不同植被類型枯落物水源涵養(yǎng)功能的研究

邱麗霞，李淑芬，溫哲華

（1.贊皇縣自然資源和規(guī)劃局，河北 贊皇 051230；2.河北省林業(yè)和草原信息中心，河北 石家莊 050081）

水是人類和動(dòng)植物生存的根本，水資源對(duì)于維持生態(tài)平衡具有重要的作用，森林涵養(yǎng)水源的作用逐漸凸顯，已經(jīng)成為保護(hù)水資源不可缺少的一部分。森林枯落物層作為森林水源涵養(yǎng)的主體，在發(fā)揮森林水文生態(tài)功能中起到了重要的作用[1]。森林枯落物層處于林分植物層與土壤層之間，成分以枯落葉為主，是由森林生態(tài)系統(tǒng)中植物地上部分器官或組織枯死、脫落堆積而成[2]。涵養(yǎng)水源是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，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)蓄與再分配等過程上[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)中的枯枝落葉層主要是由森林植物凋落物集聚在土壤表面所形成的一個(gè)重要覆蓋面和保護(hù)膜，它不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)組成部分，經(jīng)常處于不斷輸入和逐漸分解的動(dòng)態(tài)變化之中，而且對(duì)林地土壤的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分狀況等方面有顯著的影響，因此在大量森林水文作用研究中都將其作為一個(gè)重要的水文層次予以關(guān)注[4-9]?？萋鋵映吮旧淼乃中畛帜芰ν?，還具有改良其下層土壤物理性能、增加土壤孔隙度、抑制林地土壤水分蒸發(fā)、促進(jìn)土壤水分入滲等重要功能[10]。此外，由于林地枯落物的存在，增加了地表的粗糙度，在阻延地表徑流方面起著重要的作用。森林枯落物層作為森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層，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(shí)，枯落物分解成的土壤腐殖質(zhì)，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的滲透性[11]。因此，枯落物層的研究對(duì)于了解森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)特征及水土保持能力具有重要意義[12-14]。

1 研究區(qū)域概況

塞罕壩地處河北省承德市圍場(chǎng)縣，是內(nèi)蒙古高原和河北北部山地的交接處，北緯 42°02′～42°36′，東經(jīng) 116°51′～117°39′，東西長(zhǎng) 51.45km，南北寬17.84km，總面積20029hm2。塞罕壩地處典型的森林—草原交錯(cuò)帶，既有森林，又有草地；既有湖泊，又有河流。塞罕壩地區(qū)分為壩上和壩下，海拔分別為1500～1940m和1010～1500m。塞罕壩屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫-1.4℃，最低溫-43.2℃；無霜期68d。平均降水量為490mm，平均蒸發(fā)量1229.9mm。

表1 各樣地基本概況

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)有林地面積9.5萬hm2，森林覆蓋率75.2%，其中人工林50533hm2，天然林20133hm2；在木材的利用方面，可利用的中齡林和近熟林面積分別為34467hm2和8467hm2，還有一些新栽植的幼齡林，大概面積在27733hm2，林場(chǎng)的林木總蓄積達(dá)到928萬m2，全場(chǎng)林木總資產(chǎn)42億元。塞罕壩早年為“皇家獵苑”禁地，居民較少，并且分散?，F(xiàn)在該區(qū)活動(dòng)最多的是林業(yè)科技人員和林業(yè)工人，還有一些周邊地區(qū)的牧場(chǎng)工人和農(nóng)民。較少的人為活動(dòng)為塞罕壩森林資源的保存提供了有力的保障。

2 研究方法

枯落物的水源涵養(yǎng)能力主要是由枯落物的蓄積量和枯落物的持水能力決定的[15]，因此本文主要以這兩方面來對(duì)枯落物進(jìn)行研究，對(duì)4種不同植被的枯落物進(jìn)行厚度和重量測(cè)定，并測(cè)量其最大持水量和它們的吸水速率，以調(diào)查枯落物的水源涵養(yǎng)能力。

2.1 樣地設(shè)置

在林場(chǎng)內(nèi)選取地理位置相近、土質(zhì)相似以及各種客觀因素基本類似的樣地，以20m×20m為1個(gè)樣方，要求樣方內(nèi)擁有所調(diào)查的樹種，以皮尺測(cè)量樣地，在每個(gè)樣地中以紅色噴漆畫出邊界以便準(zhǔn)確測(cè)量樣地內(nèi)各數(shù)據(jù)。調(diào)查樣地內(nèi)的土壤狀況及植被類型，數(shù)據(jù)見表1。

2.2 枯落物現(xiàn)存量的測(cè)定

在4塊樣地內(nèi)分別對(duì)枯落物現(xiàn)存量進(jìn)行調(diào)查采集，在各樣地內(nèi)分別設(shè)置1m×1m的枯落物調(diào)查樣方3個(gè)，在樣方內(nèi)，隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)用以測(cè)定枯落物厚度，取其平均值。收集該單位面積的枯落物裝入自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室稱重。

2.3 枯落物有效持水率的測(cè)定

枯落物持水率是其在一定時(shí)段內(nèi)截持吸收的水量占自身風(fēng)干重量的百分?jǐn)?shù)，是反映枯落物涵蓄水分能力的重要指標(biāo)，主要取決于枯落物的組成、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和分解程度等[16]。具體指標(biāo)有最大持水率、有效持水率和持水量等，一般認(rèn)為枯落物浸水24h后的持水率為最大持水率[17]。

首先將收集的枯落物測(cè)出鮮重W1，然后在烘箱中以恒溫85℃烘至恒重并取出后立即測(cè)定干重W2，并記錄，計(jì)算出枯落物的自然持水率W，應(yīng)用公式為:

將烘干后的枯落物分別稱等量裝入網(wǎng)袋內(nèi)放入水中浸泡 0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12、24h，在每個(gè)時(shí)間段后取出稱各時(shí)間段的重量，測(cè)量出枯落物吸水后的重量。浸泡24h后枯落物不再吸水為最大持水量，取出浸水枯落物后控水到?jīng)]有多余的重力水下落時(shí)再稱重W3，然后計(jì)算其最大持水率Wt，公式為:

由于在自然條件下，山地森林的坡面上一般不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水條件，所以實(shí)際持水率低于最大持水率，實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右，所以枯落物的有效持水率WS為WS=0.85Wt-W。

3 結(jié)果分析

3.1 不同植被類型林下枯落物蓄積量結(jié)果分析

在樣地中收集枯落物并計(jì)算所收集的枯落物總量，再計(jì)算出每公頃枯落物的量，見表2。

表2 不同植被類型下枯落物蓄積量

從表2可以看出:不同植被類型的枯落物層厚度和蓄積量差異較大，厚度最大為落葉松林（6.5cm），最小為繡線菊灌叢（2.5cm），枯落物層厚度從大到小順序依次為落葉松林＞荊條灌叢＞胡枝子灌叢＞繡線菊灌叢，蓄積量的變動(dòng)范圍在2.83～10.58t/hm2。落葉松林枯落物量最高，為10.58t/hm2，其次為荊條灌叢（7.09t/hm2），而胡枝子灌叢枯落物為6.12t/hm2，繡線菊灌叢枯落物為2.83t/hm2。結(jié)果表明:落葉松林枯落物比灌叢枯落物厚度大，蓄積量也大。

3.2 不同植被類型枯落物層的持水能力與吸水速率

枯落物層的最大持水量是指枯落物浸濕24h時(shí)的持水量，有效持水量一般取最大持水量的85%。本文對(duì)不同植被類型枯落物層持水能力和吸水速率的測(cè)定結(jié)果見表3和表4。

表3 不同植被類型枯落物層的持水能力

表4 不同植被枯落物浸水不同時(shí)段吸水速率比較 單位:kg·m-2·h-1

由表3可知:落葉松林枯落物的有效持水率為340.51%，荊條灌叢枯落物有效持水率為329.77%，胡枝子灌叢有效持水率為194.55%，繡線菊灌叢枯落物有效持水率為139.79%，最大持水率和自然含水率也是依次降低，持水能力逐漸下降，依然是落葉松的持水能力最強(qiáng)，繡線菊灌叢的持水能力最次。

根據(jù)表4可以看出:不同林分類型枯落物的吸水既有共同之處，又有不同之處。在4h以內(nèi)時(shí)，枯落物的吸水速率極大，但是下降的趨勢(shì)也很大，此期間的枯落物吸水速率最大；在4～15h之間，吸水速率降低的較為緩慢，吸水量較小，但仍處于吸水狀態(tài)；15h之后枯落物的吸水速率比較穩(wěn)定，吸水量增幅很小，吸水量基本上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，表明此時(shí)枯落物的吸水量已經(jīng)基本飽和。4種植被中落葉松林的吸水速率一直高于其他3種，剩下的3種從大到小依次是荊條灌叢枯落物＞胡枝子灌叢枯落物＞繡線菊灌叢枯落物。

4 結(jié)論與討論

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)不同植被類型的枯落物層差異較大，枯落物層厚度和蓄積量從大到小為落葉松林、荊條灌叢、胡枝子灌叢和繡線菊灌叢。

持水率方面，枯落物有效持水率為落葉松林＞荊條灌叢＞胡枝子灌叢＞繡線菊灌叢，最大持水率和自然含水率順序與持水率相同，持水能力逐漸下降，依然是落葉松的持水能力最強(qiáng)，繡線菊灌叢的持水能力最次。

在枯落物進(jìn)行浸泡期間，落葉松林的吸水速率最大，明顯的高于其他3種灌叢，剩下的3種植被按從大到小的順序依次為荊條灌叢＞胡枝子灌叢＞繡線菊灌叢，在枯落物的吸水期間，4種植被中吸水速率起始降低較快，然后降低的速率變慢，最后在15h吸水速率基本穩(wěn)定，在24h時(shí)吸水率達(dá)到最大。

落葉松林的厚度、蓄積量、持水率和持水量都是最大，繡線菊灌叢最次，由此可見，落葉松林的水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，灌叢的水源涵養(yǎng)能力較弱。荊條灌叢、胡枝子灌叢與繡線菊灌叢枯落物水源涵養(yǎng)功能有一定差異，從大到小依次為荊條灌叢、胡枝子灌叢、繡線菊灌叢。

因此，在優(yōu)化水源涵養(yǎng)功能的條件下，建議適宜種植落葉松林，可搭配種植灌叢，以保證森林的水分利用達(dá)到最大效益。