内蒙古林科院树木园华北落叶松人工林枯落物和土壤层的水文效应

王云霓，赵 燕，张海东，张 南，刘 佳

(内蒙古自治区林业科学研究院, 内蒙古 呼和浩特 010010)

森林具有涵养水源、吸收二氧化碳、调节气候、改善大气质量、降低暴雨洪峰流量和总量等多种水文作用[1-2]。其中，枯落物层和土壤层是林地水文功能的主要组成部分[3-5]。枯落物层具有截持降水、延缓径流、减少土壤蒸发等重要的水文功能，枯落物水文功能主要受枯落物的数量、分解状态、持水特性等影响。张卫强等[6]研究认为刺槐(Robiniapseudoacacia)林土壤蒸发与枯落物层厚度呈负相关；赵阳等[7]对华北土石山区4种不同林分的枯落物层和土壤层的水文效应研究表明：枯落物蓄积量、有效拦截量及土壤入渗速率、持水能力与林分类型有关；齐记等[8]认为栓皮栎(Quercusvariabilis)林、油松(Pinustabuliformis)林、侧柏(Platycladusorientalis)林和刺槐林的枯落物储量和有效拦截量具有显著差异。此外，林地土壤具有涵养水源、减缓径流等水文功能，土壤层的水文效应主要与林地类型、土壤的物理性质有关[9-10]。赵阳等[7]、李卓[11]、陈瑶等[12]的研究均认为：土壤入渗速率与非毛管孔隙度显著相关；孙艳红等[13]在重庆缙云山、姜海燕等[14]在大兴安岭岭南、邓继峰等[5]在宁夏盐池、张雷燕等[15]在宁夏六盘山南侧的研究均发现：不同林分土壤水文效应存在差异。可见，随着树种不同及立地变化，森林植被枯落物层和土壤层的水文效应存在一定差异。

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)具有生长迅速、适应性强、干形优美等优点，是我国三北地区主要造林树种。目前，针对华北落叶松的研究主要集中在丘陵或山地环境，在城市环境下的研究相对较少，而研究半干旱地区城市环境下华北落叶松水文效应对于发挥城市林地的生态效益及合理调配、利用水资源具有重要意义。内蒙古林科院树木园中的华北落叶松，于1964年从山西引入，生长良好，是当地城市环境下森林的水文效应、景观效应、调节微气候等生态效益的重要组成部分。本研究选择内蒙古林科院树木园的华北落叶松人工林为研究对象，确定华北落叶松林枯落物现存量、持水特征、有效拦蓄量及林地土壤物理性质、贮水特征，以期了解华北落叶松林地枯落物层和土壤层的水文效应。

1 研究区概况

内蒙古林科院树木园(40°49′N，111°41′E)位于内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区，占地 21.7 hm2，海拔1 056 m。研究区属于典型的蒙古高原大陆性气候，四季分明，春秋干燥风大，夏季雨热同期，冬季漫长寒冷。近57 a气象数据显示(图1)，平均气温 6.82 ℃；7月温度最高，多年平均气温 22.58 ℃；年均降水量 402.60 mm，年降水量变化范围 155.10～685.90 mm，降水主要集中在7—8月；平均大气相对湿度 52.38%，平均风速 1.89 m·s-1，蒸发量 1 802.32 mm。无霜期135 d左右。土壤类型为沙质栗钙土。

图1 研究区1960—2016年的年均气温和年降水量Fig.1 Annual mean temperature and precipitation from 1960 to 2016 in research area

内蒙古林科院树木园始建于1954年，是内蒙古自治区最早建立的植物园。截至目前，各类乔灌木树种达500种以上。其中，针叶树引种62种，比较丰富的属类有云杉属、松属、落叶松属；阔叶树引种440种以上，比较丰富的属类有丁香属、锦鸡儿属、柽柳属、忍冬属、白蜡属等。丰富的植物资源为当地的防风固沙、水源涵养、水土保持、城市绿化等林业生产及园林绿化中的树种选择提供了科学依据。

2 研究方法

2.1 样地设置

华北落叶松人工林分布在树木园的东侧，胸径为 17.10 cm，树高 14.70 m，冠幅 2.78 m，样地基本信息见表1。林下灌木或小乔木主要有：细叶小檗(Berberispoiretii)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、东北小叶茶藨子(Ribespulchellum)、峨嵋蔷薇(Rosaomeiensis)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、蒙桑(Morusmongolica)、文冠果(Xanthocerassorbifolia)、家榆(Ulmuspumila)等。草本层发育一般，盖度小于 15%，主要有苔草(Carexspp.)、麦瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黄花铁线莲(Clematisintricata)、无芒雀麦(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花针茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飞廉(Carduusnutans)、巴天酸模(Rumexpatientia)、狗尾草(Setariaviridis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、车前草(Plantugoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)等。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation of sample plots

2.2 枯落物现存量及持水量

在样地内，沿对角线中心及四角设置5个30 cm × 30 cm的枯落物样方，钢尺测量枯落物层总厚度、未分解及半分解层的厚度，并分层取样称重；将样品分别装入网袋，浸入水中24 h后取出，静置5 min后称重，计算枯落物吸水速率、贮水量；结束后，将所有网袋放回野外进行自然风干，将所有样品85 ℃、10 h烘干称重，计算枯落物贮量。

2.3 枯落物有效拦蓄量的测定

基于有效拦蓄量(W，t·hm-2)、最大持水率(Rm，%)、平均自然含水率(Ro，%)、枯落物蓄积量(M，t·hm-2)计算枯落物的有效拦蓄量，具体公式为：

W=(0.85×Rm-Ro)×M

(1)

2.4 土壤水文物理性质测定

在样地选择3个取样点，挖掘土壤剖面，机械划分土层后，用200 cm3环刀在土深5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、95 cm 处取土。根据《森林生态系统定位研究方法》[16]，测定土壤物理性质。

2.5 土壤贮水能力的测定

土壤贮水能力包括最大和有效贮水能力，最大贮水能力更多地指示土壤的潜在最大持水能力，有效贮水能力更多地指示土壤的渗透能力，2个指标常用于评价土壤涵养水源及水文调节功能[17-19]。

土壤贮水能力计算公式为[3]：

S=104×hi×pi

(2)

式中：S为土壤的贮水能力(t·hm-2)；hi为土壤的厚度(m)；pi为土壤的非毛管孔隙度或总孔隙度(%)。

3 结果与分析

3.1 枯落物厚度和现存量

由表2可知，华北落叶松人工林枯落物层平均厚度为 2.94 cm，其中未分解层 1.26 cm，半分解层 1.67 cm；不同样方枯落物厚度的变化范围为 2.27～3.36 cm，未分解层厚度为 0.97～1.48 cm，半分解层厚度为 1.30～1.88 cm。各样方华北落叶松人工林枯落物现存量为 9.80～17.33 t·hm-2，平均为 14.16 t·hm-2。其中，未分解层枯落物现存量比例仅占枯落物总现存量的 21.26%～28.67%，未分解层枯落物现存量变化为 2.81～4.87 t·hm-2，半分解层枯落物现存量为 6.99～12.46 t·hm-2。

表2 林分枯落物现存量Tab.2 The litter stock of forest stand

3.2 枯落物持水能力

本研究利用枯落物最大持水量和最大持水率指示华北落叶松人工林枯落物的持水能力。由表3可知，华北落叶松人工林的枯落物层平均最大持水率为 196.97%，未分解层和半分解层枯落物的最大持水率分别为 232.26%～243.19% 和 148.26%～162.50%，平均分别为 237.21% 和 156.74%。

表3 枯落物的持水特征Tab.3 Water-holding characteristics of litter

华北落叶松人工林枯落物层平均最大持水量为25.10 t·hm-2，其中未分解层 8.79 t·hm-2，半分解层 16.30 t·hm-2。不同样方枯落物最大持水量的变化范围为 17.89～30.24 t·hm-2，未分解层最大持水量为 6.53～11.77 t·hm-2，半分解层最大持水量为 11.36～19.03 t·hm-2。各样方华北落叶松人工林的枯落物最大持水深为 1.79～3.02 mm，平均为 2.51 mm；其中，未分解层枯落物最大持水深为 0.65～1.18 mm，半分解层枯落物最大持水深为 1.14～1.90 mm。

3.3 枯落物层的有效拦蓄量

枯落物层的最大持水量只反映其潜在持水能力[15]，有效拦蓄量更能指示枯落物对降雨的拦蓄能力[20]。如表4所示，华北落叶松人工林枯落物层平均自然含水率和平均最大持水率分别为 51.09% 和 196.97%，变化范围为 46.99%～57.15% 和 193.61%～200.17%。华北落叶松人工林枯落物层平均最大拦截量为 20.61 t·hm-2，平均有效拦蓄量为 16.43 t·hm-2；不同样方枯落物最大拦截量变化范围为 14.54～24.88 t·hm-2，有效拦蓄量的变化范围为 11.64～19.81 t·hm-2。各样方华北落叶松人工林的枯落物有效拦蓄深为 1.16～1.98 mm，平均为 1.64 mm。

表4 枯落物的有效拦截量Tab.4 The effective interception amount of litter

3.4 土壤层的水文功能

由表5可知，华北落叶松人工林不同土层的土壤容重变化为 0.84～1.13 g·cm-3，饱和持水率和毛管持水率变化范围分别为 49.23%～77.60% 和 37.42%～60.68%，不同土层的平均总孔隙度、平均毛管孔隙度和平均非毛管孔隙度分别为 57.25%、43.84% 和 13.41%；随着土层深度的增加，饱和持水率、毛管持水率、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度总体呈减小趋势，但土壤容重呈增大的趋势。

表5 土壤物理性质及持水特征Tab.5 Soil physical properties and the water-holding characteristics

从华北落叶松林地的土壤贮水特征来看，有效贮水深和最大贮水深的变化范围为 9.09～19.24 mm和 53.70～64.66 mm，不同土层的平均有效贮水深和平均最大贮水深为 13.41 mm和 57.25 mm，0～100 cm土壤有效贮水深和最大贮水深分别达到 134.09 mm和 572.50 mm；随着土层的增深，有效贮水深和最大贮水深总体呈减小趋势。

4 结论

华北落叶松人工林枯落物层和土壤层均具有重要的水文作用，土壤层水文作用显著大于枯落物层。枯落物未分解层和半分解层的平均最大持水深分别为 0.88 mm和 1.63 mm，枯落物层的平均有效拦蓄深为 1.64 mm。0～100 cm土层的平均土壤容重、饱和持水率、毛管持水率、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分别为 1.02 g·cm-3、57.57%、43.77%、57.25%、43.84% 和 13.41%；不同土层深度的土壤有效贮水深和最大贮水深的变化范围为 9.09～19.24 mm和 53.70～64.66 mm，0～100 cm土壤有效贮水深和最大贮水深分别达到 134.09 mm和 572.50 mm。由上可知，土壤层的水文效应远高于枯落物层的水文效应，是林地水源涵养的主体。