遼東山區(qū)水源涵養(yǎng)林枯落物持水特性的研究

邢亮

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測(cè)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110122)

水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)功能之一，主要體現(xiàn)在森林植被層、枯枝落葉層及土壤層等對(duì)水分的調(diào)蓄與再分配過(guò)程上[1],研究水源涵養(yǎng)林的林分結(jié)構(gòu)，及時(shí)調(diào)整培育管理計(jì)劃可為發(fā)揮水源涵養(yǎng)林的生態(tài)效益提供重要的理論基礎(chǔ)。遼東山區(qū)水資源總量占遼寧省的62%，以公益林和天然林為主的森林資源涵養(yǎng)水源120億t·a-1，為占遼寧省經(jīng)濟(jì)總量94%的10個(gè)大中城市提供80%的工農(nóng)業(yè)用水[2]。

目前，我國(guó)探討林地枯落物層的水文生態(tài)功能僅限于對(duì)其靜態(tài)水文的研究，而系統(tǒng)地研究枯落物層不同分解層次的持水性能及動(dòng)態(tài)水文卻很少。我國(guó)森林枯落物的最大持水率平均為自身干質(zhì)量的309.54%，林地枯落物層的最大持水量平均為4.18 mm[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)枯落物層的防蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，其主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是枯落物層具有一定的貯水持水性能，可以有效延長(zhǎng)徑流歷時(shí)和增加土壤入滲；二是枯落物層的存在增大了地表有效糙率，對(duì)于減小徑流流速和防止土壤侵蝕具有重大意義。

本項(xiàng)研究選取了遼東山區(qū)的四種主要水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，采用浸泡瀝干測(cè)量的方法從而測(cè)出最大持水量，計(jì)算出枯落物吸水速率。對(duì)于觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而找出遼東山區(qū)主要水源涵養(yǎng)林枯落物持水特性的影響因素。

1 試驗(yàn)地概況

1.1 地理位置

試驗(yàn)地位于撫順新賓滿(mǎn)族自治縣境內(nèi)的趙家林場(chǎng)猴石森林公園。猴石國(guó)家森林公園位于遼寧省新賓滿(mǎn)族自治縣趙家林場(chǎng)，距新賓縣城75 km，距撫順市124 km，距沈陽(yáng)189 km?？偯娣e1 935 hm2，坡度10～36°。年平均溫度7 ℃。平均海拔520 m左右，最高峰為砬子溝，海拔962 m，呈現(xiàn)典型的冰川地貌。

1.2 氣候特征

新賓境內(nèi)屬北溫帶季節(jié)性大陸氣候，四季分明，氣候宜人，雨量充沛，年平均降雨量在750～850 mm。全年無(wú)霜期150 d左右，植物生長(zhǎng)季為4—9月，早晚溫差較大。

1.3 森林植被狀況

猴石森林公園土壤肥沃，屬于長(zhǎng)白山余脈，自然植被屬于長(zhǎng)白山植被區(qū)系，植物種類(lèi)繁多。這里現(xiàn)存的森林主要是次生林和人工林，人工林以針葉林為主，如紅松(Pinuskoraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)。次生林中的喬木主要是東北常見(jiàn)的闊葉樹(shù)種，如蒙古櫟(Quercusmongolica) 、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白榆(Ulmuspumila)等。林下灌木和草本數(shù)量繁多，種類(lèi)豐富，灌木主要有衛(wèi)矛(Euonymusspp.)、丁香(Syringaoblata)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

在遼東山區(qū)蘇子河上游的趙家林場(chǎng)，選擇白榆水曲柳天然次生混交林、蒙古櫟天然次生林、紅松人工純林、落葉松人工純林4種典型的水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象。在每一類(lèi)型中設(shè)置面積20 m ×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，在每一個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置3個(gè)30 cm×30 cm的枯落物小樣方。

2.2 枯落物采集及持水量測(cè)定

設(shè)置0.3 m×0.3 m的小樣方后，用鐵鏟劃出其邊界，用鋼卷尺測(cè)量出枯落物各個(gè)分解層厚度，記錄后，去掉樣方內(nèi)活體部分，然后用準(zhǔn)備好的網(wǎng)袋將各層枯落物分別收集、稱(chēng)質(zhì)量并加以記錄。把采集的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，在65 ℃的恒溫箱中烘干稱(chēng)其干質(zhì)量并推算枯落物現(xiàn)存量[4]。將烘干的枯落物浸入水中，分別在0.5、1、1.5、2、4、6、8、12和24 h后將枯落物取出，將水控干、稱(chēng)質(zhì)量并記錄，與枯落物的干質(zhì)量進(jìn)行比較，計(jì)算出枯落物的持水量。用每個(gè)時(shí)間段持水量除以浸泡的時(shí)間，計(jì)算得出這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的持水率。24 h后質(zhì)量基本不變，所以24 h的持水量即為最大持水量，此時(shí)的持水率也為最大持水率。對(duì)于幾個(gè)不同森林類(lèi)型采集的枯落物的持水量和持水率的比較可以得出不同森林類(lèi)型枯落物的持水能力。

枯落物最大持水率(%)公式為：

式中：Smax—最大持水率(%)；Wm—枯落物浸泡24 h時(shí)的濕質(zhì)量(g)；W0—枯落物烘干質(zhì)量(g)。

枯落物攔蓄能力：枯落物層的最大攔蓄量按照枯落物層的蓄積量和其最大持水率及自然持水率可推算出來(lái)。而有效攔蓄量可用來(lái)估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量。

公式分別為：

Wmax=(Smax-Sa)×100%

W=0.85(Smax-Sa)M

式中：Wmax，W—最大攔蓄量和有效攔蓄量(t·hm-2)；S—自然含水率(%)；M—枯落物蓄積量。

3 結(jié)果與分析

3.1 天然次生林枯落物持水特性

3.1.1 枯落物厚度 對(duì)不同森林類(lèi)型枯落物各分解層的厚度進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同森林類(lèi)型枯落物厚度方差分析

由表1可見(jiàn)，不同森林類(lèi)型林下枯落物的在未分解層和半分解層次上以及總體層次上的厚度的差異極顯著(P<0.01)。進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行多重比較(見(jiàn)表2)，由表2可知，白榆+水曲柳天然次生混交林與蒙古櫟天然次生林的枯落物總厚度相近，分別為5.2 cm和5.3 cm，二者存在不顯著差異，未分解層枯落物厚度白榆+水曲柳天然次生混交林和蒙古櫟天然次生林都是3.1 cm，二者存在不顯著差異，半分解層也相近，分別為2.1 cm和2.2 cm，二者存在不顯著差異。

表2 各森林類(lèi)型枯落物厚度多重比較

3.1.2 枯落物現(xiàn)存量 分別對(duì)各個(gè)森林類(lèi)型林下枯落物未分解層現(xiàn)存量、半分解層現(xiàn)存量、總現(xiàn)存量進(jìn)行方差分析。由表3可知，各個(gè)森林類(lèi)型林下枯落物未分解層、半分解層現(xiàn)存量及枯落物總現(xiàn)存量存在顯著差異，(P<0.01)。由表4可知，蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林未分解層現(xiàn)存量分別為16.14 t·hm-2和10.96 t·hm-2，二者存在不顯著差異；蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林半分解層現(xiàn)存量分別為23.88 t·hm-2和6.87 t·hm-2，二者存在顯著差異；蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林總現(xiàn)存量分別為40.02 t·hm-2和17.81 t·hm-2，二者存在顯著差異。

表3 各森林類(lèi)型枯落物現(xiàn)存量方差分析

表4 各森林類(lèi)型枯落物現(xiàn)存量多重比較

3.1.3 枯落物持水量及持水率

(1)枯落物最大持水量。分別對(duì)各個(gè)森林類(lèi)型林下枯落物未分解層最大持水量、半分解層最大持水量、總最大持水量進(jìn)行方差分析。由表5可知，未分解層最大持水量不存在顯著差異(P>0.01)。半分解層最大持水量和總持水量均存在極顯著差異(P<0.01)。由表6可知，蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林半分解層最大持水量分別為43.69 t·hm-2和15.41 t·hm-2，二者存在顯著差異；蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林總持水量分別為75.78 t·hm-2和36.67 t·hm-2，二者存在顯著差異。

表5 各森林類(lèi)型枯落物最大持水量方差分析

表6 各森林類(lèi)型枯落物最大持水量多重比較

(2)枯落物最大持水率。對(duì)不同森林類(lèi)型枯落物各個(gè)分解層最大持水率進(jìn)行計(jì)算。由表7可知，蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林最大持水率未分解層持水率相似，分別為198.8%和194.0%；蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林最大持水率半分解層分別為182.9%和225.1%，蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林總最大持水率分別為189.3%和205.9%。

表7 各森林類(lèi)型枯落物最大持水率

(3)枯落物持水量與時(shí)間關(guān)系。使用試驗(yàn)和記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林建立浸泡時(shí)間和持水量曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1、圖2可知，兩種天然林的各分解層的持水量都在0～8 h進(jìn)程中持水量隨時(shí)間的變化增加幅度較大，在8 h以后，持水量曲線(xiàn)基本保持平穩(wěn)，持水量隨時(shí)間變化不明顯；白榆+水曲柳天然林中未分解層持水量要大于半分解層，而蒙古櫟天然次生林中未分解層持水量小于半分階層。

(4)枯落物吸水速度。對(duì)蒙古櫟天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林建立浸泡時(shí)間和持水速率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3，4)。

3.2 人工林枯落物持水特性

3.2.1 枯落物厚度 由表2可知，人工林未分解層厚度最大為紅松人工純林，平均達(dá)到2.8 cm，其次為落葉松人工純林，平均達(dá)到1.8 cm，兩者存在顯著差異；人工林半分解層厚度最大也為紅松人工純林，為4.0 cm，與落葉松人工林半分解層存在顯著差異；枯落物平均總厚度最大的是紅松人工純林，為6.8 cm，其次為落葉松人工純林，其總厚度平均值為4.7 cm，兩者存在顯著差異。

3.2.2 枯落物現(xiàn)存量 由表4可知，在未分解層中紅松人工純林的現(xiàn)存量最大，為12.0 t·hm-2，與其他人工林存在差異，但不顯著；其次為落葉松人工純林，平均現(xiàn)存量分別為6.89 t·hm-2，不存在差異；半分解層平均現(xiàn)存量紅松人工純林最大，達(dá)到37.20 t·hm-2，與落葉松人工純林存在顯著差異；總現(xiàn)存量最小的為落葉松人工純林，為31.96 t·hm-2，與紅松人工純林存在顯著差異。

3.2.3 枯落物持水量及持水率

(1)枯落物最大持水量。由表6可見(jiàn)，未分解層最大持水量不存在差異，紅松人工純林半分解層最大持水量最大，為66.72 t·hm-2，與其他林分不存在顯著差異；總持水量最大的為紅松人工純林，為93.26 t·hm-2，不存在顯著差異?？偝炙考t松人工純林大于落葉松人工純林。

(2)枯落物最大持水率。由表7可知，未分解層中最大持水率最大的為落葉松人工純林，為351.8%，最小的為紅松人工純林，為221.0%；半分解層中最大持水率最大的為落葉松人工純林，為239.3%，紅松人工純林最小，最大持水率在179.4%；總持水率最大的為落葉松人工純林，為263.5%，最小的為紅松人工純林，為189.5%；總體最大持水率從大到小依次為落葉松人工純林、紅松人工純林。

(3)枯落物持水量與時(shí)間關(guān)系。由圖5、圖6可見(jiàn)，人工林各層枯落物持水量都隨時(shí)間的增加而增大，并且均是半分解層持水量是未分解層持水量的兩倍左右，各林分未分解層和半分解層均在0～2 h持水量迅速增加，在2～8 h進(jìn)程中，持水量變化幅度減小，8 h以后枯落物持水基本飽和；半分解層在0～0.5 h進(jìn)程中吸水最快的為紅松人工純林，大約為60 t·hm-2，其次為落葉松人工純林，大約為50 t·hm-2，未分解層在0～0.5 h進(jìn)程中紅松人工純林和落葉松人工純林大約為20 t·hm-2。

(4)枯落物吸水速度。在人工林中根據(jù)浸泡時(shí)間和持水速率建立吸水速度曲線(xiàn)，如圖7和圖8所示：

由圖7和圖8可知，兩人工林各個(gè)分解層枯落物的吸水速度在0.5～2 h進(jìn)程中均隨吸水時(shí)間的增加而吸水速率迅速下降；當(dāng)時(shí)間到達(dá)6 h以后，隨時(shí)間的推移枯落物持水速率變緩慢，基本不變。在0～0.5 h之間半分解層中吸水速率最快的為紅松人工純林，大約為120 t·hm-2·h-1，其次為落葉松人工純林，約為100 t·hm-2·h-1；在0～0.5 h之間未分解層中吸水速率最快的為紅松人工純林，約為40 t·hm-2·h-1，落葉松人工純林約為23 t·hm-2·h-1。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

枯落物總厚度由大到小依次為紅松人工純林、白榆+水曲柳天然次生混交林、蒙古櫟天然次生林、落葉松人工純林。天然林的未分解層厚度要大于人工林的厚度，在半分解層中，人工林半分階層厚度要大于天然林，紅松人工林的厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然林和落葉松人工林。

枯落物總現(xiàn)存量從大到小依次為紅松人工純林、蒙古櫟天然次生林、落葉松人工純林、白榆+水曲柳天然次生混交林。在半分解層中白榆+水曲柳天然混交林的枯落物現(xiàn)存量明顯小于其他類(lèi)型森林，紅松人工純林的現(xiàn)存量明顯超過(guò)其他類(lèi)型森林的現(xiàn)存量；未分解層的現(xiàn)存量落葉松人工純林最小；總體現(xiàn)存量紅松人工純林的最大，白榆+水曲柳天然混交林的現(xiàn)存量最小。

枯落物總最大持水量從大到小依次為紅松人工純林、落葉松人工純林、蒙古櫟天然次生林、白榆+水曲柳天然次生混交林。蒙古櫟天然次生林未分解層的最大持水量大于其他森林類(lèi)型。半分解層中，紅松人工純林和落葉松人工純林的最大持水量大于其他兩個(gè)天然林。

枯落物總體最大持水率從大到小依次為落葉松人工純林、白榆+水曲柳天然次生混交林、紅松人工純林、蒙古櫟天然次生林。未分解層中，落葉松人工純林的最大持水率遠(yuǎn)大于其他森林的最大持水率，半分解層中也是落葉松人工純林的最大持水率最大。

枯落物吸水速度最快的為紅松人工純林和落葉松人工純林，最慢的為白榆+水曲柳天然次生混交林。針葉林林下枯落物平均吸水速度大于針闊混交林和闊葉林。

4.2 討論

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，除了紅松人工純林以外，其他類(lèi)型森林的枯落物的持水能力與枯落物總現(xiàn)存量關(guān)系緊密，但排序也有差異。枯落物的持水能力同時(shí)受樹(shù)種、土壤特性、枯落物中的分解物的量等其他因素影響，有待進(jìn)一步研究?？傮w來(lái)講人工針葉林的枯落物持水能力要比天然闊葉林的枯落物持水能力強(qiáng)。