森林具有保持水土、涵养水源的功能。枯落物层作为森林水文效应的第二活动层,直接覆盖地表,能够拦截降水,增加降水入渗,减少地表径流[1,2,3]。土壤层作为森林水文效应的第三活动层,有利于雨水下渗,使森林生态系统涵养水源的功能更好地发挥出来[4]。不同类型的森林植被影响着森林水文调节效果,目前对森林水源涵养效应的研究主要涉及同一区域不同林型、同一林分类型不同密度、不同混交方式、不同海拔、不同演替阶段等的林分水源涵养功能的研究[5,6,7,8,9,10]。对于红松林持水性能的研究主要集中于红松人工林,极少涉及红松天然林[4,5,7,11,12,13,14,15,16]。

丰林自然保护区主要保护对象是以红松为主的北温带针阔叶混交林生态系统,保护区内保存着我国目前最典型、最完整的原始红松针阔混交林[17]。本文对保护区内不同密度原始红松林枯落物和土壤持水特性进行比较分析,可为该地区的生态环境保护提供理论支持。

1、研究地区概况

丰林自然保护区位于东北地区小兴安岭南坡北缘,地理坐标为128°58′～129°15′E,48°02′～48°12′N。植物区系属长白植物区系小兴安岭亚区,地带性植被是以红松为优势的温带针阔叶混交林,主要类型为椴树红松林、枫桦红松林、云冷杉红松林和云冷杉林等仍具有原始林特色的针阔混交林、针叶混交林,少量分布天然次生林[17]。本试验红松原始林主林层为红松,更新层有云杉、冷杉、紫椴、青楷槭和裂叶榆等。

2、研究方法

2.1样地设置

2017年6月下旬,在80、180、360株/hm2的天然红松林(分别以FH1、FH2、FH3表示)内各设置3块20m×25m标准地,对其中的林木进行胸径、树高等调查,样地基本情况见表1。

表1丰林自然保护区原始红松林样地基本特征

2.2林下枯落物采集与蓄积量测定

在各标准地内随机设置3个50cm×50cm的枯落物收集样方,将未分解层和半分解层分别装入密封袋中,并在收集的过程中记录枯落物层厚度。实验室内称自然状态质量,在80℃烘箱中烘至恒重后称其烘干质量,以烘干质量推算枯落物蓄积量[6,8]。

2.3枯落物持水的测定

将烘干后的样品装入网眼为0.5mm的尼龙网袋中,放置在盛有清水的白盒中浸泡,分别在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24h时取出,静置至不滴水时立即称质量,计算持水量、吸水速率和拦蓄量等指标[1,2,3,4]。

2.4土壤持水的测定

采用剖面法,在各个样地的四角和中间分别选取5个剖面,用环刀(100cm3)在每个剖面上按照0～10、10～20、20～30cm分层垂直采样,每层一个样品,同时用铝盒取土样,用烘干法测定土壤含水量;用环刀法测定土壤容重、孔隙度[7,9]。

2.5数据统计与分析

采用Excel和SPSS21.0,进行单因素方差分析(one-wayANOVA)和LSD多重比较,显著性水平为0.05,采用Excel制图。

3、结果与分析

3.1枯落物层蓄积量

枯落物层的厚度范围为2.33～5.10cm,FH2与FH3枯落物厚度差异显著(p<0.05),FH1与FH2未分解层厚度差异显著(p<0.05),见表2。枯落物总蓄积量为10.10～13.96t/hm2,各密度间差异不显著。各密度林分枯落物层厚度和蓄积量均为半分解层高于未分解层。

表2丰林自然保护区原始红松林枯落物层厚度及蓄积量

注:表中数据为3个标准地的平均值±标准误差。同列不同字母表示差异显著(p<0.05),下同。

3.2枯落物持水过程

不同类型枯落物持水量随浸水时间的延长均呈增加趋势(图1),浸水0.5h,持水量急速增加,持水量可达最大持水量的75%以上,浸水0.5～4h,持水量增加变缓,随后持水量增加速度保持稳定,10h持水量可达到最大持水量的94%以上,直至饱和。

图1丰林自然保护区原始红松林枯落物持水量随浸泡时间的变化

在浸水过程中同时间段持水量比较,总持水量、半分解层持水量FH3>FH2>FH1,未分解层持水量FH3>FH1>FH2。

不同类型枯落物层吸水速率随浸水时间的变化均呈下降趋势(图2),浸水0.5～4h,枯落物吸水速率直线下降,4～8h吸水速率下降变缓,而后枯落物吸水速率趋向一致,曲线趋于平直。在浸水过程中,3种密度的林分同时间段吸水速率的排序与持水量排序一致。

图2丰林自然保护区原始红松林枯落物吸水速率随浸泡时间的变化

枯落物层浸水0.5～24h的持水量W(t/hm2)与浸泡时间t(h)的关系可以用一元对数方程进行拟合,枯落物的吸水速率V(t/(hm2·h))与浸泡时间t(h)的关系符合幂函数模型,见表3。

表3丰林自然保护区原始红松林枯落物持水量及吸水速率特征曲线拟合

3.3枯落物自然含水量、最大持水量和有效拦蓄量

3种密度的红松原始林枯落物自然含水量差异不显著(p>0.05)。从枯落物各组分来看,半分解层自然含水量高于未分解层,见表4。

3种密度的红松原始林枯落物最大持水量相当于可吸收2.2～2.9mm的降水,差异不显著(p>0.05)。从枯落物各组分来看,半分解层最大持水量高于未分解层,见表5。

3种密度的红松原始林枯落物最大持水率相当于可吸收自身干重2.1～2.3倍的降水,差异不显著(表5)。从枯落物各组分来看,FH1未分解层最大持水率大于半分解层,FH2和FH3半分解层最大持水率大于未分解层。

表4丰林自然保护区原始红松林枯落物自然含水量

表5丰林自然保护区原始红松林枯落物最大持水量和最大持水率

3种密度的红松原始林枯落物有效拦蓄量范围为3.81～9.66t/hm2,未分解层、半分解层及全部枯落物有效拦蓄量排序均为FH3>FH2>FH1,差异显著(p<0.05),见表6。从枯落物各组分来看,未分解层有效拦蓄量大于半分解层。

表6丰林自然保护区原始红松林枯落物有效拦蓄量

3.4土壤物理性质和持水量垂直分布特征

在0～30cm深度,FH2和FH3林分3个土层间的土壤容重表现为表层最低,随土层加深而增加,FH1无显著变化,见表7;各林分3个土层间的土壤总孔隙度有显著差异(p<0.05),表现为表层最高,随土层加深而降低。非毛管孔隙度在各林分表现的不同,在FH1林分内无显著差异,在FH2林分内随土层加深而增加,在FH3内呈现随土层加深而降低趋势;各林分3个土层间的最大持水量有显著差异(p<0.05),表现为表层最高,随土层加深而降低。有效持水量在各林分表现的不同,在FH1林分内无显著差异,在FH2林分内随土层加深而增加,在FH3林分内呈现随土层加深而降低趋势。

3.5不同密度的林分土壤层物理性质和持水量

3种密度的林分土壤容重均值(0～30cm)范围为0.78～0.90g/cm3(表8),差异不显著。土壤总孔隙度排序为FH2>FH1>FH3,FH2显著高于FH3(p<0.05),非毛管孔隙度排序为FH2>FH3>FH1,且FH2和FH3显著高于FH1(p<0.05)。

土壤最大持水量范围为1723.43～1991.30t/hm2,FH2>FH1>FH3。土壤有效持水量范围为229.70～441.57t/hm2,FH2>FH3>FH1。FH2土壤最大持水量显著高于FH3,有效持水量显著高于FH1(p<0.05)。

表7丰林自然保护区原始红松林土壤物理性状及持水量垂直变化

表8丰林自然保护区不同密度原始红松林土壤容重及土壤持水量比较

3.6森林地表层持水能力综合评价

森林持水能力主要受枯落物层和土壤层影响,林地最大持水量相当于水源涵养能力的理论值,而有效持水量更能反映其实际持水能力[18,19]。

以枯落物层和土壤层(0～30cm)蓄水之和进行比较,FH2林地表层最大持水量和有效持水量均最高,且最大持水量显著高于FH3,有效持水量显著高于FH1(p<0.05),见表9。

各林地土壤层最大持水量占林地最大持水量总和的百分比均达到98%以上(表9),土壤层有效持水量占林地有效持水量总和的97%以上,说明土壤层对森林涵养水源的作用是主要的。

表9不同密度红松原始林枯落物层和土壤层的持水总量

表9不同密度红松原始林枯落物层和土壤层的持水总量

4、讨论与结论

4.1讨论

原始红松林的枯落物厚度FH3>FH1>FH2,枯落物蓄积量差异不显著(表2),主要是由于FH2和FH3林下取样时部分样点有果实,果实分布不均对枯落物蓄积量影响较大。有研究表明,阿什河流域帽儿山地区红松人工纯林及混交林枯落物蓄积量为6.35～19.07t/hm2[4,7,12,13],浑河上游红松人工林和红松阔叶混交林枯落物蓄积量分别为17.83t/hm2和21.20t/hm2[14],老秃顶子国家级自然保护区内红松林枯落物蓄积量为27.58t/hm2[11],长白山红松阔叶林枯落物蓄积量为4.68t/hm2[5]。本试验林分枯落物总蓄积量为10.10～13.96t/hm2,与阿什河流域红松林枯落物总蓄积量相近。

枯落物持水量随浸水时间呈对数函数增长,吸水速率随浸水时间呈幂函数下降(表3),这两种函数模型与他人研究结果一致[2,7,11,13]。枯落物浸水0.5h内吸水速率最快,持水量急速增加,说明林地枯落物短时间内对降雨有较好的拦蓄功能[7]。枯落物的最大持水量是将枯落物烘干样品浸水24h后测定的结果,有效拦蓄量则考虑了地形条件和枯落物层自然含水率,更能反映枯落物层对降雨的实际拦蓄情况[13]。有研究表明红松纯林及红松阔叶混交林的枯落物有效拦蓄量约5.20～30.14t/hm2[4,5,7,12,13,14]。本试验林分枯落物有效拦蓄量范围为3.81～9.66t/hm2,枯落物层持水能力水平偏低。

3个密度的林分未分解层蓄积量、自然含水量均低于半分解层(表4),有效拦蓄量均高于半分解层(表6),这表明在降雨时,未分解层能发挥更大的截持降雨作用,所以应对林内枯落物加以保护,不被捡拾或破坏。

土壤毛管孔隙中的水分用于供给植物生长和土壤蒸发;非毛管孔隙的水分可以做横向渗透,沿着不透水层由高到低供应湖泊、河流,所以土壤涵养水分的能力与非毛管孔隙的多少有着密切关系[2,13]。随土层加深,土壤容重呈增加趋势,总孔隙度随土层加深而降低,与陈瑶等[20]研究结果一致。FH2非毛管孔隙度和有效持水量显著高于FH1,非毛管孔隙的垂直分布在各林分也表现的不同,可见林分密度对土壤孔隙的影响较为明显,FH2林内降水可很快通过非毛管孔隙转入地下水,起到涵养水源的作用。有研究表明红松纯林及红松阔叶混交林的土壤有效拦蓄量约175.41～386.10t/hm2[4,7,13,14,15]。本试验红松林土壤有效持水量范围为229.70～441.57t/hm2(表8),土壤水源涵养功能较好。

4.2结论

(1)丰林保护区红松原始林枯落物厚度为2.37～5.10cm,蓄积量为10.10～13.96t/hm2,有效拦蓄量为3.81～9.66t/hm2。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系(R2>0.9306),吸水速率与浸水时间呈幂函数关系(R2>0.9995)。未分解层厚度、蓄积量、自然含水量和吸水速率低于半分解层,有效拦蓄量高于半分解层。

(2)丰林保护区红松原始林土壤容重均值(0～30cm)变化范围为0.78～0.90g/cm3,土壤有效持水量范围为229.70～441.57t/hm2,土壤总孔隙度随土层加深而降低。

(3)FH3和FH2枯落物层有效拦蓄量、土壤层有效持水量均显著高于FH1(p<0.05)。以枯落物层和土壤层蓄水之和进行评价,FH2林地表层最大持水量和有效持水量均最高,且最大持水量显著高于FH3,有效持水量显著高于FH1(p<0.05)。综合考虑枯落物层和土壤层的水文效应,密度为180株/hm2的红松林水源涵养功能最强。

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基金:国家科技支撑计划项目(2015BAD07B03).