崇義客家梯田區(qū)森林枯落物持水特性

彭圣軍，王 姣，劉 穎，胡 強(qiáng)

(江西省水利科學(xué)院 防災(zāi)減災(zāi)與水工程安全研究所，南昌 330029)

1 研究背景

枯落物是森林植被凋落物聚集在土壤表面形成的一個(gè)重要覆蓋面，是森林生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和發(fā)揮生態(tài)功能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為森林水文效應(yīng)的第二個(gè)作用層，枯落物在改善土壤理化性質(zhì)、增強(qiáng)土壤入滲性能、削減地表徑流、減輕土壤侵蝕及涵養(yǎng)水源等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]?？萋湮锖B(yǎng)水源作用較大，枯枝落葉吸持水量可以達(dá)到其自身干重的2～4倍，各種森林枯落物的最大持水率平均為309.54%[5]。針對(duì)枯落物涵養(yǎng)水源作用的研究，國(guó)外于19世紀(jì)就開(kāi)展了相關(guān)工作[6-7]。國(guó)內(nèi)則從20世紀(jì)60年代開(kāi)始枯落物的研究，集中在枯落物儲(chǔ)量及相關(guān)水文效應(yīng)等方面[8-10]。近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)枯落物的持水特性做了研究，取得了豐碩的成果。沈盈佳等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)烘干、浸泡法分析了云南保山北廟水庫(kù)集水區(qū)5種森林類(lèi)型枯落物的持水特性。王龍等[12]對(duì)廣西龍脊梯田水源區(qū)的5種天然次生林的枯落物水文效應(yīng)進(jìn)行了研究。為了探究砒砂巖區(qū)不同林分類(lèi)型的水文特性，楊振奇等[13]以該地區(qū)6類(lèi)樹(shù)種為研究對(duì)象，分析了各樹(shù)種枯落物的持水特性。被譽(yù)為“最大的客家梯田”“中國(guó)美麗田園”“中國(guó)重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”“全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”的崇義客家梯田[14-16]，周邊無(wú)塘無(wú)庫(kù)，卻有源源不斷的水流，森林枯落物的水源涵養(yǎng)作用功不可沒(méi)，在維持崇義客家梯田可持續(xù)發(fā)展中具有重要作用。

為探究崇義客家梯田區(qū)森林枯落物的水文效應(yīng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)梯田區(qū)森林枯落物的水土保持作用，本文以梯田核心區(qū)的上堡梯田區(qū)上方的森林為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)梯田區(qū)森林枯落物的儲(chǔ)量和持水特性進(jìn)行定量分析研究，期望為評(píng)價(jià)該區(qū)域森林枯落物涵養(yǎng)水源功能提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

崇義客家梯田位于江西省崇義縣境內(nèi)，始建于宋末元初，盛建于明末，完工于清初，距今已有800余年歷史。梯田坐落在海拔2 061.3 m的贛南第一高峰齊云山山脈之中，規(guī)模連片區(qū)位于上堡鄉(xiāng)、思順鄉(xiāng)和豐州鄉(xiāng)，總面積達(dá)2 044 hm2，其中核心區(qū)位于上堡鄉(xiāng)，梯田面積1 491 hm2，占總面積的73%[17-18]。上堡梯田為崇義客家梯田的核心區(qū)，其地處113°55′E—114°38′E、25°24′N(xiāo)—25°54′N(xiāo)，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。該地區(qū)年平均氣溫17.2 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-8 ℃；年平均降雨量1 627 mm，雨量充沛[16]。土壤主要以黃泥土、灰泥土為主，土壤較肥沃。區(qū)域植被覆蓋率高達(dá)85%，植物種類(lèi)繁多，有杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)、羅漢松(Podocarpusmacrophyllus)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.)Mitfordcv.Pubescens)等，雜生各種蕨類(lèi)植物和苔蘚植物。豐富的植物資源為梯田灌溉涵養(yǎng)了不可或缺的水源，形成了“山有多高、水有多高”的水源體系，使海拔1 000 m以上的梯田也能夠種植水稻。

3 研究方法

3.1 樣地選取

在研究區(qū)內(nèi)沿海拔高度根據(jù)林分類(lèi)型選取了4個(gè)試驗(yàn)樣地，調(diào)查記錄各樣地的林分類(lèi)型、經(jīng)緯度、海拔高度、坡位、郁閉度(指林分中林冠的郁閉程度，常用林冠的投影面積與林地面積之比來(lái)確定)等基本信息。各樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of plots

3.2 枯落物采集及儲(chǔ)量測(cè)定

在各林分樣地內(nèi)沿對(duì)角線放置5個(gè)面積為1 m×1 m的框架，作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定枯落物厚度和采集枯落物樣品的小樣方，最后取5個(gè)樣方的平均值?？萋湮锇凑瘴捶纸鈱雍桶敕纸鈱臃謩e進(jìn)行厚度測(cè)定和采集，首先采用鋼尺測(cè)定并記錄枯落物厚度，然后采集枯落物并裝入儲(chǔ)物袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干、稱(chēng)重。未分解枯落物是指枯枝落葉基本保持原有形狀和質(zhì)地，半分解層是指還未完全腐化分解、肉眼可分辨出大體形狀的枯枝落葉。

3.3 枯落物持水能力測(cè)定

采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物的持水量。將取回的枯落物樣品在85 ℃條件下烘干后稱(chēng)其干重，烘干稱(chēng)重后將枯落物裝入尼龍網(wǎng)袋中，放入裝有清水的容器中浸泡。稱(chēng)量在浸泡0.5、1、2、4、8、12、24 h后的質(zhì)量，對(duì)枯落物的吸持水分的過(guò)程進(jìn)行測(cè)定，從而得到枯落物的吸水速率、持水量和持水率。相應(yīng)的計(jì)算公式為[19-20]：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%；

(1)

Rh max=(G24-Gd)/Gd×100%；

(2)

Wh max=Rh maxM；

(3)

(4)

Gs=Gi-Gj。

(5)

式中：R0、Rh max分別為枯落物自然含水率、最大持水率(%)；G0、G24、Gd分別為枯落物自然狀態(tài)的質(zhì)量、浸水24 h后的質(zhì)量和烘干后的質(zhì)量(kg)；Wh max和M分別為枯落物最大持水量和枯落物儲(chǔ)量(t·hm-2)；V為枯落物吸水速率(g·kg-1·h-1)；t為枯落物吸水持續(xù)時(shí)間(h)；Gs、Gi、Gj分別為枯落物浸泡一定時(shí)間段的質(zhì)量、第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)枯落物的質(zhì)量和第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)枯落物的質(zhì)量(kg)。

枯落物的最大持水量并不能客觀反映枯落物對(duì)降雨徑流的實(shí)際攔蓄能力，通常采用有效蓄水量來(lái)評(píng)價(jià)枯落物的實(shí)際攔蓄水量[21-23]，即

W=(0.85Rh max-R0)M。

(6)

式中W為枯落物的有效攔蓄水量(t·hm-2)。

4 結(jié)果與分析

4.1 枯落物厚度及儲(chǔ)量

枯落物蓄積量的多少受林分類(lèi)型、郁閉度、氣候條件、樣地坡位等多種因素影響，枯落物的形成與分解有助于林分的生長(zhǎng)發(fā)育，林分的生長(zhǎng)發(fā)育又促進(jìn)了枯落物的積累。各林分樣地枯落物的厚度和儲(chǔ)量情況見(jiàn)表2。

表2 各林分樣地枯落物層的厚度和儲(chǔ)量Table 2 Thickness and reserves of forest litters

從枯落物層厚度來(lái)看，各林分樣地均呈現(xiàn)出未分解層厚度大于半分解層厚度的特點(diǎn)。試驗(yàn)樣地枯落物總厚度為3.0～8.6 cm，其中未分解層枯落物厚度為2.7～6.0 cm，半分解層枯落物厚度為0.3～2.6 cm。各林分樣地枯落物總厚度大小順序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ，樣地Ⅲ的枯落物厚度是樣地Ⅳ的2.87倍，表現(xiàn)出毛竹林地枯落物厚度大于杉木林枯落物厚度?？萋湮镌胶?，涵養(yǎng)水源能力越強(qiáng)。因此在林分類(lèi)型的調(diào)配和改造工作中，應(yīng)強(qiáng)化對(duì)毛竹林的種植和保護(hù)，以提高區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能。各樣地枯落物的儲(chǔ)量差異也較大，總儲(chǔ)量范圍為3.29～13.19 t/hm2，大小順序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ。據(jù)此，不同林分樣地枯落物總儲(chǔ)量整體上是隨枯落物總厚度的增加而增大。但各層次枯落物的儲(chǔ)量并不隨各層次枯落物的厚度增加而增大。如樣地Ⅰ的未分解層枯落物厚度3.1 cm大于半分解層厚度1.1 cm，但半分解層枯落物儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的69.26%，是未分解層的2.25倍。

4.2 枯落物的水文效應(yīng)

4.2.1 枯落物的最大持水能力

不同林分類(lèi)型枯落物最大持水性能不同，而枯落物持水性能與枯落物的成分、外界環(huán)境有關(guān)，也與枯落物的分解程度有關(guān)?？萋湮飳雍穸却?、儲(chǔ)量多、分解程度高的話，其吸持水分的性能就越好[24]。從表3可以看出，試驗(yàn)地各林分類(lèi)型枯落物最大持水率為239.65%～343.54%，平均值為119.83%～171.77%，即這幾種林分枯落物最大吸持的水量可達(dá)其干重的2.4～3.43倍，樣地Ⅳ的最大持水率是幾種林分中最大的。各林分樣地枯落物最大持水量為5.58～12.32 t/hm2，相當(dāng)于0.56～1.23 mm的降雨水深，大小排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ，與枯落物總儲(chǔ)量大小排序一致，即樣地Ⅲ枯落物的最大持水量最大，是樣地Ⅳ的2.21倍。通過(guò)比對(duì)各林分樣地枯落物的最大持水率與持水量之間的關(guān)系可知，最大持水量的變化規(guī)律與最大持水率的變化規(guī)律不盡相同，這主要是由于森林枯落物的最大持水量不僅與枯落物的最大持水率有關(guān)，還與枯落物本身的厚度、性質(zhì)、分解程度及儲(chǔ)量等多種因素有關(guān)。

表3 各林分樣地枯落物最大持水率和最大持水量Table 3 Maximum water-holding ratio and water-holding capacity of forest litters

4.2.2 枯落物的有效攔蓄能力

最大持水率和最大持水量只能說(shuō)明枯落物的持水能力大小，并不能反映枯落物對(duì)降雨的實(shí)際截留量，若簡(jiǎn)單用最大持水量來(lái)估算枯落物對(duì)降雨的截留能力是偏高的，并不符合實(shí)際。因此，采用有效攔蓄量來(lái)計(jì)算枯落物對(duì)一次降雨的攔蓄儲(chǔ)存能力是比較合理的。有效攔蓄量與枯落物儲(chǔ)量、分解程度及初始含水率等因素有關(guān)，采用式(6)計(jì)算得到各林分樣地枯落物的有效攔蓄水量，見(jiàn)表4。

表4 各林分樣地枯落物有效攔蓄量Table 4 Effective interception capacity of forest litters

各樣地未分解層枯落物的有效攔蓄率大小排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，半分解層枯落物的有效攔蓄率大小排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ，兩者存在一定的差異，這與未分解層和半分解層枯落物的最大持水率及初始含水率是分不開(kāi)的。同時(shí)各層枯落物的儲(chǔ)量不同導(dǎo)致枯落物的有效攔蓄水量的變化規(guī)律也不同。有效攔蓄水量中，樣地Ⅲ未分解層枯落物有效攔蓄水量最大，為2.78 t/hm2；半分解層枯落物有效攔蓄水量也是最大的，為0.84 t/hm2。原因是樣地Ⅲ枯落物儲(chǔ)量是最大的，且其初始含水率也不是最高的，所以其有效攔蓄水量相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較多的。

4.2.3 枯落物持水過(guò)程

根據(jù)枯落物未分解層和半分解層在不同時(shí)間段內(nèi)吸持水量的大小，繪制其持水過(guò)程線，如圖1所示。由圖1可以看出，在剛開(kāi)始浸泡時(shí)間2 h內(nèi)，枯落物吸持的水量增加較快，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，枯落物持水量增加變緩，大約8 h時(shí)持水量增加就不明顯了。所以，在降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流的能力較大，此后隨著枯落物自身含水率的升高，其攔蓄能力逐漸降低。在浸泡時(shí)間達(dá)24 h后，各樣地未分解層枯落物的飽和持水量大小排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ，半分解層枯落物的飽和持水量大小排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。

圖1 枯落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relation between water-holding capacity of forest litters and immersion time

通過(guò)對(duì)各林分樣地枯落物未分解層和半分解層持水量與浸泡時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到兩者之間關(guān)系滿足

Q=alnt+b。

(7)

式中：Q為枯落物持水量(g·kg-1)；t為浸泡時(shí)間(h)；a、b為常數(shù)項(xiàng)。擬合的決定系數(shù)R2基本都在0.94(見(jiàn)表5)以上，擬合效果較好。

表5 各林分樣地枯落物持水量及吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Table 5 Relations of water-holding capacity and water absorption rate of forest litters against immersion time

4.2.4 枯落物吸水速率

枯落物吸水速率與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，各林分樣地枯落物吸水速率在前0.5 h的浸泡時(shí)間內(nèi)最大，隨后迅速減小。主要是在烘干狀態(tài)下枯落物表面的水勢(shì)最大，其吸持水分的速率也最快。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，枯落物持水量也將慢慢接近其最大持水能力，達(dá)到飽和持水量。

圖2 枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relation between water absorption rate of forest litters and immersion time

對(duì)各林分樣地枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，得到兩者之間的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，即

V=ktn。

(8)

式中：V為枯落物吸水速率(g·kg-1·h-1)；t為浸泡時(shí)間(h)；k、n為常數(shù)項(xiàng)。擬合的決定系數(shù)R2接近1.0(見(jiàn)表5)，擬合效果較好。

5 討 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果顯示，枯落物儲(chǔ)量與厚度的關(guān)系，一般情況下厚度越大儲(chǔ)量也越大，但樹(shù)種類(lèi)型、環(huán)境條件(如降水、氣溫等水熱條件)等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，這在其他地區(qū)森林枯落物持水特性相關(guān)研究中也有體現(xiàn)[25-27]。

(2)樣地 Ⅰ 和樣地 Ⅲ 的森林郁閉度相對(duì)較大，其森林枯落物的儲(chǔ)量和最大持水量也較大，羅新萍[28]、顧宇書(shū)等[29]在相關(guān)研究中也得出了類(lèi)似結(jié)論。

(3)本次試驗(yàn)中，森林枯落物在浸水前期(0～2 h)的持水量和吸水速率變幅較大，在浸水8 h后，枯落物的持水量和吸水速率基本穩(wěn)定，且枯落物持水量和吸水速率與浸水時(shí)間存在顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系，于曉文等[4]、陳治成等[27]、馬正銳等[30]在相關(guān)研究中均有證實(shí)。

6 結(jié) 論

(1)不同林分樣地枯落物總儲(chǔ)量整體上隨枯落物總厚度的增加而增大，各林分樣地中，毛竹林地枯落物厚度相對(duì)要大，建議在梯田區(qū)域山林中可以增加毛竹林的種植面積。

(2)各林分樣地枯落物最大持水量為5.58～12.32 t/hm2，相當(dāng)于0.56～1.23 mm的降雨水深。最大持水量的變化規(guī)律與最大持水率的變化規(guī)律不盡相同，這主要是由于森林枯落物的最大持水量不僅與枯落物的最大持水率有關(guān)，還與枯落物的類(lèi)別、儲(chǔ)量及分解程度等多種因素有關(guān)。

(3)在剛開(kāi)始浸泡2 h內(nèi)，枯落物吸持的水量增加較快，隨著浸泡時(shí)間的增加，枯落物持水量增加變緩，在大約8 h時(shí)持水量接近飽和持水量?？萋湮锍炙颗c浸泡時(shí)間之間為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(4)前0.5 h的浸泡時(shí)間內(nèi)枯落物吸水速率最大，隨后迅速減小，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，枯落物持水量也將慢慢達(dá)到飽和持水量?？萋湮镂俾逝c浸泡時(shí)間之間為冪函數(shù)關(guān)系。