重庆四面山4种类型天然林枯落物水文效应1)

张 焜 张洪江 程金花

(北京市水利规划设计研究院房山分院，北京，102488) (北京林业大学)

枯落物层作为森林系统拦蓄降水的第二个活动层，是森林结构的重要组成部分。枯落物层可削弱降雨对地表的溅蚀，减小地表径流的流速，减少地表径流的产生，抑制土壤水分蒸发，对削减洪峰和涵养水源具有重要的生态意义［1-2］。国内外诸多学者对不同地区、不同类型森林枯落物的截持降水、抑制土壤水分蒸发、促进土壤水分渗透、调节地表径流等水文效应进行了大量研究，取得了一定的成果并对枯落物的凋落动态和水文过程进行了数学模拟［3-4］，但对四面山地区天然林的枯落物蓄积量和水文特性报道较少。本研究通过野外取样和室内试验，对重庆四面山针叶林、阔叶林、针阔混交林和楠竹林4种类型天然林枯落物的水文效应做出分析，旨在为三峡库区营建水土保持型森林体系提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于三峡库区库尾重庆市江津区四面山森林管理局，地理坐标为东经 106°17'～106°30'，北纬28°31'～28°43'，系云贵高原大娄山北侧余脉。区内林地土壤主要由白垩纪夹关组砖红色长石、石英砂岩夹砖红色、紫红色粉砂岩等风化残积物、冲积物发育而成，主要土壤类型有：黄棕壤、黄壤等。该区地势较陡，土层厚度10～70 cm，多呈微酸性至酸性。该地区属中亚热带季风湿润气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明，无霜期285 d。多年平均气温13.7℃，月平均最高气温在8月份，达31.5℃，月平均最低气温在1月份，为-5.5℃，海拔每上升100 m，气温递减0.58℃。年日照时数1 082.7 h。年均降水量1 522 mm，雨季集中在5—9月，此期降水量占年平均降水量的62.7%。四面山是全球植被最丰、空气最纯、水质最洁的地区之一。辖区内保存着第三世纪以来的植被，生长着3.5亿a前的古热带和古温带植物，是地球同纬度仅存的规模最大、保护最完好的亚热带常绿阔叶林区，被联合国生态保护专家确定为地球上难得的“天然物种基因库”。植被具有典型的亚热带常绿阔叶林特征，有地球同纬度仅存的亚热带常绿阔叶林11.34 hm2，有原始次生阔叶林3 150 hm2。主要植被有杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、石栎(Lithocarpusglaber)、木荷(Schimasuperba)、福建柏(Fokieniahodginsii)、香樟(Cinnamomumcamphora)、枫香(Liquidambarformsana)、紫花杜鹃(Rhododendron backii)和楠竹(Phyllostachyspubescens)等。

2 标准地的设置

在研究区内选取针叶林、阔叶林、针阔混交林和楠竹林4种类型天然林，分别设置20 m×20 m标准地，对其枯落物水文效应进行研究。各林地标准地基本概况见表1，物种组成见表2。

表1 重庆四面山不同天然林标准地的基本概况

3 研究方法

枯落物蓄积量的测定：在4种类型天然林的实验标准地内分坡面上部、中部和下部各取面积为20 cm×25 cm的枯落物样方3个。分未分解层和半分解层收集枯落物并测量其厚度，带回室内先称其湿质量，再放入烘箱烘干(75℃)至恒质量，以计算其蓄积量。

枯落物持水量的测定：将调查枯落物储量时收集的枯落物采用室内浸泡法测定枯落物持水量［3］，文中的持水量用持水深(mm)表示。每次将浸水后的枯落物取出后静置至其不滴水时再称质量。

枯落物有效拦蓄量的测定：一般情况下，枯落物的实际持水率约为最大持水率的85%，所以取0.85作为有效拦蓄系数来估算枯落物层的有效拦蓄量［5-6］，即：W=(0.85Rm-R0)M。式中：W为有效拦蓄量(t/hm2);Rm为最大持水率(%);R0为平均自然含水率(%);M为枯落物蓄积量(t/hm2)。枯落物的最大持水量与枯落物质量的比值即为枯落物的最大持水率。平均自然含水率的计算方法为枯落物75℃烘干前后质量的差值与烘干后枯落物质量的比值。

表2 重庆四面山不同天然林植被基本组成

4 结果与分析

4.1 不同类型天然林枯落物的蓄积量

从表3可以看出：森林类型不同，其林下枯落物的蓄积量不同，同一森林类型不同层次的枯落物蓄积量也存在差异。4种类型天然林枯落物总蓄积量大小顺序依次为阔叶林、针阔混交林、针叶林、楠竹林。这是由于阔叶林植物的生长速度较其它类型天然林快，其枯落物的蓄积量比其它类型天然林大;而针阔混交林的郁闭度较小，并且该类型天然林的枯落物较易分解，其枯落物蓄积量则会较其它类型天然林小。4种类型天然林枯落物的半分解层蓄积量均明显高于其未分解层蓄积量。

表3 重庆四面山不同类型天然林枯落物蓄积量

4.2 不同类型天然林枯落物的持水特征

4.2.1 最大持水量

枯落物的持水能力多用干物质的最大持水量和最大持水率来表示，该能力与森林类型、林龄、枯落物组成、枯落物蓄积量、枯落物分解强度等多项因子有关［1，7］。由表4可见，阔叶林枯落物的最大持水量最高，为5.15 mm，阔叶林枯落物未分解层的持水能力尤为强大，其达到最大持水量时的吸湿比(3.5)明显高于该森林类型的半分解层和其它类型天然林;针阔混交林枯落物半分解层的最大持水量最大，为3.11 mm;楠竹林枯落物半分解层的最大持水量最小，仅为2.11 mm。原因在于阔叶林枯落物的半分解层比较蓬松，具有较高的持水能力;针阔混交林枯落物半分解层的蓄积量最大;楠竹林枯落物中含有较高的蜡质成分，其蓬松程度也不如其它3种类型天然林高。阔叶林的枯落物层对水分的吸持能力较高，在降雨过程中可将较多的穿透雨量截持下来，从而对林地土壤层起到更好的保护作用;而楠竹林的持水能力最差。

表4 不同类型天然林枯落物的最大持水量

4.2.2 持水过程

枯落物持水是一个动态过程，其不同浸水时间持水量是研究枯落物持水特征的重要部分。将不同浸泡时间下4种类型天然林枯落物未分解层和半分解层的持水量绘成散点图(图1)，可以看出：4种类型天然林枯落物半分解层的持水能力均大于其未分解层;针阔混交林未分解层持水过程中的持水量始终保持最少，因为针阔混交林的分解强度较大，导致其未分解层的蓄积量最小，半分解层的蓄积量最大，从而其半分解层的持水能力较其它天然林枯落物的半分解层高;阔叶林未分解层枯落物在初始1 h内持水量明显高于其它类型天然林的未分解层，而且整个持水过程其持水量也明显最大，这得益于其蜡质成分含量最少，而且蓬松的状态为其提供了充足的吸水空间。

图1 重庆四面山4种类型天然林枯落物持水过程

4.3 不同类型天然林枯落物的有效拦蓄量

枯落物层的最大持水量只代表持水能力的大小，并不能反映出其对降雨实际截留的效果［5］。因此，研究枯落物的有效拦蓄量具有十分重要的现实意义。表5表明，总体上看4种类型天然林有效拦蓄量由大到小依次为阔叶林、楠竹林、针叶林、针阔混交林。可见，阔叶林对降水的拦蓄效果最佳;在枯落物蓄积量相近的情况下，楠竹林枯落物层对降水的拦蓄效果也较好的原因是其自然含水率最低，尤其未分解层的有效拦蓄量(4.03 t·hm-2)明显高于其它3种类型;而针阔混交林自然含水率相对较高，即使其最大吸湿比高于楠竹林，现实情况中的拦蓄降雨能力也最差。

表5 不同类型天然林枯落物的有效拦蓄量

5 结束语

4种类型天然林枯落物总蓄积量大小顺序依次为阔叶林(19.68 t·hm-2)、针阔混交林(17.57 t·hm-2)、针叶林(17.40 t·hm-2)、楠竹林(17.08 t·hm-2)。综合来看，阔叶林枯落物的持水能力最好，而楠竹林枯落物的持水能力较差。这是由于阔叶林枯落物的半分解层比较蓬松，为其提供了充足的吸水空间;楠竹林枯落物中含有较高的蜡质成分，其蓬松程度也不如其它3种类型天然林高。4种类型天然林枯落物的有效拦蓄量由大到小为阔叶林(12.79 t·hm-2)、楠竹林(11.44 t·hm-2)、针叶林(8.70 t·hm-2)、针阔混交林(5.82 t·hm-2)。总之，阔叶林枯落物对降水的拦蓄效果最佳，针阔混交林枯落物的拦蓄效果最差;楠竹林枯落物的自然含水率最低，故其拦蓄效果也较好。

［1］饶良懿，朱金兆，毕华兴.重庆四面山森林枯落物和土壤水文效应［J］.北京林业大学学报，2005，27(1)：33-37.

［2］李杨，饶良懿，王玉杰，等.重庆缙云山水源涵养林枯落物水文特性分析［J］.湖北农业科学，2009，48(5)：1123-1125.

［3］王波，张洪江，徐丽君，等.四面山不同人工林枯落物储量及其持水特性研究［J］.水土保持学报，2008，22(4)：90-94，99.

［4］徐娟，余新晓，席彩云.北京十三陵不同林分枯落物层和土壤层水文效应研究［J］.水土保持学报，2009，23(3)：189-193.

［5］时忠杰，王彦辉，徐丽宏，等.六盘山主要森林类型枯落物的水文功能［J］.北京林业大学学报，2009，31(1)：91-99.

［6］高人，周广柱.辽宁东部山区几种主要森林植被类型枯落物层持水性能研究［J］.沈阳农业大学学报，2002，33(2)：115-118.

［7］张洪江，杜士才，程云，等.重庆四面山森林植物群落及其土壤保持与水文生态功能［M］.北京：科学出版社，2010.