綿陽官司河流域 3種不同林分枯落物層儲(chǔ)量及持水特性分析

吳雪仙,張發(fā)會(huì),龔固堂,慕長(zhǎng)龍

(四川省林業(yè)科學(xué)研究院,四川 成都 610081)

林下枯落物是指覆蓋在林地土壤表面的未分解、半分解植物凋落物,它是森林植物地上各器官的枯死、脫落物總稱[1]。林下枯落物的存在,不僅能促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡,而且在水土保持、水源涵養(yǎng)等方面具有較大作用。森林枯落物層可以緩沖雨滴動(dòng)能,減少雨滴擊濺造成的土壤表層結(jié)構(gòu)破壞和土壤侵蝕。同時(shí),枯落物層具有較土壤更多更大的孔隙,能夠吸持水分,促進(jìn)下滲,遲滯徑流產(chǎn)生時(shí)間,減少表層徑流量,減輕徑流侵蝕程度,并對(duì)土壤水分的補(bǔ)充和植物水分的供應(yīng)產(chǎn)生影響[2]。因此,研究林下枯落物層持水特性就成為森林生態(tài)系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容。

目前有關(guān)官司河流域人工林林下枯落物持水特性方面的研究尚未見報(bào)道,本研究旨在對(duì)官司流域人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和林分結(jié)構(gòu)改造提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

官司河流域處于東經(jīng) 104°46′～ 104°49′,北緯31°32′30″～ 31°37′30″之間,全流域面積 21 km2,在長(zhǎng)河堰總出口斷面控制下的流域面積 18 km2,位于綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)境內(nèi),官司河流域匯入涪江支流芙蓉溪。該區(qū)地處川中低山丘陵地帶,屬淺 -深切割的丘陵地貌,流域地表分水嶺清晰,溝尾開闊平坦,溝口狹窄,匯水面積閉合,是理想的防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)研究場(chǎng)地。

研究區(qū)屬農(nóng)林復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng),森林覆蓋率約23%,多為天然次生林和人工林;主要植被類型以馬尾松、柏木林和櫟類組成的針闊和針葉混交林占優(yōu)勢(shì),另有少量的榿柏混交林和經(jīng)濟(jì)林、茅草為主的草叢。土壤以紫色土、姜石黃壤和老沖積黃壤為主,其次為灰白沙土。

研究區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候類型,年平均氣溫16.1℃,極端最高氣溫 40.1℃,極端最低氣溫 -7.3℃,平均年日照 1 298.1 h,平均太陽輻射 89.54 cal?cm-1?a-1,年降水 920.1 mm,年均相對(duì)濕度79%,年均無霜期 272 d。

該流域水土流失嚴(yán)重,是以水力侵蝕為主的類型區(qū),水土流失的類型主要有片蝕、溝蝕(切溝侵蝕和沖溝侵蝕)及母質(zhì)侵蝕 3大類。

天然植被中草本以栗褐苔草、藎草、莎草等為主;灌木層以黃荊、火棘、鐵仔等為主;現(xiàn)有喬木以麻櫟、馬尾松、榿木、柏木為主;麻櫟林、榿木林、馬尾松林為人工林。

3種典型樣地的基本特征見表 1。

表 1各林分特征Table 1 Forest characteristics and soil properties of the study sites

2 研究方法

2.1 林下枯落物的采集

2009年 8月,在綿陽官司河流域新橋鎮(zhèn),通過典型抽樣的方法,選取具有代表性的馬尾松林、柏木林、松柏混交林(馬尾松占 6層,柏木 4層)3種不同林型。在不同類型林地內(nèi)分坡面上部、中部和下部,各取面積為 20 cm×25 cm的枯落物樣方 3個(gè)。采取枯落物時(shí),根據(jù)枯落物的形狀和質(zhì)地將枯落物分為未分解層和半分解層,分別收集保持原樣裝箱,并現(xiàn)場(chǎng)記錄各層厚度。將采集的樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干、稱重,并將相同林地不同坡位枯落物量分別均化處理,得到每個(gè)樣方枯落物量。未分解枯落物系指基本上保持其原有形狀及質(zhì)地的枯枝落葉,半分解枯落物系指未完全腐爛、肉眼觀察分辨出其枝葉大體形狀的枯枝落葉。

2.2 枯落物持水量及其吸水速率測(cè)定

本試驗(yàn)采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定林下枯落物的持水量及其吸水速率。

首先,將所采集的枯落物進(jìn)行烘干(75℃,12 h)并稱重;然后將稱重后的枯落物原狀放入預(yù)先做好的細(xì)孔砂布袋(砂布袋預(yù)先稱重、標(biāo)記);再將裝有枯落物的砂布袋完全浸沒于盛有清水的容器中;將枯落物浸入水中后,待浸泡 0.25 h后將枯落物連同砂布袋一并取出,靜置 5m in左右,直至枯落物不滴水為止,迅速稱枯落物的濕重;之后,分別待浸泡0.5 h,1 h,2 h,4 h,6 h,8 h,12 h,24 h時(shí),將枯落物連同砂布袋一并取出靜置后稱重,稱重方法同上。每次從浸泡容器中取出稱重所得枯落物濕重與浸水前總干重(包括枯落物和砂布袋的干重)的差值,即為枯落物浸泡不同時(shí)間的持水量,該差值與浸水時(shí)間的比值即為該時(shí)刻枯落物的吸水速率。

此外,本文以枯落物浸泡 24 h后的持水量作為枯落物最大持水量,而將最大持水量枯落物的濕重與枯落物干重之比稱為枯落物最大吸濕比(簡(jiǎn)稱吸濕比),來表征枯落物持水力的大小。

每種類型林地林下枯落物不同層次樣品,分別按上述方法進(jìn)行處理,每種 3個(gè)重復(fù)。將所得試驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)上述方法處理、分析,即可得到該種類型林地林下枯落物不同分解層次的儲(chǔ)量、持水量、吸水速率及吸濕比。

2.4 枯落物有效攔蓄量估算

計(jì)算有效攔蓄量公式為[4]:

式中:

We——有效攔蓄量 (t? hm-2);

Rm——最大持水率(%);

Ro——平均自然含水率(%);

M——枯落物蓄積量(t?hm-2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層的貯量

林分的樹種組成不同,林分的生長(zhǎng)狀況、林地內(nèi)的水熱條件等都有所不同,而這些因素將影響到枯落物的輸入量、分解速度,從而影響到林內(nèi)枯落物的貯量。由表 1可以看出,林下枯落物的厚度和現(xiàn)存貯量均表現(xiàn)為:松 -柏混交林 ＞馬尾松林 ＞柏木林,在未分解層中,馬尾松林的貯量最大,柏木林最小;而半分解層則是松—柏混交林的貯量最大,馬尾松林最小。

表 2 不同林分枯落物厚度和貯量Table 2 Thicknesses and stock of litter layers in different forest types

3.2 枯落物層的持水性

3.2.1 枯落物層持水量

枯落物持水能力是整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中重要的一環(huán),是反映枯落物層水文作用的重要指標(biāo)[5]。不同林分枯落物的種類、厚度、分解程度的不同,其持水量也不同(表 3)。

表 3 不同林分不同層次枯落物持水量Table 3 Moisture capacity of various litter layers in different forest types

各林分枯落物前期吸水速率遠(yuǎn)高于后期,在前2 h以內(nèi),未分解層和半分解層的持水量分別達(dá)到該層最大持水量 (24 h持水量)的 77.74%、81.11%、72.33%、76.66%、71.98%、71.76%。其持水效果為柏木林 ＞松柏混交林 ＞馬尾松純林,未分解層大于半分解層,這與張洪江等研究結(jié)果類似。2 h以后各林分未分解層和半分解層的吸水量趨于平緩,在 24 h后吸水量趨于穩(wěn)定或達(dá)到飽和狀態(tài),與大多數(shù)研究結(jié)果類似[6～8]。

3.2.2 枯落物層持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

柏木林、松柏混交林和馬尾松林林下枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系見圖 1和圖 2。從圖 1、圖 2可以看出,林下枯落物未分解層和半分解層在浸入水中 0～2 h,其持水量有一個(gè)急速上升的過程,2 h后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)枯落物持水量的增加變緩并趨于最大值,未分解層在浸泡 6 h左右基本達(dá)到飽和,而半分解層在 4 h左右基本達(dá)到飽和,可見官司河流域人工栽植的柏木林、馬尾松林及其混交林林下枯落物未分解層的持水量高于半分解層的持水量。一般地,枯落物層積累多、層次多、分解快、分解徹底,則具有孔隙多、細(xì)、小、吸水面大的特點(diǎn),因而表面張力也較大,其蓄水性能良好[9]。

對(duì)官司河流域 3種人工林林下枯落物持水量與浸泡時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)回歸分析,發(fā)現(xiàn)林下枯落物層持水量與浸泡時(shí)間存在以下關(guān)系:

圖 1 不同林分枯落物未分解層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

圖 2 不同林分枯落物半分解層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

式中:Q——枯落物層持水量(g?kg-1);

t——浸泡時(shí)間;

a,b——方程系數(shù)。

不同林分枯落物層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系式見表 4。

表 4 枯落物層持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系式Table 4 The equation of the water capacity of litter layers and immersion time

3.2.3 枯落物層的吸水速率

林地枯落物的吸水速率和持水能力是緊密聯(lián)系的,吸水速率快能將林內(nèi)降水迅速涵蓄起來,從而減少地表徑流的發(fā)生[10]。

由表 5可以看出,各林分枯落物吸水速率隨時(shí)間變化的總趨勢(shì)是一致,在前 0.25 h內(nèi),枯落物的吸水速率最大,均超過 3000 g?kg-1?h-1,0.25 h后,枯落物的吸水速率明顯降低,此后,隨著時(shí)間的推移,吸水速率逐漸變緩,到 24 h后,吸水速率接近0。從不同層次來看,未分解層和半分解層變化基本一致,都是在 0.25 h后,有明顯的降低,但吸水速率仍較大,在 4 h后,吸水速率變幅很小。持水速率在前 1h變化最大,而半分解層的前期變動(dòng)幅度大于未分解層?？萋湮镌谇?0.25 h內(nèi)的吸水速率較高,主要是因?yàn)榭萋湮飶暮娓蔂顟B(tài)浸入靜水中后枯枝落葉的死細(xì)胞間或者枝葉表面水勢(shì)差較大[11]。

表 5 不同林分不同層次枯落物吸水速率Table 5 Velocity ofabsorbed water of various litter layers in different forest types

3.2.4 枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

從圖 3、圖 4可以看出,林下枯落物未分層和半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間之間存在著明顯的相關(guān)關(guān)系,各林分林下枯落物層浸入水中剛開始時(shí)其吸水速率相差很大,但隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),各林分林下枯落物層吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng),各林分林下枯落物層持水量接近其最大持水量,也就是說枯落物層持水量逐漸趨于飽和,其吸水速率隨之減緩所致。從枯落物層整個(gè)吸水過程吸水速率的變化來看,0～2 h各林分林下枯落物層吸水速率幾乎都呈直線下降,2 h后吸水速率下降速度逐漸變緩并趨于動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)枯落物層吸水速率與浸水時(shí)間之間關(guān)系進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)林下枯落物層的吸水速率與浸水時(shí)間存在以下關(guān)系。

圖 3 林下枯落物未分層吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

圖4 林下枯落物半分層吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

式中:S為枯落物吸水速率;K為方程系數(shù);t為浸泡時(shí)間;n為指數(shù)。

不同林分林下枯落物層吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系式見表 6。

表 6林下枯落物吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系式Table 6 The equation of the water absorption speed of litter with the immersion time

3.2.5 不同林分枯落物對(duì)降雨的攔蓄能力

從不同林分枯落物層最大持水量看,松柏混交林 27.44 t?hm-2明顯高于其他林分。其次是馬尾松林,柏木林最小。對(duì)不同林分未分解層和半分解層比較分析,未分解層是馬尾松林最大,柏木林最低。半分解層是松柏混交林最大,馬尾松林最小。其原因?yàn)樗砂鼗旖涣至窒鹿嗖輰迂S富,枯落物中有較多的吸水率高的灌木和草本植物,因此最大持水量最高,而柏木林中幾乎全為吸水率較差的針葉,所以吸水率最低。

最大持水率(量)與最大攔蓄率(量)一般只能反映枯落物層的持水能力大小,不能反映對(duì)實(shí)際降水的攔蓄情況。因?yàn)樽畲蟪炙?量)是枯落物樣浸水 24 h后的測(cè)定結(jié)果,而在自然條件下,山地森林的坡面上一般不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水條件,落到枯落物層上的雨水,一部分被其攔蓄,一部分通過孔隙很快入滲到土壤中,而剩余部分作為地表徑流流出[12]。雷瑞德(1984)[9]的研究表明,當(dāng)降雨量達(dá)到 20 mm～30 mm以后,不論枯落物層含水量的高低,實(shí)際持水率約為最大持水率的 85%左右。所以,用最大持水率來估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力不符合對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄效果,結(jié)果會(huì)偏高,而一般用有效攔蓄量(modified interception)估計(jì)枯落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量。

對(duì)各林分地表枯落物有效攔蓄量的分析見表7,結(jié)果表明,柏木林最小,松柏混交林和馬尾松相接近,但不同林分未分解層的有效攔蓄量均大于半分解層。

4 結(jié)論與討論

林地枯落物貯量是反映林地持水能力的指標(biāo),枯落物貯量大的林分其持水能也強(qiáng)。在環(huán)境條件一致的情況下,3種林分枯落物貯量的大小順序?yàn)樗?柏混交林(8.09 t?hm-2)＞馬尾松林(7.77 t?hm-2)＞柏木林(3.07 t?hm-2)。持水能力的排列順序?yàn)樗砂鼗旖涣?14.08 t?hm-2)＞馬尾松林(12.60 t? hm-2)＞柏木林(6.42 t? hm-2)。

林分不同,但其枯落物的持水過程均表現(xiàn)出相似的特性,1h前吸水量大,且在 2～4h內(nèi)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。林分地表枯落物的有效攔蓄量大小為馬尾松林 ＞松柏混交林 ＞柏木純林,其各林分未分解層的有效攔蓄量均大于半分解層。表明枯落物層在調(diào)蓄降水,減少?gòu)搅鞣矫嬗兄匾淖饔?特別是在調(diào)節(jié)較小雨量降雨時(shí)的功能是其他土層不可替代的[7]。蝕研究動(dòng)態(tài)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,16(3):106～110.

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