大沙河自然保护区森林枯落物水源涵养功能初步研究

苏 刚，杨 婷

(1.贵州省贵阳市花溪区生态文明建设局，贵州 贵阳 550025；2.贵州省公益林管理中心，贵州 贵阳550001)



大沙河自然保护区森林枯落物水源涵养功能初步研究

苏 刚1，杨 婷2

(1.贵州省贵阳市花溪区生态文明建设局，贵州 贵阳 550025；2.贵州省公益林管理中心，贵州 贵阳550001)

摘要：为合理调整自然保护区内森林结构布局，充分发挥森林的水源涵养功能，对7种不同森林群落类型下的枯落物进行了储量、持水量及吸水速率的测定。结果表明：各森林群落类型枯落物储量排序为针阔混交林>篦子三尖杉林>人工杉木林>阔叶林>红豆杉林>竹林>灌木林；各森林群落类型枯落物最大持水量排序为：阔叶林>针阔混交林>竹林>红豆杉林>人工杉木林>灌木林>篦子三尖杉林；各森林群落类型枯落物在持水作用较强的前2h内，总吸水速率大小结果为阔叶林>针阔混交林>人工杉木林>红豆杉林>灌木林>竹林>篦子三尖杉林。0～2 h各林分林下地表枯落物层持水量几乎呈直线上升，2 h后吸水速率上升速度逐渐变缓并趋于最大值；0～2 h各林分林下地表枯落物层吸水速率几乎都呈直线下降，2 h后吸水速率下降速度逐渐变缓并趋于动态平衡。综合分析了7种不同森林群落类型下枯落物的水源涵养功能得出优势群落为针阔混交林和阔叶林，劣势群落为灌木林。

关键词：枯落物；储量；持水量；吸水速率；自然保护区；大沙河

1引言

森林作为一个综合自然体，是陆地生态系统的主体，是生态平衡的重要调节器，在维护地球生态平衡与稳定方面发挥着主导作用。森林有着巨大的蓄水功能，它通过地上层(乔、灌、草)、地表层(枯枝落叶)和土壤层3个水文层次对降水进行调蓄[1]。森林植被的水源涵养功能,是森林植被系统与气候系统、地质地貌系统、社会经济系统间相互作用的结果[2]。森林的水源涵养功能是森林生态系统生态功能的重要组成部分,其功能主要体现对降水的拦蓄作用,它是森林的4个作用层,即森林乔木层、灌草层、枯枝落叶层和土壤层对降水进行再分配的复杂过程。研究主要围绕森林枯枝落叶层的水源涵养功能[3]。

林下枯落物是指覆盖在林地土壤表面的未分解、半分解植物凋落物，枯落物层是森林土壤独立的发生层次，是森林结构的重要组成部分，是森林地表的重要覆盖面，对改善土壤结构具有重要的作用；同时，它也是土壤有机养分的重要来源之一。研究枯落物层水容量及其对表层土壤物理性状的影响具有重要的意义。林下枯落物的存在，不仅能促进森林生态系统的物质循环和养分平衡，而且在水土保持、水源涵养等方面具有较大作用。因此，研究林下枯落物储量及其持水特性就成为森林生态系统研究中的重要内容[4]。枯枝落叶层像海绵一样具有较大的水分截持能力，从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物水分的供应[5]。地表枯落物的存在是减少土壤侵蚀的主要因素，以整个森林生态系统为对象，深入研究、综合论述森林枯落物的水源涵养、水土保持效应，对全面认识森林植被在防灾减灾中的巨大作用,显得十分必要[6]。主要从以下3个方面进行研究：大沙河自然保护区不同森林群落的枯落物储量测定及其持水量、吸水速率的研究。

通过上述3方面研究得出的数据进行比较分析，得出大沙河自然保护区不同森林群落枯落物的水源涵养功能，以及其功能的优势群落，为合理调整自然保护区内森林结构布局，实现功能优化和林分高质量地持续发展以及水源涵养林持续经营，充分发挥森林的水源涵养功能提供一定的依据。

2材料与方法

2.1研究区概况

大沙河自然保护区位于贵州省道真自治县北部，贵州高原北缘。地理坐标为东经107°21′35″～107°47′37″, 北纬29°00′02″～29°13′17″, 总面积26990 hm2。座落在该县三桥区永锡乡高峰村与洛龙区阳溪乡交界处，北面与四川南部武隆县接壤，为大娄山东南缘支脉，岩层以古生代志留纪砂岩为主，属中山峡谷地貌类型，地形起伏、坡度较大，一般多为40°，一般山岭海拔1700～1900 m,谷地海拔500～700 m,相对高差300～400 m，呈现悬岩、绝壁、险峰地貌景观。该区气候属中亚热带山地气候类型，冬季冷而漫长但无严寒，夏季温凉无酷热，多雨、雾，空气湿度大，年平均气温11.5℃ ，最冷月平均气温0.8℃ ，最热月平均气温22℃ ，极端最低温-15℃。无霜期210 d，年降水量1150 mm，雨季6～9月，年蒸发量950 mm，每逢阴雨时节，大雾弥漫，尤以冬季为甚。林区土壤受地形条件的影响，在山脊、顶部为砂岩或砂页岩上发育的山地黄棕壤性粗骨土，土层浅薄，大部分仅20～30 cm，在山中下部坡腰地段为发育在砂页岩残积、坡积物上的黄棕壤，土层一般较厚，pH值4～4.5。

在贵州土壤区域划分中, 大沙河自然保护区属黔北高原黄壤带。由于地形、生物、气候、母质等成土条件的不同。形成黄壤、石灰土和黄棕壤3 个土类。境内河流属长江流域乌江最大的一级支流芙蓉江水系。保护区特殊的地理位置，优越的自然环境，孕育了种类繁多的生物资源，是我国中亚热带珍贵的生物物种基因库之一，有种子植物157科488属1591种，野生动物463种，且珍稀种、孑遗种兼备。

2.2研究方法

研究的技术思路见图1所示。

图1　森林枯落物水源涵养功能研究思路

2.2.1样地的选择和设置

综合考虑地理位置、立地条件、组成结构、林分比重等因素，在大沙河保护区内选取阔叶林、针阔混交林、篦子三尖杉林、红豆杉林、人工杉木林、竹林和灌木林等7种林分类型为研究对象，在每个林分中设置20 m×20 m的标准样地，在每个样地内随机选取3个1 m×1 m样方。

2.2.2枯落物的采集

在样方内采集枯落物时，将未分解层和半分解层分别收集保持原样装箱，并现场记录各层厚度，以用于测定枯落物储量及测定其持水量及吸水速度。未分解枯落物是指枝叶基本上保持其原有的形状及质地；半分解枯落物指枝叶未完全腐烂，肉眼观察能分辨出枝叶的大体形状。

2.2.3枯落物现存量的测定

枯落物采集后，带回室内用常规烘干法(105 ℃)烘干，称重。最后计算出单位面积枯落物现存量。

2.2.4枯落物持水量测定

将称量后的枯落物原状放入土壤筛，再将装有枯落物的土壤筛置入盛有清水的容器中，水面略高于土壤筛的上沿。将枯落物浸入水中后，开始时每隔30 min将枯落物连同土壤筛一并取出，静置5 min左右(枯落物不滴水)，迅速称枯落物的湿重为Wij。待浸泡2 h后，每隔2 h将枯落物连同土壤筛一并取出称量，最后1次待浸泡10 h后取出枯落物称量。每次从浸泡容器中取出称量所得到的枯落物湿质量差值△Wij，即为第i种枯落物在(j+1)-j浸泡时间段内的持水量[7]，其公式为：

ΔW=Wi(j+1)-Wij

(1)

式中：△Wij——第i种枯落物在(j+1)一j浸泡时间段内的储水量(g/kg)；Wi(j+1)——第i种枯落物j+1时段的湿重(g)；Wij——第i种枯落物j时段的湿质量(g)。

2.2.5枯落物吸水速率测定

用△Wij再除以第i种枯落物相应时段的浸泡时间△tij，即为该种枯落物此时段吸水速率△Sij[7]，其公式为：

ΔSij=ΔWij/Δtij

(2)

式中: △Sij——第i种枯落物在(j+1)-j浸泡时间段内的吸水速率(g/kg·h)；△tij——第i种枯落物(j+1)时段与j时段的时间差(h)。

将每种森林类型林下7个枯落物的样品分别按以上方法处理，取其平均值，即得到该种森林类型林下枯落物的储量及持水量和其吸水速率。

3结果与分析

3.1枯落物储量

枯落物蓄积量(又称现存量)，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、林分所处的水热条件不同都对枯落物蓄积量有较大影响[8]。从表1中可以看出，7种森林类型林下枯落物储量有一定差别，针阔混交林林下枯落物储量最大，其他依次篦子三尖杉林、人工杉木林、阔叶林、红豆杉林、竹林，灌木林储量最小。引起这种枯落物储量的变化可能由于树种不同，还有林龄、水分条件、林分结构有关。针阔混交林由于地表干燥，属阴坡面，温度较低、落叶不易分解，落叶多，因而具有较高的储量；由于灌木林密度不大，并且叶少，枝又不易脱落，所以枯枝落叶太少导致了储量最小。同时发现不同森林类型下枯落物未分解层、半分解层储量所占比例各不相同，竹林林下枯落物未分解层所占比例最小，占总储量的40.7 % ；而阔叶林则比例最大，占总储量的57.5 %。导致这种比例差异的主要原因可能是由于地理位置、水分条件的不同。竹林在河边，水分充裕，微生物活动频繁，所以分解快。而阔叶林在坡上，水分不充裕，微生物活动不频繁，所以分解慢。

表1　不同群落枯落物储量

3.2枯落物持水量

林地枯落物层的水文性质可以用它的最大持水量来评价,枯落物层最大持水量约为自身干重的2～4倍[9]。不同林分枯落物层的最大持水量与枯落物的种类、厚度、蓄积量、湿度及分解程度有密切关系，枯落物层最大持水量是由枯落物最大持水率与枯落物储量所共同决定的[7]。

比较表2中不同类型森林林下枯落物未分解层最大持水率，可看出针阔混交林林下枯落物未分解层持水率最大，为风干重的294.2 % ；篦子三尖杉林林下枯落物未分解层持水率最小，为其风干重的213.9 % 。持水率大小依次是针阔混交林>阔叶林>灌木林>竹林>人工杉木林>红豆杉林>篦子三尖杉林；但由于枯落物储量不同，所以不同类型森林林下枯落物未分解层的总持水量为针阔混交林>阔叶林>篦子三尖杉林>人工杉木林>红豆杉林>竹林>灌木林。

比较不同森林类型林下枯落物半分解层持水率，由表3可知，阔叶林枯落物半分解层持水率最大，为其风干重的276.1 % ；篦子三尖杉林林下枯落物半分解层的持水量最小，为其风干重的205.7%。持水率大小依次是阔叶林>针阔混交林>竹林>红豆杉林>人工杉木林>灌木林>篦子三尖杉林；但由于枯落物储量不同，所以不同类型森林林下枯落物未分解层的总持水量为针阔混交林>人工杉木林>篦子三尖杉林>阔叶林>红豆杉林>竹林>灌木林。

表2　不同群落类型枯落物未分解层持水量　g/kg

表3　不同群落类型枯落物半分解层持水量　g/kg

7种森林类型林下枯落物未分解层与半分解层持水率相比，均是未分解层枯落物大于半分解层枯落物的持水率。7种不同林下枯落物未分解层与半分解层的持水量相对比，有一点波动。整个枯落物层总持水量进行比较，得到针阔混交林>阔叶林>篦子三尖杉林>人工杉木林>红豆杉林>竹林>灌木林。

这说明，大沙河自然保护区不同森林群落类型枯落物层最大持水量为针阔混交林林最大，而灌木林最小。

3.3枯落物持水量与浸泡时间关系

从图2和图3中可以看出，不同森林群落类型林下枯落物未分解层、半分解层持水量与浸泡时间之间表现出较好的相关性。当枯落物在水中浸泡8 h时，其持水量基本上达到最大值，即8 h之后，增加浸泡时间，其持水量基本不再发生变化。

图2　不同群落类型枯落物未分解层持水量

图3　不同群落类型枯落物半分解层持水量

3.4枯落物吸水速率

从表4中可以看出，不同群落类型枯落物未分解层最大吸水速率都是阔叶林，其次是针阔混交林的较大，而灌木林的最小；而且在枯落物层持水作用较强的前2 h内，也基本如此。

从表5中可以看出，不同群落类型枯落物未分解层最大吸水速率是阔叶林，其次是针阔混交林的较大，而灌木林的最小；在枯落物层持水作用较强的前2 h内，篦子三尖杉林和灌木林较小。

表4　不同群落类型枯落物未分解层吸水速率　g/(kg·h)

表5　不同群落类型枯落物半分解层吸水速率　g/(kg·h)

从图4和图5中可以看出，各林分林下枯落物层浸入水中刚开始时其吸水速率相差很大，但随浸泡时间的延长，各林分林下地表枯落物层吸水速率趋向一致。这主要是因为随着时间的延长，各林分林下地表枯落物层持水量接近其最大持水量，也就是说枯落物层逐渐趋于饱和，其吸水速率随之减缓所致。从整个吸水过程枯落物层吸水速率的变化来看，0～2 h各林分林下枯落物层吸水速率几乎都呈直线下降，2 h后吸水速率下降速度逐渐变缓并趋于动态平衡。

4结果与讨论

枯落物层具有缓冲雨水动能，避免受雨水溅击而导致土壤结构破坏。还具有调节和阻滞地表径流作用，增加土壤下渗水，减少径流量和流速。枯落物层较厚，储量较多，其吸水、保水能力强，而森林的水源涵养作用就大，发生地表径流的几率就小[10～13]。7种不同森林群落类型中，枯落物层的蓄积量针阔混交林远高于其他森林群落类型。可见针阔混交林的地表枯落物层对森林的水源涵养功能要比其他森林群落类型要好。枯落物总储量大小结果为针阔混交林>篦子三尖杉林>人工杉木林>阔叶林>红豆杉林>竹林>灌木林。

图4　不同群落类型枯落物未分解吸水速率

图5　不同群落类型枯落物半分解层吸水速率

枯落物层持水能力与枯落物的数量、组成、分解情况等有关，一般测定结果认为，最大持水量大约为其自身重量的2～4倍[14]。对7种林分枯落物层持水量的研究结果也如此，其持水量是烘干重的209.8 %～280.3 %。王云琦对重庆缙云山4种典型植被枯落物水文特性的研究指出：无论是未分解层还是半分解层或分解层，林地枯落物的持水作用主要表现在降雨前期的2 h内，特别是前30 min以内[15]。通过对大沙河自然保护区7种森林群落类型枯落物持水过程的研究发现，针阔混交林枯落物的持水能力最强，阔叶林次之，持水能力最弱的是灌木林。持水量大小结果是针阔混交林>阔叶林>篦子三尖杉林>人工杉木林>红豆杉林>竹林>灌木林。

对7种森林群落类型枯落物吸水速率的研究发现，0～2 h各林分林下地表枯落物层吸水速率几乎都呈直线下降，2 h后吸水速率下降速度逐渐变缓并趋于动态平衡，浸泡2 h持水量占其10 h持水量的80 %左右。在枯落物层持水作用较强的前2 h内，总吸水速率大小结果为阔叶林>针阔混交林>人工杉木林>红豆杉林>灌木林>竹林>篦子三尖杉林。

5结语

在大沙河自然保护区7种森林群落类型中，单就枯落物的水源涵养功能来讲，通过比较分析枯落物的的储量、持水量、吸水速率，得出区域内7种森林群落类型中的水源涵养功能优势群落为针阔混交林和阔叶林；劣势群落为灌木林。因此，为合理调整自然保护区内森林结构布局，实现功能优化和林分高质量的持续发展以及水源涵养林持续经营，充分发挥森林的水源涵养功能，就要在林分结构上进行调整，选择保持优势的针阔混交林、阔叶林；改善劣势的灌木林。此次研究可以在今后的造林中选取树种提供一定的帮助，即最好选择针阔混交林，这样可以提高森林群落的水源涵养功能。

以上只是对大沙河自然保护区内7种森林群落的枯落物水源涵养功能进行了初步研究，并不能代表整个森林群落的水源涵养功能，要更好地发挥森林群落的水源涵养功能，还需要广大林业工作者在森林群落的各个结构上做更深入的研究。

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收稿日期：2016-03-04

作者简介：苏刚(1985—)，男，助理工程师，主要从事林业相关工作。

中图分类号：S714

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0128-05