青海大通县典型林分的枯落物和土壤蓄水能力评价

张 静，贾洪文，李远航，左亚凡，林 莎，王帅军，王作枭，贺康宁†

(1.北京林业大学水土保持学院 水土保持国家林业局重点实验室 北京市水土保持工程技术研究中心 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.青海省水利水电勘测设计研究院，810100，西宁；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，310000，杭州)

水资源问题严重影响着高寒丘陵地区的生态环境及社会经济的发展[1-3]。森林生态系统具有涵养水源、保持水土及固氮释养等生态服务功能[4-5]，其中水源涵养功能具有调节径流、补充地下水及净化水质等作用[6]，能够有效缓解高寒丘陵地区地表侵蚀、水资源短缺、水质下降等问题。枯落物与土壤的蓄水能力是森林发挥水源涵养作用的主体，不同林分类型其群落结构及物种多样性等均存在差异，进而导致林地蓄水能力存在较大差别[7-8]。深入了解并评价各林分类型的林地蓄水能力，对于人工林合理经营，提高森林生态系统的水源涵养功能具有重要意义[9]。

自20世纪80年代以来，青海省大通县实施天然林保护工程和退耕还林工程，虽然现有森林面积稳定增长，但是由于营造的人工林结构单一，导致小老树，病虫害等问题。近年来，由于初始用材林的造林方式未经调整，导致森林的水源涵养功能不佳。刘凯等[10]研究该地区不同林分密度下白桦林内枯落物的水文效应，得出密度为900株/hm2时水文效应最佳；黄乾等[11]研究该地区不同林分密度下青海云杉林的水源涵养功能，得出密度为1 575株/hm2时水源涵养能力较好；王先棒等[12]运用层次分析法研究该地区5种纯林的水源涵养功能，得出青海云杉林的水源涵养能力较好。前人的研究主要集中在同种林分在不同密度下以及纯林之间水源涵养能力的比较，对纯林和混交林之间水源涵养能力的研究尚不明确，以及着重分析林内枯落物层和土壤层蓄水能力的研究相对缺乏。因此，笔者选取大通县6种典型林分类型，采用主成分分析法客观筛选主要影响指标，结合模糊物元法进行客观赋权，综合评价各林分类型在枯落物层和土壤层的蓄水能力，这相对于综合蓄水能力法、层次分析法等更加客观[13-14]，且更加深入地研究枯落物层和土壤层的影响。笔者对大通县6种典型林分从枯落物层和土壤层2个主要作用层进行蓄水能力的综合评价，旨在筛选出最优林分类型，并探讨造成水源涵养功能差异的机制，为祁连山东部地区人工林的近自然经营提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于青海省大通县塔尔沟小流域(E 100°40′～101°42′，N 37°1′～37°2′)。塔尔沟小流域是祁连山地区实施退耕还林工程的典型代表区域[15]，属大陆性高原气候，海拔为2 500～3 000 m，年均气温3.7 ℃，最高温36.6 ℃，最低温-33.8 ℃，无霜期为60～120 d，年降水量为450～820 mm。土壤主要是黑钙土、栗钙土及山地棕褐土。主要造林树种为青海云杉(Piceacrassifolia)、青杨(Populuscathayana)、白桦(Betulaplatyphylla)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)、柠条(Caraganaintermedia)、山杏(Armeniacavulgaris)等。

2 材料与方法

2.1 样地选择

于2019年5—8月，在大通县塔尔沟进行采样调查。由于中位浅山阴缓坡具有较全的林分类型，笔者选取立地条件为中位浅山阴缓坡[16]的典型林分进行研究，分别是青杨林、白桦林、青海云杉林、落叶松林、青海云杉白桦混交林、青海云杉华北落叶松混交林。每种林分类型设置3块20 m×20 m的标准样地，共布设18块样地。各样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本信息Tab.1 Basic information of site

2.2 样地调查

2.2.1 枯落物层调查 在每个样地内按五点取样法布设5个25 cm×25 cm的小样方，用钢尺测量枯落物厚度，并将样方内的枯枝落叶进行称量，然后将所取样品烘干称其干质量，计算枯落物的自然含水率和蓄积量。采用浸泡法测定枯落物的持水量(率)及有效拦蓄量。

(1)

(2)

W=(0.85Rm-R0)M。

(3)

式中：R0为枯落物自然含水率，%；M0为枯落物鲜质量，g；M1为枯落物烘干质量，g；M2为枯落物浸泡24 h的质量，g；Rm为枯落物最大持水率，%；W为枯落物有效拦蓄量，t/hm2；M为枯落物蓄积量，t/hm2。

2.2.2 土壤层调查 在每个样地内按对角线选取3个采样点，由于林地内的土壤物理特性在60 cm以下差异不大[17]，故本次研究按0～20、20～40和40～60 cm分层取样，每层用TWS-55型渗透仪配套环刀和普通环刀各取3个重复并编号，采用烘干法和浸泡法计算其土壤密度、孔隙度和田间持水量。

采用定水头法测饱和导水率，将所取配套环刀放入TWS-55型渗透仪中，然后用塑料管连接马里奥特瓶与渗透仪，首先进行排水将渗透仪中的气泡排出；然后用钢尺测量马里奥特瓶水位高H1、环刀水位高H2，计算出水头差H；最后进行排水计时，每排出10 mL水计时1次，直至出水速率保持不变。

(4)

式中：K为土壤饱和导水率，mm/min；Q=10 mL；L为环刀高，cm；S为环刀的横截面积，cm2；t为排出10 mL水所需要的的时间，s；H为水头差，cm。

2.3 林地蓄水能力评价

2.3.1 林地蓄水能力评价指标体系构建 建立科学合理的评价指标体系是评价林地蓄水能力的前提和依据[18]。笔者首先选取24个评价指标，枯落物层：厚度(mm)、蓄积量(t/hm2)、自然含水率(%)、最大持水量(t/hm2)、最大持水率(%)及有效拦蓄量(t/hm2)；土壤层：分别为0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤密度(g/cm3)、总孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、饱和导水率(mm/min)、田间持水量(%)。

2.3.2 评价指标数据标准化 由于选取指标较多，笔者采用主成分分析法筛选主要影响指标。在主成分分析之前，为消除因量纲及数量级不同而造成的影响，需要对原始指标数据进行标准化处理[19]。本研究采用极值法进行标准化处理，公式如下：

(5)

(6)

式中：Xij为第i个林型第j个评价指标准化值；Sij为第i个林型第j个评价指标的实测值；Sminij、Smaxij为评价指标中的最小值和最大值。

2.3.3 林地蓄水能力评价模型 笔者采用模糊物元法求指标权重值，运用加权评分法计算林地蓄水能力综合评分，公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.4 数据处理

采用Excel 2016进行基础数据处理及相关性分析，SPSS 20.0进行主成分分析及显著性分析，采用Origin 2018绘图。

3 结果与分析

3.1 枯落物层持水性能

由表2可知，各林分的枯落物蓄积量之间均存在显著性差异(P<0.05)，云杉落叶松混交林和落叶松林的厚度之间无显著性差异(P>0.05)，且明显高于其他4种林分，具体表现为针叶林>阔叶林。各林分的枯落物厚度变化范围为2.89～4.43 mm，其中云杉落叶松混交林的厚度最大为(4.43±0.17)mm；各林分的枯落物蓄积量变化范围为19.30～38.14 t/hm2，云杉林的枯落物蓄积量最大为(38.14±2.11)t/hm2，青杨林最小为(19.30±1.74)t/hm2，云杉林是青杨林的1.97倍。

表2 各林分类型枯落物层指标信息Tab.2 Litter layer index information of each stand type

可见，各林分类型的枯落物持水能力指标之间具有显著差异(P<0.05)。各林分的枯落物最大持水量变化范围为58.91～107.84 t/hm2，云杉落叶松混交林的最大持水量最大为(107.84±0.96)t/hm2，最大值是最小值的1.83倍；各林分的枯落物最大持水率变化范围为227.12%～337.21%，云杉白桦混交林的最大持水率最大为(337.21±10.16)%，云杉林最小为(227.12±14.52)%，相差110.09%；各林分的枯落物有效拦蓄量变化范围为31.74～60.14 t/hm2，依次为云杉白桦混交林>白桦林>云杉落叶松混交林>云杉林>落叶松林>青杨林。

3.2 土壤层持水性能

由表3可知，土壤密度随土壤深度增加而增加，各林分之间土壤密度的差异性随土壤深度增加而减小。0～20 cm土壤密度变化范围为0.93～1.15 g/cm3，整体表现为针阔混交林<阔叶林<针叶林，其中云杉白桦混交林与白桦林的土壤密度最小，与其他林分之间具有显著性差异(P<0.05)。总孔隙度和毛管孔隙度均随土壤深度增加而减小，非毛管孔隙度无规律性变化。0～20 cm云杉白桦混交林的总孔隙度最大为(60.03±2.77)%，落叶松林最小为(54.88±1.13)%；0～20 cm毛管孔隙度变化范围为50.59%～55.89%；0～20 cm非毛管孔隙度变化范围为3.96%～5.47%，云杉林的非毛管孔隙度最大，白桦林最小。

表3 各林分类型土壤物理性质Tab.3 Soil physical properties of each stand type

Q青杨、B白桦、Y云杉、L落叶松，下同。Q:Populus cathayana.B:Betula platyphylla.Y:Picea crassifolia.L:Larix principis-rupprechtii.The same below.图1 各林分类型不同土层田间持水量Fig.1 Field water-holding capacity of different soil layers in each stand type

由图1可知，各林分内的田间持水量随土壤深度增加而减小。在0～20 cm土层深度内，田间持水量变化范围为40.58%～63.15%，云杉白桦混交林的田间持水量最大为(63.15±1.63)%，落叶松林最小为(40.58±2.06)%，云杉白桦混交林与其他林分之间具有显著差异(P<0.05)，但随着土层深度增加，各林分田间持水量之间的差异性逐渐减小。

由图2可见，各林分土壤饱和导水率的大小及林分之间的差异性均随土壤深度增加而减小。0～20 cm饱和导水率在2.33～3.41 mm/min之间，云杉白桦混交林的饱和导水率最大为(3.41±0.23)mm/min；青杨林的饱和导水率最小为(2.33±0.22)mm/min。

图2 各林分类型不同土层饱和导水率Fig.2 Saturated hydraulic conductivity of different soil layers in each stand type

3.3 林地蓄水能力综合评价

3.3.1 主成分分析结果 由于初选指标较多，采用主成分分析法筛选主要影响指标。结果表明，前3个主成分的累计贡献率已达到94.62%，大于85%，故选取前3个主成分进行分析。第一主成分以a：枯落物最大持水率(%)、b：0～20 cm土壤密度(g/cm3)、c：20～40 cm土壤密度(g/cm3)、d：0～20 cm总孔隙度(%)、e：20～40 cm总孔隙度(%)、f：40～60 cm总孔隙度(%)、g：0～20 cm毛管孔隙度(%)、h：20～40 cm毛管孔隙度(%)、i：40～60 cm毛管孔隙度(%)、j：0～20 cm饱和导水率(mm/min)、k：20～40 cm田间持水量(%)、l：40～60 cm田间持水量(%)为主，第二主成分以m：枯落物蓄积量(t/hm2)、n：枯落物最大持水量(t/hm2)为主，第三主成分以o：20～40 cm非毛管孔隙度(%)为主。

3.3.2 指标权重的确定 将筛选出的15个指标构成评价指标体系，然后运用模糊物元法计算各个评价指标的权重值(表4)，可以看出，枯落物层权重值约占34%，土壤层占66%，这表明土壤层是评价整个林分林地蓄水能力的主要影响因子。

3.3.3 各林分林地蓄水能力综合评价 运用公式9综合评价出各个林分的林地蓄水能力(表4)，综合评分值越大，表明该林分的林地蓄水能力越强。各林分林地蓄水能力综合得分依次为云杉白桦混交林(0.89)>白桦林(0.69)>云杉林(0.46)>云杉落叶松混交林(0.44)>落叶松林(0.23)>青杨林(0.22)。由此可知，云杉白桦混交林的林地蓄水能力最好，落叶松林出与青杨林蓄水能力较差。

表4 各指标权重值及各林分类型综合评分值Tab.4 Weight value of each index and the comprehensive score value of each stand type

4 讨论

1)枯落物层在林地蓄水能力中发挥着重要的作用，林分类型不同，林内枯落物厚度、组成成分、分解程度及持水性能均有所差异[20]。笔者研究结果表明针叶林的枯落物厚度和蓄积量均最大，与徐娟等[21]研究结果一致，这是因为针叶林的枯落物富含油脂不易分解，阔叶林的枯落物分解较快。李阳等[22]研究发现，枯落物分解程度越高，持水能力越强，阔叶林最大持水量大于针叶林，与本研究结果不一致，这是因为枯落物最大持水量不仅与枯落物分解程度有关，还与枯落物蓄积量相关(R2=0.84，P<0.05)，枯落物的蓄积量越高，储存的雨滴更多。孟好军等[23]研究发现，枯落物的最大持水量与最大持水率规律相差较大，与笔者研究结果一致，这说明影响最大持水率的因素有很多，比如枯落物本身生物量、枯落物组成和分解程度等。枯落物的最大持水量只能反映枯落物持水能力的大小，并不能反映枯落物对降雨的真实拦蓄能力[24]，因此笔者将有效拦蓄量作为评价枯落物实际拦蓄能力的指标。枯落物层有效拦蓄量由大到小为云杉白桦混交林、白桦林、云杉落叶松混交林、云杉林、落叶松林、青杨林，同为阔叶树种的青杨林有效拦蓄量最小，可能因为35年生青杨处于衰退阶段，枯枝较多，生长状况整体较差。

2)土壤层作为森林涵养水源的主体[22]，直接影响到森林植被的生长发育。笔者发现，土壤密度随土壤深度增加而增加，总孔隙度、毛管孔隙度、饱和导水率与此相反，非毛管孔隙度无明显规律。这是因为随土壤深度增加，土壤有机质含量逐渐减少，降低团聚体的形成，从而影响土壤的物理性质[25]。土壤密度和孔隙度是反映土壤物理性质的重要指标，其中土壤密度是影响土壤蓄水能力的主要限制因子，总孔隙度是主要决定因子[26]。笔者发现除青杨林外，土壤物理性质整体表现为针阔混交林<阔叶林<针叶林，与王利等[27]研究结果一致。这是因为针叶林内枯落物不易分解，导致土壤酸化、土壤硬度增大等现象；而针阔混交林内物种多样性丰富，土壤微生物活动频繁，枯落物分解程度更高；笔者发现青杨林土壤密度性质较大，可能是因为青杨林已处于衰退阶段，树木根系过于庞大导致土壤紧实，土壤密度增大。田间持水量反映土壤实际的持水能力[28]，云杉白桦混交林的田间持水量最大，为63.15%，落叶松林最小，为40.58%。土壤饱和导水率反映土壤的渗透性能，饱和导水率越大，土壤渗透性越好，所产生的地表径流越少[25]，林地蓄水能力越强。对于不同林分类型来说，林内枯落物生物量、分解程度、土壤有机质含量均不同，进而导致土壤饱和导水率存在较大差别[23]。

3)笔者得出云杉白桦混交林的林地蓄水能力最优，这是因为针阔混交林内群落结构发育完整，枯落物丰富，微生物活性较强，促进枯枝落叶的分解，增加土壤有机质含量，有效改善土壤物理性质。落叶松林与青杨林综合评分相差不大，青杨林相对较差，据实地调查及研究发现，35年生青杨已处于衰退阶段，与其他树种相比树冠较大，在同一林分密度下对青杨而言密度过大。虽然本研究较为全面地、客观地评价各个林型的林地蓄水能力，但是忽略季节变化的影响，在今后的研究中可进一步探讨对季节变化林地蓄水能力的影响。

5 结论

土壤层的权重值高于枯落物层，土壤层是影响林地蓄水能力的主要因子；塔尔沟小流域6种典型林分类型中云杉白桦混交林的综合评分值最高为0.89；青杨林综合评分最低为0.22。各林分类型0～60 cm土层蓄水能力由强到弱依次为云杉白桦混交林、白桦林、云杉林、云杉落叶松混交林、落叶松林、青杨林。综上所述，云杉白桦混交林水源涵养能力最优，可作为祁连山东部地区人工林近自然经营的目标林分。