森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分之一, 具有涵养水源、改善水质、防风固沙、净化空气、调节气候和保护生物多样性等多种生态系统服务功能^[1]；但是, 近年来由于全球极端天气和气候事件的频发以及对森林生态系统功能缺乏了解和林业经营管理上的失误, 导致森林生态系统遭受巨大破坏, 对森林生态系统服务功能造成严重损害^[2—3]。所以森林生态系统水文调节和水源涵养功能的研究成为生态学和水文学中研究的热点。

森林生态水文过程一般体现在森林冠层、凋落物层和土壤层对降水的截持、吸收、入渗、蓄水以及蒸散发等方面^[4—6]。其中最主要的是凋落物层和土壤层, 它们是水源涵养和水土保持的主体。有研究表明二者蓄水量达到森林总蓄水量的85%, 在森林生态水文方面发挥着重要作用^[7]。凋落物层是森林生态水文效应的第二功能层, 具有疏松多孔的结构, 可以有效的截持降雨、拦蓄地表径流, 进而防止土壤冲蚀和土壤里面水分的蒸发, 同时凋落物分解会形成腐殖质等返回到土壤中, 改良土壤, 也是物质循环和能流的一种方式^[8—10]；而土壤层作为第三活动层, 调节着大气、植被与土壤三者之间的关系, 能够对水分进行入渗, 是森林生态系统养分、持水、蓄水的重要载体, 可以跟凋落物、植物根系等结合实现地表水与地下水的交换^[9—12]。因此, 研究凋落物层和土壤层的生态水文效应和水源涵养能力可进一步加深对森林生态水文的认识。

宁夏罗山国家级自然保护区是宁夏“三大”天然次生林区之一, 处于鄂尔多斯高原西部与黄河高原北部的干旱半干旱地带, 被誉为“荒漠翡翠”、“瀚海明珠”^[13]。罗山自然保护区是宁夏中部干旱带重要的绿色生态屏障和水源涵养区, 在宁夏经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位。所以, 开展宁夏罗山典型植被水源涵养和保持水土等功能的研究具有重要意义。以森林凋落物和土壤层水文效应的视角来反映森林生态系统水源涵养能力的研究大部分集中在热带、亚热带地区, 而在干旱半干旱地区相对较少, 尤其是宁夏罗山。有学者对该地区不同林分保育土壤和水源涵养功能以及水文调节方面进行了研究, 但对典型林分类型凋落物层和土壤层的水文效应和水源涵养能力的综合评估相对缺乏。因此, 本文利用熵权法将宁夏罗山3种典型林分类型凋落物层和土壤层水源涵养能力进行量化, 以便于对该地区典型林分类型的凋落物层和土壤层水源涵养能力更加直观的进行评价和比较, 从而进一步了解该地区森林生态水文的规律和机制以及为该地区的植被恢复和森林生态水文效益的评价提供科学的理论指导^{[5, 14]}。

1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于宁夏罗山国家级自然保护区(北纬37°11′—37°25′, 东经106°04′—106°24′), 南北长36km, 东西宽18km, 区域海拔1560—2624.5m, 总面积33710hm²。地处宁夏中部干旱区, 其位于典型草原与荒漠生态过渡带上, 属于中温带干旱大陆性气候, 年平均日照时数为2881.5h, 气温年、日较差大, 年降水量少而集中, 平均为262.5mm, 年平均相对湿度为49%。植被类型主要以森林、灌丛、草甸和草原为主, 主要森林类型有青海云杉(Picea crassifolia)、油松(Pinus tabuliformis)、山杨(Populus davidiana)等, 林下植被有虎榛子(Ostryopsis davidiana)、榆树(Ulmus pumila)、藜(Chenopodium album)、升麻(Actaea cimicifuga)、水栒子(Cotoneaster multiflorus)、委陵菜(Potentilla chinensis)、蒙古扁桃(Prunus mongolica)、斜茎黄芪(Astragalus laxmannii)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)等, 土壤主要为灰褐土和灰钙土^[15]。

1.2 研究方法 1.2.1 样地选择与采样方法

2022年7月, 在宁夏罗山国家级自然保护区分别选取坡形、坡度、坡向等地形因子基本一致的青海云杉纯林、油松纯林和青海云杉油松混交林。采用样地调查法, 在每种林分中设置具有代表性的样地3个, 样地面积为20m×20m, 调查三种林分类型林冠郁闭度和树木生长基本指标, 并记录坡向、海拔等立地特征(表 1)。在各林分样地内随机选取3个30cm×30cm的小样方, 每个样方里面的凋落物按“未分解层”和“半分解层”分别进行收集, 并现场测定各层凋落物的厚度和鲜重, 单独装袋带回实验室85℃下烘干备用。凋落物采集后, 在相同位置运用环刀法对林下植被土壤进行取样, 分别在0—10、10—20、20—40cm土层深度取土, 每层3次重复, 进而测定土壤物理性质和持水性能(本研究采用0—40cm三层平均值进行统计分析)。

1.2.2 凋落物储量调查

凋落物储量计算公式如下：

式中, M代表储量(kg/hm²), n表示每个样地里面的小样方数, m表示凋落物烘干后的质量(g), s为小样方面积(m²), 10为单位转换系数, R₀表示凋落物自然含水率, G_鲜、G_干表示凋落物鲜重、干重(g)。

1.2.3 凋落物持水性能测定

采用室内浸泡法^[17—18], 把烘干后的凋落物装入100目的尼龙网袋, 然后浸泡在清水中, 分别浸泡0.25h、0.5h、1h、2h、3h、4h、6h、8h、12h和24h后取出, 静置至不滴水时用精度为0.01g的电子天平称湿重, 每个植被类型设为3次重复。从而计算出凋落物的最大持水量、最大持水率以及有效拦蓄量和持水量、吸水率, 计算如下：

式中, R_m为凋落物的最大持水率(%), G₂₄、G_浸为浸泡24h后的重量和浸泡对应时间的重量(g), W₀、Q为凋落物有效拦蓄量和持水量(t/hm²), V为凋落物吸水速率(t hm^-2 h^-1), t为浸泡时间(h)。

一般情况下, 当凋落物浸泡24h后持水量会达到饱和, 这时候凋落物的饱和持水量视为最大持水量, 此时对应的持水率即最大持水率^{[17, 20]}。

1.2.4 土壤层物理性质和持水性能测定

土壤层物理性质和持水性能测定采用环刀法, 具体测定及计算方法参照中华人民共和国林业行业标准LY/T 1215—1999进行^[4]。

1.2.5 水源涵养能力综合评估

为评估3种林分类型凋落物和土壤层的水文效应和水源涵养能力, 利用熵权法对林分各指标进行量化, 计算公式如下：

式中, i为林分类型数, j为评价指标数, P_ij代表贡献度, k为常数, H_j代表熵值, g_j为差异系数, w_j为权重^[14]。

1.3 数据分析处理

在Excel 2016中进行数据整理, 统计分析在SPSS 26.0中进行, 绘图在GraphPad Prism 9(GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA)中进行, 并用Duncan′s multiple range tests法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析 2.1 不同林分类型凋落物厚度与储量

通过对宁夏罗山不同森林类型样地凋落物层的调查和分析, 3种林分类型凋落物总厚度变动范围为4.53—7.47cm, 青海云杉最小, 云杉油松混交林最大；总储量变动范围为37.33—51.08t/hm², 由大到小排序为云杉油松混交林＞青海云杉＞油松(表 2)。方差分析表明：3种林分类型凋落物未分解层厚度和总厚度差异不显著, 而3种林分类型凋落物半分解层厚度变化差异显著(P<0.05)；3种林分类型凋落物未分解层储量差异不显著, 但半分解层储量和总储量则表现为云杉油松混交林显著高于云杉纯林和油松纯林(P<0.05)。从3种林分类型凋落物厚度和储量及占比的分层变化看, 3种林分类型的半分解层均高于未分解层, 其中云杉油松混交林的半分解层远高于未分解层。

2.2 不同林分类型凋落物层水文效应 2.2.1 不同林分类型凋落物层最大持水量

最大持水量和最大持水率是凋落物水文效应的重要指标, 可以表示凋落物的持水能力。3种林分类型中, 云杉油松混交林未分解层和半分解层以及总的最大持水量均最大, 且总的最大持水量显著高于青海云杉纯林和油松纯林(P<0.05), 依次为95.08t/hm²、67.76t/hm²、63.29t/hm²；3种林分类型的最大持水率的范围为335.97%—353.85%(表 3), 虽然三者在未分解层、半分解层和总的最大持水率中差异不明显, 但在总的最大持水率中依次为云杉油松混交林＞青海云杉纯林＞油松纯林, 跟最大持水量的排序一致。

2.2.2 不同林分类型凋落物持水量动态变化

3种林分类型凋落物持水量随浸泡时间呈倒“J”型曲线变化特征。整体来看, 在浸泡0—1小时内凋落物持水量迅速增加, 1—8小时内凋落物持水量增长速度逐渐减缓, 12h后凋落物持水量基本达到饱和状态。从整体凋落物分层持水动态变化看, 不同林分凋落物半分解层持水量表现为青海云杉油松混交林＞油松纯林＞青海云杉纯林(图 1)；未分解层持水量则表现为青海云杉油松混交林＞青海云杉纯林＞油松纯林。在同一林分类型下, 凋落物半分解层持水量均高于未分解层。

对0.25—24h之间3种林分类型凋落物持水量与浸泡时间进行回归分析, 得出凋落物持水量与浸泡时间呈对数函数回归关系(表 4), 且R²都在0.9以上。表达式如下：

式中, Q为凋落物持水量(t/hm²)；t为浸泡时间(h)；a为系数；b为常数项。

2.2.3 不同林分类型凋落物吸水速率动态变化

3种林分类型凋落物吸水速率随浸泡时间呈倒“L”型曲线变化特征。整体来看, 在浸泡0.25h后, 凋落物吸水速率达到最大值, 在0.25—2小时间凋落物吸水速率快速下降, 6h后凋落物吸水速率逐渐下降直到停止。从整体凋落物分层吸水速率动态变化看, 不同林分凋落物未分解层吸水速率表现为云杉油松混交林＞青海云杉纯林＞油松纯林(图 2)；半分解层吸水速率则表现为此外云杉油松混交林＞油松纯林＞青海云杉纯林。在同一林分类型下, 凋落物半分解层吸水速率均高于未分解层。

对0.25—24h之间3种林分类型凋落物吸水速率与浸泡时间进行回归分析, 得出凋落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数回归关系(表 5), 且R²都在0.9以上。表达式如下：

式中, V为凋落物吸水速率(t hm^-2 h^-1)；t为浸泡时间(h); k为凋落物吸水性能系数、n为指数。

2.2.4 不同林分类型凋落物有效拦蓄量

有效拦蓄量在未分解层和半分解层中, 均是青海云杉油松混交林＞青海云杉＞油松, 分别为30.14t/hm²、15.25t/hm²、14.60t/hm²和33.78t/hm²、19.90t/hm²、19.49t/hm², 相当于拦蓄3.01mm、1.53mm、1.46mm和3.38mm、1.99mm、1.95mm的降雨(表 6)。

2.3 不同林分类型凋土壤层水文效应

3种林分类型土壤容重云杉油松混交林显著低于青海云杉纯林(P<0.05), 其大小排序为青海云杉纯林＞油松纯林＞云杉油松混交林；3种林分类型总孔隙度云杉油松混交林显著大于油松纯林和青海云杉纯林(P<0.05), 依次为云杉油松混交林(91.68%)＞油松纯林(82.53%)＞青海云杉纯林(73.49%)；3种林分类型毛管孔隙度云杉油松混交林显著大于青海云杉纯林(P<0.05), 依次为云杉油松混交林81.13%, 油松纯林71.36%, 青海云杉纯林57.11%；土壤持水的能力来看, 云杉油松混交林显著大于油松纯林和青海云杉纯林(P<0.05)(表 7)。

2.4 水源涵养能力的综合评估 2.4.1 不同林分类型评价指标数据集

采用熵权法, 选择9种指标进行评价, 分别为凋落物储量、凋落物最大持水量、有效拦蓄量、土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田间持水量(表 8)。综合9项指标进行权重赋值来评价宁夏罗山地区3种不同林分类型水源涵养能力。

2.4.2 构造标准化指标矩阵和权重值

先求出每一列的和, 再用每行的数据除以列和, 形成新的标准化矩阵(表 9), 然后利用公式计算出各个指标的熵值和各林分类型的权重值(表 10)。得到凋落物储量占3%, 凋落物最大持水量占6%, 有效拦蓄量占20%, 土壤容重占8%, 毛管孔隙度占4%, 非毛管孔隙度占7%, 毛管持水量占20%, 最大持水量占13%, 田间持水量占19%。

2.4.3 不同林分类型水源涵养能力的综合评价值

不同林分类型指标标准化的值与权重的乘积之和为综合评价值(表 11), 综合评价值的大小代表了水源涵养能力的大小, 所以3种林分类型水源涵养能力大小依次为青海云杉油松混交林(0.43)＞油松纯林(0.30)＞青海云杉纯林(0.27)。

3 讨论 3.1 不同林分类型与凋落物储量的关系

不同林分类型凋落物储量及厚度反映了森林生态系统的养分输入和能量流动以及森林的生态水文效应^{[9, 22—23]}。刘宇、孙拥康等^{[4, 24]}的研究结果表明, 混交林的凋落物厚度和储量要大于纯林, 且半分解层的厚度和储量大于未分解层；而杨良辰、周长亮等^{[14, 21]}的研究结果有所不同, 他们认为混交林的厚度小于纯林, 且半分解层的厚度和储量整体小于未分解层。本研究结果显示, 与刘宇、孙拥康等^{[4, 24]}的结果相似, 青海云杉油松混交林凋落物的总厚度和总储量显著高于青海云杉纯林和油松纯林(P<0.05), 3种林分类型的半分解层的厚度和储量高于未分解层。这可能是因为, 一方面, 凋落物厚度和储量大小受林分类型、林分密度、林分郁闭度、凋落物分解速率和气候水热条件及其地上微环境等的影响^{[4, 24]}, 还有可能受到该研究区域的高海拔、山区气候条件的影响^[25—26]；另一方面, 受到林分类型凋落物组成成分、叶片的形状、内含物和生理生化特性的影响, 使得分解周期或速率不同^[27]。

3.2 不同林分类型与凋落物水文效应的关系

凋落物的水文效应在森林生态系统水循环中有着非常重要的作用, 对掌握森林生态水文过程有重大意义。凋落物具有疏松多孔的结构, 使得水分通过表面张力吸附在疏松多孔的结构中, 导致有很好的持水性能^[7]。在本研究中, 最大持水量与最大持水率都显示相同的规律, 即青海云杉油松混交林大于青海云杉纯林和油松纯林。这与胡静霞等^[28]的研究结果不同, 他们认为最大持水量与最大持水率的规律不相同, 这可能是因为3种林分类型凋落物储量、厚度、分解程度以及研究区域等的不同而造成。但与杨良辰等^[14]的研究结果一致, 都显示最大持水量与最大持水率有相同的规律。

由于最大持水率和最大持水量只能反应凋落物持水24h后的最大值, 而不能反映3种林分类型凋落物持水的实际情况, 所以, 它们不能反映真实的对降雨的拦截能力, 一般用有效拦蓄量来反映凋落物对降水的实际拦蓄潜力^[17]。有效拦蓄量越大, 越有利于水土保持, 减少地表径流。本研究显示, 有效拦蓄量在未分解层和半分解层中, 均是青海云杉油松混交林＞青海云杉＞油松, 且半分解层高于未分解层, 这点与胡静霞等人的研究结果一致。可能是由于青海云杉油松混交林的凋落物厚度和储量大于云杉纯林和油松纯林, 以及半分解后的凋落物表面积增大, 从而持水量增加。

本研究发现从整体凋落物分层持水动态和吸水动态变化看, 不同林分凋落物半分解层和未分解层持水量和吸水速率均表现为青海云杉油松混交林大于其它两个纯林, 且在同一林分类型下, 凋落物半分解层持水量和吸水速率均高于未分解层。说明青海云杉油松混交林的持水能力强于青海云杉纯林和油松纯林。对0.25—24h之间3种林分类型凋落物的持水量和吸水速率分别于与浸泡时间进行回归分析, 得出凋落物持水量与浸泡时间呈对数函数回归关系(R²＞0.90), 凋落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数回归关系(R²＞0.90)。这与孙拥康、王忠禹等人^{[4, 23]}的研究结果一致^[7]。

3.3 不同林分类型与土壤水文效应的关系

土壤水文效应极大地影响着森林涵养水源功能、水土保持的能力和植被的生长发育等^[29]。本研究中, 3种林分类型的土壤容重青海云杉油松混交林的最低, 其次是油松纯林, 最后是青海云杉纯林最大, 从土壤持水的能力来看, 青海云杉油松混交林显著大于油松纯林和青海云杉纯林(P<0.05), 自然含水率的规律跟土壤持水能力的规律一样, 而毛管孔隙度、总孔隙度的规律与土壤容重的相反。这与孙拥康、杨良辰等^{[4, 14]}的研究结论一致, 这说明林地土壤容重的大小与土壤的紧实度和林分类型及其不同林地表凋落物等有关^[30], 由于不同林地表层的凋落物储量、组成、持水性能及其地下根系对土壤水分的吸收、凋落物的分解等存在差异, 从而造成土壤理化性质的差异^[31—34]。所以, 青海云杉油松混交林的水源涵养能力及其水土保持能力比油松纯林和青海云杉纯林强, 可以更大的减少地表径流和水土流失, 从而改善生态环境质量^[35]。

3.4 不同林分类型水源涵养能力的综合评价

凋落物层和土壤层分别为森林水文效应的第二作用层和第三作用层, 在水源涵养和水土保持以及养分输入、物质循环等方面有重要意义, 它两相互影响、相互作用^{[4—5, 36]}。所以, 在评估这3种典型林分类型凋落物层和土壤层水源涵养能力时, 本研究运用熵权法^[14]对3种林分类型水源涵养能力进行评估, 得到青海云杉油松混交林(0.43)＞油松纯林(0.30)＞青海云杉纯林(0.27), 即青海云杉油松混交林的水源涵养能力最大, 油松纯林次之, 最后是青海云杉纯林。这与杨良辰、周长亮等人的研究结果一致, 也认为混交林的水源涵养能力大于纯林^{[14, 21]}。

4 结论

宁夏罗山3种典型林分类型凋落物层和土壤层的水文效应和水源涵养能力都受到林分类型的影响。如下：(1)3种林分类型凋落物的总储量青海云杉油松混交林最大, 且青海云杉油松混交林的凋落物总储量显著高于云杉和油松纯林(P<0.05)；(2)最大持水量和最大持水率以及有效拦蓄量的大小顺序均为青海云杉油松混交林最大, 云杉纯林次之, 油松纯林最小, 且凋落物持水量与浸泡时间呈对数函数回归关系, 凋落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数回归关系, 两者R²都在0.9以上；(3)从3种林分类型的土壤物理性质和持水特性得出, 3种林分类型的土壤层水文效应的等级排序为云杉油松混交林＞油松纯林＞青海云杉纯林；(4)最后, 通过对3种林分类型水源涵养能力的综合评价可以得出青海云杉油松混交林(0.43)＞油松林(0.3)＞青海云杉林(0.27)。综上得到, 青海云杉油松混交林凋落物层和土壤层的水源涵养能力最优。