官司河流域不同林分枯落物水源涵养与土壤磁化率

冯 宇，彭培好*，刘贤安，韩子钧，庞 溯

（1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2.成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000）

林下枯落物作为森林涵养水源的主体之一，是森林水文效应的第二活动层[1]，具有吸收与拦截降水、减少地表径流、防止土壤溅蚀、增加土壤抗蚀性等功能[2]。枯落物吸持水能力作为森林枯落物涵养水源的重要体现，其评定指标通常有枯落物持水量、持水率、吸水速率、拦蓄率、拦蓄量等[3]，它们虽能较直观地体现枯落物持水能力，却具耗时、耗财等缺点。自1954年第5届土壤磁学大会首次提出土壤磁化率相关问题[4]以来，土壤磁化率便以其高效、无损、低成本等优点[5-6]，被广泛应用于土壤科学、环境科学的研究中。已有研究表明，土壤磁化率受土壤侵蚀强度[8-9]、土壤水文条件[10-11]、林分类型及枯落物覆盖状况[12-14]等因素影响。然而，利用土壤磁化率与林下枯落物之间的关系，进行枯落物水源涵养能力预测的相关研究尚未见报道。因此，本文以绵阳官司河流域为研究对象，研究土壤磁化率与林下枯落物储量及持水量的关系，探索土壤磁化率作为林下枯落物水源涵养功能评估指标的可行性，旨在为今后林地枯落物水源涵养功能快速评估提供一个高效、低成本的土壤磁学方法。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

官司河流域位于四川省绵阳市游仙区新桥镇，地理坐标 31°32′30″～31°37′30″N、104°45′00″～104°48′40″E，属川中低山丘陵地貌，海拔高度 485～627 m，流域面积21.2 km2[15]。流域土壤类型以紫色土、老冲积黄壤、姜石黄壤为主，另有部分为灰白砂土[15-16]。流域共有维管束植物67科、125属、146种，主要乔木优势种类有柏木（Cupressus funebris）、马尾松（Pinus massoniana）、栎类（Quercussp.）等；主要灌木优势种类有黄荆（Vitex negurdo）、铁籽（Myrsine Africana）、火棘（Pyracantha fortuneana）等；主要草本优势种类有苔草（Carexspp.）、莎草（Cyperussp.）、荩草（Arthraxon hispidus）、紫菀（Aster ageratoides）和野菊（Dendranthema indicum）等[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地调查

野外样地调查及磁化率测量于2017年10月—11月进行。在流域内柏木林、马尾松林、麻栎林、松柏混交林中分别设置3个10 m×10 m样地，记录各样地坡度、坡向、海拔、林龄（见表1）。根据方精云等[18]的方法，测定群落乔木郁闭度、林分密度、胸径、高度，并记录乔木种名；在各样地内按对角线设3个3 m×3 m灌木样方，记录种名、株数、盖度、高度，在样地4角及中心设置5个1 m×1 m草本样方，记录种名、株高、盖度。

1.2.2 土壤磁化率测定

土壤磁化率使用澳大利亚Alpha公司产MagROCK磁化率仪进行原位测量，测量工作与样地调查同步进行。土壤磁化率测量前，采取与D.A.Grimelty等[6]相似的方法对测量点位进行预处理，用无磁性工具或树枝移除覆盖于土壤表面的全部枯落物及杂草，适当平整土壤表面，以确保磁化率仪在测量时与土壤表面紧密接触。每个样地按图1所示点位，重复测量25次，求得各样地土壤磁化率平均值（测得的土壤磁化率为体积磁化率，无量纲，采用国际单位制SI）。

1.2.3 枯落物储量及持水量测定

在各样地内随机设置3个20 cm×20 cm枯落物样方，采集样方内所有枯落物，称重，装入自封袋并编号，枯落物样品共计36件。将枯落物置于85℃干燥箱内烘干24 h，称重，得枯落物储量（t/hm2）。

用“浸水法”研究枯落物持水能力，将干燥后枯落物装入尼龙网袋，分别浸水 0.25、0.5、1、2、4、8、10、12和24 h后静置5 min[19]，测得各时间点枯落物吸水后的重量。每次浸水后测得重量减去初始枯落物重量（干重），得到不同浸水时间枯落物持水量，枯落物持水量与相对应浸水时间的比值即枯落物吸水速率，以浸水24 h时所得枯落物持水量作为枯落物的最大持水量。枯落物持水量、吸水速率计算公式如下[20]：

表1 样地概况Table 1 Sample plot summary

图1 土壤磁化率测量点位Figure 1 Soil susceptibility measurement point

式（1）中，ΔW ij为第i种枯落物在j+i～j浸泡时段内的吸水量（g/kg），W i（j+1）为第i种枯落物在浸泡j+1时间的重量（g），W ij为第i种枯落物在浸泡j时间的重量（g）。

式（2）中，ΔSij为第i种枯落物在j+i～j浸泡时间段内的吸水速率（g/（kg·h）），Δtij为第i种枯落物在浸泡j+1时与浸泡j时的时间差（h）。

将各林分类型林下枯落物的9个样品分别按以上方法进行处理，取其平均值，得各林分林下枯落物持水量与吸水速率。

1.2.4 数据处理

利用Excel 2013对原始数据进行整理；在IBM Statistics SPSS 23.0中利用曲线估算功能进行最佳拟合方程的筛选；使用SigmaPlot 12.0绘制枯落物持水量、吸水速率与浸水时间关系图；利用Pearson相关系数对土壤磁化率、枯落物总储量、枯落物最大持水量之间进行相关分析，将显著性水平设置为P=0.05，极显著性水平设置为P=0.01。

2 结果与分析

2.1 枯落物储量

枯落物储量是决定林地枯落物水源涵养能力的重要因素之一[28]。官司河流域林下枯落物储量变化范围为4.43～7.77 t/hm2，4种林分依次为麻栎林（7.77 t/hm2）＞松柏混交林（5.40 t/hm2）＞柏木林（4.43 t/hm2）＞马尾松林（4.03 t/hm2），表现为落叶阔叶林枯落物储量大于常绿针叶林。

2.2 枯落物水源涵养

2.2.1 枯落物持水能力

最大持水量是反映枯落物持水能力的常用指标之一[22]。官司河流域林下枯落物最大持水量变化范围为14.62～30.26 t/hm2，4种林分依次为麻栎林（30.26 t/hm2）＞松柏混交林（19.85 t/hm2）＞柏木林（18.14 t/hm2）＞马尾松林（14.62 t/hm2）。由表 2可知，枯落物自身持水性能也因林分类型各异。4种林分单位质量枯落物最大持水量（浸水24 h）依次为麻栎林（3 094.17 g/kg）＞柏木林（3 084.17 g/kg）＞松柏混交林（2 633.13 g/kg）＞马尾松林（2 622.50 g/kg）。

表2 不同林分单位质量枯落物持水量与浸水时间关系Table 2 Relationship between water-holding capacity of litter per unit mass and soaking time in different forest types

2.2.2 枯落物吸水动态变化

枯落物持水量、持水率与浸水时间的拟合曲线可以揭示不同林分林下枯落物吸水动态变化特征。由图2可知，4种林分林下枯落物在浸水0～2 h内，持水量均呈明显上升趋势，随后放缓，至24 h时达到饱和状态。

图2 枯落物持水量与浸水时间关系Figure 2 Relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

通过回归分析，发现流域内4种林分林下枯落物持水量与浸水时间均存在以下关系：

式（3）中，Q为林下枯落物持水量（g/kg）；t为浸水时间（h）；a、b为待估系数。

由图3可知，在浸水0～2 h内，4种林分林下枯落物吸水速率均下降迅速，随后放缓，并在24 h时趋于零。

图3 枯落物吸水速率与浸水时间关系Figure 3 Relationship between water absorption rate and soaking time of litter

回归分析发现，枯落物吸水速率与浸水时间呈幂指数关系：

式（4）中，S为枯落物吸水速率（g/（kg·h））；K为方程系数；n为指数。

2.3 枯落物水源涵养与土壤磁化率关系

林下枯落物层除具有吸收、截持降水的能力外，还能减少地表径流、增加土壤抗蚀性[23]。由表4可知，4种林分土壤侵蚀产沙量依次为马尾松林（1.21 t/hm2）＞松柏混交林（1.01 t/hm2）＞柏木林（0.88 t/hm2）＞麻栎林（0.45 t/hm2），表明落叶阔叶林土壤侵蚀产沙量小于常绿针叶林；土壤磁化率的变化规律依次为麻栎林（30.38×10-6SI）＞松柏混交林（25.15×10-6SI）＞柏木林（22.01×10-6SI）＞马尾松林（20.59×10-6SI），表现为落叶阔叶林土壤磁化率大于常绿针叶林。由此可见，土壤磁化率与侵蚀产沙量相关，侵蚀产沙量越小对应土壤磁化率越高，这与前人结论相似[24]。

表3 不同林分枯落物持水量、吸水速率与浸水时间回归方程Table 3 Regression equation of water-holding capacity，water absorption rate and soaking time of different forest litter

表4 土壤磁化率与枯落物水源涵养功能关系Table 4 Relationship between soil magnetic susceptibility and water conservation function of litter

Pearson相关分析表明，土壤磁化率与枯落物总储量呈极显著正相关（R2=0.994，P=0.006），与枯落物最大持水量显著正相关（R2=0.980，P=0.020），回归方程如下：

式中，WL为枯落物总储量（t/hm2）；MS为土壤磁化率（10-6SI）；Q为枯落物最大持水量（t/hm2）。

3 讨论与结论

官司河流域林下枯落物总储量、最大持水量依次为麻栎林＞松柏混交林＞柏木林＞马尾松林，枯落物水源涵养能力表现为阔叶林＞针叶林，这与前人研究结果相似[26-27]。各林分之间林下枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的动态变化规律存在相似性，林下枯落物持水量与浸水时间t符合方程Q=alnt+b，吸水速率与浸水时间t符合方程S=Ktn，且R2均在0.85以上，本研究所得拟合方程与张卫强等[27-29]等所得结果一致。各林分林下枯落物持水量、吸水速率与浸水时的变化规律一致，林下枯落物持水量、吸水速率均在浸水0～2 h内变化迅速，随后渐缓，至24 h时趋于稳定，这与张峰等[30]研究结果一致。麻栎林在4种林分中水源涵养能力（枯落物储量、最大持水量、侵蚀产沙量）最强，适当减少人为活动（砍伐、开荒）对麻栎林的影响，增加其在流域内的覆盖范围，将有利于保护区域水环境安全、减小区域水土流失。

林下枯落物储量、持水量能较好地反映枯落物涵养水源的能力[2-3]。在官司河流域的研究发现，林下枯落物储量与土壤磁化率关系符合方程WL=0.384MS-4.012 2，林下枯落物最大持水量与土壤磁化率符合回归方程Q=1.518 7MS-16.539，R2均在0.96以上，呈现显著正相关关系；同时还发现，林地土壤侵蚀产沙量与土壤磁化率相关。说明土壤磁化率与林下枯落物水源涵养能力关系密切，可以将土壤磁化率应用在林下枯落物储量及持水量的快速估算中。

本文在对绵阳官司河流域4种常见林分类型水源涵养功能进行评估和比较的基础上，探讨了土壤磁化率应用在官司河流域林下枯落物水源涵养功能快速评估中的可行性。然而，在更广大的研究区域及更丰富的林分类型情况下，土壤磁化率在林下枯落物水源涵养功能评估中的适用性仍待进一步探讨。