北京山區(qū)主要樹種枯落物水文功能特征研究

齊 記,史 宇,余新曉,鄭江坤,李海光

(水土保持荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京100083)

枯枝落葉是森林生長過程的自然產(chǎn)物,它在森林水文調(diào)節(jié)方面有重要功能,可以控制水土流失。研究現(xiàn)有林地枯落物吸水機(jī)理和水文特征對保持水土、合理經(jīng)營和利用森林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著重要的現(xiàn)實(shí)意義?？萋湮锏乃淖饔弥饕w現(xiàn)在枯落物的吸水方面,吸水量的多少與其林地現(xiàn)存量、分解狀況以及自身的含水量、天氣狀況等多種因子有關(guān)[1]。國內(nèi)外對不同分布區(qū)不同森林類型的枯落物的水文功能曾進(jìn)行了大量的研究[2-3],但對于北京山區(qū)不同樹種枯落物水文功能的比較研究較少[4-5]。

目前國內(nèi)研究大多是基于浸泡法測定枯落物的最大持水量、最大持水率和持水過程,只有莫菲等采用人工降雨的方法測定枯落物持水過程[6]。而這種充分供水條件下的測定結(jié)果究竟能在多大程度上刻畫自然降雨條件下枯落物的截持特征和過程,還缺乏系統(tǒng)的研究和比較。本文通過實(shí)地調(diào)查與模擬實(shí)驗(yàn),對北京山區(qū)主要樹種枯落物的水文功能特征進(jìn)行初步研究。采用室內(nèi)浸泡法和人工降雨法分別測定北京山區(qū)主要樹種枯落物的儲量和持水過程,以期全面了解該區(qū)域主要樹種枯落物的水文功能,并為該區(qū)域造林和水土保持工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市山區(qū)面積1.04萬km2,占北京市總面積的62%。西部屬太行山脈,北部和東部屬燕山山脈,自西、北、東三面環(huán)抱北京,是北京重要的生態(tài)屏障。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均降水量600 mm,地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。妙峰山林場位于北京西北部,太行山北部與燕山東端交匯處 ,北緯 39°53′,東經(jīng) 116°28′,距北京市中心 30 km,最低海拔約為70 m,最高峰海拔1 150 m,年降水量650～750 mm,年平均氣溫12℃。妙峰山林場在海拔900 m以下以山地淋溶褐土為主,900 m以上為棕壤,土層比較薄,所含礫石較多[7]。森林覆蓋率高達(dá)96.2%,共有陸生植物110科313屬684種,目前主要的群落類型有:油松(Pinus tabulaeformis)林、側(cè)柏(Platycladusorientalis)林、遼東櫟(Quercus liaotungensis)林、栓皮櫟(Quersus variabilis)與槲櫟(Quercus aliena)混交林、刺槐(Robinia pseudoacacia)林等[8]。林下灌木主要有構(gòu)樹(Broussonetia papyri f era)、酸棗(Zizyphus j ujuba)、小葉鼠李(Rhamnus parvi folia)、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)、孩兒拳頭(Grewia biloba)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等。草本主要有鴨跖草(Commelina communis)、羊胡子草(Eriophorum vaginatum)、菅草(Themeda japonica)、中華卷柏(Selaginella sinensis)等[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 枯落物儲量的測定 2010年8月,選擇妙峰山林場內(nèi)典型油松林、側(cè)柏林、刺槐林和栓皮櫟林作為4個樣地,分別在樣地中分為未分解層和半分解層取枯落物,在每個樣地的坡上、坡中、坡下選擇有代表性的1 m×1 m的樣方,在樣方內(nèi)用鋼直尺隨機(jī)測量3個位置枯落物未分解層和半分解層[10]的厚度并求其平均值。再將樣方內(nèi)枯落物分層裝入牛皮紙袋中,用精度為0.1 g的電子天平稱取鮮重;取回后,放入烘箱內(nèi)設(shè)定70℃烘干24 h后取出,再稱其干重。

1.2.2 枯落物持水過程的測定 本次試驗(yàn)采用兩種方法測定枯落物持水過程。

(1)室內(nèi)浸泡法。用室內(nèi)浸泡法測定林下枯落物的持水量及其吸水速度的方法為,將烘干后枯落物裝入自制尼龍網(wǎng)里浸入水中,分別在15 min,30 min,1 h,2 h,4 h,6 h,8 h,10 h,24 h取出,瀝水至沒有水滴滴落為止,用精度為0.1 g的電子天平稱重。每次取出稱重后所得的枯落物濕重與其干重差值,即為枯落物浸水不同時(shí)間的持水量。

(2)人工降雨法。2010年8月,采用人工降雨法測定枯落物的吸水過程。為便于對比分析,模擬鋪設(shè)的4種枯落物單位面積生物量均為0.5 kg/m2,按照未分解層與半分解層烘干后質(zhì)量相等的比例分層裝入圓形實(shí)驗(yàn)篩(半徑10 cm,面積 314 cm2,高10 cm,邊框?yàn)殍F皮,底為鐵絲網(wǎng))中,各實(shí)驗(yàn)篩內(nèi)裝填烘干后的枯落物,上層未分解層和下層半分解層均為78.5 g。用專業(yè)模擬降雨器[6]對裝有干枯落物的實(shí)驗(yàn)篩進(jìn)行人工降雨,為比較兩種充分供水條件下枯落物的持水過程,設(shè)定試驗(yàn)的雨強(qiáng)遠(yuǎn)大于妙峰山林場地區(qū)多年平均雨強(qiáng),為300 mm/h。再由儲水罐和電子天平組成的排水收集器收集實(shí)驗(yàn)篩底部排出的水。

每次人工降雨實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為480 min,每個樹種設(shè)置3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)初始階段枯落物吸水過程變化較為劇烈,因此 0～90 min內(nèi),每5 min對實(shí)驗(yàn)篩稱重1次;90 min后,變動幅度變小,所以在90～240 min內(nèi),每 15 min對實(shí)驗(yàn)篩稱重1次;240 min后,重量基本保持不變,所以240～480 min內(nèi),每30 min對實(shí)驗(yàn)篩稱重1次。同時(shí)測量實(shí)驗(yàn)篩底部排出的水量,以校準(zhǔn)雨強(qiáng)大小不變。不同時(shí)刻枯落物的降雨截持量累積值是不同時(shí)刻實(shí)驗(yàn)篩的重量減掉實(shí)驗(yàn)篩自重(同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)篩自身吸附水影響,從測定值中減去)和枯落物干重的值,它與枯落物干重的比值即為枯落物的持水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物儲量

在樣地內(nèi)測量枯落物層厚度,所得結(jié)果見表1。可見,栓皮櫟、側(cè)柏、油松和刺槐這4個不同樹種的枯落物層厚度差別明顯,其厚度分別為10.5,4.0,3.8,2 cm。栓皮櫟枯落物厚度明顯大于側(cè)柏和油松,而刺槐枯落物厚度最小。據(jù)實(shí)地觀察,栓皮櫟的葉片大而厚、堆積疏松,而針葉樹枯落物分解速度慢,所以厚度較大;刺槐產(chǎn)生的枯落物生物量小,且葉片小而薄,分解速度快,厚度最小。4種枯落物的自然含水率排序?yàn)?栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐。各樣地枯落物不同層次儲量比例如表1所示,可以看出各樹種總儲量排序?yàn)閭?cè)柏＞栓皮櫟＞油松＞刺槐。栓皮櫟的半分解層占總重的77.117%,油松的半分解層占總重的85.771%,側(cè)柏的半分解層占總重的81.006%,刺槐的半分解層占總重的82.444%。栓皮櫟的自然含水率為137.919%,油松未94.821%,側(cè)柏為55.762%,刺槐為37.615%。刺槐的自然含水率最小,僅為栓皮櫟的36.7%,這可能是因?yàn)樗ㄆ悼萋湮锖穸却?水分不易蒸發(fā);而刺槐枯落物厚度小,較為破碎,自然狀態(tài)下易蒸發(fā)失水造成的。

表1 樣地內(nèi)枯落物儲量及厚度組成

2.2 浸泡法測定的枯落物吸水過程

通過浸泡測定枯落物最大持水量,是研究枯落物層持水功能的傳統(tǒng)方法。本實(shí)驗(yàn)中測定了栓皮櫟、油松、側(cè)柏和刺槐的未分層和半分解層的枯落物在浸泡條件下的吸持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系(圖1-2)。對比4個樹種的枯落物持水率變化過程發(fā)現(xiàn),0～2 h是枯落物持水增加最快的階段,2～6 h枯落物持水增加減慢,6 h以后趨于穩(wěn)定。

圖1 浸泡法測定未分解層枯落物持水率隨時(shí)間變化曲線

圖2 浸泡法測定半分解層枯落物持水率隨時(shí)間變化曲線

從以上對比可以看出,栓皮櫟未分解層枯落物和半分解層枯落物最大持水率大致相同;油松未分解層枯落物持水率小于半分解層;側(cè)柏和刺槐未分解層枯落物最大持水率大于半分解層,其中刺槐兩層最大持水率差距顯著。從未分解層枯落物持水率來看,闊葉樹枯落物持水率大于針葉樹枯落物。針葉樹種枯落物含有較多的油脂,其持水率往往沒有闊葉樹種的枯落物大[11]。半分解層枯落物比未分解層枯落物更為破碎,理論上講,半分解層最大持水量應(yīng)該更大[12]。但是實(shí)際測量的數(shù)據(jù)并不全部與理論相符。栓皮櫟未分解層最大持水率為230.0,半分解層為230.5,基本相同;油松未分解為159.8,半分解層為170.4,半分解層最大持水率較大,與理論相符;側(cè)槐未分解層為170.9,半分解層為153.1,未分解層最大持水率較大,與理論不符;刺槐未分解層位320.4,半分解層為103.6,未分解層最大持水率明顯大于半分解層,與理論相差較大。這種差距可能是由于刺槐和側(cè)柏半分解層枯落物較破碎,易從紗袋中漏出,造成濕重減少,而計(jì)算時(shí)認(rèn)為干重不變,所以計(jì)算出刺槐半分解層枯落物持水率下降。考慮到這個原因,實(shí)驗(yàn)對此進(jìn)行了校正。即測量結(jié)束后,再次用精度為0.1 g的電子天平稱取紗袋中枯落物的重量,將損失的重量平均分配到每次稱取的濕重中,但是結(jié)果仍然有較大誤差。

2.3 模擬降雨條件下的枯落物截持過程

因?yàn)榻涤瓴⒉豢偸蔷鶆蚵湓诳萋湮锷?而且一般不會產(chǎn)生浸泡那樣的充分供水條件,所以降雨條件下的枯落物截持過程和截持量肯定不同于浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本研究用實(shí)驗(yàn)篩裝填了烘干的枯落物(0.5 kg/m2)模擬測定枯落物截持雨水的時(shí)間變化過程(圖3)。

圖3 人工降雨法測定枯落物持水率隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)圖3顯示的人工降雨法測定枯落物持水率隨時(shí)間的變化,可把截持過程分為4個階段。第1階段為迅速吸收階段,截持速率變化很快,截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用,截持速率變化與枯落物的含水量關(guān)系密切;第2階段為緩慢吸收階段,隨著枯落物含水量增加,枯落物截持速率逐漸降低;第3階段為逐漸飽和階段,隨著截持過程的進(jìn)行,截持速率逐漸趨向于零,這時(shí)枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少,而且主要是覆蓋在枯落物表面的自由重力水;第4階段為飽和階段,枯落物濕重在某一值上下浮動,達(dá)到最大持水量。

其中闊葉樹枯落物經(jīng)歷第1階段時(shí)間為0～60 min;針葉樹枯落物為0～30 min。闊葉樹第2階段為60～120 min;針葉樹為30～120 min。第3階段為逐漸飽和階段,時(shí)間為120～240 min。第4階段為飽和階段,時(shí)間為240～480 min。

研究中發(fā)現(xiàn),人工降雨法測定的枯落物持水過程線與對數(shù)曲線有良好的相關(guān)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立回歸方程

式中:Q——枯落物持水量(g/kg);t——浸泡時(shí)間(min);a——方程系數(shù);b——方程常數(shù)項(xiàng)。從表2中可以看出,各林分枯落物得出的回歸方程的復(fù)相關(guān)指數(shù)R2均大于0.9,統(tǒng)計(jì)量F的相伴概率值P均小于0.001,模型擬合效果較為理想。

表2 人工降雨法測定不同林分枯落物持水率與降雨歷時(shí)關(guān)系

2.4 浸泡法與模擬降雨條件下枯落物截留過程對比

按照1∶1的重量比例,將用浸泡法測定的未分解層枯落物持水率和半分解層枯落物持水率整合為圖4,和用人工降雨法測定的枯落物持水率(圖3)進(jìn)行比較。對比兩種測定方式下枯落物的持水過程(圖3,圖4)可以看出,無論是浸泡還是模擬降雨,枯落物吸持變化都在4 h左右變緩。同時(shí),兩種截持實(shí)驗(yàn)中的枯落物吸持水量都經(jīng)歷了一個由快速增長到緩慢增長、直到趨于穩(wěn)定的過程。此外,雖然兩種實(shí)驗(yàn)所測定的枯落物最大截持量結(jié)果不完全相同,但是吸持水分的過程基本一致。比較兩種方法測定枯落物持水率可知,采用人工降雨法測定值均大于相應(yīng)的采用浸泡法測定的持水率值。這與浸泡法本身存在缺陷,而人工降雨法彌補(bǔ)了這些缺陷有關(guān)。

圖4 浸泡法測定枯落物持水率隨時(shí)間變化曲線

2.5 枯落物有效攔截量

通過之前研究,我們認(rèn)為人工降雨法能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況下枯落物截持降水過程,因此利用人工模擬降雨方法得出的各枯落物最大持水率,結(jié)合枯落物儲量得出了自然條件下單位面積枯落物最大持水量(表3)。從表3中可以看出,4個樹種枯落物最大攔蓄量排序?yàn)?栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐。其中,栓皮櫟、油松和側(cè)柏枯落物的最大攔蓄量接近,均較大。而刺槐枯落物的最大攔蓄量明顯較小。從最大攔蓄量角度來分析這4個樹種的枯落物持水能力,刺槐的最大持水量最小,所以刺槐枯落物的水土保持功能最差。

枯落物有效攔蓄量(modified interception)可用來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量,來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量,計(jì)算公式為[13]

式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);Ro——平均自然含水率(%);M——枯落物蓄積量(t/hm2)。從有效攔蓄量來看(表3),油松＞側(cè)柏＞栓皮櫟＞刺槐。整體呈現(xiàn)針葉樹大于闊葉樹的趨勢,這與最大攔蓄量、最大持水率的情況均不同。其中油松的有效攔蓄量最大,為12.154 t/hm2;刺槐的有效攔蓄量最小,為5.395 t/hm2,不到油松有效攔蓄量的1/2。對比本研究得出的枯落物有效攔蓄量的結(jié)論和張振明等[1]、徐娟等[13]研究各自得出的結(jié)論都有一定的區(qū)別,說明隨著采樣季節(jié)、枯落物緊實(shí)度、枯落物厚度、枯落物干燥度等指標(biāo)的差異,得出的實(shí)際枯落物有效攔截深都有所區(qū)別,枯落物有效攔截深指標(biāo)具有比較大的不確定性。

表3 枯落物的攔蓄能力

3 結(jié)論和討論

(1)各樹種總儲量排序?yàn)閭?cè)柏＞栓皮櫟＞油松＞刺槐。據(jù)實(shí)地觀察,栓皮櫟葉片大而厚;針葉樹枯落物分解速度慢;刺槐枯落物生物量小,且葉片小而薄造成了不同樹種林分枯落物的儲量差異。

(2)傳統(tǒng)的浸泡法在測量枯落物最大持水率時(shí)有較大缺陷,并不能較準(zhǔn)確地刻畫枯落物的最大持水率和吸水過程。采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物最大持水量時(shí),枯落物損失量大。因?yàn)榭萋湮镙^為破碎,特別是半分解層的枯落物,所以從尼龍網(wǎng)袋中漏出部分枯落物,造成較大的損失量,且此類損失無法控制。但是采用人工降雨法會有效減少漏出的枯落物,將實(shí)驗(yàn)誤差減小。

另外,試驗(yàn)瀝水過程不易控制。由于瀝水由人工控制,人為因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大,瀝水程度稍微變化,都可能引起枯落物濕重較大變化,造成數(shù)據(jù)的上下波動。且此種實(shí)驗(yàn)采用的瀝水方法把枯落物空隙中的懸附水瀝干,與實(shí)際降雨時(shí)枯落物持水情況不相符,所以此實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)降雨的程度有限。而在人工降雨實(shí)驗(yàn)中,枯落物盛放在底為鐵絲網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)篩中,瀝水程度易于控制,且有效減少了瀝水過程對枯落物的擾動,使實(shí)驗(yàn)更精確。

(3)從最大持水量角度和有效攔截量來分析這4個樹種的枯落物持水能力,刺槐的最大持水量及有效攔截量均最小,所以刺槐枯落物的持水能力最差,刺槐林容易形成徑流,造成水土流失。其他3個樹種最大持水量相近,均較大,但是有效攔截量為油松＞側(cè)柏＞栓皮櫟。所以從實(shí)際降雨時(shí)枯落物持水的特點(diǎn)來看,這3個樹種的水土保持功能均較好,其中油松的水土保持功能最佳。考慮北京山區(qū)主要樹種的最大持水量及有效攔截量,可以為北京山區(qū)的樹種選擇提供依據(jù)。

(4)本實(shí)驗(yàn)中采用的人工降雨法,雖然彌補(bǔ)了部分室內(nèi)浸泡法測定枯落物最大持水量的不足,但是并不能完全代表實(shí)際降雨時(shí)的枯落物截持過程。在自然環(huán)境中,影響枯落物截持過程的因素還有其它的氣候、地形因子以及枯落物性質(zhì)等要素[11]。在今后進(jìn)一步的研究中,可以從模擬多種雨強(qiáng),鋪設(shè)多種枯落物厚度的角度出發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并設(shè)計(jì)模擬多種氣候條件、地形條件,以期更進(jìn)一步了解枯落物的水文特性。

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