滇中地區(qū)典型林分林地凋落物的水文功能

方斌，黃俊文，趙洋毅

(1.云南秀川環(huán)境工程技術(shù)有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650021；3.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224)

滇中地區(qū)典型林分林地凋落物的水文功能

方斌1,2，黃俊文2，趙洋毅3

(1.云南秀川環(huán)境工程技術(shù)有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650021；3.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224)

摘要通過對云南省松華壩流域典型林分林下凋落物水文功能進行的研究，結(jié)果表明：松華壩流域林地凋落物蓄積量為7.86～22.46 t.hm-2，在浸泡24 h條件下，凋落物最大持水率在123% ～149%之間，有效攔蓄量在0.9～2.1 mm之間。其中云南松+桉樹混交林在凋落物儲量、截流量、有效攔蓄量方面均大于純林，桉樹林大于云南松林；凋落物持水速率與其浸泡時間之間存在冪函數(shù)關(guān)系；凋落物層對于短歷時、大暴雨的降水產(chǎn)生的徑流、滯后徑流有顯著的影響。

關(guān)鍵詞林分；凋落物；水文功能

凋落物特指森林生態(tài)系統(tǒng)中地表未分解和處于半分解狀態(tài)的枯枝落葉、倒木、落皮、動物殘骸以及他們的異化代謝產(chǎn)物等。凋落物層處于森林植被與土壤層之間，是林地與大氣間水汽交換的重要界面，不僅影響大氣降水在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的傳輸過程，也影響到林地土壤、水熱通量狀況、養(yǎng)分元素的循環(huán)及土壤生物的類型和數(shù)量。凋落物層具有良好的透水性和持水能力，在截持降雨、攔蓄地表徑流、抑制地表蒸發(fā)、促進水分下滲等方面具有重要作用。不同森林類型凋落物層的結(jié)構(gòu)、組成、種類、數(shù)量和性質(zhì)都存在一定的差異，因而影響到林地水文功能[1]。

目前，國內(nèi)關(guān)于林地凋落物層水文功能的研究已有大量成果。程積民[2]等研究發(fā)現(xiàn)，降雨開始時，枯落物層吸水量迅速增加，當(dāng)水分到達細胞內(nèi)部，吸水量增加緩慢。當(dāng)吸水達到其截留極值點后，枯落物層完全成為一層水流通道，因此，不同學(xué)者在針對不同植被類型枯枝落葉層的水文功能進行研究時，得出了其在特定含水量條件下能夠截持降雨、阻滯徑流以及增加徑流等不同的觀點[3]。凋落物層截留水文機制受多種因素影響，小降雨條件下，隨著降雨強度和降雨歷時增加，凋落物層截持降雨能力增大，枯枝落葉層分解程度越高，持水率越大，反之，則越小[4]。除此之外，凋落物層儲量、初始水分含量和蓄水容量都與其截持降雨能力密切相關(guān)。凋落物層覆蓋在土壤表面，增加了地表粗糙度，能夠阻滯徑流[5]，在黃土高原常見坡度25 ℃條件下，有1cm厚的凋落物覆蓋，徑流速率就可降低到相當(dāng)于無覆蓋坡面的1/10～1/15，有利于降水滲入土壤[6]。

國外研究成果則表明，美國東部硬闊葉林凋落物層蓄水容量為其干質(zhì)量的137%～170%[7]，澳大利亞輻射松和硬葉桉樹林凋落物層蓄水深分別為218mm和117mm[8]，日本柳杉具有明顯的孔性結(jié)構(gòu)，截留的水分迅速垂直下滲，而麻櫟的葉片寬厚，孔性通透性差，會導(dǎo)致凋落物層中的水分分散下滲。在旱季，凋落物層的水分蒸發(fā)和根系吸水決定了其水分含量狀況，而在大多數(shù)情況下，凋落物層水分動態(tài)與穿透雨量和凋落物層的排水能力有關(guān)[9]。

因此，研究凋落物層的水文功能對了解林地水土保持和水源涵養(yǎng)功能具有重要意義。針對滇中地區(qū)松華壩流域的針闊混交林(云南松+桉樹混交林)、闊葉林(桉樹林)、針葉林(云南松林)3種典型林分的林下凋落物的水文功能進行研究，以期為區(qū)域水土保持林和水源涵養(yǎng)林營造提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省滇中地區(qū)松華壩流域，地理坐標(biāo)為102.78°—102.81°E，25.12°—25.17°N，海拔1 985～2 200m。屬于亞熱帶低緯度高原山地季風(fēng)氣候，受印度洋暖濕氣流影響，全年降水量明顯分為干濕兩季，多年平均降水量1 031mm，相對濕度74%，年均日照約2 200h，全年無霜期近年均在240d以上。年平均氣溫15 ℃。最熱月(7月)平均氣溫19 ℃，最冷月(1月)平均氣溫8 ℃，土壤以紅壤為主。

研究區(qū)典型林分類型包括3類，分別為常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林，均為人工林，林齡15年。其中，常綠闊葉林以桉樹林為主，樹種為直桿桉(Eucalyptus maideni)，喬木層單一，平均樹高20.55m，郁閉度在0.55～0.75。灌木層以小鐵子(Myrsine africana)和儀花(Lysidice rhodostegia)數(shù)量居多，高度分別為0.3～1.5m和0.4～2.7m。草本植物以紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)居多；針闊混交林主要以云南松(Pinus yunnanensis)+桉樹混交為主，平均樹高18.74m，郁閉度在0.65～0.80。灌木層以小鐵子居多，草本植物多為紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)。針葉林主要以云南松為主，平均樹高16.35m，郁閉度在0.85～0.90，灌木有小鐵子和黃刺玫(Rosa xanthina)，草本植物稀少。

表1　不同林地的樹種組成及樣地基本概況

1.2研究方法

按針闊混交林、闊葉林、針葉林分3種林分類型，各類型代表地段內(nèi)取面積為30cm×40cm的枯落物樣地8個，記錄和采集樣地內(nèi)凋落物。對樣地內(nèi)的凋落物儲量、持水量、截持降雨量進行測定，研究不同林分類型下的凋落物持水過程、攔蓄能力等水文功能。

2結(jié)果與分析

2.1林下凋落物的儲量分析

凋落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的一個重要組成部分，其水文生態(tài)功能的發(fā)揮，首先取決于它的數(shù)量和質(zhì)量。研究區(qū)針闊混交林和針葉純林長勢和林下凋落物儲量差異明顯。不同林分凋落物平均厚度依次是云南松+桉樹混交林(2.1cm)>桉樹林(1.6cm)>云南松林(1.2cm)，三種林分類型下凋落物平均儲量也有差別，針闊混交林林冠層次多，枝葉量大，凋落物儲量最大，為22.46t.hm-2；桉樹林凋落物儲量較大，為20.31t.hm-2；云南松林落葉量少，林下凋落物儲量最小，僅為7.86t.hm-2，見表2。

表2　不同林地凋落物儲量

2.2林下凋落物持水動態(tài)測定分析

2.2.1凋落物持水能力分析凋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表示，其值的大小與林分類型、林齡、凋落物組成、分解狀況、積累等有關(guān)。由表3可知，在浸泡24h條件下，所研究的3種不同林分凋落物的最大持水率范圍在123%～149%，其中以云南松林的最大，為149.12%，云南松+桉樹混交林其次，為134.07%，桉樹林的最小，為123.07%。云南松林凋落物的持水能力要高于云南松+桉樹混交林和桉樹林凋落物，分別是其1.11倍和1.21倍。各林地的最大持水率呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，這是因為最大持水率與凋落物本身的生物量和物質(zhì)組成有關(guān)，而且凋落物的分解程度也影響凋落物的持水能力。

表3　不同林地凋落物持水能力動態(tài)

2.2.2凋落物持水速率分析凋落物的持水速率與持水能力是緊密聯(lián)系的，持水速率表現(xiàn)不同時段林地凋落物吸持水分的速度。降雨過程中，凋落物能將林內(nèi)降水迅速涵蓄起來，從而減少地表徑流的發(fā)生。

表4　不同林地凋落物持水速率

不同林分凋落物的持水速率隨浸水時間呈不同變化規(guī)律。凋落物在浸水后0.5h內(nèi)的持水速率最高，主要是由于凋落物從烘干狀態(tài)浸入靜水后，枯枝落葉粗糙的表明迅速持水，加之死細胞間或者枝葉表面水勢差較大，吸水速率高。此后，枯枝落葉的細胞間連接物質(zhì)為細胞間水分存貯提供了場所，使枯枝落葉在浸入水中的初期持水量劇增。1h之后，持水速率急劇下降，4h之后明顯減緩，此后隨著浸水時間的增加，其吸水速率表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。凋落物層在遇水之初迅速吸水的特性對于短歷時、大暴雨的降水產(chǎn)生的徑流、滯后徑流有顯著的影響，這正是凋落物保持水土、涵養(yǎng)水源的主要功能所在。

對所研究的3種森林類型林下凋落物持水速率與其浸泡時間進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)凋落物持水速率與浸泡時間之間存在冪函數(shù)關(guān)系，即：S=kt-b，式中，S為吸水速率(g.kg-1.min-1)；t為浸泡時間(min)；k和b為常數(shù)。擬合的冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù)在0.87以上。

表5　林下凋落物持水速率與浸泡時間關(guān)系式

2.3不同林地凋落物對降水的攔蓄能力測定分析

凋落物層對降水的攔蓄能力，與其自然含水量、最大持水率密切相關(guān)，另外凋落物的現(xiàn)存量對攔蓄能力也起相當(dāng)大的作用。根據(jù)雷瑞德的研究[10]，當(dāng)降雨量達到20～30mm，不論哪種植被類型，實際持水率約為最大持水率的85%。因此本研究采用有效攔蓄量來表示對降雨的實際攔蓄量。

表6　不同林地凋落物有效攔蓄量

由表6可以看出：在浸泡24h條件下，不同林分凋落物有效攔蓄量大小順序為：云南松+桉樹混交林2.1mm>桉樹林1.7mm>云南松0.9mm，不同林地凋落物有效攔蓄量與凋落物現(xiàn)存量關(guān)系密切。

表7　不同林分降雨條件下(10 mm.h-1)截留情況

2.4人工模擬降雨條件下凋落物的攔蓄能力分析

為了更好地研究林地凋落物的水文功能，采用人工模擬降雨實驗方法，在模擬降雨強度為10mm.h-1的條件下對凋落物的截留量進行測定，結(jié)果見表7、表8。

在10mm.h-1降雨強度下，凋落物的截留量在實驗開始的10min內(nèi)迅速增加，以后隨著時間的延長有不斷增加的趨勢，但增加的速率放慢。因此可以認為，凋落物截留地表徑流的功能在降雨開始時較強，此后隨著凋落物濕潤程度的增加，吸持水能力降低，直至達到凋落物的最大飽和持水量。同時也表明：凋落物攔蓄地表徑流的能力與其自身的干燥程度有關(guān)。在60min內(nèi)，云南松+桉樹混交林的林下凋落物截留能力最大，為1.37mm，其次為桉樹林1.07mm，云南松林最小，為0.62mm。

表8　不同林分凋落物人工降雨與浸泡法截留情況對比分析

凋落物層的實際截留量受降雨前含水量高低、雨量大小和降雨時間長短等因素影響，因此變化較大。對比人工降雨條件和浸泡法測定的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)混交林和闊葉林基于浸泡法計算的最大截留量與實際截留量誤差較小，而針葉林誤差較大，這仍需在更多降雨和浸泡條件下進一步分析研究。

3小結(jié)與討論

本研究以滇中地區(qū)松華壩流域3種典型林分林下凋落物為研究對象，以凋落物儲量、持水速率、攔蓄能力等各項指標(biāo)來分析該地區(qū)3種不同林分林下凋落物水文功能。小結(jié)如下：

3.13類林地凋落物儲量有明顯差異，云南松+桉樹混交林儲量最大為22.46t.hm-2，其次是桉樹林20.31t.hm-2，云南松林凋落物儲量最小，僅為7.86t.hm-2。

3.2在浸泡24h條件下，3種不同林分凋落物的最大持水率范圍在123%～149%之間，各林地最大持水率與凋落物組成和儲量密切相關(guān)。

3.3不同林分凋落物在浸水后0.5h內(nèi)的持水速率最高，1h之后，持水速率急劇下降，4h之后明顯減緩，此后隨著浸水時間的增加，其吸水速率表現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。持水速率與其浸泡時間之間存在冪函數(shù)關(guān)系。

3.4不同林分凋落物有效攔蓄量大小順序為：云南松+桉樹混交林2.1mm>桉樹林1.7mm>云南松0.9mm。

3.5在60min內(nèi)10mm.h-1降雨強度下，云南松+桉樹混交林的林下凋落物截留能力最大，為1.37mm，其次為桉樹林1.07mm，云南松林最小，為0.62mm。凋落物層對于短歷時、大暴雨的降水產(chǎn)生的徑流、滯后徑流有顯著的影響。

3.6從凋落物截留降雨和攔蓄地表徑流方面看，研究區(qū)范圍內(nèi)混交林更適合作為水土保持林和水源涵養(yǎng)林。

參考文獻：

[1] 程金花,張洪江,史玉虎,等. 三峽庫區(qū)三種林下地被物儲水特性[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(11):1825-1828

[2] 程積民,李香蘭. 子午嶺植被類型特征與枯枝落葉層保水作用的研究[J]. 武漢植物研究,1997,10(1): 55-64

[3] 劉世榮,孫鵬森,王金錫,等.長江上游森林植被水文功能研究[J]. 自然資源學(xué)報,2001,16(5):451-456

[4] 劉春江,楊玉盛,馬祥慶. 歐亞大陸地上森林凋落物的研究[J]. 林業(yè)研究,2003,14(1):27-34

[5] 薛立,何躍君,屈明,等. 華南典型人工林凋落物的持水特性[J]. 植物生態(tài)學(xué)報,2005,29(3): 415-421

[6] 葉吉,郝占慶,姜萍. 長白山暗針葉林苔蘚枯落物層的降雨截留過程[J]. 生態(tài)學(xué)報,2004,24(12):2859-2862

[7]OndaY,YukawaN.Theinfluenceofunderstoriesandlitterlayerontheinfiltrationofforesthillslopes.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonForestHydrology:Tokyo,Japan,1994: 107-114

[8]YoshinobuS,Tomo’omiK,AtsushiK,etal.Experimentalanalysisofmoisturedynamicsoflitterlayerstheeffectsofrainfallconditionsandleafshapes[J].HydrologicalProcesses,2004,18: 307-318

[9]KelliherFM,LloydJ,ArnethA,etal.EvaporationfromacentralSiberianpineforest[J].JournalofHydrology,1998,205: 279-296

[10] 雷瑞德.秦嶺火地塘林區(qū)華山松林水源涵養(yǎng)功能的研究[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報,1984,1 (1):19-33

HydrologicalFunctionsofForestLittersfor
TypicalstandintheCentralAreaofYunnanProvince

FangBin1,2,HuangJunwen2,ZhaoYangyi3

(1.YunnanXiuchuanEnvironmentalEngineeringTechniqueCo.,Ltd,Kunming650021,China;

2.YunnanInstituteofWater&HydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650021.China;

3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

AbstractThe hydrological function of forest litters for typical stand in Songhua Dam watershed was studied. Result shows that the accumulation of different forest litter is about 7.86-22.46 t.hm-2,and the maximum water-holding capacity ranges from 123% to 149%,and the modified interception amount is about 0.9-2.1 mm under the condition of 24 h. The litter amount,reducing runoff & interception yield of mixed forest of Pinus yunnanensis+Eucalyptus maideni are more greater than that of pure forest;the upper indices of Eucalyptus forest are more than that of Pinus yunnanensis forest. Power function relationship is existed between the forest water-holding rate & soaking time;litter layer have significant effects on runoff and retardation short duration,rainfall runoff generated by rainstorm,runoff runoff produced by precipitation with the characteristics of short duration and rainstorm.

Key wordsstand;forest litters;hydrological function

文章編號：1005-5215(2016)06-0012-04

收稿日期：2016-04-12

作者簡介：方斌(1983-)，男(黎族)，貴州興仁人，碩士，工程師,從事水土保持研究.

中圖分類號：S718.52

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.06.004