中条山不同森林类型土壤和枯落物的水文性能分析

张甜 李龙龙

摘 要：為探究中条山林区森林水文生态功能情况，以位于中条山腹地的运城市凤凰谷森林公园为研究对象，选取该区域4种不同森林类型（朴-榉阔叶混交林、山里红阔叶林、栾树阔叶林、油松-朴树针阔混交林），分别对其枯落物层和土壤层水文性能进行测定和差异性分析。结果表明，4种林型枯落物层总蓄积量范围为10.75～15.84 t/hm2，由大到小依次为：油松-朴树针阔混交林 、栾树阔叶林 、 朴-榉阔叶混交林、 山里红阔叶林;枯落物累积最大持水量变动范围为40.39～49.92 t/hm2，朴-榉阔叶混交林枯落物层的持水性能优于针阔混交林和纯林;不同林型的土壤容重范围为0.55～0.88 g/cm3，非毛管孔隙度范围为3.07%～15.56%，以油松-朴树针阔混交林的土壤容重最小，土壤非毛管孔隙度最大，表明其土壤渗透性能较好;朴-榉阔叶混交林的土壤毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、最大持水量均为最大，表现出良好的水源涵养性能。综合分析得出，朴-榉阔叶混交林的水文性能最佳，其中枯落物层分解作用是影响林区水源涵养功能发挥的重要因素。

关键词：中条山;森林类型;水源涵养;枯落物;土壤

中图分类号：S715.7    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2022）03-0032-08

Hydrological Characteristics of Soil and Litter of Different Forest

Types in Zhongtiao Mountain

ZHANG Tian， LI Longlong

（Life Sciences Department， Yuncheng University， Yuncheng 044000， China）

Abstract：In order to explore the forest hydrological ecological function of Zhongtiao Mountain， the Phoenix Valley Forest Park in Yuncheng city is taken as the research object， which is located in the hinterland of Zhongtiao Mountain. In this paper， four kinds of forest types were selected in this area， including Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest， Crataegus pinnatifida forest， Koelreuteria paniculata forest， Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broad-leaved mixed forest. The hydrological properties of litter layer and soil layer were measured and their differences were analyzed. The results showed that the total litter accumulation of the four forest types ranged from 10.75 to 15.84 t/hm2， and the order from large to small was Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broad-leaved mixed forest， Koelreuteria paniculata forest， Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest， Crataegus pinnatifida forest. The range of maximum water holding capacity of litter accumulation was 40.39 to 49.92 t/hm2， and the water holding capacity of litter layer in Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest was better than that in coniferous and broad-leaved mixed forest and pure forest. The soil bulk density ranged from 0.55 to 0.88 g/cm3 of different forest types， and the non-capillary porosity ranged from 3.07% to 15.56%， the soil bulk density was the lowest and soil non-capillary porosity was the highest in Pinus tabuliformis and Celtis sinensi coniferous and broadleaved mixed forest， indicating that the soil permeability was good. The soil capillary porosity， total porosity， capillary water holding capacity and maximum water holding capacity of Celtis sinensis and Zelkova serrata broadleaved mixed forest were the largest， which showed good water conservation performance. The comprehensive analysis showed that the hydrological performance of the Celtis sinensis and Zelkova serrata broad-leaved mixed forest was the best， and the decomposition of the litter layer was an important factor affecting the water conservation function of the forest area.A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

Keywords：Zhongtiao Mountain; forest type; water conservation; litter; soil

0 引言

森林生态系统参与到陆地和海洋水分的再分配和调控，对水循环起着重要的作用，包括林冠层和枯落物层对降水截留与缓冲、土壤层的蓄水持水等过程[1-3]。枯落物层在森林生态系统水循环方面有重要作用，具有截持降水、减缓或阻缓地表径流，同时也对土壤结构和水肥状况产生间接影响[4]。森林土壤也发挥着重要的水文效应，其蓄水持水功能与其结构状况和孔隙度组成比例有紧密联系[5-7]。

目前，许多学者已就不同地区内不同森林类型的生态水文性能开展了研究。例如，时忠杰等[8]对六盘山典型森林生态水文功能进行分析，结果表明红桦枯落物层最大持水量最高，杂灌丛土壤层最大持水量最高。剪文灏等[9]对冀北山地的3种典型混交林进行枯落物水文效应分析，发现枯落物持水量和有效拦蓄量由大到小顺序均为：松栎混交林、 杨桦混交林、 落桦混交林。张复兴[10]研究了五台山不同森林类型枯落物和土壤的涵养水源效益，并且与荒草地土壤进行对比，结果表明各森林类型的水源涵养效益均远超荒草地，白桦落叶松针阔混交林效益最高，灌木林最差。聂泽旭等[11]对华蓥市典型林分水源涵养功能进行研究，综合分析发现杉木纯林的水文功能优于混交林。针对不同地区森林水文性能的研究为相应地区的森林健康经营提供了理论依据。

中条山林区位于山西省南部，居于太行山和华山之间，呈东北—西南走向，气候类型为温带向亚热带的过渡，因此是山西树种资源最丰富的地区。在森林类型中，针叶树种以油松、华山松、白皮松和侧柏为主，阔叶树种以栓皮栎、橿子栎和辽东栎等居多。目前对中条山森林的研究主要集中在人工林林分质量、树种资源多样性和土壤养分等问题上[12-15]，而针对这一地区水文性能的研究鲜有报道。因此，本研究以中条山凤凰谷森林公园为研究区域，对其进行枯落物和土壤2个作用层的水文性能研究，以期为中条山林区森林经营提供参考依据，充分发挥其水源涵养和水土保持功能。

1 研究区域概况

研究区域位于中条山中段的运城市凤凰谷森林公园（111°02′～111°08′E， 34°94′～34°97′N），属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，年均气温为13.3 ℃，平均无霜期165 d左右，年降水量达500～580 mm（多集中在7—9月）。根据地形、植被、土壤和林地分布等，选取研究区域内具有典型代表性的4种森林类型：朴-榉阔叶混交林、山里红阔叶林、栾树阔叶林、油松-朴树针阔混交林，分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。各类型的样地概况见表1。

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

试验于2021年7月进行，每种森林类型分别设置3块10 m × 10 m样方，共计样地12块。所设置样地海拔在800～1 000 m，均在阴坡，在样地内以“Z”形设置5个枯落物和土壤取样点，收集各样点内30 cm × 30 cm的枯枝落叶，分开收集未分解、半分解枯落物，之后在各样点处使用环刀采集0～10 cm土壤样本，环刀刀刃垂直向下采集土壤，保持原状土，将采集的120个枯落物样本和60个土壤样本带回实验室，分别进行土壤层和枯落物层水文性能分析。最终试验所得数据利用Excel软件进行拟合分析并得到函数模型，采用SPSS 23.0软件对水文性能相应指标进行单因素方差分析，显著水平为0.05。

2.2 枯落物层蓄积量测定

将采集得到的样本分别做标记，同时称取质量，接着称取一定质量的枯落物放入铝盒中（铝盒要依次标记并称量），按序号放入烘箱，设置温度85 ℃，8 h后取出，依次称量。枯落物蓄积量及自然持水率计算公式为

M=W0×K′/100 。    （1）

R=（W1-W2）/W2×100%。 （2）

式中：M为枯落物蓄积量，t/hm2;K′为换算系数，K′=W2/W1;R为自然持水率，%;W0为取样枯落物的质量，g;W1为铝盒内枯落物的质量，g;W2为铝盒内烘干后枯落物的质量，g。

2.3 枯落物层持水性能测定

枯落物烘干后分别装入已做好标记的网袋中，浸水0.25 、0.5 、1 、2 、4 、8 、24 h，每次取出悬挂沥水，直至不滴水时记录其质量，在整个操作过程中避免挤压样本，以免造成误差。持水性能各項指标计算公式为

Rmax=（W3-W2）/W2×100%。（3）

Qmax=Rmax×M。 （4）

Qsv=（0.85Rmax-R）×M。（5）

式中：Rmax为最大持水率，%;Qmax为最大持水量，t/hm2;Qsv为有效拦蓄量，t/hm2;W3为浸泡24 h的样本质量，g。

2.4 土壤层水文性能测定

采用环刀法进行测定，首先将装有土壤样品的环刀去除上盖，按顺序轻放于盛有清水的平底盆中，记录浸泡12 h后的质量;然后将环刀放置在干砂上，2 h后取出称量;最后取部分土壤样品于铝盒中，置于105 ℃的烘箱内烘干并称量。试验中注意：①取样之前称量环刀质量，并做好标记;②盆内放入环刀后水的高度不高于环刀上沿;③记录空铝盒的质量，并做好标记。土壤水文性能各项指标的计算公式为

R0=（Mw-Md）/Md×100%。（6）

M′=M0×K。（7）

D=M′/V 。（8）

Mmax=（M12h-M2h）/M2h×100%。（9）

Mc=（M2h-M′）/M′×100%。（10）

Pnc=（Mmax-Mc）×D×100%。（11）

Pc=Mc×D×100%。（12）A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

Pt=Pc+Pnc。（13）

式中：R0为土壤含水率，%;Mw为铝盒内湿土的质量，g;Md为铝盒内烘干土样的质量，g;M′为环刀内烘干土样的质量，g;M0为环刀内土壤的质量，g;K为换算系数，K=Md/Mw;D为土壤容重，g/cm3;V为环刀容积，即为100 cm3;Mmax为土壤最大持水量，%;M12h为浸水12 h后环刀内湿土质量，g;M2h为放置干砂2 h后环刀内湿土质量，g;Mc为土壤毛管持水量，%;Pnc、Pc、Pt分别表示土壤的非毛管孔隙度（%）、毛管孔隙度（%）和总孔隙度（%）。

3 结果与分析

3.1 枯落物层水文性能分析

3.1.1 枯落物蓄积量

对4种林型的枯落物蓄积量进行方差分析，见表2，结果表明不同林型之间差异显著。枯落物总蓄积量范围为10.75～15.84 t/hm2，各林型枯落物总蓄积量大小依次为：林型Ⅳ、 林型Ⅲ、 林型Ⅰ、 林型Ⅱ。经LSD（Least-significant difference）检验，林型Ⅳ的枯落物蓄积量与其他林型间差异显著。各林型枯落物蓄积量均表现出半分解层的高于未分解层的，其中林型Ⅰ和林型Ⅱ的未分解层枯落物蓄积量占比较小，仅为总蓄积量的23%，而林型Ⅳ的未分解层枯落物蓄积量占比较大，达42.2%。

3.1.2 枯落物持水能力

对4种林型枯落物不同分解阶段的持水性能进行方差分析，见表3，结果表明各林型间枯落物自然持水率差异性不显著，其他指标均表现出显著差异。枯落物累积最大持水量变动范围为40.39～49.93 t/hm2，变化范围较小。不同林型枯落物累积最大持水量由大到小依次为：林型Ⅰ、 林型Ⅳ、林型Ⅱ、林型Ⅲ，最大持水率由大到小排序为：林型Ⅱ、林型Ⅰ、林型Ⅲ、林型Ⅳ。综上，这两者之间的变化规律不相同，分析其原因，主要是受到枯落物蓄积量、成分以及温度、湿度等因素影响。研究中所得出的最大持水量只能说明枯落物层持水能力的强弱，因其未将降水前枯落物的自然含水量综合考虑在内[16]。

土壤有效拦蓄量可以反映枯落物截留降水的能力[7]。经方差分析，4种林型有效拦蓄量差异性显著，由表3可知，4种林型枯落物总有效拦蓄量范围为18.63～25.96 t/hm2，4种林型枯落物总有效拦蓄量由大到小依次为：林型Ⅰ、林型Ⅱ、林型Ⅳ、林型Ⅲ。经LSD检验，在不同分解阶段下，林型Ⅲ、Ⅳ与林型Ⅰ之间差异性显著。

3.1.3 枯落物持水量与浸水时间的关系

从图1可以看出，各林型2个分解阶段的枯落物持水量随时间延长均呈现增加趋势，但不同时间段内持水量的增长速率不同，即枯落物在浸泡0～2 h内，吸持水量急剧增加，之后吸持水量逐渐变缓，浸水8 h以后，增长极为缓慢，达到饱和持水量的90%以上，当浸水24 h时枯落物吸持水量不再变化，达到饱和状态。在相同时间下，林型Ⅳ在各分解阶段的持水量增长速率较其他林型快。

拟合各林型不同分解阶段枯落物持水量与浸泡时间，见表4，从得出的函数模型发现，除林型Ⅳ枯落物未分解阶段的R2>0.85外，其他林型回归拟合R2均在0.90以上，整体拟合效果较好，尤其是各林型半分解枯落物阶段，回归拟合R2>0.95，说明持水量随浸水时间变化的理论值与实际情况相接近，两者均符合对数函数关系。

3.1.4 枯落物吸水速率与浸水时间的关系

各林型不同分解阶段的枯落物吸水速率随时间变化逐渐降低，呈现“L”形趋势，如图2所示。不同时间段内减缓速率不同，具体表现为在浸水4 h内下降最快，随后逐渐减缓，达到8 h时降速极为缓慢，当浸水达24 h时，吸水作用停止，其持水量达到保持阶段。各林型最终表现出的曲线几乎重合，吸水速率接近一致。

拟合各林型不同分解阶段枯落物吸水速率与浸泡时间，见表5，从得出的函数模型发现，两者均符合幂函

数关系，回归拟合R2均在0.99以上，拟合效果较好，说明吸水速率随浸泡时间变化的理论值与实际情况相接近。

3.2 土壤层水文性能分析

3.2.1 土壤的物理特性

森林土壤的蓄水持水功能与土壤容重情况有关，综合体现了土壤的结构状况。对4种林型的土壤容重进行方差分析，见表6，结果表明各林型间差异显著。4种林型土壤容重由大到小依次为：林型Ⅱ、 林型Ⅰ、 林型Ⅲ 、林型Ⅳ，经LSD检验，林型Ⅰ与林型Ⅱ和林型Ⅲ间不存在显著差异，而与林型Ⅳ的土壤容重值差异明显。由此可见，林型Ⅳ的土壤容重最小，疏松透氣性能最好。

土壤孔隙状况不仅直接影响土壤的贮水能力，而且不同的组成比例间接反映土壤质地和结构情况。其中，土壤非毛管孔隙即通气孔，孔径较大，水分不受毛管力作用，可凭借土壤重力作用进行自由移动。土壤非毛管孔隙度反映土壤通气透水、涵养水源的能力，对其进行方差分析，结果表明各林型间差异性明显，经LSD检验，林型Ⅳ与其他3种林型差异性显著，其非毛管孔隙度最大，达到了15.56%，说明其土壤渗透性能最好。土壤毛管孔隙即贮水孔隙，水分受毛管作用贮存其中，为植被提供生长所必需的有效水，因此土壤毛管孔隙度反映土壤蓄洪贮水能力，其由大到小排序为：林型Ⅰ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅳ，其中林型Ⅰ、Ⅲ与林型Ⅳ差异性显著。总孔隙度综合反映饱和持水量的大小，以林型Ⅰ的最大，林型Ⅱ的最低。

3.2.2 土壤的持水性能

对4种林型的土壤持水性能相关指标土壤含水率、毛管持水量和最大持水量等进行方差分析，见表7，经LSD检验，各林型土壤最大持水量差异较为显著。对比分析发现林型Ⅰ土壤的持水性能最优，毛管持水量和最大持水量由大到小排序均为：林型Ⅰ、 林型Ⅲ、 林型Ⅳ、林型Ⅱ。

4 结论与讨论

本文针对中条山凤凰谷地区的4种不同森林类型的枯落物层和土壤层的生态水文功能进行研究，探讨了各类型枯落物层的储量、持水过程和土壤层的物理特性、持水性能。A3978E1C-A65B-4A7D-A93C-7C02694F8E16

4种林型枯落物总蓄积量范围为10.75～15.84 t/hm2，不同林型由大到小为：油松-朴树针阔混交林、栾树阔叶林、朴-榉阔叶混交林、山里红阔叶林。枯落物的现存量主要受气候、土壤、地形、森林自身结构及生长状况和干扰等因素影响[17]。分析其原因，油松属于针叶树种，凋落周期长，且凋落物中成分主要为针叶，分解速度比阔叶树种要慢得多[18]。枯落物半分解层的储量明显高于未分解层，主要原因是凋落周期以及微生物活动影响，枯落物成分主要为叶片，而栾树叶为2～3回羽状复叶，且花序顶生，枯落物中的叶柄和枯枝较多，较叶片来说分解速度慢，所以，栾树林未分解层蓄积量较其他阔叶林占总蓄积量较大。

4种林型枯落物不同分解阶段累积有效拦蓄量范围为18.62～25.96 t/hm2，不同林型枯落物在不同分解阶段累积有效拦蓄量由大到小依次为：朴-榉树阔叶混交林、栾树阔叶林、油松-朴树针阔混交林、山里红阔叶林，表明阔叶混交林对降雨的有效拦蓄能力大于针阔混交林，同时均表现出半分解层的明显较优于未分解层的，其主要原因是受枯落物的形态特征和储量影响较大，因阔叶树种叶面积大且质地较软，较易储存水分，故而阔叶林的枯落物持水能力优于针叶林，这与杨霞等[19]、杜雪等[20]的研究结果相似。

4种林型土壤容重范围为0.55～0.88 g/cm3，不同林型土壤容重由大到小排序为：山里红阔叶林、朴-榉阔叶混交林、栾树阔叶林、油松针阔混交林，油松针阔混交林的土壤容重最小，疏松透气性能最好，原因可能是油松混交林林下枯落物总蓄积量较多，为微生物分解提供有利条件[21]。本研究中，以油松针阔混交林的土壤非毛管孔隙度最大，其土壤渗透性能最好，有利于涵养水源。和其他林型相比，阔叶混交林的土壤毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、最大持水量均为最大，混交林涵养水源功能高于纯林，表现出良好的水源涵养性能，这与杨良辰等[22]针对沿坝地区混交林枯落物层与土壤层水源涵养能力的研究结果相似。原因与林分的成层性和枯落物的分解作用有关，森林林冠层、植被层削弱了对地表的冲刷，从而维持了良好的土壤结构和持水性能。枯落物分解过程有效促进了土壤团粒结构的形成，这在很大程度上决定了土壤大小孔隙比相对适当，使得土壤通气透水且保水蓄水性能良好[23-25]。

中条山林区位于温带向亚热带过渡区域，植被类型丰富，分布面积广泛。气候过渡区的气候和生态梯度具有急剧变化的特点，因此，还需要進一步扩大样地调查范围，并在样本采集、实验和数据分析过程中，完善各项研究方式和相关工作，从而更好地了解气候变化对该区域森林水源涵养功能的影响。

【参 考 文 献】

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