北京山区主要人工林枯落物水文效应

王士永，余新晓，贾国栋，宋思铭，徐娟，李庆云

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

北京山区主要人工林枯落物水文效应

王士永，余新晓†，贾国栋，宋思铭，徐娟，李庆云

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

为探究北京山区主要人工林枯落物水文效应，以北京市怀柔区汤河口镇庄户沟小流域油松、刺槐、侧柏3种林分为研究对象，利用枯落物现存量样地调查、浸泡实验和抗冲槽法，建立枯落物持水量、吸水速率和浸水时间相关关系，定量研究枯落物层水文效应，结果表明:1)3种林分枯落物现存量和总厚度表现为油松最大，分别为6.37 t/hm2和4.0 cm，其次为刺槐，侧柏最小。2)3种林分枯落物最大持水量为刺槐＞油松＞侧柏，最大持水率为刺槐＞侧柏＞油松;3种林分未分解层和半分解层枯落物的吸水过程表现为0～0.5 h内吸水速率最大，4～5 h时吸水速率显著减缓;刺槐不同层次枯落物的有效拦蓄量均为最强，总有效拦蓄深为2.6 mm，侧柏总有效拦蓄深最小，为1.0 mm。3)不同坡度枯落物覆盖产流产沙实验表明，在相同坡度条件下，产流时间表现为刺槐＞油松＞侧柏＞裸地;径流速率为裸地＞侧柏＞油松＞刺槐;裸地的产流量是3种林地的1.04～1.46倍。

枯落物;水文效应;北京山区

森林枯落物层的生态水文效应作用多样［1-4］，在截持降水、阻滞地表径流、减少林地蒸发、改善土壤结构和增强土壤抗冲能力等方面均具有重要的水文效应［5］。我国森林枯落物的最大持水率平均为自身干质量的309.54%，林地枯落物层的最大持水量平均为 4.18 mm［6］。王鹏程等［5］基于三峡库区森林资源二类清查数据，建立关于浸水时间的持水量和吸水速率系列预测模型，对库区主要森林植被类型林地枯落物现存量及持水特性进行了研究。刘硕［7］从持水能力、失水特性以及有效拦蓄量等方面对青海省大通县主要植被类型的枯落物进行分析，发现枯落物拦蓄地表径流后，随湿润程度的逐步减小，失水能力降低，直至达到枯落物的自然含水量。庞学勇等［8］通过对岷江上游中山区低效灌丛林地进行改造，发现枯落物层厚度和贮量均有明显的改善，总贮量较改造前提高了32.68%，厚度从未分解层向半分解层或分解层转化的趋势加快。许多学者［9-12］从不同角度对枯落物层的水文效应进行了大量研究，都认为枯落物层在防止土壤侵蚀、截持降水、阻滞地表径流等方面具有很大作用。目前关于油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、侧柏(Platycladus orientalis)3种林分枯落物的对比研究相对较少;因此，笔者对北京市怀柔区汤河口镇庄户沟小流域主要人工林的枯落物层水文效应进行定量研究，具有一定的科学意义，可为北京山区森林植被对水资源形成过程的调控提供科学参考。

1 研究区自然概况

研究区位于北京市怀柔区北部山区的汤河口镇庄户沟小流域(E 116°28'～116°42'，N 40°30'～40°57')，是密云水库上游白河的一级支流，流域面积85.21 km2。该流域属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温9～9.5℃，最冷1月份气温 -7.5～-8℃，负积温-580～-600℃;最热7月份气温24～25℃，年积温3 900～4 050℃。全年无霜期160 d，年蒸发量1200 mm，多年平均降水量511 mm。降雨年际年内分配极不均匀，多集中在6—9月，占全年降水雨量的81.2%，且降雨多以暴雨形式出现。由于此气候特征，造成春、秋季易发生旱灾、风灾，夏季易发生洪灾、涝灾。流域因受自然因素的影响，植物组成较单纯，层次结构简单，覆被率不高。在阳坡主要分布着刺槐、火炬树(Rhus typhina)、槲树(Quercus dentata)、侧柏、荆条(Vitex negundo)、酸枣(Ziziphus jujuba)、小叶鼠李(Rhamnus parvifolia)，覆盖率一般为40%;在阴坡主要分布着蒙古栎(Quercus mongolica)、白醋(Fraxinus chinensis)、山杨(Populus davidiana)、蚂蚱腿子(Myripnois dioica)，覆盖率55%;在阴坡的中部还有少数人工油松(Pinus tabuliformis)，郁闭度0.3左右。林分基本情况见表1。

表1 不同林分标准地概况Tab．1 Situations of different forest sample plots

2 研究方法

2.1 枯落物层现存量调查

选择试验区油松、刺槐和侧柏3种主要人工林为研究对象，每种林分分别设置1个面积为20 m×20 m的标准地，针对不同立地因子进行枯落物现存量的调查，于2009年的5—6月份在每个标准样地内，选出3～5个具有代表性的0.40 m×0.25 m的样方，用钢卷尺测枯落物层总厚度、未分解层厚度及半分解层的厚度，分层取出原状枯落物并分别装袋标记后，带回实验室称量后于85℃条件下烘干后再称干质量，用干质量除以样方面积(0.1 m2)即枯落物现存量。

2.2 枯落物层持水特性测定

2.2.1 枯落物持水量和吸水速率 枯落物层的持水量及吸水速率用室内浸泡法测定，即从烘干的枯落物中取出一部分做持水过程试验。首先称其质量，然后将称量后的枯落物原状放入已称量的尼龙袋中，再将装有枯落物的尼龙袋置入盛有清水的容器中，水面略高于尼龙袋上沿。将枯落物浸入水中后，样品在分别浸泡 5、10、15、30 min 及 1、2、4、6、8、10、12、24 h时取出，静置5 min，直至枯落物不滴水为止，迅速测定枯落物湿质量，然后将其风干，测定风干质量，计算二者差值即为枯落物浸水不同时间的持水量，该差值与对应浸泡时间的比值为枯落物的吸水速率。

2.2.2 枯落物的最大持水量和最大持水率 枯落物在清水中浸泡24 h，取出，静置5 min，此时枯落物湿质量减去其风干后的质量即为枯落物的最大持水量。枯落物最大持水率可用来反映其单位质量最大吸水量情况。

式中:Rmax为最大持水率，%;Rm为枯落物浸泡24 h时的湿质量，g;Rw为枯落物风干质量，g。

2.2.3 枯落物有效拦蓄量 有效拦蓄量可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量。

式中:W为有效拦蓄量，t/hm2;Ra为平均自然含水率，%;M为枯落物现存量，t/hm2。其中，Ra的测量方法为:在每个森林类型样地中，选出3～5个具有代表性的0.40 m×0.25 m的样方，分层取出原状枯落物并分别装袋标记后，带回实验室称量后于85℃条件下烘干后，减去干质量，减少的质量除以初始质量即为平均自然含水率。

2.3 枯落物层的减流减沙效应

采用人工降雨的方法，在宽0.3 m、长1.5 m、深0.5 m的土槽内，装入厚度为1 cm的不同林分枯落物，在降雨强度为60 mm/h情况下，降雨0.5 h，总降雨量为 30 mm，在 5°、10°、15°坡度下记录产流时间，待产流稳定后使用亚甲基蓝染色法测定径流流速，并3次测定求平均值;同时将所产径流全部收集过滤，过滤后烘干，称量滤纸重量，得出泥沙产量，将上述实验与无枯落物的情况进行对照，以确定枯落物层的减流减沙功能，上述实验进行3次重复。

3 结果与分析

3.1 枯落物层的现存量

枯落物层的现存量与林分的生长状况相关，而枯落物层与林分的发育直接相关，林分的健康生长能增加枯落物层的现存量，同时也受当地气候及人为干扰等多种因素的影响。

由表2可知，3种林分枯落物储量不同，分别为油松＞刺槐＞侧柏，油松储量最大，与其林龄大、群落结构复杂、植物多样性高和凋落物年归还量大等有关。枯落物层总厚度为油松＞刺槐＞侧柏，这是由于不同树种枯落物的结构和形状不同，油松为针叶，质地坚硬不易分解，而侧柏枝叶呈片状，质地偏软，较易分解，刺槐为阔叶，介于二者之间。油松、刺槐枯落物的半分解层厚度和储量均大于未分解层，而侧柏的未分解层厚度则大于半分解层，这是由于油松、刺槐的年凋落量较小，而刺槐的年凋落量较大所致。

表2 不同林分枯落物层的现存量Tab．2 Standing crops of litters of different forests

3.2 枯落物层的持水能力

3.2.1 枯落物的最大持水量和最大持水率 3种林分枯落物的最大持水量和最大持水率见表3。可以看出，3种林分的最大持水量表现为刺槐＞油松＞侧柏;枯落物最大持水率表现为刺槐＞侧柏＞油松。由表3知，刺槐的最大持水量和最大持水率均为最大，表明阔叶树种的枯落物持水能力普遍高于针叶树种，这是因为不同林分枯落物的组成及排列方式不同，分解程度也不尽相同。

表3 不同林分枯落物最大持水量和最大持水率Tab．3 Maximum moisture capacity and rate of litters of different forests

3.2.2 枯落物持水量与浸水时间的关系 枯落物持水量与浸水时间的相关关系见表4。在0～0.5 h内，随浸水时间增加，枯落物持水量明显增加，即降雨开始阶段，枯落物吸收降水能力较强，而随降雨时间的延长，枯落物接近饱和，吸持能力降低。各层持水量在浸水8～10 h时均已基本达到饱和。对浸水0.5～24 h 3种林分未分解层和半分解层枯落物持水量与浸水时间的关系进行回归分析，得出

式中:Q为枯落物持水量，g/kg;t为浸水时间，h;a为系数;b为常数项。各林分回归方程见表5。得出的方程与庞学勇等［8］在川西地区和王鹏程等［5］在三峡库区的研究结论类似。

表4 不同林分枯落物分层持水过程Tab．4 Water capacity process of different litter layers of different forests g/kg

表5 不同林分半分解层和未分解层枯落物持水量与浸水时间关系Tab．5 Relationship between water capacity and immersion time of semi-decomposed and non-decomposed layers of litters in different forests

3.2.3 枯落物吸水速率与浸水时间的关系 3种林分枯落物的吸水速率与浸水时间具有一定的相关性。3种林分未分解层和半分解层枯落物均在0～0.5 h内吸水速率最大，随后明显下降，至4～5 h时下降速度显著减缓，趋于稳定(图1);其中刺槐林下枯落物无论未分解层还是半分解层，在0～24 h间，吸水速率始终保持最大，而油松为最小。

图1 枯落物各层吸水速率与浸水时间的关系Fig．1 Correlation between water absorption rate and immersion time of non-decomposed and semi-decomposed litter layers

对3种林分未分解层和半分解层枯落物吸水速率与浸水时间进行拟合，得出

式中:v为枯落物吸水速率，g/(kg·h);t为浸水时间，h;k为系数;n为指数。通过拟合得到不同林分枯落物吸水速率与浸水时间t之间的关系(表6)，得出的方程与王鹏程等［5］的研究结论类似。

通过比较可知，3种林分未分解层和半分解层吸水速率随浸水时间的变化趋势一致，半分解层的吸水速率较快。原因应是枯落物经过分解，其内部结构、土壤成分组成发生改变，导致吸水能力增强，因而吸水速率相对较快。

3.2.4 枯落物有效拦蓄量 有效拦蓄量是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标，其与枯落物数量、水分状况、降雨特性有关。不同林分未分解层和半分解层枯落物的有效拦蓄量见表7。无论未分解层还是半分解层中，刺槐枯落物的有效拦蓄能量都为最强，分别为13.32和12.74 t/hm2，总有效拦蓄深为2.60 mm;而侧柏枯落物的有效拦蓄能力都为最弱，侧柏枯落物的总有效拦蓄深最小，分别为4.02和5.81 t/hm2，总有效拦蓄深为为0.98 mm。刘硕［7］利用相同的方法，在青海大通县的研究也得出了类似结论。

表6 枯落物吸水速率与浸水时间关系Tab．6 Relationship between water absorption rate and immersion time of litters

表7 不同林分未分解层和半分解层枯落物的拦蓄能力Tab．7 Interception capacity of semi-decomposed and non-decomposed layers of litters in different forests

3.3 枯落物层的保水保土能力

3.3.1 枯落物滞缓径流流速 枯枝落叶层一方面极大减少降雨动能，另一方面延缓水分进入土壤的过程，增加水土的接触时间，从而增加入渗。由表8知，枯落物层滞缓地表径流的作用明显，在相同条件下，随坡度的增加，产流时间随之缩短，流速随之增大。在相同坡度条件下，3种林分的枯落物覆盖时其产流时间较裸地产流时间长约1.44～5.06倍，滞缓径流流速为裸地的20.5%～56.1%。同一坡度下，产流时间的从大到小表现为刺槐＞油松＞侧柏＞裸地;径流流速表现为裸地＞侧柏＞油松＞刺槐，产流时间与径流流速的大小趋势一致。3种林分的枯落物均明显滞缓地表径流流速，延后产流时间。

表8 不同林分与裸地产流时间和径流流速Tab．8 Runoff yield time and rate of litters in different forests and bare lands

3.3.2 枯落物的减流减沙作用 由表9知，随坡度增加，水流的流速和冲刷力逐渐加大，产沙产流量也逐渐增加。当坡度为5°、10°时，各林分之间的产沙量差别不大，当坡度为15°时，各林分的产沙量表现为油松＞侧柏＞刺槐，而在3种坡度下，各林分的产流量均表现为油松 ＞侧柏＞刺槐。在坡度为5°、10°、15°时，3种有枯落物覆盖的地表产沙量分别为裸地产沙量的1.71% ～2.68%、2.79% ～2.95%、16.57%～38.00%。相同坡度下，裸地的产流量是其他3种林分枯落物的1.04～1.46倍;不论是枯落物对降雨的有效拦蓄，还是对径流的阻滞作用，最终都表现在它对林地的减流减沙方面，说明枯落物在水土保持功能中有巨大的作用。林内地表枯枝落叶覆盖形成保护层，维持土壤结构的稳定，并增加土壤有机质，参与土壤团粒结构的形成，有效地增加土壤孔隙度，大量地表径流变成地下径流，减少了土壤侵蚀的可能性［13］;因此，应通过补植阔叶树种或人工营造针阔混交林以提高林分的稳定性，调整枯枝落叶层的组成，有利于提高森林生态系统的水土保持和涵养水源功能。

表9 不同林分枯落物产沙量和产流量Tab．9 Sediment yield and runoff of litters in different forests g/h

4 结论

1)油松现存量和枯落物层厚度均大于刺槐和侧柏，这是由于油松的林龄长、年凋落量大，同时也与林分的发育与健康程度有关。

2)刺槐枯落物的最大持水量和最大持水率均为最大，有效拦蓄能力都为最强，说明阔叶树种的枯落物吸收水分能力较强，与其叶片形状和物理性质有关;3种林分各层枯落物均在0～0.5 h内吸水速率最大，4～5 h时下降速度显著减缓，在浸水8～10 h时均已基本达到饱和并趋于稳定。

3)在相同坡度条件下，有枯落物覆盖的坡面产流时间明显长于裸地，径流流速也明显较小，3种林分的产流时间与最大持水量顺序一致，为刺槐＞油松＞侧柏，而径流流速表现为为侧柏＞油松＞刺槐。相同坡度下，裸地的产流量比其他3种林分枯落物增加1.04～1.46倍;不同坡度下，3种林分的地表产沙量均明显小于裸地，说明此3种林分枯落物的减流减沙效应明显。

［1］刘文姗，荆桂芬，和爱军.滇中常绿阔叶林及云南松林凋落物和死地被物中的养分动态［J］.植物学报，1990，32(8):637-646

［2］Arunachalam A，Kusum A，Pandey H N.Fine litterfall and nutrient dynamics during forest regrowth in the humid subtorpics of north-easternIndia ［J］.For Ecol Manage，1998，110(1-3):209-219

［3］陈华，田汉勤.全球变化对陆地生态系统枯落物分解的影响［J］.生态学报，2001，21(9):1549-1563

［4］陈丽华，余新晓，张东升，等.贡嘎山冷杉林区苔藓层截持降水过程研究［J］.北京林业大学学报，2002，24(4):60-63

［5］王鹏程，肖文发，张守攻，等.三峡库区森林植被林地枯落物现存量及其持水能力［J］.中国水土保持科学，2008，6(4):41-47

［6］刘世荣，温远光，王兵，等.中国森林生态系统水文生态功能规律［M］.北京:中国林业出版社，1996

［7］刘硕.青海省大通县主要造林树种枯落物水文效应研究［J］.水土保持研究，2008，15(6):105-107

［8］庞学勇，包维楷，张咏梅.岷江上游中山区低效林改造对枯落物水文作用的影响［J］.水土保持学报，2005，19(4):119-122

［9］陈奇伯.森林枯落物及苔脚阻延径流速度研究［J］.北京林业大学学报，1996，18(1):1-5

［10］刘世荣，孙鹏森，王金锡，等.长江上游森林植被水文功能研究［J］.自然资源学报，2001，16(5):451-456

［11］王金建，崔培学，刘霞，等.小流域水土保持生态修复区森林枯落物的持水性能［J］.中国水土保持科学，2005，3(1):48-52

［12］张振明，余新晓，牛健植，等.不同林分枯落物层的水文生态功能［J］.水土保持学报，2005，19(3):139-143

［13］郭剑芬，杨玉盛，林鹏.木荷与杉木人工林枯枝落叶层水文生态功能［J］.东北林业大学学报，2006，34(4):49-58

Hydrological effects of forest litters of different forests in Beijing mountainous area

Wang Shiyong，Yu Xinxiao，Jia Guodong，Song Siming，Xu Juan，Li Qingyun
(Key Laboratory of Soil＆ Water Conservation and Combating Desertification of Ministry of Education，School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

The hydrological effects of forest litters inPinus tabulaeformis，Robinia pseudoacacia，andPlatycladus orientalisforest communities in Zhuanghugou watershed，located in Tanghekou Town，Huairou District of Beijing，were studied in this article.Results show that:1)The litters amounts and total thickness inPinus tabulaeformiswere the largest，6.37 t/hm2and 4.0 cm respectively，followed byRobinia pseudoacacia，and the least were inPlatycladus orientalis.2)The largest water-holding capacity of litter wasRobinia pseudoacacia＞Platycladus orientalis＞Pinus tabulaeformis，and the largest waterholding rate wasRobinia pseudoacacia＞Pinus tabulaeformis＞Platycladus orientalis.In the early half hour of water absorption of litter，water-holding rate increased rapidly，and then slightly decreased over time after the 4th to 5th hour.The effective water holding depth inRobinia pseudoacaciawas the highest(2.6 mm)，and the lowest was inPlatycladus orientalis(1.0 mm).3)It was evident that forest litters could prolong the surface runoff process.In the same slope degree，runoff generation time was given as follows:Robinia pseudoacacia＞Pinus tabulaeformis＞Platycladus orientalis＞bare land，and was runoff velocity bare land＞Platycladus orientalis＞Pinus tabulaeformis＞Robinia pseudoacacia.The runoff amount in bare land was 1.04 to 1.46 times as great as the three kinds of forests.

litters;hydrological effects;Beijing mountainous area

2011-05-06

2011-07-24

项目名称:林业公益性专项经费项目“典型森林植被对水资源形成过程的调控研究”(201104005)

王士永(1974—)，男，博士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:shiyong@bjfu.edu.cn

†责任作者简介:余新晓(1961—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向:水土保持。E-mail:yuxinxiao@bjfu.edu.cn

(责任编辑:程 云)