黃土丘陵區(qū)不同植被類型枯落物持水效能研究

張 祎,李 鵬,劉曉君,任宗萍,馬田田,趙賓華,徐國策

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,西安 710048; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

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黃土丘陵區(qū)不同植被類型枯落物持水效能研究

張 祎1,李 鵬1,劉曉君2,任宗萍1,馬田田1,趙賓華1,徐國策1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,西安 710048; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

選擇陜北綏德縣王茂溝流域5種不同退耕還林植物枯落物進行浸水試驗，對其枯落物蓄積量、持水量與吸水速率進行了分析。結(jié)果表明:(1)5種植被類型枯落物貯量大小排序為蘋果林>油松林>白羊草草地>杏樹林>榆樹林；枯落物層厚度與枯落物貯量存在對數(shù)關(guān)系:y=4.55ln(x)-8.74(R2=0.8)；枯落物層貯量與枯落物水儲量存在指數(shù)關(guān)系y=0.69e0.22x(R2=0.7)；(2)枯落物層的最大持水量變化范圍為1.57～5.79 mm，有效攔蓄量變化范圍為0.89～3.02 mm，枯落物有效攔量表現(xiàn)為蘋果林>油松林>白羊草草地>榆樹林>杏樹林；(3)不同植被枯落物吸水速率隨時間的變化過程較為相似，在2 h內(nèi)吸水速率呈直線下降，24 h各植被枯落物吸水速率基本為0，達(dá)到最大持水量。對不同植被類型枯落物持水效能的研究，可以為解決黃土高原生態(tài)水資源短缺及水土流失治理提供理論基礎(chǔ)及科技支撐。

黃土丘陵區(qū); 枯落物蓄積量; 持水量; 吸水速率

地上枯落物是植物地上部分產(chǎn)生并歸還到地表的所有有機物質(zhì)的總稱[1]?？萋湮锟捎行p少地表徑流和減緩?fù)寥狼治g，防止土壤濺蝕、攔蓄滲透降水、補充土壤水分等[2]。在疏松的枯落物層，水分可以充滿孔隙并依靠其表面張力儲存在枯落物層中，從而使枯落物保持良好的持水能力，而枯落物持水能力是反映枯落物的一個重要水文指標(biāo)[3]。以水為介質(zhì)，枯落物能夠?qū)B(yǎng)分歸還至土壤及生態(tài)系統(tǒng)，從而傳遞營養(yǎng)和能量，改善土壤理化性質(zhì)、維持土壤養(yǎng)分循環(huán)等，這一過程在整個土壤—植被—大氣連續(xù)體中起著重要作用[4]。已有很多學(xué)者對黃土丘陵區(qū)枯枝落葉的持水能力做了大量的研究[5-6]，吳欽孝等[7]研究發(fā)現(xiàn)枯落物可以吸持自身干重2～4倍的水量；王云琦等[8]認(rèn)為枯落物的持水能力主要表現(xiàn)在降雨前2 h內(nèi)；韓路等[9]研究得出枯落物吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)的關(guān)系，但對不同植被類型枯落物吸水能力的比較研究較少。

黃土丘陵區(qū)地貌破碎、土壤侵蝕嚴(yán)重、地表植被和生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，降水不穩(wěn)定，水分稀缺，研究不同植被類型枯枝落葉層在水土保持中發(fā)揮的作用就愈發(fā)重要。實施水土保持各項工程措施以來，黃土高原的植被得到了較好的恢復(fù)。本文通過對典型流域不同植被類型的枯落物進行分層，并對植被枯落物的貯量、水儲蓄量、最大持水量、有效攔蓄量以及吸水速率的研究，可以揭示不同植被類型枯落物的持水性能，對于科學(xué)認(rèn)識植被的水土保持作用，推動植物格局的優(yōu)化配置起到引導(dǎo)作用。

1　研究區(qū)概況

1.1概 況

王茂溝流域是陜西省綏德縣韭園溝的一條支溝，是黃河水利委員會綏德水土保持科學(xué)試驗站的試驗性治理小流域之一，也是我國最早的治理試驗小流域之一[10-11]，流域面積5.74 km2，主溝長3.75 km，溝道平均比降為2.7%，溝谷地面積2.97 km2，溝壑密度4.3 km/km2。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較單純，表層多被質(zhì)地勻細(xì)、組織疏松的黃綿土覆蓋，厚度20～30 m。地貌復(fù)雜，以梁、峁為主，溝壑縱橫，坡陡溝深，屬典型的黃土丘陵溝壑地貌流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫10.2℃，多年平均降水量513 mm，降雨量的年際變率大，年最大降雨量是年最小降水量的3.5倍，汛期降水量占年降水量的73.1%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，造成嚴(yán)重的水土流失，泥沙量的95%集中在汛期，以水力侵蝕為主。流域土地利用類型以草地、坡耕地、梯田以及林地為主。主要植被類型為種植于梯田的蘋果果園、坡面白羊草草地以及坡面杏樹、油松以及榆樹林地(表1)。

表1　王茂溝流域概況

1.2研究方法

在研究區(qū)內(nèi)，按照主要植被類型，分別選取了梯田(蘋果樹，Maluspumila Mill)、退耕還林(油松，Pinustabulaeformis Carr)、經(jīng)濟林(杏樹，Bothriochloaischaemumis)、退耕還草(白羊草，Armeniaca vulgaris Lam.)以及自然林地(榆樹，Ulmuspumila L.)5種不同植被類型作為研究對象，概況如表2所示。

表2　樣地基本情況

1.2.1枯落物的采集和測定對林分環(huán)境因子進行實地調(diào)查，在樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m樣方，選 取坡上、坡中、坡下，設(shè)置0.5 m×0.5 m樣地進行凋落物厚度測定和采集，并設(shè)置3個重復(fù)。用鋼尺測量枯落物的總厚度，并對枯落物進行分層，按照其分解狀態(tài)分為3層，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：基本分解，已不能辨別出原有形態(tài)為已分解層；已開始分解，外形破碎，但仍然能辨別出原有形態(tài)為半分解層；由新鮮凋落物組成，原有顏色不變，保持原有形態(tài)為未分解層[12-13]。測量枯落物各層厚度后，現(xiàn)場測量其鮮重。將枯落物樣品裝入自封袋中帶回實驗室自然風(fēng)干后，測量其風(fēng)干后重量。計算枯落物的自然含水率和單位面積枯落物貯量，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：S為自然含水率(%)；w1為枯落物自然狀態(tài)下濕重(g)；w2為枯落物干重(g)；M為枯落物貯量(t/hm2)；p為取樣面積(cm2)；G為枯落物水儲量(t/hm2)。

1.2.2枯落物持水動態(tài)測定采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物的持水量和吸水速率。對風(fēng)干后的枯落物進行浸水試驗，浸泡時間分別為5 min，15 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，12 h，24 h，將枯落物取出控干直至不再滴水為止，稱其濕重[14]，并以此計算出不同浸水時間的持水量和吸水速度。以枯落物的24 h吸水量作為最大持水量[15]，并以此為基礎(chǔ)計算即有效攔蓄量[16]，公式如下：

Z=(0.85Rm-S)·M

(4)

Zmin=(Rm-S)·M

(5)

(6)

式中：Z為有效攔蓄量(t/hm2)；Zmin為最大攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；S為自然含水率(%)；M為枯落物的貯量(t/hm2)；w3為浸泡24 h枯落物重(g)；w2為枯落物干重(g)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理采用Excel對數(shù)據(jù)進行公式計算及分析處理，Origin 8.0進行圖表繪制，SPSS 17.0軟件進行差異顯著性檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1不同植被類型枯落物貯量

表3為根據(jù)實測枯落物各層重量計算不同植被類型枯落物厚度及貯量。由表3可知，5種不同植被類型按枯落物貯量大小排序為蘋果林(9.3 mm)>油松林(9.0 mm)>白羊草(3.6 mm)>杏樹林(2.9 mm)>榆樹林(1.4 mm)，其中蘋果林、油松林各層的貯量都顯著高于杏樹林、白羊草、榆樹林(p<0.05)。枯落物層厚度大小排序為油松林(62 mm)>蘋果林(37 mm)>白羊草(13 mm)=榆樹林(13 mm)>杏樹林(12 mm)，油松枯落物層的厚度與杏樹林、白羊草、榆樹林存在極顯著性差異(p<0.01)，蘋果林與其他四種植被枯落物層厚度存在顯著性差異(p<0.05)。對枯落物層的厚度與貯量進行擬合方程得到對數(shù)方程：y =4.55ln(x)-8.74(R2=0.8)。

2.2不同植被類型枯落物水儲量

由表4可知不同植被類型枯枝落葉水儲蓄量順序表現(xiàn)為蘋果林(11.3 mm)>油松林(2.6 mm)>杏樹林(1.8 mm)>白羊草(1.5 mm)>榆樹林(0.8 mm)，蘋果林枯落物水儲蓄量顯著高于其他枯落物的水儲存量(p<0.01)。枯落物水儲存量與枯落物貯量排序較為一致。對枯落物層厚度和水儲量進行擬合得到多項式方程：y=-0.0152x2+1.1574x-10.837(R2=0.9)。對枯落物層貯量以及枯落物層水儲量進行擬合得到指數(shù)方程：y =0.69e0.22x(R2=0.7)。

表3　不同植被類型枯落物厚度及貯量　mm

表4　不同植被類型枯落物水儲蓄量　mm

2.3枯落物持水特征

2.3.1枯落物持水量枯落物的持水性能具體指標(biāo)有最大持水量、最大攔蓄量以及有效攔蓄量。由表5可以看出，蘋果林和油松林各指標(biāo)均明顯高于其他植被類型(p<0.05)，5種植被類型最大持水量的范圍為1.57～5.79 mm。對不同層次枯落物進行分析可知，蘋果林已分解層中最大持水量最高，油松林次之，榆樹林最小，而相對于半分解層和未分解層，除蘋果林外，其他幾種植被類型持水量基本相似。

植被的有效攔蓄量由大到小依次為蘋果林(3.02 mm)>油松林(2.48 mm)>榆樹林(0.38 mm)>白羊草(1.15 mm)>杏樹林(0.89 mm)。其中，蘋果林最大持水量層為已分解層(p<0.05)，而最大攔蓄量、有效攔蓄量卻出現(xiàn)在其未分解層。杏樹林、油松林的最大持水量、最大攔蓄量及有效攔蓄量均出現(xiàn)在未分解層，榆樹林的最大持水量、最大攔蓄量及有效攔蓄量均出現(xiàn)在已分解層。因此，在三個枯落物分解層中，蘋果林均保持相對較高的持水性能。

2.3.2枯落物的吸水量以及吸水速率枯落物層的吸水速度不僅受枯落物的性質(zhì)和分解程度影響，還與枯落物的水分含量有關(guān)，不同植被類型枯落物的種類、厚度、貯量及分解程度不同，其吸水過程和持水量變化也不同(表6)。

表5　不同植被類型枯落物最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量　mm

表6　不同植被類型各層次枯落物持水量　g/kg

圖1顯示枯落物已分解層持水量隨時間推移呈冪函數(shù)曲線增長(未分解層和半分解層不再做圖示，下同)。各類型植被在0～2 h內(nèi)都存在一個急速上升的過程，其中持水量在5～15 min上升最明顯，2 h以后隨著浸水時間增大，持水量緩慢趨于最大持水量。這一現(xiàn)象表明在降雨量足以浸濕地表枯落物層的情況下，各植被類型枯落物層在前2 h對降雨的吸持作用最強，2 h以后各植被類型未分解層的吸水量增長速度減緩，24 h后吸水量趨于穩(wěn)定或達(dá)到飽和狀態(tài)。

吸水速率即單位時間的持水量。隨時間的推移，枯落物層吸水速率變化均呈冪函數(shù)曲線。由圖2可以看出，各植被類型枯落物已分解層吸水速率均在浸水前期迅速降低，浸水2 h后下降速率明顯變緩，浸水8 h之后，吸水速率接近于穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，最終趨于0。蘋果林枯落物的未分解層和已分解層中下降速率最快，且蘋果林未分解層和已分解層枯落物吸水速率顯著高于其他植被類型，在浸泡8 h之后趨于緩慢下降狀態(tài)，枯落物半分解層中，杏樹林的下降速率達(dá)到最大，變化規(guī)律與蘋果林未分解層枯落物變化規(guī)律基本一致。

圖1　不同植被類型已分解層枯落物持水量所占最大持水量百分比

圖2　不同植被類型已分解層枯落物吸水速率

3　討 論

蘋果林立地環(huán)境為梯田，地面比較平坦，因而其枯枝落葉不易被降水沖走，枯落物累積速率較快。油松林貯量僅次于梯田蘋果林，究其原因，可能是與枯落物自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，蔣積榮等[17]研究結(jié)果認(rèn)為相比其他林型，針葉林枯落物厚度及貯量較高。油松針葉林內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，空隙小，因此枯落物的貯量較大[18]。有研究表明梯田具有保水作用[19]，據(jù)已有學(xué)者實測研究[20]表明，降雨為100～200 mm時，梯田可以將其一次攔蓄而不發(fā)生地面徑流。種植于水平梯田上的蘋果林對水分需求較大，且作為闊葉林種，其林下枯落物貯量也較大。已有研究表明[21]，闊葉林生長速度較快，其枯落物貯量明顯比較高。因而相對于其他植被類型，蘋果林下枯落物水儲量最大；油松的根系比較發(fā)達(dá)，地上部分耗水量相對較小，并且屬于針葉林[22]，葉片水含量較低，但是由于退耕還林年限比較長，枯落物堆積量比較大，因而水儲蓄量相對較高。對枯落物的貯量、水儲量以及厚度進行關(guān)系擬合得知，枯落物的厚度和水儲量的關(guān)系不顯著，但枯落物的水儲量與枯落物貯量呈顯著指數(shù)關(guān)系，表明其受枯落物貯量影響較大。蘋果林位于梯田上，坡度比較小，有利于枯落物的積累，林下水熱條件比較好，有利于枯落物的分解，半分解層就比較厚[23]，故其枯落物最大持水量、有效攔蓄量及最大攔蓄量相對較高。王丹丹等[24]研究表明，坡度越大，其抗沖刷能力越弱，因而枯落物貯量較低。與蘋果林相比，其他植被類型所處位置坡度較大，枯落物不容易發(fā)生堆積，較難被微生物分解，不同植被類型的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化存在差異，故持水能力也存在差異，這可能是導(dǎo)致其枯落物持水量較低的原因。

枯落物在自然風(fēng)干后，植物的枯落物含有大量的死亡細(xì)胞，水勢較高，浸入水后存在很大的水勢差，剛?cè)胨畷r，吸水速率達(dá)到最大[25]；隨著浸水時間的延長，水勢差逐漸減小，吸水速率呈冪函數(shù)曲線減小，這與劉成功等[26]研究結(jié)果一致，到24 h時，枯落物水分達(dá)到飽和，枯落物吸水速率近似等于零。各植被類型地表枯枝落葉層持水量接近其最大持水量，逐漸趨于飽和，其吸水速率也變得緩慢。

實施水土保持工程退耕還林(草)，改坡為梯，封山育林等措施以來，農(nóng)耕地面積減小，梯田面積明顯增加[27]，梯田自身有明顯的保水作用，而作為經(jīng)濟作物，種植于梯田的蘋果林又可為研究區(qū)提供經(jīng)濟來源。結(jié)合本文研究數(shù)據(jù)，種植于梯田蘋果林枯落物的持水效能也是最高，因此推廣梯田蘋果林有利于研究區(qū)生態(tài)水文效應(yīng)的發(fā)揮及經(jīng)濟發(fā)展。研究區(qū)內(nèi)退耕還林所在的山坡坡度較大，嚴(yán)重的土壤侵蝕和頻繁的干旱同時發(fā)生，退耕植被的適應(yīng)性就顯得尤為重要。油松根系發(fā)達(dá)，對水的需求量較小，適應(yīng)環(huán)境能力較強[28]。本文通過研究發(fā)現(xiàn)，種植于坡面油松林枯落物的持水效能較高，推廣坡面退耕還林植被油松對防治研究區(qū)水土流失、提高水分涵養(yǎng)能力有較大的積極作用。

4　結(jié) 論

(1)王茂溝流域內(nèi)，5種不同植被類型按照枯落物貯量排序大小為蘋果林(9.3 mm)>油松林(9.0 mm)>白羊草(3.6 mm)>杏樹林(2.9 mm)>榆樹林(1.4 mm)?？萋湮飳雍穸扰c枯落物貯量存在對數(shù)關(guān)系：y=4.56ln(x)-8.74(R2=0.8)；枯落物層貯量與枯落物水儲量存在指數(shù)關(guān)系：y=0.69e0.22x(R2=0.7)。

(2)枯落物最大持水量大約為其自身重量的2～4倍，最大持水量變化范圍為1.57～5.79 mm，有效攔蓄量變化范圍為0.89～3.02 mm。通過浸水試驗得出的數(shù)據(jù)得知，本研究認(rèn)為枯落物層在降雨過程前期的2 h對降雨的吸持具有更重要的作用和意義。

(3)王茂溝流域內(nèi)，種植于梯田的蘋果林、退耕還林的油松林具有比較好的持水效能。

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Water Holding Capacity of Litter with Different Vegetation Types in the Loess Hilly Region

ZHANG Yi1,LI Peng1,LIU Xiaojun2,REN Zongping1,MA Tiantian1,ZHAO Binhua1,XU Guoce1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area,Xi′an University of Technology, Xi′an 710048,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling,Shaanxi 712100,China)

The amount,water holding capacity and water absorption rate of litter with 5 different types of grain to green vegetation in Wangmaogou region were analyzed in submerging test.The results showed that: (1)The order of the litter amount of the 5 vegetation types is: Malus pumila Mill.(MP)> Pinus tabulaeformis Carr.(PT)> Bothriochloa ischaemumis (BI)> Armeniaca vulgaris Lam.(AV)> Ulmus pumila L.(UP).There is a logarithmic relationship between litter layer depth and amount: y=4.55ln(x)-8.74(R2=0.8),and exponential relationship for amount and water storage of litter: y=0.69e0.22x(R2=0.7).(2)The maximum water holding capacity of litter layer ranged from 1.57 mm to 5.79 mm while the effective holding capacity ranged from 0.89 mm to 3.02 mm.The order of the effective holding capacity is: MP> PT> BI> AV> UP.(3)The change trends of water absorption rate of litter among different vegetation were similar.It plummeted down within the first 2 hours,and then reached 0 at almost 24 hours later when the maximum water holding capacity appeared.Study on water capacity of litter with different vegetation types layer could provide a theoretical basis and technological support to solve the ecological water shortage and soil erosion prevention in the Loess Plateau.

Loess Hilly Region; litter amount; water holding capacity; water absorption rate

2016-01-13

2016-02-18

國家自然科學(xué)基金重點項目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)—水文過程響應(yīng)機理研究”(41330858);國家自然科學(xué)基金“基于能量過程的坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙過程調(diào)控與模擬”(41471226);水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費“生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測與評價技術(shù)研究”(201501045)

張祎(1991—),男,山西長治人,碩士研究生,主要從事水土保持與土壤微生物方面研究。E-mail:18202915856@163.com

李鵬(1974—),男,山東煙臺人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:liepng74@163.com

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1005-3409(2016)05-0100-06