王云霓，郭春燕，賈喜平，聶竹彥，桑 昊，師鵬飛，楊溢文

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3. 卓資縣上高臺(tái)林場(chǎng)，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012314； 4. 土默特左旗白石頭溝試驗(yàn)林場(chǎng)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

城市環(huán)境下森林植被具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)小氣候、改善大氣質(zhì)量等多種水文作用[1-2]。林地水文功能主要包括林冠層對(duì)降水的再分配[3-5]、枯落物層[6-7]和土壤層[8-9]等3部分。其中，森林植被的林冠層具有改變降水特征、影響地面徑流等水文作用[3]，冠層截留主要受植被類(lèi)型、冠層枝葉特征、降水特征等影響[3-5]。枯落物層具有涵養(yǎng)水源、延緩徑流、減少土壤蒸發(fā)等重要的水文功能，其水文功能主要受林分類(lèi)型、枯落物特征的影響[10-11]。王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山、時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤(pán)山、趙陽(yáng)等[7]在河北省圍場(chǎng)縣北溝林場(chǎng)的研究表明：不同林分枯落物的持水能力具有顯著的差異；張衛(wèi)強(qiáng)等[8]研究發(fā)現(xiàn)：刺槐(Robiniapseudoacacia)林地土壤蒸發(fā)受枯落物層厚度的影響。此外，林地土壤具有涵養(yǎng)水源、減緩徑流等水文生態(tài)效益，土壤層的水文效益主要與植被類(lèi)型、土壤物理性質(zhì)有關(guān)。張雷燕等[6]在寧夏六盤(pán)山南側(cè)、趙陽(yáng)等[7]在華北土石山區(qū)、姜海燕等[9]在大興安嶺嶺南的研究均發(fā)現(xiàn)：不同植被類(lèi)型土壤層水文功能存在差異；陳瑤等[12]對(duì)黃土坡耕地棄耕后土壤入滲研究認(rèn)為：土壤空隙越大，土壤入滲量越大，有機(jī)質(zhì)越多，容重越小，土壤入滲能力越好；王斌等[13]研究認(rèn)為：森林土壤涵養(yǎng)水源能力取決于土壤和森林植被的綜合狀況。

目前，有關(guān)林分水文效益的研究多集中在丘陵或山地，而在城市環(huán)境下的研究相對(duì)較少。在城市環(huán)境下，不透水地面面積的增加，土壤-植物-大氣之間水汽循環(huán)減弱，水汽調(diào)節(jié)能力差[14]；此外，隨著城市熱島效應(yīng)的影響，會(huì)加大林地?zé)o效蒸發(fā)，增加城市林地對(duì)水分的需求，所以林地水文涵養(yǎng)作用尤為重要。因而研究城市林地水文效益對(duì)于發(fā)揮干旱地區(qū)城市林地的生態(tài)效益、合理調(diào)配及利用水資源具有重要的意義。

本研究選擇內(nèi)蒙古林科院樹(shù)木園的4種人工林植被為研究對(duì)象，通過(guò)確定其冠層截留量、枯落物持水特征及土壤層的貯水特征，以期了解城市環(huán)境下植被的水文功能，為城市森林的經(jīng)營(yíng)管理及生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古林科院樹(shù)木園(40°49′N(xiāo)，111°41′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū)，始建于1954年，占地 21.7 hm2，海拔1 056 m。截至目前，各類(lèi)喬灌木樹(shù)種達(dá)到500種以上，樹(shù)木園高覆蓋度的森林植被對(duì)當(dāng)?shù)睾B(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、改善大氣環(huán)境起著重要的作用，豐富的植物資源也為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)、園林綠化樹(shù)種選擇提供了科學(xué)依據(jù)。

呼和浩特市屬于典型的蒙古高原大陸性氣候，四季分明，春、秋季干燥風(fēng)大，夏季雨熱同期，冬季漫長(zhǎng)寒冷。根據(jù)呼和浩特市1960—2016年氣象數(shù)據(jù)顯示，平均氣溫為 6.82 ℃，年均氣溫為 4.86～8.98 ℃；7月溫度最高，多年平均為 22.58 ℃；多年平均降水量為 402.60 mm，年降水量為 155.10～685.90 mm，降水主要集中在7—8月；平均大氣相對(duì)濕度為 52.38%，年均風(fēng)速為 1.89 m·s-1，年均蒸發(fā)量 1 802.32 mm，無(wú)霜期135 d左右。土壤類(lèi)型為沙質(zhì)栗鈣土。

2 研究方法

2.1 樣地基本情況

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林分布在樹(shù)木園的東側(cè)，平均胸徑 17.10 cm，平均樹(shù)高 14.70 m，平均冠幅 2.78 m。林下灌木或小喬木相對(duì)豐富，主要有細(xì)葉小檗(Berberispoiretii)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、美麗茶藨子(Ribespulchellum)、峨嵋薔薇(Rosaomeiensis)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、蒙桑(Morusmongolica)、文冠果(Xanthocerassorbifolia)、家榆(Ulmuspumila)等。

油松(Pinustabuliformis)人工林分布在樹(shù)木園的北側(cè)，平均胸徑 22.30 cm，平均樹(shù)高 11.60 m，平均冠幅 5.16 m。林下有毛果繡線菊(Spiraeatrichocarpa)、美麗茶藨子、細(xì)葉小檗等灌木零星分布。

楊樹(shù)人工林分布在樹(shù)木園的東南側(cè)和南側(cè)，種類(lèi)有新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、銀新楊(P.alba×P.albavar.pyramidalis)、北京楊(P.×beijingensis)。平均胸徑 35.70 cm，平均樹(shù)高 17.10 m，平均冠幅 6.42 m。

錦雞兒人工灌木林分布在樹(shù)木園的西南，錦雞兒種類(lèi)較多，有樹(shù)錦雞兒(Caraganaarborescens)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)、紅花錦雞兒(C.rosea)、小葉錦雞兒(C.microphylla)、甘蒙錦雞兒(C.opulens)、中間錦雞兒(C.liouana)、刺葉錦雞兒(C.acanthophylla)等7種，錦雞兒的平均地徑 1.38 cm，平均灌高 1.13 m，平均冠幅 1.52 m。樣地基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation of stands in sample plots

4種林分的草本層均發(fā)育一般，蓋度小于 15%，種類(lèi)相似，以陰山薹草(Carexyinshanica)、麥瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黃花鐵線蓮(Clematisintricata)、無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花針茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飛廉(Carduusnutans)、狗尾草(Setariaviridis)、車(chē)前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)為優(yōu)勢(shì)種。

2.2 林冠層的水文功能測(cè)定

林冠對(duì)降水的再分配按照常規(guī)森林水文學(xué)方法測(cè)定。林外降水量采用Dynamet小型自動(dòng)氣象站(USA)測(cè)定；穿透雨采用自動(dòng)雨量計(jì)，結(jié)合自制接水面測(cè)定；樹(shù)干莖流采用PVC管(喬木)或瓶蓋(灌叢)蛇形纏繞法進(jìn)行收集[3]，基于樣地面積(S，m2)、徑級(jí)數(shù)(n)、每一徑級(jí)的樹(shù)木株數(shù)(Mn)及樹(shù)干莖流量(Cn，mL)計(jì)算樹(shù)干莖流量(Sc，mm)，公式為：

(1)

次降水后，利用降水量(P，mm)減去林內(nèi)穿透雨(Tc，mm)和樹(shù)干莖流量(Sc，mm)，得到冠層截留量(Ic)，公式為：

Ic=P-Tc-Sc

(2)

2.3 枯落物層的水文功能測(cè)定

在樣地內(nèi)，沿對(duì)角線中心及四角設(shè)置5個(gè)30 cm × 30 cm的枯落物樣方，鋼尺測(cè)量枯落物層總厚度及未分解、半分解層的厚度，并分層取樣稱濕重；將樣品分別裝入網(wǎng)袋，浸入水中24 h后取出，靜置5 min后稱重，計(jì)算枯落物持水能力；結(jié)束后，將所有網(wǎng)袋放回野外進(jìn)行自然風(fēng)干，將所有樣品在85 ℃條件下烘至恒重時(shí)進(jìn)行稱重，計(jì)算枯落物貯量。

2.4 土壤層的水文功能測(cè)定

2.4.1土壤物理性質(zhì)

在樣地選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，挖掘土壤剖面，機(jī)械劃分土層后，用200 cm3環(huán)刀在土深5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、95 cm 處取土樣。根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究方法》[15]，測(cè)定土壤物理性質(zhì)。

2.4.2土壤貯水能力

土壤貯水能力包括最大貯水能力和有效貯水能力，2個(gè)指標(biāo)常用于評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源及水文調(diào)節(jié)功能。土壤貯水能力計(jì)算公式為[3]：

S=104×hi×pi

(3)

式中：S為土壤的貯水能力(t·hm-2)；hi為土壤的厚度(m)；pi為土壤的非毛管孔隙度或總孔隙度(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠層的水文功能

整個(gè)生長(zhǎng)季降水量為 240.28 mm，穿透雨占降水量的比重最大，華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹(shù)人工林和錦雞兒人工林的穿透雨占總降水量的 81.16%、71.26%、71.66% 和 61.50%；穿透雨的月動(dòng)態(tài)與降水的變化一致，基本表現(xiàn)為6月和8月的林內(nèi)雨量較大，5月和9月的穿透雨較少(圖1)。穿透雨月動(dòng)態(tài)主要受月降水量、植被類(lèi)型和葉面積等因素的影響，生長(zhǎng)季初期，落葉樹(shù)種的葉量較少，穿透雨占同期降水量的比例相對(duì)較大，但此期間的降水量較少，所以總量較少。

注：1為楊樹(shù)人工林，2為華北落葉松人工林，3為油松人工林，4為錦雞兒人工林。

觀測(cè)期內(nèi)，油松人工林的冠層截留量最大，達(dá)到 68.90 mm，占同期降水量的 28.67%；楊樹(shù)人工林截留量次之，為 62.48 mm，占同期降水量的 26.00%；錦雞兒人工林和華北落葉松人工林的截留量最低，分別為 49.06 mm和 45.21 mm，截留率分別為 20.42% 和 18.82%。從季節(jié)變化來(lái)看，林冠截留量均呈先增大后減小的趨勢(shì)。

研究期間，錦雞兒人工林樹(shù)干莖流占同期降水量的比例最大，達(dá)到 18.09%，莖流量為 43.46 mm；楊樹(shù)人工林樹(shù)干莖流量次之，為 5.63 mm，占同期降水量的 2.34%；華北落葉松人工林和油松人工林的樹(shù)干莖流量最小，分別為 0.05 mm和 0.15 mm。

3.2 枯落物層的水文功能

3.2.1枯落物厚度和現(xiàn)存量

對(duì)4種森林植被枯落物厚度和現(xiàn)存量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同植被枯落物厚度和現(xiàn)存量差別較大(表2)。其中，楊樹(shù)人工林枯落物厚度最大(4.54 cm)，華北落葉松人工林和油松人工林的枯落物厚度次之，分別為 2.94 cm和 2.11 cm，錦雞兒人工林枯落物厚度最小，僅為 1.45 cm。枯落物現(xiàn)存量以油松人工林和楊樹(shù)人工林的最大，分別達(dá) 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，華北落葉松人工林枯落物現(xiàn)存量次之(14.16 t·hm-2)，錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量最少，僅為 9.23 t·hm-2。由于針葉林枯落物分解速率慢且積累量大[3]，導(dǎo)致油松人工林枯落物總量大于楊樹(shù)人工林；但楊樹(shù)冠型大、冠幅長(zhǎng)、葉量大，而華北落葉松冠型較小，死枝多，僅樹(shù)冠上部枝條是活枝，葉量少于楊樹(shù)，導(dǎo)致落葉松人工林枯落物低于楊樹(shù)人工林。錦雞兒人工林葉量比喬木林少，且為闊葉樹(shù)種，分解較快，導(dǎo)致其枯落物最少。

表2 林分枯落物現(xiàn)存量和持水能力Tab.2 The biomass and water-holding characteristics of forest litters

3.2.2枯落物持水能力

華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹(shù)人工林和錦雞兒人工林的枯落物最大持水率分別為 196.97%、189.11%、375.91% 和 307.13%，4種植被枯落物的最大持水量變化為 28.35～66.80 t·hm-2(表2)。楊樹(shù)人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，錦雞兒人工林(2.84 mm)和華北落葉松人工林(2.79 mm)最小。錦雞兒人工林枯落物的最大持水率雖然高于油松人工林，但錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量較少導(dǎo)致其最大持水深比油松人工林小。這主要是因?yàn)榭萋湮镒畲蟪炙钍芸萋湮锏淖畲蟪炙?、枯落物現(xiàn)存量、枯落物分解程度等多方面的綜合影響[3]。

3.3 土壤層的水文功能

由表3可知，4種人工林植被的土壤容重變化為 1.00～1.10 g·cm-3，華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹(shù)人工林和錦雞兒人工林的飽和持水率分別為 57.57%、53.23%、59.26% 和 59.11%，毛管持水率分別為 43.76%、45.59%、43.87%、45.92%。不同人工林植被的土壤總孔隙度變化范圍為 56.51%～59.27%；華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹(shù)人工林和錦雞兒人工林的非毛管孔隙度分別為 13.41%、8.16%、15.29% 和 13.14%。

表3 林地土壤物理性質(zhì)及持水特征Tab.3 Soil physical properties and water-holding characteristics

4種人工林植被土壤最大貯水深在 439.77～572.50 mm之間(表3)，華北落葉松人工林地最大貯水能力最強(qiáng)，楊樹(shù)人工林地的最大貯水能力最弱。不同人工林植被的最大貯水深為華北落葉松人工林(572.50 mm)>油松人工林(483.54 mm)>錦雞兒人工林(459.24 mm)>楊樹(shù)人工林(439.77 mm)。有效貯水深反映林地土壤的滲透能力，4種人工林植被土壤有效貯水深變化在 81.57～152.94 mm之間，不同人工林植被土壤有效貯水深為楊樹(shù)人工林(152.94 mm)>華北落葉松人工林(134.08 mm)>錦雞兒人工林(131.23 mm)>油松人工林(81.57 mm)。

3.4 不同植被類(lèi)型林地總蓄水能力評(píng)價(jià)

林地總蓄水能力一般是指枯落物與土壤的最大持水能力之和[3]，常用來(lái)評(píng)價(jià)林地水源涵養(yǎng)能力。華北落葉松人工林地的總蓄水能力最大，達(dá) 575.29 mm，油松人工林地總蓄水能力次之(487.21 mm)，錦雞兒人工林地略低于油松人工林地，為 462.08 mm，楊樹(shù)人工林地的總蓄水深最低(446.45 mm)。林地總蓄水能力以土壤層為主，其中華北落葉松人工林、油松人工林、楊樹(shù)人工林和錦雞兒人工林的土壤層貯水能力分別占林地總蓄水能力的 99.52%、99.25%、98.50% 和 99.39%。

4 討論與結(jié)論

(1)整個(gè)生長(zhǎng)季，4種植被樹(shù)干莖流率為錦雞兒人工林(18.09%)>楊樹(shù)人工林(2.34%)>油松人工林(0.06%)>華北落葉松人工林(0.02%)；林冠截留率以油松人工林(28.67%)和楊樹(shù)人工林(26.00%)最大，錦雞兒人工林(20.42%)次之，華北落葉松人工林(18.82%)最小。這與前人的研究基本一致。劉世榮等[16]研究發(fā)現(xiàn)林冠截留率為 11.40%～34.34%；五金旦增等[17]研究結(jié)果顯示高山松(Pinusdensata)林冠層截留率變化幅度為 13.19%～68.72%；王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山、時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤(pán)山、姚衛(wèi)星等[5]在冀北山區(qū)的研究均認(rèn)為不同林分冠層截留量具有明顯差異，基本呈現(xiàn)出針葉林>闊葉林。本研究中華北落葉松人工林枯死枝較多，活枝僅分布在樹(shù)冠最上部，葉量稀疏，導(dǎo)致華北落葉松人工林冠層截留量最少。

(2)不同森林植被枯落物現(xiàn)存量和最大持水深差別較大。以油松人工林和楊樹(shù)人工林的枯落物現(xiàn)存量最大，分別為 19.42 t·hm-2和 17.77 t·hm-2，華北落葉松人工林枯落物現(xiàn)存量次之(14.16 t·hm-2)，錦雞兒人工林枯落物現(xiàn)存量最少，僅為 9.23 t·hm-2。楊樹(shù)人工林的最大持水深最大(6.68 mm)，油松人工林次之(3.67 mm)，錦雞兒人工林(2.84 mm)和華北落葉松人工林(2.79 mm)最小?？萋湮锼春B(yǎng)能力與林分類(lèi)型、林分結(jié)構(gòu)、枯落物組成、分解程度、累積量等因素有關(guān)[4,10,16]。時(shí)忠杰等[4]在寧夏六盤(pán)山的研究表明枯落物持水能力具有顯著的植被類(lèi)型差異；黃承標(biāo)等[18]認(rèn)為馬尾松人工幼林枯枝落葉層現(xiàn)存量、貯水量及養(yǎng)分貯量等均與林分年齡的大小存在密切的相關(guān)性；侯春蘭等[11]認(rèn)為不同林分枯落物蓄積量對(duì)其水源涵養(yǎng)功能具有較大的影響，枯落物對(duì)水分的吸持能力隨著枯落物層厚度、蓄積量的增加而增強(qiáng)。

(3)不同森林植被的土壤最大貯水深變化幅度為 439.77～572.50 mm，有效貯水深的變化幅度為 81.57～152.94 mm，高于王云霓等[3]在內(nèi)蒙古大青山的研究結(jié)果，但與時(shí)忠杰等[4]在六盤(pán)山、張平等[19]在祁連山的研究結(jié)果接近。說(shuō)明內(nèi)蒙古林科院樹(shù)木園4種植被類(lèi)型土壤水源涵養(yǎng)功能均較好。

(4)綜合來(lái)看，林地的水源涵養(yǎng)功能以土壤層為主，針葉林(華北落葉松人工林、油松人工林)總蓄水能力相對(duì)較強(qiáng)，具有較高的涵養(yǎng)水源能力，但華北落葉松枯死枝較多，僅樹(shù)冠上部有活枝，急需進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)調(diào)整林分結(jié)構(gòu)。