生態(tài)景觀林10種林分枯落物的水文效應(yīng)

曲炳鵬, 王詠嘉, 李素艷, 孫向陽, 張 驊, 贠炳輝

〔1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.中國石油大學(xué)(北京) 附屬中學(xué), 北京 110000〕

枯落物層是由林木及林下植被凋落的莖、葉、枝條、芽、花、果實(shí)、樹皮和枯死的植物殘?bào)w所形成的一層地面覆蓋層，是森林生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)垂直結(jié)構(gòu)上的主要功能層之一[1]，是森林生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測和評價(jià)所研究的重要內(nèi)容。枯落物層的存在，不僅能促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，而且在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面都具有非常重要的意義[2-3]。不同森林類型的枯落物持水能力與其林分結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段、樹種生物學(xué)特性和立地條件等因素密切相關(guān)[4-5]。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域內(nèi)對不同林分的枯落物層做了大量的研究，在枯落物層的凋落量、掉落動(dòng)態(tài)、分解速率、截持降水、改良土壤結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)、影響地表徑流、土壤水分蒸散和土壤侵蝕機(jī)理等方面都取得了一定的成果[5-15]，但對生態(tài)景觀林的枯落物層的持水特性研究甚少。本研究首次對大興生態(tài)景觀林主要造林樹種林下枯落物層的持水能力進(jìn)行了定量分析研究，旨在對其森林健康的檢測與評價(jià)、區(qū)域內(nèi)森林健康經(jīng)營技術(shù)方案的制定和水土保持措施的選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)南部，地理坐標(biāo)(116°16′E，39°26′N)，該地屬永定河沖積平原，地勢自西向東南輕緩，大部分地區(qū)海拔在14～52 m之間，為暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)，年均溫度11.6 ℃，年均降水556 mm(1990—2009年)，其中7—9月降雨量占到全年降雨總量的60%～70%(1956—2000年大興氣象站觀測數(shù)據(jù))[16]，土壤主要類型為砂質(zhì)風(fēng)沙土，主要喬木樹種有刺槐(Robiniapseucdoacacia)、千頭椿(Ailanthusaltissima)、紫葉李(Prunuscerasiferacv)、國槐(Sophorajaponica)、銀杏(Ginkgobiloba)、元寶楓(Acertruncatum)、金葉榆(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、旱柳(Salixmatsudana)、毛白楊(Populustomentosa)等。

1.2 研究方法

1.2.1 枯落物的采集與蓄積量的測定 2016年8月，在對北京大興景觀生態(tài)林的地形、植被、土壤等特性進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)選取具有代表性的10種喬木林樣地，分別為金葉榆、油松、紫葉李、國槐、刺槐、旱柳、千頭椿、銀杏、元寶楓、毛白楊林樣地，在不同的林分內(nèi)設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行每木檢尺，同時(shí)采用樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法調(diào)查不同林分的郁閉度，即在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置50個(gè)樣點(diǎn)，判斷樣點(diǎn)是否被樹冠遮蓋，統(tǒng)計(jì)被遮蓋的樣點(diǎn)數(shù)，并計(jì)算其郁閉度[17]。所有調(diào)查結(jié)果詳見表1。之后在標(biāo)準(zhǔn)樣地的對角線上，選定5個(gè)50 cm×50 cm的樣方，先測定樣方內(nèi)枯落物層的總厚度、未分解層的厚度及半分解層的厚度，再采用四分法進(jìn)行分層取樣并稱其鮮重，后置于烘箱中85 ℃烘干至恒重，稱重并計(jì)算枯落物的自然含水率，以其干物質(zhì)重估算其蓄積量。

表1 研究區(qū)不同林分標(biāo)準(zhǔn)地概況

1.2.2 枯落物持水量及其吸水速度的測定 采用室內(nèi)浸泡法對枯落物持水量及其吸水速度進(jìn)行測定。將烘干的枯落物取出部分稱重，之后裝入紗布袋浸入水中，分別在浸泡0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后，將紗布袋取出并靜置至枯落物不再滴水為止，迅速稱重并記錄，由此測定枯落物的浸泡不同時(shí)長的持水量，并計(jì)算其吸水速率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄量。

各參數(shù)的計(jì)算公式[1,18-19]為：

枯落物持水量=枯落物鮮重—枯落物干重

(1)

枯落物持水率=

枯落物持水量/枯落物干重×100%

(2)

枯落物吸水速率=枯落物持水量/吸水時(shí)間

(3)

R0=(G0-Gd)/G0×100%

(4)

式中：R0——自然含水率(%)；G0——自然狀態(tài)下的枯落物質(zhì)量(g)；Gd——烘干的枯落物質(zhì)量(g)。下同。

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(5)

式中：Rhmax——最大持水率(%)；G24——浸水24 h后枯落物質(zhì)量(g)。下同。

Rsmax=Rhmax-R0

(6)

式中：Rsmax——最大攔蓄率(%)。

Rsv=0.85Rhmax-R0

(7)

式中：Rsv——有效攔蓄率(%)。下同。

Whmax=G24-Gd

(8)

式中：Whmax——枯落物最大持水量(t/hm2)。

Wsmax=Rsmax·Gd

(9)

式中：Wsmax——枯落物最大攔蓄量(t/hm2)。

Wsv=Rsv·Gd

(10)

式中：Wsv——枯落物有效攔蓄量(t/hm2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007軟件和SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，使用Sigma Plot 12.5進(jìn)行軟件制圖。

2 結(jié)果及分析

2.1 枯落物蓄積量

由表2可知，10種林分枯落物的未分解層厚度為1.1～3.2 cm，半分解層厚度為0.8～1.8 cm，其中毛白楊林的總厚度最大，為4.8 cm，油松林最小，為1.9 cm，10種林分枯落物總厚度由大到小依次：毛白楊>千頭椿>金葉榆>刺槐>銀杏>國槐>紫葉李>元寶楓>旱柳>油松，不同林分的枯落物總蓄積量相差較大，為2.37～5.33 t/hm2，從大到小依次為：毛白楊>油松>千頭椿>刺槐>國槐>銀杏>金葉榆>元寶楓>旱柳>紫葉李。此外，通過分析10種林分枯落物未分解層、半分解層蓄積量所占比例可以看出，金葉榆林、紫葉李林、刺槐林和旱柳林是未分解層蓄積量大于半分解層蓄積量，其他林分則是半分解層蓄積量大于未分解層蓄積量，其中毛白楊林未分解層占其總蓄積量的百分比最大，為67.52%，金葉榆林所占比例最小，為36.88%。這一方面是因?yàn)獒橀熑~樹枯落物分解速度不同，另一方面則是由于受到林分組成、林齡不同等多種因子的影響，在一定程度上影響到了枯落物的輸入和分解。

表2 研究區(qū)不同林分枯落物層特征

2.2 枯落物水文效應(yīng)

2.2.1 枯落物最大持水能力 由表3可知，10種林分枯落物的最大持水量范圍在5.56～24.92 t/hm2，毛白楊林枯落物最大持水量最大，為24.92 t/hm2，紫葉李林最小，為5.56 t/hm2，大小次序依次為: 毛白楊>千頭椿>刺槐>金葉榆>國槐>銀杏>元寶楓>旱柳>油松>紫葉李，其中未分解層的最大持水量為2.73～15.91 t/hm2，半分解層為2.83～9.01 t/hm2，均為毛白楊林最大，紫葉李林最小，且不同林分之間相差較大?？萋湮镒畲蟪炙首兓秶鸀?08.64%～481.62%，大小次序依次為:毛白楊>千頭椿>金葉榆>刺槐>國槐>旱柳>元寶楓>銀杏>紫葉李>油松。其中針葉樹種(油松)的枯落物持水能力要顯著低于其他闊葉樹種，而同一樹種不同枯落物層的最大持水量與最大持水率的規(guī)律也不同，這主要是枯落物的分解程度影響著枯落物層的持水能力，枯落物的分解程度越高，其半分解層枯落物的蓄積量就越大，枯落物的持水能力就越高；而另一原因則在于最大持水率與枯落物的自身結(jié)構(gòu)和生物量有著較大的關(guān)系。

表3 研究區(qū)不同林分枯落物的最大持水量及最大持水率

2.2.2 枯落物持水過程 由圖1可知，在最初浸泡的0～0.5 h內(nèi)，枯落物持水量隨著浸泡時(shí)間的增加迅速增加，之后隨著浸泡時(shí)間的延長大致呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且增加速度逐漸減小。這一過程與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即在降雨初始階段，枯落物吸水能力較強(qiáng)，而后隨著降雨時(shí)間的增加，枯落物持水接近飽和，持水能力降低。此外，未分解層和半分解層枯落物持水量在浸泡8 h時(shí)已基本達(dá)到飽和。

對浸水0.25～24 h的10種不同林分枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果詳見表4，得出持水量與浸泡時(shí)間之間存在以下關(guān)系式：

Q=aln(t)+b

(11)

式中：Q——枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時(shí)間(h)；a——方程系數(shù)；b——方程常數(shù)項(xiàng)。

圖1 研究區(qū)不同林分枯落物持水過程

通過對枯落物的未分解層和半分解層進(jìn)行擬合，大多數(shù)相關(guān)系數(shù)R2均大于0.91，只有金葉榆的半分解層、紫葉李的未分解層和半分解層的關(guān)系式相關(guān)系數(shù)在0.80～0.90之間，擬合效果較好，這說明10種林分枯落物的持水量與浸泡時(shí)間呈較為顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系(表4)。

表4 不同林分未分解層和半分解層枯落物層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

2.2.3 枯落物吸水速率 由圖2可知，10種林分不同層次的枯落物的吸水速率與浸泡時(shí)間呈現(xiàn)規(guī)律如下：枯落物的未分解層和半分解層在開始浸泡時(shí)，吸水速率都非常高，在0.5 h之前吸水速率最大，這可能是枯落物從風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后枯落物的死細(xì)胞間或者表面水勢差較大導(dǎo)致吸水速率較高所致，與徐娟等的研究結(jié)果分析相似[20]。之后枯落物的吸水速率下降明顯且速度快，6 h左右時(shí)下降速度呈明顯的減緩趨勢。雖然10種林分枯落物在浸泡初期其吸水速率相差較大，但隨著浸泡時(shí)間的增加，枯落物吸水速率趨于一致，24 h吸水基本停止，表明枯落物吸水已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。這是因?yàn)榭萋湮锏某炙侩S著浸泡時(shí)間的持續(xù)延長逐漸接近其最大持水量直至飽和，因此，其吸水速率也會(huì)隨之減小。

圖2 不同林分枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

對10種林分不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合(結(jié)果詳見表5)，得到關(guān)系式為：

V=ktn

(12)

式中：V——枯落物吸水速率(g/kg)；t——浸泡時(shí)間(h)；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。

通過對不同林分枯落物的未分解層和半分解層的吸水速率和浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合分析，其相關(guān)系數(shù)R2均為0.99，擬合效果較好，這說明研究區(qū)域10種林分枯落物的吸水速率與浸泡時(shí)間呈較為顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

表5 不同林分枯落物層吸水速率與浸泡時(shí)間擬合方程

2.2.4 枯落物有效攔蓄能力 由表6可知，10種林分枯落物的最大攔蓄量在5.37～24.24 t/hm2之間，其中毛白楊林枯落物最大攔蓄量最大，紫葉李林最小，各林分枯落物未分解層最大攔蓄量在2.63～15.48 t/hm2之間，半分解層在2.74～8.76 t/hm2之間。從有效攔蓄率看，千頭椿林和元寶楓林未分解層大于半分解層，而其他8種林分則是半分解層大于未分解層，各林分平均有效攔蓄率在161.00%～396.23%之間。毛白楊林枯落物的總有效攔蓄量和總有效攔蓄深均為最強(qiáng)，分別為20.51 t/hm2，2.05 mm，而紫葉李林枯落物均為最弱，分別為4.54 t/hm2，0.45 mm，其他林分總有效攔蓄量和總有效攔蓄深由大到小均依次為:千頭椿>刺槐>金葉榆>國槐>銀杏>元寶楓>旱柳>油松。

表6 研究區(qū)不同林分枯落物有效攔蓄能力

3 結(jié) 論

(1) 北京大興生態(tài)景觀林10種林分枯落物的研究結(jié)果表明：毛白楊林枯落物總厚度最大，為4.8 cm，油松最小，為1.9 cm。10種林分枯落物總蓄積量在2.37～5.33 t/hm2之間，由大到小依次為：毛白楊>油松>千頭椿>刺槐>國槐>銀杏>金葉榆>元寶楓>旱柳>紫葉李。毛白楊林未分解層枯落物的蓄積量占總蓄積量比例最大，為67.52%，金葉榆林最小，為36.88%。

(2) 10種不同林分枯落物最大持水量5.56～24.92 t/hm2，最大持水率208.64%～481.62%，最大攔蓄量2.63～15.48 t/hm2，有效攔蓄率則是千頭椿林和元寶楓林未分解層大于半分解層，其他8種林分半分解層大于未分解層，各林分平均有效攔蓄率為161.00%～396.23%。毛白楊林枯落物的總有效攔蓄量和總有效攔蓄深均為最強(qiáng)，紫葉李林均為最弱。

(3) 對于枯落物的持水過程，枯落物不同層次持水量與浸泡時(shí)間存在顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系?？萋湮锍炙吭谧畛踅莸?～0.5 h內(nèi)，隨著浸泡時(shí)間的增加，枯落物持水量迅速增加，浸泡8 h時(shí)基本飽和；枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。在最初浸泡的0.5 h內(nèi)枯落物的吸水速率最大，之后吸水速率急劇下降，6 h左右時(shí)下降明顯減緩，24 h時(shí)吸水基本停止。綜合分析結(jié)果表明，10種林分中毛白楊的各項(xiàng)持水能力均優(yōu)于其它樹種，能夠較好地涵養(yǎng)水源。

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