贺兰山4种典型森林类型凋落物持水性能研究

赵晓春，刘建军，任军辉，刘 斌，母吉君

（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100；2.宁夏贺兰山森林生态站，银川750021；3.内蒙古巴彦淖尔市水土保持站，内蒙古 巴彦淖尔015000）

森林凋落物是指覆盖在林地矿质土壤表层上的新鲜、半分解的凋落物，它是森林植物地上部分各器官的枯死脱落物的总称。凋落物层作为森林生态系统中独特的结构层次，其生态功能并不单纯依赖于地上活体部分［1－2］。它不仅在森林生态系统养分循环、维持土壤肥力方面扮演着重要角色，而且在维持森林水量平衡方面起着积极作用［3－4］。森林凋落物一方面由于其结构疏松，削弱了雨滴对土壤的直接溅击，阻滞和吸收一部分通过林冠而降落到地表的水分；另一方面能增加地表层的粗糙度，大大地减少了地表径流的产生，增加了土壤水分下渗，因此，森林凋落物对于保持水土和涵养水源具有重要作用［5－6］。

贺兰山地处我国温带草原区与荒漠区的过渡地带，是银川平原的天然屏障和水源涵养区，保存着西北干旱区较为罕见的天然森林生态系统，植被类型主要包括荒漠、草原、灌木林、疏林草原、针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林。油松青海云杉混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Picea crassifolia）、油松山杨混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Populus davidiana）、油松纯林（pure Picea crassifolia）和青海云杉纯林（pure Pinus tabulaeformis）作为几种最主要的森林类型，在调节气候、固水保土，尤其是涵养水源方面发挥着异常重要的作用。为此，在该区森林凋落物持水特性研究尚鲜见报道的情况下，本文以贺兰山自然保护区苏峪口森林保护生态站主要林型为研究对象，研究森林凋落物层的持水能力，为准确评价其水源涵养、水土保持功能，制定森林经营管理措施提供理论依据。

1 研究区概况

贺兰山位于东经105°20′－106°40′、北纬38°07′－39°30′，处在典型的大陆性气候区域范围内，具有山地气候特征。其年平均气温－0.9℃，极端最高气温25.2℃，极端最低气温－31.4，≥10℃积温，山下较高，苏峪口为3 364℃，山顶最少，贺兰山气象站为625℃，年日照时数3 100h，无霜期124d，年均降水量自山麓至高带为200～600mm，6－8月最为集中。贺兰山林区植被由于受山形地区的变化以及气候、土壤、海拔、降水量等条件的差异，植被的垂直分布明显，自山麓到山顶有5个植被垂直带，分别为：山麓荒漠草原带、疏林草原带、针阔混交林带、针叶林带和亚高山灌丛草甸带。贺兰山林区森林主要分布在海拔2 000～3 000m的范围内，绝大部分在阴坡，处在低温干旱的环境中。

2 研究方法

2.1 标准地选择

2010年7－9月，在实地调查的基础上，在研究区内设临时标准地共55块（其中油松青海云杉混交林21个，油松山杨混交林10个，油松纯林7个，青海云杉纯林17个），每块标准地的面积均为400m2，研究对象均为天然林（试验地概况见表1）。

表1 试验林概况

2.2 凋落物储量调查

在每块标准地四角及中心位置，机械布设1m×1m的小样方5个。测定凋落物厚度，然后一次性收集小样方内的全部凋落物，调查凋落物鲜质量，带回实验室取部分烘干（80℃）至恒质量，由此可计算凋落物单位面积的储量（又称现存量）和自然含水率。

2.3 凋落物持水性测定

在烘干至恒重的各样方凋落物中分别取部分凋落物称重，然后装入网袋后分别浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，24h后，捞起并静置5min至凋落物不滴水时称重，每个植被类型重复3次，取平均值，以研究其吸水速度及吸水过程。用下列公式计算凋落物持水量、凋落物持水率、凋落物吸水速率［7］和凋落物有效拦蓄量［8］。

当凋落物含水量达到饱和时称最大持水量。一般情况下，凋落物浸水24h后的持水量可视为该凋落物的最大持水量［9］，此时的持水率称为最大持水率。

2.4 数据处理

采用SPSS 13.0和Excel 2003软件对数据进行相关性分析和回归方程的显著性检验。

3 结果与分析

3.1 凋落物储量

一般情况下，凋落物的现存量越多，其水源涵养功能越好［10］。不同树种组成、森林类型、生长状况林下的凋落物的储量也不同。由表2可以看出，研究区4种林分凋落物总储量大小顺序为：青海云杉纯林（32.39t／hm2）＞油松云杉混交林（26.6t／hm2）＞油松纯林（25.21t／hm2）＞ 油松山杨混交林 （19.74 t／hm2）。

3.2 凋落物持水量

凋落物持水量有随时间不断增长的趋势（图1）。在浸泡4h后，其持水量开始缓慢增长，浸泡8h后，其持水量随浸泡时间的变化幅度很小，说明此时凋落物的持水量已基本达饱和。4种林分的最大持水量排序为：青海云杉纯林（46.78t／hm2）＞油松云杉混交林（40.11t／hm2）＞油松纯林（38.46t／hm2）＞油松山杨混交林（36.35t／hm2）。

表2 不同林分类型凋落物层储量和持水特性

图1 凋落物持水量与浸泡时间的关系

由表3可以看出，研究区4种林分各层凋落物的持水量WH与浸泡时间t（0.5～24h）之间均呈极显著的对数函数关系（P＜0.001），其相关系数（R）均大于0.976 1。

表3 凋落物持水量与浸泡时间的回归方程

3.3 凋落物持水率

凋落物的持水能力可通过其持水率来反映［11－12］。凋落物的持水率用凋落物吸收的水分与凋落物干质量的比值表示，该比值越大，凋落物的持水能力就越强。研究区不同林分的凋落物在浸泡1.5h后的持水率大小依次为：油松山杨混交林＞油松云杉混交林＞油松纯林＞青海云杉纯林，浸泡浸泡4h后，凋落物持水率的增幅开始变小，浸泡8h左右时，凋落物持水率趋于饱和，其最大持水率依次为：油松山杨混交林（184.14%）＞油松纯林（152.56%）＞油松云杉混交林（150.79%）＞青海云杉纯林（144.43%）。油松山杨混交林的凋落物显示了较强的持水能力。

图2 凋落物持水率与浸泡时间的关系

研究区4种主要林分凋落物的持水率WR与浸泡时间t（0.5～24h）为极显著的对数函数关系（P＜0.001），其相关系数（R）均大于0.9761（表4）。说明3种林分各层凋落物持水率随着浸泡时间的增加而增加。

表4 凋落物持水率与浸泡时间的回归方程

3.4 凋落物吸水速率

凋落物吸水速率是衡量凋落物截留降水的一个指标。森林凋落物的吸水速率与持水能力紧密相关。吸水速率越大，林内降水涵蓄的速度就越快，从而可以更好地减少地表径流的［12］。

由图3可知，研究区各林分凋落物在刚浸入水中时的吸水速率均较高，0.5h后凋落物的吸水速率均明显降低，此后，随着时间的推移，吸水速率缓慢变小，8h后吸水基本停止，表明此时的凋落物吸水趋于饱和。虽然研究区不同林分凋落物吸水速率过程线的整体变化趋势基本一致，但不同林分的吸水速率过程线间还是有所偏离。在刚浸入水中时，研究区油松云杉混交林、油松山杨混交林、油松纯林和青海云杉纯林凋落物的吸水速率（即最大吸水速率）分别为2 147.37，2 669.71，2 133.28，2 027.1g／（kg·h）。浸泡12h后，各林地半分解层凋落物的吸水速率（即饱和吸水速率）分别为62.83，76.73，63.57，60.18 g／（kg·h）。

图3 凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

研究区4种林分凋落物的吸水速率WA与浸泡时间t（0.5～24h）呈极显著的幂函数关系（P＜0.001），其相关系数（R）均大于0.99（表5）。

表5 凋落物吸水速率浸泡时间的回归方程

3.5 凋落物有效拦蓄量

因为最大持水率（量）的测定是将凋落物试样浸水24h后量测得的结果。而实际上，山地森林的坡面一般不会出现较长时间的浸水条件，因此，最大持水率（量）一般不能反映对实际降水的拦蓄能力，一般用有效拦蓄量来估算凋落物层对降雨的实际滞纳能力［13］。由表1看出，不同植物群落凋落物层对降雨的有效拦蓄量：油松山杨混交林＞（15.73t／hm2）油松纯林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98t／hm2）＞青海云杉纯林（10.7t／hm2）。有效拦蓄降雨最大的油松山杨林凋落物层可截留1.57mm林内降雨；最小的青海云杉纯林凋落物层只能截留10.7mm降雨。

4 结论

研究区4种林分凋落物储量的大小依次为：青海云 杉 纯 林 （32.39t／hm2）＞ 油 松 云 杉 混 交 林（26.6t／hm2）＞油松纯林（25.21t／hm2）＞油松山杨混交林（19.74t／hm2）；即在平均树高、平均胸径和郁闭度都相近的条件下，青海云杉纯林的凋落物储量明显大于油松纯林和油松山杨混交林，这是由于青海云杉为暗针叶林，生长在高海拔地区，生境冷湿更不利于微生物的活动，凋落物的分解速率更低，所以凋落物层的现存积累量最高。再加上云杉林凋落叶质地较硬木质素类难分解物质含量较高，从而导致其分解较慢、储量较多。而油松山杨混交林的储量最小应该与凋落物的初始化学成分有关，大量研究表明，凋落物的初始化学成分对凋落物层的性质和分解状况有较大影响［14－16］。

研究区不同林分的凋落物在浸泡不同时间后，其持水量大小依次为青海云杉纯林＞油松云杉混交林＞油松纯林＞油松山杨混交林；凋落物的最大持水率大小依次为：油松山杨混交林＞油松纯林＞油松云杉混交林＞青海云杉纯林；浸泡不同时间段后的吸水速率依次为：油松山杨混交林＞油松云杉混交林≥油松纯林＞青海云杉纯林，说明研究区4种林分中油松山杨林的凋落物的持水能力较强。这个结果表明凋落物层最大持水量与林分类型、组成结构和储量有关。

研究区4种林分的凋落物持水量和持水率与浸泡时间皆呈对数关系，而吸水速率与浸泡时间则呈幂函数关系，这种变化趋势与森林类型无关。该结论与任向荣［17］、李倩茹［18］等的研究结果一致。

凋落物对降雨的有效拦蓄能力与凋落物蓄积量、最大持水率有密切的关系。不同植物群落凋落物层对降雨的有效拦蓄为油松山杨混交林（15.73t／hm2）＞油松纯林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98 t／hm2）＞青海云杉纯林（10.7t／hm2）。

致谢：对宁夏贺兰山国家自然保护区管理局的工作人员和宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建研究中心的璩向宁和刘秉儒老师在野外工作中的帮助表示衷心感谢！

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