辽河源典型森林群落下枯落物的水文特性

2014-01-26于晓文宋小帅康峰峰韩海荣

水土保持通报 2014年4期

于晓文，宋小帅，康峰峰，韩海荣

森林枯落物层是由林分凋落的茎、叶、枝条、芽、鳞片、花、果实、树皮等的残体累积形成的，是森林结构的重要组成部分，作为第二个水文作用层影响着森林生态系统水文过程，是森林涵养水源的主要作用层［1］。除此之外在阻滞地表径流、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作用。国内外学者在不同区域、不同森林类型的研究多为对枯落物自身水文特性的研究，对其影响地表径流和侵蚀土壤的机理等方面研究也取得了一定成果［2－3］。Bormann［4］认为森林枯落物层较大的水分劫持能力影响着降雨对林地土壤和植被水分的供应和补充；Lee等［5］认为枯落物对降雨的截留量取决于其蓄水容量。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4.18mm［6］。国内学者对云南纳帕海［7－8］、重庆四面山［9］、北京山区［10］、宁夏六盘山［11］、岷江上游［12］、广西龙脊梯田［13］、祁连山［14］、辽西海棠山［15］、重庆缙云山［16］等地的典型森林枯落物进行了研究，研究发现枯落物持水的开始阶段速度较快，随后持水速率逐渐减缓，直至达到最大持水量；枯落物分解程度越大，持水能力越强；刘向东等［17］认为油松枯落物截留降雨量与降雨量的关系符合幂函数关系。目前关于油松不同龄组、华北落叶松和杨桦阔叶混交林枯落物的对比研究相对较少，因此本研究通过定量分析辽河源自然保护区大窝铺林场典型森林群落油松林、杨桦混交林、华北落叶松林林下枯落物的储量和持水过程，在揭示其水文特性的基础上，以期为该地区水土保持、水源涵养工作提供理论依据，进一步探索该地区的森林保护模式。

1 研究区概况

研究地点选在河北省平泉县辽河源自然保护区大窝铺林场（118°22′—118°37′E，41°01′—41°21′N）。该地区处于暖温带向寒温带过渡地带，属于半湿润半干旱大陆性季风型山地气候，年均气温7.3℃，无霜期110～125d，全年日照2 000～2 900h，年平均降雨量540mm，年平均蒸发量1 800mm，湿润度为0.4，历年平均晴天日数为170d左右。土壤主要是棕壤土和褐土，土层深厚。

森林植被主要是乔木油松（Pinus tabuliformis）天然林、山杨林（Populus davidiana）和白桦林（Betula platyphylla）及其混交林、华北落叶松林（Larix gmelinii）；灌木层有锦带花（Weigela florida）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、榛（Corylus heterophylla）、三裂绣线菊（Spiraea trilobata）等；草本层以细叶薹草（Carex rigescens）为主。

2 研究方法

2.1 样地调查

于2012年7—9月对大窝铺林场典型森林群落进行调查，样地面积为20m×30m，每种类型重复3次，采用系统样点观测法测定其郁闭度，在标准地沿对角线间隔1m，判断样点是否为树冠遮盖，统计被遮盖样点数，即可算出郁闭度，即：郁闭度＝被树冠遮盖的样点数／样点总数，对树木进行每木检尺，测量树高、胸径等因子，样地基本情况详见表1。

表1 研究区样地基本情况

2.2 方法测定

2.2.1 枯落物储量调查在每个样地沿对角线方向设0.5m×0.5m的样方3个，按未分解层、半分解层分别取样，未分解层由颜色、形态基本保持刚落地时状态的凋落物组成，外表看不出被分解的迹象，半分解层是凋落物分解一定程度形成的，其叶形不十分完整，叶肉组织变色并开始腐烂，但有可辨认的叶脉相连，颜色多为灰褐至灰黑色，质地柔软，现场记录各层厚度和取样重。取样带回实验室后在95℃烘干称重，计算单位面积枯落物储量。

2.2.2 枯落物持水量和持水过程研究采用室内浸泡法测定枯落物持水量和持水过程。将烘干枯落物称重后放入细孔纱布袋内，完全浸没于清水中，分别待浸泡0.5，1，2，4，6，8，10和24h后，将纱布袋取出并静置5min后，迅速称量其湿重，每次称量的枯落物湿重与浸水前干重的差值即为浸水时段内的持水量，该值与浸水时间的比值为该时刻的持水速率，表示的是单位时间内枯落物的持水量，枯落物浸水24h后的持水量为其最大持水量［18］，这时的湿重与干重之比为枯落物最大吸湿比，用来反映枯落物持水力大小。

枯落物通常不会达到其最大持水量，所以采用有效持水量来反映其对降水的实际拦蓄情况，计算公式为［19］：

式中：W——有效拦蓄量（t／hm2）；R0——自然含水率（%）；Rm——最大持水率（%）；M——枯落物干重（t／hm2）。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型枯落物储量

林下枯落物的储量和厚度对准确评价森林水文功能具有重要作用。不同森林类型枯落物的厚度和储量受森林立地状况、林分类型和生长状况的影响，枯落物自身的产生量和分解速度，以及累计年限的不同也会造成枯落物储量的不同［20］。从表2可以看出，不同森林类型林下枯落物总储量变化范围为7.92～15.56t／hm2，总储量大小排序依次为：60a油松纯林（15.56t／hm2）＞50a油松纯林（12.85t／hm2）＞40a油松纯林（12.02t／hm2）＞杨桦混交林（11.99 t／hm2）＞华北落叶松纯林（7.92t／hm2），造成这一现象的原因与针阔叶树种组成不同有关，而且累积年限对枯落物储量的影响在不同林龄油松林中表现的比较明显。分析不同林分枯落物的未分解层和半分解层发现，尽管不同层次所占比例不同，但由于半分解层是枯落物常年分解累积形成的，所以均表现出半分解层储量大于未分解层的现象，其中杨桦混交林林下枯落物半分解层储量占总储量比例最大，为71.46%，其次为60a油松纯林，为59.05%，其它林分半分解层储量所占比例相差不大，40a油松纯林半分解层储量所占比例最小，为50.57%；未分解层则是40a油松纯林占比例最大，为49.43%，其次为50a油松纯林，为47.41%，杨桦混交林未分解层占比例最小，为28.54%。这是由于针阔叶树种枯落物分解能力不同所致，阔叶树种枯落物分解能力强，针叶树种枯落物分解能力弱，使得杨桦混交林林下枯落物大部分处于半分解状态。又由于油松针叶含油脂，不易分解，使得华北落叶松林下枯落物半分解层比例略高于油松纯林。

表2 研究区不同森林类型枯落物厚度和储量

3.2 不同森林类型枯落物的水文效应

3.2.1 枯落物不同分解层次的最大持水能力通常用枯落物最大持水量来表征枯落物实际最大可吸持水分的多少。从表3可以看出，浸泡24h以后，不同森林类型以杨桦混交林的最大持水量最大，为38.13 t／hm2，其次为60a油松纯林（23.69t／hm2），50a油松纯林（22.95t／hm2）和华北落叶松纯林（22.27 t／hm2），40a油松纯林枯落物最大持水量最小，为21.31t／hm2。由表3还可看出，研究区不同森林群落林下枯落物最大持水率变化范围为164.12%～333.06%，即枯落物最大可以吸持其自身重量1.6～3.3倍的水分，其大小排序为：杨桦混交林＞华北落叶松纯林＞50a油松纯林＞60a油松纯林＞40a油松纯林。

比较枯落物不同分解层次可以发现，最大持水率和最大持水量变化趋势不尽相同，如40a油松纯林枯落物未分解层最大持水率为130.35%，小于华北落叶松林枯落物的未分解层（218.79%），但是其未分解层最大持水量（7.94t／hm2）却高于华北落叶松纯林枯落物未分解层最大持水量（7.70t／hm2）；半分解层枯落物最大持水率最大的是华北落叶松纯林（330.97%），而最大持水量最大的是杨桦混交林的半分解层枯落物（25.53t／hm2）。这是因为枯落物最大持水量不仅受枯落物自然状态影响，还与枯落物储量和累积年限等因素有关。

3.2.2 枯落物不同分解层次的有效拦蓄量枯落物最大持水率和最大持水量反映的是枯落物吸持水分能力的大小，却不能准确反映枯落物对次降水的拦蓄能力，而有效拦蓄量是反映枯落物对次降水拦蓄能力的有效指标。从表3可以看出，不同森林类型枯落物有效拦蓄量变化范围为16.99～28.77t／hm2，且与最大持水量表现出相同的规律，大小排序为：杨桦混交林＞60a油松纯林＞50a油松纯林＞40a油松纯林＞华北落叶松纯林，而且不同林型枯落物半分解层有效拦蓄量都大于未分解层，说明了半分解层在降雨拦蓄过程中的重要作用。

3.2.3 枯落物不同分解层的次最大持水力枯落物持水力可以真实反映枯落物层吸持水分能力的大小，而通过枯落物最大吸湿比的大小可以衡量枯落物物吸持水分能力的强弱、涵养水源效果的显著与否［21］。从表3可以看出，不同森林类型枯落物最大吸湿比排序为：杨桦混交林（4.33）＞华北落叶松纯林（3.75）＞50a油松纯林（2.90）＞60a油松纯林（2.89）＞40a油松纯林（2.64），说明杨桦混交林枯落物可以吸持比自身更多的水分。就不同林地枯落物未分解层而言，最大吸湿比变化范围为2.13～4.68，大小排序为：杨桦混交林（4.68）＞华北落叶松纯林（3.19）＞40a油松纯林（2.30）＞60a油松纯林（2.21）＞50a油松纯林（2.13）。在半分解层中，华北落叶松纯林枯落物吸湿比最大，为4.31，其次为杨桦混交林（3.98），50a油松纯林（3.67）和60a油松纯林（3.58），40a油松纯林枯落物半分解层吸湿比最小，为2.98。除杨桦混交林枯落物外，其余森林类型均表现为半分解层最大吸湿比要大于未分解层。

表3 不同森林类型枯落物持水性能

采用SPSS分析软件对枯落物储量、最大持水量和最大吸湿比进行Pearson相关分析，结果详见表4。由表4可知，枯落物储量与最大持水量呈显著正相关关系，与其最大吸湿比呈不显著负相关关系，最大吸湿比与最大持水量呈不显著正相关关系，说明枯落物最大持水量直接受其储量的影响。

表4 不同森林类型枯落物储量、最大持水量和最大吸湿比的相关性分析

3.3 不同森林类型枯落物持水过程分析

3.3.1 枯落物层持水量与浸泡时间的关系枯落物层持水量与浸泡时间和原始干燥度有关，对不同森林类型枯落物不同分解层次持水过程进行绘图分析如图1—2。从图1—2可以看出，不同森林类型枯落物未分解层、半分解层均表现出相同的规律，即在浸水开始的前0.5h内，持水量迅速增加，枯落物在这个阶段对短历时强降雨的滞后径流效果显著，这也是枯落物调节水文、保持水土作用的功能所在［22］。之后随着浸水时间的延长，持水量持续增加，但是增长速度逐渐放缓，未分解层浸水6～8h后持水量随时间的变化很小，半分解层浸水10h后持水量增加趋于平缓，说明半分解层持水能力要高于未分解层，浸水24h后各层持水量可视为达到饱和。未分解层各时段持水量大小顺序为：杨桦混交林＞60a油松纯林＞50a油松纯林＞华北落叶松纯林＞40a油松纯林，半分解层各时段持水量大小顺序为：华北落叶松纯林＞桦混交林＞50a油松纯林＞60a油松纯林＞40a油松纯林。不同森林类型枯落物未分解层和半分解层浸水24h持水量与浸水时间的关系可用对数函数进行拟合（R2＞0.76）。

图1 不同森林类型枯落物未分解层持水量与时间的关系

图2 不同森林类型枯落物半分解层持水量与时间的关系

3.3.2 枯落物层持水速率与浸泡时间的关系在浸水过程中，不同森林类型枯落物持水速率与浸水时间表现出一定的规律性。从图3—4可看出，同持水量随浸水时间的变化趋势一致，在浸水的前0.5h内，未分解层、半分解层持水速率增长迅速，此后持水速率逐渐减小，浸水2h后，急剧下降，6～8h后下降速度逐渐变缓，至24h持水达到饱和。这是因为刚浸水时，风干状态的枯落物中的枝叶表面和死细胞水势差较大，使得持水速率较高，随着枯落物接近其最大持水量，持水速率随之减缓。从图3—4中还可以看出，不同森林类型枯落物半分解层持水速率要高于未分解层，这是由于枯落物经分解后其内部结构组成发生变化，导致持水能力变强。不同森林类型枯落物未分解层和半分解层浸水24h持水速率与浸水时间的关系可用幂函数进行拟合（R2＞0.76）。

图3 不同森林类型枯落物未分解层持水速率与时间的关系

图4 不同森林类型枯落物半分解层持水速率与时间的关系

4 结论

（1）辽河源自然保护区典型森林群落林下枯落物总储量变化范围为7.92～15.56t／hm2，大小排序依次为：60a油松纯林＞50a油松纯林＞40a油松纯林＞杨桦混交林＞华北落叶松纯林，不同森林类型均表现为半分解层储量大于未分解层储量。

（2）不同森林类型林下枯落物最大持水率变化范围为164.12%～333.06%，大小排序为：杨桦混交林＞华北落叶松纯林＞50a油松纯林＞60a油松纯林＞40a油松纯林。最大持水量变化范围为21.31～38.13t／hm2，由大到小依次为：杨桦混交林＞60a油松纯林＞50a油松纯林＞华北落叶松纯林＞40a油松纯林，由于储量不同的原因，各枯落物层最大持水量与枯落物最大持水率排序不完全相同。

（3）各枯落物层有效拦蓄量变化范围为16.99～28.77t／hm2，大小排序为：杨桦混交林＞60a油松纯林＞50a油松纯林＞40a油松纯林＞华北落叶松纯林，与最大持水量的变化规律相同，在各林分中枯落物半分解层有效拦蓄量都大于未分解层。

（4）枯落物浸水过程中，前0.5h内枯落物持水速率最高，持水量增加迅速，随后持水速率逐渐减小，持水量缓慢增加直至达到饱和。对枯落物持水过程进行回归分析，枯落物未分级层和半分解层持水量与浸水时间均符合对数函数关系（R＞0.87），持水速率与浸泡时间符合幂函数关系（R＞0.87）。

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