保山北廟水庫集水區(qū)5種森林類型枯落物持水特性研究

沈盈佳，曾建軍

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500)

1 研究背景

森林枯落物是森林與土壤的重要介質(zhì)層，是森林保持水土、涵養(yǎng)水源的主要功能層。早在19世紀(jì)國外就開展了枯落物涵養(yǎng)水源作用研究［1，2］。目前，主要集中于枯落物營養(yǎng)元素的釋放及對土壤微生物種類和數(shù)量的影響研究［3－5］。國內(nèi)從20世紀(jì)60年代開始森林枯落物的研究，主要研究工作集中在枯落物凋落量［6］、分解速率［7］及水文效應(yīng)［8－10］等方面。

云南是一個以高原、山地為主的省份，城市多分布于地形相對封閉的山間盆地，很少有大江大河流經(jīng)，因此水庫水源地是云南高原盆地城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和飲用水安全的保障。北廟水庫是保山市的最重要飲用水源地，也是省內(nèi)具有代表性的城市水源地。近年來，隨著流域內(nèi)桉樹林的栽種，以云南松和華山松為主要植被類型的格局被打破，植被類型出現(xiàn)明顯的多樣化。桉樹作為一種外來的速生樹種，其吸收的水分和養(yǎng)分比其他樹種較多，因此在城市水源區(qū)種植桉樹對流域生態(tài)系統(tǒng)及水源涵養(yǎng)功能等的作用是一個需要認(rèn)真研究的重要科學(xué)問題。本文通過對保山市北廟水庫集水區(qū)森林枯落物持水性能分析，查明不同植被類型枯落物持水特性的異同，為水源區(qū)植被恢復(fù)、選擇最佳樹種、合理配植、森林涵養(yǎng)水源提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

保山市是滇西北最主要城市，擁有人口246.8萬。北廟水庫位于云南省保山市保山壩北廟村附近(99°11'58″～99°13'56″E，25°14'49″～ 25°17'47″N)，建于1958年，距保山城區(qū)20 km，是保山市區(qū)及水源區(qū)周邊居民最主要飲用水源地之一。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫15.7℃，多年平均降水量1 067 mm，屬低緯山地亞熱帶季風(fēng)氣候;流域內(nèi)植被以云南松(Pinus yunnanensis)、華山松(Pinus armandii)、青岡櫟(Cyclobalanopsis glauca)和人工桉樹(Eucalyptus)為主，云南松遍布于整個水源區(qū)，華山松主要分布于海拔1 850 m以上，人工桉樹林主要分布于退耕還林地，少有杉木(Cunninghamia lanceolata)及其它樹種且零散分布于整個水源區(qū)。森林覆蓋率為66.28%。土壤主要有紅壤、棕壤和黃棕壤，紅壤分布于海拔1 750～1 850 m范圍內(nèi)，海拔1 850 m以上為棕壤和黃棕壤。

3 研究方法

3.1 枯落物采集及蓄積量測定

根據(jù)水源區(qū)植被特征，選擇純云南松、純?nèi)斯よ駱淞?、混交林?云南松和桉樹混交林)、混交林Ⅱ(云南松、華山松、杉木、青岡櫟混交林)和純?nèi)A山松5種森林類型為研究對象，在每種森林類型樣地100 m2范圍內(nèi)隨機(jī)選取3個0.5 m×0.5 m的樣方，記錄樣地位置(海拔、經(jīng)緯度)、樣地概況(坡度、坡向)、樹種基本情況(樹高、樹齡、郁閉度)及枯落物未分解層和半分解層厚度，見表1。再將樣方內(nèi)枯落物分層采集，裝入封口塑料袋，貼上標(biāo)簽，稱其鮮重。在采樣過程中盡量不破壞枯落物的原形，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，用電熱鼓風(fēng)干燥箱(在65℃條件下)烘干再稱其干重，最后以枯落物干重量推算不同森林類型枯落物的單位面積蓄積量［11］。

表1 林地基本信息Table 1 Basic information of forest land

枯落物分解強(qiáng)度是決定其蓄積量和水文特性的重要因素之一，一般分為絕對分解強(qiáng)度和相對分解強(qiáng)度，分別用A和A'表征，2種分解強(qiáng)度具有一致性，并且其值越大，分解強(qiáng)度也越大，其計(jì)算公式如下［12］:

式中A1，A2分別代表枯落物未分解層和半分解層的蓄積量。

3.2 枯落物持水量和吸水率的測定

用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水量和吸水速率。將烘干的枯落物稱120 g裝入75 cm×48 cm的尼龍網(wǎng)袋，再將其放入裝有自來水的塑料桶里，保證水面完全覆蓋枯落物，分別在 0.5，1，2，4，8，12，24 h 取出，掛在室內(nèi)風(fēng)干至無水滴落時(shí)，用電子秤稱其重量，并記錄每個時(shí)段的重量，以此來測定其不同時(shí)間的持水量和最大持水量(24 h時(shí)的持水量)以及吸水速率(每個時(shí)段枯落物的濕重與其干重之差與浸水時(shí)間的比值)。

3.3 枯落物持水能力的測定和計(jì)算

枯落物自然含水量、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量等指標(biāo)反映了枯落物的持水性能。一般認(rèn)為枯落物浸泡24 h后的持水量和持水率為枯落物最大持水量和最大持水率，而枯落物對雨水的實(shí)際攔蓄量常用有效攔蓄量來估算，其計(jì)算公式為［13］

式中:Gsv為枯落物有效攔蓄量;G'o為枯落物自然含水率;G'hmax為枯落物最大持水率;Gd為枯落物烘干狀態(tài)下的單位面積儲量，0.85為枯落物的有效攔水系數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同森林類型枯落物蓄積量分析

從表2中可以看到，5種森林類型中人工桉樹林枯落物的總蓄積量最大，為7.27 t/hm2，混交林Ⅰ(云南松和人工桉樹混交林)的總蓄積量最小，為4.51 t/hm2，其他森林枯落物總蓄積量分別是純云南松為5.37 t/hm2，混交林Ⅱ(云南松、華山松、杉木、岡櫟林混交林)為6.37 t/hm2，純?nèi)A山松為5.81 t/hm2。5種森林枯落物未分解層蓄積量大到小依次為人工桉樹林(4.21 t/hm2)＞純云南松(3.81 t/hm2)＞混交林Ⅰ(3.10 t/hm2))＞純?nèi)A山松(2.25 t/hm2)＞混交林Ⅱ(1.82 t/hm2)。半分解層蓄積量大到小依次為混交林Ⅱ(4.55 t/hm2)＞純?nèi)A山松(3.56 t/hm2)＞人工桉樹林(3.06 t/hm2)＞純云南松(1.56t/hm2)＞混交林Ⅰ(1.41 t/hm2)。與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果相比，北廟水源區(qū)森林枯落物蓄積量總體上較小。從表2中還可以看到，5種森林類型枯落物的絕對和相對分解強(qiáng)度變化規(guī)律是一致的，均為混交林Ⅱ(2.50，0.71)＞純?nèi)A山松(1.58，0.61)＞人工桉樹林(0.73，0.42)＞混交林Ⅰ(0.46，0.31)＞ 純云南松(0.41，0.29)。以上各森林枯落物蓄積量總體上較小，是由于北廟水庫水源地樹種年齡較小，最大20 a，最小9 a，而樹齡直接影響到枯落物累積時(shí)間，樹齡小其累積年限就短，累積的枯枝落葉層就薄。

表2 不同森林類型枯落物蓄積量及分解強(qiáng)度Table 2 Volume and decomposition intensity of different forest litters

4.2 枯落物持水量及吸水率與浸泡時(shí)間

4.2.1 持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系分析

從表3中可以看到5種森林枯落物未分解層和半分解層飽和持水量相差較小。其中未分解層飽和持水量大到小依次為純?nèi)A山松(6.18 t/hm2)＞混交林Ⅱ(5.80 t/hm2)＞人工桉樹林(5.53 t/hm2)＞純云南松(5.51 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.42 t/hm2);半分解層飽和持水量大到小依次為純?nèi)A山松(6.72 t/hm2)＞混交林Ⅱ(6.59 t/hm2)＞純云南松(6.12 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.96 t/hm2)＞人工桉樹林(5.91 t/hm2)。5種森林枯落物未分解層與半分解層相比，均是半分解層＞未分解層。從圖1(a)、圖1(b)可以明顯看到5種森林枯落物未分解層和半分解層在 8 h時(shí)平均持水量分別為 5.22，5.83 t/hm2，24 h 時(shí)分別為 5.69，6.26 t/hm2，表現(xiàn)出8 h前持水量迅速增加，8 h后趨于平緩的趨勢。這與周祥［11］、李良［14］等的研究結(jié)果是一致的。

經(jīng)過對5種森林枯落物持水量與浸泡時(shí)間進(jìn)行回歸分析，得出各森林枯落物層與浸水時(shí)間之間關(guān)系為

Y=b0+b1Int 。

式中:Y為枯落物持水量;t為浸泡時(shí)間;b0為方程常數(shù)項(xiàng);b1為方程系數(shù)。通過對各森林枯落物未分解層和半分解層進(jìn)行擬合，各森林枯落物持水量擬合的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，擬合效果較好，這表明5種森林枯落物持水量與時(shí)間呈較顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，此方程與鄭金萍［15］、張振明［16］等的研究結(jié)果是一致的。

圖1 各森林枯落物未分解層和半分解層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系Fig.1 Relationship between water holding capacity and soaking time of undecomposed layer and half-decomposed layer of different forest litters

4.2.2 枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系

從表4、圖2(a)、圖2(b)可以看到，5種森林枯落物平均吸水速率在8 h 時(shí)分別為0.65，0.73 mm/h，到24 h 時(shí)分別為0.24，0.26 mm/h，8 h 后的吸水速率比8 h 前的明顯減小。這與周祥［11］、王棟［17］等的研究結(jié)論是一致的。這是由于隨著時(shí)間的增加，枯落物的持水量基本達(dá)到飽和的緣故。

經(jīng)過對5種森林枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行回歸分析，得出各森林枯落物與浸水時(shí)間之間的關(guān)系為

式中:V為枯落物吸水速率;C1為指數(shù)。通過對各森林枯落物未分解層和半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，各森林枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間擬合的相關(guān)系數(shù)R2均為1.000，擬合效果很好，說明5種森林枯落物各層與浸水時(shí)間之間存在著顯著的冪函數(shù)關(guān)系，得出的方程與汪永英［18］、王士永［19］等的研究結(jié)果一致。

表3 各種森林類型枯落物持水量Table 3 Water holding capacity of different forest litters

表4 各森林枯落物吸水速率Table 4 Water absorption rate of different forest litters

圖2 各森林枯落物未分解層和半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between the water absorption rate of undecomposed layer and half-decomposed layer and the soaking time of different forest litters

4.3 不同森林類型枯落物持水能力

從表5可以看出，5種森林枯落物自然含水量大到小依次為純?nèi)A山松(1.68 t/hm2)＞混交林Ⅱ(1.01 t/hm2)＞混交林Ⅰ(0.68 t/hm2)＞純云南松(0.66 t/hm2)＞ 人工桉樹林(0.64 t/hm2)。據(jù)張峰［12］研究表明北京造林油松自然含水量最大可達(dá)6.61 t/hm2，側(cè)柏最小為 0.60 t/hm2。總體上，北廟水源區(qū)5種森林枯落物自然含水量都較小，這與區(qū)域降雨情況和樹種特性密切相關(guān)。由于云南歷經(jīng)連續(xù)4 a的干旱事件，造成森林枯落物水分蒸發(fā)量大于其吸收量，并隨著干旱事件的持續(xù)，森林枯落物貯水量減少。

5種森林枯落物最大持水量大到小依次為混交林Ⅱ(13.80 t/hm2)＞純?nèi)A山松(13.44 t/hm2)＞人工桉樹林(11.21 t/hm2)＞純云南松(8.30 t/hm2)＞混交林Ⅰ(6.61 t/hm2)，此結(jié)果與周祥［11］的研究結(jié)果比較接近。5種森林枯落物最大攔蓄量大到小依次為混交林Ⅱ(12.81 t/hm2)＞純?nèi)A山松(11.75 t/hm2)＞人工桉樹林(10.56 t/hm2)＞純云南松(7.63 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.88 t/hm2)，此結(jié)果與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果比較接近。張衛(wèi)強(qiáng)［13］對東江上游森林枯落物持水特性研究表明森林枯落物最大攔蓄量介于3.34 t/hm2～14.39 t/hm2。枯落物最大攔蓄量是根據(jù)其最大持水率、自然含水率和單位面積蓄積量計(jì)算出來的，所以不同林分類型枯落物最大持水率、蓄積量、自然含水率等特性影響著其攔蓄功能。

從表5可以看出，5種森林枯落物有效攔蓄量大到小依次是混交林Ⅱ(10.73 t/hm2)＞純?nèi)A山松(9.73 t/hm2)＞人工桉樹林(8.88 t/hm2)＞純云南松(6.38 t/hm2)＞混交林Ⅰ(4.88 t/hm2)。此結(jié)果與周祥［11］等學(xué)者研究結(jié)果存在一定的差距。這主要是因?yàn)樯挚萋湮镉行r蓄量與枯落物蓄積量、最大持水率、自然含水率密切相關(guān)，而這些指標(biāo)又與樹種、樹齡、區(qū)域自然環(huán)境、立地條件密切相關(guān)。綜合以上各指標(biāo)分析，北廟水庫集水區(qū)5種森林枯落物持水能力大到小依次為混交林Ⅱ＞純?nèi)A山松林＞人工桉樹林＞純云南松林＞混交林Ⅰ。

表5 各種森林類型枯落物持水能力指標(biāo)Table 5 Indexes of water holding capacity of different forest litters

5 結(jié)論

(1)北廟水庫集水區(qū)5種森林枯落物持水能力為混交林Ⅱ＞純?nèi)A山松林＞人工桉樹林＞純云南松＞混交林Ⅰ，與蓄積量表現(xiàn)出相近的規(guī)律，蓄積量為人工桉樹林＞混交林Ⅱ＞純?nèi)A山松林＞純云南松林＞混交林Ⅰ。從比較中可以看到，人工桉樹林枯落物蓄積量雖然最大，但其持水能力卻不是最強(qiáng)。

(2)5種森林枯落物未分解層和半分解層持水量隨著浸泡時(shí)間增加而增加，在8 h時(shí)平均持水量分別為 5.22，5.83 t/hm2，24 h 時(shí)分別為 5.69，6.26 t/hm2;5種森林枯落物持水量與浸泡時(shí)間進(jìn)行回歸分析，得出各森林枯落物與浸水時(shí)間之間存在較顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系;吸水速率隨著浸泡時(shí)間增加而減少，在8 h時(shí)平均吸水速率分別為0.65，0.73 mm/h，到24 h 時(shí)分別為 0.24，0.26 mm/h，且均是半分解層＞未分解層。吸水速率與浸水時(shí)間之間存在著顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

(3)云南松和桉樹混交林持水性能比純云南松和純桉樹林差。從結(jié)果分析來看，純云南松和人工桉樹林單種林枯落物的最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量和吸濕比均優(yōu)于二者混交林，主要是因?yàn)槎叩幕旖涣謽潺g與純種林相比太小，影響了枯落物分解程度和生物量(蓄積量)，進(jìn)而影響枯落物的持水性能?？萋湮锓纸鈱?半分解層+完全分解層)的持水性能大于未分解層，枯落物分解需要一定的時(shí)間，所以樹齡小的枯落物分解時(shí)間短，其分解程度低，吸水性能就差。同時(shí)枯落物蓄積量也直接影響到枯落物持水能力，北廟水庫集水區(qū)人工桉樹林蓄積量為 7.27 t/hm2，純云南松為 5.37 t/hm2，混交林Ⅰ為4.51 t/hm2，與其持水能力表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

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