葉 晶，吳家森，，張金池，童志鵬

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安311300；2.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210037；3.臨安市林業(yè)局，浙江 臨安311300）

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)服務(wù)功能之一，森林具有世界上最大的水土保持及水源涵養(yǎng)能力［1］。不同樹(shù)種組成的林分因林冠層、下木活地被物層、凋落物層和根系層的結(jié)構(gòu)、組成、種類、數(shù)量和性質(zhì)的差異，從而造成不同林分截持降水，貯蓄水分，調(diào)節(jié)徑流的能力不同，它是森林植被和土壤長(zhǎng)期共同綜合作用的結(jié)果［2］。

森林枯落物和森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)特有的組成成分?？萋湮飳邮巧炙男?yīng)的第2活動(dòng)層，是森林涵養(yǎng)水源作用的主要作用層。枯落物憑借其強(qiáng)大的表面積和結(jié)構(gòu)疏松的特點(diǎn)，能有效地截留并吸附一定量的降雨，充分調(diào)節(jié)地表徑流，防止土壤產(chǎn)生濺蝕，減少土壤水分蒸發(fā)和改善土壤理化性質(zhì)，被人們形象的稱之為“森林水庫(kù)”［3］。枯落物層的持水能力與其種類、干重、濕度、分解程度、累積狀況等有較密切的關(guān)系［4］。森林土壤層作為森林水文作用的第3活動(dòng)層，是森林最大的貯水庫(kù)和水分調(diào)節(jié)器。因此，森林枯落物和土壤水文效應(yīng)監(jiān)測(cè)是森林健康監(jiān)測(cè)中非常重要的環(huán)節(jié)。目前對(duì)不同區(qū)域、不同林分類型枯落物和土壤的持水特性研究較多［5－6］，但對(duì)同一樹(shù)種不同經(jīng)營(yíng)年限的枯落物特征及土壤水文效應(yīng)的研究報(bào)道較少。

山核桃是中國(guó)重要的干果和木本糧油樹(shù)種，是浙、皖交界天目山區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)下，大量的山核桃—闊葉混交林改造成為山核桃純林，在改造過(guò)程中，非目的樹(shù)種如楓香、木荷、青岡等被伐盡，加之草甘膦等大量除草劑的施用，使林下灌木、草本層缺失，造成林相單一，土壤裸露，林地土壤受到中度至劇烈的侵蝕，侵蝕模數(shù)在1 157～3 887t／（km2·a）［7］。不少學(xué)者已對(duì)山核桃林地土壤肥力、果實(shí)品質(zhì)等進(jìn)行了相關(guān)研究［8－10］，但對(duì)于天然林轉(zhuǎn)變?yōu)樯胶颂壹兞趾蟮牡蚵湮锖屯寥浪男?yīng)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)相鄰樣地比較采樣法，研究了不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物和土壤水文效應(yīng)，可了解山核桃人工林土壤的生態(tài)功能，以期為山核桃林地的科學(xué)管理提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在浙江省臨安市昌化鎮(zhèn)，是中國(guó)山核桃分布的中心產(chǎn)區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。多年平均氣溫為15.8℃，7月為最熱月，平均為28.1℃，1月為最冷月，平均為3.4℃，極端高溫和極端低溫分別為41.9和－13.3℃，年平均有效積溫5 774℃。年平均降水量1 500mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 774h，無(wú)霜期234d。海拔高度在340～370m。土壤類型為紅壤。

1.2 樣品采集與分析方法

樣品采集時(shí)間為2012年4月10日，實(shí)驗(yàn)和分析時(shí)間為2012年4月12日至2012年4月25日。為保證試驗(yàn)的精確度，減少樣地間的差異，采用相鄰樣地比較法進(jìn)行采樣分析［11］，即在比較平緩的中上坡地段，選擇坡向、坡度和土壤類型相同的5，10，20年生山核桃純林3塊，另外在樣地周圍選擇3塊山核桃—闊葉混交林作為對(duì)照，即為0a，面積分別為300m2。不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林分基本情況如表1所示。

表1 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林分基本特征

1.2.1 枯落物層調(diào)查 在選擇好的標(biāo)準(zhǔn)地中按S形方法布設(shè)5個(gè)調(diào)查點(diǎn)，每點(diǎn)按照1m×1m采集枯落物，帶回實(shí)驗(yàn)室，按照《森林土壤定位研究法》進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，并據(jù)此計(jì)算枯落物蓄積量和持水量等指標(biāo)。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物持水量及其吸水速率，具體做法，取部分風(fēng)干好的枯落物稱重，然后將其裝入紗布袋中，再將裝有枯落物的紗布袋完全浸入盛有清水的容器中，分別浸水0.25，0.5，1，2，3，4，6，8，12，24h后取出紗布袋，將其靜置5min左右，至枯落物不滴水時(shí)稱量。每次稱量所得的枯落物濕重與其風(fēng)干重差值，即為枯落物浸水不同時(shí)間的持水量，該差值與浸水時(shí)間的比值即為枯落物的吸水速率［12］。

1.2.2 土壤物理性狀和持水能力測(cè)定 分別采集不同樣地中枯落物調(diào)查的5個(gè)點(diǎn)表層（0—30cm）土樣，將其混合，然后采用四分法分別取樣品1kg左右，帶回室內(nèi)風(fēng)干，過(guò)2mm篩，待用。

土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法，在野外采原狀土直接測(cè)定；土壤非毛管孔隙度用環(huán)刀法；土壤非毛管孔隙持水量測(cè)定用計(jì)算法［13－14］。

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

數(shù)據(jù)處理在SPSS 13.0軟件上完成，采用單因素方差分析（one－way ANOVA）數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α＝0.05。單因素方差分析是用來(lái)研究一個(gè)控制變量的不同水平是否對(duì)觀測(cè)變量產(chǎn)生了顯著影響。只能判斷控制變量是否對(duì)觀測(cè)變量產(chǎn)生了顯著影響。新復(fù)極差法是方差分析的進(jìn)一步分析，用于多種因素對(duì)某一結(jié)果影響的各個(gè)因素之間的顯著性分析，即實(shí)驗(yàn)結(jié)果的兩兩比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層特征

2.1.1 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層持水量隨時(shí)間的變化 枯落物的持水量是反應(yīng)枯落物層水文特性的一個(gè)重要因子，它與枯落物類型、組成結(jié)構(gòu)、蓄積量、濕度及分解狀況等密切有關(guān)［15］。不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層持水量隨時(shí)間的變化如圖1所示。經(jīng)回歸分析，枯落物層持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系符合對(duì)數(shù)函數(shù)（表2）。在最初浸泡的1h內(nèi)，枯落物持水量增加的較為迅速，而后隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，持水量增加的速度逐漸減小。枯落物層這一變化趨勢(shì)與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即在降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流功能表現(xiàn)的較強(qiáng)，此后隨著枯落物濕潤(rùn)程度的增加，吸持能力降低［16］。

圖1 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層持水量變化

表2 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物持水量、吸水速率與浸水時(shí)間回歸方程

2.1.2 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層吸水速率不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層的吸水速率表現(xiàn)出相同的規(guī)律性（如圖2所示），對(duì)0.25～24h林地枯落物層吸水速率與浸水時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行分析并擬合，發(fā)現(xiàn)枯落物吸水速率與浸水時(shí)間之間的關(guān)系符合指數(shù)方程（表2）。枯落物在前1h內(nèi)吸水速率最大，之后吸水速率變小，2h左右時(shí)下降速度明顯減緩。雖然不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物在浸入水中剛開(kāi)始時(shí)吸水速率相差較大，但隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)，枯落物吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著浸水時(shí)間增長(zhǎng)，枯落物持水量接近其最大持水量，也就是說(shuō)枯落物逐漸趨于飽和，其持水量增長(zhǎng)速度隨之減緩［17］。

2.1.3 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層蓄積量和有效攔蓄量 枯落物層是保障森林充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能的一個(gè)重要的森林水文層次，具有明顯的蓄水作用。不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物蓄積量化如表3所示。從表3中可知，隨著經(jīng)營(yíng)年限的延長(zhǎng)，山核桃林地枯落物蓄積量有下降的趨勢(shì)，天然混交林（0a）蓄積量最大（4.76t／hm2），與經(jīng)營(yíng)年限為5，10，20年生的山核桃純林之間有顯著差異。這主要是由于混交林比山核桃純林的林分結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，具有喬灌草的空間分布特征，每年產(chǎn)生的枯落物數(shù)量較多，而山核桃純林由于去除了林下灌木雜草，產(chǎn)生的落葉也較少。

圖2 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層吸水速率變化

枯落物層的自然含水量是表征單位干物質(zhì)在自然狀況下的持水能力，通常受氣候和林分等因素的影響。由表3可知，枯落物層自然含水率為山核桃—闊葉混交林最高，并且隨著經(jīng)營(yíng)年限的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)。這表明山核桃—闊葉混交林枯落物層蓄積量較大與分解速度慢及林中濕度較大有關(guān)。

林地枯落物層最大持水率（量）和最大攔蓄量均以山核桃—闊葉混交林為最大，它與山核桃純林之間存在著顯著差異（表3）。林地枯落物層最大持水率（量）和最大攔蓄量隨著經(jīng)營(yíng)年限的延長(zhǎng)而呈下降的趨勢(shì)，而10a后又逐漸升高。這主要是因?yàn)樯胶颂摇熑~混交林枯落物層被破壞程度小，枯落物的結(jié)構(gòu)較好，使其枯落物的最大持水率（量）最大，經(jīng)改造為山核桃純林后，人為干擾強(qiáng)度大，枯落物量減少，最大持水率（量）和最大攔蓄量均隨著減小。

有效攔蓄量可比較準(zhǔn)確估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量［18］。從表3可知，不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層有效攔蓄量、有效攔蓄率和有效攔蓄深等指標(biāo)的變化規(guī)律與最大持水率（量）的變化趨勢(shì)一致。與0a相比，不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地有效攔蓄量、有效攔蓄率和有效攔蓄深分別降低了57.0%～68.4%，21.0%～33.2%，21.0%～33.2%。

表3 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層攔蓄能力

2.2 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤物理性狀及其持水能力

土壤持水性能主要涉及的因子有土壤容重、孔隙度、毛管持水量等土壤物理性狀。容重反映土壤透水性、通氣性和根系延展時(shí)阻力的大小，孔隙度則是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫(kù)和活動(dòng)場(chǎng)所［19］。不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤物理性狀見(jiàn)表4。從表中可知，不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤容重之間的差異并不顯著，介于1.10～1.18g／cm3。非毛管孔隙度、毛管孔隙度及總毛管孔隙度在不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤中的差異也不顯著。

不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤持水力大小順序?yàn)椋?a（21 450.0t／hm2）＞ 20a（19 170.0t／hm2）＞10a（19 050.0t／hm2）＞ 5a（17 070.0t／hm2）。在相同立地條件下，混交林對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善能力比純林更顯著，使水分更充分地進(jìn)入土壤或轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅?，有效控制水土流失?0］。

表4 不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地土壤物理性狀

3 結(jié)論

利用相鄰樣地比較采樣法，對(duì)山核桃—常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樯胶颂壹兞诌^(guò)程中林地枯落物和土壤水文效應(yīng)的變化進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地的水源涵養(yǎng)能力具有明顯差異。

（1）不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地枯落物層持水量、吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系分別符合對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，各不同林地枯落物持水量和吸水速率均在前1h內(nèi)變化較快，之后變化趨勢(shì)變緩。

（2）各不同林地枯落物層蓄積量在2.16～4.76t／hm2，其中0年生山核桃林地枯落物的蓄積量最大，20a的蓄積量最小。0年生山核桃林地枯落物的最大持水量最大，為14.61t／hm2，是10年生山核桃林地枯落物持水能力的3.3倍。各不同林地枯落物有效攔蓄率變化范圍為154.63%～231.53%；最大有效攔蓄率為0年生山核桃林，最小有效攔蓄率為10年生山核桃林。

（3）土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總毛管孔隙度及持水力等指標(biāo)在不同經(jīng)營(yíng)年限山核桃林地之間的差異并不顯著。土壤容重介于1.10～1.18g／cm3。與0a土壤的持水力（21 450.0t／hm2）相比，經(jīng)過(guò)不同年限的經(jīng)營(yíng)，持水力分別下降了10.6%～20.4%。

［1］ 理查德L.森林小氣候［M］.北京：氣象出版社，1986：169－196.

［2］ 時(shí)忠杰，王彥輝，于澎濤，等.寧夏六盤山林區(qū)幾種主要森林植被生態(tài)水文功能研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（3）：134－138.

［3］ 楊吉華，張永濤，李紅云，等.不同林分枯落物的持水性能及對(duì)表層土壤理化性狀的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（2）：141－144.

［4］ 李文影.不同林齡白樺林水源涵養(yǎng)及水化學(xué)特征研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2009.

［5］ 王鵬程，肖文發(fā)，張守攻，等.三峽庫(kù)區(qū)森林植被林地枯落物現(xiàn)存量及其持水能力［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（4）：41－47.

［6］ 樊登星，余新曉，岳永杰，等.北京西山不同林分枯落物層持水特性研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）：177－181.

［7］ 王云南.浙江省典型經(jīng)濟(jì)林水土流失特征分析與防治措施優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［8］ 黃興召，黃堅(jiān)欽，陳丁紅.不同垂直地帶山核桃林地土壤理化性質(zhì)比較［J］.浙江林業(yè)科技，2010，30（6）：27－31.

［9］ 路玉林，戴圣潛，李運(yùn)懷，等.安徽寧國(guó)市山核桃農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境的因子分析研究［J］.土壤通報(bào)，2006，37（6）：1203－1206.

［10］ 黃程鵬，吳家森，許開(kāi)平，等.不同施肥山核桃林氮磷徑流流失特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（1）：43－52.

［11］ Murty D，Kirschbaum M U F，Mcmurtrie R E，et al.Dose conversion of forest to agricultural land change soil carbon and nitrogen：a review of the literature［J］.Global Change Biol.，2002，8（2）：105－123.

［12］ 李良，翟洪波，姚凱，等.不同林齡華北落葉松人工林枯落物儲(chǔ)量及持水特性研究［J］.中國(guó)水土保持，2010（3）：32－34.

［13］ 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［14］ 宮淵波，麻澤龍，陳林武，等.嘉陵江上游低山暴雨區(qū)不同水土保持林結(jié)構(gòu)模式水源涵養(yǎng)效益研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（3）：28－32，36.

［15］ 楊吉華，張永濤，李紅云，等.不同林分枯落物的持水性能及對(duì)表層土壤理化性狀的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（2）：141－144.

［16］ 饒良懿，朱金兆，畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應(yīng)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（1）：33－37.

［17］ 程金花，張洪江，余新曉，等.貢嘎山冷杉純林地被物及土壤持水特性［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（3）：45－49.

［18］ 高人，周廣柱.遼寧東部山區(qū)幾種主要森林植被類型枯落物層持水性能研究［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（2）：115－118.

［19］ 孫艷紅，張洪江，程金花，等.縉云山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（2）：106－109.

［20］ 蔣文偉，余樹(shù)全，周國(guó)模，等.安吉地區(qū)不同森林植被水源涵養(yǎng)功能的研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，24（5）：635－639.