北京山区4种典型林分枯落物持水特性的定量分析

蒋丽伟

（国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

北京山区4种典型林分枯落物持水特性的定量分析

蒋丽伟

（国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

以北京山区4种典型林分为研究对象，测定各林分枯落物的蓄积量，并采用室内浸泡法对枯落物持水过程进行分析，结果表明：（1）林分枯落物厚度及蓄积量均表现为栓皮栎林＞侧柏林＞油松林＞刺槐林，其中半分解层蓄积量占80%以上；（2）最大持水量变化范围为9～77 t/hm2，有效持水量变化范围为6～53 t/hm2；（3）枯落物持水过程表现为“迅速吸水-缓慢吸水-逐渐饱和”，相同持水时间下，4种林分的未分解层枯落物持水量大小为刺槐＞栓皮栎＞侧柏、油松，半分解层枯落物持水量大小为栓皮栎＞油松＞侧柏＞刺槐；（4）枯落物吸水速率随浸水时间的增加而减小，两者呈一定的幂函数关系（V=ktn）。

北京山区；枯落物；持水过程；持水速率

林分的枯落物层是指覆盖在林地土壤表面的凋落茎、叶、枝条、花、果实、树皮以及枯死的植物残体所形成的地被覆盖物层［1］。枯枝落叶层作为一种疏松多空物质，是森林生态系统重要的组成部分，依靠其强大的表面能及其类似于海绵性状的弹性力学特征，具有截留降雨、消减动能、调节径流及维持土壤结构的作用，众多研究表明，各类森林枯落物的最大持水量可达自身干质量的2～4倍，平均为3.1倍［4］，其在森林生态系统水文过程中的重要作用使其成为森林生态系统调节水分分配的第2个作用层，对降水形成径流的过程起着中转站作用［2-5］。许多研究者已经在枯落物的形态结构、储量特征、持水能力和抗侵蚀机理等方面进行了许多研究，研究枯落物层的水文效应对于探讨森林生态系统的水文循环和水量平衡具有重要意义［6-7］。

北京山区森林生态系统作为首都重要的水源涵养区，在华北地区生态系统和水资源安全中处于极其重要的地位，是北京经济社会发展的重要生态屏障。国内对该区的研究主要集中在林分结构、土壤侵蚀、森林健康评价等方面，但对其水文功能的研究则相对较少，尤其是枯落物层的水文功能［8］。本研究对北京山区4种不同林分枯落物层的持水特性进行定量分析，旨在为森林健康分析、监测和评价提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于北京西山林场，地处北京市海淀区西北部，地理坐标为40°3′46″N、11°5′45″E。试验地坡度陡峭，起伏变化较大，属于华北暖温带半湿润半干旱的大陆性季风气候，年均温度11.6℃，年均降雨量约600 mm。植被属暖温带落叶林带的山地栎林和油松林带，灌木类植物主要有荆条、绣线菊、孩儿拳头、胡枝子等，草本及地被植物主要有百草、甘野菊等。

1.2 研究方法

1.2.1标准监测样地设置 对研究地内主要优势林分进行样地调查，并选择生长良好的典型人工林地建立4块10 m×10 m的固定标准样地，并对样地的经纬度、海拔、优势树种、土壤厚度、主要林下灌木、坡度、坡向等因子进行测定，样地概况如表1所示。

1.2.2枯落物蓄积量监测 在4种林分样地内用钢尺测定枯落物未分解层与半分解层厚度，将标准样地沿对角线分为4块区域，各区域分别设置50 cm×50 cm样方取未分解层和半分解层并装入牛皮纸袋内带回，经精度0.1 g电子天平称重后，在烘箱内（温度70℃）烘干后再称其干重。每块样地4块样方的枯落物重量的平均值作为该样地的枯落物蓄积量，并计算4种林分枯落物层的自然含水率。

表1 研究区标准样地概况

1.2.3枯落物持水过程监测 采用室内浸泡法对4种林分枯落物的持水过程进行监测，将烘干后的枯落物取50 g作为样品装入自制尼龙网内，浸入水中，分别在15、30 min，1、2、4、6、8、10、24 h时取出，沥水至没有水滴滴落为止，称重，记录样品在不同浸水时间内的重量变化，其与烘干样品重的差值即为枯落物在不同浸水时间的持水量，持水量与间隔浸水时间的比值即为枯落物在该时段内的吸水速率。研究表明，降雨量达到20～30 mm后，各种林分枯落物持水率约为最大持水率的85%左右［9］，由此计算枯落物的自然含水率、大持水率、最大持水量和有效持水量：

式中，X0、Xd、X24分别为枯落物的鲜重、干重以及浸水24 h后的重量；Y0、Ymax、Ysv分别为枯落物自然含水率、最大持水率、有效持水率；Zmax、Zsv分别为枯落物层最大持水量和有效持水量，M为枯落物蓄积量。

2 结果与分析

2.1 林分枯落物蓄积量

林分枯落物蓄积量主要取决于枯落物的输入和分解过程，其树种组成、生长状况以及林地水热条件等因素都会影响枯落物的输入和分解，从而影响蓄积量。研究区内4种林分枯落物蓄积量有较大差异（表2）。本研究中，栓皮栎为高大落叶乔木，林分位于阳坡，生长状况较好，产生的枯落物较多，在4种林分中枯落物厚度与蓄积量最大，栓皮栎林分的枯落物厚度可达10.5 cm，蓄积量达22.5 t/hm2；其次为侧柏与油松林分，两者枯落物厚度分别为4.0、3.8 cm，蓄积量分别为15.95 t/hm2与15.65 t/hm2；4种林分中，刺槐林分的枯落物蓄积最小，其枯落物厚度仅为2 cm，蓄积量仅为3.3 t/hm2。

表2 4种林分枯落物蓄积量

就未分解层与半分解层，4种林分也表现出与总厚度、总蓄积一致的规律：栓皮栎＞侧柏＞油松＞刺槐。从蓄积量中未分解层与半分解层的比例可以看出，4种林分中均是半分阶层蓄积量所占比例较高，均在80%以上。其中，油松林地枯落物蓄积量中半分解层所占比例最高、达87.54%，这可能是由于油松枯落物主要由凋落的松果、松针组成，这些物质易形成蓬松的“海绵层”，从而吸附降水在枯落物层，充分的湿润条件使得枯落物得到分解，而松针松果质地坚硬，充分分解较为困难，因此半分解层所占比例最大。

2.2 林分枯落物持水量

4种林分的枯落物层最大持水量与有效持水量如表3所示。从表3可以看出，各林分中栓皮栎林枯落物最大持水量明显高于其他林分、为76.70 t/hm2，刺槐林枯落物层最大持水量最小、仅为9.00 t/hm2，各林分枯落物最大持水率在243.87%～340.87%。枯落物最大持水量是其最大持水率和蓄积量共同作用的结果，栓皮栎林枯落物蓄积量最大，而油松枯落物主要为凋落松针，易形成蓬松的海绵状吸水层；而刺槐林分枯落物蓄积量最小，因此该林分枯落物最大持水量最小。4种林分枯落物最大持水率规律为栓皮栎＞油松＞刺槐＞侧柏。这主要是由于侧柏枯落物较为细碎，且质地较硬、表面光滑，水分不容易吸附，因此其最大持水率最小。

表3 4种林分枯落物持水量及持水率

各林分枯落物有效持水量与最大持水量表现出一致的分布规律：栓皮栎＞油松＞侧柏＞刺槐，这也与各林分枯落物蓄积量有关。而有效拦蓄率则表现为栓皮栎＞刺槐＞油松＞侧柏，这与枯落物最大持水率与自然含水率有关，而其主要原因则是枯落物本身质地所造成的，栓皮栎与刺槐两种落叶阔叶林分枯落物易分解，而油松与侧柏两种针叶林的枯落物质地坚硬，不易分解，因此其有效拦蓄率较小。由于不同林分枯落物蓄积量的差异，有效拦蓄量的大小并没有与有效拦蓄率呈现一致规律。

2.3 林分枯落物持水过程

4种林分未分解层枯落物与半分解层枯落物持水量随持水时间变化如图1、2所示，结果表明，相同持水时间下，4种林分的未分解层枯落物持水量大小为刺槐＞栓皮栎＞侧柏、油松，半分解层枯落物持水量大小为栓皮栎＞油松＞侧柏＞刺槐。

图1 4种林分未分解层枯落物持水过程曲线

图2 4种林分半分解层枯落物持水过程曲线

从枯落物的整个持水过程来看，枯落物持水过程可分为3个阶段：第1阶段为迅速吸水阶段，在0～15 min时间内，枯落物迅速吸水，持水量迅速上升；第2阶段为缓慢吸水阶段，随着枯落物不断吸水，其持水量的增加开始变慢，呈现缓慢增加的趋势，未分解层枯落物在该时段内的时间较长，主要分布在15 min～6 h，半分解层枯落物在该时段内的时间较短，主要分布在15 min～2 h；第3阶段为饱和阶段，经过迅速吸水和缓慢吸水两个过程后，枯落物本身吸水逐渐开始饱和，持水速率逐渐趋向于零，枯落物持水量在某一值上下浮动，达到最大持水量。

2.4 枯落物持水速率

表4 4种林分未分解层枯落物持水速率（g/kg·h）

表5 4种林分半分解层枯落物持水速率（g/kg·h）

枯落物吸水速率变化与其表面的水势差有关。各林分未分解层与半分解层在不同浸水时间的吸水速率如表4所示。从表4可以看出，4种林分呈现一致的变化趋势，吸水速率随浸水时间的增加而减小。在最初阶段，烘干枯落物浸入水中，其表面水势差很大，因此枯落物迅速吸水，其吸水速率最大。浸水15 min时，4种林分枯落物吸水速率均达到2 000 g/kg·h；其中，未分解层枯落物吸水速率大小为栓皮栎＞刺槐＞油松＞侧柏，半分解层枯落物吸水速率大小为栓皮栎＞油松＞侧柏＞刺槐；随着浸水时间的增加，枯落物持续吸水，其表面与周围的水势差逐渐减小，吸水速率随之减小，当浸水时间足够长，枯落物吸水逐渐趋于饱和，吸水速率降低到最小并直致稳定。

表6反映了4种林分类型枯落物的吸水速率V［g/（kg·h）］与浸水时间t（h）的拟合关系，结果表明，枯落物吸水速率随浸水时间呈现幂函数关系：

式中，k为方程系数，n为指数参数。

表6 4种林分枯落物持水速率与浸水时间拟合关系

3 结论与讨论

分解和补充的交互作用使枯落物在地表形成一层结构疏松的毡层［9-10］。研究指出，由于立地气候、林分因子、生物活动等原因［11］，阔叶林枯落物层厚度和储量要大于针叶林［12-14］，本研究中，4种林分枯落物蓄积量变化范围为3～23 t/hm2，林分枯落物厚度及蓄积量均表现为栓皮栎林＞侧柏林＞油松林＞刺槐林，各林分枯落物蓄积量中半分解层占较大比例，均在80%以上；栓皮栎林枯落物蓄积量明显高于其他林分，而刺槐林枯落物极易破碎、分解，因此蓄积量较少。

国内外对枯落物的持水特征进行了研究，其枯落物持水过程历时曲线均表明可以分成几个阶段，但阶段的划分略有不同，各层的吸水迅速上升、缓慢上升和饱和的时间均有所差异，而造成这些差异的原因可能与树种的枯落物组成结构、分解状况、孔隙度、初始含水量和林地发育生长状况有关。本研究中，枯落物持水过程表现为“迅速吸水-缓慢吸水-逐渐饱和”的过程，相同持水时间下，4种林分的未分解层枯落物持水量大小为刺槐＞栓皮栎＞侧柏、油松，半分解层枯落物持水量大小为栓皮栎＞油松＞侧柏＞刺槐。

不同林分类型的枯落物持水能力必然有所差异。王佑民［10］指出，针叶树种枯落物含有较多的油脂，不容易分解，其吸水率和有效吸水量往往没有阔叶树种的枯落物大。而在本研究中，4种林分枯落物最大持水量变化范围为9～77 t/hm2，有效持水量变化范围为6～53 t/hm2；枯落物最大持水率规律为：栓皮栎＞油松＞刺槐＞侧柏，有效拦蓄率则表现为：栓皮栎＞刺槐＞油松＞侧柏；而就油松和侧柏两个针叶林类型的比较结果，这可能与油松枯落物层物理结构有关，油松林的枯落物层含有大量松针，蓬松柔软，常形成海绵状的吸水层，因此其持水能力可能会较大。

枯落物持水量与浸水时间之间存在对数函数关系，本研究结果表明，枯落物吸水速率随浸水时间的增加而减小，两者呈一定的幂函数关系（V = ktn），这与大多数研究者的研究结果一致。对枯落物层吸水速率随浸水时间变化的研究可以看出，枯落物层在浸水初时吸水速率最大，随浸水时间延长而下降。可见，枯落物层发挥截留和拦蓄降水主要发生在降水初期［15］。

枯落物层覆盖于地表，对于调控降水的再分配、减轻土壤侵蚀、减少土壤流失等有重要作用；但是同时，枯落物分解又可增加森林土壤的养分，实现养分的循环，对于林分生长具有非常重要的意义，因此对枯落物层的研究，不应仅仅考虑其持水能力，还应从其他方面综合考虑。例如在本研究中，栓皮栎林枯落物层的持水能力最好，但油松的枯落物质地坚硬，不易分解，对于森林生态系统的养分循环可能会有所影响。另外，过于追求枯落物层的厚度也会影响森林的健康发展，枯落物层过厚过多会影响林下植被的自然更新，地表的植被覆盖和更新状况变差。因此，合理的林分结构、树种组成以及抚育措施对于改善林分生长状况、促进枯落物分解和森林的健康发展有重要意义。

［1］ 莫菲，于澎涛，王彦辉，等.六盘山华北落叶松林和红桦林枯落物持水特征及其截持降雨过程［J］.生态学报，2009，29（6）：2868-2876.

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（责任编辑 白雪娜）

Quantitative analysis of water holding capacity of 4 typical forest litters in Beijing mountainous area

JIANG Li-wei（State Forestry Bureaue Survey Scheme Designing Institute，Beijing 100714，China）

Four typical forests were selected to investigate the stock volume and water-holding capacity of litter layers，the results showed that：（1） the order of total storage capacity of four litters showed as Quercus variabilis＞Platycladus orientalis＞Pinus tabuliformis＞Robinia pseudoacacia，and the volume of half decomposition accounted for more than 80%；（2） the maximum capacity of litter layer ranged from 9 t/hm2to 77 t/hm2，and the effective capacity ranged from 6 t/hm2to 53 t/hm2；（3） the water holding of litters showed a process of “rapid absorptionslow absorption-gradual saturated”；under the same soaking time，the water holding capacity of undecomposed litters showed as R.pseudoacacia＞Q.variabilis＞P.orientalis，P.tabuliformis，and the water holding capacity of half decomposed litters showed as Q.variabilis＞P.tabuliformis＞P.orientalis＞R.pseudoacacia；（4） the absorption rate decreased by immersion time，and they showed a power function relationship （V=ktn）.

Beijing mountainous area；litters；water holding process；water holding rate

S715.7

A

1004-874X（2016）12-0030-06

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.12.006

2016-08-26

蒋丽伟 （1979-）女，硕士，高级工程师，E-mail：27177229@qq.com

蒋丽伟.北京山区4种典型林分枯落物持水特性的定量分析［J］.广东农业科学，2016，43（12）：30-35.