晉西黃土丘陵溝壑區(qū)主要人工林枯落物水文特性研究

張 東，邵社剛，趙 輝

(1 交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究所，北京 100088；2 公路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；3 湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

枯落物具有涵養(yǎng)水源、保持水土、改善土壤結(jié)構(gòu)的功能，是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[1]。森林植被產(chǎn)生的大量枯枝落葉，堆積在地表，經(jīng)過(guò)自然變化和微生物作用，形成一層像海綿一樣的地被物，這些地被物具有強(qiáng)大的吸水能力和透水性，能夠減少土壤的蒸發(fā)，阻延徑流形成，防止水土流失，在森林植被的水土保持功能方面有著十分重要的作用[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在枯落物特性方面開展了大量研究，Hanks[5]、Denmead[6]、Choudhury[7]、de Grandpre等[8]的研究結(jié)果表明，枯落物的蓄積量決定著枯落物對(duì)雨水的截留作用。林地枯落物的數(shù)量和堆積結(jié)構(gòu)是影響地表徑流產(chǎn)生的主導(dǎo)因子。張洪江等[9]研究表明,針闊混交林林地枯落物的持水能力大于2種林木的純林林地。隨著對(duì)林地枯落物的深入認(rèn)識(shí)，林地枯落物的功能和特性也逐漸成為研究森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的要點(diǎn)之一。

晉西黃土丘陵溝壑區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，區(qū)內(nèi)植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。多年來(lái)該地區(qū)營(yíng)造了大量的水土保持林、農(nóng)田防護(hù)林、生態(tài)公益林等多種人工林體系。研究表明，人工林在保土保墑方面發(fā)揮著重要作用[10]。但目前，關(guān)于該地區(qū)人工林枯落物水文特性的研究較少，故本研究選取生長(zhǎng)于晉西黃土丘陵溝壑區(qū)的白榆、油松和側(cè)柏3種主要人工林為研究對(duì)象，測(cè)定其相關(guān)水文特性指標(biāo)，以期為當(dāng)?shù)厮镰h(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省呂梁地區(qū)方山縣峪口鎮(zhèn)土橋溝流域，流域呈東西走向，地理坐標(biāo)為北緯37°35′～37°36′，東經(jīng)110°02′～110°04′，平均海拔1 200 m左右，最高1 446 m，最低1 170 m。流域內(nèi)地表植被稀疏，溝壑密布，山體陡峭且破碎，是典型的黃土高原丘陵溝壑侵蝕地貌。自1985年以來(lái)，該地區(qū)已成為山西省研究和推廣徑流林業(yè)的實(shí)驗(yàn)基地。

研究區(qū)屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候，冬春寒冷干燥，秋季涼爽少雨，僅夏季降雨集中，無(wú)霜期140 d左右。土壤為黃綿土，土層厚度在50～100 m，pH值為8.0～8.4。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料統(tǒng)計(jì)：研究區(qū)年平均氣溫7.3 ℃，多年平均降水量416 mm，6-9月份降水超過(guò)全年的70%；多年平均水面蒸發(fā)量高達(dá) 1 857.7 mm，最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在4-6月，表現(xiàn)出典型的北方嚴(yán)重春旱的特征。

試驗(yàn)區(qū)屬森林草原灌叢植被區(qū)，區(qū)內(nèi)喬木以人工林為主，主要有：白榆(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等樹種的純林以及混交林；林下灌木主要有：沙棘、黃刺玫、杠柳、文冠果、虎榛子和紫穗槐等；草本植物以菊科和禾本科為主。

本研究選取側(cè)柏、白榆、油松3個(gè)主要樹種的人工林作為研究對(duì)象，3種林分的營(yíng)造方式均為徑流林整地，株行距均為1.5 m×2 m，其中側(cè)柏林的整地方式為集水區(qū)拍光處理。研究區(qū)樣地基本特征如表1所示。

1.2 研究方法

在每個(gè)林分的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對(duì)角線選取3個(gè)枯落物樣方，大小規(guī)格為30 cm×30 cm，用鋼板尺現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量枯落物各分層(包括枯枝落葉層、未分解層、半分解層)的厚度，并采集樣品，用塑料袋密封帶回室內(nèi)后迅速稱質(zhì)量，然后進(jìn)行烘干并稱質(zhì)量，計(jì)算其自然含水率及蓄積量。

表1 研究區(qū)樣地的基本特征

按不同樹種采集30 cm×30 cm原狀枯落物，稱質(zhì)量后放入預(yù)先做好的細(xì)孔紗布袋內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，分別測(cè)定浸泡10，20，30，40，50 min及1，1.5，2，3，4，6，8，12，16，24 h后的質(zhì)量變化，每次浸泡后取出稱質(zhì)量，然后計(jì)算其濕質(zhì)量與干質(zhì)量的差值，該差值與浸水時(shí)間的比即為枯落物的吸水速率；將完全浸泡24 h的枯落物在60～80 ℃條件下烘干，每隔一定時(shí)間稱質(zhì)量1次，其質(zhì)量差值與烘干時(shí)間之比為失水速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分枯落物的蓄積量

枯落物是森林枯落物層持水的載體，其蓄積量的大小和性質(zhì)將直接影響枯落物層持水能力的高低，蓄積量越大、水分吸附性能越好，則持水量也會(huì)越大[11]。因此，在評(píng)價(jià)森林水文生態(tài)功能的時(shí)候，枯落物蓄積量是研究的首要因素。不同類型的林分，枯枝落葉成分、枯落物堆砌方式、林下微生物活動(dòng)的環(huán)境條件，以及水、熱等條件的不同均會(huì)造成枯落物分解速度的差異，從而導(dǎo)致枯落物在一定時(shí)間內(nèi)的蓄積量出現(xiàn)較大差別。人工林植被林下枯落物蓄積量的大小與樹種、樹木生長(zhǎng)年齡、林分營(yíng)造結(jié)構(gòu)、地被植物、氣候因子以及人類活動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān)。

根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果(表2)可知，林齡為25年的白榆林、側(cè)柏林、油松林的林下枯落物總蓄積量分別為6.82，40.44，21.33 t/hm2；3個(gè)樹種在相同的生長(zhǎng)年限和近似相同的立地條件下，總蓄積量表現(xiàn)為側(cè)柏林>油松林>白榆林。經(jīng)分析，白榆是常綠闊葉樹種，枯枝落葉易分解；而油松、側(cè)柏屬針葉樹種，枯枝落葉表面被角質(zhì)層包裹，且含有大量葉酸物質(zhì)，不易被微生物分解，大大降低了其枯枝落葉的分解速度。同時(shí)，本研究在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，白榆林郁閉度較高，林下水熱條件優(yōu)于油松、側(cè)柏林，微生物活動(dòng)頻繁，加速了白榆林下枯枝落葉的分解。這些綜合因素造成側(cè)柏林、油松林林下枯落物累積相對(duì)較多，而白榆林下枯落物累積較少的結(jié)果。

表2 不同林分枯落物的蓄積量

2.2 不同林分枯落物的吸水速率和持水量

2.2.1 吸水速率 森林枯落物在雨水降落至地表時(shí)首先將其攔截，然后通過(guò)吸附作用將雨水蓄積在枯落物層，這一攔截和蓄積雨水的特性，能夠延長(zhǎng)雨水入滲的時(shí)間，抑制土壤水分蒸發(fā)，直接提高土壤含水量[12-13]。一定量枯落物在單位時(shí)間內(nèi)吸附水分的能力被稱為枯落物的吸水速率，研究枯落物的吸水速率對(duì)評(píng)價(jià)森林對(duì)雨水的調(diào)蓄能力和持水過(guò)程具有重要意義。

本研究通過(guò)浸泡試驗(yàn)，測(cè)定了油松、側(cè)柏、白榆3個(gè)樹種林分的枯落物在不同時(shí)段的吸水速率，結(jié)果見圖1。

圖1 不同林分枯落物吸水速率與其浸水時(shí)間的關(guān)系

圖1顯示，各樹種林下枯落物吸水速率呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，都是浸水前期吸水速率迅速降低，然后降幅逐漸趨于緩慢。在浸水前期，枯落物吸水速率變化最大，尤其是在浸水0～0.5 h，枯落物吸水速率迅速降低，在浸水12 h之后，枯落物吸水速率基本趨于穩(wěn)定?？萋湮锾幱陲L(fēng)干狀態(tài)時(shí)，由于枯枝落葉內(nèi)含有大量的植物死細(xì)胞，表面與水之間的水勢(shì)差較大，此時(shí)將枯落物浸入水中，吸水速率立即處于高位水平；而且枯落物中半分解的碎屑較多，導(dǎo)致其表面積之和比未分解的要大很多，所以吸水量比較大。隨著浸水時(shí)間的延續(xù)，枯落物中吸附的水分逐漸增多，同枯落物外部水體的水勢(shì)差慢慢減小，吸水速率也逐漸降低，當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，枯落物中的水分達(dá)到飽和，吸水速率趨近于零。

3個(gè)樹種林分的枯落物吸水速率由大到小依次是：白榆林>油松林>側(cè)柏林(圖1)。說(shuō)明在相同的降雨強(qiáng)度下，白榆林林下枯落物的吸水速率強(qiáng)于油松林和側(cè)柏林。

2.2.2 持水量 森林枯落物可以增加林地土壤儲(chǔ)水，使有限的降水資源能更大程度地被林木吸收利用?？萋湮锏某炙颗c其本身的組成結(jié)構(gòu)、分解狀況等有關(guān)。林地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，最大持水率為枯落物浸水24 h后的濕質(zhì)量與其干質(zhì)量之比；林地枯落物的持水量主要與林木的林齡、覆蓋度和枯落物蓄積有關(guān)，同時(shí)還受落葉種類、堆積狀態(tài)、分解程度、干濕狀態(tài)和雨量大小、雨強(qiáng)等因素影響[14]。

由表3可以看出，試驗(yàn)地3種樹種人工林的枯落物最大持水量變動(dòng)范圍為28.83～32.24 t/hm2，其中白榆林的林地枯落物持水量最大，達(dá)到32.24 t/hm2，側(cè)柏林和油松林的林地枯落物最大持水量分別為30.72和28.83 t/hm2；林地枯落物最大持水率變化范圍為175.96%～572.94%，順序依次為白榆林>油松林>側(cè)柏林。根據(jù)以上結(jié)果，白榆林的林下枯落物最大持水量和最大持水率均高于側(cè)柏林和油松林，這是因?yàn)樽畲蟪炙逝c枯落物自身的生物量和組成結(jié)構(gòu)、以及枯落物的分解程度有關(guān)?？萋湮锏姆纸獬潭仍礁?，則半分解層枯落物量越大，枯落物層的持水能力也就越強(qiáng)。白榆林由于林分郁閉度高，林下植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導(dǎo)致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物最大持水量和最大持水率較高。而油松和側(cè)柏林的枯枝落葉由于含有大量革質(zhì)和油脂，不易被微生物分解，這可能是導(dǎo)致油松、側(cè)柏林枯落物最大持水量和最大持水率較低的原因。

表3 不同林分枯落物的最大持水量

2.3 不同林分枯落物的失水速率

為全面衡量林地枯落物儲(chǔ)存水分的能力，本研究對(duì)不同林分枯落物的失水速率進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖2。

圖2 不同林分枯落物失水速率的變化

森林枯落物的持水能力是整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要一環(huán)，是反映林地枯落物水文特性的重要指標(biāo)[15]?？萋湮镂俾屎统炙吭礁?，則能在最短時(shí)間內(nèi)有效地含蓄降水，為土壤保濕保墑提供充足的水分；但是，如果枯落物僅是快速吸水然后又快速失水，那么枯落物含蓄的水分能夠被植物有效利用的則相對(duì)減少，枯落物持水的綜合水平也大大降低。由圖2可以看出：林地枯落物失水速率在初期1～2 h迅速下降，之后隨時(shí)間延長(zhǎng)呈不斷下降的趨勢(shì)，但下降速度趨于緩慢，到24 h時(shí)趨于0。由此可認(rèn)為，降雨過(guò)程中，枯落物含蓄雨水，攔蓄降雨形成地表徑流后，隨著枯落物濕潤(rùn)程度的減小，失水能力逐漸降低，直至達(dá)到枯落物自然含水量。

由圖2還可以看出，3種林分的失水速率均呈明顯下降趨勢(shì)，其中，側(cè)柏林的枯落物失水速率下降幅度最大。表4反映了3種林分枯落物失水過(guò)程中失水速率(y)與時(shí)間(x)的線性變化特征，其中斜率絕對(duì)值最大的為側(cè)柏林，其次為油松林，最小的是白榆林，失水速率由大到小依次是：側(cè)柏林>油松林>白榆林，說(shuō)明側(cè)柏失水比油松和白榆快，這與圖2中實(shí)測(cè)的結(jié)果一致。

表4 不同林分枯落物累積失水過(guò)程的線性方程

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)地油松林、側(cè)柏林、白榆林3種人工林枯落物蓄積量在6.82～40.44 t/hm2，在近似相同的立地條件和生長(zhǎng)年限下，總蓄積量表現(xiàn)為側(cè)柏林>油松林>白榆林。

2)3個(gè)樹種林下枯落物吸水速率均呈現(xiàn)前期迅速下降，而后下降緩慢的趨勢(shì)，吸水速率由大到小依次是：白榆林>油松林>側(cè)柏林。白榆林的林地枯落物持水量最大，達(dá)32.24 t/hm2，側(cè)柏林和油松林的林地枯落物最大持水量分別為30.72和28.83 t/hm2；白榆林林下枯落物的持水能力強(qiáng)于油松林和側(cè)柏林。

3)3個(gè)樹種林下枯落物的失水速率在初期1～2 h內(nèi)迅速下降，隨后下降速度趨緩，到24 h時(shí)趨于0。失水速率由大到小依次是：側(cè)柏林>油松林>白榆林?？傮w來(lái)看，白榆林的林地枯落物在儲(chǔ)存水分、增強(qiáng)林木對(duì)水分利用等方面較油松林和側(cè)柏林具有優(yōu)勢(shì)，這對(duì)增加土壤水分、涵養(yǎng)水源、防止水土流失都有很好的生態(tài)效應(yīng)。

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