太行山典型森林水源涵养分层特征与差异研究

郭灵辉 高江波 王天平 张博 李琛

摘要：以豫北太行山典型森林生态系统为研究对象，结合样地调查、室内试验以及K-W秩和检验等方法，分层探讨太行山典型森林水源涵养功能的异同。结果表明：侧柏林冠层最大持水量与有效拦蓄量均较大，分别为37.01、19.47t/hm2；栓皮栎林冠层最大持水量与有效拦蓄量最小，但浸水初期持水速率较大：枯落物持水量大小顺序为油松林>侧柏林>栓皮栎林，但有效拦蓄量大小顺序则为侧柏林>油松林>栓皮栎林，其中半分解层起主导性作用；土壤层持水能力较高，是森林水源涵养功能的关键所在，尤其是侧柏林，土壤最大持水量与土壤有效持水量分别为515.22、110.67t/hm2。

关键词：森林生态系统；水源涵养功能；分层特征；太行山

中图分类号：S157.5

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.021

水源涵养功能是森林生态系统的一项重要生态功能，指森林拦蓄降水、调节径流和净化水质的能力。随着人口增长、水资源供需矛盾加剧和水环境质量恶化，人们对森林水源涵养功能愈加重视，尤其在重要水源区。近年来，国内外学者从样地、流域、行政单元等不同尺度对不同森林水源涵养功能开展了大量卓有成效的研究，探讨了森林水源涵养功能的区域分异特征，丰富了森林水源涵养功能的物质量及其价值量评估的理论与方法。其中，综合蓄水能力法是相对比较理想和常用的综合评估方法，通过综合核算森林冠层、枯落物层与土壤层等层次对降水的有效拦蓄和再分配来实现，但目前一些研究仅限于公式换算，体现区域森林水源涵养功能生态学过程的研究不够。

太行山地处华北大平原西侧，是海河水系的发源地及黄河中下游部分支流的上游集水区。受气候变化、人口激增、植被破坏和水资源过度开发等因素影响，太行山区一度成为华北地区旱涝灾害和京津水旱灾害的根源。为此，以建设水源涵养林和水土保持林为重点的太行山绿化工程被列为我国大型重点林业工程。白1994年工程全面启动以来，太行山森林资源总量不断增长，森林植被大幅增加，工程效益显著。笔者选择太行山绿化工程主要树种油松、侧柏、栓皮栎为研究对象，采用样地调查、浸水试验等方法，从最大持水量和有效持水量角度，对林冠层、枯落物层以及土壤层3个层次进行比较，分析太行山绿化工程典型森林生态系统水源涵养能力异同及形成机理，以期为区域生态系统功能评估及生态调控提供参考。

1 研究区概况

研究区位于河南省太行山生态公益林焦作林场，属暖温带大陆性季风气候区，多年平均气温为11.6℃，年均降水量为600mm，年际降水量变化大、季节分配不均。土壤类型以褐土为主，阴坡土层相对较厚（一般为50～60Cm），阳坡土层薄、砾石较多，土壤容重为1.30g/cm2左右，空间差异较大。该区山地植被垂直地带性明显，低山以人工林、灌草丛为主，中低山主要由褐土落叶阔叶林构成，优势树种有栓皮栎（Q.variabilis）、侧柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinustabuliformis）以及黄栌（Cotinus coggygria Scop.）等，这些树种耐旱、耐贫瘠，是太行山绿化的主要树种，现以幼龄、中龄为主，森林外貌比较整齐，生长发育较好，郁闭度在0.7以上。灌丛以连翘（For.sythia suspensa）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、山皂角（Gleditsiajaponica Miq.）、黄荆（Vitex negundo Linn.）为主，草本主要有白草（Pennisetum flaccidum Griseb.）、羊胡子草（Carex rigescen.s）等。

2 研究方法

生物学调查与野外采样时间为2017年3-4月与7月中旬，选择研究区代表性森林类型油松、栓皮栎和侧柏，每种森林样地随机选择3个10mxl0m的乔木样方，样方内分别设置3个5mx5m的灌木样方和3个1mxlm的草本样方，样地基本情况见表1。

2.1 持水能力测定

叶片与枯落物持水特性采用浸水法，选择胸径、树高接近林分平均水平的油松、栓皮栎和侧柏各1株作为标准木，采用分层切割法摘取标准木一定比例的鲜叶，密封带回称其鲜重。选取部分鲜叶，采用浸水法处理，分别测定其5、15、30min和1、2、4、8、24h控干至不再滴水以及烘干至65℃的质量，每组6个重复。样地内随机布设多个50cmx50Cm小样方，按未分解层与半分解层分别测量枯落物厚度，并全部取出带回称重。随机选取部分样品烘干至65℃称重，根据枯落物含水率和鲜重来计算样地枯落物储量。将烘干后的枯落物完全浸没水中，分别在5、15、30min和1、2、4、8、24h取出，控干至不再滴水后称重，每组重复5～8次，所得的枯落物湿质量与其烘干质量的差值除以烘干质量即为相应时段枯落物的持水量，该值与浸水时间的比值为相应时段枯落物的吸水速率。

土壤调查采用剖面法，在各样地内随机开挖土壤剖面3个，深度一般为50～60cm，下部为岩石层，采用环刀分层挖取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm土样（侧柏林地土壤底部砾石含量较多，仅取0～10、10～20、20～30Cm三層）。按照国家林业行业标准森林土壤水分物理性质的测定方法（LY/T1215-1999），测定土壤自然含水量、容重、孔隙度、最大持水量、有效持水量等。为充分反映土壤层持水特征，采用全剖面最大持水量、有效持水量均值计算土壤涵养水源能力。

2.2 冠层持水量尺度上推

采用森林植被叶片持水能力来表征森林冠层持水量。首先，实验室测量林冠单位叶片质量的持水特性，结合林地标准木叶片质量以及林木密度数据，参照枯落物层持水量计算方法，尺度上推冠层持水量，具体计算公式为式中：WCmax、Wceff分别为冠层最大持水量和有效拦蓄量，t/hm2；Rmax为叶片最大持水率，%；Ro为叶片自然含水率，%；N为样方内林木株数，株/hm2；m为标准木叶片质量，t/株。

2.3 枯落物持水量计算

以枯落物24h时持水率为最大持水率，推算其最大持水量。最大持水量仅反映枯落物层持水能力的大小，不考虑雨前枯落物层的自然含水状況，有效拦蓄量才是反映枯落物对一次降水拦蓄的科学指标。有效拦蓄量是指枯落物对降水的实际拦蓄量，表达式为式中：WLmax、WLeff分别为枯落物最大持水量和有效拦蓄量，t/hm2：M为枯落物累积量，t/hm2。

2.4 显著性分析

K-W秩和检验为非参数检验方法，其优势在于无需考虑样本总体分布类型。本文借助SPSS软件中K-W秩和检验方法对比分析不同森林的水源涵养能力，考虑到森林土壤厚度不同，分析土壤层涵养水源能力K-W秩和检验仅限于表层（0～30cm）土壤。

3 结果与分析

3.1 林冠层持水能力

3.1.1 林冠层持水量

不同类型森林的林冠层持水能力差异很大（见表2）。侧柏林冠层的最大持水量与有效拦蓄量最大（分别为37.01、19.47t/hm2），油松林冠层的次之，原因是这两种森林单位面积叶片质量较大，这与马惠等的研究结果较为一致。相比之下，栓皮栎林冠层自然含水率较小，最大含水率较大，但其叶片总质量有限，因此其最大持水量与有效拦蓄量最小，仅为侧柏林的20.29%和30.25%。

3.1.2 冠层持水过程

在浸泡初期（1h内），叶片持水量迅速增大，之后随浸泡时间延长呈不断增大趋势，5h后趋于平缓（见图1（a））。侧柏叶片持水量在不同观测时间均大于油松和栓皮栎的，24h后平均持水率为92.24%，说明侧柏单位质量叶片最大持水能力远高于油松和栓皮栎的。但从持水速率上看，浸泡初期栓皮栎叶片的持水速率最大，侧柏的次之，油松的最小（仅为前两者的75%左右）（见图1（b）），说明在历时较短的强降水事件中，单位质量栓皮栎叶片截留作用和持水能力均最大。

3.2 枯落物层持水能力

3.2.1 枯落物储量

不同森林类型枯落物厚度与储量差异明显（见表3）。栓皮栎林和油松林枯落物厚度较大，分别为10.28、8.30cm，显著大于侧柏林的（显著性水平p<0.05）。然而，侧柏林枯落物储量最大（为39.93t/hm2），其次是油松林的（与侧柏林的相差不大），栓皮栎林的最小（仅为23.66t/hm2，约为前两者的60%）。不同森林类型枯落物储量均表现为半分解层的大于未分解层的，其中侧柏林的相差最大，其半分解层枯落物储量是未分解层的4.76倍。

3.2.2 枯落物持水量

不同森林枯落物最大持水量异质性明显（见表4）。栓皮栎林枯落物最大持水率最大，说明栓皮栎林单位质量枯落物持水能力最大。但油松林枯落物最大持水量最大（为83.34t/hm2，相当于8.3mm的降水），栓皮栎林的枯落物最大持水量（56.71t/hm2）显著小于油松林和侧柏林的（p<0.05），这与枯落物形态和储量有关。不同森林类型枯落物最大持水量均表现为半分解层的大于未分解层的，相差最大的是侧柏林，其半分解层最大持水量是未分解层的5.35倍。不同森林类型半分解层枯落物有效拦蓄量均大于未分解层的，且侧柏林的有效拦蓄量（相当于6.1mm降水量）显著高于油松林和栓皮栎林的（p<0.05），这主要与枯落物的自然含水率有关，侧柏林枯落物自然含水率仅为12.80%，而油松林和栓皮栎林枯落物的分别为62.22%和31.85%。

3.2.3 枯落物持水过程

在浸泡初期，枯落物持水量迅速增大，之后随浸泡时间延长呈不断增大趋势，8h之后趋于平缓（见图2）。在浸泡过程中的每个观测时段，总持水量以及未分解层持水量大小顺序均为栓皮栎林>油松林>侧柏林，而不同森林类型半分解层持水量变化比较复杂，浸泡初期油松林持水量大于栓皮栎林的，后期栓皮栎林持水量大于油松林的，而侧柏林的始终最小。另外，栓皮栎林枯落物未分解层持水量始终大于半分解层持水量，而油松林、侧柏林枯落物半分解层持水量均大于未分解层的，这说明栓皮栎林枯落物单位质量未分解层持水能力大于单位质量半分解层的，而油松林和侧柏林枯落物单位质量半分解层单位质量持水能力大于单位质量未分解层的。

3.3 土壤层持水能力

不同森林类型土壤持水能力差异较大（见表5）。侧柏林土壤最大持水量最大（为515.22t/hm2），栓皮栎林的次之，油松林的最小（为476.00t/hm2）。土壤毛管持水量栓皮栎林的最大，油松林的次之，侧柏林的最小。不同森林类型间有效持水量差异显著，侧柏林的最大（为110.67t/hm2），栓皮栎林的最小（为51.87t/hm2）。森林土壤的持水能力与土壤结构、孔隙状况等有关，侧柏林土壤容重小、颗粒较粗、非毛管孔隙大，因而有效持水量最大。

4 结语

本研究中测量的林冠层、枯落物层持水能力是理想状况下的最大持水能力，是假定降水量足够大且无外界干扰的完全浸泡条件下的吸持量，与林冠层、枯落物层的实际持水能力不尽相同。实际持水能力是千变万化的，取决于林分状况与降水特征等共同作用。林冠层持水量尺度上推法能够有效实现点与面之间的转换，但受实际情况下枝干持水量不确定性的限制，本研究没有考虑林冠层枝干的持水能力，这使得结果存在一定的偏差。彭焕华等研究发现，考虑树干持水量的情况比不考虑树干时青海云杉林冠层最大持水量相差约14%，也可能会更高。今后应借鉴该研究方法探讨枝干持水能力的准确测算方法。

综上，本研究以豫北太行山油松、侧柏和栓皮栎等典型森林为研究对象，较为系统地探讨了林冠层、枯落物层以及土壤层水源涵养功能，得出以下结论。

（1）林冠层最大持水量与有效拦蓄量侧柏林最大，分别为37.01、19.47t/hm2，而栓皮栎林冠层最大持水量与有效拦蓄量最小。但栓皮栎叶片在浸泡初期持水速率大，这意味着在历时较短的强降水事件中栓皮栎叶片截留量最大。

（2）枯落物层最大持水量表现为油松林最大，约为83.34t/hm2，栓皮栎林枯落物层的最大持水量显著小于其他两种林的（p<0.05），仅为56.71t/hm2，但有效拦蓄量表现为侧柏林显著大于油松林和栓皮栎林的（p<0.05）。栓皮栎林单位质量枯落物未分解层持水能力大于单位质量半分解层的，而油松林和侧柏林单位质量枯落物半分解层持水能力大于单位质量未分解层的。

（3）土壤层最大持水量和有效持水量为侧柏林的最大，分别为515.22、110.67t/hm2，油松林土壤最大持水量最小，而栓皮栎林土壤有效持水量最小。