栓皮櫟林分枯落物對土壤-植物系統水分運動的影響

王 偉 偉

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

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栓皮櫟林分枯落物對土壤-植物系統水分運動的影響

王 偉 偉

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

摘要：[目的] 分析枯落物層對森林生態系統水分循環的作用。 [方法] 利用穩定同位素技術，測定了在旱季和雨季栓皮櫟木質部水分以及枯落物層和不同土壤層水分的同位素特征。通過對比不同環境條件下(干旱期和降雨前后)枯落物層和土壤水分同位素組成的變化，并根據其與植物莖水分同位素特征的差異判斷栓皮櫟不同季節的水分利用來源。 [結果] 在旱季，隨著干旱期的進行，對于平均枯落物層厚度，表層0—30 cm土壤水分同位素特征由于蒸發分餾的影響逐漸變得富集，而對于因為特殊地形而造成的未分解枯落物層較厚的地方，則土壤水分同位素特征隨著干旱期的進行幾乎不發生變化；栓皮櫟的水分來源主要集中在表層，隨著干旱期的延長沒有發生變化；在雨季，極端降雨后，土壤同位素特征表明枯落物截留降雨的效應明顯，被枯落物截留的雨水以活塞流的形式繼續向土壤入滲，栓皮櫟的水分來源主要來自于表層0—10 cm枯落物層(分解層)的土壤；土壤剖面水分同位素特征呈現的梯度變化與土壤層的結構有關。[結論] 枯落物層的厚度，特別是未分解層，對土壤水分的同位素特征影響有差異；枯落物層的水文效應也間接改變了植物的水分利用。

關鍵詞：枯落物； 穩定同位素； 土壤水分； 水分利用

森林枯落物層是森林生態系統的重要組成部分，是森林水文效應的第二活動層[1-2]，不但具有截持降水、減少侵蝕、阻延地表徑流、補充土壤水分的作用，而且能夠影響土壤營養元素的循環、植物的水分利用和組成以及能夠抑制土壤水分蒸發，是植物群落涵養水源、保持水土的主要功能層次，在土壤—植被—大氣連續體中起著重要的作用[3-5]。而枯落物的這些水文功能與其種類、儲量、分解程度、分布格局及其持水能力有密切的關系[6]。

在旱季，枯落物抑制土壤水分蒸發的作用對于干旱半干旱區土壤水分活性的維持具有重要的作用。周宏偉[7]在塔克拉瑪干沙漠腹地進行人工模擬4種不同覆蓋物，包括積沙層、鹽結皮層、枯落物和積沙-枯落物混合層對土壤水分蒸發的影響，發現這些覆蓋物相對于無覆蓋物沙地，蒸發抑制作用明顯，而且隨著覆蓋物厚度的增加蒸發抑制效率增加明顯，枯落物的最大蒸發抑制率高達78.96%，現實蒸發抑制效率為61.74%。申衛軍[8]在分析馬占相思和濕地松人工林枯落物層的水文生態功能時，也發現枯落物層減少土壤水分蒸發的效應隨枯落物層厚度和土壤含水量的增大而增加，同時2種枯落物對徑流留出時間的阻滯效應隨枯落物層厚度的增加呈直線增加?？萋湮飳拥慕亓糇饔靡彩强萋湮飳由鷳B水文效應的一個重要的方面，通過林冠層后的降水到達地表時，枯落物層再次截留部分降水或延緩入滲，從而改變水文過程和水文效應[9]?？萋湮飳訉邓慕亓羰且粋€從開始截留降雨到吸水飽和的過程，可分為截留、滲透直至達到最大(飽和)，截留率逐漸減小。李海軍[10]在研究天山中部不同林齡天然云杉林地表層土壤入滲性能中分析了枯落物層對土壤入滲性能的影響，得出初滲速率與枯落物層的厚度呈極顯著正相關，枯落物層越厚，地表入滲空隙越大，水分下滲速率越快。汪邦穩[11]研究枯落物對降雨徑流分配的影響發現：枯落物覆蓋能夠有效改善降雨徑流的垂直空間分配，使得地表徑流減少，壤中流和基流顯著增加。另外，森林凋落物的分解還是森林生態系統中有機質殘體分解轉化的基本過程，是系統養分循環的關鍵環節，對調節土壤養分的可利用性和維持森林的生產力具有重要的作用。凋落物在自然條件下，凋落物的自然持水率是影響凋落物分解重要因素之一，凋落物的分解速率隨凋落物自然持水率的升高而增加[12]，而這將進一步存進植物的生長和生態系統生產力的提高。

水的穩定同位素成分被認為是水的“指紋”，記錄了大量綜合反映個系統地球化學過程、聯系各環節成分特點的環境信息[13]，在土壤—植物—大氣連續體中，其分布特征反應了一定范圍內的水分循環過程及植物對不同水源的選擇利用能力等[14]。土壤水中的穩定同位素變化受大氣降水中穩定同位素以及地表蒸發、水分在土壤中的水平遷移和垂直運動等多種因素的影響，因此可以將土壤水中的穩定同位素成分作為一種天然的示蹤劑利用其濃度變化提取有關水在土壤中的遷移、分配的信息[15]。程立平[16]研究黃土塬區幾種典型土地利用類型的土壤水穩定同位素特征時發現不同土地利用方式之間土壤水同位素值隨土壤深度增加而趨于一致；相同土地利用條件下，淺層土壤水同位素組成隨時間推移而變化的程度劇烈，隨土壤深度增加，土壤水同位素值的變化程度減弱，甚至無變化；而且通過對比降水與土壤水同位素值變化發現，在黃土塬區，活塞流和優先流并存于降水入滲的過程中。王仕琴[17]利用同位素研究不同降水特征、土壤質地和植被條件下的入滲過程的差異性，發現土壤非均質條件下，降水入滲補給過程伴隨著蒸發、植被蒸騰作用以及與土壤前期水分的強烈混合作用，活塞流入滲的同時土壤100 cm深度可能還存在大孔隙優先流，而土壤均質條件下降水均勻入滲，土壤水基本以活塞流為主的形式運動。

本文利用穩定同位素技術，通過對枯落物、土壤和植物莖干水分的氫氧同位素特征的測定，以期了解枯落物層水文效應對土壤—植物系統水分運動的影響。

1研究區概況

試驗地位于鷲峰國家森林公園內的北京林業大學教學實驗林場，北京市西北郊，太行山系最北端和燕山山脈相會的地方，北緯40°3′46″，東經116°5′45″，屬于華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區，年平均氣溫8.5～9.5 ℃，最高氣溫39.7 ℃，最低氣溫-19.6 ℃，≥10 ℃有效積溫3 385～4 210 ℃，無霜期150 d，晚霜于4月上旬，早霜于9月上旬，多年平均降水量600～700 mm，季節性差異明顯，多集中在7—9月份，占全年降水量的70%以上。植物生長期220天。春季干旱多風，晝夜溫差大，降水占全年降水的8%左右，而蒸發量很大，很容易造成春旱，夏季炎熱多雨，降水集中，秋季冷暖適宜，冬季寒冷干燥，降水量占全年的2%左右。由于自元代以后森林不斷被破壞到清朝末期植被已退化成灌叢和灌草叢，以及少量的次生林和草甸植被等。20世紀以來，由于人類經濟活動頻繁，僅存的少部分森林也遭受到砍伐，原生植被破壞殆盡。自20世紀50年代到60年代開始，北京市開展了大規模的人工造林，使北京低山區森林不斷恢復，現在已有側柏、栓皮櫟、油松、刺槐等片狀的人工林分。

由于自然(地形、降雨、地面物質組成和植被)和人為因素(開荒、過度放牧、工礦交通)影響，北京地區水土流失嚴重，早在20世紀50年代北京山區就已經開展水土保持工作[18]，研究區仍然能夠看到一些坡面水土保持工程措施(干砌片石護坡，水平階)，特別是在低山區，這些措施可以攔蓄徑流、沉淀泥沙，改善侵蝕和水分循環環境，為植樹造林和植被恢復創造了良好的條件[19]。

試驗樣地海拔400 m左右，北緯40°03′，東經116°05′，坡度7.5°，坡向南偏東45°，樣地規格40 m×60 m，樣地林分為輕度混交林，主要喬木為側柏和栓皮櫟，林下代表灌木為荊條、孩兒拳頭，栓皮櫟為優勢樹種，單木優勢度非常明顯，其他伴生樹種幾乎都為被壓木和中庸木，林分密度為1 294株/hm2，建群種比率為58%，平均胸徑為16.2 cm，平均樹高為10.9 m，郁閉度0.85，平均樹齡為53 a。在樣地坡面選擇2個采樣點，采樣點分別位于坡下(SPL1，海拔370 m)和坡中(SPL2，海拔397 m)，母質為凝灰巖坡積物，由于水土保持工程的原因，土壤層厚度在60 cm左右，黏壤土，碎塊狀結構，在0—60 cm土壤層內石礫含量極少，而在60 cm以下石礫含量開始增多，并出現灰白色的風化凝灰巖，土壤層顏色變化明顯。由于栓皮櫟枯落物量較大，在前一年落葉后，由于冬春季節溫度、水分含量較低，分解速度慢，主要分解期集中在雨季和雨季后期，所以采樣期內土壤表層有一定厚度的枯落物層，且未分解層和半分解層以及分解層明顯，根據采樣點位置的差異，枯落物層的厚度也有差異，因為北京冬春季多風，導致坡下一般會積累較厚的枯落物層。通過在坡面不同位置采樣，分析枯落物層對土壤、植物莖干水分同位素特征的影響。

2試驗方法

2.1　樣品采集

枯落物層樣品的采集并未按照其分解程度進行采集，而是整體采集(半分解層居多)，土壤樣品通過1 m的土鉆，上層0—40 cm土壤每10 cm分層取樣，隨即每20 cm取樣，一直到風化基巖層(一般在70 cm左右)。樣品裝入50 ml的塑料離心管中(帶螺紋口)，并用parafilm密封，帶回實驗室冷凍保存。

(1) 植物樣品采集。在土壤采樣點附近，選取2株成熟的栓皮櫟植株，每株一個樣品，剪取非綠色的栓化小枝，去皮后迅速放入采樣瓶內，用parafilm膜密封，帶回實驗室冷凍保存。

(2) 降水樣品的采集方法：降水樣品采集地點位于距離試驗樣地200 m，海拔120 m和153 m的空曠地，放置2個鐵質收集桶，四周沒有樹木和建筑物，收集桶的上方放置塑料漏斗且在漏斗里放置一個乒乓球，防止桶內的水分蒸發分餾。將收集的降水樣品放入100 ml的塑料試管中，并立即用parafilm密封，帶回實驗室放入冰箱中冷藏。

2.2　樣品室內分析

樣品的室內分析在北京林業大學水土保持重點實驗室進行，利用低溫真空蒸餾(LI-2000植物土壤水分真空抽提系統)的方法提取植物和土壤的水分(Ehleringer et al 2000), 激光液態水同位素分析儀(Los Gatos Research)應用偏軸積分腔輸出光譜的方法，可以在25 cm的腔室中產生大約2 500 m的光路，不同的水分子在這樣的光腔中有區分明顯的吸收峰，某種分子的絕對數量可以通過測量某種特定波長激光的吸收狀況得到[20]，對水分樣品同位素豐度δD，δ18O值進行測定，其δD，δ18O的測定精度分別達到0.3‰和0.1‰。測得的植物和土壤水樣中氫氧同位素含量為“與標準平均大洋水(SMOW)”的千分差，表示為：

δ=(Rsample-Rstandard)/Rstandard×1 000‰

式中：Rsample——水樣中D或18O的濃度；Rstandard——SMOW中D或18O的濃度。

3結果分析

3.1　降雨分布和降雨、植物莖干水分的同位素特征

由圖1可知，在2013年試驗區的降雨分布呈現出明顯的旱季和雨季的分界，在五月底(0527—0528)近10 mm的降雨后正式進入雨季，而之前(旱季)僅僅只有近30 mm的降水，第1次采樣前(0503)實驗區有近一個月的無降雨日，到第2次采樣(0525)時干旱期延長，近50 d的無降雨日。而在雨季降雨頻繁且連續，同時伴隨有極端降雨事件，在6—7月間有3次降雨事件降雨量分別達到42.8，45.6，51.2 mm。收集最近1次(20130715)極端降雨樣品，并在降雨后1 d(20130716)和5 d(20130720)采集土壤和植物樣品，期間無降雨事件發生。

圖1　采樣期內降雨的分布和降雨和栓皮櫟水分同位素特征

根據植物莖的氧同位素特征，干旱期相較于濕潤期，植物莖水的同位素值偏小，同時隨著干旱期的延長，植物莖水的同位素值逐漸減小，這可能與栓皮櫟的水分利用策略有關，在干旱期，水分來源的深度較濕潤期深，而且隨著干旱期的延長，水分利用的深度會逐漸加深。而在濕潤期，長時間持續降雨后，植物莖水的同位素值與最近的極端降雨同位素值接近，而之前的小降雨事件的對植物莖水同位素特征幾乎沒有影響，在雨季極端降雨的同位素特征對栓皮櫟的水分同位素特征起決定作用，在經過近5 d的無降雨

后，莖干水分同位素特征變化微弱(-6.97‰，-7.21‰)。

3.2枯落物層的水文效應對土壤剖面的水分同位素特征的影響

在干旱期的第1次采樣(20130503)，同位素特征的變化如圖2所示。無論坡下還是坡中枯落物層和土壤表層的水分同位素特征，由于長期蒸發的影響，呈現出明顯的梯度變化，從枯落物層開始，隨著土壤深度的增加，水分同位素特征先逐漸減小，然后趨于穩定；在坡下這個拐點出現在20 cm深度處，而在坡中這個拐點的更深一些，出現在30 cm土層。隨著干旱期的延長，在第2次采樣(20130525)所得到的同位素特征變化如圖3所示，坡下土壤各層的同位素特征幾乎沒有變化，而土壤坡面的整體變化趨勢也沒有改變，拐點出現的深度正慢慢下移至30 cm，但是可以看出10—20 cm和20—30 cm土層的水分同位素特征差異不如上層明顯；而坡中的土壤層同位素特征變化較為明顯，特別是上層土壤(0—40 cm)同位素特征整體富集，土壤坡面的變化趨勢沒有變化，拐點出現的深度明顯下移至40 cm，在40 cm以下的土層水分同位素特征變化不大。

圖2　干旱期坡下和坡中枯落物層和土壤剖面水分同位素特征

圖3　雨季坡下和坡中枯落物層和土壤剖面水分同位素特征

3.3雨季極端降雨后坡面不同位置枯落物和土壤水分同位素特征

在雨季，根據采集的未分解層和分解層的枯落物樣品水分同位素特征分析，發現他們之間有顯著差異，未分解層明顯大于分解層，這種差異的原因不一定是由于表層枯落物層蒸發富集導致的，可能與降雨過程中同位素特征的變化有關，本研究采用未分解層(0 cm)的水分同位素特征代表枯落物層水分同位素特征，觀察水分的入滲過程。經過長歷時的連續降雨后，無論坡中還是坡下，枯落物的同位素特征較表層(0—10 cm)土壤水分同位素特征小，而土壤剖面的同位素特征變化也具有相似性，在上層(<60 cm)土壤水分的同位素特征變化不大，都在-60‰左右，而在60 cm以下的土層，水分同位素特征減小劇烈。這可能與土壤剖面的結構有關，60—80 cm土層土壤的顏色變化明顯，而且石礫含量較多。在經過3 d的無降雨期后，不同位置的表層枯落物水分的同位素特征由于蒸發而富集，而土壤剖面各層土壤水分的同位素特征變化有差異，坡中上層(0—30 cm)土壤水分同位素特征幾乎沒有變化，而坡下土壤上層(0—30 cm)的水分同位素特征變化明顯，呈現自上而下出活塞流下滲的特征，后形成的土壤水能夠取代先形成的土壤水并將其向下推移，即土壤0—30 cm土層水分的同位素特征保留了采樣前3 d(20130716)枯落物層以及0—20 cm的土壤水分穩定同位素組成特征(采樣日期20130720土壤0—10，10—20，20—30 cm的同位素特征分別為-60.58‰，-56.27‰，-58.69‰分別與采樣日期20130716枯落物層以及土壤0—10，10—20 cm水分穩定同位素組成-60.78‰，-56.27‰，-60.21‰相對應)。同時仍然能夠看到在坡下土壤同位素值劇烈變化發生在60 cm土層以下，而在坡中土壤剖面在60 cm深度處遇到巖石而無法繼續取樣。

3.4不同季節枯落物層水文效應對栓皮櫟水分來源的影響

在旱季，根據枯落物和土壤各層水分氧同位素特征以及植物莖干水分的氧同位素值，通過直接對比法，能夠初步得出栓皮櫟的主要水分來源。在生長季剛開始時(展葉期，如圖4所示)，坡下和坡中栓皮櫟莖干水分的同位素豐度值(-7.36‰，-7.88‰)比較接近，處在表層0—20 cm土壤同位素特征范圍內，但與0—10 cm土層的水分同位素特征更為接近，表明此時水分主要來源在表層0—10 cm，而隨著干旱期的延長，在干旱期的第2次采樣，土壤和植物的氧同位素特征如圖6所示，相較于生長初期，坡下和坡中的栓皮櫟莖干水分同位素特征都明顯減小(-8.08‰，-10.41‰)，而且不同位置差異明顯，坡中的栓皮櫟莖干水分小于坡下，主要水分來源也變深，在坡下栓皮櫟主要來源與10-20 cm土層，而坡中處栓皮櫟林的水分來源則更深，在30—40 cm深度甚至更深。這可能枯落物層的厚度有關，坡下枯落物層的厚度較坡中厚，隨著枯落物層厚度的增加，抑制土壤蒸發的效應越大，從而減小了土壤蒸發損失。

圖4　旱季不同時期坡中和坡下土壤與植物莖干水分同位素特征

在雨季，當利用穩定同位素判斷出植物有多個水分來源時，通常假定較淺層的土壤為主要的水分來源，因為相對于深層土壤來說，通常表層土壤水分、養分充足，植物根系分布較多，同時吸收水分所消耗的能量較少。如圖5所示，坡下和坡中莖干水分同位素值接近(-6.95‰，-7.26‰)，根據直接相關法，植物莖干水分同位素值處于枯落物層與表層0—10 cm土壤水分同位素特征之間，可以明顯發現枯落物層水分(特別是表層未分解層枯落物)對植物水分利用的貢獻。而在經過幾天晴天之后，植物莖水同位素值幾乎沒有變化，主要水分來源仍然來自表層枯落物和0—10 cm土壤，但是這時相對于未分解層，分解層對植物的水分來源貢獻更為明顯。

栓皮櫟利用枯落物層水分不僅僅在試驗數據的基礎上，同時在野外試驗中，枯落物層中生長的根系也進一步證明了這個結果。這可能與生長季環境條件有關，在雨季連續降水，表層枯落物層不僅水分含量充足，而且此時溫度和水分含量不僅對土壤微生物活性提高同時對枯落物層的分解也有利，從而促進了養分的釋放，而此時也是根系生長的活躍期，根據根系生長的趨性，也有理由確定枯落物層水分對栓皮櫟水分利用的貢獻。

圖5　雨季不同時期坡中和坡下土壤與植物莖干水分同位素特征

4結論與討論

4.1　枯落物層對土壤水分同位素特征的影響

在坡面不同位置，以及坡面微地形的變化，枯落物層厚度不均一性，導致了不同位置土壤水分同位素特征的差異。在旱季，坡下與坡中土壤剖面水分同位素特征對比發現，在坡下出現拐點的深度較淺，同時隨著干旱時間的延長，坡下土壤同位素特征的變化也較小，這可能與坡下枯落物層較厚有關。隨著枯落物層厚度的增加，枯落物層抑制土壤蒸發的效應越大。這是由于土壤表面覆蓋枯落物以后，阻礙了土壤表面蒸發水分與大氣水汽的直接交換，加大了太陽光的折射、反射和吸收太陽能的增加，蒸發動力變小，土壤蒸發量減少；同時，隨著枯落物厚度的增加，水分子在其中運移的距離增大，蒸發阻力變大，蒸發量隨之減小。

在雨季，經過連續降雨和極端降雨事件后，雨水對整個剖面的完全滲潤，不同位置枯落物層和土壤剖面同位素特征具有相同的變化，而在經過幾天晴天后，不同位置土壤剖面同位素特征變化不同，主要差異出現在分解層，坡中從未分解層向下，土壤同位素特征無變化，而在坡下，由于活塞流的出現，從未分解層開始，可以發現明顯的水分驅替現象。這是由枯落物層的覆蓋增加了地表粗糙度，增大了地表的曼寧粗糙系數，減緩徑流的速度，增大了降雨徑流與土壤的接觸面，延長了降雨徑流的入滲時間。增強了降雨量對地表徑流和壤中流的影響。而枯落物層這種延長降雨入滲的效應顯然也是隨著其未分解層厚度的增加而增加的。

4.2　枯落物層對植物水分利用的影響

枯落物層對土壤水分特征的改變以及其本身的特性也間接改變了植物的水分利用，在旱季，生長季初期，坡中和坡下栓皮櫟具有相同的水分來源，而隨著干旱期的延長，水分利用的深度出現明顯的差異，坡中位置的水分利用較深。這進一步說明了枯落物層厚度的差異對土壤水分蒸發的抑制作用的不同。而在雨季，枯落物層能夠直接為栓皮櫟提供水分，在前人的研究中很少有具體說明枯落物層對植物水分的貢獻，這可能局部地區環境有關，因為相較于土壤層，枯落物層的水分蒸發損失更快，水分變化劇烈，這對植物根系生長來說應該是很不利的，而在雨季由于長時間的連續降水和極端降水事件，不僅僅使得枯落物層達到最大持水量，還使得其能夠長期保持大量的水分，而且此時溫度和水分含量對土壤微生物活性提高和枯落物層的分解也有利，提供了大量的有機質，改良了土壤結構，增加了土壤孔隙，使土壤容重變小。生長季也是栓皮櫟生長和根系更新的活躍期，這些也許是栓皮櫟利用枯落物層水分的原因。

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Effects of Litters in Cork Oak Stands on Water Movement of Soil-Plant System

WANG Weiwei

(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd,Beijing102600,China)

Abstract：[Objective] To analyze the effects of litter layer on forest ecosystem moisture cycle. [Methods] Using stable isotope techniques to measure the moisture inQuercusxylem in dry and wet seasons, and the isotopic characteristics of the litter layer and different soil moisture layers. By contrasting the changes of the composition of litter layer and soil moisture isotopes under different environmental conditions which including before and after periods of drought and rainfall, and based on the differences between the changes and the isotopic characteristics of plant stem moisture, the differences in different seasons of cork oak were estimated. [Results] Firstly, as the drought continues, due to evaporation fractionation gradually, the isotopic characteristics of moisture in surface soil of 0—30 cm become enriched for the average thickness of the litter layer, and the isotopic characteristics of soil moisture almost did not change for the thick undecomposed litter layer caused by special topography. The moisture source of cork oak concentrated mainly in the surface water, and did not change with the drought. Secondly, after extreme rainfall during the rainy season, soil isotopic characteristics indicated litter interception rainfall effect was obvious, the rainwater which was trapped by litter infiltrated to soil in the form of plug flow continuously, the main source of moisture ofQuercuscome from the surface 0—10 cm layer of soil litter decomposition layer. Thirdly, moisture gradient isotopic characteristics of the soil profile was related to the structure of the soil layer. [Conclusion] There are differences in the effects of litter layers’ thickness on soil moisture isotopic characteristics, especially which of undecomposed layer. The hydrological effects of litter in cork oak stands change the plant water use indirectly.

Keywords:litters; stable isotope; soil moisture; water use

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0105-07

中圖分類號：S715-3

收稿日期：2014-04-01修回日期：2014-05-05

資助項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目“三北地區水源涵養林體系構建技術研究和示范”(2011BAD38B05)

第一作者：王偉偉(1987—),男(漢族),山西省臨汾市人,碩士研究生，研究方向為森林水文及同位素水文。 E-mail:wangweiwei1987411@163.com。