濟(jì)南藥鄉(xiāng)林場赤松林、板栗林枯落物持水能力研究

彭 棟

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，合肥 230088)

1 研究背景

山東省藥鄉(xiāng)林場位于泰安市泰山區(qū)、岱岳區(qū)和濟(jì)南市歷城區(qū)交界處，始建于1919年，林場總面積1 210.266 7 hm2，主要喬木樹種有麻櫟、刺槐、赤松、油松、日本落葉松、華山松等，森林覆蓋率為96%，全部為國家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)防護(hù)林。

森林面積分別約占陸地、全球表面積的1/3和1/10 。森林同時(shí)也是許多環(huán)境功能的基礎(chǔ)，特別是在保護(hù)水資源方面。國內(nèi)外關(guān)于枯落物持水能力的研究，主要圍繞某一因素的改變對(duì)枯落物持水能力的影響和某一措施對(duì)提高枯落物持水能力的有效性等方面。例如，魯紹偉[1]發(fā)現(xiàn)枯落物總儲(chǔ)量變化范圍在9.47～20.82 t/hm2之間，最大持水量的變化范圍為15.96～51.97 t/hm2，枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈明顯對(duì)數(shù)關(guān)系，R>0.91，枯物吸水速率與浸泡時(shí)間呈明顯冪函數(shù)關(guān)系，R>0.97；高琛[2]研究出枯落物總蓄積量、枯落物最大持水量和最大持水率均隨海拔的升高先增大后減??；張東[3]發(fā)現(xiàn)白榆林林地枯落物在儲(chǔ)存水分以及增強(qiáng)林木對(duì)水分利用等方面較油松林和側(cè)柏林具有優(yōu)勢，在增加土壤水分、涵養(yǎng)水源、防止水土流失等方面都有很好的生態(tài)效應(yīng)。張焜[4]的研究成果為：①從未分解層+半分解層的整體來看，4 種類型天然林枯落物的糙率系數(shù)大小順序?yàn)殚熑~林(0.103 9)>針葉林(0.088 8)>針闊混交林(0.088 0)>楠竹林(0.058 0)。②糙率系數(shù)受枯落物的厚度、儲(chǔ)量影響很大，通過相關(guān)分析得出其相關(guān)系數(shù)分別為0.746和0.901，且在 0.01 水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。③糙率系數(shù)n值與枯落物厚度、枯落物儲(chǔ)量均呈冪函數(shù)關(guān)系，糙率系數(shù)n值隨枯落物厚度和儲(chǔ)量的增加而增大。

枯落物水分特征曲線可以具體反映不同土壤的持水和釋水特性，并且顯示出枯落物中的一些水分特征。目前，測定枯落物水分特征曲線的方法主要有人工降雨法和泡水法。人工降雨法比較精準(zhǔn)，能較為客觀地反映枯落物的吸水持水情況。泡水法誤差較大，一般吸水的重量為自身重量的2～6倍。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 典型針闊葉林枯落物儲(chǔ)量對(duì)比分析

首先，對(duì)采回來的樣品分組編號(hào)，分別測出各個(gè)樣品的初始重量，然后推算出每公頃林地的枯落物儲(chǔ)量。

2.2 典型針闊葉林枯落物自然持水量特性

通過實(shí)驗(yàn)前測得的各個(gè)樣品重量，推算它們各自的自然含水率。

2.3 不同林分枯落物的持水能力

通過野外林分調(diào)查，隨機(jī)分別采集6個(gè)赤松林枯落物和板栗林枯落物樣品，然后通過人工降雨和泡水兩種方法對(duì)比針葉林和闊葉林持水能力的差異。

2.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差異性

通過人工降雨和泡水兩種方法，得出兩組枯落物的持水?dāng)?shù)據(jù)。比較兩組數(shù)據(jù)的差異，對(duì)比分析出人工降雨法更加貼切自然現(xiàn)實(shí)，更能精準(zhǔn)地反映出枯落物持水能力。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型針闊葉林枯落物儲(chǔ)量對(duì)比分析

見圖1。

圖1 典型針闊葉林枯落物儲(chǔ)蓄量Fig.1 Litter reserves of typical coniferous forests

從圖1可以看出，濟(jì)南藥鄉(xiāng)林場的針葉林儲(chǔ)量36.83 t/hm2遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于闊葉林19.22 t/hm2(P<0.05)，而且從量上來看多了近一倍。北方土石山區(qū)屬于較困難立地，針葉林多符合實(shí)際情況。經(jīng)過計(jì)算，赤松林的儲(chǔ)蓄量誤差限為±10.92 t/hm2,板栗林的儲(chǔ)蓄量誤差限為±7.63 t/hm2。

通過t檢驗(yàn)，可以得出針闊葉林對(duì)儲(chǔ)量影響差異的P值為0.036 406 13<0.05，說明針闊葉林儲(chǔ)量差異顯著。

3.2 典型針闊葉林枯落物自然持水量特性

見圖2。

圖2 典型針闊葉林枯落物含水率Fig.2 Moisture content of litter in typical coniferous forests

由圖2可以看出，針葉林枯落物的自然含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于闊葉林。經(jīng)計(jì)算，得到赤松枯落物自然含水率為14.31%±6.11%，板栗林枯落物自然含水率為9.87%±10.90%。

通過t檢驗(yàn)，計(jì)算出針闊葉林對(duì)儲(chǔ)量影響差異的P值為0.419 120 289>0.1，說明針闊葉林含水率差異并不顯著。

3.3 不同林分枯落物的持水能力

3.3.1 人工降雨法

人工降雨法能較好地模擬自然環(huán)境，在開度為90%的暴雨模擬環(huán)境下，枯落物吸水持水能力非常貼切田間自然狀態(tài)下的防止雨滴擊濺、地表截流、攔蓄下滲。而且重量增幅(最初猛增)非常緩慢，比較符合田間自然狀態(tài)下的實(shí)際情況?？萋湮锍炙縿?dòng)態(tài)變化見圖3和圖4。

圖3 典型針闊葉林枯落物持水量與降雨時(shí)間關(guān)系圖Fig.3 Relationship between water holding capacity of litter and rainfall time in typical coniferous forests

圖4 典型針闊葉林枯落物持水量與降雨量關(guān)系圖Fig.4 Typical needle leaved forest litter in relationship between water and rainfall map

從圖3可看出，人工降雨法得到的結(jié)果是兩種林分的枯落物吸水不斷增重，并且吸水速度先快后慢，直至在一個(gè)穩(wěn)定值(赤松為6.31 mm，板栗為3.18 mm)上下波動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算，得到兩種林分t檢驗(yàn)結(jié)果P=5.112 92E-09>0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體無顯著差異。

由圖4可知，針闊葉林枯落物吸水持水規(guī)律是一樣的，都是開始迅速吸水，之后緩慢吸水直到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。而且，針葉林的吸水能力明顯強(qiáng)于闊葉林(P<0.05)。最后的穩(wěn)定數(shù)值(有效截流量)大約為初始重量的2～3倍。

3.3.2 泡水法

泡水法是采取限時(shí)泡水，定量控水。泡水之前，先按照次序做好以下幾項(xiàng)工作：①將人工降雨后的樣品放置于預(yù)熱好的烘箱，105℃下恒溫烘干(用時(shí)12 h)。②測出各個(gè)樣品的干重，并記錄。③3個(gè)水池都放好水，直至能浸沒樣品。④將樣品按照林分的不同，分成3組，每組置于一個(gè)水池旁。

按照15 min，30 min，1 h，2 h，3 h，4 h，5 h。6 h的泡水時(shí)間來測定各個(gè)樣品的持水重量，并記錄。為了直觀地反映出泡水法情況下針闊葉林枯落物持水能力，繪制出關(guān)系圖，見圖5。

圖5 典型針闊葉林枯落物持水量與泡水時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Typical needle leaved forest litter water holding capacity and water time diagram

由圖5可知，泡水法得到的枯落物持水能力規(guī)律與人工降雨法大體相同，同樣是開始迅速吸水增重，然后緩慢吸水，最后重量穩(wěn)定到某一個(gè)定值，且針葉林比闊葉林吸水能力。與人工降雨法得到的結(jié)果不同的是，泡水法得到的枯落物(無論針葉林還是闊葉林)重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于人工降雨法，特別是最后的最大持水量(赤松為9.37 mm,板栗為3.88 mm)穩(wěn)定值，大多為初始重量的3～4倍。經(jīng)過計(jì)算，得到t檢驗(yàn)的結(jié)果為P=9.337 81E-05>0.1，說明兩組數(shù)據(jù)總體無顯著差異。

3.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差異性

泡水法得到的赤松林(針葉林)和板栗林(闊葉林)的枯落物吸水持水特性都是開始猛增，0.5 h后緩和一陣，接著再度增加至原來干重的3～5倍，最后趨于穩(wěn)定。觀察50 g初始值的兩種枯落物不難分析出，干重相近的赤松和板栗相比，赤松吸水持水能力略微要比板栗強(qiáng)。由此可見，室內(nèi)浸泡法不算特別實(shí)用。

人工降雨法得到的結(jié)果跟泡水法差不多，只是人工降雨得到的枯落物吸水量普遍低于泡水法得到的結(jié)果。下面采取t檢驗(yàn)來分析對(duì)比這兩種方法對(duì)枯落物持水特性的影響顯著性。得到的結(jié)果見表1。

表1 t檢驗(yàn)顯著性分析結(jié)果

說明泡水法得到的最大持水量大于人工降雨法得到的有效截流量。但是兩種方法得到的結(jié)果差異性并不顯著。

4 結(jié) 論

本研究以濟(jì)南市藥鄉(xiāng)林場赤松人工林和板栗林枯落物的土壤作為研究對(duì)象，通過野外樣品采集、室內(nèi)測試分析的技術(shù)手段，分析對(duì)比了不同林分條件下針葉林和闊葉林枯落物持水能力的差異，并且對(duì)比出人工降雨法和泡水法的優(yōu)劣，顯著性分析表明：

1) 相同外界條件下，針葉林吸水持水能力明顯比闊葉林強(qiáng)得多。

2) 枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間的變化呈現(xiàn)迅速下降、緩慢下降、趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。由枯落物層吸水速率隨浸水時(shí)間變化的研究可以看出，枯落物層在浸水最初時(shí)期吸水速率最大，隨浸水時(shí)間延長而下降直至飽和?？梢?，枯落物層發(fā)揮截留和攔蓄降水主要發(fā)生在降水的初期。

3) 有效截流量為最大持水量的70%～90%(赤松林為70.97%，板栗林為79.90%)。

4) 除了蓄積量兩種林分差異顯著之外，其他研究(包括自然持水量、基于兩種測試方法下的枯落物持水特性、不同測試方法之間)的差異均不顯著。