生态景观林10种林分枯落物的水文效应

曲炳鹏, 王咏嘉, 李素艳, 孙向阳, 张 骅, 贠炳辉

〔1.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 2.中国石油大学(北京) 附属中学, 北京 110000〕

枯落物层是由林木及林下植被凋落的茎、叶、枝条、芽、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的一层地面覆盖层，是森林生态系统3个垂直结构上的主要功能层之一[1]，是森林生态系统健康监测和评价所研究的重要内容。枯落物层的存在，不仅能促进森林生态系统的物质循环和养分平衡，而且在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性等方面都具有非常重要的意义[2-3]。不同森林类型的枯落物持水能力与其林分结构、发育阶段、树种生物学特性和立地条件等因素密切相关[4-5]。目前，国内外许多学者在不同区域内对不同林分的枯落物层做了大量的研究，在枯落物层的凋落量、掉落动态、分解速率、截持降水、改良土壤结构、实现养分循环、影响地表径流、土壤水分蒸散和土壤侵蚀机理等方面都取得了一定的成果[5-15]，但对生态景观林的枯落物层的持水特性研究甚少。本研究首次对大兴生态景观林主要造林树种林下枯落物层的持水能力进行了定量分析研究，旨在对其森林健康的检测与评价、区域内森林健康经营技术方案的制定和水土保持措施的选择提供一定的理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市大兴区榆垡镇南部，地理坐标(116°16′E，39°26′N)，该地属永定河冲积平原，地势自西向东南轻缓，大部分地区海拔在14～52 m之间，为暖温带亚湿润气候区，年均温度11.6 ℃，年均降水556 mm(1990—2009年)，其中7—9月降雨量占到全年降雨总量的60%～70%(1956—2000年大兴气象站观测数据)[16]，土壤主要类型为砂质风沙土，主要乔木树种有刺槐(Robiniapseucdoacacia)、千头椿(Ailanthusaltissima)、紫叶李(Prunuscerasiferacv)、国槐(Sophorajaponica)、银杏(Ginkgobiloba)、元宝枫(Acertruncatum)、金叶榆(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、旱柳(Salixmatsudana)、毛白杨(Populustomentosa)等。

1.2 研究方法

1.2.1 枯落物的采集与蓄积量的测定 2016年8月，在对北京大兴景观生态林的地形、植被、土壤等特性进行调查的基础上，在研究区内选取具有代表性的10种乔木林样地，分别为金叶榆、油松、紫叶李、国槐、刺槐、旱柳、千头椿、银杏、元宝枫、毛白杨林样地，在不同的林分内设置20 m×20 m的标准样地，进行每木检尺，同时采用样点统计法调查不同林分的郁闭度，即在每块样地内随机设置50个样点，判断样点是否被树冠遮盖，统计被遮盖的样点数，并计算其郁闭度[17]。所有调查结果详见表1。之后在标准样地的对角线上，选定5个50 cm×50 cm的样方，先测定样方内枯落物层的总厚度、未分解层的厚度及半分解层的厚度，再采用四分法进行分层取样并称其鲜重，后置于烘箱中85 ℃烘干至恒重，称重并计算枯落物的自然含水率，以其干物质重估算其蓄积量。

表1 研究区不同林分标准地概况

1.2.2 枯落物持水量及其吸水速度的测定 采用室内浸泡法对枯落物持水量及其吸水速度进行测定。将烘干的枯落物取出部分称重，之后装入纱布袋浸入水中，分别在浸泡0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后，将纱布袋取出并静置至枯落物不再滴水为止，迅速称重并记录，由此测定枯落物的浸泡不同时长的持水量，并计算其吸水速率、最大持水量、最大持水率、最大拦蓄率和有效拦蓄量。

各参数的计算公式[1,18-19]为：

枯落物持水量=枯落物鲜重—枯落物干重

(1)

枯落物持水率=

枯落物持水量/枯落物干重×100%

(2)

枯落物吸水速率=枯落物持水量/吸水时间

(3)

R0=(G0-Gd)/G0×100%

(4)

式中：R0——自然含水率(%)；G0——自然状态下的枯落物质量(g)；Gd——烘干的枯落物质量(g)。下同。

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(5)

式中：Rhmax——最大持水率(%)；G24——浸水24 h后枯落物质量(g)。下同。

Rsmax=Rhmax-R0

(6)

式中：Rsmax——最大拦蓄率(%)。

Rsv=0.85Rhmax-R0

(7)

式中：Rsv——有效拦蓄率(%)。下同。

Whmax=G24-Gd

(8)

式中：Whmax——枯落物最大持水量(t/hm2)。

Wsmax=Rsmax·Gd

(9)

式中：Wsmax——枯落物最大拦蓄量(t/hm2)。

Wsv=Rsv·Gd

(10)

式中：Wsv——枯落物有效拦蓄量(t/hm2)。

1.3 数据处理

使用Excel 2007软件和SPSS 16.0对数据进行相关性分析和回归方程的显著性检验，使用Sigma Plot 12.5进行软件制图。

2 结果及分析

2.1 枯落物蓄积量

由表2可知，10种林分枯落物的未分解层厚度为1.1～3.2 cm，半分解层厚度为0.8～1.8 cm，其中毛白杨林的总厚度最大，为4.8 cm，油松林最小，为1.9 cm，10种林分枯落物总厚度由大到小依次：毛白杨>千头椿>金叶榆>刺槐>银杏>国槐>紫叶李>元宝枫>旱柳>油松，不同林分的枯落物总蓄积量相差较大，为2.37～5.33 t/hm2，从大到小依次为：毛白杨>油松>千头椿>刺槐>国槐>银杏>金叶榆>元宝枫>旱柳>紫叶李。此外，通过分析10种林分枯落物未分解层、半分解层蓄积量所占比例可以看出，金叶榆林、紫叶李林、刺槐林和旱柳林是未分解层蓄积量大于半分解层蓄积量，其他林分则是半分解层蓄积量大于未分解层蓄积量，其中毛白杨林未分解层占其总蓄积量的百分比最大，为67.52%，金叶榆林所占比例最小，为36.88%。这一方面是因为针阔叶树枯落物分解速度不同，另一方面则是由于受到林分组成、林龄不同等多种因子的影响，在一定程度上影响到了枯落物的输入和分解。

表2 研究区不同林分枯落物层特征

2.2 枯落物水文效应

2.2.1 枯落物最大持水能力 由表3可知，10种林分枯落物的最大持水量范围在5.56～24.92 t/hm2，毛白杨林枯落物最大持水量最大，为24.92 t/hm2，紫叶李林最小，为5.56 t/hm2，大小次序依次为: 毛白杨>千头椿>刺槐>金叶榆>国槐>银杏>元宝枫>旱柳>油松>紫叶李，其中未分解层的最大持水量为2.73～15.91 t/hm2，半分解层为2.83～9.01 t/hm2，均为毛白杨林最大，紫叶李林最小，且不同林分之间相差较大。枯落物最大持水率变化范围为208.64%～481.62%，大小次序依次为:毛白杨>千头椿>金叶榆>刺槐>国槐>旱柳>元宝枫>银杏>紫叶李>油松。其中针叶树种(油松)的枯落物持水能力要显著低于其他阔叶树种，而同一树种不同枯落物层的最大持水量与最大持水率的规律也不同，这主要是枯落物的分解程度影响着枯落物层的持水能力，枯落物的分解程度越高，其半分解层枯落物的蓄积量就越大，枯落物的持水能力就越高；而另一原因则在于最大持水率与枯落物的自身结构和生物量有着较大的关系。

表3 研究区不同林分枯落物的最大持水量及最大持水率

2.2.2 枯落物持水过程 由图1可知，在最初浸泡的0～0.5 h内，枯落物持水量随着浸泡时间的增加迅速增加，之后随着浸泡时间的延长大致呈现不断增加的趋势，且增加速度逐渐减小。这一过程与枯落物拦蓄地表径流规律相似，即在降雨初始阶段，枯落物吸水能力较强，而后随着降雨时间的增加，枯落物持水接近饱和，持水能力降低。此外，未分解层和半分解层枯落物持水量在浸泡8 h时已基本达到饱和。

对浸水0.25～24 h的10种不同林分枯落物各层持水量与浸泡时间的关系进行回归分析，结果详见表4，得出持水量与浸泡时间之间存在以下关系式：

Q=aln(t)+b

(11)

式中：Q——枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡时间(h)；a——方程系数；b——方程常数项。

图1 研究区不同林分枯落物持水过程

通过对枯落物的未分解层和半分解层进行拟合，大多数相关系数R2均大于0.91，只有金叶榆的半分解层、紫叶李的未分解层和半分解层的关系式相关系数在0.80～0.90之间，拟合效果较好，这说明10种林分枯落物的持水量与浸泡时间呈较为显著的对数函数关系(表4)。

表4 不同林分未分解层和半分解层枯落物层持水量与浸泡时间关系

2.2.3 枯落物吸水速率 由图2可知，10种林分不同层次的枯落物的吸水速率与浸泡时间呈现规律如下：枯落物的未分解层和半分解层在开始浸泡时，吸水速率都非常高，在0.5 h之前吸水速率最大，这可能是枯落物从风干状态浸入水中后枯落物的死细胞间或者表面水势差较大导致吸水速率较高所致，与徐娟等的研究结果分析相似[20]。之后枯落物的吸水速率下降明显且速度快，6 h左右时下降速度呈明显的减缓趋势。虽然10种林分枯落物在浸泡初期其吸水速率相差较大，但随着浸泡时间的增加，枯落物吸水速率趋于一致，24 h吸水基本停止，表明枯落物吸水已经达到饱和状态。这是因为枯落物的持水量随着浸泡时间的持续延长逐渐接近其最大持水量直至饱和，因此，其吸水速率也会随之减小。

图2 不同林分枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

对10种林分不同层次枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合(结果详见表5)，得到关系式为：

V=ktn

(12)

式中：V——枯落物吸水速率(g/kg)；t——浸泡时间(h)；k——方程系数；n——指数。

通过对不同林分枯落物的未分解层和半分解层的吸水速率和浸泡时间进行拟合分析，其相关系数R2均为0.99，拟合效果较好，这说明研究区域10种林分枯落物的吸水速率与浸泡时间呈较为显著的幂函数关系。

表5 不同林分枯落物层吸水速率与浸泡时间拟合方程

2.2.4 枯落物有效拦蓄能力 由表6可知，10种林分枯落物的最大拦蓄量在5.37～24.24 t/hm2之间，其中毛白杨林枯落物最大拦蓄量最大，紫叶李林最小，各林分枯落物未分解层最大拦蓄量在2.63～15.48 t/hm2之间，半分解层在2.74～8.76 t/hm2之间。从有效拦蓄率看，千头椿林和元宝枫林未分解层大于半分解层，而其他8种林分则是半分解层大于未分解层，各林分平均有效拦蓄率在161.00%～396.23%之间。毛白杨林枯落物的总有效拦蓄量和总有效拦蓄深均为最强，分别为20.51 t/hm2，2.05 mm，而紫叶李林枯落物均为最弱，分别为4.54 t/hm2，0.45 mm，其他林分总有效拦蓄量和总有效拦蓄深由大到小均依次为:千头椿>刺槐>金叶榆>国槐>银杏>元宝枫>旱柳>油松。

表6 研究区不同林分枯落物有效拦蓄能力

3 结 论

(1) 北京大兴生态景观林10种林分枯落物的研究结果表明：毛白杨林枯落物总厚度最大，为4.8 cm，油松最小，为1.9 cm。10种林分枯落物总蓄积量在2.37～5.33 t/hm2之间，由大到小依次为：毛白杨>油松>千头椿>刺槐>国槐>银杏>金叶榆>元宝枫>旱柳>紫叶李。毛白杨林未分解层枯落物的蓄积量占总蓄积量比例最大，为67.52%，金叶榆林最小，为36.88%。

(2) 10种不同林分枯落物最大持水量5.56～24.92 t/hm2，最大持水率208.64%～481.62%，最大拦蓄量2.63～15.48 t/hm2，有效拦蓄率则是千头椿林和元宝枫林未分解层大于半分解层，其他8种林分半分解层大于未分解层，各林分平均有效拦蓄率为161.00%～396.23%。毛白杨林枯落物的总有效拦蓄量和总有效拦蓄深均为最强，紫叶李林均为最弱。

(3) 对于枯落物的持水过程，枯落物不同层次持水量与浸泡时间存在显著的对数函数关系。枯落物持水量在最初浸泡的0～0.5 h内，随着浸泡时间的增加，枯落物持水量迅速增加，浸泡8 h时基本饱和；枯落物吸水速率与浸泡时间呈显著的幂函数关系。在最初浸泡的0.5 h内枯落物的吸水速率最大，之后吸水速率急剧下降，6 h左右时下降明显减缓，24 h时吸水基本停止。综合分析结果表明，10种林分中毛白杨的各项持水能力均优于其它树种，能够较好地涵养水源。

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