半城子流域3种林地枯落物的持水能力

贾剑波， 刘文娜， 余新晓†, 荀志强

(1. 北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京；2.河北省丰宁县林业局，068350，河北丰宁)



半城子流域3种林地枯落物的持水能力

贾剑波1， 刘文娜1， 余新晓1†, 荀志强2

(1. 北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京；2.河北省丰宁县林业局，068350，河北丰宁)

摘要：为了探究华北土石山区常见乔木林地枯落物的持水能力，利用2014年7月在北京密云半城子流域的油松林、侧柏林和刺槐林林下采集的枯落物，采用烘干浸泡的方法进行枯落物持水能力分析，定量比较3种林地枯落物储量，持水特性和拦蓄变化规律。结果表明：1) 3种林地枯落物总储量表现为油松林(24.40 t/hm2)>刺槐林(19.68 t/hm2)>侧柏林(9.58 t/hm2)，其总储量要高于一般林地；总厚度表现为油松林(3.57 cm)>刺槐林(3.30 cm)>侧柏林(1 cm)。2)最大持水量表现为阔叶林高于针叶林，其中刺槐林(48.77 t/hm2)>油松林(40.27 t/hm2)>侧柏林(15.81 t/hm2)，刺槐林与油松林差异性不显著，而侧柏与二者差异性显著。最大持水率表现出相同的规律，刺槐林(388.15%)>油松林(276.49%)>侧柏林(211.40%)，三者差异性极显著，其中油松林的最大持水量和持水率低于全国平均水平。3)枯落物层的持水量、吸水速率与浸水时间分别符合对数函数和指数函数，而刺槐林持水量和吸水速率较大，推断出阔叶林在集中降水条件下的蓄水能力更强。枯落物有效拦蓄量与持水功能表现一致。均为阔叶林优于针叶林，有效拦蓄量表现为：刺槐林(46.80 t/hm2)>油松林(38.72 t/hm2)>侧柏林(14.19 t/hm2)。从枯落物总储量、最大持水量和最大持水率、有效拦蓄量等多个因素的计算判断出，半城子流域的枯落物呈现出针叶林枯落物量大但水文效应低，阔叶林量小但水文效应好的特征。因此，在林地树种配置与管理上，可以从枯落物的水文效应上考虑，提高流域林种结构的空间优化。通过研究枯落物的水文特性，可为当地造林树种选择和水源涵养生态服务评价提供理论基础和数据参考。

关键词：枯落物； 最大持水量； 有效拦蓄量； 密云

项目名称： 国家自然科学基金重点专项“基于稳定同位素的典型森林生态系统水、碳过程及其耦合机制研究”(41430747)

枯落物是森林生态系统垂直结构中的重要一层，不仅在物质循环和能量流动中扮演重要的角色[1]，而且对整个森林生态系统的水文过程具有重要影响[2]。枯落物层的生态水文效应十分明显，降雨在到达地表前先通过枯落物层的阻拦，有效降低了雨滴动能，减小溅蚀和减轻地表径流对土壤的侵蚀[3-4]；同时，枯落物层还有吸收和阻延地表径流，抑制土壤蒸发，增加降水入渗，增强土壤抗冲能力等功能[5]。这些功能得益于枯落物层内部的疏松空间，在涵养水源方面表现突出。国内外对枯落物的水文过程和功能进行了大量研究[6-8]，认为枯落物的持水和拦蓄能力主要由枯落物的储量、持水能力和吸水过程决定[9]；因此，定量研究枯落物的持水能力和拦蓄规律就显得尤为重要。

近年来，北京地区水资源问题十分突出，而密云水库是北京地区主要饮用水源地，对该区水土保持林枯落物层持水能力的研究意义重大。半城子流域作为密云水库的分支蓄水区，具有防洪、灌溉[10]等功能，而对流域内枯落物层的水文效应研究较少。油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)是该地区主要乡土树种，同时也是主要水土保持树种[11]，研究其林地枯落物层的持水能力和拦蓄规律具有典型性和代表性。笔者于2014年7月在半城子流域选取代表性强的油松林、侧柏林和刺槐林作为采样点，收集林下枯落物，采用烘干浸泡的方法对枯落物持水能力进行分析，定量研究3种林地枯落物储量，持水特性和拦蓄变化规律，以期为当地的水土保持树种选择和水源涵养生态服务评价提供科学的理论依据。

1研究区概况

半城子流域距密云水库北侧约10 km，位于E 116°55′～117°2′、N 40°37′～40°43′之间，距密云县城32.6 km,属于密云水库保护区的二级保护区。该流域均为山地，土地面积为66.18 km2，由于受地形影响,流域盛行东北风和西南风。多年平均气温为10.5 ℃,年日照时间2 801.8 h,年内无霜期176 d,多年平均降水量669 mm,且主要集中在6—8月,占到全年降水量的75%以上[12]。土壤类型主要有褐土和山地棕壤，同时也有极少数石质土。植被以水源涵养林为主,侧柏林、油松林以及刺槐林等是流域的主要植被类型,大部分为该区50年代栽植的人工林，林龄相近，林相较好。

2研究方法

2.1枯落物储量调查

根据流域内植被类型、海拔、坡向等因素，选取具有代表性的油松林、侧柏林和刺槐林作为试验调查样地，其中油松林、侧柏林和刺槐林各5块，共15块样地。林下灌木种主要有荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)等，各个样地的立地条件和林分状况见表1。每块样地内随机选取3个1 m×1 m 的小样方作为重复，分别测量枯落物未分解、半分解和总厚度，再分层(未分解层、半分解层)放入牛皮纸袋带回室内进行称量。

表1　样地立地条件和林分状况

2.2枯落物持水量测定

采用连续浸泡法测定枯落物层持水量和吸水速率。以侧柏林为例，将每块样地的各3个样品(共15个样)分别装入尼龙网袋，扎紧口部称量取平均值，然后将求得的5个平均值再求平均，作为其风干前的鲜质量；再将15个尼龙袋中的样品平摊，放入烘箱调至105 ℃连续12 h后取出，取出后将每块样地的各3个尼龙网袋称量取平均值，再将求得的5个平均值再求平均，作为其风干后的值并记录。然后再将15个尼龙网袋袋口封紧浸泡在装水的桶中，分别在15、30 min，1、2、4、8 h将尼龙网袋从桶中拿出，并控水，直到尼龙网袋不再滴水为止，取出后将每块样地的各3个尼龙网袋称量取平均值，再将求得的5个平均值再求平均，作为其浸泡后的值并记录。

2.3枯落物最大持水量和最大持水率测定

将枯落物浸泡24 h后取出，静置控水到不滴水为止，称量后将其放在干燥通风处自然风干，然后再次称量，每个样称量3次取平均后记录。计算公式如下：

W0=M1-M0。

式中：W0是枯落物最大持水量，g；M1是浸泡24 h后枯落物的质量，g；M0是风干后枯落物的质量，g。将最大持水量按照枯落物采样面积和每个样本采样点每公顷枯落物最大持水量，单位t/hm2。

式中Pm为最大持水率，%。

2.4有效拦蓄量测定方法

对枯落物有效拦蓄量的计算，可推算出实际拦蓄量，公式[13]如下：

Z=(0.85Pm-Pa)A。

式中：Z为有效拦蓄量，t/hm2；Pa为自然含水率，%；A为枯落物蓄积量，t/hm2。

3结果与分析

3.13种林地枯落物储量

枯落物储量可以判断枯落物层的保水能力，同时也用来评价森林系统保水功能。枯落物储量受到枯落物凋落量、枯落物在地表积累时间和微生物等对枯落物的分解速度的影响，同时，树种组成、样地自然环境条件、枯落物自身特性以及人为活动等因素与枯落物储量也关系密切[14-15]。

对半城子流域3种主要林地的枯落物储量进行对比分析可得(表2)，3种林地枯落物储量均大于9 t/hm2。其中油松林(24.40 t/hm2)>刺槐林(19.68 t/hm2)>侧柏林(9.58 t/hm2)，通过SPSS13.0方差分析可知，油松林、刺槐林、侧柏林3者总蓄积量差异性显著(P<0.05)。枯落物层总厚度表现为油松林(3.57 cm)>刺槐林(3.30 cm)>侧柏林(1 cm)，主要是由于该区油松林林下枯落物分解较慢，长时间的积累导致林下枯落物凋落量大且厚度大于其他林地。

表2　不同林分枯落物层特征

枯落物未分解层储量由大到小为侧柏林(9.58 t/hm2)>刺槐林(6.78 t/hm2)>油松林(6.71 t/hm2)，枯落物半分解层储量为油松林(17.69 t/hm2)>刺槐林(12.89 t/hm2)，侧柏林无半分解层。油松林、刺槐林与侧柏林的未分解层储量差异性显著(P<0.05)，油松林与刺槐林未分解层储量差异性不显著(P>0.05)。油松林和刺槐林的半分解层储量多于未分解层，分别占到其总蓄积量的72.49%和65.53%，通过调查发现油松林、刺槐林的年凋落量较小[16]，同时林下灌草较多，垂直结构复杂，凋落物成分较多，导致分解速度较快，表明油松林和刺槐林对土壤层具有明显的改良作用；侧柏林地基本是未分解层，几乎没有半分解层。主要是由于侧柏林下基本没有灌草种类，枯落物组成和成分均单一且生产量低，且同时分解速度较慢，这也是导致林下无半分解层的原因。

3.23种林地枯落物的持水能力

枯落物层的持水能力是反映枯落物层对森林生态系统水文作用的指标，其由枯落物储量和持水能力共同决定[17-18]。

3.2.1最大持水量与最大持水率如图1所示，枯落物层最大持水量由大到小是刺槐林(48.77 t/hm2)>油松林(40.27 t/hm2)>侧柏林(15.81 t/hm2)，通过SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林与侧柏林差异性显著(P<0.05)，刺槐林与油松林差异性不显著(P>0.05)。最大持水率表现为刺槐林(388.15%)>油松林(276.49%)>侧柏林(211.40%)，通过SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林、侧柏林三者差异极显著(P<0.01)。而我国森林枯落物层的平均最大持水量为41.8 t/hm2，平均最大持水率为309.54%[19];因此，可以看出最大持水量和最大持水率均高于全国平均水平的林分是刺槐林枯落物层，而油松林的最大持水量和最大持水率稍低于全国平均水平。侧柏由于没有半分解层，最大持水量和最大持水率偏低。比较3个树种的最大持水量和最大持水率，刺槐林最大，这也反映出阔叶树具有更好的持水能力。

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关系如图2和图3。不同树种枯落物总持水量变化规律基本相似。持水量随浸泡时间逐渐递增，单位时间内持水量逐渐减小；未分解层持水量由大到小表现为刺槐林>油松林>侧柏林，对于半分解层来说，持水量表现为刺槐林>油松林。油松林和侧柏林相差不大，均小于刺槐林。在0～0.5 h内，即自然条件下开始降雨阶段，随浸水时间增加，曲线呈上升趋势，表明枯落物正处于迅速吸水的时段。随浸水时间的增加，曲线趋于平缓，表明枯落物持水量逐渐接近稳定饱和。未分解层和半分解层持水量在浸水6～8 h时均已基本达到饱和;因此，在0.25～8 h时间段内，枯落物层持水量与浸水时间有明显的相关性，对3种林分下的各层持水量与浸水时间建立拟合方程见表3。

图1　3种林分下枯落物最大持水率和最大持水量Fig.1　Maximum water-holding capacity and rate of litters 　in different forests

图2　3种林分未分解层持水过程Fig.2　Water-holding process of non-decomposed 　layers in different forests

图3　2种林分半分解层持水过程Fig.3　Water-holding process of semi-decomposed 　layers in different forests

表3　不同林分半分解层和未分解层枯落物总持水量与浸水时间关系式

注：W为枯落物持水量，g/kg；t为浸水时间，h。Note:Wis litter water-holding capacity，g/kg；tis the immersion time, h.

在表3中可以看出，油松林、刺槐林和侧柏林3种林分枯落物各层持水量与浸水时间均满足对数关系，相关系数均大于0.95。得出的方程与王士永等[16]在北京北部山区和樊登星等[20]在北京西山研究结论类似。这表明枯落物层具有明显的蓄水功能。

3.2.3枯落物吸水速率与浸水时间的关系枯落物持水量与浸水时间的关系曲线表明：枯落物吸水速率与浸水时间存在一定的相关性。3 种林分枯落物未分解层均在0～0.5 h内吸水速率最大，随后吸水速率显著降低，4～5 h 时，吸水速率逐渐趋于稳定(图4)；刺槐林下枯落物层，在0～8 h间，吸水速率在3种林分之间始终保持最大，而侧柏林下枯落物层刚好相反，始终为最小。油松林和刺槐林枯落物半分解层同未分解层规律变化一致(图5)。

图4　未分解层吸水速率与浸水时间的关系Fig.4　Correlation between water absorption rate and 　immersion time of non-decomposed litter layers

图5　半分解层吸水速率与浸水时间的关系Fig.5　Correlation between water absorption rate and 　immersion time of semi-decomposed litter layers

对3种林分下未分解层和半分解层枯落物的吸水速率与浸水时间的关系进行拟合方程见表4，可以看出，各层吸水速率与浸水时间均满足指数关系，相关系数均大于0.999，拟合效果非常好。得出的方程与王鹏程等[21]的研究结论一致。

3.2.4有效拦蓄量枯落物的有效拦蓄是枯落物层对降雨实际拦蓄量的反映，体现枯落物的真实拦蓄能力，也是判断枯落物持水能力的重要方面[22]。有效拦蓄量的大小与枯落物储量、水分状态、降雨特性等有关[23-24]。

如图6所示，最大拦蓄量都介于10～50 t/hm2之间，其中刺槐林(46.80 t/hm2)>油松林(38.72 t/hm2)>侧柏林(14.19 t/hm2)，这与最大持水量的变化趋势基本一致。通过SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林与侧柏林的最大拦蓄量差异性极显著(P<0.01)，刺槐林与油松林差异性显著(P<0.05)。刺槐林的枯落物的有效拦蓄量最大，其次是油松枯落物，而侧柏林由于无半分解层，有效拦蓄量最小。虽然油松林的枯落物总储量最大，但其有效拦蓄量小于刺槐林，分析原因是由油松林枯落物的自然含水量大于刺槐林，水分含量较高导致。

表4　不同林分下枯落物吸水速率与浸水时间拟合方程

注：v为枯落物层吸水速率，g/(kg·h) ；t为浸水时间，h。Note：vis water absorption rate,g/(kg·h);tis the immersion time, h.

图6　3种林分枯落物有效拦蓄量Fig.6　Interception capacity of litters in different forests

4结论与讨论

1)半城子流域枯落物总蓄积量要高于其他地区，枯落物最大持水量和持水率均表现为阔叶林高于针叶林；但油松林的最大持水量和持水率低于全国平均水平，因此油松林的枯落物呈现总储量大但持水性能差的特征。从这个角度讲，有必要进行更进一步的研究。

2)枯落物层的吸水量、吸水速率与浸水时间的关系符合对数函数和指数函数。而刺槐林吸水量和吸水速率较大，推断出阔叶林在集中降水条件下的蓄水能力更强。

3)枯落物有效拦蓄量与持水功能表现一致，均为阔叶林优于针叶林；因此在径流较为集中的区域建议多栽植阔叶树种。

从枯落物总蓄积量、最大持水量和最大持水率、有效拦蓄量等多个因素的计算判断出，半城子流域的枯落物呈现出针叶林枯落物量大但水文效应低，阔叶林量小但水文效应好的特征；因此在林地树种配置与管理上，可以从枯落物的水文效应上考虑，提高流域林种结构的空间优化。

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(责任编辑：宋如华郭雪芳)

Water-holding characteristics of litters in three types of forest in the

upper reaches of Banchengzi Basin

Jia Jianbo1, Liu Wenna1, Yu Xinxiao1, Xun Zhiqiang2

(1.Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083,

Beijing, China; 2.Forestry Bureau of Fengning County, 068350, Fengning, Hebei, China)

Abstract:In order to explore the water-holding capacity of forest litter in rocky mountain regions of northern China, we selected litters in three types of pure forest, i.e., Pinus tabulaeformis, Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis in Banchengzi Basin, Beijing, as research objects. The litters were dried in oven and soaked in water in July 2014. At the same time, we analyzed the litter water-holding capacity and compared the litter reserves, water holding features and intercept water change in these forests. The results showed that: 1) the total amount of litters in three types of forest followed the order of Pinus tabulaeformis (24.40 t/hm2)>Robinia pseudoacacia (19.68 t/hm2)>Platycladus orientalis (9.58 t/hm2). The total thickness of litter in Pinus tabulaeformis forest (3.57 cm) was the highest, followed by Robinia pseudoacacia forest (3.30 cm), and the least was in Platycladus orientalis forest (1 cm). 2) The maximum water-holding amount of broad-leaved forest was higher than that of coniferous forest, ranked as Robinia pseudoacacia forest (48.77 t/hm2)>Pinus tabulaeformis forest (40.27 t/hm2)>Platycladus orientalis forest (15.81 t/hm2); the difference was not significant between Robinia pseudoacacia forest and Pinus tabulaeformis forest, but was significant between Platycladus orientalis forest and the other two types of forest. The maximum water-holding rate followed the order of Robinia seudoacacia forest (388.15%) > Pinus tabulaeformis forest (276.49%) > Platycladus orientalis forest (211.40%), with significant differences among them. The maximum water-holding amount and rate of Pinus tabulaeformis forest were all lower than the national average level. 3) The relationship between water absorption, water absorption rate and immersion time conformed to logarithmic function and exponential function, respectively. In the first half hour of water absorption, water absorption rate increased rapidly, and then tended to be stable over time after 4 to 5 hours. The water absorption and water absorption rate of Robinia pseudoacacia forest was the largest, thus we can conclude that the water storage capacity of broad-leaved forest is stronger under concentrated rainfall conditions. The rule of intercept water amount followed the order of Robinia pseudoacacia forest (46.80 t/hm2)>Pinus tabulaeformis forest (38.72 t/hm2)>Platycladus orientalis forest (14.19 t/hm2). We can judge the litter characteristics at the Banchengzi Basin from the calculation of total litter amount, maximum water-holding amount and rate, and intercept water amount. It shows that the total litter amount of coniferous forest is larger, but the hydrological effect is lower. The broad-leaved forest is just opposite: it has higher hydrological effect but fewer total litter amount. Thus, when we select tree species, we could take into account the litter hydrological effect, and optimize the spatial structure of tree species. This study would provide some theoretical basis and reference for tree species selection and assessment of water conservation ecological service in local forest development.

Keywords:litter; maximum water-holding amount; water intercept amount; miyun

通信作者†简介： 余新晓(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向：森林水文与水土保持。E-mail:yuxinxiao111@126.com

作者简介：第一 贾剑波(1988—)，男，博士研究生。主要研究方向：森林水文与水土保持。E-mail:jotham880303@163.com

收稿日期：2015-10-27修回日期： 2015-11-20

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0026-07