森林水文生态效应主要是由森林林冠层截留降水，地表枯落物与土壤层对水的贮藏与截持功能调节降水来体现，其中枯落物层与土壤层为主要表现层^[1]。地表枯落物是森林水文效应重要一环，位于森林水文效应的第2活动层，其主要作用是对降水、地表径流的拦阻，防止土壤中水分的流失，保护土壤被降水直接侵蚀等，除此之外，枯落物是微生物的重要能量来源，通过对枯落物的分解来提高土壤的养分，改善土壤结构，增强土壤通透性，提高土壤孔隙度与渗透性^[2]。土壤层为森林水文效应第3活动层，是贮藏与调节森林水分的重要部分，其土壤孔隙、土壤水分等水文和理化特征是森林水文生态功能的重要指标，能够直接影响森林生态系统的水文调节等过程^[3]。因此，研究森林水文生态效应的基础与前提是对森林水文层水源涵养能力的研究。

华北土石山区是华北地区主要森林分布区，是京津地重要的水源地，并且该地区的森林生态系统在一定程度上保护华北地区的生态与水资源安全，为社会经济发展提供了生态保障，因此研究该地区不同林分类型水文生态效应具有重要意义^[4]。该地区植被类型丰富，国内对该地区的研究主要集中在林分结构、生物多样性、森林健康评价等方面^[5-6]。目前，虽然已有学者针对该地区林分水文效应研究已经展开，但是主要集中在不同立地条件、不同经营措施的水文效应上。其中：在不同立地条件上，张引等^[7]与田超等^[8-9]探讨了不同海拔林分枯落物与土壤层水文效应；在不同经营措施上，徐学华等^[10]研究几种经营措施对华北落叶松林枯落物持水性能的影响。但是，针对该地区几种典型林分类型的综合研究较少，尤其是针对灌木的水文生态效应研究鲜有报道。因此，笔者对华北土石山区针叶纯林、针阔混交林、阔叶纯林、阔叶混交林与灌木林5种不同林分类型的水文效应主要活动层进行研究，旨在为华北土石山区森林培育、森林经营与生态安全提供一定的科学依据。

研究区设在河北省围场县境内的北沟林场(E 116°51'~117°45'，N 41°47'~42°06')，气候特点明显，昼夜温差大，属于大陆性季风型山地气候，海拔跨度在750~1 829 m之间，降雨量年均为400~500 mm，年平均气温-1.4~4.7 ℃，土壤以棕壤为主。研究区植被丰富，类型较多，乔木树种以云杉(Picea asperata)、油松(Pinus tabulaeformis)、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、核桃楸(Juglans mandshurica)、蒙古栎(Quercus Mongolica)、白桦(Betula platyphylla)等为主；灌木以胡枝子(Lespedeza bicolor)、土庄绣线菊(Spiraea pubescens)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等为主；草本以小红菊(Dendranthema chanetii)、披针叶苔草(Carex lanceolata)、野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia)等为主。

试验地设置河北省围场县北沟林场北沟作业区，在2017年7—10月在该地区选择35年左右的华北落叶松林、油松-蒙古栎混交林、蒙古栎林、蒙古栎-黑桦混交林4种乔木林与胡枝子灌木林5种典型华北土石山区林分类型作为研究对象。土壤均为黑棕壤，由于研究区与乡村接壤，因此5种林分均受到人工干扰，尤其是胡枝子灌木林受到的影响最大，并在每个林分内设置3块大小为30 m×30 m的标准地并调查5种林分的基本概况(表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同林分类型标准地概况 Tab. 1 Standard map of different stand types 林分类型 Stand type 编号 No. 坡度 Slope/ (°) 海拔 Elevation/ m 郁闭度(盖度) Canopy (Coverage) 平均胸径 Mean DBH/cm 平均树高 Average height/m 林龄 Forest age/a 林分密度 Stand density/ (Trees·hm-2) 华北落叶松林Larix principis-rupprechtii forest Ⅰ 17~19 1 320 0.75 16.72 10.2 30 1 655 油松—蒙古栎混交林Mixed forest of Pinus tabulaeformis and Quercus mongolica Ⅱ 16~20 1 210 0.85 18.1 10.6 35 1 670 蒙古栎林Quercus mongolica forest Ⅲ 13~16 1 150 0.70 12.5 9.8 40 1 597 蒙古栎—黑桦混交林Mixed forest of Quercus mongolica and Betula dahurica Ⅳ 18~22 1 020 0.90 20.1 11.7 39 1 725 胡枝子灌丛Lespedeza bicolor shrub Ⅴ 19~23 760 50 — 1.1 — 3 519 注:*表示胡枝子灌丛测量的是地径。Notes: * indicates that the basal diameter of Lespedeza bicolor shrub is measured.

表 1 不同林分类型标准地概况 Tab. 1 Standard map of different stand types

在标准样地4个角和中心位置各取5个小样方，面积为50 cm×50 cm，根据枯落物分解状态分为未分解与半分解，分别选取样品并测定厚度、鲜质量。选取枯落物后在实验室内烘箱进行烘干，枯落物达到恒重后进行称量。利用室内浸泡法，记录枯落物浸水后0.25，0.5，1，2，4，6，8和24 h的质量，研究枯落物持水过程^[11-12]。

式中：W为有效拦蓄量，t/hm²；R_m为最大持水率，%；R₀为自然含水率，%；M为枯落物储量，t/hm²。

采用环刀法和双环法测定土壤层持水性能，在样地内选取合适地点挖取合适剖面，5种林分中个别林分的根系主要分布在30 cm左右；因此为保证研究对象的一致性，选取土壤层0~10、10~20和20~30 cm3个层次，并对土壤层持水指标进行测定，包括土壤密度、非毛管孔隙度与毛管孔隙度等^[13]。

式中：W为土壤持水量，t/hm²；P为土壤孔隙度，%；h为土壤厚度，m。

由表 2可知，总蓄积量变动范围为15.14~32.45 t/hm²，枯落物总蓄积量差异性较大，依次为蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同林分类型枯落物层蓄积量 Tab. 2 Volume of litter layer accumulation in different stand types 林分类型 Stand type 总厚度 Total thickness/ mm 总蓄积量 Total volume/ (t·hm-2) 未分解层Undecomposed litter 半分解层Semi-decomposed litter 厚度 Thickness/ mm 蓄积量 Volume/ (t·hm-2) 比例 Percentage/% 厚度 Thickness/ mm 蓄积量 Volume/ (t·hm-2) 比例 Percentage/ % Ⅰ 31.6 23.19 18.2 13.05 56.27 13.4 10.14 43.73 Ⅱ 37.1 25.64 19.7 12.67 49.41 17.4 12.97 50.59 Ⅲ 32.5 31.21 16.9 13.54 43.38 15.6 17.67 56.62 Ⅳ 28.4 32.45 15.3 12.37 38.12 13.1 20.08 61.88 Ⅴ 21.3 15.14 13.9 6.91 45.64 7.4 8.23 54.36

表 2 不同林分类型枯落物层蓄积量 Tab. 2 Volume of litter layer accumulation in different stand types

由表 3可知，最大持水量最大的林分为蒙古栎-黑桦混交林，最小的林分为胡枝子灌丛；蒙古栎-黑桦混交林与蒙古栎林的最大持水量和最大持水率均高于有针叶树种的油松-蒙古栎混交林与华北落叶松；胡枝子灌丛最大持水量与最大持水率均低于其他4种乔木林，这可能与枯落物蓄积量、枯落物本身结构等有关。综合枯落物两个层次的变化规律可知，拦蓄潜力最大的林分为蒙古栎-黑桦混交林，而胡枝子灌丛拦蓄能力潜力最小。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同林分类型最大持水量 Tab. 3 Maximum water-holding capacity in different stand types 林分类型 Stand type 最大持水量 Maximum water-holding capacity/(t·hm-2) 最大持水率 Maximum water-holding rate/% 未分解层 Undecomposed litter 半分解层 Semi-decomposed litter 总和 Total 未分解层 Undecomposed litter 半分解层 Semi-decomposed litter 平均 Average Ⅰ 23.59±1.05a 20.67±0.77a 44.26±1.82a 180.74±8.06a 203.85±7.62a 192.30±7.83a Ⅱ 24.31±1.04a 34.69±1.19b 59.00±2.20b 191.87±8.22a 267.46±9.14b 229.67±8.56b Ⅲ 26.34±1.07a 46.97±2.68c 73.21±3.73c 193.82±7.90a 265.82±15.17b 229.82±11.47b Ⅳ 27.69±0.68b 56.38±3.27d 84.07±3.80d 223.82±5.47b 280.79±16.28b 252.31±10.35b Ⅴ 10.39±0.60c 13.59±0.41e 23.98±1.00e 150.41±8.64c 165.13±4.92c 157.77±6.78c 注:同列不同小写字母表示差异达显著水平(P < 0.05)。下同。Notes: Different lower-case letters in the same column indicate significant difference (P < 0.05). The same below.

表 3 不同林分类型最大持水量 Tab. 3 Maximum water-holding capacity in different stand types

由表 4可知，枯落物未分解层与半分解层有效持水率依次为蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛。不同林分类型持水指标中有效拦蓄量与枯落物蓄积量有较大关系，其中蒙古栎-黑桦混交林最大，而胡枝子灌丛最小，两者差异显著，综合5种林分类型枯落物有效拦蓄量与有效拦蓄率的变化规律，可知蒙古栎-黑桦混交林拦蓄能力最强，胡枝子灌丛拦蓄能力最弱。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同林分类型枯落物有效拦蓄量 Tab. 4 Effective interception capacity of litter in different stand types 枯落物层 Litter layer 林分类型 Stand type 自然含水率/% Natural moisture content/% 有效拦蓄率 Effective interception rate/% 有效拦蓄量 Effective interception capacity/(t·hm-2) 有效拦蓄深 Effective interception depth/mm 未分解层 Undecomposed litter Ⅰ 11.38±0.56a 142.25±6.37a 18.57±0.83a 1.86±0.08a Ⅱ 6.21±0.38b 156.88±6.90a 19.87±0.87a 1.99±0.09a Ⅲ 7.38±0.28b 157.36±6.44a 21.31±0.87b 2.13±0.09b Ⅳ 7.69±0.20c 182.56±4.57b 22.58±0.57c 2.26±0.06c Ⅴ 6.77±0.28b 121.07±7.06c 8.37±0.49d 0.84±0.05d 半分解层 Semi-decomposed litter Ⅰ 19.64±0.44a 153.63±6.05a 15.58±0.61a 1.56±0.06a Ⅱ 32.45±1.31b 194.89±6.47b 25.28±0.84b 2.53±0.09b Ⅲ 30.16±1.39b 195.79±11.52b 34.60±2.04c 3.46±0.20c Ⅳ 12.31±0.84c 226.37±13.03c 45.45±2.61d 4.55±0.26d Ⅴ 15.64±0.57d 124.72±3.83d 10.27±0.31e 1.02±0.03e

表 4 不同林分类型枯落物有效拦蓄量 Tab. 4 Effective interception capacity of litter in different stand types

由图 1可知，5种林分类型枯落物未分解层、半分解层持水量变化趋势基本一致，枯落物在浸水刚开始的1 h内持水量增长迅速，随着时间的推移，持水量增长逐渐减小，在浸泡8 h时基本达到饱和状态，5种林分类型枯落物未分解层、半分解层持水量均变现为：蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同林分类型枯落物持水量变化过程 Fig. 1 Change process of water-holding capacity of litter in different stand types

对5种林分类型枯落物各层持水量与浸泡时间的关系进行拟合分析，两者存在较好的函数关系(表 5)，具体表达式为

表 5(Tab. 5)

表 5 不同林分类型枯落物持水指标与浸泡时间拟合关系 Tab. 5 Fitting relationship between water-holding indexes and soaking time of litter in different stand types 枯落物层 Litter layers 林分类型 Stand type 回归方程 Regression equation R 回归方程 Regression equation R 未分解层 Undecomposed litter Ⅰ Q=234.7ln(t)+1 182.8 0.964 0 V=1 159.5t-0.900 0.988 8 Ⅱ Q=202.92ln(t)+1 332.3 0.979 3 V=1 381.7t-0.883 0.998 2 Ⅲ Q=195.58ln(t)+1 365.5 0.987 3 V=1 287.2t-0.853 0.997 5 Ⅳ Q=215.11ln(t)+1 585.6 0.981 8 V=1 590.5t-0.883 0.999 0 Ⅴ Q=174.11ln(t)+1 032.8 0.966 6 V=1 159.5t-0.900 0.988 8 半分解层 Semi-decomposed litter Ⅰ Q=290.75ln(t)+1 156.4 0.997 1 V=1 248.2t-0.831 0.993 1 Ⅱ Q=348.14ln(t)+1 640.5 0.992 1 V=1 598.5t-0.818 0.999 0 Ⅲ Q=361.78ln(t)+1 596.0 0.990 6 V=1 653.4t-0.831 0.997 0 Ⅳ Q=317.53ln(t)+1 868.0 0.993 2 V=1 854.4t-0.854 0.999 5 Ⅴ Q=206.00ln(t)+1 043.0 0.988 4 V=1 224.2t-0.899 0.986 2 Notes: Q is the water-holding capacity of litter, g/kg; t is soaking time, min; V is the water absorption rate of litter, g/(kg ·h).

表 5 不同林分类型枯落物持水指标与浸泡时间拟合关系 Tab. 5 Fitting relationship between water-holding indexes and soaking time of litter in different stand types

式中:Q为枯落物持水量，g/kg；t为浸泡时间，h；a, b为常数项。

由图 2可知，5种不同林分类型枯落物浸水后持水速率随着浸泡时间的增长呈现一种规律，即枯落物在浸水初期(1 h)持水速率下降非常快，在4 h左右下降速率放缓，12 h左右趋于稳定，至24 h时趋于停止；5种林分类型枯落物持水速率相差较大，蒙古栎-黑桦混交林明显高于其他林分，胡枝子灌丛远远低于乔木林分。通过对各林分类型枯落物2个层次与浸水时间进行函数关系拟合，两者具有较好的函数关系(表 5)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同林分类型枯落物吸水速率变化过程 Fig. 2 Change process of water absorption rate of litter in different stand types

式中：V为枯落物吸水速率，g/(kg ·h)；t为浸泡时间，h；k为方程系数；n为指数。

由表 6可知，各林分的土壤密度相差较小，由土壤垂直面上看，土壤越深土壤密度越大。非毛管空隙度是决定土壤有效持水量的重要因素，5种林分类型大小排序为：蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛；土壤总孔隙度在一定程度上反映土壤是否疏松，排序与非毛管孔隙度相同。

表 6(Tab. 6)

表 6 不同林分类型土壤层物理性质与持水指标 Tab. 6 Soil layer physical properties and water-holding indicators in different stand types 林分类型 Stand type 土壤密度 Soil density/ (g·cm-3) 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 总孔隙度 Total soil porosity/% 有效持水量 Effective water-holding capacity/(t·hm-2) 毛管持水量 Capillary moisture/ (t·hm-2) 饱和持水量 Saturated water-holding capacity/(t·hm-2) Ⅰ 1.19±0.05a 3.12±0.21a 37.62±4.01a 40.74±4.21a 40.40±7.48a 376.17±40.05a 416.57±35.62a Ⅱ 1.11±0.02a 3.65±0.32a 38.28±0.72a 41.92±0.90a 46.77±7.69a 382.77±7.17a 429.53±3.12a Ⅲ 1.09±0.05a 3.91±0.27b 42.87±1.50b 46.78±1.69b 50.43±8.95a 428.73±14.96b 479.17±6.99b Ⅳ 1.10±0.03a 6.36±0.44c 50.53±1.34c 56.89±1.61c 82.83±16.60c 505.30±13.41c 588.13±3.20c Ⅴ 1.06±0.02b 2.83±0.12a 33.71±1.42a 36.54±1.30a 37.10±7.89a 337.10±14.18a 374.20±20.54a

表 6 不同林分类型土壤层物理性质与持水指标 Tab. 6 Soil layer physical properties and water-holding indicators in different stand types

5种林分类型土壤物理性质不同，其持水因子大小也不尽相同。由表 6可知，饱和持水量、有效持水量、毛管持水量排序均为：蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛，其中蒙古栎-黑桦混交林与其他林分具有显著性的差异，其饱和持水量和有效持水量均为最强。

由表 7可知，不同林分类型土壤层初渗速率差距比较大，蒙古栎-黑桦混交林初渗速率最大为37.64 mm/min，胡枝子灌丛初渗速率最小为15.14 mm/min，前者为后者的2.49倍，随后土壤速率迅速减小，然后趋于平缓，最后趋于稳定，各林分土壤层稳渗速率为0.97~1.67 mm/min，依次为：蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛；对5种林分类型土壤层入渗速率与入渗时间进行关系拟合，两者具有较好的幂函数关系：

表 7(Tab. 7)

表 7 不同林分类型土壤渗透的速率及渗透数学模型 Tab. 7 Mathematical model of soil infiltration rate and infiltration in different stand types 林分类型 Stand type 初渗速率 Initial infiltration rate/(mm·min-1) 稳渗速率 Steady infiltration rate/(mm·min-1) 稳渗时间 Steady infiltration time/min 回归方程 Regression equation R Ⅰ 21.34 1.08 28 f=9.955 5t-0.617 0.998 1 Ⅱ 25.31 1.31 35 f=13.345t-0.59 0.994 0 Ⅲ 27.64 1.45 32 f=14.701t-0.606 0.990 5 Ⅳ 37.64 1.67 34 f=18.939t-0.646 0.991 6 Ⅴ 15.14 0.97 25 f=7.696 7t-0.594 0.995 1 Notes: f is infiltration rate, mm/min; t is infiltration time, min.

表 7 不同林分类型土壤渗透的速率及渗透数学模型 Tab. 7 Mathematical model of soil infiltration rate and infiltration in different stand types

式中：f为入渗速率，mm/min；a，b为常数；t为入渗时间，min。

1) 针叶林分与阔叶林分枯落物层组成比例有一定的差别，其中针叶林未分解层蓄积量较大，而阔叶林与灌木林则与之相反，这是由于在针叶树种的枯枝落叶中有较难分解的物质存在，如单宁、酚类物质、萜类等^[14]。5种林分类型中阔叶林分最大持水量普遍比针叶林大，这与王士永等^[15]研究结果一致。笔者研究发现枯落物持水量、枯落物持水速率与浸水时间均存在较好的函数关系，分别符合对数函数与幂函数关系，这与吴迪等^[16]研究结果相一致。虽然进行室内浸泡试验在一定程度上呈现了枯落物拦蓄能力，但是枯落物层确切拦蓄能力仍需进行野外降雨测定试验来验证。

2) 土壤持水能力反映森林涵养水源的能力，决定了林分地表径流量与土壤潜流量等。土壤密度与土壤孔隙度体现了土壤结构，是反映土壤水文生态效应的重要指标之一，土壤深度越大土壤密度越大，而非毛管孔隙度则越小，与涂志华等^[17]研究结果相一致；通过对土壤层入渗速率与入渗时间进行函数关系拟合，二者存在较好的幂函数关系，这与韩雪成等^[18]的研究结果一致。

1) 枯落物厚度范围为21.3~37.1 mm，蓄积量为15.14~32.45 t/hm²，枯落物最大拦蓄量与有效拦蓄量，依次排序为蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛，阔叶林有效拦蓄量高于针叶林，并且差异性显著。

2) 土壤饱和持水量、有效持水量与毛管持水量排序均为：蒙古栎-黑桦混交林＞蒙古栎林＞油松-蒙古栎混交林＞华北落叶松林＞胡枝子灌丛，其中蒙古栎-黑桦混交林与其他林分具有显著性的差异。

3) 5种林分类型枯落物层与土壤层水文生态效应均表明蒙古栎-黑桦混交林水源涵养功能最强，因此，从增强不同林分类型水源涵养的角度出发，建议在该地区内对针叶林分采取去针入阔的措施来增加林分的水源涵养能力与林分稳定性，加强阔叶混交林与阔叶林的保护，减少灌木林人为干扰，从而增强该地区水源涵养功能。