东部山地不同林型枯落物及土壤水文效应

Hydrological Effects of Litter and Soil in Different Forest Types in Eastern Mountainous Areas

摘要

水源涵养林构建及质量提升是森林经营管理的重要研究内容之一。通过研究枯落物和土壤水文效应，比较黑龙江省东部山地阔叶红松林（KH）、云冷杉林（YLS）、落叶松林（LYS）和蒙古栎林（MGL）4种林型水源涵养功能差异。结果表明，4种林型枯落物总厚度为3.08~7.78 cm，蓄积量为7.65~11.08 t/hm²。枯落物未分解层有效拦蓄量为2.58~15.41 t/hm²、有效拦蓄率为56.02%~216.67%；半分解层有效拦蓄量为0.95~9.88 t/hm²、有效拦蓄率为62.78%~281.29%，未分解层的水源涵养功能更高。枯落物浸水时间与枯落物持水量表现为对数关系，与吸水速率则为幂函数关系。4种林型土壤孔隙度随土层增加而减小，与土壤容重成反比。阔叶红松林、云冷杉林、落叶松林、蒙古栎林林型0~20 cm土层土壤饱和持水量为973.41~1 085.08 t/hm²。4种林型总持水量由大到小为KH、LYS、MGL、YLS，其中土壤层在森林水源涵养功能发挥中起关键作用，其持水量占总持水量的97.41%~98.15%。研究结果为该地区水源涵养林提质改造提供理论依据。

Abstract

The construction and quality improvement of water conservation forests are important research contents in forest management. This paper compares the differences in water conservation functions among four forest types in the eastern mountainous areas of Heilongjiang Province through the study of litter and soil hydrological effects： Korean pine-broadleaved forest （KH）， spruce-fir forest （YLS）， larch forest （LYS）， and Mongolian oak forest （MGL）. The results indicate that the total thickness of the litter layer for the four forest types in the mountainous areas of eastern Heilongjiang Province varies from 3.08 to 7.78 cm， and the litter stock volume ranges from 7.65 to 11.08 t/hm². The effective water retention capacity of the undecomposed litter layer is 2.58-15.41 t/hm²， with an effective retention rate of 56.02%-216.67%. The effective water retention capacity of the semi-decomposed layer is 0.95-9.88 t/hm²， and the effective retention rate reaches 62.78%-281.29%. The water conservation capacity of the undecomposed layer is higher. The immersion time of the litter has a logarithmic relationship with the litter's water holding capacity and a power function relationship with the water absorption rate. For the four forest types， the soil bulk density increases with the increase of soil depth， while the soil porosity decreases. The soil saturated water holding capacity in the 0-20 cm soil layer of KH， YLS， LYS， and MGL ranges from 973.41 to 1，085.08 t/hm². The total water holding capacity of the four forest types， from largest to smallest is KH， LYS， MGL， and YLS. The soil layer plays a key role in the water conservation function of forests， with a water holding capacity of 97.41%-98.15% of the total water holding capacity. The research results provide a theoretical basis for the quality improvement and transformation of water conservation forests in this region.

Graphical abstract

关键词

东部山地 / 不同林分类型 / 枯落物持水性 / 土壤持水性 / 森林水源涵养功能

Key words

Eastern mountainous region / different forest types / water holding capacity of litter / water holding capacity of soil / water conservation of forest

0 引言

水源涵养功能是森林对降水重新分配及调蓄能力的体现。森林通过乔灌草等地上植被构成的林冠层，林下枝桠、落叶和种子等凋落物构成的枯落物层，以及对降水进行重新分配与调节的林下土壤层，其中枯落物层与土壤层，在拦蓄降水、减少地表径流形成及阻挡土壤冲蚀等方面发挥显著作用。由于不同林分类型植被结构存在差异，致使森林水文功能呈现出多样化的特点^［1］。因此，研究人员针对不同区域森林水文功能及水源涵养能力展开了深入的探究，结果表明林分类型^［2-4］、林分密度^［5-7］和经营方式^［8-10］等对森林水源涵养功能存在影响，但其变化规律、驱动因子及其内在影响机理尚未完全明晰。这使得研究人员在对森林生态系统水文功能开展定量研究时面临诸多阻碍^［11］。

黑龙江省东部山地是松花江水系的源头及重要水源涵养功能区^［12］，天然林与人工林交错分布，原始地带性顶级森林植被类型为阔叶红松林，其他森林类型涵盖了受损恢复后的天然次生林及人工营造林等。目前，水源涵养林更新迟滞、林分结构不合理、群落多样性及稳定性较差^［13］，森林在水源涵养方面的功能难以充分施展，其效用也无法得到有效体现。目前有关东部山地水源涵养能力的研究正在进行中，主要集中在灌木林^［14］、次生林水源涵养^［15］和土壤优先流等^［16］，在不同林分类型水源涵养功能差异方面的相关研究还不够充分，亟须进行完善。因此，深入探究黑龙江省东部山地不同林分类型森林水文过程，可为水源涵养林构建及质量提升提供理论依据，对于筑牢北方生态安全屏障具有不可忽视的意义。

1 研究区与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于黑龙江牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站，该观测研究站地处长白山支脉老爷岭东侧，平均海拔600 m。该区域为中高纬度北温带大陆性季风气候，年降水量为430~520 mm。研究区代表性林型主要为阔叶红松天然林、云冷杉天然林、蒙古栎天然林和落叶松人工林等。

1.2 样地设置

于2024年5月在定位观测研究站内，选取阔叶红松林（KH）、云冷杉林（YLS）、落叶松林（LYS）和蒙古栎林（MGL）4种典型林分类型设置研究样地，样地大小为20 m×20 m，每种林型设置3个重复样地，且间距大于100 m。样地概况见表1。

1.3 枯落物样品采集及测定

2024年10月对枯落物样品进行采集。在样地内，随机设置3个1 m×1 m的枯落物收集样方。分别测量未分解层和半分解层枯落物厚度及总鲜质量。称量后，将部分枯落物样品回试验室，其余样品归还样地。带回试验室的枯落物样品分成2部分，一部分于65 ℃烘干至恒质量，用于测定蓄积量；一部分自然风干，用于后续研究。称取50 g左右（精确到0.01 g）风干枯落物样品装入孔径为0.1 mm的尼龙网袋没入水中进行浸泡，用于测定枯落物持水量，称量浸泡0.5、1、2、4、8、12、24 h后的质量，每次称量需取出悬挂至不再滴水。浸泡24 h后于室温（25℃）悬挂0.5、1、2、4、8、12、24 h，分别称量自然失水后的质量，并于24 h后全部于65 ℃烘干并记录烘干后的质量。计算方法参照王零等^［5］，公式为

R_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\left(M_{\mathrm{24}}-M_{\mathrm{a}}\right)/M_{\mathrm{a}}\times \mathrm{100}\%。（1）

W=M\times R_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}。（2）

W_{\mathrm{s}\mathrm{v}}=\left(\mathrm{0.85}{R}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-R_{\mathrm{0}}\right)。（3）

W_i=\left(M_i-M_{\mathrm{b}}\right)/M_{\mathrm{b}}\times \mathrm{1}\mathrm{000}。（4）

W_j=\left(M_{\mathrm{24}}-M_j\right)/M_{\mathrm{b}}\times \mathrm{1}\mathrm{000}。（5）

V_{ij}=W_{ij}/T_{ij}。（6）

式中：R_max为枯落物最大持水率；W为枯落物最大持水量；W_sv为枯落物有效拦蓄量；W_i 为枯落物浸水第i小时的持水量；W_j 为枯落物失水第i小时的失水量；M₂₄为枯落物浸水24 h的质量；M_a为枯落物烘干后的质量；M_b为枯落物风干后的质量；M为枯落物蓄积量；R₀为枯落物自然含水率；M_i 为枯落物浸水第i小时（i=0.5，1，2，4，8，12，24）的质量；M_j 为枯落物失水第j小时（j=0.5，1，2，4，8，12，24）的重量；V_ij 为枯落物浸水或失水的速率；W_ij 为枯落物浸水或失水量；T_ij 为枯落物浸水或失水的时间。

1.4 土壤样品采集及测定

2024年8月采集土壤样品。每个样地沿对角线挖掘3个土壤剖面，用环刀采集深度为0~10、10~20、20~30、30~50 cm的土壤样品，每层采集3个样品。土壤样品的采集及含水率、容重和孔隙度等指标计算按照LY/T 1215—1999《森林土壤水分—物理性质的测定》要求进行，公式为

W_{\mathrm{t}}=\mathrm{10}\mathrm{000}\times P_{\mathrm{t}}\times H。（7）

W_{\mathrm{a}}=\mathrm{10}\mathrm{000}\times P_{\mathrm{a}}\times H。（8）

W_{\mathrm{b}}=\mathrm{10}\mathrm{000}\times P_{\mathrm{b}}\times H。（9）

式中：W_t为土壤饱和持水量；W_a为土壤毛管持水量；W_b为土壤非毛管持水量；P_t为土壤总孔隙度；P_a为土壤毛管孔隙度；P_b为土壤非毛管孔隙度；H为土层厚度。

1.5 数据处理与分析

采用Excel和SPSS对数据进行统计作图，采用单因素方差分析（ANOVA）进行差异显著性检验（P<0.05），采用Duncan检验进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 东部山地不同林型枯落物水文效应

2.1.1 枯落物特征

由图1结果可知，不同林型枯落物总厚度为3.08~7.78 cm，未分解层枯落物厚度大于半分解层，未分解层枯落物厚度由大到小为MGL、YLS、KH、LYS，半分解层枯落物厚度由大到小为KH、LYS、MGL、YLS。其中MGL受叶片形态影响，其未分解层枯落物厚度显著高于其他3种林型（P<0.05）。不同林型枯落物蓄积量为7.65~11.08 t/hm²，枯落物蓄积量表现出与枯落物厚度相同的变化趋势。未分解层及半分解层枯落物总厚度由大到小为MGL、KH、LYS、YLS，其中MGL及KH林型枯落物总蓄积量显著高于YLS和LYS林型（P<0.05），除KH外，MGL、YLS、LYS 3种林型未分解层枯落物蓄积量大于半分解层，这可能是KH林微生物多样性较高，导致其枯落物降解速率大于其他3种林型。

2.1.2 枯落物持水能力

枯落物持水能力结果见表2。4种林型未分解层最大持水率为194.43%~306.89%，最大持水量为5.89~15.46 t/hm²；半分解层最大持水率为224.36%~385.38%，最大持水量为7.7~17.58 t/hm²，相较于未分解层，半分解层的最大持水量和最大持水率更高。而不同林型间，枯落物未分解层最大持水量由大到小为MGL、KH、YLS、LYS，半分解层最大持水量由大到小为MGL、KH、LYS、YLS；枯落物未分解层最大持水率由大到小为KH、LYS、MGL、YLS，半分解层最大持水率由大到小为YLS、MGL、LYS、KH。结果表明，相较于其他3种林型，不同层的MGL枯落物均具有较大的持水量，KH未分解层枯落物具有较大持水率。

由表2可知，4种林型的枯落物未分解层有效拦蓄量为2.58~15.41 t/hm²（由大到小为MGL、KH、LYS、YLS），半分解层有效拦蓄量为0.95~9.88 t/hm²（由大到小为MGL、KH、YLS、LYS），且差异显著。不同林型枯落物有效拦蓄率差异显著，未分解层为56.02%~216.67%（由大到小为MGL、KH、LYS、YLS），半分解层为62.78%~281.29%（由大到小为KH、MGL、YLS、LYS）。结果表明，MGL及KH枯落物层相较YLS和LYS的枯落物层对降水的拦蓄能力更强。

2.1.3 枯落物持水动态

不同枯落物层持水动态如图2所示，东部山地不同林型枯落物持水量随浸泡时间延长而增加，在浸泡最初2 h增量较大，随后增量减小。枯落物浸水各时间段，枯落物未分解层持水量由大到小为MGL、KH、LYS、YLS，半分解层持水量由大到小为KH、MGL、LYS、YLS。4种不同林型的枯落物吸水速率曲线与持水量曲线趋势相反，初始浸泡速率最高，随着时间的延长吸水速率迅速降低，直至趋近于0。4种不同林型未分解层枯落物初始吸水速率由大到小为MGL、KH、LYS、YLS，且差异显著（P<0.05），这种差异随着吸水时间延长而减小，8 h趋于相同。而不同林型半分解层枯落物吸水速率差异不显著。

拟合分析结果见表3，东部山地不同林型枯落物持水量W（t/hm²）与浸水时间t（h）存在对数关系，拟合方程为W=aln（t）+b；枯落物吸水速率V（t/（hm²·h））与浸水时间t（h）呈幂函数关系，拟合方程为V=ct^d。

2.2 东部山地不同林型土壤水文效应

2.2.1 土壤容重和孔隙度

由表4可知，不同林型土壤容重随土层深度增加而增大。KH平均土壤容重为1.18 g/cm³，低于LYS（1.29 g/cm³）和YLS（1.39 g/cm³）。除MGL外，其他3种林型土壤非毛管孔隙度和毛管总孔隙度随土层增加而减小。土壤总孔隙度在不同土层中大致由大到小表现为KH、YLS、LYS。MGL林下0~10 cm为土壤层，10~20 cm土层土壤砂质质量分数较高，20~50 cm则完全为砂砾层。因此本研究中MGL林下只对0~10 cm和10~20 cm 2个土层进行取样分析。结果表明，MGL林下土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度及总孔隙度随土层增加而减小。

2.2.2 土壤持水能力

由图4可知，4种林型0~20 cm土层毛管持水量与饱和持水量分别为831.82~980.87 t/hm²和973.41~1 085.08 t/hm²，不同林型土壤饱和持水量由大到小为KH、MGL、LYS、YLS；20~50 cm土层毛管持水量与饱和持水量分别为1 013.71~1 317.55 t/hm²和1 073.52~1 360.67 t/hm²，不同林型土壤饱和持水量由大到小为KH、YLS、LYS。

2.3 东部山地不同林型水源涵养功能

由于MGL土壤20 cm以下为砂砾，因此对不同林型0~20 cm土壤及枯落物未分解层和半分解层总持水量进行统计，以此作为不同林型森林水源涵养能力的指标，结果如图5所示。4种林型土壤层在森林水源涵养功能发挥中起关键作用，土壤持水量占总持水量的97.41%~98.15%。不同林型在水源涵养能力发挥中表现出差异，由大到小为KH、LYS、MGL、YLS，其中KH土壤及枯落物持水量均较高。

3 讨论

3.1 枯落物水源涵养功能

目前，国内外在对枯落物层的涵养水源功能进行研究时，通常选取持水量和有效拦蓄量作为主要评定指标^［17-19］。枯落物持水量通常受枯落物种类、分解程度和自然持水量等因素影响。而有效拦蓄量反映枯落物实际的拦蓄能力，除受枯落物种类、分解程度等因素影响外，通常还受降雨情况、地形条件等因素交互影响。本研究中，4种林分类型未分解层和半分解层枯落物的最大持水率为194.43%~385.38%，最大持水量为5.89~17.58 t/hm²，半分解层的最大持水量及最大持水率高于未分解层。此外，研究表明影响4种林型枯落物最大持水情况及有效拦蓄情况的主要影响因子为枯落物蓄积量，且二者极显著正相关（P<0.01），这一结论与卢德浩等^［3］研究结果相吻合。施宇等^［20］对东北地区主要树种未分解凋落叶水源涵养能力与叶性状的耦合关系研究结果表明，比叶面积是影响未分解凋落叶水源涵养能力的主要因素，未分解层最大持水率由大到小为落叶松、蒙古栎、红松、红皮云杉，这一结果能够解释本研究中未分解层最大持水率由大到小为LYS、MGL、KH、YLS。半分解层的持水能力较强，可能是因为其自身化学组成、含碳率等因素在发挥作用^［3］。4种林型未分解层有效拦蓄量和有效拦蓄率均由大到小为MGL、KH、LYS、YLS，这可能是因为阔叶树种相比于针叶树种，其枯落物叶面积更大，叶片结构更复杂，能够阻挡吸收更多的水分进入土壤^［21］。4种林型枯水浸入时间与枯水持水量成对数函数关系，与吸水速率成幂函数关系，这一结论与过往相关研究成果^{［17，22-23］}相契合，进一步验证了枯落物水文特性变化的普遍规律。

3.2 土壤水源涵养功能

土壤的水源涵养功能一般以土壤持水能力作为直观体现，而这一能力主要与土壤孔隙结构密切相关。本研究中土壤持水量与土壤孔隙度的关系与以往研究结果相符^［24］，均表现为正相关，并对土壤持水能力有益；而土壤非毛管孔隙度影响土壤透水通气的能力，能够加速进入土壤的水分迅速向下渗透，减小了降水对土壤的冲击。本研究中4种不同林型土壤容重随土层增加而增大，孔隙度随着土层增加而减小。本研究表明，0~20 cm土层土壤饱和持水量由大到小为KH、MGL、LYS、YLS。这是因为阔叶红松林具有更为丰富的生物多样性，其枯落物更容易分解，增加了土壤有机质、改善了土壤孔隙结构^［25］；同时，阔叶红松林丰富的根系结构及多样的根系分泌物，能够形成更稳定的土壤团粒结构，从而提高阔叶红松林土壤的水源涵养功能。

3.3 林型对森林生态系统水源涵养功能的影响

不同地域研究表明，不同林型对森林生态系统水源涵养功能存在影响。Tang等^［19］对我国西南地区3种典型马尾松林枯落物水文功能研究结果表明，马尾松混交林枯落物持水及缓冲能力优于马尾松纯林。黄土高原2种代表林型水土保持功能评估结果表明，天然次生林在水源涵养及水土保持方面优于人工林^［26］。陈晶亮等^［17］研究结果表明宁夏罗山自然保护区混交林比纯林在水土保持和水源涵养方面更具优势。本研究结果与不同地域研究结果表现出相同规律，阔叶红松林（混交林）由于具有多样的乔木层和灌草层，地上丰富的枯落物种类及地下复杂的根系系统，在森林生态系统水源涵养功能发挥方面更具优势。因此，以水源涵养为目的营建的水土保持林，应选用当地优势树种，以近自然种植模式开展营建工作，避免种植人工纯林；对现有低质水源涵养林改造，应优先调整林分结构，增加植被多样性，从而提升其水源涵养功能。

4 结论

1）黑龙江省东部山地4种林型枯落物总厚度为3.08~7.78 cm，蓄积量为7.65~11.08 t/hm²。枯落物未分解层有效拦蓄量2.58~15.41 t/hm²、有效拦蓄率56.02%~216.67%，半分解层有效拦蓄量为0.95~9.88 t/hm²，有效拦蓄率为62.78%~281.29%。拟合分析结果表明，东部山地不同林型枯落物持水量和吸水速率与枯落物浸水时间分别为对数函数关系和幂函数关系。

2）4种林型土壤容重随土层增加而增大，总土壤孔隙度随土层增加而减小。0~20 cm土层土壤饱和持水量由大到小为KH、MGL、LYS、YLS。

3）4种林型持水量由大到小为KH、LYS、MGL、YLS，土壤层在森林水源涵养功能发挥中起关键作用，其持水量平均占总持水量的97.86%。

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基金资助

黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZKYF2024-1-B021)