黃土高原北洛河流域林地枯落物特征及水分吸持效應(yīng)

許小明,鄒亞東,孫景梅,田起隆,賀 潔,何 亮,呂 渡,易海杰,薛 帆,王浩嘉,王妙倩,馮學(xué)慧,白云斌,張曉萍,,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,楊陵 712100 2 國家林業(yè)和草原局 西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治重點實驗室,西安 710048 3 中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,楊陵 712100 4 延安市吳起縣吳起高級中學(xué),延安 717600 5 延安市吳起縣吳起鎮(zhèn)林業(yè)站, 延安 717600

在林地垂直結(jié)構(gòu)分層中,枯枝落葉層減輕土壤侵蝕的意義甚至遠大于林冠層和根系層[1- 4]。枯枝落葉層蓋度和厚度是影響其發(fā)揮水土保持作用的兩個主要因子[5- 6]。大量研究表明,當(dāng)?shù)乇砩w度達到60%—70%后,其控制水土流失的效果非常顯著[7- 8]。當(dāng)枯枝落葉層厚度達到1 cm以上,即使坡面林地砍伐后仍不會出現(xiàn)新的水土流失[9- 12]。近年來,國內(nèi)學(xué)者對六盤山地區(qū)[13- 16]、黃龍山地區(qū)[4,17]、山西西南部黃土區(qū)[18- 19]、黃土丘陵區(qū)[20- 24]、子午嶺地區(qū)[25- 26]和高塬溝壑區(qū)[27- 28]不同林分類型枯落物的蓄積量和水土保持功能進行了系列研究,有助于明晰黃土高原不同地區(qū)林下枯落物的分布特征和減輕土壤侵蝕的重要作用。較為系統(tǒng)地研究、對比主要地貌類型區(qū)、不同演替階段代表性林分條件下的枯落物蓋度、厚度、蓄積量特征和相應(yīng)的持水、攔蓄效應(yīng),可以促進對黃土高原半干旱、半濕潤地區(qū)主要林地枯落物分布規(guī)律的深入認識,并深刻理解其持水能力和攔蓄徑流的生態(tài)功能。

黃土高原地區(qū)侵蝕嚴重,水土流失劇烈,是我國生態(tài)恢復(fù)的重要關(guān)鍵帶,退耕還林政策和天然林保護工程實施以來,植被得以快速恢復(fù)且生態(tài)成效顯著[29]。枯落物覆蓋顯著增加了地表糙度和改善了近地表土壤理化特征,吸持林內(nèi)降雨、攔蓄地表徑流,是土壤侵蝕過程及輸移中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]?？萋湮飳釉诤艽蟪潭壬暇褪橇值亍皵r蓄”功能的具體物質(zhì)和結(jié)構(gòu)化體現(xiàn)[4]。為準確評估不同林分類型枯落物蓋度和厚度隨空間和演替階段的變化規(guī)律,明晰植被恢復(fù)下地表枯落物的水土保持效益,本文以黃土高原北洛河流域為調(diào)查對象,野外實測了該流域丘陵溝壑區(qū)(暖溫帶森林草原帶)、中游土石山區(qū)和高塬溝壑區(qū)(暖溫帶落葉闊葉林帶)主要人工林分和不同次生演替階段的典型林分類型枯落物蓋度和厚度,估算了枯落物蓄積量并分析水分吸持過程,對深入理解區(qū)域水文循環(huán)和侵蝕調(diào)控的協(xié)同作用,進行水土流失過程定量模擬具有重要理論意義；基于研究區(qū)林分現(xiàn)實進行調(diào)查,對該地區(qū)植被恢復(fù)措施優(yōu)化、生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有實踐指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原腹地的北洛河流域上中游,海拔583—1886 m(圖1)。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年降水量在380—650 mm之間,呈現(xiàn)出從西北向東南逐漸遞增的空間變化趨勢。降水主要集中在6—9月,多以暴雨形式出現(xiàn)[30],流域多年平均輸沙量高達9.59×103萬t。黃土丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)與高塬溝壑區(qū)分別約占流域面積的26.9%、39.4%和19.7%。植被類型從西北向東南由中溫帶典型草原帶逐漸過渡到暖溫帶森林草原帶和森林帶。主要土壤類型有黃綿土、灰褐土和黑壚土[31]。1998年以來,國家實施了大規(guī)模的退耕還林(草)政策以來,研究區(qū)所轄縣域積極實施封山禁牧、植樹種草和天然林保護工程,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境得到了顯著改善。

圖1 北洛河流域不同地貌類型區(qū)林地枯落物調(diào)查樣點空間分布Fig.1 The spatial distribution of surveyed sample sites of forestland litter in different geomorphic areas of the Beiluo River BasinCk：檸條 Caragana korshinskii；Hr：沙棘 Hippophae rhamnoides；Rp：刺槐 Robinia pseudoacacia；Pd：山楊 Populus davidiana；Bp：白樺 Betula platyphylla；Pt：油松 Pinus tabulaeformis；Qw：遼東櫟 Quercus wutaishanica；Qw-Ptmf：遼東櫟—油松混交林 Quercus wutaishanica-Pinus tabulaeformis mixed forests

丘陵溝壑區(qū)地形破碎,水土流失嚴重,常見人工造林樹種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、山楊(Populusdavidiana)、山杏(Prunusarmeniaca)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和檸條(Caraganakorshinskii)等；中游土石山區(qū)歷經(jīng)了150多年的自然恢復(fù)過程,植被覆蓋度高,水土流失微弱,以天然次生林為主,主要林分類型為油松(Pinustabulaeformis)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、白樺(Betulaplatyphylla)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白刺花(Sophoradavidii)、黃薔薇(Rosahugonis)、虎榛子(OstryopsisDecne)和荊條(Vitexnegundo)等[32]；高塬溝壑區(qū)造林樹種主要為刺槐和一些喬灌雜木,塬面與溝壑區(qū)轉(zhuǎn)換處水土流失嚴重。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

研究區(qū)樣地的設(shè)置,充分考慮了流域不同地貌類型分區(qū)并遵循坡面樣地林分典型性原則。上游丘陵溝壑區(qū)主要退耕還林樹種選取了檸條、沙棘、刺槐和山楊,分別約占區(qū)域林地面積的23%、10%、11%和10%；中游土石山區(qū)依據(jù)植被次生演替規(guī)律[32],確定了不同演替階段的代表性植被類型,喬木演替初期、中期、亞頂級和頂級4個階段的代表性樹種分別為白樺、遼東櫟—油松、油松和遼東櫟,分別約占該區(qū)林地面積的6%、4%、11%和45%；高塬溝壑區(qū)溝坡選取的樹種為刺槐,約占區(qū)域林地面積的21%。

首先,結(jié)合流域內(nèi)前期多次調(diào)查和訪問,采樣前借助影像和ArcGIS軟件,初步選取了研究樣地。經(jīng)過前期勘察,分別于2019年9—10月和2020年9月對選取的人為干擾較少的47塊坡位、坡度等立地條件基本一致,處于不同演替階段的植被類型標準樣地進行了基本群落特征調(diào)查。喬木樣方為20 m×20 m,灌木樣方為10 m×10 m。綜合林分類型和林齡對47塊樣地進行歸類整理,具體信息見圖1和表1。樣地的經(jīng)緯度、坡位、坡向和海拔等通過奧維地圖軟件獲取,郁閉度和林分密度通過樣線法實測。在標準樣地內(nèi),每種喬木和灌木分別選取3個典型株,測量并記錄樹高、胸徑(基徑)等信息。文章在對比不同地貌區(qū)各林分類型時,采用了同一林分不同林齡數(shù)據(jù)平均值。在對比次生演替階段時考慮了林齡變化。

表1 北洛河流域典型林分類型樣地基本信息

2.2 枯落物蓋度和厚度調(diào)查

在不同地貌類型區(qū)分別選取典型林分類型,在坡面植被長勢較好,分布較為均勻的位置設(shè)置標準樣地。所選樣地基本保證中坡位,坡度介于13°—35°,采用對角樣線法按1 m間距對坡面標準樣地地表蓋度進行細致調(diào)查,記錄沿線地表覆蓋信息?？萋湮锷w度可通過記錄為枯落物的樣點數(shù)量與沿線所有調(diào)查樣點數(shù)量的比值來計算。在標準樣地內(nèi),隨機選取3個枯落物小樣方(31.7 cm×31.7 cm),依據(jù)未分解層和半分解層利用鋼尺分別對其厚度進行測量和記錄。

2.3 蓄積量測定

在標準樣地隨機選取的枯落物小樣方內(nèi),按照未分解層和半分解層分別收集枯落物樣品,裝入已編號的塑封袋,帶回室內(nèi)稱重,測定自然含水率,實驗包括3次重復(fù)。然后將枯落物樣品平鋪放置在室內(nèi)通風(fēng)處,自然風(fēng)干3天后再次稱重,即可計算各林分類型單位面積內(nèi)枯落物的蓄積量(t/hm2)。

2.4 持水能力、持水過程及吸水速率

2.4.1持水能力

將陰干、稱重后的枯落物樣品,裝入孔隙為1 mm×1 mm的尼龍網(wǎng)袋中,將其置入盛有清水的容器內(nèi),為保證樣品充分浸泡,紗網(wǎng)應(yīng)完全被容器內(nèi)水面覆蓋。在浸泡時長為5 min、10 min、20 min、30 min、45 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h和24 h時,將樣品從容器內(nèi)依次取出、懸掛、抖水、靜置直至無重力水滴落為止,然后迅速稱重并記錄。每次取出樣品稱重、記算得到的樣品含水重為從第一次浸泡到該次浸泡時長條件下的枯落物總持水量,前后兩次枯落物持水量的差值即為該次浸泡吸水量?？萋湮锏奈俾蕿榍昂髢纱慰萋湮锏奈颗c吸水時間間隔的比值。為減少實驗誤差,每張尼龍網(wǎng)袋使用前,須測定其最大持水量。據(jù)已有研究表明,樣品一般在浸泡24 h時重量達到最大值[14,33],文章中最大持水量通過浸泡24 h時的持水量來反映。

據(jù)文獻[34],當(dāng)場次降雨量達到大雨量級即20—30 mm時,85%的枯落物最大持水率與有效攔蓄率基本一致,本研究采用這一研究成果來估算林地不同林分枯落物的有效攔蓄量,實質(zhì)上估算的是由枯落物生物特性決定的持水能力?？萋湮锏某炙芰νㄟ^浸泡24 h時的持水量(W24m)、持水率(R24m)、有效攔蓄量(W24av)和有效攔蓄率(R24av)等指標表現(xiàn)出來。公式如下：

W24m=W24-W0

(1)

(2)

R24av=0.85×R24m-R0

(3)

W24av=R24av×W0

(4)

式中,W24m為浸泡24 h時的持水量(t/hm2),W24為24 h時的枯落物重量(t/hm2),W0為枯落物陰干重(t/hm2),R24m為24 h時的持水率(%),R24av為24 h時的有效攔蓄率(%),R0為枯落物雨前自然含水率(%),W24av為24 h時的有效攔蓄量(t/hm2)。

2.4.2持水過程

林分枯落物持水量與浸泡時間存在如下關(guān)系[16]：

Q=aln(t)+b

(5)

式中,Q為枯落物持水量(t/hm2),t為浸泡時間(h),a為方程系數(shù),b為方程常數(shù)項。

2.4.3吸水速率

林分枯落物吸水速率與浸泡時間存在指數(shù)關(guān)系[34],如下：

V=ktn

(6)

式中,V為枯落物吸水速率(t hm-2h-1),t為浸泡時間(h),k為方程系數(shù),n為指數(shù)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsof Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理,采用One-Way ANOVA法和最小顯著差異法(LSD)檢驗不同林分類型以及同一林分不同林齡樣地的枯落物在厚度、蓋度、蓄積量和持水能力等方面的差異(α=0.05)。分別對各分層枯落物的持水能力、吸水速率與浸泡時間進行回歸分析,并對方程進行顯著性檢驗(P<0.01指極顯著相關(guān))。使用Origin 8.6軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物蓋度和厚度

枯落物蓋度方面,流域內(nèi)所有人工和自然演替林分均高于90%,各林分之間差異不顯著(P>0.05)。人工林分總體稍低于次生演替林分,檸條枯落物蓋度最小(92%),遼東櫟—油松混交林最大(100%)。

枯落物厚度方面,各林分類型厚度介于4.55—1.38 cm,均值為3.18 cm,未分解層厚度均小于半分解層。人工喬木林地總體大于灌木林地,灌木林地中沙棘顯著大于檸條(P<0.05)(圖2)。土石山區(qū)林地由白樺演替到遼東櫟,相應(yīng)地枯落物厚度總體表現(xiàn)為增加的變化趨勢,遼東櫟和油松枯落物厚度最大,白樺與油松、遼東櫟差異顯著(P<0.05)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)同一林分隨林齡增加,枯落物也呈現(xiàn)出增厚的態(tài)勢(圖3)。

圖2 北洛河流域主要林分類型枯落物厚度Fig.2 The litter thickness of typical stand types in the Beiluo River Basin

圖3 土石山區(qū)不同演替階段典型林分類型枯落物厚度Fig.3 The litter thickness of typical stand types in different succession stages of earth-rock mountain areaBp-nmf：白樺近熟林(41—50年) Betula platyphylla near-mature forest (41—50 ages)；Bp-mf：白樺成熟林(51—60年) Betula platyphylla mature forest (51—60 ages)；Bp-omf：白樺過熟林(>60年) Betula platyphylla over-mature forest (Over 60 ages)；Qw-Ptmf-mf：遼東櫟—油松混交成熟林(51—60年) Quercus wutaishanica-Pinus tabulaeformis mixed mature forest (51—60 ages)；Qw-Ptmf-omf：遼東櫟—油松混交過熟林(>60年) Quercus wutaishanica-Pinus tabulaeformis mixed over-mature forest (Over 60 ages)；Pt-maf：油松中齡林(21—40年) Pinus tabulaeformis middle-aged forest (21—40 ages)；Pt-nmf：油松近熟林(41—50年) Pinus tabulaeformis near-mature forest (41—50 ages)；Pt-mf：油松成熟林(51—70年) Pinus tabulaeformis mature forest (51—70 ages)；Qw-maf：遼東櫟中齡林(21—40年) Quercus wutaishanica middle-aged forest (21—40 ages)；Qw-omf：遼東櫟過熟林(>60年) Quercus wutaishanica over-mature forest (Over 60 ages)

3.2 枯落物蓄積量

流域各林分類型枯落物蓄積量表現(xiàn)為遼東櫟—油松混交林>油松/遼東櫟>山楊>刺槐>沙棘>白樺,次生演替林分平均蓄積量是人工林分的1.41倍,人工喬木林分是灌木的1.21倍。總體來看,次生演替林分和人工林分差異較大(圖4,5)。

從演替階段來看,土石山區(qū)喬木全演替序列中典型林分枯落物蓄積量差異較大,在17.24—4.99 t/hm2之間,均值為9.58 t/hm2。遼東櫟—油松混交過熟林和油松中齡林蓄積量最大,為17.24 t/hm2；白樺近熟林最低,為4.99 t/hm2。不同林齡白樺枯落物蓄積量增加緩慢,從白樺過熟林到遼東櫟—油松混交林階段,蓄積量增加最為明顯(P<0.05),遼東櫟—油松混交林蓄積量達到峰值,之后波動下降(圖5)。研究表明,各林分類型枯物厚度與蓄積量具有顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.44,P<0.05)。

枯落物組層方面,研究區(qū)典型林分類型枯落物未分解層蓄積量均小于半分解層(圖4,5)。不同林分對比來看,油松未分解層蓄積量約占總蓄積量的41%,而遼東櫟最低,為13%,這主要是由于油松枯落物葉片富含木質(zhì)素導(dǎo)致比遼東櫟分解速率較慢(圖5)。

圖4 北洛河流域主要林分類型枯落物蓄積量Fig.4 The litter biomass of typical stand types in the Beiluo River Basin

圖5 土石山區(qū)不同演替階段典型林分類型枯落物蓄積量Fig.5 The litter biomass of typical stand types in different succession stages of earth-rock mountain area

3.3 枯落物持水能力

枯落物持水能力與林分類型、蓄積量和枯落物組成等密切相關(guān)。從表2可以看出,流域內(nèi)各林分類型之間枯落物24 h持水率、24 h持水量(深)和有效攔蓄量(深)差異較大。不同林分按各分層枯落物蓄積量占比加權(quán)平均后,24 h持水率表現(xiàn)為油松>刺槐>遼東櫟—油松混交林>白樺>沙棘>遼東櫟>山楊。未分解層持水能力總體小于半分解層,其24 h持水率分別介于218.87%—127.14%和246.26%—141.20%。各林分枯落物24 h持水深介于2.73—0.96 mm,遼東櫟—油松混交林持水深最大,白樺林最小,二者差異顯著(P<0.05)。不同林分枯落物24 h持水深呈現(xiàn)出遼東櫟—油松混交林>油松/遼東櫟>山楊>刺槐>沙棘>白樺。有效攔蓄深反映了枯落物對降雨的可能攔蓄值,各林分枯落物有效攔蓄深介于2.45—0.81 mm(表2),攔蓄深次序與最大持水深一致。

表2 北洛河流域典型林分類型枯落物持水能力

表3表明土石山區(qū)不同演替階段典型林分枯落物未分解層持水能力總體小于半分解層,其24 h持水率分別介于209.13%—151.82%和218.71%—164.06%。從白樺演替到遼東櫟,24 h持水率整體呈增大趨勢。從白樺近熟林到過熟林,24 h持水深和有效攔蓄深增加不明顯。與蓄積量變化規(guī)律一致,24 h持水深和有效攔蓄深均表現(xiàn)為從白樺到遼東櫟—油松混交林顯著增加(P<0.05)并達到峰值,之后波動下降,油松和遼東櫟基本持平的變化特征。林齡尺度上,遼東櫟—油松混交過熟林24 h持水深和有效攔蓄深最高。

表3 土石山區(qū)不同演替階段典型林分類型枯落物持水能力

3.4 枯落物持水過程

各林分類型枯落物持水量與浸泡時間存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01)。2 h以內(nèi)持水量迅速增加,隨浸泡時間延長,持水量增加逐漸變緩,8 h基本達到飽和(圖6,7)?？傮w來看,流域次生演替林分枯落物持水量優(yōu)于人工林分,半分解層大于未分解層。喬木演替過程中,遼東櫟—油松混交過熟林枯落物持水量最大,持水量從大到小表現(xiàn)為遼東櫟—油松混交過熟林>油松中齡林>遼東櫟中齡林>白樺近熟林。相關(guān)性分析表明,各林分類型枯落物蓄積量與24 h最大持水量呈顯著相關(guān)(R2=0.86,P<0.05)。

圖6 北洛河流域主要林分類型枯落物未分解層和半分解層持水過程Fig.6 The water-holding preocess of litter undecomposed layer and semi-decomposed layer for typical stand types in the Beiluo River Basin

各林分類型枯落物吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01),如圖8,9所示。初始浸泡5 min時,吸水速率最大,0.5 h以內(nèi)吸水速率遞減變化明顯,之后則基本趨近于0。人工林分吸水速率總體小于次生演替林分,未分解層小于半分解層(圖8)。土石山區(qū)喬木不同演替階段主要林分枯落物吸水速率差異較大,尤其體現(xiàn)在前5 min。遼東櫟—油松混交過熟林枯落物半分解層吸水速率最高,白樺近熟林最低,二者相差3倍左右。油松和遼東櫟半分解層吸水速率基本在130—140 t hm-2h-1(圖9)。

圖7 土石山區(qū)不同演替階段典型林分類型枯落物未分解層和半分解層持水過程Fig.7 The water-holding preocess of litter undecomposed layer and semi-decomposed layer for typical stand types in different succession stages of earth-rock mountain area

圖8 北洛河流域主要林分類型枯落物未分解層和半分解層吸水速率Fig.8 The water-absorbing rate of litter undecomposed layer and semi-decomposed layer for typical stand types in the Beiluo River Basin

圖9 土石山區(qū)不同演替階段典型林分類型枯落物未分解層和半分解層吸水速率Fig.9 The water-absorbing rate of litter undecomposed layer and semi-decomposed layer for typical stand types in different succession stages of earth-rock mountain area

4 討論

4.1 林地枯落物蓋度和厚度調(diào)查的意義

黃土高原地區(qū)林地土壤濺蝕量通常發(fā)生在7—8月,約占全年總濺蝕量的60%以上。枯落物作為林地主要的地被物層,對消減土壤濺蝕、保護表土結(jié)構(gòu)、攔蓄地表徑流和控制土壤侵蝕具有重要作用[2- 4]。研究發(fā)現(xiàn),北洛河流域主要調(diào)查林分類型枯落物蓋度和厚度均超過發(fā)揮水土保持作用的地表蓋度(60%—70%)和有效厚度(1 cm)。枯落物覆蓋是土壤侵蝕過程及輸移中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),研究與探討該區(qū)主要林分類型枯落物蓋度、厚度、水分吸持和攔蓄效應(yīng),有利于更精準地理解和評價人工林分和不同次生演替林分類型枯落物的水土保持效益。野外調(diào)查獲取的不同林分類型枯落物蓋度和厚度資料,是課題后續(xù)研究土地利用和植被覆蓋變化對水土流失影響的前期基礎(chǔ)性工作,能夠為流域土壤侵蝕評估和定量預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,提高模型模擬精度；有助于深入理解土壤侵蝕機制,為黃土高原其他在氣候和植被類型相似的區(qū)域提供一定的參考。此外,鑒于枯落物蓋度和厚度在水土保持中的重要意義,未來林地經(jīng)營和撫育管理過程中應(yīng)注重樹種合理配置[35],減少人為擾動對林下地被物層的影響。

4.2 林分類型對枯落物特征、水分吸持和攔蓄效應(yīng)的影響

林分類型的差異主要受水熱條件和演替過程的影響。從水熱條件來看,北洛河流域?qū)儆谂瘻貛?全區(qū)熱量差異較小。丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)多年平均降水量分別為470 mm和575 mm。降水量南北差異較大,很大程度上影響了流域主要林分類型、枯落物特征以及水土保持效應(yīng)的空間變化[36]。研究表明,土石山區(qū)不同次生演替階段林分枯落物厚度、蓄積量及其持水能力較丘陵溝壑區(qū)人工林分分別提高了52.1%、24.8%和33%。降水是限制丘陵溝壑區(qū)人工林分枯落物蓄積量及其水土保持功能的關(guān)鍵因子。沙棘和檸條是丘陵溝壑區(qū)最主要的灌木群落,該區(qū)內(nèi)部由于降水量的空間差異以及微地形引起的水分分異,致使以刺槐和山楊為主的人工喬木群落枯落物厚度、蓄積量及其持水能力是灌木群落的1.5倍左右(圖2、圖4和表2),這與汪建芳等[37]的研究結(jié)果基本相符。但沙棘和檸條林地枯落物蓋度調(diào)查結(jié)果與楊寒月等[23]的研究差異較大,可能受調(diào)查樣地的立地條件和微地形引起的水熱條件等因素影響。以往研究[4]表明,黃土高原主要森林類型枯落物對林內(nèi)降水的平均年截留量和截留率分別為43.7 mm和12.6%,枯落物吸持和攔蓄的水分相對于降水總量來講,其占比不容忽視。不同林分類型的枯落物均表現(xiàn)為2 h以內(nèi)持水量增加最為迅速,枯落物有效吸持、攔蓄容易引起水土流失的短歷時、高強度的降雨徑流,降低它對土壤的沖刷力和攜沙力。

從植被演替角度來看,鄒厚遠等[32]認為,子午嶺北部土石山區(qū)從白樺演替到遼東櫟大約需要70—80年。本研究發(fā)現(xiàn),喬木4個次生演替序列中主要林分類型枯落物蓋度均在94%以上,隨時間變化不明顯,表明枯落物蓋度在白樺林階段處于穩(wěn)定高覆蓋水平,能夠有效發(fā)揮減輕土壤侵蝕的作用。隨著植被不斷演替,枯落物越厚,相應(yīng)地蓄積量和持水能力總體呈現(xiàn)出增加的變化趨勢[25,38- 40]。土石山區(qū)不同演替階段林地枯落物厚度和蓄積量等特征,與程積民等[25]的研究結(jié)果基本一致。從白樺演替到遼東櫟—油松混交林,盡管枯落物厚度由3 cm增加到3.61 cm,但蓄積量和持水量增加更為迅速,遼東櫟—油松混交林為白樺林的3倍左右,這主要受枯落物密度和孔隙結(jié)構(gòu)的影響[22]。遼東櫟—油松混交林林分包括了復(fù)合林層結(jié)構(gòu),林分密度最優(yōu)(1200—1600株/hm2),枯落物蓄積量最大,枯落物分解速率適中,因此水分吸持效應(yīng)在該階段達到峰值[15,40- 41],與侯貴榮[28]得出的混交林具有最優(yōu)的涵養(yǎng)水源能力結(jié)論相符。最優(yōu)的林分密度可能受林分類型及所在區(qū)域水熱條件的綜合影響,從而表現(xiàn)出不一致性[42]。演替亞頂級階段油松與氣候頂級階段遼東櫟在枯落物厚度、蓄積量和水分吸持效應(yīng)等方面基本相同,說明隨植被演替林分類型變化對枯落物減輕土壤侵蝕作用的影響在該階段基本達到穩(wěn)定水平。林齡尺度上,遼東櫟-油松混交過熟林和油松中齡林是枯落物蓄積量和水土保持作用最強的林分類型。從白樺近熟林到過熟林,枯落物特征、水分吸持和攔蓄功能無顯著變化,說明林齡變化對白樺林枯落物的影響不明顯。遼東櫟-油松混交林和遼東櫟隨林齡增加,枯落物蓄積量和24 h 攔蓄深等呈增加趨勢。隨林齡變化油松林地枯落物厚度、蓄積量和水土保持功能波動較大,這可能受林分密度不同的影響。不同林分類型枯落物吸持水量存在倍數(shù)差異,表明正向演替過程的發(fā)生,有利于林分更替、枯落物積累以及更為有效地發(fā)揮水土保持作用。

5 結(jié)論

黃土高原北洛河流域主要調(diào)查林分類型枯落物枯落物厚度、蓄積量、24 h持水深和有效攔蓄深表現(xiàn)為遼東櫟-油松混交林>油松/遼東櫟>山楊>刺槐>沙棘>白樺?？萋湮锍炙吭? h以內(nèi)迅速增加,8 h基本飽和。半分解層厚度、蓄積量、持水量和吸水速率均大于未分解層。流域內(nèi)次生演替林分水分吸持能力總體上優(yōu)于人工林分,植被恢復(fù)生態(tài)成效顯著。

植被次生演替過程中遼東櫟-油松混交林、油松和遼東櫟的水土保持效應(yīng)較好,未來黃土高原地區(qū)因地制宜造林及林地撫育管理過程中應(yīng)重視這些林分的建設(shè)。注重人工林的近自然經(jīng)營,優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)和功能,合理調(diào)整林分密度,加強對林地枯落物的保護和監(jiān)管。降水條件是限制丘陵溝壑區(qū)人工林地枯落物蓄積量和水土保持功能的關(guān)鍵因子,因此該區(qū)造林過程中應(yīng)科學(xué)考慮土壤水分植被承載力,喬灌做到合理配置?？萋湮? h以內(nèi)持水量迅速增加,表明黃土高原地區(qū)隨著植被的不斷恢復(fù)和持續(xù)演替,林地枯落物對攔蓄容易引起水土流失的短歷時、高強度的降雨徑流,發(fā)揮水源涵養(yǎng)具有重要作用。