提要:通过野外调查取样和室内实验分析，对丰宁满族自治县京冀水源保护林项目工程区内6种林分的林地水源涵养能力进行研究。结果表明:杨树纯林的枯落物层最大持水量和有效拦蓄量最大(5.31t/hm2、4.25t/hm2)，侧柏×山杏混交林的最小(1.93t/hm2、1.57t/hm2)。油松×山杏混交林的土壤层最大持水量和有效持水量最大(936.66t/hm2，165.32t/hm2)，杨树纯林的最小(782.84t/hm2，63.25t/hm2)。6种林分中油松×山杏混交林的林地持水量最大，杨树纯林的最小。油松×山杏混交林的林地水源涵养能力最强，当地造林时可作为优选配置。
关键词:水源涵养能力;人工林;林地持水量;冀北山区
人工营造水源涵养林是水资源可持续利用的关键措施之一，在调节径流、涵养水源等方面发挥着良好的作用。林地水源涵养能力体现在枯落物层和土壤层上[1]，是森林水源涵养的主体[2]。受树种生物学特性、林分结构等因素的影响，不同林分下的枯落物和土壤具有不同的性质和水源涵养能力[3-4]。目前，对冀北地区林地水源涵养能力的研究已取得不少成果，但多集中于天然林或某种人工林[5-9]，对当地典型人工林的林地水源涵养能力的研究还相对较少。
2009年起，北京市与河北省合作启动京冀生态水源保护林建设项目，对北京上游水源地保护具有重要意义。为研究项目实施后林地的水源涵养能力，以丰宁满族自治县项目工程区内的6种典型林分为对象，通过野外调查取样及室内实验，定量分析不同林分的林地水源涵养能力，为造林规划设计、林业监测评价提供一定的理论依据。
1材料与研究方法
1.1研究区概况
研究区位于承德市丰宁满族自治县境内(41°21'～41°31'N，116°15'～116°48'E)，属于冀北山区。该地区全年日照时间为2826h，年平均气温6.6～8℃，年平均降水量350～550mm，年均蒸发量为1767.5mm，主要土壤为褐土和棕壤。该地区植被覆盖度达51.4%，主要乔木有油松(PinustabulaeformisCarr.)、落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)、山杏(Armeniacasibirica(L.)Lam)、等;主要灌木有荆条(VitexnegundoL.var.heterophylla(Franch.)Rehd)、榛子(CorylusheterophyllaFisch)等，草本以菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)为主。
1.2样品采集
2017年8月，在研究区的6种典型人工林内各选取1块面积为20m×20m的标准样地。在样地四角及中心布置0.5m×0.5m的样方5个，分别对枯落物未分解层和半分解层取样。土壤采用剖面法，用环刀按0～20cm、20～40cm、40～60cm分层垂直取样。各样地基本情况(表1)。
1.3测定方法
1.3.1枯落物测定
测量枯落物未分解层、半分解层厚度，将样品称鲜重，在80℃下烘干至恒重，以此计算其蓄积量。采用室内浸水法测定样品的持水量、吸水速率和过程，并用有效拦蓄量来表示枯落物对降水的实际拦蓄情况[9]。
1.3.2土壤测定
土壤容重和孔隙度采用环刀法测定[10]，用公式计算土壤最大持水量和有效持水量[9]。
土壤入渗采用双环刀法测定。环刀样品上部放置空环刀，接口处密封，下部放置漏斗和100mL量筒。保持上部环刀充满水，自漏斗滴水开始计时，下渗量达100mL更换量筒。记录每次下渗量达100mL所用的时间，连续三次时间相同时认为土壤达到稳渗状态。计算公式为I=100/(A·t)，式中:I为土壤入渗速率(mm/min)，A为入渗面积(cm2)，t为入渗时间(min)。
2结果与分析
2.1不同林分的枯落物厚度及蓄积量
如表2所示，6种林分的枯落物总厚度变化范围为3.60～9.10mm，总蓄积量变化范围为1.19～2.65t/hm2，其中杨树纯林均最大，侧柏×山杏混交林均最小;枯落物未分解层厚度及蓄积量均大于半分解层。该地区枯落物总蓄积量M与总厚度d之间存在关系:M=0.2568d+0.2258，R2=0.9732。
2.2不同林分的枯落物水源涵养能力
2.2.1不同林分枯落物持水量变化
由图1可知，不同林分的枯落物持水量在0～2h内迅速增加，2h后增加的速率逐渐减小，8h时达到最大并趋于稳定。6种林分的枯落物持水量与浸水时间满足关系(表3):Q=kln(t)+p，式中:Q为枯落物持水量(g/kg)，t为枯落物浸水时间(h)，k为系数，p为常数项。
2.2.2不同林分枯落物吸水速率变化
由图2可知，不同林分的枯落物吸水速率在0-2h内最大且随时间增加迅速减小，2h后减小幅度开始变小，24h时吸水速率趋于零，6种林分的枯落物吸水速率与浸水时间满足关系(表3):V=ktn，式中:V为枯落物吸水速率[g/(kg·h)]，t为枯落物浸水时间(h)，k为系数，n为常数项。
2.2.3不同林分枯落物持水量
由表4可知，杨树纯林的枯落物最大持水量最大，侧柏×山杏混交林的最小。不同林分的枯落物有效拦蓄量中，未分解层的大小顺序为杨树纯林>油松×山杏混交林>油松纯林>油松×落叶松混交林>落叶松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林;半分解层的大小顺序为杨树纯林>油松纯林>油松×山杏混交林>油松×落叶松混交林>落叶松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林。持水率和持水量的大小规律并不一致，不同林分的枯落物未分解层最大持水量和有效拦蓄量均不同程度大于半分解层。
2.3不同林分的土壤水源涵养能力
2.3.1不同林分土壤物理性质
由表5可知，各林分的土壤容重随土壤深度增加而增大，均值大小顺序为杨树纯林>油松×落叶松混交林>油松纯林>落叶松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林>油松×山杏混交林。各林分的土壤总孔隙度随土壤深度增加而减小，均值大小顺序为油松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林>落叶松×山杏混交林>油松纯林>油松×落叶松混交林>杨树纯林。油松×山杏混交林的土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度均值最大，杨树纯林的最小。
2.3.2不同林分土壤入渗从入渗
过程(图3)看，6种林分的土壤入渗速率先急剧减小后逐渐趋于稳定。不同林分的土壤达到稳渗的时间不相同，随土壤深度增加，所需时间越长。入渗速率和入渗时间满足幂函数关系(表6):y=at-b，式中:y为入渗速率(mm/min)，t为入渗时间(min)，a、b为常数。
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由表6可知，不同林分的土壤初渗速率和稳渗速率均随土壤深度增加而减小。油松×山杏混交林的土壤初渗速率最大，杨树纯林的最小。6种林分的土壤稳渗速率变化范围为0.61～6.02mm/min，大小顺序为油松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林>落叶松×山杏混交林>油松纯林>油松落叶松混交林>杨树纯林。
2.3.3不同林分土壤持水量
由表5可知，不同林分的土壤最大持水量均随土壤深度增加而减小。在最大持水量均值中，油松×山杏混交林最大，杨树纯林最小。不同林分土壤有效持水量均值大小顺序为油松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林>油松纯林>油松×落叶松混交林>落叶松×山杏混交林>杨树纯林。
2.4不同林分的林地水源涵养能力
由表7可知，各林分的土壤层持水量均大于枯落物层持水量。在林地最大持水量中油松×山杏混交林最大，杨树纯林最小，6种林分的林地有效持水量大小顺序为油松×山杏混交林>侧柏×山杏混交林>油松纯林>油松×落叶松混交林>落叶松×山杏混交林>杨树纯林。
3讨论
本研究中，不同林分的枯落物厚度、蓄积量均不同。杨树在秋季产生大量落叶，其枯落物厚度和蓄积量最大;各林分的枯落物未分解层厚度和蓄积量均大于半分解层，这主要是林龄尚小、分解时间不足导致的。烘干的枯落物置于水中水势差较大会迅速吸水[11]，随浸水时间增加，枯落物持水量逐渐增大至饱和，吸水速率减小并趋近于零，可见枯落物层的水源涵养主要在降水前期发挥作用。研究结果中，除杨树纯林外，其他林分的枯落物半分解层持水率均大于未分解层，这是因为半分解层具有更好的吸水结构，孔隙较多，质地柔软，利于保持水分，而未分解层表面相对光滑，质地坚硬，不能有效持水[12-13]。另外，各林分的枯落物未分解层持水量均不同程度大于半分解层，这主要由蓄积量决定。可见，除了持水率，枯落物持水量和林分类型、枯落物储量也有关，持水率和持水量的大小规律并不相同[14]。
土壤层的水源涵养能力与其物理性质有密切关系。随土壤深度增加，各林分土壤的容重、总孔隙度呈现规律性变化。土壤容重越大，土壤质地越紧实，越不利于拦蓄降水[15]，同时毛管孔隙中的水分主要用于土壤蒸发和植物生长，而非毛管孔隙可以下渗和吸收降水[14]，所以土壤有效持水量主要取决于非毛管孔隙度，因此杨树纯林的土壤最大持水量和有效持水量均最小，油松×山杏混交林的均最大。渗透性是反映土壤水源涵养能力的重要指标，土壤渗透性越好，地表径流越少，拦蓄的降水就越多[16]。土壤容重、总孔隙度和非毛管孔隙度是影响土壤入渗的关键因素[17]，本研究中油松×山杏混交林的土壤容重最小，总孔隙度、非毛管孔隙度最大，入渗速率也最大，杨树纯林的土壤各项则与之相反。
林地水源涵养能力体现在枯落物层和土壤层，从结果中可见，土壤层的持水量大于枯落物层，在林地水源涵养能力中发挥了主要作用。在6种典型林分中，油松×山杏混交林的林地水源涵养能力最强，其作为当地主要造林树种，适应性好，成活率高，在造林时可作为优选配置。
4结论
(1)枯落物的持水是一个动态变化，持水量主要取决于蓄积量和持水率。杨树纯林的枯落物层最大持水量和有效拦蓄量最大(5.31t/hm2、4.25t/hm2)，侧柏×山杏混交林的最小(1.93t/hm2、1.57t/hm2)。
(2)土壤的物理性质影响着土壤入渗和持水量，土壤入渗速率和入渗时间满足幂函数关系。油松×山杏混交林的土壤层最大持水量和有效持水量最大(936.66t/hm2，165.32t/hm2)，杨树纯林的最小(782.84t/hm2，63.25t/hm2)。
(3)林地的土壤层持水量大于枯落物层，土壤层在林地水源涵养能力中发挥了主要作用。6种林分中油松×山杏混交林的林地持水量最大，杨树纯林的最小。油松×山杏混交林的林地水源涵养能力最强，当地造林时可作为优选配置。
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