河北省木蘭林管局典型森林類型枯落物水文效應(yīng)研究

李 軍，田 超，楊新兵

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000;2.河北省木蘭圍場國有林場管理局，河北 圍場068450)

森林通過龐大的林冠層、豐富的枯落物層，既能吸附、截留一定的降雨，又能有效減輕或防止雨水沖擊和侵蝕土壤，且具有深厚的疏松土壤層，利于雨水下滲，因此，人們形象的稱之為“森林水庫”[1]。森林枯落物層作為森林水文效應(yīng)的第二個(gè)活動(dòng)層，在截持降雨、防止土壤濺蝕、攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)和增加土壤水分入滲等方面具有重要意義。河北省木蘭林管局處在內(nèi)蒙古高原與冀北山地的過渡帶，地理位置特殊，生態(tài)環(huán)境建設(shè)處于重要位置。國內(nèi)對于該區(qū)的研究主要集中在生物多樣性[2-3]、森林病蟲害防治[4]、森林防火等方面[5]，對森林水文的研究很少。

因此，本文對木蘭林管局6種主要天然林林分類型的枯落物水文效應(yīng)做了定量研究，旨在揭示不同林分類型枯落物層水源涵養(yǎng)功能，為木蘭林管局森林健康可持續(xù)經(jīng)營的監(jiān)測和評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北承德市圍場縣河北省木蘭圍場國有林場管理局八英莊林場，地理坐標(biāo)為北緯41°56′-42°15′，東經(jīng) 117°44′-118°9′。該地區(qū)地形山巒起伏，溝壑縱橫，地貌以山地為主，地勢西北高，東南低，海拔高度在800～1 780 m之間，陽坡陡，土層薄，陰坡較緩，土層較厚。該地區(qū)氣候?qū)俚湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫4℃左右，年降水量在 400～500 mm，多集中在7-9月，無霜期120 d左右，適合林木生長。研究區(qū)內(nèi)主要喬木樹種有:黑樺(Betula davurica)、白樺(Betula platyphylla)、華北落葉松(Larix principic-rupprechtii)、蒙古櫟(Quercus mongolica)和山楊(Populus davidian)等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

本研究根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的地形和植被自然分布狀況，按照海拔梯度，每升高100 m選取一個(gè)典型林分類型，并采用羅盤儀設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地面積為20 m×30 m，調(diào)查其樹種組成、林分密度等，并對林木進(jìn)行每木檢尺，測量樹高、胸徑等，各樣地特征見表1。

表1 不同林分類型標(biāo)準(zhǔn)地基本特征

2.2 研究方法

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，分坡上、坡中和坡下各取面積為0.5 m×0.5 m的樣方3個(gè)，測定樣方內(nèi)枯落物未分解層及半分解層厚度，取回各層樣品放置于實(shí)驗(yàn)室陰干，即為枯落物風(fēng)干質(zhì)量。從風(fēng)干樣品中取部分烘干，分別計(jì)算未分解及半分解層枯落物的自然含水率和單位面積蓄積量。

采用室內(nèi)浸泡法[6]測定枯落物持水量及其吸水速度。取6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地部分自然風(fēng)干樣品浸入水中，分別測定在浸泡 1，2，4，6，12，24 h 的重量變化，研究其吸水速度和吸水過程。每次取出稱重后所得的枯落物濕重與其風(fēng)干重差值，即為不同時(shí)間的持水量，該值與浸水時(shí)間的比值即為吸水速率。

通常采用有效攔蓄量(modified interception)來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量[7]，即

式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);R0——平均自然含水率(%);M——枯落物累積量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型枯落物蓄積量

枯落物層的蓄積量取決于其在林地上的積累量、分解速度、積累年限，而這些又與森林的樹種構(gòu)成、林分發(fā)育、林分的水平及垂直結(jié)構(gòu)、人為活動(dòng)、枯落物的分解狀況、本身的厚度和性質(zhì)等多種因素有關(guān)[8-9]。由表2可知，6種林分類型下枯落物總蓄積量有一定差別，蓄積量變動(dòng)范圍10.15～30.47 t/hm2，蓄積量大小依次為:華北落葉松-白樺-黑樺混交林＞白樺-華北落葉松混交林＞白樺-黑樺-華北落葉松混交林＞蒙古櫟-黑樺混交林＞山楊-黑樺-蒙古櫟混交林＞白樺-黑樺混交林，這一差別主要是由于針闊葉樹種組成不同所致。分析不同林分類型枯落物未分解層、半分解層儲(chǔ)量可以看出，各層次儲(chǔ)量所占比例不同，蒙古櫟-黑樺混交林林下枯落物未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量的28.87%;而白樺-黑樺-華北落葉松混交林林下枯落物未分解層所占比例最大，占總儲(chǔ)量的48.92%，這可能是由于闊葉樹落葉分解較快，而針葉樹落葉難以分解的原因。

3.2 不同林分類型枯落物水文效應(yīng)

枯落物除了增加土壤有機(jī)質(zhì)，防止降雨對土壤表面的擊濺外，具有很大的吸水能力和透水性，對森林涵養(yǎng)水源有重要作用，因而枯落物持水量是評價(jià)植被水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。

表2 不同林分類型枯落物蓄積量

3.2.1 不同林分類型枯落物最大持水量 6種林分枯落物的最大持水量有所不同(表3)，最大持水量反映了林地枯落物持水能力，由表3可見:華北落葉松-白樺-黑樺混交林最大持水量最大，為63.57 t/hm2，其次為白樺-華北落葉松混交林、白樺-黑樺-華北落葉松混交林、蒙古櫟-黑樺混交林、白樺-黑樺混交林，而山楊-黑樺-蒙古櫟混交林的最大持水量最小，為24.33 t/hm2?？萋湮镒畲蟪炙实淖儎?dòng)范圍為162.62%～257.80%，順序依次為白樺-黑樺混交林＞白樺-黑樺-華北落葉松混交林＞華北落葉松-白樺-黑樺混交林＞山楊-黑樺-蒙古櫟混交林＞蒙古櫟-黑樺混交林＞白樺-華北落葉松混交林。同一混交林的最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，這是因?yàn)樽畲蟪炙窟€與枯落物本身的蓄積量有關(guān)，而蓄積量又與枯落物的分解狀況、本身的厚度等有關(guān)。

3.2.2 不同林分類型枯落物持水過程 枯落物吸持水的速度與枯落物的干燥程度、枯落物量和枯落物結(jié)構(gòu)有關(guān)?？萋湮镌礁稍?，吸持水的速度越快;枯落物量越多，短時(shí)間內(nèi)的吸持水量越大;而革質(zhì)、含油脂的樹種的枯落物吸持水量的速度比非革質(zhì)、含油脂量少的樹種枯落物慢[10]。通過浸水實(shí)驗(yàn)，觀察和分析了不同林地未分解層和半分解層枯落物的持水過程(見圖1-2)。結(jié)果表明:在最初浸泡的1 h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，以后隨著浸泡時(shí)間的延長呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，但增加速度逐漸放慢。這一趨勢與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流功能較強(qiáng)，此后隨枯落物濕潤程度的增加，吸持能力降低，至達(dá)到枯落物的最大飽和持水量[11]。未分解層枯落物與半分解層枯落物持水量在浸泡12 h基本達(dá)到飽和。

表3 不同林分類型枯落物最大持水量和最大持水率

圖1 枯落物未分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

圖2 枯落物半分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

對1～24 h之間6種林分類型枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間的擬合模型見式(2)(表4)。

式中:Q——枯落物持水量(g/kg);t——浸泡時(shí)間(h);a——方程系數(shù);b——方程常數(shù)項(xiàng)。

3.2.3 不同林分類型枯落物吸水速率 由圖3、圖4可知:不同林分類型枯落物不論是未分解層還是半分解層在浸水初期，吸水速率較高，是因?yàn)轱L(fēng)干的枯枝落葉浸入水中后，枯枝落葉的死細(xì)胞間或者枝葉表面水勢差較大，吸水速率較高[12-13];枯落物吸水速度在前1 h內(nèi)較快，之后隨著時(shí)間延長，吸水速度減慢，6 h后下降速度逐漸減慢，24 h吸水基本停止，表明枯落物已達(dá)到飽和狀態(tài)。

表4 枯落物不同層次持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

圖3 枯落物未分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

對6種林分不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，得出該時(shí)間段內(nèi)吸水速率與浸泡時(shí)間之間存在如式(3)的擬合模型(表5)。

式中:V——枯落物吸水速度〔g/(kg?h)〕;t——浸泡時(shí)間(h);k——方程系數(shù);n——指數(shù)。

圖4 枯落物半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

表5 枯落物不同層次吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

表6 不同林分下不同層次枯落物的攔蓄能力

3.2.4 不同林分類型枯落物有效攔蓄量 最大持水量并不能代表枯落物對降雨的截留量，它只能反映枯落物層的持水能力大小，用最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力則偏高，不符合它對降雨的實(shí)際攔蓄效果，有效攔蓄量才是反映枯落物對一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)，其與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性等有關(guān)[12]。從表6有效攔蓄率和有效攔蓄量來看:山楊-黑樺-蒙古櫟混交林、白樺-黑樺-華北落葉松混交林、白樺-黑樺混交林、白樺-華北落葉松混交林未分解層大于半分解層，而蒙古櫟-黑樺混交林、華北落葉松-白樺-黑樺混交林是半分解層大于未分解層。在半分解層中，華北落葉松-白樺-黑樺混交林的有效攔蓄能力最強(qiáng)，為35.67 t/hm2，山楊-黑樺-蒙古櫟混交林有效攔蓄能力最弱，為7.42 t/hm2?？傊?，華北落葉松-白樺-黑樺混交林林分的攔蓄能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

對木蘭林管局境內(nèi)6種典型林分類型枯落物蓄積量調(diào)查表明:華北落葉松-白樺-黑樺混交林的蓄積量最大為30.47 t/hm2;白樺-黑樺混交林蓄積量最小為10.15 t/hm2;各層次儲(chǔ)量所占比例不同，蒙古櫟-黑樺混交林未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量的28.87%;而白樺-黑樺-華北落葉松混交林未分解層所占比例最大，占總儲(chǔ)量的48.92%，這可能是由于闊葉樹落葉分解較快，而針葉樹落葉難以分解的原因。

6種典型林分類型中華北落葉松-白樺-黑樺混交林枯落物最大持水量最大，為63.57 t/hm2，而山楊-黑樺-蒙古櫟混交林最小，為24.33 t/hm2，而其最大持水率卻最大。6種林分類型枯落物在最初浸泡的1 h內(nèi)，枯落物持水量都迅速增加，以后隨著浸泡時(shí)間的延長呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，但增加速度逐漸放慢。其中不同層次枯落物的攔蓄能力不同，蒙古櫟-黑樺混交林、華北落葉松-白樺-黑樺混交林是半分解層大于未分解層，其他混交林分是未分解層大于半分解層。華北落葉松-白樺-黑樺混交林的攔蓄能力最強(qiáng)，未分解層和半分解層總攔蓄能力為48.60 t/hm2。綜上所述，華北落葉松-白樺-黑樺混交林枯落物的水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，山楊-黑樺-蒙古櫟混交林最弱。對以上混交林林分枯落物水文效應(yīng)的研究，對改善研究區(qū)森林涵養(yǎng)水源功能具有重要的指導(dǎo)意義。

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