魯紹偉，陳 波，潘青華，李少寧，張玉平，任翠梅

（1．北京市農(nóng)林科學(xué)院 林業(yè)果樹研究所，北京100093；2．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 大慶分院，黑龍江 大慶163316）

森林水文效應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)中森林和水相互作用的綜合功能的體現(xiàn)，在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、消減洪峰及抵御旱澇災(zāi)害等方面發(fā)揮著巨大作用，枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中3個垂直結(jié)構(gòu)上的重要功能層之一，它在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強土壤抗沖性能等方面具有非常重要的意義，而林地土壤的水文效應(yīng)是探討森林水文過程的基礎(chǔ)和前提［1－3］。油松樹桿通直，材質(zhì)堅硬，耐腐朽，是我國北方地區(qū)重要的森林更新、水土保持和造林樹種。目前，國內(nèi)對油松人工林的研究主要集中在不同生境生長狀況、生物多樣性、生態(tài)效益、空間結(jié)構(gòu)等方面［4－7］，而對其在不同海拔的水文功能研究較少。因此，本文對北京山地不同海拔的油松人工林枯落物層和土壤層的水文效應(yīng)進行定量研究，旨在揭示不同海拔油松人工林枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能，為油松人工林適宜生長的海拔條件提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)八達嶺石佛寺位于北京市延慶縣東南水關(guān)長城腳下，屬燕山山脈，為火成巖、花崗巖山地，東經(jīng)116°02′，北緯40°20′，海拔475～1 100m，試驗林地總面積667hm2。該地區(qū)屬于北京北部山地氣候溫涼的9°線以北地區(qū)，年平均氣溫為9．3℃，極端最高39℃，極端最低－25℃，無霜期160d，年均降水量477．6mm，主要集中在7—8月份，年均蒸發(fā)量為1 828mm。該地區(qū)屬于暖溫帶闊葉林區(qū)，地帶性植被為以櫟林為代表的落葉闊葉林，以及油松林為代表的針葉林。由于原始林的砍伐和破壞，現(xiàn)有植被多為天然次雜木林及中、干生灌叢地帶。土壤為北部山區(qū)褐色土壤，受森林的破壞及多年砍伐后萌生的次生林影響，腐殖質(zhì)層較厚；喬木樹種主要有：油松（Pinus）、側(cè)柏 （Platycladus）、核 桃 楸 （Juglans）、華 山 松（Armandii）、白皮松（Bungeana）、白杄（Picea）、山楊（Populus）和蒙古櫟（Quercus）等。

2 研究方法

于2012年6月中旬在八達嶺水關(guān)長城腳下石佛寺林業(yè)試驗基地內(nèi)選取4塊不同海拔（480，540，690，820m）的油松人工林進行采樣分析，樣地面積為40 m×40m，對其進行每木檢尺，各樣地基本特征見表1。在4塊標準地內(nèi)，視地形變化設(shè)1．0m×1．0m樣方3個，調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層厚度及蓄積量。采用土壤剖面調(diào)查法，按0—10，10—20，20—40cm機械分層取樣。枯落物持水量和吸水速率的測定采用室內(nèi)浸泡法［8－9］：分別測定其在浸泡1h、2h、4h、6h、12 h、24h的重量變化，重復(fù)3次，研究其吸水過程和吸水速度。采用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量，即：

W＝（0．85Rm－R0）M［10］

式中：W——有效攔蓄量（t／hm2）；Rm——最大持水率（%）；R0——平均自然含水率（%）；M——枯落物累積量（t／hm2）。采用環(huán)刀浸泡法［11］測定土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)，土壤入滲采用雙環(huán)法［12］測定，土壤持水量W＝10000Ph。式中：W——土壤持水量（t／hm2）；P——土壤孔隙度（%）；h——土層厚度（m）。

表1 不同海拔標準地基本特征

3 結(jié)果與分析

3．1 不同海拔枯落物蓄積量

由表2知，不同海拔枯落物總蓄積量有一定差別，變動范圍為10．63～31．42t／hm2，總蓄積量大小依次是：樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ，即油松人工林枯落物總蓄積量隨海拔的升高先升高而后減小。分析4個海拔梯度枯落物未分解層、半分解層蓄積量可以看出，各層次儲量所占比例不同：樣地Ⅱ和樣地Ⅲ半分解層的蓄積量均大于未分解層，樣地Ⅰ和樣地Ⅳ半分解層的蓄積量均小于未分解層；未分解層Ⅰ占總蓄積量的比例最大，為54．22%，樣地Ⅲ占總蓄積量的比例最小，為43．09%，排序為樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ；半分解層樣地Ⅲ占總蓄積量的比例最大，為56．91%，樣地Ⅰ占總蓄積量的比例最小，為45．78%，排序為樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅰ；即在未分解層隨海拔的升高枯落物蓄積量先較小而后增加，而在半分解層則相反，說明低海拔（480m）油松人工林枯落物分解速度較慢，這是因為低海拔陽光被高海拔樹木遮擋，太陽光不能直射到低海拔林分地面，相對于高海拔來說，低海拔林分接受的陽光較少，使林下枯落物不能快速充分分解。

表2 不同海拔枯落物厚度和儲量

3．2 不同海拔枯落物水文效應(yīng)

3．2．1 不同海拔枯落物最大持水量 4個海拔梯度枯落物的最大持水量和最大持水率如表3所示。由表3可知：枯落物最大持水量半分解層隨海拔的升高先增大而后減小，未分解層則相反，總和最大的是樣地Ⅱ，為37．17t／hm2，相當(dāng)于3．72mm的降雨，最小的是樣地Ⅲ，為17．27t／hm2，排序為樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ?？萋湮镒畲蟪炙实淖儎臃秶鸀?64．32%～185．77%，順序為樣地Ⅰ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ，最大持水率呈現(xiàn)出隨海拔升高先減小而后增大的趨勢。樣地Ⅰ、樣地Ⅱ兩個海拔梯度下枯落物的最大持水量和最大持水率呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，這是因為最大持水量與枯落物本身的蓄積量有關(guān)，而蓄積量又與枯落物的分解狀況、厚度等有關(guān)。

表3 不同海拔枯落物最大持水量和最大持水率

3．2．2 不同海拔枯落物有效攔蓄量 最大持水率一般只能反映枯落物層持水能力的大小，不能反映對實際降水的攔截狀況。它沒有考慮到雨前枯落物層的自然含水狀況，用最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力會導(dǎo)致其值偏高，有效攔蓄量才是反映枯落物對一次降水?dāng)r蓄的真實指標。4個海拔梯度不同層次枯落物的攔蓄能力不同（表4），從有效攔蓄率看，未分解層和半分解層呈不同的變化規(guī)律，未分解層為：樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ；半分解層則為：樣地Ⅳ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ，這是因為未分解層和半分解層的枯落物儲量、吸水速率不同。從有效攔蓄量看，未分解層為：樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ；半分解層樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ，這主要與枯落物蓄積量有關(guān)；綜合未分解層和半分解層的變化規(guī)律可知，樣地Ⅱ的枯落物有效攔蓄能力最強，為28．71t／hm2，相當(dāng)于攔蓄2．87mm的降雨，樣地Ⅲ最弱，為6．72t／hm2，只相當(dāng)于攔蓄0．67mm的降雨，即低海拔（540m）攔蓄能力較強，高海拔（690m）較弱。

表4 不同海拔枯落物的攔蓄能力

3．2．3 不同海拔枯落物持水過程 枯落物持水量與浸泡時間具有一定的相關(guān)關(guān)系（圖1）。由圖1可知，在最初浸泡的半個小時內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，而后隨著浸泡時間的延長呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且增加速度逐步放緩。這一趨勢與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流能力較強，此后隨枯落物濕潤程度的增加，吸持能力降低。此外，未分解層持水過程為樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅳ，即低海拔（540m）持水量大，高海拔（820 m）持水量小。

圖1 枯落物不同分解層持水量與浸泡時間的關(guān)系

對1～24h之間4塊樣地不同海拔枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時間的關(guān)系進行回歸分析，得出該時間段內(nèi)持水量與浸泡時間的關(guān)系（表5）：

式中：Q——枯落物持水量 （g／kg）；t——浸泡時間

（h）；a——方程系數(shù)；b——方程常數(shù)項。

表5 不同海拔枯落物持水量、持水率與浸泡時間關(guān)系

3．2．4 不同海拔枯落物吸水速率 由圖2可知，4塊樣地不同海拔梯度枯落物的吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：不論是未分解層還是半分解層枯落物在前半小時內(nèi)吸水速率最大，之后急劇下降，這是因為枯枝落葉從風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后，枯枝落葉表面水勢差較大，吸水速率高；4h左右時下降速度明顯減緩，24 h吸水基本停止，隨浸泡時間的延長，枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因為隨著浸泡時間的增加，枯落物持水量接近其最大持水量，也就是說地被物逐漸趨于飽和，其持水量增長速度隨之減緩所致。對4塊樣地不同海拔不同層次枯落物吸水速率與浸泡時間進行擬合，得出該時間段內(nèi)吸水速率與浸泡時間之間存在如下擬合模型（表5）：

式中：V——枯落物吸水速度［g／（kg·h）］；t——浸泡時間（h）；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。

圖2 枯落物不同分解層吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

3．3 不同海拔土壤物理性狀及水文效應(yīng)

3．3．1 不同海拔土壤容重 土壤容重表征土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映了土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況。土壤容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好，容重大則相反。由表6可知，不同樣地土壤容重有較大差異，在0—40cm土層內(nèi)，土壤容重均值排順序為樣地Ⅳ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅰ，即隨海拔升高土壤總?cè)葜卦龃蟆耐寥廊葜氐拇怪弊兓瘉砜矗?個海拔梯度土壤容重變化趨勢相同，即隨土層厚度的加深而逐漸增大。在容重均值最大的樣地Ⅳ內(nèi)，容重從0—10cm時的0．99g／cm3增加到20—40cm時的1．28g／cm3；在容重均值最小的樣地Ⅰ內(nèi)，容重從0—10cm時的0．88g／cm3增加到20—40cm時的1．14g／cm3。造成這種變化的原因主要是因為隨深度增加，土壤中有機質(zhì)含量逐漸減少，土壤團聚性降低，從而增加了土壤的緊實度，表層土壤疏松、底層土壤則相反。

3．3．2 不同海拔土壤孔隙度 由表6可知，從4個海拔梯度總孔隙度的垂直變化來看，在0—40cm土層內(nèi)，均隨著土層厚度的加深而減小，說明4個海拔梯度油松林表層土壤比較疏松，樣地Ⅰ土壤的總孔隙度從0—10cm 的66．93%減 小 到20—40cm 的54．85%，樣地Ⅳ土壤的總孔隙度從0—10cm的48．73%減小到20—40cm的48．16%。土壤總孔隙度均值順序為樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅱ，即隨海拔的升高總孔隙度減小。4個海拔梯度土壤毛管孔隙度均值排序與孔隙度一致，毛管孔隙度越大，土壤中有效水的貯存量越大，樹木用于自身生長發(fā)育所需的有效水分的比例越大；說明隨海拔增加油松人工林土壤毛管孔隙度減小，即低海拔油松人工林用于自身生長發(fā)育所需的有效水分的比例大，高海拔則相反。土壤非毛管孔隙度均值排序為：樣地Ⅰ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅳ，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于降水的下滲，減少地表徑流，充分起到涵養(yǎng)水源的作用，即低海拔（480m）油松人工林地土壤的通透性最好，涵養(yǎng)水源作用最強。

表6 不同海拔土壤物理性狀及持水量

3．3．3 不同海拔土壤蓄水能力 林地土壤的蓄水能力是評價森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標，其大小與土壤厚度和土壤孔隙度狀況有關(guān)。非毛管孔隙能較快吸收降水并及時下滲，有利于水源涵養(yǎng)。因此，不同林地土壤的非毛管孔隙度不同，林地的蓄水能力也不一樣。從表6可知，不同海拔土壤蓄水性能存在一定差異，4個海拔梯度土壤蓄水性能均隨土層深度的增加呈減少趨勢。從土壤飽和持水量均值來看，其大小順序是：樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ，樣地Ⅰ土壤貯蓄水分潛在能力比樣地Ⅲ高137．20%，即低海拔（480m）油松人工林土壤貯蓄水分潛在能力最強。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度的大小，有效持水量均值大小順序是：樣地Ⅰ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅳ，樣地Ⅰ有效持水量最大，說明低海拔（480m）油松人工林持水能力最強，高海拔（820 m）最弱。

3．3．4 不同海拔土壤入滲 土壤的滲透性是林分涵養(yǎng)水源的重要指標。土壤滲透性的好壞，直接關(guān)系到地表產(chǎn)生徑流的多少，滲透性能越好，地表徑流越少，土壤侵蝕量也會相應(yīng)減少。表7中4個海拔梯度下土壤的初滲速率相差較大，樣地Ⅰ初滲速率最大為27．27mm／min，Ⅲ最小為13．64mm／min，兩者相差了1．99倍。隨時間的推移，入滲速率逐漸減慢，當(dāng)達到一定時間時趨于穩(wěn)滲，穩(wěn)滲速率在1．54～6．67 mm／min之間，大小順序依次為：樣地Ⅰ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ。入滲速率與入滲時間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系（表7），即：

式中：y——入滲速率（mm／min）；a，b——常數(shù)；t——入滲時間（min）。

表7 不同海拔土壤滲透速率及滲透模型

4 結(jié) 論

（1）枯落物總蓄積量排序為：樣地Ⅱ＞樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅲ，未分解層隨海拔的升高枯落物蓄積量先減小而后增加，半分解層則相反，說明中海拔枯落物分解速度較快。

（2）枯落物最大持水量隨海拔升高而減小，最大持水率隨海拔升高先減小。

（3）從枯落物持水過程看，在最初浸泡的0．5h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，以后隨浸泡時間的延長增加速度逐漸變緩。不同層次枯落物的有效攔蓄率不同，但攔蓄量變化相同。

（4）在0—40cm土層內(nèi)，土壤容重隨海拔的升高而增大，且同一海拔土壤容重隨土層厚度的增加而增大，總孔隙度隨海拔升高而減小。

（5）土壤飽和持水量均值排序為：樣地Ⅰ＞樣地Ⅳ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ，即低海拔油松人工林土壤貯蓄水分潛在能力最強。土壤有效持水量均值順序是：樣地Ⅰ＞樣地Ⅱ＞樣地Ⅲ＞樣地Ⅳ，即低海拔油松人工林持水能力最強，高海拔最弱。

（6）初滲速率相差較大，樣地Ⅰ初滲速率最大，樣地Ⅲ最??；穩(wěn)滲速率低海拔較好，入滲速率與入滲時間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系。

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