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滇中磨盘山几种典型林分枯落物及土壤的持水特性

范文

张亚庆胡慧蓉

摘要：采用室内浸水法和环刀法分析滇中磨盘山4种典型林分枯落物及土壤持水特性，为研究该地区水土保育提供依据。4种林分枯落物层的总蓄积量为3.22～8.98 t/hm2，大小依次为华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林。各林分枯落物持水量、吸水速率随浸水时间分别呈Q=a+blnt、v=ktn的方程关系。4种林分枯落物的最大持水量为7.92～20.77 t/hm2，有效拦蓄量为4.46～12.85 t/hm2，均呈现出华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林，表明4种林分枯落物层华山松针叶林持水性能最强。在0～40 cm 的土层，土壤容重均值最大为华山松针叶林（0.84 g/cm3），最小的是高山栲常绿阔叶林（0.51 g/cm3）。非毛管孔隙度均值最大的是高山栲常绿阔叶林（16.97%），最小的是云南松+木荷混交林（8.69%）。土壤最大持水量均值为 586.60～777.13 t/hm2，有效持水量均值为109.33～207.25 t/hm2，4种林分土壤层持水性能表现为高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林。比较了滇中磨盘山4种林地枯落物层和土壤层的持水特征，发现枯落物层的持水量远低于土壤层。因此，高山栲常绿阔叶林持水性能最好。

关键词：典型林分;枯落物;土壤持水特性;滇中磨盘山;水土保育

中图分类号： S718.5

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0296-05

森林作为陆地生态系统的主体，具有最大的水源涵养和水土保持功能[1-2]。在森林垂直結构的3个层次中，枯落物层和土壤层对森林系统涵养水源具有重要意义，主要表现在阻滞分散降水、避免地面溅蚀、调节地表径流、削减水分蒸发、提高土壤蓄水量等方面[3]。同时，不同森林类型因为其林分发育环境、树种组成结构及其生产力存在差异，造成水土保持性能也有所不同[4-5]。因此，加强森林枯落物和土壤水文效应监测对于森林资源合理经营/改善森林水环境、利用水资源具有重要意义[6-7]。

云南横穿北回归线，地处低纬高原，气候类型多样，植被种类丰富。冬、夏半年各受2种不同大气环流影响（冬半年受北部大陆上空干暖气候控制，夏半年受海洋暖湿气流的控制），干、湿季分明，地域分配极不均匀。常伴有干旱和森林火灾等自然灾害的发生，因此研究其水分特性具有重要的意义。近年来，国内学者对我国不同地区森林枯落物及其土壤持水特性等内容已有较多的研究和报道[2，8-9]，但对云南高原垂直方向上亚热带向暖温带过渡地带各林分下的枯落物与土壤水分特性研究的相关报道并不多见，未能反映出滇中高原山地森林土壤及其枯落物的水文特征。本研究以滇中磨盘山4种典型林分高山矮栎林、高山栲常绿阔叶林、华山松针叶林、云南松+木荷混交林为研究对象，通过比较和分析4种典型林分枯落物及土壤的持水能力，以揭示其水文生态功能。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地滇中磨盘山地处云贵高原、横断山地和青藏高原南缘的地理结合部（101°16′06″～101°16′12″E、23°46′18″～23°54′34″N），海拔1 260.0～2 614.4 m，面积7 348.5 hm2。地处低纬高原，地形地貌复杂，兼具低纬气候、季风气候、山原气候的特点。年平均气温15 ℃，年平均降水量1 050 mm，极端最高气温33.0 ℃，极端最低气温-2.2 ℃，全年日照时数 2 380 h。磨盘山海拔高度不高，但因其特殊的地理位置导致立体气候明显，森林类型多样，植被种类丰富，随海拔的升高呈现出垂直分布特征。土壤以山地红壤和玄武岩红壤为主，局部地区有黄棕壤分布。土壤厚度以中厚土壤层为主，局部为薄土层，全区有效土层厚度约为40 cm。

1.2 样地设置与样品采集

2016年11月在前期踏查的基础上，以滇中磨盘山4种典型林分高山矮栎林、高山栲常绿阔叶林、华山松针叶林、云南松+木荷混交林为研究对象，根据典型性和代表性原则，在林内设置3个20 m×20 m标准地，并进行样地调查。样地基本情况见表1。

在上述4种典型样地内，沿对角线设5个面积为50 cm×50 cm[10]的小样方，小样方内的枯落物按分解程度划分为未分解层、半分解层2层，分层测量并取样称鲜质量。同时，分别挖掘4个土壤剖面，按0～10、10～20、20～40 cm划分土壤层，分层测定土壤自然含水率并取环刀，每层土壤测定重复3次。将枯落物样品与带土的环刀带回实验室，进行分析测定。

1.3 枯落物蓄积量及持水性能测定

枯落物蓄积量测定：将取得的枯落物称鲜质量，烘干高山矮栎林 2 504 NW62 29 黄棕壤 0.95 高山栎（Quercus semecarpifolia）、光叶柯（Lithocarpus mairei）、麻栎（Quercus acutissima）

高山栲常绿阔叶林 2 430 SW31 18 红壤 0.90 高山栲（Castanopsis delavayi）、小铁子（Myrsine africana）、滇青冈（Cyclobalanopsis glaucoides）

华山松针叶林 2 346 SW55 27 红壤 0.75 华山松（Pinus armandii）、青冈（Cyclobalanopsis glauca）、斜基叶柃（Eurya obliquifolia）

云南松+木荷混交林 2 160 SW43 15 红壤 0.85 云南松（Pinus yunnanensis）、云南含笑（Michelia yunnanensis）、木荷（Schima superba Gardn）

（80 ℃）至恒质量，计算枯落物的自然含水率及蓄积量。

枯落物持水量及吸水速率测定：采用室内浸水法，将烘干后的枯落物取部分（约20 g）称量装入尼龙网袋，分别测定其浸入清水后0.25、0.5、1、2、4、6、8、12、18、24 h的质量，由此计算在不同浸水时间段内枯落物的持水量、持水率及吸水速率[10-11]。计算公式为

式中：Q为枯落物不同时段的持水量，g/kg;Gt、Gd分别为每个时间段浸水后质量和枯落物烘干质量，g;v为枯落物的吸水速率，g/（kg·h）。

枯落物有效拦蓄量测定：采用有效拦蓄量来估算枯落物层对实际降水的有效拦蓄情况[12-14]。计算公式为式中：W为有效拦蓄量，t/hm2;Qm为最大持水率，%;Q0为自然含水率，%;M为枯落物蓄积量，t/hm2。

1.4 土壤物理性质及持水性能测定

采用烘干法测定土壤自然含水量，采用环刀法测定土壤容重、土壤水分物理性质、土壤孔隙度。土壤持水量计算公式为[12]式中：Rmax为土壤最大持水量，t/hm2;R为土壤有效持水量，t/hm2;h为土层厚度，m;pi为土壤总孔隙度，%;p为土壤非毛管孔隙度，%。

1.5 数据统计与分析

利用SPSS 16.0中的单因素方差分析检验4种典型林分枯落物不同分解层和土壤不同土层持水能力的差异显著性。采用Excel 2007进行图表处理和平均值等简单描述性统计分析。

2 结果与分析

2.1 典型林分枯落物持水特性

2.1.1 枯落物的蓄积量森林枯落物层的储水能力由枯落物数量和持水特性共同决定，一般枯落物的蓄积量越多，持水能力越强，其水源涵养功能越好[13]。由表2可知，4种林分枯落物总厚度在4.29～5.90 cm，大小依次为云南松+木荷混交林>高山矮栎林>华山松针叶林>高山栲常绿阔叶林，且各林分枯落物厚度均表现为未分解层>半分解层。4种林分枯落物总蓄积量在3.22～8.98 t/hm2，大小依次为华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林，华山松针叶林与高山矮栎林、高山栲常绿阔叶林间差异显著（P<0.05），林下枯落物的蓄积量约是高山矮栎林、高山栲常绿阔叶林的2倍。本研究结果与梁晓娇等的研究结论[15]一致，可能是由于针叶林的枯落物产量多、难分解，而阔叶林易于分解造成的[14]。枯落物总厚度与总蓄积量并未表现出一致的规律，这是因为森林系统不同树种组成和生长状况会不同程度地影响到枯落物的输入与分解，进而直接影响到森林枯落物的积累。其次，4种林分未分解层、半分解层蓄积量所占总蓄积量的比例也有不同，半分解层所占的比例较小，为21%～37%，未分解层所占的比例高达60%以上。本研究结果与赵雨森等的半分解层大于未分解层的研究结果[3，14]相反，但与赵阳等的研究结论[16]趋于一致，这与林木的凋落归还主要发生在秋冬季节有很大关系。

要指标[17]。枯落物持水量大小与森林类型、枯落物特性、枯落物分解状况、枯落物自然含水量等有直接关系[18]。由图1可知，4种林分所呈现出的变化规律基本一致，即浸水初期持水量迅速增加，中期增加的幅度随浸水时间的推移而下降，后期趋于穩定。同时，半分解层枯落物浸泡8 h已基本趋于稳定，而未分解层10 h才趋于稳定。由此可见，枯落物分解程度不同，其持水量动态也不相同。在未分解层，高山矮栎林累积持水量最大，为2 424 g/kg，华山松针叶林最小，为2 040 g/kg;半分解层华山松针叶林累积持水量最大，为3 123 g/kg，云南松+木荷混交林最小，为 2 897 g/kg。同一林分不同分解层间差异明显，但是半分解层累积持水量均大于未分解层，表明枯落物半分解层比未分解层吸水能力强。对4种林分枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间的关系进行回归分析，得出如下关系式：Q=a+blnt。式中：Q为枯落物持水量，g/kg;t为浸泡时间，h;b为方程系数;a为方程常数项。说明枯落物持水量与浸水时间存在较好的相关性（表3）。

由图2可见，4种林分枯落物的吸水速率表现出一定的规律性：在前0.5 h内吸水速率最大，之后急剧下降，4 h后下降速率逐渐变缓，24 h吸水基本停止，持水量趋于饱和。且不同林分半分解层吸水速率均大于未分解层，这与枯落物组成和分解速率等有关。对4种林分枯落物未分解层、半分解层吸水速率与浸水时间之间的关系进行回归分析，得出如下关系式：v=ktn。式中：v为枯落物吸水速率，g/（kg·h）;t为浸泡时间，h;k为方程系数;n为指数。说明凋落物吸水速率与浸水时间存在较好的相关性（表3）。枯落的持水过程与郑江坤等研究所得枯落物持水率及持水量随浸水时间呈对数增长、吸水速率随浸水时间呈幂函数下降的结论[10，13]趋势一致，说明降水的前期时间有利于枯落物的降水截留和储蓄[19]。

2.1.3 枯落物持水能力与拦蓄能力枯落物的持水能力是由最大持水率和最大持水量表示的。由表4可见，4种典型林分间枯落物最大持水率在223%～246%之间，依次为高山矮栎林>云南松+木荷混交林>华山松针林>高山栲常绿阔叶林;枯落物最大持水量差异显著，变幅为7.92～20.77 t/hm2，排序为华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林。其中华山松针叶林是高山矮栎林的2.62倍，原因是最大持水量是由其最大持水率和蓄积量共同决定的，蓄积量越大，持水量越高。

一般认为，枯落物浸水24 h的持水率（量）为最大持水率（量），是理想状态下的反映。在现实中，采用有效拦蓄量估算枯落物层对降水的实际拦蓄情况[12-14]。由表4可知，4种林分枯落物有效拦蓄率在129%～145%，高山栲常绿阔叶林> 华山松针叶林>高山矮栎林>云南松+木荷混交林。枯落物有效拦蓄量在4.46～12.85 t/hm2，华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林，华山松针叶林是高山矮栎林的2.88倍。4种林分枯落物有效拦蓄量差异显著，其中华山松针叶林地表枯落物拦蓄能力最强，因此在保持水土和涵养水源过程中发挥重要的作用。

2.2 典型林分土壤持水特性

2.2.1 典型林分土壤容重及孔隙度土壤容重和孔隙度是土壤物理特性的2项重要指标，反映土壤的通气透水情况，进而影响土壤持水性能[9]。由表5可知，在0～40 cm的土层内，土壤容重均值在0.51～0.84 g/cm3，大小为华山松针叶林> 云南松+木荷混交林>高山矮栎林>高山栲常绿阔叶林，且4种林分土壤容重变化趋势一致，均随土壤深度的增加而不断增大。除了云南松+木荷混交林和华山松针叶林 20～40 cm之外，其他各林分0～40 cm土壤容重均<1 g/cm3。产生此现象的原因主要是土壤表层富含大量的有机质，随土层加深，含量才逐渐减少，使土壤团聚性降低，增加了土壤的紧实度。

与容重相反，土壤孔隙度总体上呈现出随土壤深度的增加而逐渐减小的趋势，即表层土壤比较疏松，深层土壤比较紧实。由表5可见，在0～40 cm的土层内，4种林分土壤总孔隙度均值在45.98%～59.84%，大小依次为高山矮栎林>高山栲常绿阔叶林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林。毛管孔隙度均值在37.29%～46.04%，大小变化趋势依次为高山矮栎林>华山松针叶林>高山栲常绿阔叶林>云南松+木荷混交林。毛管孔隙度越大，土壤中贮存的有效水越多，对维持树木自身的生长发育越有利。非毛管孔隙度均值在 8.69%～16.97%，高山栲常绿阔叶林约是云南松+木荷混交林的2倍，非毛管孔隙度越大，越有利于土壤渗透和降水下渗，起到涵养水源的作用，即高山栲常绿阔叶林土壤通透性最好，云南松+木荷混交林相对较差。

2.2.2 典型林分土壤持水性能土壤持水性作为土壤生态功能的重要指标，不仅反映了土壤蓄集和保持水分的能力，同时也反映出土壤一定的抗水蚀性，其大小主要取决于土壤厚度、土壤孔隙度状况等[20]。土壤最大持水量是由毛管孔隙度与非毛管孔隙度共同决定的，反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[5，21];而土壤有效持水量与非毛管孔隙度呈显著正相关关系，非毛管孔隙度越大，土壤越能及时地吸收降水并下渗，越有利于提高土壤有效持水量[22]。由表5可知，4种典型林分同一土层持水性能差异显著，但是各林分土壤最大持水量、有效持水量表现出相似的变化规律。从4种林分0～40 cm 的土壤最大持水量、有效持水量均值来看，均表现为高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林，说明高山栲常绿阔叶林的土壤层持水能力最强。

2.3 典型林地持水特性

林地持水量是土壤层与枯落物层持水量的综合反映，其持水性能与枯落物层、土壤层持水性能密切相关，能够有效地反映各林地对降水的拦蓄能力[22]。由表6可知，比较4种林分枯落物层和土壤层的持水特性，得知枯落物层的持水量远低于土壤层。此结论与陈倩等的研究结果[9，12]基本一致，进一步表明土壤层是森林涵养水源的主要场所。4种林地最大持水量变化范围为598.52～786.13 t/hm2，排序为高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林;林地有效持水量变化在115.76～213.11 t/hm2，其中高山栲常綠阔叶林约是云南松+木荷混交林的2倍，结果表明高山栲常绿阔叶林保持水土和涵养水源的能力最强。虽然土壤是森林涵养水源的主体，但是林地表层枯落物组成、累积和分解状况有利于提高土壤的质地与结构，进而提高土壤的持水性能。所以，加强对现有的森林生态系统的整体经营调控很有必要。

3 结论

4种典型林分枯落物的总厚度在4.29～5.90 cm，云南松+木荷混交林>高山矮栎林>华山松针叶林>高山栲常绿阔叶林;总蓄积量在3.22～8.98 t/hm2，华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林。

整个吸水过程分析：枯落物在前0.5 h内吸水速率最大，之后急剧下降，4 h下降速率逐渐变缓，24 h吸水基本停止。枯落物的持水量随浸水时间呈Q=a+blnt对数增长的方程关系，吸水速率随浸水时间呈v=ktn幂函数下降的方程关系。受枯落物蓄积量的影响，4种典型林分枯落物层的最大持水量、有效拦蓄量均呈现出华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林，表明在枯落物层华山松针叶林的持水能力较好。

4种林分间土壤容重和孔隙度差异较大，在0～40 cm 的土层内，土壤容重均值大小为华山松针叶林>云南松+木荷混交林>高山矮栎林>高山栲常绿阔叶林，且随着土层的加深不断的增大;总孔隙度和毛管孔隙度均表现为高山矮栎林最大，云南松+木荷混交林最小;非毛管孔隙度均值排序为高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林，即高山栲常绿阔叶林的土壤通透性最好?从4种林分0～40 cm的土壤层最大持水量、有效持水量均值来看，均表现为高山栲常绿阔叶林>高山矮栎林>华山松针叶林>云南松+木荷混交林，说明在土壤层高山栲常绿阔叶林的持水能力最强。

综合比较滇中磨盘山4种林分枯落物层和土壤层的持水特性，得知枯落物层的持水量远低于土壤层，整个林地的4种林分最大持水量、有效持水量均表现为高山栲常绿阔叶林持水性能好，能够更好地涵养水源。

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