倭肯河上游两种林型枯落物和土壤持水特性

刘忠玲, 刘建明, 吕跃东

(黑龙江省林业科学研究所, 哈尔滨150081)

森林枯落物层表面积大，疏松多孔，具有明显的截持降雨、延缓降水沿坡地流失，促进降水下渗，调节地表径流、减少土壤流失及改善土壤理化性质功能，从而起到保持水土和水源涵养的作用，是森林生态系统调节水分分配的第二作用层。根系土壤层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，是第三作用层[1-4]。不同类型的森林植被会影响森林水文调节效果，浑河上游4种林分枯落物最大持水量排序为日本落叶松(Larixkaempferi)人工林>辽东栎(Quercusliaotungensis)天然次生林>核桃楸(Juglansmandshurica)阔叶混交林>冷杉(Abiesnephrolepis)针阔混交林，长白山4种林分枯落物最大持水量排序为白桦(Betulaplatyphylla)林>落叶阔叶林>杂木林>红松(Pinuskoraiensis)阔叶林，冀西北地区4种林分林地持水量白桦林>华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)林>云杉(Piceawilsonii)林>山杨(Populusdavidiana)林，阿什河源头核桃楸—红松林林分保水蓄水能力优于红松纯林及其他红松阔叶混交林[5-8]。杂木林是北方常见林型，处于不同的演替阶段，郁闭度各异，树种组成复杂，很难用借鉴他人的研究结果来评价本地林分持水能力，阔叶红松林也会由于林内阔叶树种的不同而具有不同的持水能力。

孟家岗林场施业区为松花江水系的倭肯河的一级支流源头汇水区，人工林约占森林总面积的2/3，次生林约占1/3[9]，人工林的木材生产已经实现了永续利用，次生林发挥着重要的涵养水源作用。这些次生林主要有两种类型，有多年来一直封山育林形成的杂木林，也有一些是采取栽针保阔经营措施形成的阔叶红松林，而这两种林型的枯落物和土壤持水特性尚不明确。本文以倭肯河源头的杂木林和阔叶红松林为研究对象，分析其枯落物和土壤水文特性，可为水源涵养林的结构调控提供参考。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省桦南县孟家岗林场(130°32′42″—130°52′36″E，46°20′16″—46°30′50″N)，属完达山西麓余脉，以低山丘陵为主，平均海拔250 m，坡度较为平缓，大部分坡度为10°～20°，土壤以暗棕壤为主。属东亚大陆性季风气候，年平均气温2.7℃，极端最高气温35.6℃，最低气温-34.7 ℃。年平均降水量550 mm，无霜期120 d左右，≥10℃的积温为2 547℃[9]。试验林位于阳坡的中下坡位置，按树种组成可以分为杂木林和阔叶红松林，杂木林为封山育林林分，阔叶红松林为栽针保阔后形成。

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年5月，在杂木林(记为MZ1)和阔叶红松林(记为MZ2)中各设置3块20 m×25 m标准地，调查样地立地因子，每木检尺，样地基本信息见表1。

表1 样地基本特征

2.2 林下枯落物采集与蓄积量测定

2016年5月下旬，在各标准地内沿一条对角线设置3个50 cm×50 cm的枯落物收集样方，利用砍刀、枝剪等工具将样方边界内外枯落物断开，记录枯落物层厚度，将每个样方内的枯落物分别按未分解层和半分解层装入密封袋中，即每个标准地收集6袋。将分层的枯落物带回实验室，未分解层分选为枝、叶2种类型，阔叶红松林未分解层叶分选为针叶、阔叶两种，分别称其自然状态质量，80℃烘箱中烘至恒重后称其烘干质量，以烘干质量推算枯落物蓄积量[6]。

2.3 枯落物持水的测定

将上述烘干后的样品装入网眼为0.5 mm的尼龙网袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡(各类型的浸泡样品均为每个样方内该类型的全部样品)。分别在浸泡前、浸泡0.5，1，2，4，6，8，10，24 h时取出，静置至不滴水时立即称质量，计算持水量、吸水速率、拦蓄量等指标[6]。

2.4 土壤持水的测定

采用剖面法，在各个样地四角及中心选择5个剖面，用环刀(100 cm3)在每个剖面上按照(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)分层采样，每层采样1个。用烘干法测定土壤含水量；用环刀法测定土壤容重、孔隙度[7]。

2.5 数据统计与分析

采用Excel软件，进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平为0.05，采用Excel制图。

3 结果与分析

3.1 枯落物层厚度和蓄积量

两林分枯落物层厚度和蓄积量差异不显著(p>0.05)，MZ1枯落物层厚度大于MZ2，蓄积量低于MZ2。MZ1未分解层厚度及蓄积量大于半分解层，MZ2相反。MZ2未分解层中针、阔叶蓄积量分别为2.17，1.44 t/hm2，比值为1.5∶1(表2)。

表2 枯落物层厚度及蓄积量

3.2 枯落物持水能力

3.2.1 枯落物持水过程 两林分的不同枯落物层持水量随浸水时间的延长均呈对数型增加趋势(图1，表3)，浸水0.5 h，持水量急速增加，持水量可达最大持水量的72%以上，浸水1～4 h，持水量增加变缓，随后持水量增加速度保持稳定，10 h持水量达到最大持水量的93%以上。在浸水过程中，枯落物层持水量MZ1低于MZ2，差异不显著(p>0.05)。MZ1未分解层和半分解层含水量相近，MZ2半分解层持水量高于未分解层持水量。

图1 枯落物持水量随浸泡时间的变化

表3 枯落物持水量及吸水速率特征曲线拟合

两林分的不同枯落物层吸水速率随浸水时间的变化均呈幂指数趋势(图2，表3)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直线下降，随后吸水速率下降变缓，直至枯落物吸水速率趋向一致，曲线趋于平直，枯落物吸水饱和(图2)。在浸水过程中，枯落物层吸水速率MZ1慢于MZ2。MZ1未分解层吸水速率在0.5 h内大于半分解层，0.5 h后小于半分解层吸水速率，而MZ2半分解层吸水速率在24 h内始终大于未分解层。

图2 枯落物吸水速率随浸泡时间的变化

3.2.2 枯落物自然持水量、最大持水量和有效拦蓄量 两林分的不同枯落物层自然含水量均为MZ2>MZ1，差异不显著(p>0.05)，半分解层自然含水量高于未分解层(表4)。

表4 枯落物自然含水量 t/hm2

两林分的枯落物层最大持水量，相当于可吸收2.0～2.5 mm的降水，MZ2>MZ1。MZ2未分解层最大持水量低于MZ1，半分解层最大持水量高于MZ1(表5)。MZ1未分解层最大持水量高于半分解层，MZ2未分解层最大持水量低于半分解层。未分解层从枯落物组成来看，均为叶的最大持水量大于枝条，表明枯落物未分解层持水量主要受叶片影响。两林分枯落物层最大持水率相当于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水(表5)。MZ1枯落物未分解层枝、半分解层、全部枯落物最大持水率低于MZ2同层最大持水率，未分解层叶最大持水率显著高于MZ2(p<0.05)。

表5 枯落物最大持水量和最大持水率

一般用最大持水率(量)估算枯落物层对降雨的拦蓄能力会偏高，而有效拦蓄率(量)则能反映枯落物层对降雨的实际拦蓄情况。两林分的枯落物有效拦蓄量差异不显著(p>0.05)，MZ2>MZ1，未分解层有效拦蓄量高于半分解层(表6)。两林分的枯落物的有效拦蓄率范围为114.86%～128.10%，MZ1有效拦蓄率高于MZ2，差异不显著(p>0.05)。

表6 枯落物拦蓄量和有效拦蓄率

对MZ2枯落物未分解层不同类型叶片浸水过程中的持水特性进行比较，阔叶自然水含水量高于针叶自然含水量，阔叶的最大持水率(量)和有效拦蓄率(量)显著高于针叶最大持水率(量)和有效拦蓄率(量)(表7)。说明阔叶红松林因其半分解层分解慢储量高(表2)而在最大持水量和有效拦蓄量指标方面高于杂木林(表5—6)。

表7 不同类型叶片枯落物持水特性

3.3 土壤水文效应

3.3.1 土壤物理性质 林地土壤容重和孔隙度是体现土壤物理性状的基本指标，反映了土壤的整体结构状况。在0—30 cm深的土层中，MZ1土壤容重平均值大于MZ2，差异不显著(p>0.05)。MZ1土壤总孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)。

表8 两种林分不同土壤层的物理性状及持水量

从空间垂直角度来看，随土层深度增加，2种林分土壤容重逐渐增加，总孔隙度逐渐降低(表8)。主要原因是随土壤加深，土壤有机质含量逐渐减少，土壤疏松度下降，这也对提高土壤水源涵养能力起着积极作用。土壤孔隙度的变化趋势与容重变化大体相反，杂木林毛管孔隙度逐渐降低，阔叶红松林中非毛管孔隙度逐渐降低；非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0—10 cm土层，说明表层土壤通透性较好。

3.3.2 土壤持水能力 MZ2的最大持水量和有效持水量均高于MZ1，差异不显著(表8，p>0.05)，随着土层加深，MZ1最大持水量逐渐减小，MZ2最大持水量和有效持水量均逐渐减小(表8)。最大持水量和有效持水量最大值都在0—10 cm土层，说明表层土壤蓄水能力较强。

3.4 枯落物和土壤的水文效应综合评价

森林持水能力主要受枯落物层和土壤层两层影响，可以说林地最大持水量相当于水源涵养能力的理论值，而有效持水量更能反映其实际持水能力[10]。MZ2的最大持水量总和、有效持水量总和均高于MZ1，表明阔叶红松林的持水量更高(表9)。2种林分土壤层最大持水量占林分最大持水量总和的百分比达到98%以上，土壤层有效持水量占林分有效持水量总和的90%以上，说明土壤层对森林涵养水源的作用是主要的。

表9 枯落物层和土壤层的持水总量 t/hm2

4 讨论与结论

4.1 讨 论

MZ1枯落物层厚度大于MZ2，蓄积量低于MZ2，主要是由于虽然MZ1未分解层厚度大于MZ2，但蓄积量低(表2)。林分树种组成不同导致枯落叶组成不同，MZ1林内主要是阔叶树种，叶片之间空隙大，MZ2是阔叶红松林，针叶分散在阔叶之间，因此可能导致MZ1林分虽然未分解层厚度大于MZ2，但是蓄积量低于MZ2。

MZ1未分解层厚度及蓄积量大于半分解层，MZ2未分解层蓄积量小于半分解层，主要是由于MZ2林内针叶分解速度慢[11]，半分解层枯落物累积多造成的，也表明MZ1未分解层对持水量影响较大，而MZ2半分解层对持水量影响较大。对持水量的分析也发现MZ1未分解层和半分解层含水量相近，MZ2半分解层持水量高于未分解层持水量(图1)。在浸水过程中，MZ1枯落物半分解层持水量低于MZ2(图1)，吸水速率慢于MZ2，而未分解层吸水速率相近(图2)，导致在浸水过程中MZ1枯落物层持水量低于MZ2枯落物层持水量(图1)，吸水速率慢于MZ2(图2)，最大持水量低于MZ2(表5)。受枯落物蓄积量影响，最大持水率变化规律与最大持水量不完全一致；受自然含水量影响，有效拦蓄率变化与最大持水率不一致(表5—6)。MZ1未分解层叶最大持水率显著高于MZ2未分解层叶最大持水率(表5)，主要是叶片组成不同，阔叶红松林未分解层内有大量针叶存在，针叶含有较高的油脂，其吸水速率、最大持水率和有效拦蓄率小于阔叶(表6)。有效拦蓄率考虑了自然含水率，有效拦蓄量考虑了自然含水率与储量，更能准确地反映枯落物层对降雨的实际拦蓄情况，MZ2有效拦蓄量高于MZ1。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系，吸水速率与与浸水时间呈幂函数关系(表3)。这两种函数模型与前人研究结果一致。

未分解层自然含水量低于半分解层(表4)，有效拦蓄量高于半分解层(表6)，表明在无雨时，林内枯落物水分主要贮存在半分解层，在降雨时，未分解层能发挥更大的截持降雨作用。持水量随浸水时间呈对数增长，吸水速率随浸水时间呈幂指数下降，说明林地枯落物对短时、高强度的降雨有较好的拦蓄功能[7]，林内降雨小于1.5 mm时，试验林分内将不会产生地表径流(图1)。

有研究表明，冀北地区杂木林枯落物蓄积量11.43 t/hm2[1]，老秃顶子国家级自然保护区杂木林枯落物蓄积量13.77 t/hm2[2]，吉林延边八家子林业局杂木林枯落物蓄积量4.67 t/hm2，红松阔叶林枯落物蓄积量4.62 t/hm2[6]，辽宁省清原甘井子林场的杂木林枯落物蓄积量15.58 t/hm2[11]，辽宁省试验林场以槭属、椴树属、榆属为主的林分枯落物蓄积量11.6 t/hm2[12]，辽西海棠山自然保护区杂木林枯落物蓄积量3.68 t/hm2[13]，阿什河流域天然杂木林林分枯落物蓄积量5.96 t/hm2[14]，针阔混交林枯落物蓄积量22.48 t/hm2[15]，这些林分的枯落物最大持水量范围为10.9～75.19 t/hm2。本试验林分枯落物蓄积量为8.07～9.85 t/hm2，最大持水量20.3～25.3 t/hm2，与其他地区杂木林和阔叶红松林相比较，枯落物层持水能力水平中等偏下。

一定土壤厚度条件下土壤的贮水能力取决于暂时蓄存在非毛管孔隙中的自由重力水[13]。MZ1土壤容重平均值大于MZ2，土壤总孔隙度、非毛管孔隙度平均值小于MZ2，毛管孔隙度均值大于MZ2(表8)，说明MZ2土壤非毛管孔隙度大，土壤通透性好，降水下渗较快，从而减少地表径流，起到更好地涵养水源作用。土壤有效持水量取决于非毛管孔隙度，所以MZ2有效持水量也高于MZ1。

冀北地区阔叶杂木林0—40 cm非毛管孔隙度8.62%，有效持水量323 t/hm2[1]，辽西海棠山自然保护区杂木林0—40 cm土壤非毛管孔隙度1.40%，有效持水量为55.8 t/hm2[13]，阿什河上游阔叶红松林土壤0—40 cm非毛管孔隙度9.57%，有效持水量392.80 t/hm2[15]，长白山阔叶红松林土壤0—30 cm非毛管孔隙度14.21%，有效持水量426.46 t/hm2[16]，本试验林分土壤非毛管孔隙度3.00～4.44%，有效持水量89.96～133.32 t/hm2，与其他地区杂木林和阔叶红松林相比较，土壤持水能力水平中等。

4.2 结 论

试验两种林型枯落物厚度约7.5 cm，总蓄积量为8.07～9.85 t/hm2，最大持水量相当于可吸收2.0～2.5 mm的降水，最大持水率相当于可吸收自身重量2.5～2.6倍的降水，有效拦蓄量相当于1.0～1.1 mm的降水。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系(R2>0.9843)，吸水速率与浸水时间呈幂函数关系(R2>0.9999)。土壤容重变化范围为1.13～1.21 g/cm3，随着土层深度增加，容重增加。土壤最大持水量范围为1 509.74～1 542.17 t/hm2，土壤有效持水量范围为89.96 ～133.32 t/hm2。土壤层有效持水量占林分总持水量的90%以上。

本试验区域的两种林型，阔叶红松林密度低，长势好，郁闭度高。阔叶红松林枯落物层蓄积、最大持水量和有效拦蓄量，土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、有效持水量均高于杂木林。以森林水源涵养为功能导向时，两种林型无显著差异，可不进行结构调整，进一步开展林分密度调整对枯落物和土壤持水影响的研究。

致谢：研究中得到了孟家岗林场的大力支持，在此表示感谢。