不同灌木林分枯落物层与土壤层水源涵养能力研究

曹云生, 赵艳玲

(1中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院, 北京 100083; 2 北京市工程咨询公司, 北京 100083; 3 中国矿业大学(北京) 土地复垦与生态重建研究所, 北京 100083)

森林土壤是森林生态系统重要组成成分，土壤不仅能够影响林木的生长，而且能够影响森林生态系统水循环，而枯落物层则能够为森林中的微生物生存的能量来源，还可以截留降水，涵养水源，是森林生态系统中重要的一环[1-3]。植被恢复作为治理水土流失的重要措施之一，通过增加植被的覆盖度能够有效减少土壤的流失，木兰围场地区水土保持研究以乔木林为主，针对灌木林分水源涵养能力研究相对较少，该地区森林覆盖率虽然很高，但是其境内以三大沙梁为主的地区沙化仍然很严重，这种地区种植乔木难以恢复，非常适合利用灌木进行防沙固土，从而遏制风沙地区进一步扩大，但是，因此探究灌木林分水源涵养能力是非常有必要的，是非常有意义的。

本文选择河北省木兰林管局的3种灌木林作为研究林分，并通过测定枯落物层与土壤层的持水指标，从而选择出水源涵养能力最强的灌木林分，以期为木兰围场地区生态环境建设、植被恢复与保护提供一定的科学指导依据[4-6]。

1 研究区概况

研究区位于冀北山地木兰围场国有林场管理局(41°35′—42°37′N，116°48′—118°20′E)，海拔为750～1 829 m年降水量为400～500 mm。该地区土壤类型多以黄棕壤和黑棕壤为主。植被丰富比较丰富，乔木华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、云杉(Piceaasperata)、油松(Pinustabulaeformis)、山杨(Populusdavidiana)、黑桦(Betuladahurica)、白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(QuercusMongolica)等，灌木主要有荆条(VitexnegundoL. var.heterophylla)、三裂绣线菊(SpiraeatrilobataL.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、蒙古黄榆(Ulmusmacrocarpavar.mongolica)等。

2016年木兰围场国有林场管理局孟滦林场内选择了6块灌木丛林，大小为10 m×10 m的标准大样地，在样地选择时尽可能选择立地条件和密度相近的林分，海拔处于900 m左右，并调查基本情况[7-9]，其中盖度采用“对角样线法”来测定盖度，灌木的冠幅在对角线的占有率为其盖度(表1)。

2 研究方法

2.1 枯落物层持水指标测定

枯落物一般采取现场测量与室内浸泡的方法进行测定，枯落物按照分解程度分为未分解层与半分解层，测量完厚度后要尽快并保持原状将枯落物带回实验室进行称重，采用室内浸泡法测量计算枯落物各项指标[10-13]。

W=(0.85Rm-R0)M

(1)

式中：W为有效拦蓄量(t/hm2)；Rm为最大持水率(%)；R0为自然含水率(%)；M为枯落物储量(t/hm2)。

表1 标准地概况

2.2 土壤层持水指标测定

利用环刀法对土壤层的性质进行测定，在林分标准地中选取合适进行土壤剖面的挖取，由于选择的灌木林分根系分布主要集中在0—30 cm，因此将土壤分为3层，深度分别为0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，采用双环刀的方法分别对土壤容重、土壤孔隙度、持水能力指标进行测定[14-15]。

土壤持水量公式为

W=10000P·h

(2)

式中：W为土壤持水量(t/hm2)；P为土壤孔隙度(%)；h为土壤厚度(m)。

3 结果与分析

3.1 枯落物层水源涵养功能

枯落物层水源涵养功能作为森林水文生态功能中重要的指标，在改变林分土壤结构、保水固土和防止土壤孔隙堵塞等方面都有很重要影响。

3.1.1 枯落物层蓄积量和持水能力指标 3种灌木林分枯落物厚度、蓄积量与持水3个指标见表2。

由表2可以看出，枯落物层厚度变化范围为23.5～43.1 mm，最厚的荆条枯落物为最薄的三裂绣线菊的1.83倍；枯落物蓄积量范围为5.37～8.26 t/hm2，其中蓄积量最大的灌木林分为荆条灌木丛，为8.26 t/hm2，蓄积量最小的灌木林分为三裂绣线菊灌丛，为5.37 t/hm2。

3种灌木林分枯落物层最大持水量为10.02～19.38 t/hm2，其中最大持水量最大的灌木林分为荆条，为19.38 t/hm2，三裂绣线菊最小，为10.02 t/hm2，大小排序为：荆条(19.38 t/hm2)>胡枝子(13.40 t/hm2)>三裂绣线菊(10.02 t/hm2)；最大持水率、最大拦蓄率与有效拦蓄率三者大小排序一致，均为：荆条>三裂绣线菊>胡枝子，各因子变化规律不同是因为其影响因素不同并且较多所致，其中最大持水量与最大拦蓄量主要与林分枯落物层蓄积量有较大关系，而枯落物层拦蓄率影响因子有蓄积量与自然含水率等，因此变化规律有所不同；有效拦蓄量变化范围为7.53～13.56 t/hm2，其中荆条有效拦蓄量最大，为13.56 t/hm2，三裂绣线菊最小，为7.53 t/hm2，荆条为三裂绣线菊的1.80倍，大小排序为：荆条(13.56 t/hm2)>胡枝子(9.78 t/hm2)>三裂绣线菊(7.53 t/hm2)。

表2 枯落物层厚度、蓄积量和持水指标

3.1.2 枯落物持水过程 枯落物层持水速率大小在一定程度上反映了持水能力，通过对3种灌木林分枯落物持水量、持水速率与浸水时间的关系进行函数拟合，反映了林分枯落物持水的动态变化特征(图1)。

图1 3种灌木林分枯落物持水量、持水速率与浸水时间曲线

由图1可以看出，荆条枯落物吸水量在同一时间高于其他灌木林分，在0.25 h枯落物持水量大小排序为：荆条(4.51t/hm2)>胡枝子(3.59t/hm2)>三裂绣线菊(2.37 t/hm2)；在0.25 h枯落物持水速率的大小排序为：荆条>胡枝子>三裂绣线菊。枯落物在最开始的持水速率非常高，主要是枯落物在开始阶段比较干燥，表面的水势较低吸水速度较快，随着时间的推移持水量增多和水势差减小，持水速率迅速变小，在12 h左右持水量慢慢趋于饱和，枯落物层持水速率也趋于平缓。

枯落物层持水量、持水速率与浸水时间函数拟合关系见表3。枯落物持水量与浸水时间具有较好对数函数关系，关系式为：

Q=alnt+b(R2>0.97)

(3)

式中：Q为枯落物持水量(t/hm2)；t为浸水时间；a，b为待估参数。

持水速率与与浸水具有较好的幂函数关系，关系式为：

V=Ktn(R2>0.99)

(4)

式中：V为吸水速率[t/(hm2·h)]；K为方程系数；n为指数。

表3 3种灌木林分枯落物持水量、持水速率与浸水时间的拟合关系

3.2 土壤水土水源涵养功能

3.2.1 土壤物理性质和持水指标 3种灌木林分土壤物理性质和持水指标见表4。

由表4可知，3种灌木林分土壤物理性质有一定差别，土壤容重最大的为胡枝子，最小的荆条，前者是后者的1.15倍，大小排序为：胡枝子(1.06 g/cm3)>三裂绣线菊(0.97 g/cm3)>荆条(0.92 g/cm3)，土壤容重是衡量其物理结构、松紧度与通透性的指标之一。

表4 3种灌木林分土壤物理性质与持水指标

非毛管孔隙度是土壤有效持水量的重要影响指标，是水分和空气重要传输通道，直接反映出土壤持水能力强弱，与土壤有效持水量变化规律一致，在水分进入土壤后，非毛管孔隙能够贮存一定量的水分，能够起到保水固土的作用，土壤有效持水量最大的为荆条灌木林，最小的为胡枝子灌木林，大小排序为：荆条(118.39 t/hm2)>三裂绣线菊(111.10 t/hm2)>胡枝子(101.84 t/hm2)；土壤毛管持水量最大的为荆条，最小的为三裂绣线菊，大小排序为：荆条(359.77 t/hm2)>胡枝子(327.35 t/hm2)>三裂绣线菊(319.75 t/hm2)；荆条的饱和持水量是最大的，而胡枝子最小，大小排序为：荆条(478.16 t/hm2)>三裂绣线菊(430.85 t/hm2)>胡枝子(429.19 t/hm2)，土壤饱和持水量在一定程度上反映了土壤贮藏水分的潜力。

3.2.2 土壤入渗性能 土壤层通过调节水分来体现其渗透性，土壤的渗透性能越强，则表示其能够拦蓄的地表径流越大，是反映林分土壤层水源涵养功能的重要指标之一。通过对土壤层入渗速率与入渗时间进行函数拟合，两者具有较好的函数关系，曲线见图2，关系式见表5。

由图2、表5可知，3种灌木林分初渗速率有差距，初渗速率最大的为荆条，最小的为胡枝子，前者为后者的1.20倍，大小排序为：荆条(22.15 mm/min)>三裂绣线菊(20.17 mm/min)>胡枝子(18.39 mm/min)。土壤刚开始入渗时，其速率较大，随后迅速减小，最后趋于稳定，3种灌木林分中荆条的稳渗速率最大，最小的为胡枝子，由大到小为：荆条(1.50 mm/min)>三裂绣线菊(1.34 mm/min)>胡枝子(1.21 mm/min)。由林分土壤的初渗速率和稳渗时间能够看出，荆条灌木林分土壤入渗能力最强，而胡枝子灌木林分最弱，在降雨过程中荆条灌木林分土壤层能够迅速将降水贮藏起来，相反，则会以地表径流的形式流失，并且会侵蚀土壤。

图2 3种灌木林分土壤入渗速率与入渗时间拟合曲线

表5 入渗速率与入渗时间的回归方程

通过对林分土壤入渗时间和入渗速率的关系进行拟合，具有较好函数关系，表达式为：

y=a·xb(R2>0.94)

(5)

式中：y为入渗速率(mm/min)；x为入渗时间(min)；a为系数；b为指数。

4 结 论

(1) 枯落物蓄积量主要由枯落物输入量与分解量决定，范围为5.37～8.26 t/hm2，最大持水量变化范围为10.02～19.38 t/hm2，有效拦蓄量变化范围为7.53～13.56 t/hm2，三者大小排序一致为：荆条>胡枝子>三裂绣线菊，反映了荆条的持水潜力与真实拦蓄能力均为最强；在0.25 h枯落物持水量、持水速率大小排序一致为：荆条>胡枝子>三裂绣线菊，反映出荆条枯落物吸水量在同一时间高于其他灌木林分，枯落物持水量与浸水时间具有较好的对数关系，表达式为：Q=alnt+b(R2>0.97)，持水速率与浸水时间具有较好的幂函数关系，表达式为：V=Ktn(R2>0.99)。

(2) 3种灌木林分土壤有效持水量、土壤毛管持水量与饱和持水量最大的均为荆条灌木林，反映出土壤层水源涵养能力最强的为荆条灌木林分。

(3) 3种灌木林分初渗速率大小排序为：荆条>三裂绣线菊>胡枝子，稳渗速率大小排序为：荆条>三裂绣线菊>胡枝子；林分土壤入渗时间和入渗速率有较好的函数关系，表达式为：y=a·xb(R2>0.94)。