浙江—江西边界山区4种典型林分凋落物层与土壤层水文效应及熵权综合评价

《Forests》：Hydrological Effects of Litter and Soil Layers in Different Forest Stands in Mountainous Areas of the Zhejiang–Jiangxi Border Region, China

　　

研究人员考察了中国浙江—江西边界怀玉山脉的4种林分（Pseudotsuga gaussenii Flous、Quercus glauca Thunb.、Pinus taiwanensis Hayata和Rhododendron simiarum Hance林），通过野外调查（field investigation）、环刀法（cutting-ring method）和室内浸泡法（indoor soaking method），系统比较其凋落物储量（litter stocks）、持水特性（water-holding characteristics）、土壤水文物理性质（soil hydro-physical properties）和入渗特征（infiltration characteristics）。结果如下：（1）凋落物总储量范围为4.64–8.35 t·ha^?1，以R. simiarum林最高、Q. glauca林最低。（2）凋落物最大持水量（maximum water-holding capacity）为2.92–5.92 t·ha^?1，有效持水量（effective water-retention capacity）为1.56–3.30 t·ha^?1，林分间差异显著（p < 0.05），P. gaussenii林表现良好，P. taiwanensis林表现最差。（3）在0–30 cm土层，容重（bulk density）随深度增加，总孔隙度（total porosity）和持水能力（water-holding capacity）显著下降（p < 0.05），入渗速率（infiltration rate）与时间呈幂函数关系（R² > 0.95）；4种林型中，R. simiarum林土壤最大持水量和毛管持水量最高，Q. glauca林入渗和截留径流能力最强，P. taiwanensis林土壤水文综合表现最弱。（4）半分解凋落物最大持水量显著高于未分解凋落物，凋落物持水量和吸水速率分别与浸泡时间呈对数函数和幂函数关系（均R² > 0.90）。采用熵权法（entropy weight method）进行综合评价，确定P. gaussenii林和Q. glauca林为优良林分类型。这些结果为该地区林分改造中的树种选择和可持续森林经营提供了科学指导。

（1）研究背景、问题与目的：森林生态系统在区域水文循环中的作用日益受到关注，水土保持尤为重要。凋落物层作为森林水文功能的关键组成部分，可通过截留降雨、调节土壤水分和减少地表径流发挥不可替代的调节作用；其水文效应受林分类型、凋落物分解特征和环境因素共同影响，但不同林分类型间凋落物层水文效应差异仍不清楚，凋落物层与土壤层在水文过程中的交互调控机制仍缺乏系统综合与分析。土壤层是储水和水源调节的关键带，土壤孔隙度、容重和有机质含量直接影响持水能力与入渗性能，进而影响水源涵养贡献；不同林分土壤水文性质在物理性质、持水能力和入渗速率方面差异显著。当前研究多分别考察凋落物层和土壤层水文效应，对不同林分下两层交互及水文效应的系统比较不足；多数集中于土壤容重、总孔隙度、饱和持水量、非毛管孔隙度、最大持水量等关键指标的多因素分析及相关性分析，较少深入探讨凋落物层与土壤层水文过程之间的耦合与交互机制，亟需系统综合评价不同林分下森林生态系统整体水源涵养能力。怀玉山呈东北—西南走向横跨浙江、江西边界，是鄱阳湖水系与钱塘江水系的核心分水岭，也是信江、乐安河等流域源区及赣东北主要暴雨中心之一；其森林生态系统水土保持功能直接关系跨省流域水生态安全、防洪安全和水资源可持续利用。但该区研究多集中于森林资源数据调查统计和土壤侵蚀宏观调控，缺乏不同典型林分凋落物层和土壤层水文效应的系统比较，尤其对两层水文效应连通性和协同调节机制认识不足，难以准确支撑林分结构优化、林地经营升级和森林水文功能科学决策。因此，研究人员综合评估怀玉山4种典型林分——Pseudotsuga gaussenii Flous（以下简称P. gaussenii）、Quercus glauca Thunb.（以下简称Q. glauca）、Pinus taiwanensis Hayata（以下简称P. taiwanensis）和Rhododendron simiarum Hance（以下简称R. simiarum）林——凋落物层与土壤层水文效应并比较其水文性质，围绕两个科学问题展开：4种林型凋落物持水性质、土壤持水性质和入渗特征如何差异；将测得的凋落物和土壤性质共同纳入综合评价时4种林型如何比较。研究结果预期为提升怀玉山地区水土保持功能、优化林分改造和促进森林生态系统可持续经营提供科学依据。

（2）关键方法概述：样本队列来源为2023年12月浙江—江西边界怀玉山4种典型林分。每林分随机设3个20 m×20 m样方；每样方中心及四角设5个0.5 m×0.5 m凋落物样方，按未分解/半分解分层测厚采样。每林分3个重复标准样地各设典型土壤剖面，因浅层花岗岩基岩限制挖深30 cm，按0–10、10–20、20–30 cm环刀取样，每层5重复，共12样地180个土样。采用室内浸泡法测凋落物持水，80 °C烘干至恒重算储量；环刀法测土壤容重、孔隙度与持水，烘干法测土壤含水率；熵权法综合评价；SPSS 26与DPS 10.0作方差分析和Duncan多重比较。

（3）研究结果：3.1 不同林型凋落物储量：野外样方调查和烘干称重显示，总凋落物量顺序为R. simiarum林 > P. gaussenii林 > P. taiwanensis林 > Q. glauca林，范围4.64–8.35 t·ha^?1；半分解层凋落物储量在4种林型间差异显著（p < 0.05），R. simiarum林总储量显著高于其他3种林型（p < 0.05），半分解层占比达62.40%，在凋落物储量上R. simiarum林为较优林分类型。3.2 不同林分凋落物水文效应：3.2.1 凋落物持水能力：室内浸泡法显示，4种林型半分解层自然含水率一般高于未分解层；未分解层自然含水率在林型间差异显著（p < 0.05）；半分解层P. gaussenii林自然含水率通常高于其他林型（Q. glauca部分除外）。最大持水率范围为96.25%–203.01%；未分解层Q. glauca林最大持水量与其他3种林型差异显著（p < 0.05）。平均有效持水率为51.46%–134.30%；未分解层Q. glauca林和P. gaussenii林有效持水率与其他林型差异显著（p < 0.05）；半分解层Q. glauca林有效持水率与其他3种林型差异显著（p < 0.05）。P. gaussenii林总体凋落物持水性质良好，但并非每项指标均最高；半分解凋落物层持水能力优于未分解层，可截留和保持更多水分；总体P. gaussenii林和Q. glauca林持水能力较优。3.2.2 凋落物持水过程：浸泡试验显示，4种林型凋落物持水量在0–2 h内快速增加，随浸泡时间延长增量逐渐减小，8–12 h后趋于稳定，24 h达到最大；P. gaussenii林未分解层持水量变化最大，24 h达8.11 g；半分解层Q. glauca林变化最大、P. taiwanensis林最小；吸水速率前4 h较高且变化明显，之后逐渐下降，24 h趋近于零。拟合表明凋落物持水量与浸泡时间呈Q = aln(t) + b关系，所有回归方程R² > 0.92；吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系。3.3 不同林分土壤水文效应：3.3.1 土壤物理性质：环刀法显示，4种林型土壤容重均值由大到小为P. taiwanensis林、Q. glauca林、P. gaussenii林、R. simiarum林；总孔隙度随土壤深度增加呈降低趋势，与容重相反；总孔隙度变化范围43.58%–70.48%，均值顺序为R. simiarum林 > P. gaussenii林 > Q. glauca林 > P. taiwanensis林；毛管孔隙度和非毛管孔隙度随深度变化无一致规律；毛管孔隙度范围37.42%–64.35%，R. simiarum林最高，表明其持水能力较优。3.3.2 土壤持水能力：烘干法和环刀法显示，各林型关键土壤持水指标随深度增加显著下降（p < 0.05）；以0–10 cm层为例，最大持水率和毛管持水率显著高于10–20 cm和20–30 cm层；不同林型间土壤持水能力差异显著（p < 0.05）。R. simiarum林土壤持水能力最强，各土层土壤含水率、最大持水率和毛管持水率显著高于其他林型，0–10 cm层最大持水率显著高于P. gaussenii、Q. glauca和P. taiwanensis林；P. gaussenii林居第二，0–10 cm和10–20 cm层持水指标较高；Q. glauca林持水中等，各土层指标变化较小；P. taiwanensis林土壤持水能力最弱，各土层持水指标最低，20–30 cm层土壤含水率和毛管持水率显著低于其他林型。3.4 不同林型土壤动态调蓄与水文效应综合分析：入渗试验显示，Q. glauca林土壤初渗率最高（29.4 mm/min），R. simiarum林最低（9.6 mm/min）；平均稳渗率由大到小为Q. glauca林 > P. gaussenii林 > P. taiwanensis林 > R. simiarum林；随入渗时间增加，土壤入渗率逐渐下降并趋于稳定；各林型土壤入渗率与入渗时间呈幂函数关系，回归方程R²为0.953–0.986。熵权法分析表明，土壤稳渗率、土壤含水率和凋落物有效持水率是贡献最高的核心指标；这些指标在林型间差异是驱动不同林型土壤持水特征分化的关键因素。讨论部分进一步给出综合评价排序为P. gaussenii林 > Q. glauca林 > R. simiarum林 > P. taiwanensis林。

（4）讨论总结：4.1 林分类型对凋落物层水文效应的影响机制：凋落物层在森林水文调节中重要，其储量、持水能力和截留能力对减少地表径流和防止森林生态系统水土流失关键；林分类型可通过改变凋落物总储量、组成和分解程度影响凋落物层水文调节功能。本研究中R. simiarum林凋落物储量最高，Q. glauca林最低；凋落物储量受林分类型、土壤性质和局部生境条件等多因素调控。原文认为R. simiarum多分布于高海拔地区，低温抑制凋落物分解，导致半分解层长期累积；Q. glauca林凋落物储量最低的机制尚需进一步研究；该格局与Zhao et al.在华北石质山区森林中的结论有一定相似性。就凋落物持水能力而言，P. gaussenii林有效持水量和最大持水量最高，P. taiwanensis林最低；4种林型半分解凋落物层持水能力均高于未分解层。原文从两方面解释：一是不同林型固有物理性质和树木器官形态特征较大程度决定持水能力，P. gaussenii针叶天然多孔结构可通过表面张力有效吸水，而P. taiwanensis针叶表面蜡质层具有强疏水性，持水显著低于P. gaussenii；这与Castagnolli et al. (2023)关于枝木质素疏水性显著限制吸水、叶片持水能力明显高于木质化组分的报道一致。持水过程拟合显示，4种林型凋落物持水量与浸泡时间呈显著对数关系（R² > 0.90），吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系（R² > 0.90）；先快速吸水后逐渐减慢的特征与Zhou et al.结果一致，为森林凋落物持水过程的普遍特征。P. gaussenii林和Q. glauca林郁闭度较高，可降低林下蒸发并有助于维持凋落物湿度，这是二者凋落物有效持水能力较优的主要原因；但室内浸泡法测得的最大持水量仅反映理想条件下凋落物持水能力，不能完全代表野外自然降雨条件下的实际截留能力。4.2 土壤层对水文过程的协同调节：土壤层是森林生态系统水源涵养的核心载体，其水文效应受凋落物层输入和林分类型双重影响。本研究中土壤容重随深度增加、总孔隙度和持水能力随深度降低，与常见土壤剖面格局一致，为解释采样林分间差异提供背景。林分间比较显示，R. simiarum林土壤容重最低、总孔隙度和毛管孔隙度最高，土壤持水能力最强；Q. glauca林初渗率和稳渗率最高，地表径流调控和水土保持能力最强；P. taiwanensis林土壤容重最高、孔隙发育最差、土壤水文总体表现最弱。土壤质地是土壤持水和入渗的重要控制因素，可能贡献于采样林分间差异，但本研究未测砂粒、粉粒和黏粒组分，无法评价土壤质地贡献，因此观察到的差异不能仅归因于林分类型。值得注意的是，Q. glauca林虽凋落物储量低，但稳渗率最高、径流调控和水土保持能力最强，反映凋落物层与土壤层水文功能存在明显协同效应；但本研究未测各深度土壤有机质含量，无法评价其对差异的贡献。4.3 不同林分类型综合水文效应评价体系：本研究采用熵权法整合测得的凋落物和土壤指标，该方法依据输入数据变异确定指标权重，减少权重赋值对主观判断的依赖；综合排序为P. gaussenii > Q. glauca > R. simiarum > P. taiwanensis。土壤稳渗率、土壤含水率和凋落物有效持水率在该评价中权重最高；这些权重反映指标在分析数据集内提供的信息，而非其在森林水文过程中的因果重要性。Liu et al. (2023)强调气候因素和土壤物理性质决定森林储水能力的重要性，为比较提供更广泛背景，但气候因素未纳入本评价。在采样林分中，P. gaussenii林凋落物持水能力较高，Q. glauca林稳渗率和凋落物有效持水率较高，这些测得特征促成其较高综合得分；但该排序仅针对采样林分和所选指标，不能独立证明凋落物层与土壤层协同相互作用，也不能证明这些林型在其他立地条件下更优。总体而言，4种林型水文效应差异反映凋落物储量、凋落物持水能力、土壤持水能力和土壤入渗特征的综合贡献；R. simiarum林凋落物储量最高，但最大持水率相对较低限制其凋落物持水能力，其低土壤容重和高毛管孔隙度与较强土壤持水能力一致，但稳渗率最低，说明土壤持水能力较强不一定对应入渗更快。Q. glauca林虽凋落物储量最低，但半分解层有效持水率最高、稳渗率最高；P. gaussenii林兼具较高凋落物持水能力、较好土壤持水能力和稳渗率；P. taiwanensis林凋落物最大持水率较低、土壤容重较高、土壤持水能力弱。上述对比有助于解释综合评价结果，并表明林型间差异不能仅由凋落物储量或土壤总孔隙度解释。4.4 区域管理启示与研究局限：从区域生态管理看，怀玉山是钱塘江水系与鄱阳湖水系的关键分水岭，其森林生态系统水土保持能力直接影响跨流域水资源可持续利用和浙江、江西两省水安全。基于采样林分测得的水文性质，Pseudotsuga gaussenii和Q. glauca可作为区域林分改造项目中进一步评估的候选树种，但需考虑当地立地适宜性；其更广泛区域适用性仍需通过长期水文监测和生态系统韧性评估进一步验证。在林分层面，维持凋落物覆盖、减少凋落物移除和林下土壤耕作等干扰，可能有助于保持凋落物层和土壤层持水功能。本研究存在若干局限：第一，凋落物持水采用室内浸泡法测定，反映受控条件下潜在持水能力，而非自然降雨事件中的实际截留，未充分考虑降雨量、降雨强度和持续时间变化；第二，本研究聚焦凋落物层和0–30 cm上层土壤，未评价冠层截留和深层土壤对森林水文功能的贡献；第三，虽采集180个土壤样品，但采样设计每林型仅含3个独立样地，样地内每层5个样品为子样，用于捕捉局部土壤变异，并未增加独立样地水平重复数，独立样地数量有限限制统计功效和结果推广性；第四，原分析未正式评估方差分析（analysis of variance, ANOVA）所依据的残差正态性和方差齐性假设，因此所报告显著性检验应谨慎解释，需进一步统计评估以评价推断林型间差异的稳健性。未来研究应纳入更多独立样地、长期野外监测降雨截留和土壤水动态、生态系统韧性评估，以及明确考虑分层抽样设计的统计分析。

研究结论翻译：4种林型凋落物总储量范围为4.64–8.35 t·ha^?1，Rhododendron simiarum林最高，Q. glauca林最低；所有林型半分解凋落物层持水能力大于未分解层；凋落物持水量与浸泡时间呈对数函数关系，吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系。不同林型凋落物自然含水率在半分解层始终高于未分解层，顺序为P. gaussenii > P. taiwanensis > R. simiarum > Q. glauca；平均最大持水率范围为96.25%–203.01%，顺序为P. gaussenii > Q. glauca > P. taiwanensis > R. simiarum；有效持水率范围为51.46%–134.30%，顺序为Q. glauca > P. gaussenii > P. taiwanensis > R. simiarum。持水过程中，4种林型凋落物持水量与浸泡时间呈对数关系Q = aln(t) + b，R²接近1；吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系V = kt^?n，R² > 0.92。在0–30 cm土层，4种林型平均重量土壤含水率范围为26.75%–80.31%（以烘干土质量计），顺序为R. simiarum > P. gaussenii > P. taiwanensis > Q. glauca；最大持水率和毛管持水率均呈相同顺序：R. simiarum > P. gaussenii > Q. glauca > P. taiwanensis。基于熵权法的评价结果表明，影响土壤水文效应的主要因素为稳渗率、田间持水量（field capacity）和容重；根据水文与生态效应综合评价，P. gaussenii林和Q. glauca林总体水文效应最强，P. taiwanensis林最弱。