3種人工林枯落物持水性能及土壤水文效應(yīng)的研究

武鵬艷，張玉珍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

3種人工林枯落物持水性能及土壤水文效應(yīng)的研究

武鵬艷，張玉珍*

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

對甘肅省水土保持科學(xué)研究所科技示范園區(qū)內(nèi)3種人工林枯落物持水性能和土壤水文效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①枯落物蓄積量變動范圍為12.35～30.62 t/hm2，側(cè)柏純林最大；枯落物層厚度范圍為3.9～4.4cm，加拿大楊純林最大；最大持水量變動范圍為60.04 ～82.12 t/hm2，大小順序依次為加拿大楊林(82.12 t/hm2)﹥白蠟林(63.38t/hm2)﹥側(cè)柏林(60.04 t/hm2)；最大持水率的大小順序表現(xiàn)為加拿大楊林(245.60 %)﹥側(cè)柏林(238.23 %)﹥蠟林(188.35 %)；枯落物有效攔蓄量與最大攔蓄量變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為側(cè)柏純林最大(54.54 t/hm2)，加拿大楊純林最小為14.66 t/hm2。②持水量與浸泡時間呈對數(shù)關(guān)系，即W=aln(t)+b，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，模型擬合較為理想。③加拿大楊純林持水能力最強(qiáng)，對土壤的水源涵養(yǎng)作用更明顯；側(cè)柏純林土壤貯水能力強(qiáng)，更有助于截留降雨和減少雨滴擊濺侵蝕。

甘肅；枯落物；持水性能；有效攔蓄量

枯落物層是由林分落下來的莖、葉、枝條、花、果實(shí)、樹皮等的凋落物組成[1]?？萋湮飳幼鳛樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)層次，具有截持降水、防止土壤濺蝕、攔蓄地表徑流、減少林地表層土壤水分蒸發(fā)以及增強(qiáng)土壤抗蝕性的功能，同時，枯落物分解形成的土壤腐殖質(zhì)，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的滲透性能[2-4]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域?qū)Χ喾N森林類型下的枯落物特性做了大量研究，在枯落物的凋落量、凋落動態(tài)、分解速率、截持降水、影響地表徑流和土壤侵蝕機(jī)制等方面都取得了一定成果。但目前對甘肅省蘭州市南北兩山的主要人工林林下枯落物持水性能及土壤水文效應(yīng)研究較少，為此，對甘肅省水土保持科學(xué)研究所科技示范園的側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白蠟(Fraxinuschinensis)、加拿大楊(PopuluscanadensisMoench)3種主要人工林林下枯落物層的持水性能及土壤水文效應(yīng)進(jìn)行了研究，這對研究該區(qū)域主要人工林類型的森林生態(tài)系統(tǒng)水文作用具有重要意義。

表1 試驗(yàn)地基本情況

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在甘肅省水土保持科學(xué)研究所科技示范園，地處黃河上中游的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯36°1′20″～36°1′43″，東經(jīng)103°56′43″～103°57′4″，海拔高度為1696.4～1804.8 m；氣候類型為北溫帶半干旱大陸性氣候，干燥少雨，年降水量為329.7 mm，蒸發(fā)量為1332.7 mm，年平均氣溫9.3 ℃，年日照時數(shù)2424 h，無霜期186 d；土壤為灰鈣土；園區(qū)中常綠樹種有油松、側(cè)柏、云杉等，鄉(xiāng)土樹草種有楊樹、旱柳、刺槐、沙棗、白刺花、檸條、白羊草、冰草等，林草覆蓋率達(dá)85 %。

2 材料與方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地選擇

在對甘肅省水土保持科學(xué)研究所科技示范園區(qū)內(nèi)不同人工林進(jìn)行實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，選擇代表性林分作為標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行采樣分析，標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m×20 m，并對林木進(jìn)行每木檢尺，測量胸徑、樹高、海拔等因子(表1)。

2.2 枯落物的采集與蓄積量的測定

在標(biāo)準(zhǔn)地對角線上，選定5個1 m×1 m的枯落物收集樣方，分別測量枯落物層總厚度及未分解層、半分解層厚度，然后將未分解層和半分解層分別收集，保持原狀裝入密封袋中，將收集的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室后，分層稱其烘干重量(85 ℃下烘干至恒重)，以干物質(zhì)重量推算不同樹種枯落物蓄積量。

2.3 枯落物持水動態(tài)的測定

用室內(nèi)浸泡法[5-6]測定林下枯落物的持水量，將烘干稱量后的枯落物未分解層裝入尼龍網(wǎng)袋(孔徑1 mm)，半分解層裝入孔徑為0.125 mm的土壤篩中，再將裝有枯落物的尼龍網(wǎng)袋和土壤篩置入盛有清水的容器中，水面略高于尼龍網(wǎng)袋和土壤篩上緣，然后分別測定其在0.5、1、2、4、8、12、24 h的重量變化，并通過換算按烘干重量來研究其不同浸水時間的持水量。

2.4 枯落物攔蓄量的測定

通常采用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量[7]，即W=(0.85Rm-R0)M，式中：W:有效攔蓄量(t/hm2)；Rm:最大持水率( %)；R0:平均自然含水率( %)；M:枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.5 土壤物理性質(zhì)的測定

采用剖面法，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ樣地內(nèi)選取代表性樣點(diǎn)3個，分別按0～10、10～20、20～30 cm土層取樣，每層做3次重復(fù)取樣。依據(jù)中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：采用烘干法測定土壤含水量；用環(huán)刀法測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤總孔隙度；用環(huán)刀法和浸水法測定最大持水量、毛管持水量、最小持水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種枯落物蓄積量及其厚度的比較

枯落物蓄積量受枯落物的輸入量、分解速度、累計(jì)年限、樹種組成和林分所處的自然條件等因素的綜合影響[8]。由表2可知，3種人工林枯落物蓄積量有一定差異，總體變動范圍為12.35～30.62 t/hm2，大小順序?yàn)閭?cè)柏純林(30.62 t/hm2)﹥加拿大楊純林(14.66 t/hm2)﹥白蠟純林(12.35 t/hm2)；同時分析枯落物組成，3種人工林枯落物蓄積量均是半分解層大于未分解層，半分解層蓄積量占總量比例最大的是側(cè)柏純林(83.15 %)，其次是白蠟純林(69.8 %)，加拿大楊純林最小(65.69 %)；未分解層蓄積量占總量的比例與半分解層相反，這與林齡、林分結(jié)構(gòu)、生長季節(jié)及其林下微生物活動等有關(guān)。比較3種人工林林下枯落物厚度，其變化幅度為 3.9 ～4.4 cm，由厚到薄順序?yàn)榧幽么髼罴兞?4.4 cm)﹥白蠟純林(4.3 cm)﹥側(cè)柏純林(3.9cm)， 其中未分解層厚度范圍為 1.4～3.6cm，半分解層厚度范圍為0.8～2.5 cm?？萋湮镄罘e量主要與其厚度有關(guān)，一般厚度與蓄積量變化趨勢應(yīng)一致，但是由于側(cè)柏的林齡較大，郁閉度大，林下枝、葉、花、果實(shí)等由于光照不足枯死，不易分解，所以其蓄積量較多，同時由于其葉片面積比較小，枯落物堆積比較緊密，所以厚度反而小。

表2 枯落物蓄積量及厚度

3.2 枯落物持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量和最大持水率 枯落物持水能力是森林水文的重要內(nèi)容，也是表征枯落物層水文功能的重要指標(biāo)。一般用最大持水量和最大持水率來反映其持水能力，其值的大小與林分的樹種組成、林分發(fā)育、林分水平及垂直結(jié)構(gòu)，枯落物的組成、成分、特性質(zhì)地和分解程度等因素有關(guān)[9]。由表3可以看出，3個樹種的枯落物最大持水量的變動范圍在60.40～82.12 t/hm2，大小順序依次為加拿大楊林(82.12 t/hm2)﹥白蠟林(63.38 t/hm2)﹥側(cè)柏林(60.04 t/hm2)，其中未分解層變動范圍在25.13～46.94 t/hm2，半分解層變動范圍在24.01～35.18 t/hm2。最大持水率的大小順序依次為加拿大楊純林(245.60 %)﹥側(cè)柏純林(238.23 %)﹥白蠟純林(188.35 %)，顯然，同一樹種的最大持水量和最大持水率存在不同的變化規(guī)律，原因在于枯落物本身的生物量、結(jié)構(gòu)、以及分解程度等因素影響最大持水率。由以上分析可以得出，加拿大楊純林持水能力最強(qiáng)，分別是白蠟純林的1.3倍，側(cè)柏純林的1.4倍。

3.2.2 枯落物攔蓄能力 最大攔蓄量能夠反映枯落物對一次降水的最大攔蓄能力，枯落物的攔蓄能力受蓄積量、自然含水率等因素影響而存在明顯差異。從表3可以看出枯落物的最大攔蓄量與平均自然含水率以及最大持水率變化趨勢一致，大小順序依次是側(cè)柏純林(66.37 t/hm2)>加拿大楊純林(32.69 t/hm2)> 白蠟純林(19.49 t/hm2)；因?yàn)樯降厣制旅娌粫霈F(xiàn)長時間的浸水，另外，枯落物對降水的有效攔蓄還與枯落物的水分狀況、降雨特性等有密切的關(guān)系，則用最大持水量和最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力則偏高，不符合它對降雨的實(shí)際攔蓄能力[10]，所以，一般用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄能力。比較3個樹種枯落物的有效攔蓄量可以發(fā)現(xiàn)，其與最大攔蓄量變化規(guī)律一致，大小順序依次為側(cè)柏純林(54.54 t/hm2)>加拿大楊純林(27.51t/hm2)>白蠟純林(16.35 t/hm2)，且未分解層和半分解層有效攔蓄量的變化規(guī)律也一致?？梢钥闯?，側(cè)柏純林的攔蓄能力最強(qiáng)，這是由于側(cè)柏人工林內(nèi)半分解層枯落物厚度比較大、蓄積量比較多。

3.2.3 枯落物持水過程 4種樹種枯落物的未分解層和半分解層的持水量都隨著吸水時間的延長而增大，但是增長幅度逐漸減小，未分解層在最初的1 h內(nèi)枯落物的吸水量增加最迅速，半分解層在前0.5 h內(nèi)吸水量增加最快，而在8 h后，隨著時間的變化，其持水量的增加幅度很小，此時枯落物的吸水盡管沒有達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，但因枯落物中的空隙已被水分占據(jù)，枯落物的吸水仍在進(jìn)行，但持水量增加幅度顯著減小了。在吸水時間 10 h 后，枯落物的質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定，這說明，此時枯落物的持水量已接近飽和，吸水處于被動狀態(tài)。這種持水率的變化趨勢表明在降雨量足以浸濕地表枯落物的情況下，不同樹種枯落物在前 2 h 內(nèi)對降雨的吸收作用最強(qiáng)，有利于減少表層徑流量，并能夠?qū)ν寥浪值难a(bǔ)充和植物水分的供應(yīng)產(chǎn)生影響。

表3 3種人工林分枯落物持水能力

表4 3種人工林分枯落物持水過程

對1～24 h之間3個樹種枯落物各層次持水量與浸水時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該段時間內(nèi)持水量與浸泡時間的關(guān)系(表5)：W=aln(t)+b式中，W為枯落物持水量(g/kg)，t為浸水時間(h)，a為方程系數(shù)，b為方程常數(shù)項(xiàng)。從3個樹種類型枯落物各層持水量實(shí)測值和計(jì)算所得值與浸水時間之間的關(guān)系可以看出：3個樹種枯落物未分解層、半分解層持水量與浸水時間之間得到的回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.84，表明模型擬合較為理想。

3.3 土壤水文效應(yīng)

森林對土壤物理性狀的影響是多方面的，但是對 0～20 cm土壤層影響最顯著的是森林的枯落物[11]?？萋湮锔采w地面，保護(hù)地表免遭雨滴擊濺侵蝕，土壤結(jié)構(gòu)疏松，吸收和調(diào)節(jié)地表徑流能力強(qiáng)[12]。土壤容重與土壤質(zhì)地、壓實(shí)狀況、土壤顆粒密度、土壤有機(jī)質(zhì)含量及各種土壤管理措施有關(guān)。土壤越疏松多孔，容重越小，土壤越緊實(shí)，容重越大。由表6可知，3種人工林土壤容重介于0.76～0.90 g/cm3，以加拿大楊純林最大，由于其受到人為因素影響而使土壤容重偏大。土壤含水量變化趨勢為白蠟純林(53.75 %)最大，加拿大楊純林次之(51.94 %)，側(cè)柏純林(37.26 %)最小，說明側(cè)柏純林比較干燥，這是因?yàn)閭?cè)柏純林土壤疏松多孔，水分容易蒸發(fā)，從表也可以看出，土壤含水量總體偏高，這是因?yàn)檫@些林地定期被灌溉的原因。毛管孔隙度大，土壤中儲存的有效水含量也越多；土壤孔隙度越大，說明土壤結(jié)構(gòu)越疏松，這有利于雨水快速下滲，減少地表徑流的沖刷，能夠更好的保持水土，防治土壤流失。土壤毛管孔隙度和總空隙度大小順序一致，依次為：側(cè)柏純林>白蠟純林>加拿大楊純林，可見，側(cè)柏純林有效儲水量最大并且土壤結(jié)構(gòu)較疏松。3種人工林樣地土壤非毛管孔隙度大小排序?yàn)椋杭幽么髼罴兞?白蠟純林>側(cè)柏純林，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于降水的下滲，減少地表徑流，充分起到涵養(yǎng)水源的作用，即加拿大楊人工林地土壤的通透性最好，涵養(yǎng)水源作用最強(qiáng)。不同樣地最大持水量、毛管持水量、最小持水量均值順序變化規(guī)律一致，依次為：側(cè)柏純林>白蠟純林>加拿大楊純林，即側(cè)柏純林的最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大。毛管孔隙中所保存的水分包括一部分膜狀水和毛管水的全部，可以完全被植物根系利[13]。因此，側(cè)柏純林內(nèi)受枯落物影響的0～20 cm土壤層最有利于林下植物生長，在林內(nèi)形成較好的第三作用層，更有助于截留降雨和減少雨滴擊濺侵蝕。

表5 枯落物的持水量與浸水時間的擬合結(jié)果

表6 土壤孔隙與持水狀況

4 結(jié)論與討論

(1)3個樹種的枯落物蓄積量有一定差異，總體變動范圍為12.35～30.62 t/hm2，大小順序依次為側(cè)柏純林(30.62 t/hm2)﹥加拿大楊純林14.66 t/hm2)﹥白蠟純林(12.35 t/hm2)；枯落物蓄積量均是半分解層大于未分解層?？萋湮飳雍穸确秶鸀?.9～4.4 cm，大小順序?yàn)榧幽么髼罴兞?4.4 cm)﹥白蠟純林(4.3 cm)﹥側(cè)柏純林(3.9 cm)， 其中未分解層厚度范圍為 1.4～3.6 cm，半分解層厚度范圍為0.8～2.5 cm。

(2)最大持水量的變動范圍在600.40～8212 t/hm2，大小順序依次為加拿大楊純林(82.12 t/hm2)﹥白蠟純林(63.38 t/hm2)﹥側(cè)柏純林(60.04 t/hm2)。最大持水率的大小順序依次為加拿大楊純林(245.60 %)﹥側(cè)柏純林(238.23 %)﹥白蠟純林(188.35 %)，顯然，同一樹種的最大持水量和最大持水率存在不同的變化規(guī)律。

(3)最大攔蓄量大小順序依次是側(cè)柏純林(66.37 t/hm2) > 白蠟純林(19.49 t/hm2) >加拿大楊純林(16.35 t/hm2)，有效攔蓄量與其變化規(guī)律一致，并且3個樹種未分解層和半分解層有效攔蓄量變化規(guī)律也一致。

(4)3個樹種枯落物各層的的持水量隨浸水時間的延長，在最初浸泡的0.5 h內(nèi)，枯落物持水量迅速增加，之后隨著浸泡時間的延長呈現(xiàn)不斷地增加趨勢，當(dāng)浸泡8 h 時，持水量基本達(dá)到最大值；繼續(xù)增加浸泡時間，持水量增加幅度逐漸減慢，直至24 h時吸水速度達(dá)到最大，枯落物未分解層與半分解層持水率與浸泡時間存在對數(shù)關(guān)系:W=aln(t)+b，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.84，表明模型擬合較為理想。

(5)土壤容重大小順序?yàn)榧幽么髼罴兞蜘儼紫灱兞蜘儌?cè)柏純林，土壤含水量大小順序?yàn)榘紫灱兞蜘兗幽么髼罴兞蜘儌?cè)柏純林，土壤毛管孔隙度和總空隙度均值順序規(guī)律一致，依次為：側(cè)柏純林>白蠟純林>加拿大楊純林，土壤非毛管孔隙度均值排序?yàn)椋杭幽么髼罴兞?白蠟純林 >側(cè)柏純林，側(cè)柏純林的最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大，可見其貯水能力最強(qiáng)。

(6)研究區(qū)氣候干燥、植被稀疏、生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域內(nèi)植被以人工林為主，林分結(jié)構(gòu)簡單，林內(nèi)植被自我更新和調(diào)節(jié)能力相對較差；鑒于此，建議大力營造混交林和喬灌草相結(jié)合的復(fù)層林，進(jìn)一步提高本地區(qū)森林枯落物的水源涵養(yǎng)功能，促進(jìn)生態(tài)建設(shè)的良性發(fā)展。

[1]董治寶,李振山. 風(fēng)成沙粒度特征對其風(fēng)蝕可蝕性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，1988,4(4):1-5.

[2]陳 波,楊新兵,趙心苗,等.冀北山地6種天然純林枯落物及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(2):196-202.

[3]賈志軍,王 富,甄寶艷,等.不同生態(tài)修復(fù)措施下桃林口水庫水源涵養(yǎng)區(qū)枯落物的蓄水保水效益[J].水土保持研究,2012,19(3):136-139.

[4]耿紹波,楊曉菲,饒良懿,等.縉云山黛湖保護(hù)站不同林地枯落物及土壤持水性研究[J].世界林業(yè)研究,2009，22(特刊):49-51.

[5]彭明俊,郎南軍,溫紹龍,等.金沙江流域不同林分類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(6):106-109.

[6]楊澄麻櫟人工林水源涵養(yǎng)效能研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),1997,12(2):15-19.

[7]陳 波,楊新兵,趙心苗,等.冀北山地6種天然純林枯落物及土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(2):196-202.

[8]He Chansheng,Fu Bojie,Chen Liding.Non-point source pollution control and management[J].Environment Science,1998,19(5):87-91,96.

[9]李淑花,石軍南,吳梅俏.二代杉木人工林生物量及其垂直分布研究[J].森林工程,2007,23(1):1-4.

[10]王慶玲,龍翠玲.黔中地區(qū)幾種喀斯特次生林枯落物持水性能研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,31(8):98-102.

[11]黎基松,王耀輝.森林生態(tài)知識[M].北京:中國林業(yè)出版社,1986.

[12]楊吉華.石灰?guī)r丘陵土壤旱作保水技術(shù)的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(3):62-66.

[13]仲躋秀,施崗陵.土壤學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1992.

(責(zé)任編輯 李 潔)

Study on Water-Holding Characteristics and Soils Hydrological Effects of Three Kinds of Planted Forest Litter

WU Peng-yan,ZHANG Yu-zhen*

(College of Forestry, Gansu Agricultural University,Gansu Lanzhou 730070，China)

A preliminary study of the litter water-holding characteristics and soil hydrological effects was carried out on three kinds of planted forest in science and technology demonstration garden of soil and water conservation research institution of Gansu. Results showed that(i) the amount of litter storage was about 12.35-30.62 t/hm2,Platycladusorientaliswas the largest;The total thickness ranged from 3.9-4.4 cm,PopuluscanadensisMoench was the highest ; The maximum water-holding capacity ranged from 60.04-82.12 t/hm2, followed the order ofPopuluscanadensisMoench (82.12 t/hm2)﹥Fraxinuschinensis(63.38 t/hm2)﹥Platycladusorientalis(60.04 t/hm2); The order of the maximum water-holding rate wasPopuluscanadensisMoench(245.60 %)﹥Platycladusorientalis(238.23 %)﹥Fraxinuschinensis(188.35 %); The trends of the largest interception and modified interception amount were basically similar,Platycladusorientaliswasthebest(54.54 t/hm2),PopuluscanadensisMoench was the worst(14.66 t/hm2). (ii) Relation between water-holding capacity and soaking time was described by logarithmic function, namely:W=aln(t)+b, because ofR2﹥0.84, the model was ideal.(iii) Compared withPlatycladusorientalisandFraxinuschinensis, the reserves and water capacity characteristics ofPopuluscanadensisMoench was the best, playing a more important role in improving water conservation function. However soil storage capacity ofPlatycladusorientalispure forest was the strongest, and more helpful to intercept rainfall and decrease the rain drop splash erosion.

Gansu;Litter;Water-holding characteristics;Modified interception

1001-4829(2016)12-2930-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.028

2015-08-02

甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地、梯田土壤呼吸特征研究” (1204FKCA069)；甘肅省水利重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目“隴中坡改梯土壤呼吸特征及水土保持優(yōu)化技術(shù)研究”(2012[255])

武鵬艷(1989-)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗帘３?，E-mail：1213712725@qq.com，Tel：15117231527，*為通訊作者：張玉珍(1963-)，女，副教授，山西省朔州市人，主要從事水土保持、土壤侵蝕規(guī)律、土地利用規(guī)劃等研究，E-mail:zhangyz@gsau.edu.cn。

S715

A