宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物层水文特性

郭建荣，朱学灵，刘晓静，叶永忠

(1.河南农业大学，河南 郑州450002;2.宝天曼自然保护区管理局，河南 内乡474350)

宝天曼自然保护区位于河南省西南部，秦岭东段伏牛山南坡，地理坐标为北纬 33°25'～33°33'，东经 110°53'～112°04'.山势呈西北—东南走向，总面积约 100 km2，最高峰宝天曼海拔1 830 m.本区属季风型大陆性气候，四季分明.年均温15.1 ℃，年降雨量885.6 mm，年蒸发量991.6 mm，相对湿度68%，极端最高温41.2℃，极端最低温-14.8℃，≥10℃的年积温4 200～4 900℃，无霜期高山区 160 d，低山区 227 d［1，2］.自然保护区海拔900 m以下分布的植被类型主要是栓皮栎(Quercus var.iabilis Blume.)、槲栎(Quercus aliena BL.)，海拔1 000 m以上主要的栎类是锐齿栎(Quercus aliena var.acuteserrata Maxim.)和短柄枹(Quercus glandulifera var.brevipetiolata Nakai).锐齿栎 (Quercus aliena var.acuteserrata)是槲栎(Quercus aliena)的变种，叶缘锯齿较锐故名;它是暖温带主要建群树种之一，广泛分布于辽宁、陕西、甘肃、河南、山东等省，在河南伏牛山、太行山海拔1 000 ～2 000 m 的山地，常形成纯林［3，4］.

目前对于林地枯落物在森林生态系统服务功能中重要作用的研究有很多，如在促进物质循环、养分平衡、保持水土、水源涵养等方面的作用［5～8］;关于宝天曼自然保护区锐齿栎林生态系统的研究，如土壤呼吸［9，10］等，但是对于宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物储量及持水特性的研究未见报道.本研究对宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物层的储量、构成成分以及持水性进行了研究，旨在探讨不同林龄锐齿栎林枯落物层的在储量、构成成分、持水量等指标上是否具有明显的特异性，为进一步研究不同林龄锐齿栎林枯落物层的水源涵养功能提供依据.

1 研究方法

1.1 样地选择与样品采集

在宝天曼国家自然保护区内，选取坡向、坡度、海拔基本一致，且具有相对距离的锐齿栎林，设置3个调查样地，每组分别包含幼龄林(I)、中龄林(II)、成熟林(III)3块样地，共9块，样地面积均为20 m×30 m，为了便于调查，在每个样地分为5 m×5 m小样方，各个样地基本情况见表1.每个样地沿对角线随机设置5个0.5 m×0.5 m枯落物收集样方，共45个，枯落物分为未分解层(a层)和半分解层(b层)，收集前先用钢尺测量并记录每层的自然厚度，然后分层装进塑料密封袋，防止水分散失，标记，以用于测定枯落物储量、测定其持水量和吸水速率.

表1 样地基本情况Table 1 Outline of the plots

1.2 枯落物储量的测定

将采集的样品带回室内立即称其自然重量，80℃恒温干燥箱内烘至恒重称其干重，以用以计算枯落物自然含水量、单位面积干物质蓄积量，计算公式如下所示:

1.3 枯落物组成测定

将烘干后的枯落物分别按叶、枝、果、树皮分拣并称重，以用以计算枯落物各成分含量.

1.4 枯落物吸水速率和持水量的测定

用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量及吸水速率.将相同林龄林下收集的枯落物混合、分拣各成分后按比例取适量原状装入尼龙袋中，封口、标记并称重，不同林龄、不同层次样品分别重复4次.(注意对半分解层装入后需轻轻抖动再称重，以避免浸泡时细小成分逸出而造成较大误差.)

将装有枯落物的尼龙袋置入盛有清水的红桶中，水面需没过尼龙网袋，浸泡 0.5，1，2，4，8，l2，24，48 h，分别测定其在带孔铝板上控干后的质量，以测定其吸水速率及最大持水量，最大持水量取浸泡至不再增重时的持水量.

所得数据均用Excel进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同林龄枯落物层的蓄积量及自然含水量

枯落物蓄积量，主要取决于枯落物的输入量、分解速度和累积年限，而森林的树种组成不同、林分所处的立地条件不同都对枯落物蓄积量有较大影响.宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林林下地表枯落物层蓄积量与自然含水量变化如表2:枯落物厚度从幼龄林到成熟林依次降低，而且未分解层和半分解层均遵从此规律;对于枯落物蓄积量，中龄林最多，为 15.60 t·hm-2，幼龄林次之，为14.61 t·hm-2，成熟林最少，为 13.99 t·hm-2，这与其厚度规律是不一致的，枯落物厚度的测量是在其自然状态下进行的，不同地点的枯落物紧实度不同，因此出现不一致也是合情合理的.

宝天曼自然保护区锐齿栎林地处海拔1 000 m以上，受人类干扰较小，对比了3种林龄锐齿栎林未分解层枯落物蓄积量可以发现，其间差别不大，都约为6 t·hm-2，而半分解层有差异，说明不同龄级锐齿栎林下枯落物的分解速率是不同的，其中成熟林分解速率最高.

表2 宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物层蓄积量变化Table 2 The amount of growing stock of litter layer from different age sharp teeth oak forests of Baotianman Nature Reserve

2.2 不同林龄枯落物组成

枯落物的组成与林分结构(树种、年龄)密切相关，不同林龄枯落物组成成分比例见图1:不同林龄枯落物中占比重最大均是叶，而且中龄林叶的比例最高，成熟林最低;对于比重最小树皮，其在枯落物中所占的比例是成熟林最高，中龄林次之，幼龄林最低.这个结果与不同林龄的林分特点密切相关:幼龄林郁闭度最大，林木为了争夺阳光，向上生长迅速，下部光照缺乏，自然整枝较强烈，因此枯落物中枝条较多，而中龄林与成熟林相对稳定，枯落物中枝条所占比例较幼龄林低;而对于果，幼龄林产生种子量，明显低于中龄林和成熟林，因此其枯落物中果所占比例也明显低于两者.

2.3 不同林龄枯落物层的持水特性

2.3.1 不同林龄枯落物层的持水动态 枯落物层的持水动态主要是指其吸水速率的变化规律.林地枯落物的吸水速率不仅与其持水能力密切相关，也与地表径流的发生紧密相联.由图2可知，不同林龄、不同层次枯落物吸水速率随时间变化的总趋势是一致的.在前0.5 h内，枯落物的吸水速率最大，随着浸水时间的增长，不同林龄枯落物吸水速率均迅速下降，且半分解层下降速度大于未分解层.浸水12 h后，枯落物吸水速率基本降为0.这说明对于一定时间的降水，枯落物能有效减少地表径流，调节径流量.

图1 不同林龄枯落物组成Fig.1 The part of litter layer from different age forests

由图3和图4可知，在前0.5 h内，各林龄枯落物的持水量迅速增长，且半分解层持水量增速大于未分解层;随着浸水时间的增长，枯落物持水量的增速逐渐变缓.在浸水0.5 h以后的时间内，未分解层吸水量增速明显大于半分解层，这表明在降水初期，起持水作用的主要是半分解层.对于最大持水量，半分解层均大于未分解层.对比不同林龄枯落物，持水量最大的为中龄林，其次为幼龄林，最小的为成熟林，这说明不同林龄枯落物持水性是不同的，应进一步对不同林龄枯落物的理化性质进行更深入的分析，以探讨不同林龄锐齿栎林枯落物持水机理.

图2 枯落物吸水速率Fig.2 Water absorption rate of litter

图3 枯落物未分解层持水过程线Fig.3 Water-holding process line of undecomposition litter

图4 枯落物未分解层持水过程线Fig.4 Water-holding process line of undecomposition litter

不同林龄林下枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间的关系最佳拟合模型为W=aln(t)+b

式中:W为枯落物持水量(g·kg-1);t为浸水时间(h);a为系数;b为常数.

经拟合计算，3种林龄林下枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间的关系式具体见表3.

2.3.2 枯落物层最大持水率及最大持水量 最大持水量是反映枯落物层持水性能的一个重要指标，它是枯落物的最大持水率和单位面积枯落物的蓄积量之积.一般认为，枯落物饱和持水量为其最大持水量.由此可知:

枯落物最大持水率=［(浸泡后的枯落物重量-干重)/干质量］×100%

不同林龄枯落物最大持水率及最大持水量见表4.不同林龄锐齿栎林枯落物层最大持水率及最大持水量变化规律是一致的，均是中龄林＞幼龄林＞成熟林.

表3 林下枯落物持水量与浸水时间的关系Table 3 The relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

2.3.3 不同林龄枯落物层对降雨的有效拦蓄量

最大持水量反映了枯落物层持水能力的大小，并不能代表枯落物对降雨的拦蓄量，当降雨达到20～30 mm以后，不论枯落物层含水量高低，实际持水率约为最大持水率的85%左右［11］.所以用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力则偏高，不符合它对降雨的实际拦蓄效果，一般用有效拦蓄量估算枯落物对降雨的实际拦蓄量，即:

式中:W-有效拦蓄量(t·hm-2);Rm-最大持水率(%);R0-平均自然含水率(%);M-枯落物累积量(t·hm-2).

不同林龄枯落物层有效拦蓄量见表4.不同林龄锐齿栎林枯落物层有效拦蓄量与最大持水量规律是一致的，枯落物的持水性能最终决定了其在森林生态系统水文功能中的巨大作用.

表4 不同林龄枯落物层最大持水量及有效拦蓄量Table 4 The maxi-water holding capacity and effective retain capacity of litter layer from different age of forests

3 结论与讨论

综上所述，宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物层在厚度、蓄积量、成分构成、最大持水量、以及拦蓄水深等方面具有明显差异，为进一步探讨不同林龄锐齿栎林水源涵养功能差异提供了资料.不同林龄锐齿栎林枯落物层厚度由幼龄林至成熟林依次降低，而且未分解层和半分解层均遵循此规律，枯落物蓄积量大小顺序为中龄林＞幼龄林＞成熟林.不同林龄林下枯落物持水速率、持水量与浸水时间的动态变化规律存在相似性.不同林龄锐齿栎林枯落物层最大持水量大小顺序为:中林龄＞幼龄林＞成熟林，而且均是半分解层大于未分解层;3 种林龄有效拦蓄深分别为 2.50，2.83，2.21 mm，大小顺序为中林龄＞成熟林＞幼龄林.

枯落物层是保障森林生态系统充分发挥水土保持和水源涵养功能的一个极其重要的水文层次，具有明显的蓄水、保水作用.枯落物层的持水性能，不仅与构成林分的植物种类有关，而且与林龄等林分结构也密切相关.因此，在林场经营管理过程中应注意林分的合理养育与更新，还应该注重对林下枯落物的合理健康经营，通过一定的保护措施维持枯落物层的积累，使林区森林生态系统更好地发挥其水土保持和水源涵养的功能.

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