h)；a为方程系数；b为常数项。

表4 不同林分类型枯落物拦蓄能力

图1 不同林分类型枯落物持水量与浸水时间关系

(2) 不同林分类型枯落物吸水速率与浸水时间关系。由图2可以看出，不同林分类型枯落物未分解层、半分解层系吸水速率与浸水时间有一定的相关关系，从图中可以看出，枯落物吸水速率在0～2 h之间随浸水时间推移急速下降，2 h之后逐渐下降，但下降的速度趋于缓慢，到浸水24 h时吸水速率基本为0 g/(kg·h)，枯落物基本达到饱和。

对各林分类型枯落物半分解层、未分解层吸水速率与浸水时间关系进行拟合，见表5得出关系为：V=atb

式中：V为枯落物吸水速率g/(kg·h)；t为浸水时间(h)；a为方程系数；b为常数项。

3.2 不同林分类型土壤层水文效应

3.2.1 不同林分类型土壤容重 土壤容重是反映土壤通气、透水性的重要参考指标，其值越小说明土壤越疏松，土壤的通气透水性越好，其值越大，说明土壤越结实，通气透水性越差[16]。由表6可知，落叶松纯林土壤容重最大为1.25 g/cm3，山杨纯林土壤容重最小为0.80 g/cm3，不同林分类型土壤容重排序为落叶松纯林(1.25 g/cm3)>落叶松油松混交林(1.24 g/cm3)>落叶松白桦混交林(1.13 g/cm3)>蒙古栎纯林(1.11 g/cm3)>油松纯林(1.08 g/cm3)>白桦黑桦混交林(0.98 g/cm3)>白桦山杨混交林(0.91 g/cm3)>白桦纯林(0.90 g/cm3)>山杨纯林(0.80 g/cm3)。

图2 不同林分类型枯落物吸水速率与浸水时间关系

林分类型持水量与浸水时间关系式R2吸水速率与浸水时间关系式R2ⅠQ=567.8ln(t)+1527.00.982V=4335.0t-0.500.945ⅡQ=649.0ln(t)+917.20.984V=2731.0t-1.360.927ⅢQ=600.8ln(t)+345.70.982V=1194.0t-1.100.863ⅣQ=399.4ln(t)+1624.00.984V=4535.0t-1.580.948未分解层ⅤQ=206.91ln(t)+1988.00.970V=5481.0t-1.680.951ⅥQ=332.2ln(t)+2458.00.980V=6791t-1.650.950ⅦQ=438.5ln(t)+1723.00.984V=4815.0t-1.570.948ⅧQ=188.4ln(t)+2335.00.951V=6428.0t-1.700.951ⅨQ=674.1ln(t)+2018.00.982V=5777.0t-1.530.936ⅠQ=239.3ln(t)+1266.00.956V=3522.0t-1.610.944ⅡQ=436.5ln(t)+322.80.984V=1058.0t-1.180.888ⅢQ=354.0ln(t)+1076.00.984V=3033.0t-1.530.943ⅣQ=403.4ln(t)+1263.00.984V=3556.0t-1.530.955半分解层ⅤQ=224.7ln(t)+2531.00.956V=6977.0t-1.690.956ⅥQ=86.89ln(t)+3333.00.956V=9162.0t-1.750.956ⅦQ=359.21ln(t)+32410.981V=8943.0t-1.670.954ⅧQ=258.6ln(t)+1918.00.984V=5299.0t-1.650.952ⅨQ=453.7ln(t)+1790.00.981V=4998.0t-1.570.945

表6 不同林分类型土壤物理性质

3.2.2 不同林分类型土壤孔隙度 毛管孔隙具有明显的毛管作用，水分能保持在其中，水分容易被植物吸收利用，因此土壤孔隙度的大小直接反映森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力；而非毛管孔隙水分不能保持其中，为空气占据，如果非毛管孔隙度大，其可以大量吸收雨水，因此非毛管孔隙度的大小直接影响森林土壤滞留水分和调节水分的功能[17]。由表6可知不同林分类型土壤毛管孔隙度排序为白桦黑桦混交林(56.21%)>白桦山杨混交林(50.61%)>落叶松白桦混交林(50.40%)>山杨纯林(49.20%)>白桦纯林(48.75%)>落叶松纯林(40.11%)>油松纯林(38.24%)>落叶松油松混交林(37.87%)>蒙古栎纯林(34.02%)，说明白桦黑桦混交林土壤中能被植物利用的水分较多。不同林分类型土壤非毛管孔隙度排序为蒙古栎纯林(11.74%)>白桦山杨混交林(10.48%)>山杨纯林(9.48 %)>油松纯林(8.55%)>白桦黑桦混交林(6.26%)>落叶松白桦混交林(5.35%)>落叶松纯林(5.03%)>落叶松油松混交林(4.50%)>白桦纯林(3.78%)，说明蒙古栎纯林土壤通透性好，水源涵养功能较强。不同林分类型土壤总孔隙度排序为白桦黑桦混交林(62.47%)>白桦山杨混交林(61.09%)>山杨纯林(58.68%)>落叶松白桦混交林(55.74%)>白桦纯林(52.53%)>油松纯林(46.79%)>蒙古栎纯林(45.76%)>落叶松纯林(45.13%)>落叶松油松混交林(42.37%)。

3.2.3 不同林分类型土壤持水能力 由表7可知不同林分类型土壤最大持水量排序为白桦黑桦混交林(624.70 t/hm2)>白桦山杨混交林(610.89 t/hm2)>山杨纯林(586.79 t/hm2)>落叶松白桦混交林(557.44 t/hm2)>白桦纯林(525.30 t/hm2)>油松纯林(467.93 t/hm2)>蒙古栎纯林(457.63 t/hm2)>落叶松纯林(451.35 t/hm2)>落叶松油松混交林(423.74 t/hm2)。不同林分类型土壤有效持水量排序为蒙古栎纯林(117.42 t/hm2)>白桦山杨混交林(104.75 t/hm2)>山杨纯林(94.76 t/hm2)>油松纯林(85.49 t/hm2)>白桦黑桦混交林(62.62 t/hm2)>落叶松白桦混交林(53.46 t/hm2)>落叶松纯林(50.26 t/hm2)>落叶松油松混交林(45.01 t/hm2)>白桦纯林(37.80 t/hm2)，蒙古栎纯林土壤有效持水量最大，说明蒙古栎纯林土壤水土保持功能最强。

表7 不同林分类型土壤持水能力

3.2.3 不同林分类型土壤入渗 土壤渗透性反映土壤物理性质的重要性质之一，是反映土壤水源涵养功能的重要指标。由表8可以看出，白桦黑桦混交林土壤初渗速率最大为56.8 mm/min，白桦纯林、油松纯林土壤初渗速率最小为2.3 mm/min。不同林分类型土壤稳渗速率排序为蒙古栎纯林(2.3 mm/min)>白桦山杨混交林(2.0 mm/min)>山杨纯林(8.6 mm/min)>油松纯林(1.2 mm/min)>白桦黑桦混交林(3.1 mm/min)>落叶松白桦混交林(2.8 mm/min)>落叶松纯林(2.0 mm/min)>落叶松油松混交林(1.9 mm/min)>白桦纯林(1.1 mm/min)。将土壤入渗速率与入渗时间进行拟合，得拟合关系式为：

y=atb，R>0.95。

式中：y为入渗速率(mm/min)；t为入渗时间(min)；a，b为常数项。

表8 不同林分类型土壤渗透速率及入渗模型

4 结 论

(1) 对研究区内9种典型林分类型枯落物蓄积量进行分析：不同林分类型枯落物的蓄积量在5.79～24.97 t/hm2的范围内。白桦纯林枯落物总蓄积量最大为24.97 t/hm2，落叶松白桦混交林最小为5.79 t/hm2。9种典型林分类型枯落物持水能力在61.18～11.95 t/hm2范围内，其中白桦山杨混交林持水能力最强为61.18 t/hm2，其次是山杨纯林为46.46 t/hm2，落叶松纯林持水能力最差为11.95 t/hm2。白桦山杨混交林枯落物有效拦蓄量最大为52.63 t/hm2，落叶松白桦混交林枯落物有效拦蓄量最小为14 t/hm2。对9种典型林分类型枯落物持水量与浸水时间关系进行拟合，关系式为Q=aln(t)+b，相关系数大于0.95，吸水速率与浸水时间关系进行拟合，关系式为V=atb，相关系数在0.9以上。

(2) 9种典型林分类型中，蒙古栎纯林土壤持水能力最强为117.42 t/hm2，其次是白桦山杨混交林为104.75 t/hm2，白桦纯林土壤持水能力最差为37.80 t/hm2。白桦黑桦混交林土壤初渗速率最大为56.8 mm/min，白桦纯林、油松纯林土壤初渗速率最小为2.3 mm/min，两者相差24.7倍。不同林分类型土壤稳渗速率相差不大，将土壤入渗速率与入渗时间进行拟合，得拟合关系式为y=atb，相关系数大于0.95。

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HydrologicalEffectsofLitterandSoilsinNineForestTypesoftheJiebaRegion

CHEN Jidong, ZHOU Changliang, LI Huili

(MulanForestryAdminstrationBureau,Weichang,Hebei068450,China)

A pilot study of hydrological effects of litter and soil layer was carried out in nine forest types in Bayingzhuang forest farm. The results showed: (1) the total storage capacity of litter was about 5.79～24.97 t/hm2, which decreased in the order:BetulaplatyphyllaSuk. pure forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest>Pinustabuliformispure forest>Populusdavidianapure forest>Quercusmongolicapure forest>Larixprincipisrupprechti-Pinustabuliformismixed forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Betuladavuricamixed forest>Larixprincipisrupprechtipure forest>Larixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest; (2) there were some differences in water holding capacities of litter in 9 forest types, which decreased in the order ofBetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest>Populusdavidianapure forest>Pinustabuliformispure fores>BetulaplatyphyllaSuk. pure forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Betuladavuricamixed forest>Larixprincipisrupprechti-Pinustabuliformismixed fores>Quercusmongolicapure forest>Larixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest>Larixprincipisrupprechtipure forest; (3) water holding capacity and soaking time had the significant logarithmic relationship, the correlation coefficient was above 0.95; the relationship between absorption rate and soaking time could be described by power function, the correlation coefficient was greater than 0.90; (4) the modified interception amount ofQuercusmongolicapure forest was the strongest, which was 52.63 t/hm2; the modified interception amount ofLarixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest was the least, which was 14 t/hm2; (5) water holding capacity of soil inQuercusmongolicapure forest was strongest, which was 117.42 t/hm2, water holding capacity of soil inBetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest came the next, which was 104.75 t/hm2, water holding capacity of soil inBetulaplatyphyllaSuk. pure forest was the least, which was 37.80 t/hm2; (6) the soil initial infiltration rate was about 2.3～56.8 mm/min; The relationship between the infiltration rate and infiltration time could be fitted by power function, the correlation coefficient was greater than 0.95.

Jieba region; forest types; litter; soil; hydrological effect

S715.7

A

1005-3409(2017)06-0216-06

2017-01-09

2017-01-20

河北省林业科技指导项目“木兰林区森林流域经营关键技术研究”(1305448)

陈继东(1980—),男,河北涿鹿人,在读硕士,林业高级工程师,从事森林资源管理与经营方面工作。E-mail:20132638@qq.com

李惠丽(1992—),女,河北藁城人,硕士,从事森林经营方面工作。E-mail:245539483@qq.com