遼西低山丘陵區(qū)針葉林與闊葉林枯落物持水性對(duì)比

呂剛，王磊，李葉鑫，傅昕陽，王凱

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，123000，遼寧阜新)

遼西低山丘陵區(qū)針葉林與闊葉林枯落物持水性對(duì)比

呂剛，王磊，李葉鑫，傅昕陽，王凱

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，123000，遼寧阜新)

為對(duì)比分析遼西低山丘陵區(qū)針葉林與闊葉林枯落物的持水性差異，為遼西森林植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，選取3個(gè)針葉林(紅松林、油松林、興安落葉松林)和3個(gè)闊葉林(榆樹林、山楊林、紫椴林)下的枯落物作為研究對(duì)象，采用野外現(xiàn)場采樣與室內(nèi)浸水相結(jié)合的方法對(duì)枯落物的持水特性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：針葉林平均蓄積量大于闊葉林，其中針葉林蓄積量在14.65～17.75 t/hm2，闊葉林在8.44～16.92 t/hm2；針葉林枯落物平均厚度(2.79 cm)大于闊葉林(2.44 cm)；針葉林最大持水率在148.88%～173.19%，闊葉林在145.42%～156.91%；針葉林有效攔蓄水量為19.47～25.59 t/hm2，闊葉林有效攔蓄水量為10.56～22.04 t/hm2，表現(xiàn)為針葉林下枯落物的攔蓄能力更強(qiáng)；針葉林半分解層攔蓄水量顯著大于未分解層，闊葉林未分解層攔蓄水量大于半分解層；闊葉林未分解層吸水速率大于針葉林。

持水性； 針葉林； 闊葉林； 低山丘陵區(qū)； 遼西

森林枯落物是指植物發(fā)生物候現(xiàn)象而產(chǎn)生的枯枝落葉、動(dòng)物糞便及其殘?bào)w[1]，其覆蓋于土壤表面，成為森林發(fā)揮水文功能的關(guān)鍵層次。由于枯落物層結(jié)構(gòu)疏松、微生物及動(dòng)物活動(dòng)頻繁，枯落物層具有良好的持水能力與透水能力，并在截持降雨[2]、減緩攔蓄徑流[3]、減少水分蒸發(fā)[4]和改善土壤理化性質(zhì)[5-6]等方面有關(guān)鍵作用。

遼西低山丘陵區(qū)處于科爾沁沙地南緣，又受到遼河半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)影響，屬于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)地帶和生態(tài)脆弱區(qū)，歷史上以“平原松林”和“草原牧區(qū)”[7]而聞名；但近幾十年由于人為活動(dòng)影響，地表植被受到破壞，發(fā)生了嚴(yán)重的水土流失與荒漠化，水土流失面積一度達(dá)到總面積的84%[7]。為防止生態(tài)環(huán)境惡化給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不良影響，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局營建了以樟子松(Pinussylvestnisvar.)、油松(Pinustabulaeformis)為主體的水土保持林，面積達(dá)到人工林總面積的61.01%[8]，水土流失的勢(shì)頭得以控制并在近些年逐漸減緩。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的多種林地類型下的枯落物水文特征進(jìn)行了大量的研究，在不同區(qū)域、多種林地類型枯落物貯量的數(shù)學(xué)模型、枯落物截留水量及其數(shù)學(xué)模型以及枯落物截留降水機(jī)理研究等方面都取得了一定的成果[9-12]；但缺乏針對(duì)我國遼西地區(qū)典型林分枯落物水文特征的研究以及不同葉形林分枯落物水文特征差異性比較。筆者以遼西低山丘陵區(qū)典型林分為研究對(duì)象，從森林枯落物水文特征角度出發(fā)，比較并分析針葉林與闊葉林枯落物蓄積量與持水性的差異，揭示了針闊葉林枯落物蓄積量和持水性的不同變化特征，為進(jìn)一步研究枯落物水文特征的影響因子提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

具有遼西低山丘陵區(qū)植被類型特點(diǎn)的阜新老鷹窩自然保護(hù)區(qū)，位于阜蒙縣東偏北部(E121°41′～121°58′，N 42°11′～42°15′)?？偯娣e6 405.3 hm2，其中有林地面積5 251.7 hm2，森林覆蓋率85.13%。該區(qū)地貌為侵蝕剝蝕低山丘陵，地勢(shì)北部高聳，南部平緩，平均海拔300 m，最高峰海拔624.6 m。該區(qū)屬中溫帶亞濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)為春季較干旱且多風(fēng)，夏日炎熱且降雨較多，秋天氣溫適宜多西北風(fēng)，冬季干燥寒冷，年均氣溫7.1 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃(2000年)，極端最低氣溫-28.4 ℃(1992年)，最大凍土深度140 cm。≥10 ℃年積溫3298.3 ℃，無霜期151 d。年均降水量550 mm，5—9月降水量461.2 mm，占全年的85.4%。土壤分褐土性土、褐土、淋溶褐土和棕壤性土、典型棕壤5個(gè)亞類，以褐土和幼年森林棕壤2個(gè)土類為主。該區(qū)天然林與人工林均有分布，植物以華北植物區(qū)系為主，兼有長白蒙古植物。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)

根據(jù)研究目的與遼西低山丘陵區(qū)植被類型特點(diǎn)，2016年8月在研究區(qū)進(jìn)行踏勘后，選擇6種人工林林分作為研究對(duì)象，其中有油松(Pinustabulaeformis)、紅松(Pinuskoraiensis)、興安落葉松(Larixgmelini)、紫椴(Tiliaamurensis)、榆樹(Ulmuspumila)和山楊(Populusdavidiana)人工林。

綜合考慮地形、坡向、林木冠幅、林齡等因素，保證立地條件基本一致的前提下，在每個(gè)林分下分別布設(shè)1個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，各個(gè)樣地林分在23～26年之間，觀測(cè)枯落物厚度、上層木郁閉度，對(duì)樣地內(nèi)胸徑>5 cm的林木每木檢尺，測(cè)量其胸徑、樹高、冠幅等。各樣地基本情況見表1。

表1 各樣地基本概況Tab.1 Basic profile of the plots

2.2 枯落物蓄積量測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對(duì)角線設(shè)置3個(gè)0.2 m×0.2 m樣方，用直尺測(cè)定枯落物層總厚度以及未分解和半分解層的厚度；再按照2個(gè)分解層收集其樣品，并現(xiàn)場稱量其鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室稱量枯落物層的干質(zhì)量(恒溫85 ℃條件下烘干24 h)并計(jì)算枯落物含水率。在每個(gè)樣地內(nèi)選擇具有代表性的1 m×1 m樣方，盡可能保持枯落物原有結(jié)構(gòu)特征分層收集各分解層枯落物，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘干稱量，用以推算各林分枯落物蓄積量。

2.3 枯落物持水性測(cè)定

采用室內(nèi)靜水浸泡法[13]，分別測(cè)定在浸泡2、4、6、8、10、24 h后未分解和半分解層質(zhì)量，觀測(cè)其每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的累積持水量并計(jì)算各時(shí)段的平均吸水速率。其中認(rèn)為浸泡24 h后枯落物的持水量為最大持水量[14]，此時(shí)的持水率稱為最大持水率，枯落物層最大持水量則根據(jù)枯落物蓄積量與最大持水率進(jìn)行計(jì)算。

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%；
R0=(G-Gd)/Gd×100%；
Rsmax=Rhmax-R0；
Whmax=Rhmax×M；
Gs=Gi-Gj；
V=Gs/t。

式中：Gd,G24為烘干后枯落物的質(zhì)量和浸泡24 h后枯落物的質(zhì)量，g；Rhmax、Rsmax、R0分別為枯落物最大持水率、最大攔蓄率、自然持水率，%；M、Whmax、Wsmax分別為枯落物層蓄積量、最大持水量、最大攔蓄量，t/hm2；Gs、Gi、Gj分別為某時(shí)間段持水量、第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)樣品質(zhì)量、第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)樣品質(zhì)量，g；V為吸水速率，g/(kg·h)；t為吸水持續(xù)時(shí)間，h。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的最大持水量并不能夠客觀的反映實(shí)際枯落物對(duì)于降雨徑流的攔蓄能力，有效攔蓄水量可用來估算實(shí)際攔蓄水量[15-16]

Mi=(0.85Rsmax-R0)M。

式中：Mi為有效攔蓄水量，t/hm2；R0為自然持水率，%。

運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)分析統(tǒng)計(jì)，在P<0.05水平下單因素兩兩比較，分析典型林分間差異性水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物的蓄積量差異分析

枯落物的分解程度與諸多因素有關(guān)。對(duì)各個(gè)樣地1 m×1 m樣方內(nèi)各層次枯落物稱量后，得出各樣地林分下枯落物厚度和蓄積量，詳見表2。

由表2可知，研究地枯落物蓄積量為8.44～17.75 t/hm2。其中：從枯落物平均蓄積量來看，針葉林16.12 t/hm2明顯大于闊葉林12.56 t/hm2，結(jié)果與劉少?zèng)_等[17]在蓮花湖所得結(jié)果一致；從枯落物平均厚度來看，針葉林平均厚度2.78 cm大于闊葉林2.44 cm；從各分解層所占比例來看，針葉林半分解層遠(yuǎn)高于未分解層，闊葉樹種則正好相反，其中針葉樹種中油松林半分解層占72.42%，闊葉林中紫椴未分解層占76.33%。

表2 各林分類型下枯落物厚度及蓄積量Tab.2 Thickness and storage volume of litter under different stands

圖1 各林分類型下不同層次枯落物的持水能力Fig.1 Water-holding capacities of litters at different layers under different stand types

3.2 枯落物的持水能力特性分析

枯落物持水特性是影響森林水文過程的關(guān)鍵因素之一，各樣地最大持水率和持水量見圖1。

由圖1可以看出，各林分枯落物最大持水率具有不同特征及規(guī)律。其中：半分解層最大持水率表現(xiàn)為興安落葉松林>油松林>紅松林>榆樹林>紫椴林>山楊林；未分解層最大持水率表現(xiàn)為山楊林>榆樹林>紫椴林>油松林>興安落葉松>紅松林。由于各分解層次蓄積量所占比例不同，加權(quán)平均后各林下枯落物的最大持水率排序是興安落葉松(173.19%)>油松林(162.93%)>榆樹林(156.91)>山楊林(152.63%)>紅松林(148.88%)>紫椴林(145.42%)。針葉林半分解層最大持水率顯著大于闊葉林(P<0.05)；針葉林半分解層最大持水率均顯著大于未分解層。

半分解層最大持水量為興安落葉松>油松林>紅松林>榆樹林>紫椴林>山楊林，未分解層最大攔蓄水量為榆樹林>紫椴林>山楊林>興安落葉松>紅松林>油松林；加權(quán)平均林分各枯落物層最大攔蓄水量大小為興安落葉松(30.74 t/hm2)>榆樹林(26.55 t/hm2)>油松林(23.87 t/hm2)>紅松林(23.70 t/hm2)>紫椴林(17.81 t/hm2)>山楊林(12.88 t/hm2)；針葉林半分解層最大持水量大于未分解層，闊葉林未分解層最大持水量大于半分解層。

3.3 枯落物攔蓄特征分析

研究發(fā)現(xiàn)，用最大持水量來衡量枯落物層的實(shí)際攔蓄情況偏大，需要對(duì)其進(jìn)行修正[18]?？萋湮锏挠行r蓄率和有效攔蓄水量見表3。

表3 各樣地不同層次攔蓄率及攔蓄水量Tab.3 Interception rate and interception volume at different layers of the plots

由表3可知，枯落物的加權(quán)平均攔蓄率大小依次為興安落葉松>油松林>榆樹林>山楊林>紅松林>紫椴林，枯落物的有效攔蓄水量為興安落葉松(25.59 t/hm2)>榆樹林(22.04 t/hm2)>油松林(19.68 t/hm2)>紅松林(19.47 t/hm2)>紫椴林(14.49 t/hm2)>山楊林(10.56 t/hm2)，二者變化有所不同，但均表現(xiàn)為針葉林樹種的攔蓄能力更強(qiáng)。所得結(jié)果與馬正銳關(guān)于寧夏森林枯落物研究結(jié)果[12]較一致；但針葉林?jǐn)r蓄水量較馬正銳研究少，與研究地點(diǎn)為國有林場人工林分有關(guān)，枯落物層可能受到人為活動(dòng)的影響，導(dǎo)致枯落物蓄積量減少。通過對(duì)比2個(gè)分解層次的有效攔蓄水量發(fā)現(xiàn)，針葉林半分解層攔蓄水量遠(yuǎn)大于未分解層，具有顯著差異(P<0.05)。闊葉林未分解層攔蓄水量大于半分解層，具有顯著差異(P<0.05)。

3.4 枯落物持水過程特征分析

3.4.1 枯落物持水量特征分析 不同林下枯落物持水量隨時(shí)間的延長而不斷累加，直至接近飽和。不同林分、不同分解層的持水量特征也不盡相同，按照時(shí)間順序記錄半分解層、未分解層、枯落物層的持水量變化過程累積量，得圖2。

圖2 各林分類型下不同層次枯落物持水過程Fig.2 Water-holding process of litter at different layers under different stand types

由圖2可知：半分解層中，針葉林和闊葉林枯落物持水量在0～4 h內(nèi)迅速增加，后逐漸達(dá)到峰值；未分解層中，針葉林與闊葉林持水量在0～4 h內(nèi)迅速增加，針葉林在5～7 h，闊葉林在4～6 h接近飽和，與趙陽等[19]在河北省圍場縣典型森林枯落物的研究結(jié)果一致；在枯落物半分解層，各個(gè)時(shí)段持水累加量符合針葉林持水量大于闊葉林的規(guī)律，枯落物層總持水量為興安落葉松>油松林>榆樹林>山楊林>紅松林>紫椴林。

3.4.2 枯落物吸水速率特征分析 枯落物的吸水速率是反映森林水文效應(yīng)的指標(biāo)之一。按照時(shí)間點(diǎn)分別計(jì)算各林分半分解層、未分解層、枯落物的吸水速率變化規(guī)律，得圖3。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，6種林分樣地的枯落物吸水速率均為由快逐漸減緩并最終趨于0，用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果較好。通過對(duì)各層次吸水速率的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：不同林分吸水速率均在0～4 h急劇下降，未分解層闊葉林起始吸水速率大于闊葉林，經(jīng)過加權(quán)平均后，計(jì)算出各個(gè)林分枯落物初始吸水速率(前2 h平均吸水速率)大小排列順序?yàn)橛軜淞?508.25 g/(kg·h))>興安落葉松(498.74 g/(kg·h))>山楊林(476.08 g/(kg·h))>油松林(468.77 g/(kg·h))>紫椴林(449.32 g/(kg·h))>紅松林(410.92 g/(kg·h))，結(jié)果與姜海燕等[15]在大興安嶺嶺南對(duì)土壤水文功能的研究較為一致。

4 結(jié)論與討論

1)針葉林和闊葉林枯落物蓄積量及厚度存在分異性。針葉類樹種林枯落物平均蓄積量大于闊葉類樹種平均蓄積量，具有顯著性差異；針葉樹種半分解層所占比例高于未分解層，闊葉樹種半分解層所占比例低于未分解層；針葉林枯落物層緊密程度一般高于闊葉林枯落物層?？萋湮锏臄r蓄水量與其蓄積量顯著相關(guān)：針葉林半分解層攔蓄水量顯著大于未分解層，闊葉林未分解層攔蓄水量大于半分解層。

圖3 各林分類型下不同層次枯落物吸水過程Fig.3 Water-absorbing process of litter at different layers under different stand types

2)針葉林與闊葉林持水能力分異特征與枯落物分解層次所占比例相關(guān)。其中針葉林半分解層最大持水率顯著高于未分解層，闊葉林分解層無顯著差異。不同林分枯落物最大攔蓄水量為興安落葉松>榆樹林>油松林>紅松林>紫椴林>山楊林；針葉林半分解層最大攔蓄水量顯著大于未分解層，闊葉林未分解層最大攔蓄水量大于半分解層。

3)針葉林最大持水量在1 485.70～1 732.36 g/kg，闊葉林最大持水量在1 110.39～1 569.09 g/kg。針葉林未分解層較半分解層飽和速度快，闊葉林半分解層較未分解層飽和速度快。半分解層吸水速率在0～4 h急劇下降，闊葉林尤為顯著；未分解層闊葉林起始吸水速率大于闊葉林，不同林分均在6 h后逐漸趨向于0。

本文研究針葉林與闊葉林枯落物層水文功能，從持水能力、蓄積量、攔蓄水量以及持水過程等方面進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)了其中的變化規(guī)律，遼西地區(qū)針對(duì)枯落物的研究集中在森林枯落物持水特性與林下土壤物理特性。呂剛等[10]研究發(fā)現(xiàn)遼寧阜新海棠山針葉林枯落物蓄積量大于闊葉林，針葉林的土壤貯水能力大于闊葉林；魏晶等[20]在遼西大凌河流域?qū)χ脖唤亓艚涤昴芰ρ芯糠治龊?，得出針葉林油松林的截留效果差于沙棘林，森林對(duì)于涵養(yǎng)水源，改良土壤有著積極作用。在參考其他地區(qū)有關(guān)枯落物持水性的文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，研究人員對(duì)于不同森林林下枯落物持水特性研究的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同。馬正銳等[11]發(fā)現(xiàn)寧夏地區(qū)植被林分枯落物半分解層持水率均高于未分解層，且未分解層為117.82%～208.05%，半分解層為169.34%～302.85%，針葉林有效攔蓄水量明顯大于闊葉林，這些研究與筆者結(jié)論相一致。姜海燕等[15]大興安嶺測(cè)得林下枯落物持水率變化范圍565.66%～676.36%，遠(yuǎn)大于本次研究所測(cè)得結(jié)果。莫菲等[21]在六盤山研究所得林下枯落物持水率83.3%～96.2%，小于本研究所得。賈劍波等[22]在北京密云研究得出闊葉林持水量與持水率大于針葉林。出現(xiàn)以上結(jié)果，一方面是由于不同地區(qū)的水熱條件不同，林下枯落物層的物質(zhì)組成、分解程度等各項(xiàng)物理指標(biāo)不同，另一方面針對(duì)枯落物持水性研究集中在其表征量觀測(cè)，缺乏機(jī)理性研究。而相比于國外研究人員，針對(duì)枯落物的持水性，他們不僅局限于某一區(qū)域某一林分枯落物持水性的表征觀測(cè)上，而且著力分析研究影響枯落物持水性的相關(guān)因素，即機(jī)理性研究。例如：Sato Yoshinobu等[23]，研究了不同降雨條件以及葉形對(duì)于枯落物持水性的影響；V.Kavvadias等[24]針對(duì)枯落物的分解速率的影響因素進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)不同水熱條件下不同林分枯落物分解分異規(guī)律對(duì)枯落物持水性的影響。

今后我國針對(duì)于枯落物持水性的研究應(yīng)逐漸加強(qiáng)對(duì)其持水機(jī)理的研究，揭示影響枯落物持水性能的主要因素，如葉形、枯落物分解累計(jì)速率、枯落物堆積層結(jié)構(gòu)等，以求建立枯落物持水模型，為森林土壤層水文運(yùn)動(dòng)過程的研究提供科學(xué)依據(jù)。

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Comparison of litter water-holding capacity between coniferous and broadleaf forests in low mountainous and hilly areas of western Liaoning

Lü Gang，WANG Lei，LI Yexin，F(xiàn)U Xinyang，WANG Kai

(School of Environmental Science and Engineering,Liaoning Technical University,123000,Fuxin,Liaoning,China)

[Background] Domestic and foreign scholars have conducted a lot of researches on the litter hydrological characteristics of different forest types in different regions,mathematical model of litter storage,mathematical model of litter interception and its mechanism.However,it is lack of study on the hydrological characteristics of typical forests’ litters in western Liaoning area of China and the differences of hydrological characteristics of litter in different leaf shapes,to compare and analyze the water-holding capacity of litter of coniferous forest and of broadleaf forest in low-mountainous and hilly areas of western Liaoning,and provide the scientific basis and technical support for forest vegetation restoration,[Methods]Three coniferous forests (Pinuskoraiensisforest,Pinustabulaeformisforest andLarixgmeliniforest) and three broadleaf forests (Ulmuspumilaforest,Populusdavidianaforest andTiliaamurensisforest) were selected as the study objects,and took 3 samples along a single diagonal line of every forest’s sample plot.Maximum water-holding rate,maximum water-holding capacity,accumulated water-holding capacity,and water absorption rate were measured by indoor water immersion and related calculation.[Results] The average storage volume of coniferous forests was larger than that of broadleaf forests,and the storage volume of coniferous forests was between 14.65 t/hm2and 17.75 t/hm2,while that of broadleaf forests was in the range of 8.44-16.92 t/hm2.The average thickness of litter in coniferous forests (2.79 cm) was larger than that in broadleaf forests (2.44 cm).The maximum water-holding capacity of coniferous forests was 148.88%-173.19%,while that of broadleaf forests was 145.42%-156.91%.The modified interception volume of coniferous forests was 19.47-25.59 t/hm2,and that of broadleaf forests was 10.56-22.04 t/hm2.The water absorption rate of coniferous forests was (410.92-498.74 g/(kg·h)),while that of broadleaf forests was (449.32-508.25 g/(kg·h)).[Conclusions] There are differences between litter storage volume and thickness of coniferous and broadleaf forests.Water-holding capacity differentiation characteristics of coniferous forests and broadleaf forests are related to the proportion of litter decomposition layers.The ability of interception of coniferous forests is stronger than broadleaf forests.The interception volumes of semi-decomposed layer of coniferous forests are significantly larger than those of undecomposed layer,while the interception volumes of undecomposed layers of broadleaf forests are greater than that of semi-decomposed layer.The water absorption rate of undecomposed layer of coniferous forest is faster than that of semi-decomposed layer,and the semi-decomposing layer of broadleaf forest is faster than that of undecomposed layer.The water absorption rate of semi-decomposed layer decreased sharply in 0-4 h,especially in broadleaf forest.

water holding capacity; coniferous forest； broadleaf forest； low mountain and hilly areas； western of Liaoning

2016-11-23

2017-02-17

項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金”干旱脅迫下科爾沁沙地主要防護(hù)林樹種CNP化學(xué)計(jì)量特征及其影響機(jī)制”(31400613)

呂剛(1979─)，男，博士，副教授。主要研究方向：土壤侵蝕與土壤水文。E-mail:lvgang2637@126.com

S157.2

A

2096-2673(2017)04-0051-09

10.16843/j.sswc.2017.04.007