白桦纯林和华北落叶松纯林枯落物层的水文效应——以六盘山叠叠沟小流域为例

王正安，邸利，王彦辉，余治家，周旺来，唐瑜敏

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000；3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 100091；4.甘肃农业大学理学院，甘肃 兰州 730070；5.黄河水利职业技术学院水利水电学院，河南 郑州 450000)

森林枯落物是指覆盖在林地上部各器官的枯死、脱落物的总称，包括林内乔木和灌木的枯枝、枯叶、落皮及繁殖器官等.在森林的3个作用层中，森林枯落物层作为森林水文效应的第2个活动层，具有截持降水、抑制土壤水分蒸发、阻延地表径流及防止水土流失、改善土壤理化性质等作用，是森林生态系统的重要组成部分[1-3].目前，针对林地枯落物层水文功能，国内外专家及学者已做了大量的研究工作，并取得了一定成果.Dabney[4]认为影响森林枯落物凋落的因素与树种组成、季节变化、生长状况等因素有关；井明伟等[5]研究青龙山小流域3种混交林认为枯落物的总厚度与积蓄量存在显著相关性；也有研究表明，在不同的环境下，水分、温度、土壤生物等都可能成为枯落物分解最主要的影响因子[6]；张雷燕等[7]认为阔叶林的改良土壤和涵养水源能力都优于针叶林.

宁夏六盘山地处干旱半干旱向半湿润地区的过渡带上，是我国西北地区重要的水源涵养地之一，素有黄土高原“绿岛”之称.本文结合野外实测数据，对该地区白桦林和华北落叶松林枯落物层水文效应进行了分析，为系统、全面研究这一地区森林生态系统的水文循环和森林健康经营提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏固原市原州区叠叠沟小流域，坐标为E 106°4′55″～106°9′15″，N 35°54′12″～35°58′33″，气候类型为典型的半干旱大陆性季风气候，流域面积25.4 km2，年平均气温6～7 ℃，无霜期约130 d，雨季集中在每年的7～9月，年均降水量为449 mm，年潜在蒸发量为(1 050±180.5) mm，是年均降水量的2.3倍.随着我国西部生态环境建设和退耕还林还草工程的实施，该林区从20世纪80年代进行大面积的植树种草，加强管护与造林工作的力度，实行封山育林措施，保护植被的恢复.该流域的植被主要有自然草坡和灌丛，现存森林主要分布在阴坡和半阴坡华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工纯林，以及在坡脚或河道旁的少量白桦(Betulaplatyphylla)等.

1.2 样地设置

2017年5月，选取2种不同植被类型具有代表性的典型地段，设置面积均为30 m×30 m的标准样地，对样地内白桦林和华北落叶松林进行每木检尺，测定其株数、冠幅、胸径、林龄、树高、郁闭度等指标，同时测量并记录各样地的坡度、坡向、海拔等立地特征，各样地植被生长情况见表1.

1.3 研究方法

1.3.1 枯落物蓄积量测定 2017年8月10～12日，在2种类型林地内分别在上部、中部和下部，各取面积为50 cm×50 cm的3个标准枯落物样方.采用钢尺测量枯落物未分解层和半分解层厚度并进行现场记录.将收集的枯落物样品分别装入密封袋中

表1 样地基本概况

带回实验室内.将样品在85 ℃烘干至恒重，称重并计算枯落物自然含水量，取样地内各样方测量结果的算数平均值代表该样地枯落物的厚度和蓄积量，可以据此推算单位面积的枯落物现存量.

1.3.2 枯落物持水过程测定 将取回的未分解和半分解枯落物分别取出120 g装入尼龙网袋内，水中浸泡0.25、0.5、0.75、1、2、4、6、8、10、12、24 h称重，每次取出后需静置约5 min，当枯落物不再滴水时迅速称重，测量出枯落物的吸水过程，每种植被类型做3次重复，求其平均值.

1.3.3 枯落物持水能力测定 枯落物的最大持水量和最大持水率通常指的是枯落物达到稳定持水量时的持水量和持水率[8].通过以下计算可知枯落物自然含水量、最大持水量、有效拦蓄量、拦蓄率等水文特征参数[9].

Wo=W1-W2

Rm=(W1-W2)/W2×100%

Wc=W3-W2

Ro=(W3-W2)/W2×100%

Wm=(Rm-Ro)M

W=(0.85R-Ro)M

式中，Wo为枯落物最大持水量；W1为浸水24 h时的枯落物重；W2为枯落物干重；W3为枯落物鲜重；Rm为枯落物最大持水率；Wc为枯落物自然含水量；Ro为枯落物自然含水率；Wm为枯落物最大拦蓄量；W为枯落物有效拦蓄量；M为枯落物蓄积量；0.85为有效拦蓄系数.

2 结果与分析

2.1 枯落物蓄积量

枯落物的蓄积量主要受林分密度、结构、林龄、立地条件(微地形)、枯落物输入量、分解速度、累计年限、树种构成、生长状况、人为干扰以及林地内的水热条件等影响[10-12].对叠叠沟小流域2种主要植被类型下枯落物厚度及蓄积量进行调查，结果如表2所示，白桦林和华北落叶松林枯落物厚度存在差异.从厚度来看，白桦林总厚度是华北落叶松林的1.6倍；从不同分解层次来看，枯落物厚度均以半分解层比重最大，白桦林半分解层的厚度是未分解层厚度2倍；由于其枯落物厚度不同，枯落物储量也存在一定差别.白桦林和华北落叶松林的枯落物总量分别为10.1、7.76 t/hm2，华北落叶松林枯落物储量是白桦林的1.3倍，其中白桦林枯落物层的未分解层、半分解层蓄积量分别为3.68、6.42 t/hm2，分别占枯落物总量的36.44%和63.56%；华北落叶松林枯落物层的未分解层、半分解层的蓄积量分别为2.63、5.13 t/hm2，分别占枯落物总量的33.89%和66.10%.说明阔叶林枯落物分解速率较好，而华北落叶松林未分解层和半分解层厚度几乎达到平衡，说明针叶林枯落物分解较阔叶林迟缓，这对林地内植物更新及土壤理化性质的改善有很大影响.

表2 六盘山叠叠沟小流域2种林分枯落物厚度和蓄积量

2.2 枯落物持水量和浸泡时间的关系

由图1可知，华北落叶松林和白桦林枯落物持水量与浸泡时间存在着对数函数关系.无论是未分解层还是半分解层，白桦林的持水能力普遍高于华北落叶松林.各林地枯落物的持水作用突出表现在降雨前的2 h以内，表现波动起伏较大.未分解层枯落物在水中浸泡6 h后，持水量基本达到饱和状态，随着浸泡时间的增加其持水量基本不再增加，呈稳定趋势.半分解层在浸水10 h后，持水量达到最大值.再延长泡水时间，各枯落物的持水量基本不再变化.

对白桦林和华北落叶松林枯落物持水量与浸水时间拟合分析，表明二者有相关性极显著(r>0.90，P<0.01)，拟合方程为：

y=alnt+b，

式中，y为枯落物持水量(g/kg)；t为浸水时间(h)；a为方程回归系数；b为方程常数项.

2.3 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

如图2所示，华北落叶松林和白桦林枯落物吸水速率与浸泡时间存在幂函数关系.在浸水的前期(0～2 h)吸水速率相差较大，但随着浸泡时间增加，

图1 枯落物持水量与浸泡时间关系Figure 1 The relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

图2 枯落物吸水速率与浸泡时间关系Figure 2 The relationship between water absorption rate and soaking time of litter

2种林下枯落物吸水速率随时间变化趋势一致，最终趋于稳定，这主要是随着浸泡时间延长，枯落物持水量达到饱和状态所致.

对所研究的2种林下枯落物未分解层、半分解层吸水速率与浸水时间的数据进行了回归分析拟合，表明枯落物的吸水速率和浸水时间相关性极显著(r>0.85，P<0.01)，拟合关系方程为：

V=ktn

式中，V为枯落物系数速率[g/(kg·h)]；t为浸泡时间(h)；k为方程系数；n为指数.

2.4 枯落物持水能力

由表3可知，白桦林枯落物层的自然含水量、平均自然含水率、最大持水量都大于华北落叶松林，且半分解层强于未分解层，这可能与枯落物蓄积量及自身特性有关，表明华北落叶松林的持水能力相对较弱.最大拦蓄量代表最大可能的降水截留量，主要是反映的扣除枯落物层本身含水量以外枯落物层持水能力的大小[13].通常采用调整系数0.85来估算枯落物层的有效拦蓄量[14-15].

通过对白桦林和华北落叶松林林下枯落物未分解层最大持水量比较可知，白桦林下枯落物未分解层持水量最大，为2 861.53 g/kg.白桦林枯落物总持水量大于华北落叶松林枯落物的总持水量，说明在该流域白桦林枯落物的拦洪能力强于华北落叶松林.由表3可知，2种林分类型的枯落物层未分解层和半分解有效拦蓄量分别为5.66～8.19、7.35～12.66 t/hm2，且总的有效拦蓄量为白桦林>华北落叶松林；枯落物层未分解层和半分解有效拦蓄率分别为215.35%～222.49%、143.43%～197.27%，且总的有效拦蓄率为白桦林>华北落叶松林.说明在该流域内，白桦林的有效拦蓄量优于华北落叶松林，且防洪蓄水能力表现较好.

表3 六盘山叠叠沟小流域2种林分枯落物层持水能力比较

3 讨论

在我国西北干旱半干旱地区，枯落物层对森林植被的水源涵养、水土保持功能发挥着重要的作用.本研究表明，在2种典型(华北落叶松林和白桦林)人工林中，落物层的厚度和蓄积量大小存在简单正相关关系.枯落物层厚度存在差异，均表现为半分解层厚度大于未分解层，且白桦林大于华北落叶松林；不同层次的蓄积量比例均是半分解层大于未分解层，与刘宇等[16]的研究结果一致，这是由于半分解层枯落物堆积紧密、密度较大、蓄积量较高.不同类型林地枯落物总储量的差异性主要受造林分密度及结构、生物活动、林内水热条件等影响.其枯落物厚度和储量有很大差别，白桦林的枯落物蓄积量大于华北落叶松林，这可能是由于阔叶树落叶较多，针叶林落叶难以分解，这和吴春雷等[17]、周祥等[18]、王波等[19]的研究结果相吻合.

当浸水时间超过2 h后，各枯落物层持水量增加趋缓，4～10 h后基本饱和，这可能与枯落物干燥程度有关，随着浸水时间的延长，枯落物层持水量接近饱和状态.2种林分类型的枯落物的自然持水率普遍较高，处于31.64%～39.94%，这主要是由于同期当地降雨量较多的缘故.不同林分类型枯落物最大拦蓄量为8.13～126.68 t/hm2，这与枯落物层的蓄积量及吸水特性等有关.在针对枯落物持水能力试验结果中，不同林分类型枯落物的最大持水率、持水量变化过程和吸水速率变化过程与前人的研究结果相一致[20].该结果能较好的描述枯落物的持水过程，即初期持水能力最强，随着时间的延长而不断降低，直至达到饱和.由结果可知，在本研究涉及的2种林分类型中，白桦林枯落物未分解层和半分解层的持水量和吸水速率均最大，这也可能与单位面积上枯落物的蓄积量、林内水热状况及枯落物自身持水性能的差异有关.

枯落物拦蓄降雨的能力与最大持水率和自然含水率有密切联系，当最大持水率越高，自然含水率越低时，在自然条件下拦蓄降雨能力越强[21].试验结果表明，无论是未分解层还是半分解层的最大拦蓄量和有效拦蓄量均以白桦林最大，这与枯落物持水率和单位面积蓄积量有关.因此，今后在六盘山森林植被保护与经营中，应采取调控与维护相结合的模式，使其水源涵养功能达到最优化.未来还需加强枯落物层蓄积量等指标的年际变化动态观测，全面加强该地区不同林分类型植被的生态水文功能的监测，以便对植被水文调节功能和水源涵养机理有更深入地、全面地认识.

4 结论

本文以宁夏六盘山叠叠沟小流域典型林分华北落叶松林和白桦林为研究对象，对其枯落物层水文效应进行了分析，结论如下： 研究区内白桦林和华北落叶松林枯落物层厚度分别为31.3、19.2 cm，枯落物总蓄积量分别为10.1、7.76 t/hm2.持水量与浸水时间成对数函数关系，持水速率与浸水时间成幂函数关系.枯落物在浸水后，吸水速率呈3个阶段式：剧烈增大(0～2 h)—逐步变缓(4～10 h)—基本稳定(12 h后)，随着浸水时间的延长，持水量变化不大.枯落物层的自然含水率为白桦林(4.56 t/hm2)>华北落叶松(2.84 t/hm2)，有效拦蓄量为白桦林(10.43 t/hm2)>华北落叶松林(6.51 t/hm2)，有效拦蓄率为白桦林(209.88%)>华北落叶松林(179.34%).