魯中山區(qū)不同坡位刺槐林枯落物持水特性研究

彭 棟

(水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088)

1 引言

林地枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在改善土壤、蓄水保土方面都有非常重要的作用?？萋湮飳訉?duì)森林水文循環(huán)也有著重要的影響[1]，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物層可以直接消耗雨滴對(duì)地表的沖擊能量，減緩地表徑流對(duì)表土的沖刷，此外枯落物對(duì)降雨的截留可以使得降雨緩慢入滲進(jìn)入土壤，以增加土壤含水率，枯落物層在截留降水、阻延徑流、減少土壤水分蒸發(fā)和土壤流失等多方面均具有重要作用[2]。

刺槐是北方土石山區(qū)的鄉(xiāng)土樹種，在植樹造林方面應(yīng)用廣泛，刺槐的適應(yīng)性強(qiáng)，耗水少，適宜在北方大面積造林。對(duì)不同坡位坡向的枯落物持水性進(jìn)行研究，可以為小流域管理提供參考，研究刺槐枯落物層的水文效應(yīng)對(duì)于探討森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和水量平衡具有重要意義[3]。地上枯落物累積在時(shí)間尺度上一般遵循植物的生命周期，同時(shí)也受環(huán)境因子的調(diào)控，研究現(xiàn)有刺槐枯落物吸水機(jī)理和水文特征對(duì)保持水土、合理經(jīng)營(yíng)和利用森林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。生境條件顯著影響人工林建群種種群結(jié)構(gòu)和群落特征[4]。陰坡、陽(yáng)坡和溝道的生境條件(光照水平、土壤特性、灌草植被蓋度等)在藥鄉(xiāng)林場(chǎng)有明顯差異，坡向顯著影響森林的林分結(jié)構(gòu)、生態(tài)效益和可持續(xù)發(fā)育能力，因此也影響著枯落物的持水性能[5]。因此研究刺槐枯落物在陰坡、陽(yáng)坡以及溝道3種不同位置下的持水性能對(duì)研究刺槐的水土保持作用有重要意義。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 野外取樣

選取濟(jì)南藥鄉(xiāng)林場(chǎng)的溝道、陽(yáng)坡及陰坡3類具有代表性的地段，每類選取2個(gè)刺槐林地作為調(diào)查樣地，所有樣地均設(shè)置在基本未受干擾破壞的地段。在每個(gè)刺槐林樣地上選取3個(gè)10 m×10 m樣方，每個(gè)樣方內(nèi)采集刺槐枯落物。

2.2 室內(nèi)分析

將取得的枯落物用塑封袋帶回室內(nèi)后迅速稱質(zhì)量，然后進(jìn)行烘干并稱質(zhì)量，以干物質(zhì)重計(jì)算蓄積量。作為標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)查采樣后，基于人工模擬降雨法，研究不同坡位刺槐林枯落物持水特性及其影響因子。采用人工模擬降雨法測(cè)定枯落物的吸水過程。為了測(cè)定枯落物的截持降雨量，首先將烘干并稱重后的枯落物仿照其自然結(jié)構(gòu)和重量比例轉(zhuǎn)入由管道制成的試驗(yàn)篩(長(zhǎng)50 cm，寬50 cm，高15 cm，底為80目的尼龍網(wǎng))，即一個(gè)試驗(yàn)篩內(nèi)為便于對(duì)比分析，按照未分解層與半分解層烘干后質(zhì)量相等的比例分層裝入圓形實(shí)驗(yàn)篩中，一組共6個(gè)重復(fù)樣本。各實(shí)驗(yàn)篩內(nèi)裝填烘干后的枯落物，用專業(yè)模擬降雨器對(duì)裝有干枯落物的實(shí)驗(yàn)篩進(jìn)行人工降雨，為比較充分供水條件下枯落物的持水過程，設(shè)定試驗(yàn)的雨強(qiáng)遠(yuǎn)大于藥鄉(xiāng)林場(chǎng)地區(qū)多年平均雨強(qiáng)，為300 mm/h。再由儲(chǔ)水罐和電子天平組成的排水收集器收集實(shí)驗(yàn)篩底部排出的水。

在降雨過程中，分別設(shè)置1.5 mm，3 mm，4.5 mm，6 mm，9 mm，12 mm，15 mm，18 mm，21 mm，24 mm，27 mm，30 mm，36 mm，46 mm，56 mm，66 mm，76 mm降雨量，每個(gè)樣地設(shè)置6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)初始階段枯落物吸水過程變化較為劇烈，之后變動(dòng)幅度變小，最后重量基本保持不變。同時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)篩底部排出的水量，以校準(zhǔn)雨強(qiáng)大小不變。不同時(shí)刻枯落物的降雨截持量累積值是不同時(shí)刻實(shí)驗(yàn)篩的重量減掉實(shí)驗(yàn)篩自重(同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)篩自身吸附水影響，從測(cè)定值中減去)和枯落物干重的值，它與枯落物干重的比值即為枯落物的持水率，而不同坡位自然持水量是枯落物水分(剛采回來濕重與干重之差)與干重的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 蓄積量

枯落物是森林枯落物層持水的載體，其蓄積量的大小和性質(zhì)將直接影響枯落物層持水能力的高低，蓄積量越大、水分吸附性能越好，則持水量也會(huì)越大。因此，在評(píng)價(jià)森林水文生態(tài)功能的時(shí)候，枯落物蓄積量是研究的首要因素。不同類型的林分、枯枝落葉成分、枯落物堆砌方式、林下微生物活動(dòng)的環(huán)境條件，以及水、熱等條件的不同均會(huì)造成枯落物分解速度的差異，從而導(dǎo)致枯落物在一定時(shí)間內(nèi)的蓄積量出現(xiàn)較大差別。人工林植被林下枯落物蓄積量的大小與樹種、樹木生長(zhǎng)年齡、林分營(yíng)造結(jié)構(gòu)、地被植物、氣候因子以及人類活動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān)。

表1 刺槐枯落物蓄積量

根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果(表1)可知，刺槐枯落物在溝道、陽(yáng)坡及陰坡的蓄積量分別為98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄積量表現(xiàn)為：陽(yáng)坡>溝道>陰坡。比較蓄積量還要進(jìn)行T檢驗(yàn)，T檢驗(yàn)結(jié)果(采用雙尾，成對(duì)檢驗(yàn))如表2所示。

表2 刺槐枯落物蓄積量不同坡位T檢驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得出：①溝道和陽(yáng)坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=0.883236807>0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體無顯著差異；②陽(yáng)坡和陰坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=0.052840356<0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體有顯著差異；③溝道和陰坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=0.008474102<0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體有顯著差異。因此可以看出，刺槐枯落物的蓄積量與坡位有關(guān)，溝道與陽(yáng)坡枯落物蓄積量基本相似，陽(yáng)坡與陰坡、溝道與陰坡枯落物蓄積量差別較大，經(jīng)分析，陽(yáng)坡由于光照充足，植物光合作用強(qiáng)于溝道和陰坡，光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物中的化學(xué)能儲(chǔ)存，所以陽(yáng)坡植物枝葉生長(zhǎng)茂盛，林內(nèi)枯枝落葉產(chǎn)生速率快，而陰坡常年處于背陰面，光合作用弱，林內(nèi)枯枝落葉產(chǎn)生速度慢，加上陰坡濕度大，枯落物腐蝕速度快，所以產(chǎn)生較少的枯落物。

3.2 不同坡位自然持水量

由圖1可以得出不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，陰坡的自然持水量最大為32.2 mm，溝道自然持水量中等為26.5 mm，陽(yáng)坡的自然持水量最小為15.95 mm，經(jīng)分析，這是由于不同坡位坡向的水熱條件和枯落物蓄積量所致，陽(yáng)坡處于向陽(yáng)面，光照充足，水分易于蒸發(fā)，故而自然持水量較小，而陰坡常年處于背陰面，日照時(shí)間短，水分不易于蒸發(fā)，故而自然持水量較大；陽(yáng)坡蓄積量多于陰坡，枯落物覆蓋層較厚，水分不易流失，相比較而言持水量應(yīng)該大于陰坡，但是陽(yáng)坡的自然持水量小于陰坡，所以坡位坡向的水熱條件起主要原因，枯落物的蓄積量起次要原因，枯落物的自然持水量由水熱條件決定。

圖1 不同坡位自然持水量

3.3 基于人工模擬降雨的枯落物持水特性

3.3.1 枯落物持水過程

枯落物的持水過程由4個(gè)階段組成，第1個(gè)階段是快速吸水階段，第2個(gè)階段是緩慢吸水階段，第3個(gè)階段是逐漸飽和階段，第4個(gè)階段是飽和階段。

3.3.2 達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)

根據(jù)圖2顯示的人工模擬降雨法測(cè)定刺槐枯落物截留量隨時(shí)間的變化，可把截持過程分為4個(gè)階段。第1階段為迅速吸收階段，在圖2中表現(xiàn)為0～6.7 min時(shí)間段，截持量變化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率變化與枯落物的含水量關(guān)系密切；第2階段為緩慢吸收階段，在圖2中表現(xiàn)為6.7～13 min時(shí)間段，隨著枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐漸降低；第3階段為逐漸飽和階段，在圖2中表現(xiàn)為13～18 min時(shí)間段，隨著截持過程的進(jìn)行，截持速率逐漸趨向于零，這時(shí)枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆蓋在枯落物表面的自由重力水；第4階段為飽和階段，在圖2中表現(xiàn)為18～42 min時(shí)間段，枯落物濕重在某一值上下浮動(dòng)，達(dá)到最大截留量，也就是在18 min以后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)。

圖2 人工模擬降雨條件下枯落物截留時(shí)長(zhǎng)

3.3.3 穩(wěn)定后有效持水量

森林枯落物可以增加林地土壤儲(chǔ)水，使有限的降水資源能更大程度地被林木吸收利用。林地枯落物的持水特性多用截留量也就是持水量來表示，持水量為枯落物吸水重量與其干重之比，枯落物的持水量越高，則能在最短時(shí)間內(nèi)有效地含蓄降水，為土壤保濕保墑提供充足的水分。由圖3可以看出刺槐枯落物在陰坡的持水量最高，溝道枯落物持水量最低，刺槐陽(yáng)坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導(dǎo)致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。但是要比較刺槐不同位置枯落物持水性能還要進(jìn)行T檢驗(yàn)(表3)。

圖3 人工模擬降雨條件下枯落物截留過程

表3 刺槐枯落物不同坡位截留量T檢驗(yàn)結(jié)果

T檢驗(yàn)結(jié)果(采用雙尾，成對(duì)檢驗(yàn))：①溝道和陽(yáng)坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=0.005123791<0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體有顯著差異；②陽(yáng)坡和陰坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=6.44144E-11>0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體無顯著差異；③溝道和陰坡進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p=1.09561E-12>0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體無顯著差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：刺槐枯落物持水性能與坡位坡向(溝道、陽(yáng)坡及陰坡)有關(guān)，刺槐溝道達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為250 mm，刺槐陽(yáng)坡達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為260 mm，刺槐陰坡達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為300 mm，陽(yáng)坡與陰坡、溝道與陰坡的持水性基本相同，而溝道和陽(yáng)坡的持水性差別較大，溝道的持水性要小于陽(yáng)坡的持水性，刺槐陰坡的持水特性最好，刺槐溝道的持水特性最弱。刺槐陽(yáng)坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導(dǎo)致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。

4 結(jié)論與討論

(1)刺槐枯落物的蓄積量與坡位坡向有關(guān)，溝道、陽(yáng)坡及陰坡的蓄積量分別為98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄積量表現(xiàn)為陽(yáng)坡>溝道>陰坡，溝道和陽(yáng)坡枯落物蓄積量基本相似，陽(yáng)坡和陰坡、溝道和陰坡枯落物蓄積量差別較大，刺槐枯落物陽(yáng)坡蓄積量最大，陰坡枯落物蓄積量最小。

(2)不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，陰坡的自然持水量最大為32.2 mm，溝道自然持水量中等為26.5 mm，陽(yáng)坡的自然持水量最小為15.95 mm，因此，陰坡的自然持水量最大，陽(yáng)坡的自然持水量最小。這是由于不同坡位坡向的水熱條件和枯落物蓄積量不同所致。陽(yáng)坡處于向陽(yáng)面，光照充足，水分易于蒸發(fā)，故而自然持水量較小，而陰坡常年處于背陰面，日照時(shí)間短，水分不易于蒸發(fā)，故而自然持水量較大；陽(yáng)坡蓄積量多于陰坡，枯落物覆蓋層較厚，水分不易流失，相比較而言持水量應(yīng)該大于陰坡，但是陽(yáng)坡的自然持水量小于陰坡，所以坡位坡向的水熱條件起主要原因，枯落物的蓄積量起次要原因，枯落物的自然持水量由水熱條件決定。

(3)刺槐枯落物持水性能與坡位坡向(溝道、陽(yáng)坡及陰坡)有關(guān)，刺槐溝道達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為250 mm，刺槐陽(yáng)坡達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為260 mm，刺槐陰坡達(dá)到穩(wěn)定時(shí)截留量約為300 mm，陽(yáng)坡與陰坡、溝道與陰坡的持水性基本相同，而溝道和陽(yáng)坡的持水性差別較大，溝道的持水性要小于陽(yáng)坡的持水性，刺槐陰坡的持水特性最好，刺槐溝道的持水特性最弱。刺槐陽(yáng)坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導(dǎo)致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。

(4)刺槐枯落物截留過程分4個(gè)階段，第1階段為迅速吸收階段，表現(xiàn)為0～6.7 min時(shí)間段，截持量變化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率變化與枯落物的含水量關(guān)系密切；第2階段為緩慢吸收階段，表現(xiàn)為6.7～13 min時(shí)間段，隨著枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐漸降低；第3階段為逐漸飽和階段，表現(xiàn)為13～18 min時(shí)間段，隨著截持過程的進(jìn)行，截持速率逐漸趨向于零，這時(shí)枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆蓋在枯落物表面的自由重力水；第4階段為飽和階段，表現(xiàn)為18～42 min時(shí)間段，枯落物濕重在某一值上下浮動(dòng)，達(dá)到最大截留量，也就是在18 min以后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)。

(5)本實(shí)驗(yàn)中采用的人工降雨法,雖然彌補(bǔ)了部分室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物最大持水量的不足,但是并不能完全代表實(shí)際降雨時(shí)的枯落物截持過程。在自然環(huán)境中,影響枯落物截持過程的因素還有其它的氣候、地形因子以及枯落物性質(zhì)等要素。在今后進(jìn)一步的研究中,可以從模擬多種雨強(qiáng)、鋪設(shè)多種枯落物厚度的角度出發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并設(shè)計(jì)模擬多種氣候條件、地形條件，以期更進(jìn)一步了解枯落物的水文特性。