重慶四面山4種類型天然林枯落物水文效應(yīng)1)

張 焜 張洪江 程金花

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院房山分院，北京，102488) (北京林業(yè)大學(xué))

枯落物層作為森林系統(tǒng)攔蓄降水的第二個(gè)活動(dòng)層，是森林結(jié)構(gòu)的重要組成部分?？萋湮飳涌上魅踅涤陮?duì)地表的濺蝕，減小地表徑流的流速，減少地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤水分蒸發(fā)，對(duì)削減洪峰和涵養(yǎng)水源具有重要的生態(tài)意義［1-2］。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)、不同類型森林枯落物的截持降水、抑制土壤水分蒸發(fā)、促進(jìn)土壤水分滲透、調(diào)節(jié)地表徑流等水文效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成果并對(duì)枯落物的凋落動(dòng)態(tài)和水文過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬［3-4］，但對(duì)四面山地區(qū)天然林的枯落物蓄積量和水文特性報(bào)道較少。本研究通過(guò)野外取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)重慶四面山針葉林、闊葉林、針闊混交林和楠竹林4種類型天然林枯落物的水文效應(yīng)做出分析，旨在為三峽庫(kù)區(qū)營(yíng)建水土保持型森林體系提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾重慶市江津區(qū)四面山森林管理局，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 106°17'～106°30'，北緯28°31'～28°43'，系云貴高原大婁山北側(cè)余脈。區(qū)內(nèi)林地土壤主要由白堊紀(jì)夾關(guān)組磚紅色長(zhǎng)石、石英砂巖夾磚紅色、紫紅色粉砂巖等風(fēng)化殘積物、沖積物發(fā)育而成，主要土壤類型有：黃棕壤、黃壤等。該區(qū)地勢(shì)較陡，土層厚度10～70 cm，多呈微酸性至酸性。該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，無(wú)霜期285 d。多年平均氣溫13.7℃，月平均最高氣溫在8月份，達(dá)31.5℃，月平均最低氣溫在1月份，為-5.5℃，海拔每上升100 m，氣溫遞減0.58℃。年日照時(shí)數(shù)1 082.7 h。年均降水量1 522 mm，雨季集中在5—9月，此期降水量占年平均降水量的62.7%。四面山是全球植被最豐、空氣最純、水質(zhì)最潔的地區(qū)之一。轄區(qū)內(nèi)保存著第三世紀(jì)以來(lái)的植被，生長(zhǎng)著3.5億a前的古熱帶和古溫帶植物，是地球同緯度僅存的規(guī)模最大、保護(hù)最完好的亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，被聯(lián)合國(guó)生態(tài)保護(hù)專家確定為地球上難得的“天然物種基因庫(kù)”。植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，有地球同緯度僅存的亞熱帶常綠闊葉林11.34 hm2，有原始次生闊葉林3 150 hm2。主要植被有杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、石櫟(Lithocarpusglaber)、木荷(Schimasuperba)、福建柏(Fokieniahodginsii)、香樟(Cinnamomumcamphora)、楓香(Liquidambarformsana)、紫花杜鵑(Rhododendron backii)和楠竹(Phyllostachyspubescens)等。

2 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)選取針葉林、闊葉林、針闊混交林和楠竹林4種類型天然林，分別設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)其枯落物水文效應(yīng)進(jìn)行研究。各林地標(biāo)準(zhǔn)地基本概況見表1，物種組成見表2。

表1 重慶四面山不同天然林標(biāo)準(zhǔn)地的基本概況

3 研究方法

枯落物蓄積量的測(cè)定：在4種類型天然林的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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)。分未分解層和半分解層收集枯落物并測(cè)量其厚度，帶回室內(nèi)先稱其濕質(zhì)量，再放入烘箱烘干(75℃)至恒質(zhì)量，以計(jì)算其蓄積量。

枯落物持水量的測(cè)定：將調(diào)查枯落物儲(chǔ)量時(shí)收集的枯落物采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物持水量［3］，文中的持水量用持水深(mm)表示。每次將浸水后的枯落物取出后靜置至其不滴水時(shí)再稱質(zhì)量。

枯落物有效攔蓄量的測(cè)定：一般情況下，枯落物的實(shí)際持水率約為最大持水率的85%，所以取0.85作為有效攔蓄系數(shù)來(lái)估算枯落物層的有效攔蓄量［5-6］，即：W=(0.85Rm-R0)M。式中：W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);R0為平均自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)?？萋湮锏淖畲蟪炙颗c枯落物質(zhì)量的比值即為枯落物的最大持水率。平均自然含水率的計(jì)算方法為枯落物75℃烘干前后質(zhì)量的差值與烘干后枯落物質(zhì)量的比值。

表2 重慶四面山不同天然林植被基本組成

4 結(jié)果與分析

4.1 不同類型天然林枯落物的蓄積量

從表3可以看出：森林類型不同，其林下枯落物的蓄積量不同，同一森林類型不同層次的枯落物蓄積量也存在差異。4種類型天然林枯落物總蓄積量大小順序依次為闊葉林、針闊混交林、針葉林、楠竹林。這是由于闊葉林植物的生長(zhǎng)速度較其它類型天然林快，其枯落物的蓄積量比其它類型天然林大;而針闊混交林的郁閉度較小，并且該類型天然林的枯落物較易分解，其枯落物蓄積量則會(huì)較其它類型天然林小。4種類型天然林枯落物的半分解層蓄積量均明顯高于其未分解層蓄積量。

表3 重慶四面山不同類型天然林枯落物蓄積量

4.2 不同類型天然林枯落物的持水特征

4.2.1 最大持水量

枯落物的持水能力多用干物質(zhì)的最大持水量和最大持水率來(lái)表示，該能力與森林類型、林齡、枯落物組成、枯落物蓄積量、枯落物分解強(qiáng)度等多項(xiàng)因子有關(guān)［1，7］。由表4可見，闊葉林枯落物的最大持水量最高，為5.15 mm，闊葉林枯落物未分解層的持水能力尤為強(qiáng)大，其達(dá)到最大持水量時(shí)的吸濕比(3.5)明顯高于該森林類型的半分解層和其它類型天然林;針闊混交林枯落物半分解層的最大持水量最大，為3.11 mm;楠竹林枯落物半分解層的最大持水量最小，僅為2.11 mm。原因在于闊葉林枯落物的半分解層比較蓬松，具有較高的持水能力;針闊混交林枯落物半分解層的蓄積量最大;楠竹林枯落物中含有較高的蠟質(zhì)成分，其蓬松程度也不如其它3種類型天然林高。闊葉林的枯落物層對(duì)水分的吸持能力較高，在降雨過(guò)程中可將較多的穿透雨量截持下來(lái)，從而對(duì)林地土壤層起到更好的保護(hù)作用;而楠竹林的持水能力最差。

表4 不同類型天然林枯落物的最大持水量

4.2.2 持水過(guò)程

枯落物持水是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其不同浸水時(shí)間持水量是研究枯落物持水特征的重要部分。將不同浸泡時(shí)間下4種類型天然林枯落物未分解層和半分解層的持水量繪成散點(diǎn)圖(圖1)，可以看出：4種類型天然林枯落物半分解層的持水能力均大于其未分解層;針闊混交林未分解層持水過(guò)程中的持水量始終保持最少，因?yàn)獒橀熁旖涣值姆纸鈴?qiáng)度較大，導(dǎo)致其未分解層的蓄積量最小，半分解層的蓄積量最大，從而其半分解層的持水能力較其它天然林枯落物的半分解層高;闊葉林未分解層枯落物在初始1 h內(nèi)持水量明顯高于其它類型天然林的未分解層，而且整個(gè)持水過(guò)程其持水量也明顯最大，這得益于其蠟質(zhì)成分含量最少，而且蓬松的狀態(tài)為其提供了充足的吸水空間。

圖1 重慶四面山4種類型天然林枯落物持水過(guò)程

4.3 不同類型天然林枯落物的有效攔蓄量

枯落物層的最大持水量只代表持水能力的大小，并不能反映出其對(duì)降雨實(shí)際截留的效果［5］。因此，研究枯落物的有效攔蓄量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。表5表明，總體上看4種類型天然林有效攔蓄量由大到小依次為闊葉林、楠竹林、針葉林、針闊混交林?？梢姡熑~林對(duì)降水的攔蓄效果最佳;在枯落物蓄積量相近的情況下，楠竹林枯落物層對(duì)降水的攔蓄效果也較好的原因是其自然含水率最低，尤其未分解層的有效攔蓄量(4.03 t·hm-2)明顯高于其它3種類型;而針闊混交林自然含水率相對(duì)較高，即使其最大吸濕比高于楠竹林，現(xiàn)實(shí)情況中的攔蓄降雨能力也最差。

表5 不同類型天然林枯落物的有效攔蓄量

5 結(jié)束語(yǔ)

4種類型天然林枯落物總蓄積量大小順序依次為闊葉林(19.68 t·hm-2)、針闊混交林(17.57 t·hm-2)、針葉林(17.40 t·hm-2)、楠竹林(17.08 t·hm-2)。綜合來(lái)看，闊葉林枯落物的持水能力最好，而楠竹林枯落物的持水能力較差。這是由于闊葉林枯落物的半分解層比較蓬松，為其提供了充足的吸水空間;楠竹林枯落物中含有較高的蠟質(zhì)成分，其蓬松程度也不如其它3種類型天然林高。4種類型天然林枯落物的有效攔蓄量由大到小為闊葉林(12.79 t·hm-2)、楠竹林(11.44 t·hm-2)、針葉林(8.70 t·hm-2)、針闊混交林(5.82 t·hm-2)?？傊?，闊葉林枯落物對(duì)降水的攔蓄效果最佳，針闊混交林枯落物的攔蓄效果最差;楠竹林枯落物的自然含水率最低，故其攔蓄效果也較好。

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