小五臺(tái)山地區(qū)主要林分枯落物分布特征及水源涵養(yǎng)能力

侍柳彤， 史常青， 杜晨曦， 楊建英

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.淮河水利委員會(huì)淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，安徽 蚌埠 233000)

水源涵養(yǎng)指森林各結(jié)構(gòu)層次在水文過(guò)程中與水的相互作用，即攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、補(bǔ)充地下水、改善水質(zhì)等功能，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)功能之一，包括林冠層截留、枯落物層持水以及土壤層蓄水3個(gè)部分。其中枯落物層作為森林水源涵養(yǎng)的主體，降水截留率最高可達(dá)到25.0%，對(duì)降水和徑流的吸持量可達(dá)到自身干質(zhì)量的2～4倍，在森林水源涵養(yǎng)過(guò)程中吸持降水、分散滯緩地表徑流、增加水分入滲、減少土壤侵蝕、抑制土壤水分蒸發(fā)等方面都發(fā)揮了重要的作用。目前有關(guān)枯落物的研究中主要是對(duì)枯落物蓄積量、分解情況和降水吸持能力等方面的研究，同時(shí)主要從最大持水量、有效攔蓄量、持水率、持水速率等方面對(duì)其吸持能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。以往研究發(fā)現(xiàn)，枯落物分布主要受林分類型、林齡及林分密度影響，枯落物吸持能力主要受蓄積量、厚度、樹(shù)種類型、葉片形態(tài)、分解程度、降雨強(qiáng)度等因素影響。研究林地枯落物的分布特征及吸持能力，對(duì)合理利用森林資源進(jìn)行保持水土、涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)等方面都有著重要的意義。

降水落到森林地表時(shí)，一部分被枯落物層吸持、攔蓄，一部分滲入土壤，一部分水分蒸發(fā)，因此枯落物長(zhǎng)期浸在水中充分浸泡的情況基本不會(huì)存在，下層的枯落物也無(wú)法達(dá)到水分充分飽和。以往對(duì)枯落物吸持作用的研究中大多采用的浸泡法，得到的數(shù)據(jù)更多作為吸持能力理論值即最大吸持潛力，通常較實(shí)際吸持量偏大，只能在一定程度上反映枯落物對(duì)降雨的吸持能力，并不能客觀描述枯落物層在實(shí)際降雨情況下的吸持過(guò)程及次降雨的實(shí)際吸持量。模擬降雨法更加接近自然條件，更能真實(shí)地反映枯落物的吸持能力。為更好地反映小五臺(tái)山地區(qū)典型林分枯落物的水源涵養(yǎng)能力，本研究采用浸泡和模擬降雨2種方法對(duì)不同林分枯落物水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行研究。

小五臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)位于永定河中上游，林分面積為10 534 hm，森林覆被率為75.4%，多年來(lái)一直是永定河的重要水源地，為京津及其周圍提供了豐富的優(yōu)質(zhì)水源。該區(qū)域的水源涵養(yǎng)林可以調(diào)節(jié)永定河流域的徑流變化，影響著周邊水資源和水環(huán)境，在保護(hù)永定河水系和水源方面具體重要意義。本研究以小五臺(tái)山7種典型林分為研究對(duì)象，對(duì)各林分枯落物分布特征及水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行研究，以期為評(píng)估永定河上游區(qū)域水源涵養(yǎng)能力及其對(duì)水生態(tài)的影響提供基礎(chǔ)支撐，同時(shí)為該區(qū)域今后水源涵養(yǎng)林的配置及經(jīng)營(yíng)改造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的試驗(yàn)地設(shè)在河北省張家口市蔚縣的小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(39°50′41″-40°06′30″N，114°47′80″-115°28′56″E)。研究區(qū)屬于永定河流域，主要為中、亞高山地貌類型，海拔在2 600 m以上。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷娜A北土石山區(qū)，以山地棕壤、栗鈣土、褐土亞高山草甸土等土壤類型為主，處于暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)，氣候類型為北溫帶季風(fēng)氣候，溫差大、多大風(fēng)、降水多集中夏季。年降水量381～420 mm，年平均氣溫6.4 ℃，無(wú)霜期135～140天，平均日照時(shí)間2 875 h。其植物種類繁多，主要有青楊林(Rehd.)、白樺林(Suk.)、蒙古櫟林(Fischer ex Ledebour)、油松林(Carrière)、落葉松林((Ruprecht)Kuzeneva)、椴樹(shù)林(Szyszylowicz)、云杉林(Masters)、粉樺林(Suk.)、油松×蒙古櫟混交林、粉樺×云杉混交林等林分，以及繡線菊(L.)、沙棘(Linn.)、虎榛子(Decaisne.)、毛榛(Maxim.)等灌草植被。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2019年8—9月進(jìn)行，在小五臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)的無(wú)人為干擾地段，保證立地條件一致的情況下，選取油松純林、青楊純林、白樺純林、椴樹(shù)純林、蒙古櫟純林、油松×蒙古櫟混交林、粉樺×云杉混交林7個(gè)林分樣地(表1)，每個(gè)樣地設(shè)置1個(gè)20 m×20 m的樣方。

表1 樣地基本信息

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 枯落物分布調(diào)查 綜合考慮胸徑、樹(shù)高及冠幅得到每個(gè)樣地的標(biāo)準(zhǔn)木，并選取3株標(biāo)準(zhǔn)木。在標(biāo)準(zhǔn)木冠幅投影下，以樹(shù)干為起點(diǎn)分別在東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個(gè)方位上每隔0.3 m設(shè)置1個(gè)點(diǎn)，一直延伸到樹(shù)冠投影邊緣，測(cè)定各點(diǎn)未分解層、半分解層枯落物的厚度。同時(shí)記錄清楚哪些方位屬于坡上，相對(duì)應(yīng)的方位即為坡下。

1.3.2 枯落物蓄積量計(jì)算 每個(gè)樣地選取1株標(biāo)準(zhǔn)木，在下方設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的枯落物樣方，并按未分解層和半分解層對(duì)枯落物進(jìn)行分層收集，稱量濕重后，在65 ℃下烘干并稱其干重，通過(guò)單位面積干重?fù)Q算得到蓄積量。

1.3.3 枯落物吸持能力測(cè)定 本研究分別運(yùn)用浸泡法和模擬降雨法，對(duì)枯落物吸持能力進(jìn)行測(cè)定。

(1)浸泡法：稱取一定數(shù)量的枯落物浸泡于水中，分別于浸泡后的0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h對(duì)枯落物進(jìn)行稱重，每次取出時(shí)靜置至枯落物不滴水時(shí)稱重，重復(fù)3次。所有林分枯落物浸泡24 h后持水量達(dá)到飽和為最大持水量?？萋湮锏淖匀缓?、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量、有效攔蓄率的計(jì)算公式為：

(1)

=085-

(2)

=01

(3)

=01

(4)

式中：為最大持水率(%)；為浸泡24 h時(shí)的枯落物濕重(g)；為枯落物干重(g)；為有效攔蓄率(%)；為自然含水率(%)；為最大持水量(mm)；為枯落物蓄積量(g/m)；為有效攔蓄量(mm)。

(2)模擬降雨法：根據(jù)野外真實(shí)狀況將風(fēng)干后的半分解、未分解枯落物依次均勻鋪在1.0 m×1.0 m×0.2 m網(wǎng)篩上，鋪后稍微壓實(shí)以接近自然狀態(tài)下的緊實(shí)度。網(wǎng)篩放置于坡度為30°的鐵架上，頂部設(shè)置模擬降雨器進(jìn)行模擬降雨(通過(guò)控制噴頭閥門來(lái)控制雨強(qiáng))，底部采用集雨布和集流桶收集出流量。根據(jù)對(duì)張家口市東南部降水量日變化特征的分析，設(shè)置15,20,25 mm/h 3個(gè)雨強(qiáng)，模擬降雨歷時(shí)均為1 h。每隔5 min測(cè)定1次枯落物停止滴水時(shí)集流桶收集的出流量，重復(fù)3次，降雨量減去出流量可得枯落物的吸持量。所有林分1 h后吸持量達(dá)到飽和記為最終吸持量，枯落物的最終吸持量和吸持速率的公式為：

(5)

=01

(6)

式中：為吸持率(%)；為降雨1 h時(shí)的枯落物濕重(g)；為枯落物干重(g)；為最終吸持量(mm)；為枯落物蓄積量(g/m)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 26.0軟件對(duì)實(shí)地調(diào)查與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合Origin 7.0軟件作圖。在SPSS 26.0軟件中對(duì)各林分各分解層的厚度和蓄積量Duncan多重分析，并用Origin 7.0軟件繪制枯落物厚度分布圖和持水動(dòng)態(tài)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物分布特征

由圖1可知，樹(shù)冠投影下的枯落物覆蓋面積和厚度表現(xiàn)為闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林，其厚度均值分別為(7.41±4.43)，(7.23±4.19)，(4.75±2.01)cm，面積均值分別為(21.95±2.78)，(10.54±4.13)，(13.75±1.62)m。由于地形的影響，其厚度表現(xiàn)為坡下>坡上，且半分解層枯落物不同坡位的厚度差異更大，其中闊葉林坡上厚度為(6.65±4.22) cm，坡下厚度為(8.70±4.65) cm；針闊葉混交林坡上厚度為(6.86±4.22) cm，坡下厚度為(7.23±4.27) cm;針葉林坡上厚度為(4.42±1.36) cm，坡下厚度為(5.16±2.18) cm。7種林分樹(shù)冠投影下的枯落物覆蓋面積為6.40～26.65 m，相對(duì)順序是青楊純林>白樺純林>椴樹(shù)純林>蒙古櫟純林>粉樺×云杉混交林>油松純林>油松×蒙古櫟混交林。各林分枯落物厚度為4.75～11.09 cm，表現(xiàn)為蒙古櫟純林>油松×蒙古櫟混交林>椴樹(shù)純林>白樺純林>油松純林>青楊純林>粉樺×云杉混交林(圖2)。其中蒙古櫟純林和油松×蒙古櫟混交林未分解層和半分解層的厚度都顯著大于油松純林、粉樺×云杉混交林。

注：圖中圓圈處為樣地標(biāo)準(zhǔn)木所在地，軸線為到標(biāo)準(zhǔn)木中心的距離(cm)。圖1 各林分枯落物分布

注：圖柱上方不同大小寫字母表示不同林分未分解層和半分解層間差異顯著(p<0.05)，n=168。下同。圖2 各林分枯落物厚度

2.2 枯落物蓄積量

由圖3可知，枯落物蓄積量表現(xiàn)為針葉林[(545±163.01) g/m]大于針闊葉混交林[(295±34.73) g/m]和闊葉林[(241.25±90.88) g/m]，且半分解層大于未分解層，其占比分別為59.78%～71.93%和28.07%～40.22%。各林分枯落物蓄積量為142～545 g/m，相對(duì)順序?yàn)橛退杉兞?青楊純林>油松×蒙古櫟混交林>白樺純林>粉樺×云杉混交林>蒙古櫟純林>椴樹(shù)純林?？萋湮镄罘e量受樹(shù)木種類及數(shù)量的影響，如油松純林枯落物蓄積量最大(545 g/m)約為其他林分的1.44～3.83倍，因?yàn)獒樔~樹(shù)的葉片脂質(zhì)含量較高，且葉纖維發(fā)達(dá)木質(zhì)素含量高，不易分解，故針葉林枯落物蓄積量高于闊葉林和針闊葉混交林。青楊純林由于葉片大且每年落葉多枯落物分布范圍大，所以蓄積量也相對(duì)較高。椴樹(shù)純林葉片小且薄，故蓄積量最小。

圖3 各林分各層枯落物蓄積量

2.3 枯落物吸持能力

2.3.1 基于浸泡法的枯落物吸持能力 所測(cè)定的7種林分枯落物最大持水量和有效攔蓄量變化分別為0.69～1.69，0.56～1.37 mm，其均值為(1.21±0.32)，(0.96±0.25) mm。不同樹(shù)種枯落物持水率呈現(xiàn)出闊葉林(489.6%±13.4%)和針闊混交林(396.0%±26.2%)大于針葉林(269.8%±4.9%)，且持水量表現(xiàn)為半分解層[(0.82±0.23) mm]大于未分解層[(0.39±0.13) mm]?？萋湮镒畲蟪炙屎陀行r蓄率表現(xiàn)為椴樹(shù)純林>白樺純林>蒙古櫟林>青楊純林>粉樺×云杉混交林>油松×蒙古櫟混交林>油松純林(表2)。其中最大持水率和有效攔水率最大的樹(shù)種為椴樹(shù)純林，分別為501.6%和409.7%，最小的為油松純林，分別為269.8%和208.5%。7個(gè)樹(shù)種持水能力的相對(duì)順序?yàn)榍鄺罴兞?白樺純林>油松×蒙古櫟混交林>粉樺×云杉混交林>油松純林>蒙古櫟林>椴樹(shù)純林，其枯落物持水能力最強(qiáng)的樹(shù)種為青楊純林，最大持水量為1.69 mm，有效攔蓄量為1.37 mm。

表2 各林分枯落物持蓄能力

為消除枯落物蓄積量的影響，本研究對(duì)單位質(zhì)量枯落物的吸持能力進(jìn)行分析。所有林分枯落物的吸持量和吸持速率隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)都基本一致(圖4)，浸泡初期吸持速率最高，吸持量增加迅速，前1 h內(nèi)枯落物已基本達(dá)到最大吸持量的90.0%，之后增幅逐漸平緩，8 h后基本趨于穩(wěn)定，24 h已達(dá)到飽和。各林分枯落物吸持速率和吸持量在前期表現(xiàn)為：半分解層>未分解層，闊葉林、針闊混交林>針葉林，后期相差不大。7種林分枯落物吸持能力表現(xiàn)為油松純林吸持能力最小(0.53 mm)，其余樹(shù)種吸持能力相差不大，均為油松純林的1.5～1.6倍。

圖4 各林分單位質(zhì)量枯落物吸持量及吸持速率隨浸泡時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化

2.3.2 基于模擬降雨法枯落物吸持能力 所有林分枯落物對(duì)于降雨的吸持過(guò)程基本一致，可分為快速濕潤(rùn)和穩(wěn)定增長(zhǎng)2個(gè)階段(圖5)。快速濕潤(rùn)階段，枯落物吸持量可達(dá)到最終吸持量的80%左右，且歷時(shí)隨著雨強(qiáng)的增加而縮短。由于雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、枯落物量等因素的差異，各階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也存在差異。如椴樹(shù)純林質(zhì)量較小，其快速濕潤(rùn)持續(xù)了20 min，而白樺純林、青楊純林持續(xù)了25 min。7種林分的最終吸持量總體表現(xiàn)為闊葉林[(0.37±0.08) mm]>針闊葉混交林[(0.35±0.07) mm]>針葉林[(0.32±0.06) mm]，具體表現(xiàn)為青楊純林>粉樺×云杉混交林>白樺純林>椴樹(shù)純林>蒙古櫟純林>油松純林>油松×蒙古櫟混交林，其中最大的為青楊純林[(0.41±0.08) mm]。

圖5 不同雨強(qiáng)下各林分枯落物吸持量及吸持速率隨降雨歷時(shí)的動(dòng)態(tài)變化

2.3.3 浸泡法和模擬降雨法的比較 分析發(fā)現(xiàn)，2種方法枯落物吸持水分的過(guò)程是基本一致，均為由快速增長(zhǎng)到緩慢增長(zhǎng)，直到逐漸趨于飽和。為了將2種方法得到結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇2種方法枯落物在1 h時(shí)的吸持率進(jìn)行對(duì)比研究。浸泡法枯落物吸持率顯著大于模擬降雨法(表3)，且雨強(qiáng)越大差距越小，模擬降雨3種雨強(qiáng)下得到吸持率分別為48.8%～230.4%，79.7%～225.2%，82.3%～325.7%，而浸泡試驗(yàn)的持水率則達(dá)到236.1%～443.0%。這是因?yàn)樵谀M降雨以及自然界真實(shí)降雨的情況下，降雨因受到風(fēng)力、水汽等因素，并非均勻地落在枯落物上；且枯落物是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累風(fēng)化的，下層的枯落物無(wú)法達(dá)到浸泡試驗(yàn)中枯落物水分充分飽和的條件。

表3 2種試驗(yàn)方法枯落物吸持率的對(duì)比

3 討 論

枯落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)的第2個(gè)功能層，在森林水源涵養(yǎng)過(guò)程中發(fā)揮著最重要的作用。其覆蓋于森林地表，避免了降水和地上徑流與土壤的直接接觸，起到了攔蓄降水的作用，很大程度上減少了雨滴動(dòng)能，分散滯緩了地表徑流，減少了土壤侵蝕，平均能夠削減9.1%的大氣降水總動(dòng)能。同時(shí)枯落物結(jié)構(gòu)疏松多孔，吸持能力強(qiáng)，且分解后能夠改良土壤理化性質(zhì)，增加水分入滲，抑制土壤水分蒸發(fā)。 已有研究發(fā)現(xiàn)，枯落物與土壤相互作用下的對(duì)降水的吸持量可達(dá)到占整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量的80.0%以上。

枯落物分布范圍及厚度不僅受林分類型、林齡、密度等因素的影響，同時(shí)還受地形、坡面位置以及自身堆積情況的影響。本研究中枯落物覆蓋面積和厚度闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林的特征，主要是由于闊葉樹(shù)葉片大、落葉多，針葉樹(shù)葉片小落葉量少。本研究發(fā)現(xiàn)，所有林分枯落物分布范圍及厚度均沿坡面表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性，具體為坡下大于坡上。因?yàn)檠芯康仄露容^陡，在長(zhǎng)期的主要風(fēng)向、降雨過(guò)程中地表徑流的沖刷、泥沙運(yùn)移以及自身自重的作用下，枯落物發(fā)生位移堆積在坡下。且由于地形因素的影響地表含水量存在差異，坡下土壤水分及有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較多，更有利于促進(jìn)枯落物的分解，導(dǎo)致半分解層枯落物坡上坡下的厚度差異更大。同時(shí)如果枯落物蓄積量較大，風(fēng)吹、徑流泥沙沖刷運(yùn)移過(guò)程中的阻力更大，所以上下坡的差異性較小；枯落物蓄積量較小則阻力小，在風(fēng)力、徑流及泥沙的長(zhǎng)期搬離、運(yùn)移、堆積后枯落物厚度區(qū)別會(huì)較大。以往關(guān)于不同坡位下枯落物分布特征的相關(guān)研究較少，但也有研究發(fā)現(xiàn)，枯落物厚度、蓄積量、蓋度及混入量沿坡面分布有顯著差異性，同樣表現(xiàn)為坡下大于坡上。當(dāng)坡度較陡時(shí)，坡位的不同會(huì)造成枯落物分布不均，從而影響其對(duì)減緩坡面徑流的緩沖作用，坡上枯落物分布的減少會(huì)造成其水源涵養(yǎng)功能下降，而坡下林分的水源涵養(yǎng)功能會(huì)相對(duì)更好。

枯落物吸持率受到林分類型、葉片本身的形態(tài)及分解程度等因素的影響。本研究中吸持量表現(xiàn)為半分解層大于未分解層，這是由于半分解層的枯落物已進(jìn)入分解狀態(tài)，部分枯落物已經(jīng)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，同時(shí)存在少量的動(dòng)物殘?bào)w，故其吸持能力更強(qiáng)。且半分解層蓄積量較未分解層更大，故其吸持量也更大，與已有研究結(jié)果一致。本研究中，2種方法枯落物對(duì)降水的吸持率均表現(xiàn)為闊葉林大于針葉林，與楊霞等的研究結(jié)果一致。

這是由于闊葉林枯落物葉片面積較大增加了與雨水的接觸空間，且其葉片表面有毛狀體吸附力較大，可以有效滯留水滴，還有一些闊葉林葉片卷曲形態(tài)也更加有利于雨水聚集。而針葉林的枯落物表面油脂較多不易儲(chǔ)存水分，且針葉狀的殘?bào)w形態(tài)，導(dǎo)致其枯落物堆積排布并沒(méi)有闊葉林密實(shí)，孔隙度較大，故相對(duì)于其他林分吸持過(guò)程中下滲流失至地表的水分較多。對(duì)于雨強(qiáng)大、歷時(shí)短的降雨，闊葉林對(duì)降水的吸持作用更好，因?yàn)槠湮致曙@著高于針葉林。與前人研究闊葉林持水量大于針葉林的結(jié)論有出入，可能是因?yàn)楸狙芯恐薪莘ㄏ旅晒艡导兞帧㈤矘?shù)純林最大持水量小于油松純林，模擬降雨法下油松×蒙古櫟混交林最終吸持量小于油松純林?？萋湮镄罘e量是引起上述現(xiàn)象的主要原因，枯落物吸持量主要取決于吸持能力及蓄積量，一般蓄積量越高，枯落物持水能力越強(qiáng)，油松純林的蓄積量遠(yuǎn)高于蒙古櫟純林和椴樹(shù)純林。

4 結(jié) 論

(1)各林分枯落物的覆蓋面積和厚度均表現(xiàn)為闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林，且厚度表現(xiàn)出坡下大于坡上的特征。

(2) 浸泡法和模擬降雨法下小五臺(tái)山地區(qū)林分枯落物水源涵養(yǎng)能力總體均表現(xiàn)為闊葉林和針闊混交林優(yōu)于針葉林，其中青楊純林和白樺純林枯落物水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。在今后水源涵養(yǎng)林的樹(shù)種篩選中可考慮多選擇青楊和白樺等闊葉樹(shù)，以提高其水源涵養(yǎng)能力。

(3)所有林分枯落物吸持率均表現(xiàn)為浸泡法大于模擬降雨法，且雨強(qiáng)越大差距越小，只采用傳統(tǒng)的浸泡法進(jìn)行研究可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果較實(shí)際情況偏大，應(yīng)結(jié)合模擬降雨法進(jìn)行研究。