辽东山区水源涵养林枯落物持水特性的研究

邢亮

(辽宁省林业调查规划监测院， 辽宁 沈阳 110122)

水源涵养是森林生态系统的重要生态功能之一，主要体现在森林植被层、枯枝落叶层及土壤层等对水分的调蓄与再分配过程上[1],研究水源涵养林的林分结构，及时调整培育管理计划可为发挥水源涵养林的生态效益提供重要的理论基础。辽东山区水资源总量占辽宁省的62%，以公益林和天然林为主的森林资源涵养水源120亿t·a-1，为占辽宁省经济总量94%的10个大中城市提供80%的工农业用水[2]。

目前，我国探讨林地枯落物层的水文生态功能仅限于对其静态水文的研究，而系统地研究枯落物层不同分解层次的持水性能及动态水文却很少。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4.18 mm[3]。近年来，国内外众多学者对枯落物层的防蚀机理进行了研究，其主要表现为两个方面：一是枯落物层具有一定的贮水持水性能，可以有效延长径流历时和增加土壤入渗；二是枯落物层的存在增大了地表有效糙率，对于减小径流流速和防止土壤侵蚀具有重大意义。

本项研究选取了辽东山区的四种主要水源涵养林为研究对象，采用浸泡沥干测量的方法从而测出最大持水量，计算出枯落物吸水速率。对于观测结果进行比较分析，从而找出辽东山区主要水源涵养林枯落物持水特性的影响因素。

1 试验地概况

1.1 地理位置

试验地位于抚顺新宾满族自治县境内的赵家林场猴石森林公园。猴石国家森林公园位于辽宁省新宾满族自治县赵家林场，距新宾县城75 km，距抚顺市124 km，距沈阳189 km。总面积1 935 hm2，坡度10～36°。年平均温度7 ℃。平均海拔520 m左右，最高峰为砬子沟，海拔962 m，呈现典型的冰川地貌。

1.2 气候特征

新宾境内属北温带季节性大陆气候，四季分明，气候宜人，雨量充沛，年平均降雨量在750～850 mm。全年无霜期150 d左右，植物生长季为4—9月，早晚温差较大。

1.3 森林植被状况

猴石森林公园土壤肥沃，属于长白山余脉，自然植被属于长白山植被区系，植物种类繁多。这里现存的森林主要是次生林和人工林，人工林以针叶林为主，如红松(Pinuskoraiensis)、落叶松(Larixgmelinii)。次生林中的乔木主要是东北常见的阔叶树种，如蒙古栎(Quercusmongolica) 、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白榆(Ulmuspumila)等。林下灌木和草本数量繁多，种类丰富，灌木主要有卫矛(Euonymusspp.)、丁香(Syringaoblata)等。

2 研究方法

2.1 标准地设置

在辽东山区苏子河上游的赵家林场，选择白榆水曲柳天然次生混交林、蒙古栎天然次生林、红松人工纯林、落叶松人工纯林4种典型的水源涵养林为研究对象。在每一类型中设置面积20 m ×30 m的标准地3块，在每一个样地中随机设置3个30 cm×30 cm的枯落物小样方。

2.2 枯落物采集及持水量测定

设置0.3 m×0.3 m的小样方后，用铁铲划出其边界，用钢卷尺测量出枯落物各个分解层厚度，记录后，去掉样方内活体部分，然后用准备好的网袋将各层枯落物分别收集、称质量并加以记录。把采集的枯落物带回实验室，在65 ℃的恒温箱中烘干称其干质量并推算枯落物现存量[4]。将烘干的枯落物浸入水中，分别在0.5、1、1.5、2、4、6、8、12和24 h后将枯落物取出，将水控干、称质量并记录，与枯落物的干质量进行比较，计算出枯落物的持水量。用每个时间段持水量除以浸泡的时间，计算得出这个时间段内的持水率。24 h后质量基本不变，所以24 h的持水量即为最大持水量，此时的持水率也为最大持水率。对于几个不同森林类型采集的枯落物的持水量和持水率的比较可以得出不同森林类型枯落物的持水能力。

枯落物最大持水率(%)公式为：

式中：Smax—最大持水率(%)；Wm—枯落物浸泡24 h时的湿质量(g)；W0—枯落物烘干质量(g)。

枯落物拦蓄能力：枯落物层的最大拦蓄量按照枯落物层的蓄积量和其最大持水率及自然持水率可推算出来。而有效拦蓄量可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量。

公式分别为：

Wmax=(Smax-Sa)×100%

W=0.85(Smax-Sa)M

式中：Wmax，W—最大拦蓄量和有效拦蓄量(t·hm-2)；S—自然含水率(%)；M—枯落物蓄积量。

3 结果与分析

3.1 天然次生林枯落物持水特性

3.1.1 枯落物厚度 对不同森林类型枯落物各分解层的厚度进行方差分析,结果见表1。

表1 不同森林类型枯落物厚度方差分析

由表1可见，不同森林类型林下枯落物的在未分解层和半分解层次上以及总体层次上的厚度的差异极显著(P<0.01)。进一步对其进行多重比较(见表2)，由表2可知，白榆+水曲柳天然次生混交林与蒙古栎天然次生林的枯落物总厚度相近，分别为5.2 cm和5.3 cm，二者存在不显著差异，未分解层枯落物厚度白榆+水曲柳天然次生混交林和蒙古栎天然次生林都是3.1 cm，二者存在不显著差异，半分解层也相近，分别为2.1 cm和2.2 cm，二者存在不显著差异。

表2 各森林类型枯落物厚度多重比较

3.1.2 枯落物现存量 分别对各个森林类型林下枯落物未分解层现存量、半分解层现存量、总现存量进行方差分析。由表3可知，各个森林类型林下枯落物未分解层、半分解层现存量及枯落物总现存量存在显著差异，(P<0.01)。由表4可知，蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林未分解层现存量分别为16.14 t·hm-2和10.96 t·hm-2，二者存在不显著差异；蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林半分解层现存量分别为23.88 t·hm-2和6.87 t·hm-2，二者存在显著差异；蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林总现存量分别为40.02 t·hm-2和17.81 t·hm-2，二者存在显著差异。

表3 各森林类型枯落物现存量方差分析

表4 各森林类型枯落物现存量多重比较

3.1.3 枯落物持水量及持水率

(1)枯落物最大持水量。分别对各个森林类型林下枯落物未分解层最大持水量、半分解层最大持水量、总最大持水量进行方差分析。由表5可知，未分解层最大持水量不存在显著差异(P>0.01)。半分解层最大持水量和总持水量均存在极显著差异(P<0.01)。由表6可知，蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林半分解层最大持水量分别为43.69 t·hm-2和15.41 t·hm-2，二者存在显著差异；蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林总持水量分别为75.78 t·hm-2和36.67 t·hm-2，二者存在显著差异。

表5 各森林类型枯落物最大持水量方差分析

表6 各森林类型枯落物最大持水量多重比较

(2)枯落物最大持水率。对不同森林类型枯落物各个分解层最大持水率进行计算。由表7可知，蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林最大持水率未分解层持水率相似，分别为198.8%和194.0%；蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林最大持水率半分解层分别为182.9%和225.1%，蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林总最大持水率分别为189.3%和205.9%。

表7 各森林类型枯落物最大持水率

(3)枯落物持水量与时间关系。使用试验和记录的数据，对蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林建立浸泡时间和持水量曲线，见图1、图2。

由图1、图2可知，两种天然林的各分解层的持水量都在0～8 h进程中持水量随时间的变化增加幅度较大，在8 h以后，持水量曲线基本保持平稳，持水量随时间变化不明显；白榆+水曲柳天然林中未分解层持水量要大于半分解层，而蒙古栎天然次生林中未分解层持水量小于半分阶层。

(4)枯落物吸水速度。对蒙古栎天然次生林和白榆+水曲柳天然次生混交林建立浸泡时间和持水速率曲线(见图3，4)。

3.2 人工林枯落物持水特性

3.2.1 枯落物厚度 由表2可知，人工林未分解层厚度最大为红松人工纯林，平均达到2.8 cm，其次为落叶松人工纯林，平均达到1.8 cm，两者存在显著差异；人工林半分解层厚度最大也为红松人工纯林，为4.0 cm，与落叶松人工林半分解层存在显著差异；枯落物平均总厚度最大的是红松人工纯林，为6.8 cm，其次为落叶松人工纯林，其总厚度平均值为4.7 cm，两者存在显著差异。

3.2.2 枯落物现存量 由表4可知，在未分解层中红松人工纯林的现存量最大，为12.0 t·hm-2，与其他人工林存在差异，但不显著；其次为落叶松人工纯林，平均现存量分别为6.89 t·hm-2，不存在差异；半分解层平均现存量红松人工纯林最大，达到37.20 t·hm-2，与落叶松人工纯林存在显著差异；总现存量最小的为落叶松人工纯林，为31.96 t·hm-2，与红松人工纯林存在显著差异。

3.2.3 枯落物持水量及持水率

(1)枯落物最大持水量。由表6可见，未分解层最大持水量不存在差异，红松人工纯林半分解层最大持水量最大，为66.72 t·hm-2，与其他林分不存在显著差异；总持水量最大的为红松人工纯林，为93.26 t·hm-2，不存在显著差异。总持水量红松人工纯林大于落叶松人工纯林。

(2)枯落物最大持水率。由表7可知，未分解层中最大持水率最大的为落叶松人工纯林，为351.8%，最小的为红松人工纯林，为221.0%；半分解层中最大持水率最大的为落叶松人工纯林，为239.3%，红松人工纯林最小，最大持水率在179.4%；总持水率最大的为落叶松人工纯林，为263.5%，最小的为红松人工纯林，为189.5%；总体最大持水率从大到小依次为落叶松人工纯林、红松人工纯林。

(3)枯落物持水量与时间关系。由图5、图6可见，人工林各层枯落物持水量都随时间的增加而增大，并且均是半分解层持水量是未分解层持水量的两倍左右，各林分未分解层和半分解层均在0～2 h持水量迅速增加，在2～8 h进程中，持水量变化幅度减小，8 h以后枯落物持水基本饱和；半分解层在0～0.5 h进程中吸水最快的为红松人工纯林，大约为60 t·hm-2，其次为落叶松人工纯林，大约为50 t·hm-2，未分解层在0～0.5 h进程中红松人工纯林和落叶松人工纯林大约为20 t·hm-2。

(4)枯落物吸水速度。在人工林中根据浸泡时间和持水速率建立吸水速度曲线，如图7和图8所示：

由图7和图8可知，两人工林各个分解层枯落物的吸水速度在0.5～2 h进程中均随吸水时间的增加而吸水速率迅速下降；当时间到达6 h以后，随时间的推移枯落物持水速率变缓慢，基本不变。在0～0.5 h之间半分解层中吸水速率最快的为红松人工纯林，大约为120 t·hm-2·h-1，其次为落叶松人工纯林，约为100 t·hm-2·h-1；在0～0.5 h之间未分解层中吸水速率最快的为红松人工纯林，约为40 t·hm-2·h-1，落叶松人工纯林约为23 t·hm-2·h-1。

4 结论与讨论

4.1 结论

枯落物总厚度由大到小依次为红松人工纯林、白榆+水曲柳天然次生混交林、蒙古栎天然次生林、落叶松人工纯林。天然林的未分解层厚度要大于人工林的厚度，在半分解层中，人工林半分阶层厚度要大于天然林，红松人工林的厚度要远远大于天然林和落叶松人工林。

枯落物总现存量从大到小依次为红松人工纯林、蒙古栎天然次生林、落叶松人工纯林、白榆+水曲柳天然次生混交林。在半分解层中白榆+水曲柳天然混交林的枯落物现存量明显小于其他类型森林，红松人工纯林的现存量明显超过其他类型森林的现存量；未分解层的现存量落叶松人工纯林最小；总体现存量红松人工纯林的最大，白榆+水曲柳天然混交林的现存量最小。

枯落物总最大持水量从大到小依次为红松人工纯林、落叶松人工纯林、蒙古栎天然次生林、白榆+水曲柳天然次生混交林。蒙古栎天然次生林未分解层的最大持水量大于其他森林类型。半分解层中，红松人工纯林和落叶松人工纯林的最大持水量大于其他两个天然林。

枯落物总体最大持水率从大到小依次为落叶松人工纯林、白榆+水曲柳天然次生混交林、红松人工纯林、蒙古栎天然次生林。未分解层中，落叶松人工纯林的最大持水率远大于其他森林的最大持水率，半分解层中也是落叶松人工纯林的最大持水率最大。

枯落物吸水速度最快的为红松人工纯林和落叶松人工纯林，最慢的为白榆+水曲柳天然次生混交林。针叶林林下枯落物平均吸水速度大于针阔混交林和阔叶林。

4.2 讨论

进一步分析发现，除了红松人工纯林以外，其他类型森林的枯落物的持水能力与枯落物总现存量关系紧密，但排序也有差异。枯落物的持水能力同时受树种、土壤特性、枯落物中的分解物的量等其他因素影响，有待进一步研究。总体来讲人工针叶林的枯落物持水能力要比天然阔叶林的枯落物持水能力强。