白龙江、洮河林区位于白龙江、洮河上游,地处青藏高原东部边缘黄土高原与甘肃南部山区交汇带(102°46'—104°52'E,33°04'—35°09'N),属青藏高原湿润气候区。地形以山地为主,山高谷深,相对高差大,海拔2 900～4 300 m,小气候多样,灾害天气多发,水资源较为丰富。年均降水646 mm,年均日照2 276 h,年均温5.8℃,无霜期107 d。土壤主要为棕色灰化土、棕色森林土、褐色森林土及黄土^[3]。森林以暗针叶林为主,覆盖率60.57%,林下天然更新良好,森林结构相对完整,生态功能较强^[14]。森林群落主要建群种为云、冷杉、油松、栎类、桦木、落叶松等,森林质量总体较高,野生动植物资源丰富。

枯落物持水能力多用干物质的最大持水率和最大持水量表示,其大小与森林类型,枯落物组成及分解程度有关^[18],由枯落物蓄积量和持水特性共同决定^[9],蓄积量受植被类型、立地条件、气候、季节等多因素影响^[19]。本研究的5种林型中,落叶松、桦木和栎类均为落叶树种,因此其枯落物蓄积量还与采样季节有关,本研究采样时间为7月,因此3种叶落树种还尚未达到枯枝落叶大量凋落的季节,所以落叶树种的枯落物蓄积量必会受到影响。

胡淑萍等^[20]认为阔叶树枯落物持水能力普遍高于针叶树,本研究中,枯落物持水量大小为冷杉林>栎类混交林>落叶松林>桦木林>油松林,持水率为冷杉林>桦木林>栎类混交林>落叶松林>油松林。本研究认为,无论针叶和阔叶林,还是常绿和落叶林,枯落物持水能力受树种、立地条件、林分密度和郁闭度及其所形成的水热条件的综合影响,持水量主要受蓄积量影响,持水率主要受分解程度影响。调查研究发现,冷杉林郁闭度大,林下环境湿润,枯落物成分复杂分解程度高,因此持水能力强,油松林郁闭度小,林内湿度低,枯落物结构单一分解程度低,因此持水能力弱。相同林型枯落物半分解层最大持水量与持水率均显著高于未分解层与木残体层,说明半分解层是枯落物发挥持水功能的主体,这与周志立等^[21]的研究一致。木残体分解程度越高储水潜力越大^[22],栎类混交林枯落物蓄积量最大但持水量小于冷杉林,是因为木残体比例偏高且木质坚硬不易分解,因此持水能力未充分发挥,桦木林亦是如此。

5种林型中,栎类混交林枯落物蓄积最量大,冷杉林枯落物蓄积量小于栎类,但分解程度高,因此二者吸水速率快,油松林枯落物蓄积量小且分解程度低,因此吸水速率最慢。不同林型枯落物吸水速率最快均为半分解层。5种林型枯落物持水量与浸水时间均符合Q=alnt+b的对数函数关系,吸水速率与浸水时间符合V=k·t ⁿ的幂函数关系。这与陈倩等^[23]的研究一致。

土壤容重和孔隙度是决定土壤水源涵养效应的重要因素^[21],孔隙度影响着土壤持水性能^[24]。孔隙度大则土壤容重小,持水能力强,孔隙度小则土壤紧实,持水能力弱。本研究中,5种不同林型0—60 cm土层,土壤容重均随土层深度增加而增大,孔隙度随深度增加而减小,上层土壤持水能力大于下层土壤,这与范少辉等^[25]的研究一致。

林地土壤自然含水量除与物质本身有关外,还与降水、林分郁闭度、光照等因素有关^[22]。油松、栎类和桦木林的林分郁闭度小,因此林地的蒸发导致上层土壤自然含水量小于深层,冷杉与落叶松林郁闭度大,对林地水分的保护作用强,因此土壤自然含水量高。

植被类型不同,土壤容重和孔隙度必然存在差异。本研究中,5种林型土壤总孔隙度大为小冷杉林>桦木林>栎类混交林>油松林>落叶松林,容重变化与之相反。孔隙度决定土壤持水能力,容重和孔隙度不同反映了土壤层持水能力的差异,因此最大持水量与孔隙度变化一致,即冷杉林土壤层持水能力最强,其次为桦木林,落叶松林最小。此外,土壤持水性能还与土壤质地、成分、石栎含量等因素有关^[26],本研究中,5种林型土壤质地不同,栎类混交林和落叶松林土壤均含石砾,因此必然会影响到其持水能力。本研究认为,无论针叶和阔叶林、还是常绿和落叶林,其土壤层持水能力及孔隙度等物理性质是林地水热条件,生物、微生物等因子长期共同作用的结果,受林木种类、密度、郁闭度等多因素影响。

林地水源涵养能力主要体现在枯落物层和土壤层^[27],因此许多研究^[23-24]采用枯落物和土壤层的持水量之和来评价林地水源涵养效应。本研究发现,由于立木密度、林冠层郁闭度不同,不同林型林内水热的再分配存在巨大差异,因此枯落物组成和分解程度各不相同,土壤质地、结构不同其持水能力也存在差异。因此本研究认为,林地水源涵养能力是林木种类、土壤、立地、气候等因子共同作用的结果。5种林型林地水源涵养量在2 876.63～3 197.35 t/hm²,0—60 cm土壤层最大持水量均占林地持水总量的99%以上,冷杉林林地水源涵养效应最强。

调查研究可知,冷杉作为甘南亚高山白龙江、洮河林区广泛分布的顶级天然林群落,经过长期的自然选择形成了稳定的结构,具有强大的生态功能,油松林老龄化林木较多且自然更新不良,桦木林和栎类混交林多为次生林,易受外界干扰,群落结构和生态功能均不如冷杉林稳定,落叶松人工林群落结构单一,生态功能较弱。5种林型林地水源涵养能力为冷杉林>桦木林>栎类混交林>油松林>落叶松林,证明了冷杉林群落在甘南亚高山地区水源涵养方面举足轻重的地位,也证明了不同林型在维护本林区生态系统稳定中的不同价值。

本研究从中度流域尺度上研究了种林型林地水源涵养效应,对本研究区森林水源涵养评价具有一定参考价值。森林水源涵养能力的体现除枯落物和土壤层外还主要体现在森林植被层上^[4],因此,关于本研究区森林水源涵养的研究仍需要在今后工作中持续开展。