林下地被層水文過程、機(jī)制與功能研究進(jìn)展

張萌 ,高郯 ,盧杰*

1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 林芝 860000；3.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，西藏 林芝 860000；4.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000

森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于全球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著巨大的作用。喜陰耐濕的苔蘚層和森林枯落物一起覆蓋在林地表面，形成地被層，也稱森林土壤的保護(hù)層，它是森林生態(tài)系統(tǒng)密不可分的一部分。森林地被層通過吸持水分、增加土壤入滲、截留降水、阻延地表徑流、提供土壤養(yǎng)分、改良土壤結(jié)構(gòu)等維持森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的功能發(fā)揮，因此，森林地被層便成為生態(tài)學(xué)家、水文學(xué)家、植物學(xué)家、土壤學(xué)家的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域[1-2]。許多研究表明[3-4]，森林地被物具有攔沙蓄水的功效，能夠穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、減小洪災(zāi)。在山區(qū)，森林地被層的水源涵養(yǎng)、水土保持功能是防洪減災(zāi)功能發(fā)揮的前提，林下地被層水文的研究顯得更為重要、更為迫切[5-6]。

森林地被層是連接大氣、土壤、植被的界面，其水文過程是植被的生長(zhǎng)、恢復(fù)及保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵過程，有利于維持山地生態(tài)系統(tǒng)的安全。根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有森林地被層水文研究成果，闡述森林地被層水文過程，分析生物因素、環(huán)境因素、氣候因素在森林地被層中作用機(jī)制，概括其蓄水保土、凈化水質(zhì)功能，總結(jié)當(dāng)前研究中亟需解決的問題，提出該領(lǐng)域未來(lái)研究重點(diǎn)，為森林地被層水文研究提供參考。

1 林下地被層水文過程及機(jī)理

林下地被層是連接森林地上植被和土壤的橋梁，是森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程的第二個(gè)作用層，一方面承接大氣降雨穿過林間空隙或枝葉吸水飽和后降落的穿透雨，另一方面，當(dāng)?shù)乇粚咏亓麸柡秃?，?duì)穿透雨進(jìn)行再分配，一部分形成地表徑流，一部分在重力等的作用下向土壤入滲，形成壤中流或地下徑流，最終匯集到江河[7-8]。除此之外，地被層以蒸散發(fā)的形式將水分歸還給大氣完成整個(gè)水文循環(huán)過程[9-10]。

地被層的水文過程主要受自身生物學(xué)特性和外在環(huán)境因素的共同影響[11]。自身生物學(xué)特性主要包括地被物的組分、含量和凋落物分解狀況。一般認(rèn)為凋落物儲(chǔ)量與其持水量成正比。余新曉等[12]對(duì)峨眉冷杉林地被物的分布及其水文效益研究表明，隨著群落正向演替的發(fā)展，凋落物的儲(chǔ)量增大，分解程度增加，枯落物最大持水量也增加。陳禮清等[13]研究川西亞高山枯落物持水性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同林分地被物組成不同，岷江冷杉(Abies faxoniana)林地被物以苔蘚為主，白樺(Betula platyphylla)林以枯落物為主，冷杉林地被物的持水量高于白樺林。根據(jù)最大持水量的公式也可證明枯落物量越大，其持水能力越大。趙艷云等[14]對(duì)寧夏六盤山不同森林群落地被物的持水量測(cè)定過程中發(fā)現(xiàn)，不同植被類型的地被物持水量順序?yàn)殚熑~林＞針葉林，這是因?yàn)椴煌萋湮锏某炙芰Σ煌饕c組分孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，闊葉枯落物孔隙較大，可以吸收較多的水，而針葉枯落物表明光滑，容易形成拮抗水層，同時(shí)分泌油脂性物質(zhì)[15]。Zhou 等[16]純林的持水能力比針闊混交林弱。鄒奕巧等[17]對(duì)浙江省天臺(tái)縣不同森林類型的研究結(jié)果也支持針闊混交林的持水能力高于針葉林這一結(jié)論，這主要與凋落物儲(chǔ)量及混合分解的拮抗效應(yīng)有關(guān)。趙玉濤等對(duì)長(zhǎng)江上游亞高山峨眉冷杉林地被物的截留量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同演替階段地被物的截留量呈現(xiàn)為成熟林＞過熟林＞中齡林＞幼齡林，可能是隨著林齡的增加凋落物量也在增加的原因。趙麗等[18]分析不同林分、不同郁閉度等級(jí)林下枯落物的最大持水量，結(jié)果表明天然林與人工林有效攔蓄量隨林分郁閉度變化而不一樣，因?yàn)橛糸]度的大小調(diào)節(jié)進(jìn)入林地光照，影響凋落物的分解，最終改變凋落物持水能力；同時(shí)還與枯落物組成、蓄積量大小等有關(guān)。胡曉聰?shù)萚19]研究西雙版納熱帶山地雨林枯落物持水特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)處于高海拔的針葉林的有效攔蓄量高于處于低海拔的針闊混交林，主要與凋落物的儲(chǔ)量有關(guān)。

林下地被層水文過程的研究方法主要有原地試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)法。原地試驗(yàn)是在研究樣地內(nèi)通過模擬降雨、布設(shè)徑流場(chǎng)等實(shí)測(cè)地被物的持水性能和阻延效果。劉士余等[20]在原地對(duì)地被物進(jìn)行不同處理以研究地被物對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)和水量平衡的影響。余新曉等在研究貢嘎山東坡峨眉冷杉林地被物的水文特征時(shí)采用了室內(nèi)浸泡法。劉一霖等[21]采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定了枯落物的持水與失水特性。浸泡法雖然簡(jiǎn)便易行，但誤差較大，自然條件下地被物的持水量達(dá)不到理論最大值，最大攔蓄量?jī)H為最大持水量的80%。而且，地被物在截留穿透雨的過程中也會(huì)受到風(fēng)速、降雨強(qiáng)度及降雨持續(xù)時(shí)間的影響而達(dá)不到理論值。相比之下，野外試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)的反映地被物的持水性能，但對(duì)實(shí)驗(yàn)樣地有一定的破壞性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大尺度、無(wú)破壞的遙感生態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能，謝字希等[22]基于實(shí)測(cè)光譜和枯落物含水率的關(guān)系建立了枯落物含水率反演模型。彥小飛等[23]用駐波率原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)林地枯落物的無(wú)破壞測(cè)量。Kubota 等[24]發(fā)現(xiàn)穿透雨中18O 與雨水中18O 有極顯著的回歸關(guān)系，這為研究降水在森林水文過程中的運(yùn)移規(guī)律提供了方法。張兵等[25]采用氟氯化碳和同位素研究了地下水與地表水的相互關(guān)系。

2 林下地被層蓄水保土和改變水質(zhì)功能

2.1 林下地被層涵養(yǎng)水源功能

林下地被層水源涵養(yǎng)功能體現(xiàn)在地被物對(duì)穿透雨的吸持截留、土壤水分補(bǔ)充以及減少蒸散發(fā)損失方面，主要以地被物的持水能力、蓄水能力、增加土壤入滲能力、抑制蒸散發(fā)能力等表示。黃承標(biāo)[26]等人分析了某自然保護(hù)區(qū)枯枝落葉層涵養(yǎng)水源的功能，結(jié)果表明枯枝落葉層在降雨過程中的吸水量很大，說(shuō)明在涵養(yǎng)水源保持水土方面發(fā)揮著極大的作用。

2.1.1 地被層的持/留水能力

地被層的持水能力一般用干物質(zhì)重的最大持水量（率）來(lái)表示。地被物的持水量與其儲(chǔ)量正相關(guān)。喬冠林和針葉林下地被物儲(chǔ)量分別為72.67 t·hm-2和43.87 t·hm-2，最大持水量分別為21.23 mm 和11.33 mm[27]。但最大持水量?jī)H表示理論值下的地被物持水能力，在自然狀態(tài)下，由于降雨量、降雨強(qiáng)度、自身持水特性等影響下，地被物達(dá)不到理論狀態(tài)下的最大持水能力。因此，一般用有效攔蓄量表示地被物的持水能力。溫林生等[28]對(duì)江西不同恢復(fù)模式下地被物持水能力的研究表明，馬尾松林下地被物有效攔蓄量、最大攔蓄量、蓄積量均為最大。陳甲瑞和王小蘭[29]對(duì)色季拉山不同林分下苔蘚層持水量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)急尖長(zhǎng)苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）林苔蘚層平均最大持水量為67.35 t·hm-2，高山松（Pinus densata）林苔蘚層平均最大持水量為8.69 t·hm-2。以上研究表明，地被物層在森林水文中發(fā)揮著極其重要的水源涵養(yǎng)功能。

2.1.2 地被層增加土壤入滲能力

在降雨過程中，地被物會(huì)吸持水分達(dá)到飽和，在重力的作用下，水分會(huì)慢慢向下移動(dòng)，補(bǔ)充土壤水分。在水分入滲的過程中，高入滲林地可將下滲水通過垂直入滲和側(cè)滲2 種方式入滲土壤，且2 種方式不斷轉(zhuǎn)化，最終以側(cè)滲方式匯入江河[30-31]。這種高入滲性能不僅能夠減少地表徑流，還延滯了降水匯入江河的時(shí)間，有效的調(diào)節(jié)了流域水文過程。趙玉濤等研究峨眉冷杉林發(fā)現(xiàn)，有地被物覆蓋的林地，其產(chǎn)流時(shí)間和峰值出現(xiàn)、停止時(shí)間均比無(wú)地被物覆蓋有所延遲。同時(shí)地被物的存在，一方面會(huì)使植物根系在土壤中盤根錯(cuò)節(jié)從而增加土壤孔隙度，另一方面凋落物的分解會(huì)讓土壤有機(jī)質(zhì)增加，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改良，土壤團(tuán)聚體也會(huì)增加，從而增加了土壤入滲和持水能力。

2.1.3 地被層抑制蒸散發(fā)能力

林地土壤中的水分會(huì)被植被的蒸騰和地面的蒸發(fā)作用不斷地消耗掉，這些被消耗掉的水分又可以通過降水得到恢復(fù)，森林的這種蒸發(fā)蒸騰作用被稱為蒸散發(fā)，主要涉及三個(gè)過程即植物蒸騰、土壤表面蒸發(fā)和林冠截留降水的蒸發(fā)[32-33]。蒸騰和蒸發(fā)是森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水分消耗的主要途徑，對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)水分平衡有重大影響[34]。地被層抑制蒸散發(fā)的能力體現(xiàn)在對(duì)土壤蒸散發(fā)的抑制上。劉士余等[23]通過水量平衡法對(duì)不同處理方式下地被物抑制土壤蒸散發(fā)的研究，結(jié)果表明裸露地面的蒸散發(fā)量最大，且蒸散是系統(tǒng)內(nèi)第二大支出項(xiàng)。

2.2 林下地被層保持水土功能

林下地被層通過阻擋水滴直接沖擊土壤和改善生物生存環(huán)境實(shí)現(xiàn)土壤保育功能，主要體現(xiàn)在提高土壤肥力、改善土壤性質(zhì)、增強(qiáng)抵抗力以及減少泥沙流量方面。吳欽孝[35]等人專門研究了枯枝落葉層保持水土的能力，結(jié)果表明：枯枝落葉的厚度會(huì)影響它的某些水文生態(tài)功能，有一個(gè)共同規(guī)律就是保持水土的能力會(huì)隨著厚度的增加而加強(qiáng)，但是土壤蒸發(fā)量、濺蝕量和沖刷量會(huì)減少。

2.2.1 地被層抵抗沖蝕能力

在地被層的保護(hù)下，經(jīng)林冠空隙下落或枝葉飽和后超過其張力而形成的穿透雨并不會(huì)直接擊打表層土壤，可有效消減雨滴動(dòng)能，從而使得土壤結(jié)構(gòu)保持完整，增加土壤入滲，阻延徑流。若沒有地被物，降雨會(huì)對(duì)土壤表面進(jìn)行擊打，對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞、濺蝕土壤，被水分飽和并濺散的土粒呈稀泥狀會(huì)把土壤孔隙堵塞住，從而造成地表徑流增加，導(dǎo)致水土流失。地被層對(duì)土壤的抗沖蝕能力可用抗沖性和抗蝕性分別表示。

土壤抗沖性是指土壤抵抗風(fēng)與徑流等機(jī)械力破壞的能力。一般通過降雨強(qiáng)度、流量強(qiáng)度下的泥沙流量分析。王月玲[36]等對(duì)四種不同的林型土壤抗沖性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)四種林型的土壤抗沖性存在顯著差異，其中以山杏×沙棘混交林土壤抗沖性最強(qiáng)，山桃林土壤抗沖性最弱。呂剛[37]等人研究了風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)不同土壤類型的土壤抗沖性特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：樟子松地土壤抗沖強(qiáng)度最大，裸地的抗沖強(qiáng)度最小，在不同的坡位，土壤抗沖性隨著坡度減小、坡位下降而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗懸浮和徑流分散的能力。一般通過分散率或大于0.25 mm 的團(tuán)聚體表示，不同土壤類型的抗蝕能力是不一樣的。張鵬等[38]研究了青藏鐵路沿線四種不同土壤類型的抗蝕性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草甸土的抗蝕性最強(qiáng)，其次是荒漠土，再是灌叢土，草原土的抗蝕性最弱。張華渝[39]等人通過對(duì)園地、林地、裸地和坡耕地的研究，得出園地的抗蝕性最強(qiáng)，裸地抗蝕性最弱。

2.2.2 地被層改善土壤理化性質(zhì)

地被層通過凋落物的分解向土壤傳遞養(yǎng)分是土壤獲取養(yǎng)分的主要途徑、發(fā)揮保育功能的前提[40]。SOM 一方面改善土壤膠體，增強(qiáng)土壤的吸附能力將包含較多養(yǎng)分的土壤粘結(jié)起來(lái)，從而增強(qiáng)土壤的蓄水保水能力；另一方面提供土壤動(dòng)物、微生物生命活動(dòng)所需要的各種有機(jī)產(chǎn)物。有研究者認(rèn)為[41]，土壤環(huán)境的優(yōu)劣會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，同樣，植物的生長(zhǎng)也會(huì)對(duì)土壤造成影響，從而影響土壤涵養(yǎng)水源、保持水土的能力。陸耀東等[42]經(jīng)過8 年清除加勒比松（Pinus caribaea）林林地地表枯落物的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)清除地表枯落物后林地SOM 含量降低，水分保持功能減弱，土壤孔隙減少。

2.2.3 地被層減流減沙能力

地被層對(duì)土壤保持作用最終都以減少?gòu)搅髁亢湍嗌澈康男问襟w現(xiàn)。馬國(guó)飛[43]等人估算和分析了不同林型枯枝落葉層持水量，中海拔云杉林(Picea asperata)的持水量最大，最小的是處在低海拔的云杉楊樹混交林。周允安[44]等人選擇了三種人工林，對(duì)其枯枝落葉層的蓄水量進(jìn)行了取樣測(cè)定，結(jié)果表明：同一個(gè)樹種枯枝落葉的蓄水量隨著林齡的增加而遞增，其中灰木蓮林(Manglietia glauca)的蓄水量最大，尾巨桉林(Eucalyptus urophylla×E.grandis)的蓄水量最小。當(dāng)?shù)匦?、土壤、植被相同，降雨量?79.6 mm 時(shí)，有人測(cè)得沒有枯落物覆蓋比有植被覆蓋土壤侵蝕量增加8.15 倍[45]。

2.3 林下地被層改變水質(zhì)功能

在森林生態(tài)水文循環(huán)過程中，大氣降水補(bǔ)充林地水源、將水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳送給林地，能夠促進(jìn)林木的生長(zhǎng)發(fā)育和維持森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[46]。同時(shí)在林冠層、地被層的保護(hù)下阻延地表徑流、減少地下徑流[47]。但是也會(huì)將大氣中的粉塵顆粒、有害物質(zhì)輸送到林地，危害森林生態(tài)系統(tǒng)的健康，匯入江河后影響流域水質(zhì)安全。大氣降雨經(jīng)過林冠層時(shí)與林冠層發(fā)生相互作用，元素會(huì)出現(xiàn)淋溶、吸收、交換等現(xiàn)象，并傳輸給林下地被層和土壤[48]。林下地被層和土壤層對(duì)降水中的離子進(jìn)行吸收和沉淀，后又被植物根系吸收利用或隨徑流匯入江河?？迪ｎ５萚49]發(fā)現(xiàn)，三種森林群落的林冠層和枯落物層淋溶釋放了K+、Ca2+和Mg2+。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工廠廢氣、汽車尾氣排放較多有害物質(zhì)，加之森林濫砍濫伐嚴(yán)重，人類活動(dòng)破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，在降雨的作用下較多有害物質(zhì)隨之進(jìn)入林地，沉積在土壤中，危害森林植被的健康，匯入江河亦會(huì)影響河流生態(tài)系統(tǒng)的安全。高郯等[50]通過對(duì)色季拉山高山松林的降雨再分配特征研究，表明大氣降雨經(jīng)過林冠層后，高山松林對(duì)重金屬元素Cd、Fe、Zn 具有吸收或吸附性。

3 總結(jié)與展望

森林地被層作為森林水源涵養(yǎng)的第2 層，在截持降雨、重新分配降雨、阻延徑流、保護(hù)土壤、改良土壤過程中發(fā)揮重要作用，受到眾多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的關(guān)注，已有較多研究成果。一般認(rèn)為地被物的持水量與其儲(chǔ)量成正比。馬志良等的研究表明，岷江源頭區(qū)3 種植被類型的儲(chǔ)量和最大持水量均表現(xiàn)為喬灌＞針葉林＞灌叢。但最大持水能力并不代表地被物的截留能力，高甲榮等通過原地實(shí)驗(yàn)?zāi)M人工降雨，發(fā)現(xiàn)在自然條件下，地被物的最大攔蓄量?jī)H為最大持水量的80%。地被物通過增加地表粗糙度阻延徑流或使地表徑流蜿蜒向前，增加土壤入滲能力。地被物的分解程度及比例不僅影響著地被物的蓄水能力，同時(shí)也影響?zhàn)B分的釋放[51]。半分解的攔蓄能力高于未分解層主要與其儲(chǔ)量高有關(guān)。林分類型、林齡、干擾、海拔等生物非生物因素對(duì)地被物水文效應(yīng)的影響研究都已涉及[52]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型[53]、遙感技術(shù)[54]和穩(wěn)定同位素技術(shù)[55-56]都已應(yīng)用到生態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中[57-58]，為大尺度、無(wú)破壞的科學(xué)研究提供技術(shù)手段，為精準(zhǔn)量化地被層的水文效應(yīng)及作用過程、機(jī)制提供科學(xué)方法。

但是當(dāng)前研究中仍存在一些問題：(1)基于室內(nèi)單因子法研究較多，無(wú)法真實(shí)反映復(fù)雜自然條件真實(shí)截留阻延特征。(2)短期性實(shí)驗(yàn)并不能準(zhǔn)確反映整個(gè)年際的水源涵養(yǎng)、水土保持功能，氣候和降雨的變化是否會(huì)對(duì)地被層的水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生影響，有待長(zhǎng)期定位進(jìn)一步考究。(3)針對(duì)地被物的水源涵養(yǎng)功能通常和土壤層結(jié)合在一起考慮，忽略土壤酶活性、微生物等的影響。(4)降水通過地被層之后，不僅水量分配會(huì)發(fā)生變化，離子濃度也會(huì)發(fā)生變化，僅關(guān)注林地內(nèi)持水特性并不能從根本上維持森林生態(tài)系統(tǒng)的健康，水質(zhì)的變化對(duì)林地土壤肥力、植物生長(zhǎng)也至關(guān)重要。(5)較多研究從表觀數(shù)量多少的角度分析地被物與土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)間關(guān)系，并未真正追蹤溯源研究物質(zhì)的來(lái)龍去脈，不能從機(jī)理出發(fā)解釋水文過程、水文效應(yīng)。

因此，準(zhǔn)確測(cè)得地被層的水文效應(yīng)，為全球氣候變化下水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)方法，為流域減災(zāi)規(guī)劃建設(shè)提供理論依據(jù)，今后可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：(1)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用遙感、同位素等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺度無(wú)破壞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，精確掌握元素的運(yùn)作機(jī)理，以便實(shí)時(shí)把握流域的水文特征。(2)在此基礎(chǔ)上，考慮將降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、風(fēng)速、溫度、濕度等多因子一起納入影響因素的行列中，分析其對(duì)地被層的截留阻延功能的影響。(3)同時(shí)在研究地被層水文效益時(shí)，不僅要考慮地被層對(duì)土壤層持水能力、孔隙結(jié)構(gòu)的影響，也要將酶活性和微生物種類、數(shù)量、活性等納入研究體系中，系統(tǒng)性研究地被物與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系。(4)加強(qiáng)對(duì)不同層次水質(zhì)分析，明確地被層對(duì)元素的吸持特性，從而科學(xué)評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。