遼河源典型森林群落下枯落物的水文特性

于曉文，宋小帥，康峰峰，韓海榮

森林枯落物層是由林分凋落的莖、葉、枝條、芽、鱗片、花、果實、樹皮等的殘體累積形成的，是森林結(jié)構(gòu)的重要組成部分，作為第二個水文作用層影響著森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程，是森林涵養(yǎng)水源的主要作用層［1］。除此之外在阻滯地表徑流、減少林地蒸發(fā)、改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)土壤抗沖能力等方面均具有重要作用。國內(nèi)外學(xué)者在不同區(qū)域、不同森林類型的研究多為對枯落物自身水文特性的研究，對其影響地表徑流和侵蝕土壤的機(jī)理等方面研究也取得了一定成果［2－3］。Bormann［4］認(rèn)為森林枯落物層較大的水分劫持能力影響著降雨對林地土壤和植被水分的供應(yīng)和補(bǔ)充；Lee等［5］認(rèn)為枯落物對降雨的截留量取決于其蓄水容量。我國森林枯落物的最大持水率平均為自身干質(zhì)量的309.54%，林地枯落物層的最大持水量平均為4.18mm［6］。國內(nèi)學(xué)者對云南納帕海［7－8］、重慶四面 山［9］、北 京 山 區(qū)［10］、寧 夏 六 盤 山［11］、岷 江 上游［12］、廣西龍脊梯田［13］、祁連山［14］、遼西海棠山［15］、重慶縉云山［16］等地的典型森林枯落物進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)枯落物持水的開始階段速度較快，隨后持水速率逐漸減緩，直至達(dá)到最大持水量；枯落物分解程度越大，持水能力越強(qiáng)；劉向東等［17］認(rèn)為油松枯落物截留降雨量與降雨量的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系。目前關(guān)于油松不同齡組、華北落葉松和楊樺闊葉混交林枯落物的對比研究相對較少，因此本研究通過定量分析遼河源自然保護(hù)區(qū)大窩鋪林場典型森林群落油松林、楊樺混交林、華北落葉松林林下枯落物的儲量和持水過程，在揭示其水文特性的基礎(chǔ)上，以期為該地區(qū)水土保持、水源涵養(yǎng)工作提供理論依據(jù)，進(jìn)一步探索該地區(qū)的森林保護(hù)模式。

1 研究區(qū)概況

研究地點選在河北省平泉縣遼河源自然保護(hù)區(qū)大窩鋪林場（118°22′—118°37′E，41°01′—41°21′N）。該地區(qū)處于暖溫帶向寒溫帶過渡地帶，屬于半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)型山地氣候，年均氣溫7.3℃，無霜期110～125d，全年日照2 000～2 900h，年平均降雨量540mm，年平均蒸發(fā)量1 800mm，濕潤度為0.4，歷年平均晴天日數(shù)為170d左右。土壤主要是棕壤土和褐土，土層深厚。

森林植被主要是喬木油松（Pinus tabuliformis）天然林、山楊林（Populus davidiana）和白樺林（Betula platyphylla）及其混交林、華北落葉松林（Larix gmelinii）；灌木層有錦帶花（Weigela florida）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、榛（Corylus heterophylla）、三裂繡線菊（Spiraea trilobata）等；草本層以細(xì)葉薹草（Carex rigescens）為主。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

于2012年7—9月對大窩鋪林場典型森林群落進(jìn)行調(diào)查，樣地面積為20m×30m，每種類型重復(fù)3次，采用系統(tǒng)樣點觀測法測定其郁閉度，在標(biāo)準(zhǔn)地沿對角線間隔1m，判斷樣點是否為樹冠遮蓋，統(tǒng)計被遮蓋樣點數(shù)，即可算出郁閉度，即：郁閉度＝被樹冠遮蓋的樣點數(shù)／樣點總數(shù)，對樹木進(jìn)行每木檢尺，測量樹高、胸徑等因子，樣地基本情況詳見表1。

表1 研究區(qū)樣地基本情況

2.2 方法測定

2.2.1 枯落物儲量調(diào)查 在每個樣地沿對角線方向設(shè)0.5m×0.5m的樣方3個，按未分解層、半分解層分別取樣，未分解層由顏色、形態(tài)基本保持剛落地時狀態(tài)的凋落物組成，外表看不出被分解的跡象，半分解層是凋落物分解一定程度形成的，其葉形不十分完整，葉肉組織變色并開始腐爛，但有可辨認(rèn)的葉脈相連，顏色多為灰褐至灰黑色，質(zhì)地柔軟，現(xiàn)場記錄各層厚度和取樣重。取樣帶回實驗室后在95℃烘干稱重，計算單位面積枯落物儲量。

2.2.2 枯落物持水量和持水過程研究 采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水量和持水過程。將烘干枯落物稱重后放入細(xì)孔紗布袋內(nèi)，完全浸沒于清水中，分別待浸泡0.5，1，2，4，6，8，10和24h后，將紗布袋取出并靜置5min后，迅速稱量其濕重，每次稱量的枯落物濕重與浸水前干重的差值即為浸水時段內(nèi)的持水量，該值與浸水時間的比值為該時刻的持水速率，表示的是單位時間內(nèi)枯落物的持水量，枯落物浸水24h后的持水量為其最大持水量［18］，這時的濕重與干重之比為枯落物最大吸濕比，用來反映枯落物持水力大小。

枯落物通常不會達(dá)到其最大持水量，所以采用有效持水量來反映其對降水的實際攔蓄情況，計算公式為［19］：

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

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型枯落物儲量

林下枯落物的儲量和厚度對準(zhǔn)確評價森林水文功能具有重要作用。不同森林類型枯落物的厚度和儲量受森林立地狀況、林分類型和生長狀況的影響，枯落物自身的產(chǎn)生量和分解速度，以及累計年限的不同也會造成枯落物儲量的不同［20］。從表2可以看出，不同森林類型林下枯落物總儲量變化范圍為7.92～15.56t／hm2，總儲量大小排序依次為：60a油松純林（15.56t／hm2）＞50a油松純林（12.85t／hm2）＞40a油松純林（12.02t／hm2）＞楊樺混交林（11.99 t／hm2）＞華北落葉松純林（7.92t／hm2），造成這一現(xiàn)象的原因與針闊葉樹種組成不同有關(guān)，而且累積年限對枯落物儲量的影響在不同林齡油松林中表現(xiàn)的比較明顯。分析不同林分枯落物的未分解層和半分解層發(fā)現(xiàn)，盡管不同層次所占比例不同，但由于半分解層是枯落物常年分解累積形成的，所以均表現(xiàn)出半分解層儲量大于未分解層的現(xiàn)象，其中楊樺混交林林下枯落物半分解層儲量占總儲量比例最大，為71.46%，其次為60a油松純林，為59.05%，其它林分半分解層儲量所占比例相差不大，40a油松純林半分解層儲量所占比例最小，為50.57%；未分解層則是40a油松純林占比例最大，為49.43%，其次為50a油松純林，為47.41%，楊樺混交林未分解層占比例最小，為28.54%。這是由于針闊葉樹種枯落物分解能力不同所致，闊葉樹種枯落物分解能力強(qiáng)，針葉樹種枯落物分解能力弱，使得楊樺混交林林下枯落物大部分處于半分解狀態(tài)。又由于油松針葉含油脂，不易分解，使得華北落葉松林下枯落物半分解層比例略高于油松純林。

表2 研究區(qū)不同森林類型枯落物厚度和儲量

3.2 不同森林類型枯落物的水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物不同分解層次的最大持水能力 通常用枯落物最大持水量來表征枯落物實際最大可吸持水分的多少。從表3可以看出，浸泡24h以后，不同森林類型以楊樺混交林的最大持水量最大，為38.13 t／hm2，其次為60a油松純林（23.69t／hm2），50a油松純林 （22.95t／hm2）和 華北落 葉松純林 （22.27 t／hm2），40a油松純林枯落物最大持水量最小，為21.31t／hm2。由表3還可看出，研究區(qū)不同森林群落林下枯落物最大持水率變化范圍為164.12%～333.06%，即枯落物最大可以吸持其自身重量1.6～3.3倍的水分，其大小排序為：楊樺混交林＞華北落葉松純林＞50a油松純林＞60a油松純林＞40a油松純林。

比較枯落物不同分解層次可以發(fā)現(xiàn)，最大持水率和最大持水量變化趨勢不盡相同，如40a油松純林枯落物未分解層最大持水率為130.35%，小于華北落葉松林枯落物的未分解層（218.79%），但是其未分解層最大持水量（7.94t／hm2）卻高于華北落葉松純林枯落物未分解層最大持水量（7.70t／hm2）；半分解層枯落物最大持水率最大的是華北落葉松純林（330.97%），而最大持水量最大的是楊樺混交林的半分解層枯落物（25.53t／hm2）。這是因為枯落物最大持水量不僅受枯落物自然狀態(tài)影響，還與枯落物儲量和累積年限等因素有關(guān)。

3.2.2 枯落物不同分解層次的有效攔蓄量 枯落物最大持水率和最大持水量反映的是枯落物吸持水分能力的大小，卻不能準(zhǔn)確反映枯落物對次降水的攔蓄能力，而有效攔蓄量是反映枯落物對次降水?dāng)r蓄能力的有效指標(biāo)。從表3可以看出，不同森林類型枯落物有效攔蓄量變化范圍為16.99～28.77t／hm2，且與最大持水量表現(xiàn)出相同的規(guī)律，大小排序為：楊樺混交林＞60a油松純林＞50a油松純林＞40a油松純林＞華北落葉松純林，而且不同林型枯落物半分解層有效攔蓄量都大于未分解層，說明了半分解層在降雨攔蓄過程中的重要作用。

3.2.3 枯落物不同分解層的次最大持水力 枯落物持水力可以真實反映枯落物層吸持水分能力的大小，而通過枯落物最大吸濕比的大小可以衡量枯落物物吸持水分能力的強(qiáng)弱、涵養(yǎng)水源效果的顯著與否［21］。從表3可以看出，不同森林類型枯落物最大吸濕比排序為：楊樺混交林（4.33）＞華北落葉松純林（3.75）＞50a油松純林（2.90）＞60a油松純林（2.89）＞40a油松純林（2.64），說明楊樺混交林枯落物可以吸持比自身更多的水分。就不同林地枯落物未分解層而言，最大吸濕比變化范圍為2.13～4.68，大小排序為：楊樺混交林（4.68）＞華北落葉松純林（3.19）＞40a油松純林（2.30）＞60a油松純林（2.21）＞50a油松純林（2.13）。在半分解層中，華北落葉松純林枯落物吸濕比最大，為4.31，其次為楊樺混交林（3.98），50a油松純林（3.67）和60a油松純林（3.58），40a油松純林枯落物半分解層吸濕比最小，為2.98。除楊樺混交林枯落物外，其余森林類型均表現(xiàn)為半分解層最大吸濕比要大于未分解層。

表3 不同森林類型枯落物持水性能

采用SPSS分析軟件對枯落物儲量、最大持水量和最大吸濕比進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果詳見表4。由表4可知，枯落物儲量與最大持水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與其最大吸濕比呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，最大吸濕比與最大持水量呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，說明枯落物最大持水量直接受其儲量的影響。

表4 不同森林類型枯落物儲量、最大持水量和最大吸濕比的相關(guān)性分析

3.3 不同森林類型枯落物持水過程分析

3.3.1 枯落物層持水量與浸泡時間的關(guān)系 枯落物層持水量與浸泡時間和原始干燥度有關(guān)，對不同森林類型枯落物不同分解層次持水過程進(jìn)行繪圖分析如圖1—2。從圖1—2可以看出，不同森林類型枯落物未分解層、半分解層均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即在浸水開始的前0.5h內(nèi)，持水量迅速增加，枯落物在這個階段對短歷時強(qiáng)降雨的滯后徑流效果顯著，這也是枯落物調(diào)節(jié)水文、保持水土作用的功能所在［22］。之后隨著浸水時間的延長，持水量持續(xù)增加，但是增長速度逐漸放緩，未分解層浸水6～8h后持水量隨時間的變化很小，半分解層浸水10h后持水量增加趨于平緩，說明半分解層持水能力要高于未分解層，浸水24h后各層持水量可視為達(dá)到飽和。未分解層各時段持水量大小順序為：楊樺混交林＞60a油松純林＞50a油松純林＞華北落葉松純林＞40a油松純林，半分解層各時段持水量大小順序為：華北落葉松純林＞樺混交林＞50a油松純林＞60a油松純林＞40a油松純林。不同森林類型枯落物未分解層和半分解層浸水24h持水量與浸水時間的關(guān)系可用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合（R2＞0.76）。

圖1 不同森林類型枯落物未分解層持水量與時間的關(guān)系

圖2 不同森林類型枯落物半分解層持水量與時間的關(guān)系

3.3.2 枯落物層持水速率與浸泡時間的關(guān)系 在浸水過程中，不同森林類型枯落物持水速率與浸水時間表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。從圖3—4可看出，同持水量隨浸水時間的變化趨勢一致，在浸水的前0.5h內(nèi)，未分解層、半分解層持水速率增長迅速，此后持水速率逐漸減小，浸水2h后，急劇下降，6～8h后下降速度逐漸變緩，至24h持水達(dá)到飽和。這是因為剛浸水時，風(fēng)干狀態(tài)的枯落物中的枝葉表面和死細(xì)胞水勢差較大，使得持水速率較高，隨著枯落物接近其最大持水量，持水速率隨之減緩。從圖3—4中還可以看出，不同森林類型枯落物半分解層持水速率要高于未分解層，這是由于枯落物經(jīng)分解后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化，導(dǎo)致持水能力變強(qiáng)。不同森林類型枯落物未分解層和半分解層浸水24h持水速率與浸水時間的關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合（R2＞0.76）。

圖3 不同森林類型枯落物未分解層持水速率與時間的關(guān)系

圖4 不同森林類型枯落物半分解層持水速率與時間的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）遼河源自然保護(hù)區(qū)典型森林群落林下枯落物總儲量變化范圍為7.92～15.56t／hm2，大小排序依次為：60a油松純林＞50a油松純林＞40a油松純林＞楊樺混交林＞華北落葉松純林，不同森林類型均表現(xiàn)為半分解層儲量大于未分解層儲量。

（2）不同森林類型林下枯落物最大持水率變化范圍為164.12%～333.06%，大小排序為：楊樺混交林＞華北落葉松純林＞50a油松純林＞60a油松純林＞40a油松純林。最大持水量變化范圍為21.31～38.13t／hm2，由大到小依次為：楊樺混交林＞60a油松純林＞50a油松純林＞華北落葉松純林＞40a油松純林，由于儲量不同的原因，各枯落物層最大持水量與枯落物最大持水率排序不完全相同。

（3）各枯落物層有效攔蓄量變化范圍為16.99～28.77t／hm2，大小排序為：楊樺混交林＞60a油松純林＞50a油松純林＞40a油松純林＞華北落葉松純林，與最大持水量的變化規(guī)律相同，在各林分中枯落物半分解層有效攔蓄量都大于未分解層。

（4）枯落物浸水過程中，前0.5h內(nèi)枯落物持水速率最高，持水量增加迅速，隨后持水速率逐漸減小，持水量緩慢增加直至達(dá)到飽和。對枯落物持水過程進(jìn)行回歸分析，枯落物未分級層和半分解層持水量與浸水時間均符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系（R＞0.87），持水速率與浸泡時間符合冪函數(shù)關(guān)系（R＞0.87）。

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