寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物層水文特性

郭建榮，朱學(xué)靈，劉曉靜，葉永忠

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450002;2.寶天曼自然保護(hù)區(qū)管理局，河南 內(nèi)鄉(xiāng)474350)

寶天曼自然保護(hù)區(qū)位于河南省西南部，秦嶺東段伏牛山南坡，地理坐標(biāo)為北緯 33°25'～33°33'，東經(jīng) 110°53'～112°04'.山勢呈西北—東南走向，總面積約 100 km2，最高峰寶天曼海拔1 830 m.本區(qū)屬季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明.年均溫15.1 ℃，年降雨量885.6 mm，年蒸發(fā)量991.6 mm，相對濕度68%，極端最高溫41.2℃，極端最低溫-14.8℃，≥10℃的年積溫4 200～4 900℃，無霜期高山區(qū) 160 d，低山區(qū) 227 d［1，2］.自然保護(hù)區(qū)海拔900 m以下分布的植被類型主要是栓皮櫟(Quercus var.iabilis Blume.)、槲櫟(Quercus aliena BL.)，海拔1 000 m以上主要的櫟類是銳齒櫟(Quercus aliena var.acuteserrata Maxim.)和短柄枹(Quercus glandulifera var.brevipetiolata Nakai).銳齒櫟 (Quercus aliena var.acuteserrata)是槲櫟(Quercus aliena)的變種，葉緣鋸齒較銳故名;它是暖溫帶主要建群樹種之一，廣泛分布于遼寧、陜西、甘肅、河南、山東等省，在河南伏牛山、太行山海拔1 000 ～2 000 m 的山地，常形成純林［3，4］.

目前對于林地枯落物在森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中重要作用的研究有很多，如在促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)、養(yǎng)分平衡、保持水土、水源涵養(yǎng)等方面的作用［5～8］;關(guān)于寶天曼自然保護(hù)區(qū)銳齒櫟林生態(tài)系統(tǒng)的研究，如土壤呼吸［9，10］等，但是對于寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物儲量及持水特性的研究未見報(bào)道.本研究對寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物層的儲量、構(gòu)成成分以及持水性進(jìn)行了研究，旨在探討不同林齡銳齒櫟林枯落物層的在儲量、構(gòu)成成分、持水量等指標(biāo)上是否具有明顯的特異性，為進(jìn)一步研究不同林齡銳齒櫟林枯落物層的水源涵養(yǎng)功能提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 樣地選擇與樣品采集

在寶天曼國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，選取坡向、坡度、海拔基本一致，且具有相對距離的銳齒櫟林，設(shè)置3個調(diào)查樣地，每組分別包含幼齡林(I)、中齡林(II)、成熟林(III)3塊樣地，共9塊，樣地面積均為20 m×30 m，為了便于調(diào)查，在每個樣地分為5 m×5 m小樣方，各個樣地基本情況見表1.每個樣地沿對角線隨機(jī)設(shè)置5個0.5 m×0.5 m枯落物收集樣方，共45個，枯落物分為未分解層(a層)和半分解層(b層)，收集前先用鋼尺測量并記錄每層的自然厚度，然后分層裝進(jìn)塑料密封袋，防止水分散失，標(biāo)記，以用于測定枯落物儲量、測定其持水量和吸水速率.

表1 樣地基本情況Table 1 Outline of the plots

1.2 枯落物儲量的測定

將采集的樣品帶回室內(nèi)立即稱其自然重量，80℃恒溫干燥箱內(nèi)烘至恒重稱其干重，以用以計(jì)算枯落物自然含水量、單位面積干物質(zhì)蓄積量，計(jì)算公式如下所示:

1.3 枯落物組成測定

將烘干后的枯落物分別按葉、枝、果、樹皮分揀并稱重，以用以計(jì)算枯落物各成分含量.

1.4 枯落物吸水速率和持水量的測定

用室內(nèi)浸泡法測定林下枯落物的持水量及吸水速率.將相同林齡林下收集的枯落物混合、分揀各成分后按比例取適量原狀裝入尼龍袋中，封口、標(biāo)記并稱重，不同林齡、不同層次樣品分別重復(fù)4次.(注意對半分解層裝入后需輕輕抖動再稱重，以避免浸泡時(shí)細(xì)小成分逸出而造成較大誤差.)

將裝有枯落物的尼龍袋置入盛有清水的紅桶中，水面需沒過尼龍網(wǎng)袋，浸泡 0.5，1，2，4，8，l2，24，48 h，分別測定其在帶孔鋁板上控干后的質(zhì)量，以測定其吸水速率及最大持水量，最大持水量取浸泡至不再增重時(shí)的持水量.

所得數(shù)據(jù)均用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡枯落物層的蓄積量及自然含水量

枯落物蓄積量，主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林的樹種組成不同、林分所處的立地條件不同都對枯落物蓄積量有較大影響.寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林林下地表枯落物層蓄積量與自然含水量變化如表2:枯落物厚度從幼齡林到成熟林依次降低，而且未分解層和半分解層均遵從此規(guī)律;對于枯落物蓄積量，中齡林最多，為 15.60 t·hm-2，幼齡林次之，為14.61 t·hm-2，成熟林最少，為 13.99 t·hm-2，這與其厚度規(guī)律是不一致的，枯落物厚度的測量是在其自然狀態(tài)下進(jìn)行的，不同地點(diǎn)的枯落物緊實(shí)度不同，因此出現(xiàn)不一致也是合情合理的.

寶天曼自然保護(hù)區(qū)銳齒櫟林地處海拔1 000 m以上，受人類干擾較小，對比了3種林齡銳齒櫟林未分解層枯落物蓄積量可以發(fā)現(xiàn)，其間差別不大，都約為6 t·hm-2，而半分解層有差異，說明不同齡級銳齒櫟林下枯落物的分解速率是不同的，其中成熟林分解速率最高.

表2 寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物層蓄積量變化Table 2 The amount of growing stock of litter layer from different age sharp teeth oak forests of Baotianman Nature Reserve

2.2 不同林齡枯落物組成

枯落物的組成與林分結(jié)構(gòu)(樹種、年齡)密切相關(guān)，不同林齡枯落物組成成分比例見圖1:不同林齡枯落物中占比重最大均是葉，而且中齡林葉的比例最高，成熟林最低;對于比重最小樹皮，其在枯落物中所占的比例是成熟林最高，中齡林次之，幼齡林最低.這個結(jié)果與不同林齡的林分特點(diǎn)密切相關(guān):幼齡林郁閉度最大，林木為了爭奪陽光，向上生長迅速，下部光照缺乏，自然整枝較強(qiáng)烈，因此枯落物中枝條較多，而中齡林與成熟林相對穩(wěn)定，枯落物中枝條所占比例較幼齡林低;而對于果，幼齡林產(chǎn)生種子量，明顯低于中齡林和成熟林，因此其枯落物中果所占比例也明顯低于兩者.

2.3 不同林齡枯落物層的持水特性

2.3.1 不同林齡枯落物層的持水動態(tài) 枯落物層的持水動態(tài)主要是指其吸水速率的變化規(guī)律.林地枯落物的吸水速率不僅與其持水能力密切相關(guān)，也與地表徑流的發(fā)生緊密相聯(lián).由圖2可知，不同林齡、不同層次枯落物吸水速率隨時(shí)間變化的總趨勢是一致的.在前0.5 h內(nèi)，枯落物的吸水速率最大，隨著浸水時(shí)間的增長，不同林齡枯落物吸水速率均迅速下降，且半分解層下降速度大于未分解層.浸水12 h后，枯落物吸水速率基本降為0.這說明對于一定時(shí)間的降水，枯落物能有效減少地表徑流，調(diào)節(jié)徑流量.

圖1 不同林齡枯落物組成Fig.1 The part of litter layer from different age forests

由圖3和圖4可知，在前0.5 h內(nèi)，各林齡枯落物的持水量迅速增長，且半分解層持水量增速大于未分解層;隨著浸水時(shí)間的增長，枯落物持水量的增速逐漸變緩.在浸水0.5 h以后的時(shí)間內(nèi)，未分解層吸水量增速明顯大于半分解層，這表明在降水初期，起持水作用的主要是半分解層.對于最大持水量，半分解層均大于未分解層.對比不同林齡枯落物，持水量最大的為中齡林，其次為幼齡林，最小的為成熟林，這說明不同林齡枯落物持水性是不同的，應(yīng)進(jìn)一步對不同林齡枯落物的理化性質(zhì)進(jìn)行更深入的分析，以探討不同林齡銳齒櫟林枯落物持水機(jī)理.

圖2 枯落物吸水速率Fig.2 Water absorption rate of litter

圖3 枯落物未分解層持水過程線Fig.3 Water-holding process line of undecomposition litter

圖4 枯落物未分解層持水過程線Fig.4 Water-holding process line of undecomposition litter

不同林齡林下枯落物未分解層、半分解層持水量與浸水時(shí)間之間的關(guān)系最佳擬合模型為W=aln(t)+b

式中:W為枯落物持水量(g·kg-1);t為浸水時(shí)間(h);a為系數(shù);b為常數(shù).

經(jīng)擬合計(jì)算，3種林齡林下枯落物未分解層、半分解層持水量與浸水時(shí)間之間的關(guān)系式具體見表3.

2.3.2 枯落物層最大持水率及最大持水量 最大持水量是反映枯落物層持水性能的一個重要指標(biāo)，它是枯落物的最大持水率和單位面積枯落物的蓄積量之積.一般認(rèn)為，枯落物飽和持水量為其最大持水量.由此可知:

枯落物最大持水率=［(浸泡后的枯落物重量-干重)/干質(zhì)量］×100%

不同林齡枯落物最大持水率及最大持水量見表4.不同林齡銳齒櫟林枯落物層最大持水率及最大持水量變化規(guī)律是一致的，均是中齡林＞幼齡林＞成熟林.

表3 林下枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系Table 3 The relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

2.3.3 不同林齡枯落物層對降雨的有效攔蓄量

最大持水量反映了枯落物層持水能力的大小，并不能代表枯落物對降雨的攔蓄量，當(dāng)降雨達(dá)到20～30 mm以后，不論枯落物層含水量高低，實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右［11］.所以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，一般用有效攔蓄量估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量，即:

式中:W-有效攔蓄量(t·hm-2);Rm-最大持水率(%);R0-平均自然含水率(%);M-枯落物累積量(t·hm-2).

不同林齡枯落物層有效攔蓄量見表4.不同林齡銳齒櫟林枯落物層有效攔蓄量與最大持水量規(guī)律是一致的，枯落物的持水性能最終決定了其在森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能中的巨大作用.

表4 不同林齡枯落物層最大持水量及有效攔蓄量Table 4 The maxi-water holding capacity and effective retain capacity of litter layer from different age of forests

3 結(jié)論與討論

綜上所述，寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物層在厚度、蓄積量、成分構(gòu)成、最大持水量、以及攔蓄水深等方面具有明顯差異，為進(jìn)一步探討不同林齡銳齒櫟林水源涵養(yǎng)功能差異提供了資料.不同林齡銳齒櫟林枯落物層厚度由幼齡林至成熟林依次降低，而且未分解層和半分解層均遵循此規(guī)律，枯落物蓄積量大小順序?yàn)橹旋g林＞幼齡林＞成熟林.不同林齡林下枯落物持水速率、持水量與浸水時(shí)間的動態(tài)變化規(guī)律存在相似性.不同林齡銳齒櫟林枯落物層最大持水量大小順序?yàn)?中林齡＞幼齡林＞成熟林，而且均是半分解層大于未分解層;3 種林齡有效攔蓄深分別為 2.50，2.83，2.21 mm，大小順序?yàn)橹辛铸g＞成熟林＞幼齡林.

枯落物層是保障森林生態(tài)系統(tǒng)充分發(fā)揮水土保持和水源涵養(yǎng)功能的一個極其重要的水文層次，具有明顯的蓄水、保水作用.枯落物層的持水性能，不僅與構(gòu)成林分的植物種類有關(guān)，而且與林齡等林分結(jié)構(gòu)也密切相關(guān).因此，在林場經(jīng)營管理過程中應(yīng)注意林分的合理養(yǎng)育與更新，還應(yīng)該注重對林下枯落物的合理健康經(jīng)營，通過一定的保護(hù)措施維持枯落物層的積累，使林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)更好地發(fā)揮其水土保持和水源涵養(yǎng)的功能.

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