马雯静,曾倩婷，郑江坤，侯贵荣

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州 611231； 2.四川农业大学 林学院，四川 成都 611130； 3.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083)

森林水源涵养的功能是森林生态系统重要的生态功能之一[1]，其功能的实现主要是通过林分林冠层、枯落物层与土壤层对降水的再分配完成的[2]。其中，枯落物层和土壤层发挥着重要的水文效应，可以阻延地表径流、截持降水、增加土壤水分入渗、减少侵蚀、抑制土壤水分蒸发，同时也是森林最基础、最重要的组成部分[3-6]。因此，对森林枯落物层和土壤层水文功能的研究成为探讨森林水文循环过程的基础和前提。

陈蕾[7]以大兴安岭阔叶混交低质林为例，研究了林下土壤的化学性质及枯落物的持水性；李红振[8]等选取大兴安岭地区4种树种组成的林分，对林下枯落物的水源涵养功能进行了系统研究，结果表明不同林分类型枯落物的最大持水量差异显著；李航[9]等研究了黄土丘陵沟壑区不同植被类型土壤有效水和持水能力，在同一土层间不同植被类型的土壤有效水和土壤持水能力均呈现出蒿禾类草本群落大于一年生草本群落而小于灌木林的规律；周秋文[10]等研究了喀斯特地区不同林型的土壤持水性后发现，在同为石灰土情况下，土壤有效持水量的大小表现为阔叶林最大，其次为混交林，针叶林最小。

目前,国内外许多学者从不同林分分层的枯落物的角度对枯落物的水文效应进行了研究[11-14]，而对未分层枯落物层的整体水文效应研究较少。林下，地表枯落物未分解层、半分解层和全分解层的枯枝落叶分解程度不一致，并且分布不均匀，每层的枯落物厚度也不完全一样。枯落物的数量和形态发生变化，会导致持水性能的改变[15]。唐国华[15]、常红娟[16]、胡晓聪[17]研究了我国不同地区不同林地枯落物层的持水性能，结果发现各林地枯落物未分解层持水量大于半分解层持水量；而赵芳[18]、赵锦梅[19]、周巧稚[20]等研究后得出相反的结论，各林地枯落物未分解层持水量小于半分解层持水量。因此，研究林地不分层的枯落物层整体水文效应具有重要意义。本文选取北京山区3种典型林分，研究不同林分不分层的枯落物层整体水文效应和土壤层水文效应，以期为北京山区水土保持造林营造提供一定依据。

1 研究区概况

北京市西部、北部、东部三面环山,山地面积1.04万km2,占北京市总面积的62%，是北京重要的生态屏障[21]。鹫峰国家森林公园林场试验区位于北京市海淀区西北部苏家坨镇境内，北纬39°54′，东经116°28′，年均气温12.5℃，年平均降水量628.9 mm，土壤类型以山地淋溶褐土、棕壤为主[22]。林场内地带性植被类型为暖温带落叶阔叶林，森林覆盖率高达96.2% ,但原生植被较少，多为20世纪50～60年代营造的人工林，山上林分较为破碎，地下灌木较厚，树种结构相对单一[23-24]，乔木类型主要是栓皮栎(Quersusvariabilis)、侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformis)等[25]；灌木类型主要是荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、构树(Broussonetiapapyrifera)等；草本植物主要是羊胡子草(Eriophorumvaginatum)、中华卷柏(Selaginellasinensis)等[21]。

2 调查与分析方法

2.1 标准样地设置

2018年7月的植物生长旺季，在试验林场内进行调查，选取了油松林、栓皮栎林和灌木林3个典型林分，其中灌木林以荆条为主；并在所选取的典型林分林地内选择有代表性的地段，建立了3个20 m×20 m林分标准样地。每个标准样地的基本情况如表1所列。

表1 标准样地基本情况Tab.1 Basic information of different forest types

2.2 枯落物采样与测定

在每个标准样地内分上部、中部、下部设置3个20 cm×20 cm的枯落物样方,3种林地共9个样方。不分层收集每个样方内的枯落物并称其鲜重。称重后将不分层枯落物装入纱袋取回，在烘箱85℃下烘干24 h后取出称其干重。用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量，将烘干后的枯落物浸没于清水中，分别在浸泡1/12，0.25，0.5，1.5，3，7，9，12，24 h后取出，放至枯落物不滴水称量枯落物湿重。称量不同浸水时间的枯落物湿重,分别与其干重相减，其差值为枯落物不同浸水时间对应的的持水量；将每个浸水时间间隔持水量的变化值除以该浸水时间间隔，其比值为该时间段内的吸水速率[26]。枯落物的自然含水率、最大持水率、有效持水率、最大持水量和有效持水量的计算公式如下[4]：

Y0=(X0-Xd)/Xd×100%

(1)

Ymax=(X24-Xd)/Xd×100%

(2)

Ysv=0.85Ymax-Y0

(3)

Zmax=Ymax×M

(4)

Zsv=Ysv×M

(5)

式中：X0，Xd，X24为枯落物的鲜重、干重、浸泡24 h后的湿重；Y0，Ymax，Ysv为枯落物的自然含水率、最大持水率、有效持水率；Zmax,Zsv为枯落物的最大持水量和有效持水量，M为枯落物的蓄积量。

2.3 土壤采样与测定

在各标准样地内挖土壤剖面，取样深度分别为：0～20,20～40，40～60 cm和60～80 cm，自上而下用环刀分层取样，将土样带回分析。采用烘干法测定土壤自然含水量，用烘干法和浸水法测定土壤的持水性，用环刀法测定土壤密度、土壤容重和孔隙度等物理指标。土壤持水性能各项指标[17]的计算公式如下：

土壤最大持水量=土壤总孔隙度×土层厚度

土壤非毛管持水量=土壤非毛管孔隙度×土层厚度

土壤毛管持水量=土壤毛管孔隙度×土层厚度

3 结果与分析

3.1 不同林地枯落物的持水能力

3.1.1枯落物的蓄积量及其持水量

由表2可见：3种林地中油松林的枯落物蓄积量最大(32.67t/hm2)，灌木林蓄积量最小(12.93t/hm2)，枯落物蓄积量大小依次为油松林、栓皮栎林、灌木林。3种林分枯落物蓄积量有一定的差异，差异不显著(P<0.05)。枯落物蓄积量受到枯落物凋落量、枯落物在地表积累时间和微生物等对枯落物的分解速度的影响[2]，与气候、水热等外部环境条件有关[27-28]。栓皮栎因叶片大，枯落物堆积比较疏松；油松枯落物的分解速度慢，故针叶林枯落物蓄积量大于阔叶林[29-30]。

表2 不同林分类型枯落物持水能力Tab.2 The litter water-holding capacity of different forest types

注：表中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示不同林分类型指标间差异显著(P<0.05)。

最大持水量和最大持水率可以评价枯落物的持水特性，枯落物的实际拦蓄效果一般用有效拦蓄量和有效拦蓄率来反映[4]。3种林分栓皮栎林枯落物层最大持水量最大(103.53 t/hm2)，灌木林最大持水量最小(27.30 t/hm2)，通过方差分析，栓皮栎林与灌木林差异显著，栓皮栎林、灌木林与油松林差异不显著(P<0.05)。枯落物有效拦蓄量除与最大持水量有关外，与枯落物蓄积量和自然含水率的关系密切[26]。3种林分中栓皮栎林枯落物层有效拦蓄量最大(78.23 t/hm2)，灌木林有效拦蓄量最小(22.30 t/hm2)，通过方差分析，栓皮栎林与灌木林、油松林差异显著(P<0.05)。3种林地枯落物层最大持水量和有效拦蓄量表现出一致的规律，从大到小排序依次为栓皮栎林、油松林、灌木林，说明阔叶林的持水能力和拦蓄降水能力较好，这与枯落物本身的蓄积量以及枯落物的分解状况、枯落物层的厚度等有关[31]。

3.1.2枯落物持水量随时间的变化

由图1可以看出：3种林分的枯落物持水量随浸水时间变化规律基本一致，持水量随浸水时间增加而增大，0～2 h内枯落物持水量增加最快，随后持水量持续增加，但增长的幅度变慢，持水量曲线变得平缓，表明枯落物持水量趋于饱和，持水量达到最大。

图1 枯落物持水量与浸水时间的关系Fig.1 Change of water capacity of litter

对持水量与浸水时间进行多函数拟合比较，得出枯落物持水量与浸水时间的关系式为

Q=aln﹙t﹚+b

式中：Q为枯落物的持水量；t为浸水时间；a为方程系数；b为方程常数项。相关性较好(R2=0.714～0.949)。

3种林分枯落物在不同浸水时间内持水量有差异，栓皮栎枯落物在不同浸水时间内高于油松林和灌木林枯落物，灌木林地最小。

3.1.3枯落物吸水速率的变化

枯落物吸水速率可以用来反映枯落物的潜在持水能力，吸水速率越大，在相应时段内，枯落物吸收的水量就越大，从而地表径流量就越少[13]。从图2可以看出：枯落物吸水速率与浸水时间有一定的相关关系，随着时间增加，枯落物吸水速率减小并逐渐趋于平稳。

图2 枯落物吸水速率与浸水时间的关系Fig.2 Change of water absorption rate of litter

浸水初期枯落物吸水速率最高，随后的0～1 h急速下降，3 h以后缓慢下降后趋于平缓，12 h后几乎停止吸水。初期枯落物吸水快，对短历时、大暴雨所产生的地表径流影响显著，其持水能力是调节森林生态系统水分循环的重要环节[32]。将枯落物吸水速率与浸水时间进行函数拟合，得出的其关系式为

V=ktn

式中：V为枯落物吸水速率；k为方程系数；t为浸泡时间；n为方程指数。方程相关性好(R2在0.977～0.998之间)。

3.2 不同林地土壤层的持水能力

林地水分贮存的主要场所是土壤层，土壤层是森林生态系统调节地表水文过程、再分配水资源的载体[33]，其贮水量代表了土壤调蓄水分能力的大小，土壤层持水性能越好，其抗冲刷的能力就越强[34]。

3.2.1土壤持水量的垂直变化

从土壤持水量的垂直变化来看(见图3)，3种林分土壤的最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量变化较复杂。随土层深度的增加，最大持水量、毛管持水量呈增大趋势；非毛管持水量先增加，在40 cm土层达到最大，随后明显降低。不同林分土壤最大持水量从大到小排序为栓皮栎林、油松林、灌木林；土壤非毛管持水量从大到小排序为栓皮栎林、油松林、灌木林。综合来看，栓皮栎林持水量较大，土壤持水能力更强。

图3 土壤持水量垂直分布Fig.3 The vertical change of soil water capacity

3.2.2土壤层持水量

研究结果表明(见表3)：3种林分土壤层土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均表现为表层土壤(0～20 cm)大于同厚度(20～40，40～60，60～80 cm)的深层土壤，究其原因，表层土壤覆盖有腐烂的枯枝落叶，与外界环境物质的交换频繁，其在结构、质地以及有机质含量上远高于深层土壤，土壤容重更小、总孔隙度更大。通常情况下，总孔隙度越大，土壤容重越小，土壤的疏松程度和通气透水性越好，土壤发育就越好，土壤对水分蓄集和保持的能力越强[34]。

表3 不同林地土壤物理性质和持水能力Tab.3 The soil physical properties and water-holding capacity of different forest types

土壤的持水能力与土壤孔隙度有关，主要是与非毛管孔隙度有关，非毛管孔隙度的大小直接影响着土壤持水性能[17]，它们是决定林分涵养水源功能的重要指标。在0～80 cm土层中，土壤非毛管孔隙度的变动范围为1.6%～13.2%，由大到小排序依次为栓皮栎林、油松林、灌木林；土壤毛管孔隙度的变动范围为30.5%～38.1%，由大到小排序依次为栓皮栎林、油松林、灌木林。总体来看，栓皮栎林的土壤透气性好，利于植物吸收且保水能力强。

3.3 不同林分枯落物层和土壤层持水能力

不同林分类型的水文效应，应包括枯落物层和土壤层两方面。由表4可知：3种林分枯落物层和土壤层最大持水深总和与有效持水深总和从大到小排序均为栓皮栎林、油松林、灌木林，说明阔叶林的持水性最好，在营造人工林时，在针叶林和灌木的基础上适当种植阔叶林，能增加林地的持水能力。从枯落物层和土壤层持水量所占总持水量的比例来看，枯落物层最大持水量和有效持水量的数值均小于10%，说明林地土壤层持水能力对总持水能力的影响更大。

表4 不同林地枯落物层和土壤层持水能力Tab.4 The litter layer and soil layer water-holding capacity of different forest types mm

注：()内数值表示占总持水量的比例，%。

4 结 论

(1) 很多学者研究了不同林地枯落物层的持水性能，结果表明，不同林地未分解层枯落物和半分解层枯落物的持水量变化规律是不一致的。郑江坤[13]研究川中丘陵区几种林地发现，对于未分解层枯落物的持水量，慈竹林最大，针阔混交林最小；而未分解层，马尾松林最大，柏木林最小。赵芳[18]研究林下不同植被枯落物发现，未分解层枯落物拦蓄量，禾本科最大；半分解层，各类型差异不显著。常红娟[17]研究华北地区不同林分枯落物持水性能发现，未分解层枯落物持水量，油松林最大，栓皮栎林最小；而半分解层，油松林最大，针阔混交林最小。本研究结果表明，油松林的枯落物蓄积量最大(32.67 t/hm2)，灌木林荆条蓄积量最小(12.93 t/hm2)，枯落物蓄积量大小依次为油松林、栓皮栎林、灌木林；整体来看，3种林分枯落物层持水量和土壤层持水量由大到小排序均为栓皮栎林、油松、灌木林，说明阔叶林的持水性最好，持水能力更强。

(2) 不同林分枯落物持水量与浸泡时间符合方程Q=aln﹙t﹚+b，相关性较好；枯落物层吸水速率与浸水时间符合方程V=ktn，相关性好。土壤层持水量表现为表层土壤(0～20 cm)大于同厚度(20～40，40～60，60～80 cm)的深层土壤；随土层深度的增加，3种林分土壤分层累加持水量增大。

(3) 从枯落物层和土壤层持水量所占的两层总持水量比例来看，枯落物层最大持水量和有效持水量的数值均小于10%，说明林地土壤层持水能力对总持水能力的影响更大。

(4) 3种林分中栓皮栎林枯落物层最大持水量栓皮栎林与灌木林差异显著，栓皮栎林、灌木林与油松林差异不显著；有效拦蓄量栓皮栎林与灌木林、油松林差异显著。3种林地枯落物层最大持水量和有效拦蓄量表现出一致的规律，大小依次为栓皮栎林、油松林、灌木林。