張 寧, 郭賓良, 張 楠, 張紹杰, 張建華, 谷建才

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北 保定 071000; 2.河北木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局, 河北 圍場(chǎng) 068450)

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灤河典型林分枯落物層與土壤層的水文效應(yīng)

張 寧1, 郭賓良1, 張 楠2, 張紹杰1, 張建華2, 谷建才1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北 保定 071000; 2.河北木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局, 河北 圍場(chǎng) 068450)

摘要：[目的] 研究灤河上游典型林分的枯落物層與土壤層的水文效應(yīng)，為森林健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。 [方法] 對(duì)灤河上游3種林分的枯落物層未分解層與半分解層進(jìn)行調(diào)查研究。 [結(jié)果] (1) 油松林的枯落物生物量為12.03 t/hm2,最大持水量為19.4 t/hm2,有效攔蓄量為23.52 t/hm2;落葉松林的枯落物生物量為9.51 t/hm2,最大持水量為11.9 t/hm2,有效攔蓄量為17.03 t/hm2;落葉松白樺混交林的枯落物生物量為5.54 t/hm2,最大持水量為13.0 t/hm2,有效攔蓄量為13.7 t/hm2。(2) 半分解層枯落物浸泡8 h已基本達(dá)到飽和,而未分解層需浸泡10 h?？萋湮镌诮那?.5 h內(nèi)吸水速率最大,6 h左右時(shí)吸水速率明顯減緩。(3) 落葉松白樺混交林土壤層持水能力最強(qiáng),為375.92 t/hm2;油松林土壤層的持水能力最差,為248.04 t/hm2。利用冪函數(shù)對(duì)入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行擬合,其相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上。[結(jié)論] 油松林枯落物層的生物量、最大持水量、有效攔蓄量都最大，而落葉松白樺混交林枯落物的土壤持水能力最強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：枯落物層; 土壤層; 水文效應(yīng)

森林的枯落物在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著很重要的作用，不僅對(duì)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(qiáng)土壤抗沖性等方面具有一定的作用，并且它作為森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層,對(duì)森林涵養(yǎng)功能的調(diào)控具重要意義[1]。土壤層作為森林水文效應(yīng)的第三活動(dòng)層，通過(guò)土壤毛管空隙和非毛孔空隙，降水可以被植物利用，貯存起來(lái)或者匯入溪流，從而將體現(xiàn)出土壤層透水和貯水的功能。河北木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)位于灤河上游，森林生態(tài)系統(tǒng)以針葉林為主體,國(guó)內(nèi)對(duì)于該區(qū)的研究主要集中在物種多樣性、地質(zhì)、土壤等方面,對(duì)水文功能的研究則相對(duì)較少[2]。本文對(duì)北溝林場(chǎng)3種林分枯落物層與土壤層的水文效應(yīng)做了詳細(xì)研究,旨在為森林健康的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)[3-5]。

1研究區(qū)概況

河北省圍場(chǎng)縣位于河北省最北部，地處灤河上游，41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E。東與內(nèi)蒙古赤峰市接壤，南及西南與隆化、豐寧兩縣連接，北與內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地毗鄰。位于陰山山脈與大興安嶺山脈余脈的交匯處，是連接壩上高原和冀北山地的丘陵山地地帶。河北省圍場(chǎng)縣海拔高750~1 829 m，該區(qū)屬大陸性季風(fēng)型氣候區(qū),年平均溫度-1.5～4.8 ℃,全年西北部的無(wú)霜期為90～100 d，中部和東南部的無(wú)霜期為100～125 d,年均降水量380～560 mm，降水季節(jié)分配很不平衡。圍場(chǎng)縣主要包括棕壤、褐土、風(fēng)砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土7個(gè)土類，共15個(gè)亞類，66個(gè)土屬，143個(gè)土種。河北圍場(chǎng)植物種類繁多,據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)有野生種子植物90科371屬793種，有大型真菌24科60種，有苔蘚植物34科83屬201種，其中河北新紀(jì)錄種有6種；有蕨類植物12科14屬22種。試驗(yàn)地位于河北省圍場(chǎng)縣木蘭林管局北溝林場(chǎng)，調(diào)查樣地設(shè)置在北溝林場(chǎng)的東溝營(yíng)林區(qū)。

2研究方法

2.1　枯落物生物量測(cè)定

選擇落葉松純林、油松純林和落葉松白樺混交林3種林分設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，各種類型分別選取3塊，標(biāo)準(zhǔn)地大小為30 m×30 m，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地林分中的林木進(jìn)行調(diào)查(表1)。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各采取5塊大小為50 cm×50 cm的樣方，分布在標(biāo)準(zhǔn)地4個(gè)角及中心部位，對(duì)于枯落物要測(cè)定其厚度，并把未分解層與半分解層分開(kāi)放置到尼龍袋中,并迅速稱其鮮重。最后將其放置在干燥通風(fēng)處8 d以上，在用手觸摸枯落物沒(méi)有潮濕感的時(shí)候，就可以稱其重量，即是風(fēng)干重,計(jì)算出枯落物生物量，為方便表達(dá)，以下枯落物的基本數(shù)據(jù)均為5塊樣方的平均值。

表1　不同林分標(biāo)準(zhǔn)地概況

注：表中混交林指落葉松和白樺混交林。下同。

2.2　枯落物持水量和吸水速率的測(cè)定

采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物持水量及其吸水速度,先將5個(gè)小樣方內(nèi)枯落物的總厚度、未分解層和半分解層的厚度測(cè)定出來(lái)，取各個(gè)樣方的平均值作為樣地內(nèi)的枯落物的厚度，按照分解程度，收集枯落物分為未分解層與半分解層，迅速稱其鮮重，然后將其帶回實(shí)驗(yàn)室稱其烘干以后的質(zhì)量。最后將枯落物浸入水中后,分別測(cè)定其在0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 10和24 h的重量變化,研究其吸水速度和吸水過(guò)程[6-8]，測(cè)定枯落物的持水量(每次取出稱重后所得的枯落物濕重與其風(fēng)干重差值)、吸水速率和飽和持水率。采用以下公式來(lái)計(jì)算各個(gè)含水指標(biāo)：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C——枯落物自然含水量(%)；m1——樣品鮮質(zhì)量(g)；m2——樣品烘干質(zhì)量(g)；S——飽和持水率(%)；m3——樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm——枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；R0——平均自然含水量(%)；M——枯落物蓄積量(t/hm2)。吸水速率為持水量與浸泡時(shí)間的比值。

2.3　枯落物有效攔蓄量的測(cè)定

枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量的測(cè)定，可以通過(guò)有效攔蓄量(modified interception)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[9-11],即:

W= (0.85Rm-Ro)M

(4)

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)。下同。

2.4　土壤層物理性質(zhì)的測(cè)定

土壤調(diào)查采用剖面法,在各標(biāo)準(zhǔn)地選取有代表性樣點(diǎn),分別按0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm取樣[12-14]。用烘干法測(cè)定土壤含水量,用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì),土壤持水力。

S′=10 000hp

(5)

式中：S′——土持水力(t/hm2);h——土壤層厚度(m);p——非毛管孔隙度(%)。

2.5　土壤入滲測(cè)定與計(jì)算

采用內(nèi)環(huán)直徑為7.5 cm，外環(huán)直徑為15 cm的雙環(huán)測(cè)定0—20 cm的土壤水分入滲過(guò)程。其中，初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間(初滲速率為第1分鐘的入滲速率，最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量的時(shí)間為1 min)；平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率[15-16]。本文選取Kostiakov數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)測(cè)入滲過(guò)程進(jìn)行擬合。公式如下：

f=at-b

(6)

式中：f——t時(shí)間時(shí)的瞬時(shí)入滲速率(mm/min)；t——入滲時(shí)間(min)；a，b——試驗(yàn)資料擬合的參數(shù)。

3結(jié)果與分析

3.1　枯落物生物量

枯落物的現(xiàn)存生物量與林分類型有密切關(guān)系。林分樹種組成不同，生長(zhǎng)狀況不同，都與枯落物層的儲(chǔ)量有直接關(guān)系，這些因素會(huì)不同程度地影響到枯落物的輸入與分解。如表2所示,3種類型林分類型下枯落物生物量有一定差別。其中，油松林枯落物生物量最大，其次是落葉松林為，落葉松和白樺混交林的枯落物生物量最小，這些差別主要是由于林分內(nèi)針闊葉樹種組成不同所致。此外，根據(jù)枯落物的分解程度把枯落物分為未分解層與半分解層，通過(guò)分析不同類型林分枯落物未分解層、半分解層儲(chǔ)量可以看出，各層次儲(chǔ)量所占比例不同，落葉松和白樺混交林下枯落物未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量的43.1%；而落葉松林下枯落物未分解層所占比例最大，占總儲(chǔ)量的53.8%，這可能是由于闊葉樹落葉分解較快，而針葉樹落葉難以分解的緣故。

表2　不同林分枯落物生物量

3.2　枯落物水文效應(yīng)

3.2.1枯落物最大持水量3種類型林分枯落物的最大持水量有所不同(表3)。油松林的最大持水量最大，為19.4 t/hm2,落葉松林的最大持水量最小，僅為11.9 t/hm2；各類型林分枯落物最大持水率的變動(dòng)范圍為187%～330%。同一類型林分的最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，這主要是因?yàn)榭萋湮镒陨斫Y(jié)構(gòu)不同有關(guān)?？萋湮锏姆纸獬潭纫灿绊懣萋湮飳拥某炙芰?，枯落物分解程度越高，半分解層枯落物生物量越大，枯落物層的持水能力越高。

3.2.2枯落物持水過(guò)程枯落物持水量與浸泡時(shí)間具有一定的相關(guān)關(guān)系。由表4可知,在最初浸泡的半個(gè)小時(shí)內(nèi),枯落物持水量迅速增加,而后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),且增加速度逐步放緩。這一趨勢(shì)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功能較強(qiáng),此后隨枯落物濕潤(rùn)程度的增加,吸持能力降低[7]。此外,半分解層枯落物持水量在浸泡8 h時(shí)已基本達(dá)到飽和,而未分解層持水量浸泡10 h時(shí)基本達(dá)到飽和。對(duì)0.25～24 h之間3種類型林分枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系(表5)：

Q=alnt+b

式中：Q——枯落物持水量(g/kg);t——浸泡時(shí)間(h);a——方程系數(shù);b——方程常數(shù)項(xiàng)。

表3　3種林分枯落物最大持水量和最大持水率

表4　不同林下各枯落物層持水量

表5　不同林分枯落物層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.3枯落物吸水速率試驗(yàn)表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性(表6)。在浸水初期0.5～1 h內(nèi)，枯落物吸水速率最大，之后吸水速率急劇下降，6 h左右時(shí)下降速度明顯減緩，隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng),枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間增長(zhǎng),枯落物持水量接近其最大持水量,也就是說(shuō)枯落物持水量逐漸趨于飽和,其增長(zhǎng)速度隨之減緩所致。

表6　不同浸泡時(shí)間3種林分枯落物層的平均吸水速率

3.2.4枯落物有效攔蓄量林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見(jiàn)表7。在本研究中，之所以采用有效攔蓄量來(lái)評(píng)價(jià)枯落物對(duì)降水的攔蓄能力，主要是因?yàn)樽畲蟪炙坎⒉荒艽砜葜β淙~層對(duì)降雨的實(shí)際截留量，它只能反映枯枝落葉層持水能力的大小，用最大持水率來(lái)估算枯枝落葉層對(duì)降雨的攔蓄能力，其結(jié)果會(huì)有所偏高，不能真實(shí)反映出枯枝落葉層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄效果，故采用有效攔蓄量來(lái)反映枯枝落葉層對(duì)一次降水?dāng)r蓄能力，該指標(biāo)主要與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性有關(guān)。從有效攔蓄率看，各林分未分解層均小于半分解層。由于不同林分枯落物的蓄積量不同，所以有效攔蓄量和有效攔蓄量深的變化規(guī)律也不盡相同，未分解層中，油松林的有效攔蓄能力最強(qiáng)，為23.52 t/hm2，落葉松白樺混交林有效攔蓄能力最弱。

表7　不同林分枯落物層有效攔蓄能力

3.3　土壤層的水文效應(yīng)

3.3.1土壤層的物理性質(zhì)如表8所示，3種林分類型土壤容重的總體變化不大。落葉松林的土壤容重最大，油松林的次之，落葉松白樺混交林的最小?？偪紫抖鹊淖兓厔?shì)為：落葉松白樺混交林>油松林>落葉松林。而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，表現(xiàn)為：落葉松白樺混交林>落葉松林>油松林。土壤持水能力表現(xiàn)為：落葉松白樺混交林持水能力最強(qiáng)，落葉松林的次之，油松林土壤的持水能力最差。

3.3.2土壤層的滲透性土壤滲透性能越好，地表徑流越少，土壤的流失量也相應(yīng)減少，因此，土壤的滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素之一，是土壤水文效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。從表9中得知：3種林分土壤的初滲速率相差較大，落葉松白樺混交林的初滲速率為24.7 mm/min，油松林的只有18.3 mm/min，但隨著時(shí)間的推移，入滲速率逐漸減慢，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)趨于定值。最終的穩(wěn)滲速率落葉松白樺混交林為0.9 mm/min，落葉松林為0.8 mm/min，油松林為0.6 mm/min。分析主要原因?yàn)椋郝淙~松白樺混交林土壤上下土層的非毛管孔隙數(shù)量多，有利于土壤水分的快速下滲，土壤的滲透性能強(qiáng)，而油松林土壤的非毛管孔隙較少，土壤的滲透性差。在入滲過(guò)程中，落葉松林和落葉松白樺混交林達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間差不多，油松林與前兩者相差較大，在24 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)滲。通過(guò)對(duì)入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系(表9)：

f=at-b

(R2≥0.98)

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

表8　不同林分類型土壤的物理性質(zhì)

表9　土壤滲透的速率及滲透數(shù)學(xué)模型

4結(jié) 論

(1) 灤河上游不同類型種林分枯落物結(jié)構(gòu)不同，水文相應(yīng)也有所差異,3種不同林分類型枯落物的生物量在5.54～12.03 t/hm2,其中油松林枯落物的儲(chǔ)量最大,落樺混交林的儲(chǔ)量最小。

(2) 枯落物最大持水量在11.9～19.4 t/hm2，油松林枯落物的持水量最大；枯落物最大持水率在233%～294%，落樺混交林的持水率最大；枯落物在浸水的前0.5 h內(nèi)吸水速率最大，6 h左右時(shí)吸水速率明顯減緩；油松林的有效攔蓄能力最強(qiáng)，為23.52 t/hm2，落葉松白樺混交林有效攔蓄能力最弱。

(3) 落葉松白樺混交林土壤層持水能力最強(qiáng),為375.92 t/hm2,油松林最小為248.04 t/hm2；不同林分土壤的初滲速率相差較大,華北落葉松白樺混交林的初滲速率最大,為24.7 mm/min,但是3種林分土壤的穩(wěn)滲速率相近,對(duì)入滲速率和入滲時(shí)間進(jìn)行擬和,相關(guān)系數(shù)R2在0.98以上。

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Hydrological Effect of Litter Layer and Soil Layer Under Typical Stands in Luanhe River

ZHANG Ning1, GUO Binliang1, ZHANG Nan2, ZHANG Shaojie1, ZHANG Jianhua2, GU Jiancai1

(1.AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China;

2.MulanweichangForestryAdministrationofHebeiProvince,Weichang,Hebei068450,China)

Abstract：[Objective] To study the hydrological effect of typical forest litter layer and soil layer on the upper Luanhe River, in order to provide theoretical basis for monitoring and evaluation of the forest. [Methods] The non-decomposed layer and semi-decomposed layer of three different types forest litter were investigated. [Results] (1) The litter accumulation amount, the maximum moisture capacity, and the effective retaining content ofPinustabulaeformisforest were 12.03, 19.4, and 23.52 t/hm2respectively, those of larch forest were 9.51, 11.9, and 17.03 t/hm2respectively, and those of mixed forest of larch and birch were 5.54, 13.0, and 13.7 t/hm2, respectively. (2) It nearly reached saturation in 8 h for semi-decomposed layer, while it needed 10 h for non-decomposed layer. The water absorption rate of litter reached maximum within 0.5 h, and it slowed down obviously at about 6 h. (3) The water holding capacity of soil layer forLarixgmeliniandBetulaplatyphyllamixed forest was highest, which was 375.92 t/hm2, while it was lowest in soil layer ofPinustabulaeformisforest, which was 248.04 t/hm2. Using the power function to fit the infiltration rate and infiltration time, the correlation coefficientR2was more than 0.98. [Conclusion] The biomass, maximum water holding capacity, and the effective holding capacity are maximum in the litter layer ofPinustabulaeformisforest, and the mixed forest of larch and birch have the highest soil water holding capacity.

Keywords:litter layer; soil layer; hydrological effects

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0044-05

中圖分類號(hào)：S715.7

通信作者：谷建才(1963—),男(漢族),河北省石家莊市人,博士，教授,主要從事林業(yè)經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究。E-mail:gujiancai@126.com。

收稿日期：2014-09-21修回日期：2014-10-03

資助項(xiàng)目：河北省科技廳資助項(xiàng)目“河北省灤河流域水源林經(jīng)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(15227652D)

第一作者：張寧(1989—),女(漢族),河北省衡水市人,碩士研究生。研究方向?yàn)樯挚沙掷m(xù)經(jīng)營(yíng)。E-mail:934827579@qq.com。