內(nèi)蒙古大興安嶺南段山楊純林與白樺純林的枯落物層水文效應(yīng)

張軼超，烏藝恒，周 梅＊，舒 洋，趙鵬武，向昌林，周立文

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 赤峰 025150)

森林生態(tài)系統(tǒng)具有水土保持、水質(zhì)凈化、徑流調(diào)節(jié)、土壤改良等重要生態(tài)功能[1-3]，其中，枯落物層發(fā)揮著重要作用，而且還具有為森林中動(dòng)植物及大量微生物生長提供棲息環(huán)境與養(yǎng)分等重要功能[4-6]。枯落物層的生物量、物質(zhì)組成、層次組成等特征會(huì)隨森林類型、立地環(huán)境、生長狀況等而變化，而且林地水熱條件和枯落物組成差異也會(huì)導(dǎo)致枯落物層的分解速率和理化性質(zhì)差異[7-8]，這必然導(dǎo)致枯落物層水文功能的差異。國內(nèi)外對(duì)枯落物層水文功能研究開始很早，我國在20 世紀(jì)80 年代就開始此類研究[9]，如馬雪華等[10]的研究表明，林下枯落物蓄積量對(duì)持水能力有很大影響，賀淑霞等[11]研究也證明了該觀點(diǎn)。Dabney[12]認(rèn)為，林分樹種組成、林木生長狀況、季節(jié)變化等因素都將影響森林內(nèi)枯落物的凋落。不同層次的枯落物會(huì)通過影響水熱條件與養(yǎng)分進(jìn)而影響林分生長情況以及土壤理化性質(zhì)，進(jìn)一步影響森林水文過程[13-15]。國內(nèi)外學(xué)者在不同領(lǐng)域?qū)Σ煌愋蜕值牧窒驴萋湮镒隽舜罅垦芯?，但較缺乏對(duì)出現(xiàn)死亡現(xiàn)象等不健康森林的研究。因此，需分別研究不同區(qū)域不同森林在不同立地和生長階段及不同健康情況的枯落物蓄積量及水文作用。

大興安嶺南段的內(nèi)蒙古賽罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡稱：賽罕烏拉保護(hù)區(qū)）地處半干旱、半濕潤區(qū)的過渡帶，其植被是森林和草原的過渡帶，森林植被的空間分布與生長對(duì)氣候變化非常敏感。近年來，受氣候變化影響，尤其是降水減少和溫度升高帶來的干旱脅迫影響，該地區(qū)山楊純林與白樺純林都出現(xiàn)了不同程度的衰退甚至死亡[16-17]，在導(dǎo)致區(qū)域森林覆蓋率和森林郁閉度降低的同時(shí)，也引發(fā)了森林枯落物層生物量大小和組成及水文功能變化。因此，需測(cè)定和評(píng)價(jià)山楊純林與白樺純林的水源涵養(yǎng)功能，為森林健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)及合理經(jīng)營提供科學(xué)參考[18]。

本文以賽罕烏拉保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，以出現(xiàn)樹木死亡和森林衰退的山楊純林與白樺純林的枯落物層為對(duì)象，調(diào)查枯落物層的現(xiàn)存量，并采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物層的持水量、吸水速率等，從而準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)顯著遭受暖干化氣候變化脅迫危害的山楊純林和白樺純林的枯落物層水文特征，為該地區(qū)的森林恢復(fù)與管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和研究樣地

研究區(qū)位于賽罕烏拉保護(hù)區(qū)，該地位于大興安嶺南段，赤峰市巴林右旗北部（118°18′～118°55′E，43°59′～44°27′N），主要森林植被為楊樺次生林，海拔平均為1 000 m 以上，年均氣溫5.21 ℃，年均降水量為400 mm。自1993 年以來，該地區(qū)出現(xiàn)的氣候干旱導(dǎo)致樹木大量死亡[19]。

在研究區(qū)選擇典型的山楊純林與白樺純林，設(shè)置面積為30 m × 30 m 的樣地各9 塊，其林分結(jié)構(gòu)、立地特征見表1。所選樣地的郁閉度相近，立地條件基本相同。

表1 不同林分樣地林木概況Table 1 General situation of trees in different forest plots

1.2 研究方法

自7—8 月，在各樣地內(nèi)的上、中、下部，各設(shè)置面積50 cm × 50 cm 的樣方3 個(gè)，按枯落物層的未分解層、半分解層分別收集裝袋保存，54 個(gè)樣地共取得樣品108 袋。

將采集到的枯落物樣品迅速稱量鮮質(zhì)量；之后，將樣品置于室內(nèi)干燥通風(fēng)7 d 以上，至枯落物完全風(fēng)干，稱取枯落物風(fēng)干質(zhì)量。

采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定枯落物持水量及其吸水速度，即將裝入尼龍網(wǎng)袋的風(fēng)干枯落物樣品浸入水中后，分別測(cè)定其在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h 后的質(zhì)量變化，用于計(jì)算吸水速率，表現(xiàn)吸水過程。

計(jì)算枯落物蓄積量、含水量、含水率、攔蓄量以及攔蓄率等指標(biāo)[20]，用于后續(xù)分析。

（1）枯落物自然含水率（R0/%)計(jì)算公式如下：

式中：W1為枯落物濕質(zhì)量/g，W2為枯落物干質(zhì)量/g。

（2）單位面積枯落物烘干蓄積量（M/（t·hm-2））

計(jì)算公式如下：

（3）枯落物最大持水率（Rhmax/%）計(jì)算公式如下：

式中：W3為枯落物浸水24 h 后的含水量/g。（4）枯落物最大持水量（Whmax/（t·hm-2））計(jì)算公式如下：

（5）枯落物最大攔蓄率（Rsmax/%）計(jì)算公式如下：

（6）枯落物最大攔蓄量（Wsmax/（t·hm-2））計(jì)算公式如下：

（7）枯落物有效攔蓄率（Rsv/%）計(jì)算公式如下：

式中：0.85 是因?yàn)閷?shí)際攔蓄率只有最大攔蓄率的85%。

（8）枯落物有效攔蓄量（Wsv/（t·hm-2））計(jì)算公式如下：

（9）枯落物瞬時(shí)吸水速率（V/(g·kg-1·h-1)）計(jì)算公式如下：

式中：Wt和Wt-1分別為在浸泡時(shí)間t和t-1 時(shí)的枯落物濕質(zhì)量/g，Δt為在時(shí)刻t和t-1 之間的時(shí)段長/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量

由表2 可知：該地區(qū)山楊純林標(biāo)準(zhǔn)地的枯落物總儲(chǔ)量稍高于白樺純林標(biāo)準(zhǔn)地。

表2 不同林分枯落物蓄積量Table 2 Accumulation of litter in different stands

對(duì)未分解層枯落物儲(chǔ)量，山楊純林為3.70 t·hm-2，白樺純林為3.00 t·hm-2，分別占各自枯落物總儲(chǔ)量的30%和27%。

對(duì)半分解層枯落物儲(chǔ)量，山楊純林為8.71 t·hm-2，白樺純林為7.97 t·hm-2，分別占各自枯落物總儲(chǔ)量的70%和73%。

2.2 枯落物持水能力

由表3 可知：山楊純林和白樺純林的最大持水率，未分解層分別為224.31%與269.29%，半分解層分別為218.36%與234.18%，表現(xiàn)為山楊純林低于白樺純林。

表3 兩種林分林下枯落物持水能力Table 3 Water holding capacity of litter under two stands

山楊純林和白樺純林的枯落物層最大持水量，未分解層分別為8.21 和8.04 t·hm-2，半分解層分別為18.64 與18.47 t·hm-2，整個(gè)枯落物層分別為26.85 與26.47 t·hm-2，山楊純林稍高于白樺純林。

2.3 枯落物攔蓄能力

由表4 可知：山楊純林與白樺純林枯落物層的最大攔蓄率，未分解層分別為164.65%與194.20%，半分解層分別為118.03%與118.07%，表現(xiàn)為白樺純林高于山楊純林。

表4 兩種林分林下枯落物攔蓄能力Table 4 Retention capacity of litter under two stands

山楊純林與白樺純林枯落物層的最大攔蓄量，未分解層分別為5.97 與5.70 t·hm-2，分別相當(dāng)于能吸收5.97 與5.70 mm 的降水；半分解層分別為10.02 與9.36 t·hm-2，分別相當(dāng)于能吸收10.02與9.36 mm 的降水；整個(gè)枯落物層分別為15.99 與15.06 t·hm-2，分別相當(dāng)于能吸收15.99 與15.06 mm 的降水。2 種森林的枯落物層蓄積量和持水能力雖然有差別，但最大攔蓄量卻比較相近，白樺純林略低于山楊純林。

山楊純林與白樺純林枯落物層的有效攔蓄量，未分解層分別為4.74 與4.50 t·hm-2，半分解層分別為7.22 與6.57 t·hm-2，整個(gè)枯落物層分別為11.96、11.07 t·hm-2；在有效攔蓄率方面，未分解層分別為131.29%與153.80%，半分解層分別為85.29%與82.94%，2 種森林的有效攔蓄量仍是白樺純林略低于山楊純林。

2.4 枯落物持水過程

單位質(zhì)量的枯落物累積持水量隨浸泡時(shí)間而變化[21]。由表5 可知，2 種林分的枯落物持水量在浸水時(shí)段0～0.5 h 增加最快，之后趨于平緩，但依舊保持上升趨勢(shì)。2 種林分的未分解層和半分解層枯落物在分別浸泡12 h 和6 h 后，其林分的未分解層和半分解層枯落物的持水量均幾乎達(dá)到飽和，且2 種林分均表現(xiàn)為未分解層枯落物層的持水量高于半分解層?；谟^測(cè)數(shù)據(jù)，建立了2 種林分枯落物層動(dòng)態(tài)持水量/（g·kg-1）與浸水時(shí)間/h 的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（表6），擬合精度均很高。

表5 兩種林分枯落物層不同時(shí)間段的持水量變化Table 5 Water holding process of the two stand litter layers at different time periods g·kg-1

表6 兩種林分枯落物層持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系Table 6 Relationship between water holding capacity of litter layer and soaking time in two forests

2.5 枯落物吸水速率

森林枯落物吸水速率是隨浸水時(shí)間而變化的，林內(nèi)降水會(huì)被吸水速率高的枯落物直接吸收，從而阻延地表徑流[22]。

由圖1、2 可知：2 種林分的未分解層和半分解層枯落物的吸水速率均隨浸泡時(shí)間增加而降低，且山楊純林的吸水速率明顯低于白樺純林。2 種森林的未分解層和半分解層枯落物的吸水速率均表現(xiàn)為在0～0.5 h 時(shí)間內(nèi)非常高，白樺純林和山楊純林的未分解層分別為3 123.11 與5 525.26 g·kg-1·h-1，半分解層分別為3 128.00 與3 360.15 g·kg-1·h-1；之后，吸水速率急劇下降，直到4 h 后趨于平緩，未分解層和半分解層在數(shù)值上分別小1 000 和接近于500 g·kg-1·h-1?？梢?，2 種林分的未分解層枯落物的吸水速率在浸泡前期有較大差異，但均在8 h 之后變化幅度微??；2 種林分的半分解層枯落物的吸水速率差距微小，且在6 h 之后變化幅度微小。

圖1 兩種林分枯落物未分解層持水過程Fig.1 Water holding process in undecomposed layers of two stand litter

圖2 兩種林分枯落物半分解層持水過程Fig.2 Water holding process of the semidecomposed layer of two stand litter

擬合2 種林分的枯落物層吸水速率/(g·kg-1·h-1)與浸水時(shí)間/h 的關(guān)系（表7），精度均極高。

表7 兩種林分枯落物層吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系Table 7 The relationship between water absorption rate of litter layer and soaking time in two forest stands

3 討論

近年來，賽罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的山楊純林和白樺純林出現(xiàn)了不同程度的衰退和死亡現(xiàn)象，枯落物層的數(shù)量和組成及水文功能可能有相應(yīng)變化。為此，本文測(cè)定研究了2 種典型林分（山楊純林、白樺純林）枯落物層的水文功能并進(jìn)行了分析，試圖從中尋找其間的關(guān)聯(lián)性。

3.1 枯落物蓄積量

枯落物蓄積量受到多重因素影響，本研究顯示，不同分解程度的枯落物儲(chǔ)量和其占總儲(chǔ)量比例在兩種森林之間相差較小，這與2 種森林的立地環(huán)境相同及均為闊葉樹種有關(guān)，這和張東等[23]在晉西黃土丘陵溝壑區(qū)的3 種林分、劉少?zèng)_等[24]對(duì)蓮花湖庫區(qū)幾種主要林分的枯落物蓄積量研究結(jié)果一致；但山楊純林的未分解層和半分解層的枯落物質(zhì)儲(chǔ)量均高于白樺純林的，這同時(shí)受林分密度和樹種差異影響。此外，2 種森林的枯落物未分解層蓄積量均小于半分解層蓄積量，且此層間差別與樹種及林分密度差異有關(guān)；但不同于一些文獻(xiàn)報(bào)道的健康森林的研究結(jié)果（即未分解層蓄積量大于半分解層蓄積量）[25-26]，原因可能是由于本文研究林分近些年的樹木死亡導(dǎo)致新凋落物輸入減少。

3.2 枯落物持水能力

森林枯落物最大持水率與枯落物結(jié)構(gòu)及生物量有密切關(guān)系[27]。山楊純林枯落物最大持水率雖較低，但其枯落物蓄積量較大，所以，其枯落物層最大持水量反而稍高于白樺純林。

本研究采用浸泡法測(cè)定了枯落物持水能力，但實(shí)際上林地枯落物不會(huì)經(jīng)歷長時(shí)間浸水[28]，一方面林地常有一定坡度，很難出現(xiàn)大面積滯水，雨水會(huì)很快入滲，不會(huì)形成地表徑流，所以，浸泡法測(cè)定值會(huì)偏高。他人研究表明，當(dāng)降水達(dá)到20～ 30 mm后，枯落物實(shí)際持水能力只有最大持水能力的85%左右[29]，故本文計(jì)算了有效攔蓄率和有效攔蓄量，并借此比較真實(shí)地表示枯落物持水能力。雖然山楊純林枯落物的有效攔蓄率較低，但由于其枯落物蓄積量較大，所以，其有效攔蓄量反而稍高于白樺純林。

武鵬艷[30]研究蘭州南山的4 種人工林枯落物持水性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，枯落物蓄積量多的表現(xiàn)為攔蓄能力更強(qiáng)，這與本研究結(jié)果一致；但宣立輝[31]研究發(fā)現(xiàn)，闊葉樹枯落物最大持水量與最大持水率保持一致，與本研究結(jié)果相反，其原因在于枯落物持水能力同時(shí)取決于枯落物的數(shù)量和持水性能，而樹種、密度、林齡、立地條件等均會(huì)影響枯落物的數(shù)量和質(zhì)量，所以會(huì)出現(xiàn)不同研究中的主導(dǎo)因素差異和持水性能研究結(jié)果差異。從本文研究結(jié)果可知，枯落物持水能力受多種因素影響，枯落物的分解程度影響枯落物的持水能力，半分解層所占比例越高，枯落物分解程度越高，持水能力越好；影響持水量的主要因素是蓄積量，而影響持水率的主要因素是枯落物分解程度。

3.3 枯落物的持水過程

本研究表明，森林枯落物吸水速率均為浸泡前期（0～0.5 h）最高，之后隨吸水時(shí)間增加而急劇下降并趨于平緩，最終趨于零（枯落物達(dá)飽和狀態(tài)，即最大持水量），所以，吸水速率是個(gè)不斷減緩的過程[32]?？萋湮锢鄯e持水量與浸水時(shí)間有對(duì)數(shù)關(guān)系（Q=a·ln(t)+b），吸水速率與浸水時(shí)間遵從冪函數(shù)關(guān)系（V=ktn），而且回歸關(guān)系式的精度很高。

由于森林枯落物的吸水速率隨浸泡時(shí)間延長而不斷衰減，枯落物層持水功能主要在降雨前期發(fā)揮較大作用，有助于水源涵養(yǎng)和地表徑流調(diào)節(jié)。本研究結(jié)果與胡淑萍等[1]對(duì)北京百花山區(qū)4 種林分、王士永等[33]對(duì)北京市懷柔區(qū)三種林分、劉少?zèng)_等[34]對(duì)蓮花湖庫區(qū)幾種主要林分的枯落物水文效應(yīng)研究結(jié)果一致，即枯落物的持水量和吸水速率分別與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系。

綜合來看，研究地區(qū)的山楊純林枯落物層的水源涵養(yǎng)功能優(yōu)于白樺純林，為強(qiáng)化該地區(qū)的森林水源涵養(yǎng)能力，可在森林演替初期注意適當(dāng)保護(hù)作為先鋒樹種的山楊林，要注意引導(dǎo)森林的正向演替，并考慮人工改造已死亡林分，以保證較好的森林環(huán)境結(jié)構(gòu)與功能。

4 結(jié)論

對(duì)賽罕烏拉保護(hù)區(qū)山楊純林和白樺純林枯落物層水文功能的研究表明：（1）山楊純林的枯落物蓄積量稍高于白樺純林，但相差不大，且2 種林分均為未分解層的枯落物蓄積量小于半分解層枯落物蓄積量。（2）山楊純林枯落物層的持水能力優(yōu)于白樺純林枯落物層，2 種森林均為未分解層枯落物的最大持水量小于半分解層；枯落物層的持水能力大小主要受枯落物蓄積量的影響，雖然也受枯落物分解程度的影響。因此，山楊純林的較高枯落物蓄積量導(dǎo)致了其枯落物攔蓄能力高于白樺純林。（3）2 種森林的枯落物吸水速率與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。