黃土高原地區(qū)林地枯枝落葉層水土保持效應(yīng)研究進(jìn)展

許小明, 易海杰, 何 亮, 呂 渡, 賀 潔,鄒亞東, 王浩嘉, 薛 帆, 田起隆, 王妙倩, 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,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

全球范圍內(nèi)，黃土高原以水土流失最為嚴(yán)重而聞名于世[1]。據(jù)陜縣水文站觀測資料顯示，1919—1959年黃土高原地區(qū)多年平均輸沙量為16億t[2-3]。為控制嚴(yán)重水土流失造成的原位效應(yīng)和異位效應(yīng)，自20世紀(jì)70年代末期，國家和地方各級政府陸續(xù)實施了流域綜合管理(1970s—1980s)和退耕還林(草)(1999年至今)等一系列重大水土保持措施。據(jù)統(tǒng)計，黃土高原地區(qū)水土流失面積由1980年代早期的4.3×105km2下降到2018年的2.14×105km2[1,3]。多年平均輸沙量由過去的1.6×109t減少至2000—2018年的2.44×108t[2,4-5]。

植被恢復(fù)是遏制黃土高原地區(qū)土壤侵蝕和控制黃河輸沙的最重要的因子且其作用具有長效性[6]，這已被1999年至今黃土高原地區(qū)銳減且近些年保持低位穩(wěn)定的年輸沙量所證明[2,7-8]。過去有關(guān)植被水土保持功能的研究，主要關(guān)注林冠層降雨截留、削弱雨滴動能[9-11]和根系土壤層在增加降雨入滲、固土防蝕能力和減少徑流輸移等[12-15]方面的作用。然而針對黃土高原林地枯枝落葉層的水土保持效應(yīng)研究比較薄弱。

枯枝落葉層，即死地被物層，是森林垂直結(jié)構(gòu)中最重要的層次，是參與森林水文循環(huán)過程中的重要作用層，在涵養(yǎng)水源和保持水土中發(fā)揮著重要作用[16-18]。國內(nèi)學(xué)者就黃土高原地區(qū)典型天然林地和人工林地(喬木、灌木)枯枝落葉層凋落速率、分解速率、蓄積量變化、水分含量、截留降水、持水能力、降低雨滴濺蝕、抑制土壤蒸發(fā)、阻延地表徑流、土壤表層理化性質(zhì)改善、養(yǎng)分歸還和提高生物活動強(qiáng)度等方面開展了一些有意義的研究[10,18-22]，有助于明晰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)性地歸納和分析黃土高原地區(qū)林地枯枝落葉層水土保持綜合效應(yīng)，可以及時報導(dǎo)最新研究成果，促進(jìn)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(rèn)識，并深刻理解其持水能力、攔蓄徑流和調(diào)控土壤侵蝕的生態(tài)功能。

本文從6個方面梳理當(dāng)前黃土高原地區(qū)林地枯枝落葉層水土保持功能的研究現(xiàn)狀，并對其進(jìn)行綜合評價，提出需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問題，以期為黃土高原地區(qū)林地枯枝落葉層水土保持功能的深入研究、植被恢復(fù)措施優(yōu)化和森林撫育管理提供科學(xué)支撐。

1 林地枯枝落葉層水土保持效應(yīng)研究現(xiàn)狀

森林是陸地防止水土流失的積極因素，枯枝落葉層(O層)是森林生態(tài)系統(tǒng)特有的層次，是近地表水文效應(yīng)的主要作用層，對保護(hù)森林土壤資源，減輕土壤侵蝕具有非常重要的作用，根據(jù)分解程度，劃分為3個層次，即未分解層、半分解層和粗腐殖質(zhì)化層[6,18,23]。國內(nèi)外科研工作者很早認(rèn)識并重視到枯枝落葉層在涵蓄降水、攔蓄泥沙方面的水文功能，并陸續(xù)開展了一系列野外定位研究和室內(nèi)試驗，取得了許多重要成果[18,24-38]。由圖1可知，以往有關(guān)黃土高原地區(qū)喬木、灌木群落枯枝落葉層的野外調(diào)查樣地(黑色點位)主要分布在區(qū)域中南部。土石山區(qū)、丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)雖均有分布，但以土石山區(qū)研究最多，主要涵蓋六盤山、子午嶺、黃龍山和秦嶺地區(qū)，而水土流失嚴(yán)重的丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)的研究相對較少。以往研究主要采用野外坡面樣地調(diào)查、定位監(jiān)測、野外自然和人工模擬降雨、室內(nèi)人工模擬降雨和浸泡等方法來研究天然林和人工林主要恢復(fù)植被類型[山楊(PopulusdavidianaDode)、油松(PinustabuliformisCarr.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、櫟樹(QuercusL.)和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等]枯枝落葉層的水土保持效應(yīng)(表1)。

圖1 黃土高原不同地貌類型區(qū)林地枯枝落葉層

1.1 枯枝落葉層凋落及蓄積量動態(tài)變化

枯枝落葉層是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)中的一個重要垂直結(jié)構(gòu)層次，具有重要的生態(tài)水文功能，研究枯落物的凋落動態(tài)對掌握枯枝落葉層積累特征，識別枯落物初級生產(chǎn)力具有重要意義。常見的枯落物凋落動態(tài)研究方法主要有野外樣地凋落物收集器法和蓄積量定期實測法[22]。氣候植被帶和植被類型等是導(dǎo)致林地枯枝落葉凋落起始時間和凋落過程產(chǎn)生差異的重要影響因子。黃土高原地區(qū)不同氣候帶或同一氣候帶內(nèi)典型植被類型枯枝落葉在年、季節(jié)、月和半月尺度的凋落速率已被研究[22,43]。北部森林草原帶和南部森林帶落葉喬木、灌木植被分別在9月中下旬和10月上中旬葉片開始凋落。受不同樹種生態(tài)學(xué)特性影響，其凋落過程存在差異。研究表明，黃土高原地區(qū)落葉闊葉林和灌木林地，如山楊、櫟樹、刺槐、樺樹(Betulaplatyphylla)和沙棘等枯枝落葉以9月和10月最為集中，該階段凋落量約占全年凋落總量的75%以上[19]。而針葉林如油松，其凋落過程主要發(fā)生在10月—次年4月，呈現(xiàn)明顯的節(jié)律性[53]。凋落物主要成分均為落葉，約占總凋落量的60%～90%[43]，又以半分解層為主[54-55]。

森林枯枝落葉層蓄積量隨凋落量和分解量的變化而一直處于動態(tài)變化中。以喬木群落為例，吳欽孝等[54]認(rèn)為陜北丘陵溝壑區(qū)人工山楊林和油松林枯落物分別以1月份和4月份蓄積最大，而10月和7—8月蓄積量分別達(dá)到全年最低值。在中齡林的林分結(jié)構(gòu)下，山楊林和油松林枯落物蓄積量均無明顯增減。蓄積量受植被類型、密度、林齡、地形因子、氣候(溫度和降水)和人為活動等因子的影響。黃土高原地區(qū)枯落物蓄積量表現(xiàn)為喬木群落>灌木群落>草本群落[39]；針葉林枯落物蓄積量>落葉闊葉林[48]。六盤山地區(qū)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)枯落物厚度和蓄積量隨密度增大存在一定上限，密度在1 600株/hm2時厚度和蓄積量最大[55]。不同坡向、坡度、坡位等地形因子的對比分析表明陰坡枯落物蓄積量較陽坡枯落物蓄積量明顯增加，陡坡不利于枯落物蓄存，枯落物蓄積量表現(xiàn)出下坡位>中坡位>上坡位。黃土高原從南到北，隨降水量的遞減，枯落物蓄積量表征為減少的趨勢。人為放牧、火災(zāi)和采伐林木等也會減少枯落物的蓄積量。

表1 黃土高原地區(qū)林地枯枝落葉層主要研究成果

1.2 枯枝落葉層截留降雨能力

森林垂直結(jié)構(gòu)分層中，除林冠層以外，枯枝落葉層具有截留林內(nèi)降水，減少林地凈雨量，延緩地表產(chǎn)匯流過程，補(bǔ)充土壤水分的作用[25,44]，其截留機(jī)理一直被關(guān)注[56]。依據(jù)枯落物的截留速率，將其劃分為截留階段、滲透階段和飽和階段[18,20,57]。截留量大小不僅與不同植被類型枯落物蓄積量存在直接關(guān)系，還與其自身特性(分解速率和持水能力)有關(guān)[58]。隨林地郁閉度增加，枯落物厚度和蓄積量一般越大，截留降水能力越強(qiáng)。當(dāng)枯落物厚度超過標(biāo)準(zhǔn)厚度(0.8～1.2 cm)，在場次降雨過程中，枯落物厚度的差異不會造成其截留降水量的顯著差異[57]。持水能力越大的枯落物層，分解速率越高，截留能力越強(qiáng)[59]。

此外，枯落物干濕程度、降雨特征(降雨量、降水時長和雨強(qiáng)等)和植被類型等均會影響其截留量[18]。馬雪華[59]研究認(rèn)為，在降水初期，枯落物較為干燥，其截留量隨降水量增大而增大，而截留率表征為相反的變化特征；截留量存在最大閾值，不會隨降水過程的持續(xù)繼續(xù)增加[18,49]。黃土高原典型土石山區(qū)——六盤山主要森林類型枯枝落葉層對大氣降水截留的研究結(jié)果[18]表明，針葉林林內(nèi)年截留量和截留率明顯高于闊葉林，截留量總體與枯落物蓄積量呈正比例關(guān)系。此外，枯落物截留降雨能力具有明顯的季節(jié)和月尺度變化。以油松林為例，季節(jié)尺度上，截留量表現(xiàn)出夏季>秋季>春季>冬季；月尺度上，6—9月截留量超過全年總截留量的50%[18]。

1.3 枯枝落葉層阻延地表徑流能力

地表徑流流速及流量是土壤侵蝕的主要動力，枯落物覆蓋能夠直接增大近地表粗糙度，致使地表徑流阻力系數(shù)增加，徑流流動時間延緩，坡面徑流流速降低，有利于增加林地土壤入滲，減小徑流沖刷土壤，抑制洪峰形成或推遲洪峰過程、削減洪峰流量[16,18,41,50,58]?？萋湮飳釉诤艽蟪潭壬暇褪屈S土高原國土整治28字方略“全部降水就地入滲攔蓄”中“攔蓄”作用的具體物質(zhì)和功能化結(jié)構(gòu)的重要部分[60]。

研究表明子午嶺地區(qū)不同植被類型枯落物攔蓄量的大小表征為森林>灌叢[47]。黃土高原25°坡面覆蓋1 cm厚度的枯枝落葉，其徑流速度為裸坡的1/10～1/15[61]。坡長(60 m)相同時，天然次生林、人工林和裸露荒坡的匯流時間分別為30～40 min，10～20 min和5.9 min，林地匯流時間明顯長于裸露荒坡，枯枝落葉層對徑流的阻延作用非常顯著[62]。坡度和徑流深(或降雨強(qiáng)度)與枯枝落葉層阻延地表徑流速度呈反比，枯枝落葉層厚度則與其呈正比[18,41,57]。不同植被類型對比發(fā)現(xiàn)，寧南六盤山區(qū)華北落葉松枯枝落葉層有效攔蓄深(1.63 mm)為遼東櫟(QuercuswutaishanicMary.)×少脈椴(TiliapaucicostataMaxim.)混交林(0.56 mm)的2.9倍，這主要源于華北落葉松枯落物蓄積量較大[63]，這已被在子午嶺地區(qū)的研究結(jié)果[48]所證明。

1.4 枯枝落葉層持水能力

栽植密度、枯落物類型、蓄積量、組分、分解程度的不同，會造成截持降水能力的差異[64]。目前，多數(shù)研究采用風(fēng)干枯落物浸泡法來實測枯落物的最大持水量、最大持水率和持水過程[20-21]。研究結(jié)果表明枯落物在浸水前期(2 h以內(nèi))，吸水速度快，尤其在0.5 h以內(nèi)；隨浸泡時間延長吸水能力逐漸下降，24 h基本達(dá)到飽和；枯落物持水量與浸泡時間表征為對數(shù)函數(shù)關(guān)系[65]。人工降雨法實測的枯落物持水量也經(jīng)歷了從快速增加到緩慢增加直至趨于穩(wěn)定的過程[57]。

不同栽植密度的華北落葉松人工林枯落物最大持水率總體隨栽植密度增大而增大，但存在一定的上限，密度在1 600株/hm2持水率達(dá)到最大值[55]。黃土高原地區(qū)主要林分類型枯枝落葉層吸水量呈現(xiàn)出華北落葉松>青楊(PopuluscathayanaRehd.)>油松>樟子松(Pinussylvestrisvar. mongolica Litv.)，這主要與不同林分葉片生物學(xué)特性和結(jié)構(gòu)有關(guān)[18]?？萋湮锍炙慷嗌偈苄罘e量影響，據(jù)研究，寧南山區(qū)主要喬木和灌木群落枯枝落葉層最大持水率介于177%～387%，喬木群落枯落物蓄積量和最大持水量均大于灌木群落[21]。相同林齡條件下，針葉林由于分解速率慢，蓄積量大，其最大持水量>針闊混交林>闊葉林。從枯枝落葉層各組分來看，半分解層蓄積量、最大持水量和最大持水率均高于未分解層[18]。

1.5 枯枝落葉層抗蝕抗沖能力

林地枯枝落葉層覆蓋地表對減輕或消減土壤濺蝕具有決定作用。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。在土壤類型和坡度相同情景下，枯枝落葉層厚度、最大30 min雨強(qiáng)和林內(nèi)降雨量是影響林內(nèi)土壤濺蝕量的主要影響因素[66]。吳欽孝等[18]研究結(jié)果表明，隨油松林和山楊林枯落物厚度增加，林地表土濺蝕量迅速減少，當(dāng)枯落物厚度達(dá)到2 cm以上，濺蝕量基本趨近于0。和山楊林相比，油松林隨枯落物厚度的增加濺蝕量減少較慢，可能由于油松松針較山楊樹葉地表覆蓋度低、分解速率慢和葉片形態(tài)小等因素導(dǎo)致。林地枯枝落葉層有利于削減坡面徑流流速和動能，提高土壤抗沖能力，研究發(fā)現(xiàn)林地枯落物隨厚度增加抗沖能力明顯增強(qiáng)，當(dāng)枯枝落葉層厚度達(dá)到2 cm厚度時，即使在暴雨條件下，坡面土壤侵蝕總體得到控制[44,46]。汪有科等[45]研究表明黃土高原地區(qū)主要植被類型枯枝落葉層抗沖能力表征為油松>山楊>沙棘>刺槐。在覆蓋1 cm厚度枯落物的油松、山楊、沙棘和刺槐林地上，沖刷1 g土壤所需消耗的能量比坡耕地分別增大27.3，24.0，6.5，3.5倍。

1.6 枯枝落葉層增加土壤入滲能力

枯枝落葉層能夠有效增加土壤入滲，減少地表徑流，發(fā)揮森林涵養(yǎng)水源的重要作用[67-68]。其一，枯枝落葉層覆蓋地表，減輕了降雨濺蝕力，保護(hù)表土結(jié)構(gòu)和土壤孔隙，阻滯徑流[69]，利于降雨入滲，增加土壤含水量；其二，枯枝落葉層參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改善了表土結(jié)構(gòu)和土壤物理性狀，尤其是對0—10 cm土層的改善作用最為明顯，提高了土壤表層的腐殖質(zhì)層厚度[44,64]。

林地表層土壤疏松，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤容重小，根系發(fā)育，總孔隙度和毛管孔隙度增加，透水性好，促進(jìn)降雨就地迅速入滲，滯后雨季降水匯流過程，是改變黃土高原地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主要侵蝕動力土壤侵蝕模式的關(guān)鍵地表結(jié)構(gòu)組成[18,53]。郭忠升等[69]對寧南六盤山區(qū)主要林分土壤入滲特征的研究表明，林區(qū)樣地土壤穩(wěn)滲速率主要介于7.14～22.32 mm/min，不同土地利用類型土壤平均穩(wěn)滲速率表征為天然林>人工林>灌木林>草地>農(nóng)地，其中未采伐林地>采伐林地，與劉向東等[10]在六盤山區(qū)森林表層土壤的入滲規(guī)律基本一致。陳云明等[40]對黃土丘陵溝壑區(qū)人工沙棘林地和荒坡土壤入滲能力的對比研究表明，人工沙棘林地在整個測定時段內(nèi)土壤入滲速率均高于荒坡，尤其以入滲前期差異最大。

2 研究中存在的問題

目前，圍繞黃土高原主要地貌類型區(qū)林地枯枝落葉層的生態(tài)水文功能開展的系列研究，對于深刻理解林地枯落物這一特殊層次在攔蓄地表徑流，增加土壤入滲，發(fā)揮水土保持作用等方面具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義，有利于重視和保護(hù)枯落物層，提高林地經(jīng)營管理水平，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

通過梳理文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)以往枯落物的研究過程中，仍然存在一些尚需研究的問題。例如，一些研究在估算森林恢復(fù)過程中的水土保持效益時，更多地關(guān)注和考慮了林冠層蓋度，對森林垂直結(jié)構(gòu)分層中非常重要的近地表枯枝落葉層重視程度不夠。部分土壤侵蝕預(yù)報模型缺乏從林地枯枝落葉層蓋度、厚度及其生態(tài)水文功能的角度來評估其水土保持功能。目前，黃土高原地區(qū)不同氣候植被帶枯枝落葉層水土保持功能的對比研究有所不足?？葜β淙~凋落速率觀測方面，對植被快速恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善的丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)長期定位連續(xù)觀測明顯不夠?？萋湮锍炙芰Ψ矫?，主要基于充分供水條件下即采用室內(nèi)浸泡法來研究其最大持水量、吸水速率和模擬持水過程，計算出的結(jié)果和野外大雨量級(20～30 mm/24 h)降雨條件下枯落物的最大持水能力基本一致[58]。缺乏對不同氣候帶典型樹種在年內(nèi)自然場次降雨事件和人工降雨變雨強(qiáng)情景下，野外坡面原位枯枝落葉層持水能力的對比分析。同時，對不同演替階段主要樹種枯枝落葉層保水保土效益的對比研究不足，缺乏植被演替過程上的分析。天然林和人工林枯枝落葉層生態(tài)水文功能的對比研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)，以明晰天然林和人工林枯落物水土保持功能的差異。另外，有關(guān)枯枝落葉層水文功能建立的大多為經(jīng)驗統(tǒng)計模型，物理過程模型存在空白[70]。

3 進(jìn)一步研究的科學(xué)問題

黃土高原地區(qū)近20 a來，隨著植被迅速恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，河川徑流和輸沙量銳減[7,71]。裸露荒坡林草植被建設(shè)，尤其是喬灌林地枯枝落葉這一明顯而又關(guān)鍵的層次對減輕坡面土壤侵蝕，增加降雨就地入滲具有十分重要的意義[6,18,57]?？葜β淙~層水文過程是森林水文過程中不可忽視的一環(huán)，理解林地坡面土壤入滲—產(chǎn)匯流過程，明確枯枝落葉層在林地恢復(fù)中的水土保持意義對提高林地質(zhì)量，促進(jìn)黃土高原生態(tài)保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義?；谀壳翱葜β淙~層生態(tài)水文功能研究中存在的一些問題，未來可以考慮從以下幾個角度，瞄準(zhǔn)科學(xué)問題開展進(jìn)一步的研究。

3.1 開展長時間、多氣候梯度、多地貌和多尺度研究

黃土高原從東南到西北跨越溫帶落葉闊葉林帶、森林草原帶、典型草原帶和荒漠草原帶4個陸地自然帶，調(diào)查不同氣候植被帶主要植被類型枯落物厚度、蓋度和蓄積量長時間序列動態(tài)變化特征，未來著眼于不同地貌類型區(qū)、不同氣候梯度帶枯落物生態(tài)水文功能的對比研究，開展微地貌、多尺度(坡面尺度—小流域尺度—大流域尺度—區(qū)域尺度)的枯落物水文過程研究。土石山區(qū)作為重要的河源區(qū)，開展秦嶺、子午嶺、呂梁山和太行山等水源涵養(yǎng)區(qū)枯枝落葉層保持水土的研究工作有助于深刻理解林地枯落物在山區(qū)薄層土壤分布帶的生態(tài)水文意義。

3.2 增強(qiáng)野外坡面長期觀測和原位降雨試驗研究

在黃土高原典型地貌類型區(qū)，依據(jù)氣候植被帶從南到北的梯度變化，分別選取區(qū)域有代表性的喬灌木林分坡面樣地，定位觀測枯枝落葉在年、季和月尺度上的凋落動態(tài)和蓄積量的時空變化特征并予以對比分析?？紤]到枯枝落葉層在野外的自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)不被破壞，基于此，分別開展自然場次降雨事件和人工模擬變雨強(qiáng)情景下不同林分枯落物類型、不同厚度枯落物在截留降雨、攔蓄地表徑流和抗沖抗蝕能力的對比研究，以揭示和理解林地枯落物在保持水土中的特殊意義。加強(qiáng)枯枝落葉層在極端降雨條件下減少坡面地表徑流的貢獻(xiàn)率分析，有助于理解枯枝落葉層在森林水文過程中的重要作用。

3.3 加強(qiáng)天然林和人工林枯枝落葉層的對比研究

黃土高原地區(qū)天然林基本上為天然次生林，主要分布在子午嶺、秦嶺、黃龍山和六盤山等土石山區(qū)，而人工林主要指在歷史時期為減少水土流失通過人工措施形成的森林。自1999年國家退耕還林政策實施以來新增加的林地以人工林為主，其中丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)分布最多。在相似氣候條件和地形因子條件下，開展天然次生林和人工林相同林分類型隨林齡、林分密度變化下枯枝落葉層蓄積量、厚度、蓋度特征及其生態(tài)水文功能的對比研究，對于厘清天然次生林和人工林枯落物在水土保持效益中的差異，指導(dǎo)人工林營林規(guī)劃方案設(shè)計和造林地管理具有突出的實際指導(dǎo)意義。

3.4 物理模型建立和參數(shù)確定

枯枝落葉層作為近地表特殊的水土保持作用層，在林地水土保持效益中，發(fā)揮主導(dǎo)作用。枯枝落葉層作為聯(lián)結(jié)土壤-植被-大氣連續(xù)體中非常重要的薄層介質(zhì)，尤其是枯枝落葉-腐殖質(zhì)層這一復(fù)合層次在減輕土壤侵蝕、改善土壤質(zhì)量和增加土壤入滲方面的綜合效益日益受到更多的關(guān)注。開展黃土高原不同地貌類型區(qū)典型植被類型枯枝落葉層水文動態(tài)特征，建立具有物理意義的林地枯枝落葉層水土保持評價模型，對影響模型評估結(jié)果的主要參數(shù)，如枯落物種類、厚度、蓋度、堆積狀態(tài)、分解狀態(tài)和葉片特征等進(jìn)行確定和修正。