麦积山风景区5种典型林分枯落物水文效应研究

何鹏，王具元

(甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020)

作为一个重要主体，陆地系统是整个地球生态系统的一部分。同时，在陆地系统中，森林生态系统又是其中的一项重要构成。它的构成一共可以分为3个层次，即林冠、枯落物、土壤等3个层次。各个层次有其特定的生态功能，且各个功能之间通过一定的纽带相互联系，尤其在水文效应过程中他们之间的联系更加紧密，枯落物层处于林冠层和土壤层之间，起着桥梁的作用。森林枯落物层含有大量的有机物，森林枯落层中含有的有机物，由于土壤下方有多种微生物，这么多微生物一起发挥作用，可以将土壤中的有机物分解成各种腐殖质。腐殖质有多种功能，首先，它可以丰富土壤的结构，优化土壤的性能，充分发挥土壤中毛管的孔隙度功能，进一步增强土壤的锁水能力。使土壤的抗冲击性能更强。枯落物的生态功能与种类和数量直接相关，所以，在对森林生态系统进行评价时，选取的一个重要指标就是森林枯落层的水文效应。麦积山风景区位于小陇山，也就是秦岭山脉的西部地区。关于秦岭及小陇山森林群落枯落物的水文效应研究比较多[1-4]，但关于麦积山风景区的研究很少。本文通过对麦积山5种林分枯落物层枯落物特征及持水性变化规律的研究，为客观评价这些林分枯落物层水文生态功能，对该地区的森林结构进行合理保护，以及对麦积山的保护，都能提供理论层面的依据。

1 研究区概况

麦积山风景区位于甘肃省天水市麦积区，地理位置为105°56′—106°10′，34°07′—34°28′ N。麦积山风景区海拔一般在1 400～1 800 m，最高峰可达2 200 m以上。年平均降雨量为600～700 mm，气温最高为33 ℃，最低为-15 ℃，一般冬季低温带在-8 ℃，无霜期为230 d，日照时数年均为2 307 h左右，空气相对湿度为85%左右。岩层构造是由红色砂砾岩层和浅色变质岩所构成，土壤类型多为棕壤土和黄绵土。麦积山风景区内自然资源丰富，风景秀丽，形成自己独特的山水景观，观赏及药用植物品种繁多，珍禽奇兽较为丰富，有些已为国宝。风景区内植物约有111种，分属于50个科106个属。其中有很多是园林中的珍品，如黄花杠柳、云杉、冷杉、水杉、白皮松、红豆杉，玉兰树和野生紫竹、野生百合、金背杜鹃、甘肃琼花等。

2 研究方法

2.1 样地调查

根据植被、土壤、土地利用等特性，于2018年8月在麦积山风景区选择5个不同林分作为本次研究的对象，包括白皮松、锐齿栎林、油松+辽东栎林、油松+锐齿栎林、油松林。在这5个不同林分中，选取400 m2的土地作为标准地，对其中的林木进行测量，同时对其中的植物种类、数量，林分年龄、郁闭度及环境特征进行调查。各样地基本特征见表1。

表1 不同林分样地概况

2.2 枯落物蓄积量调查

在每种林分选定区域中均匀的划分成6个0.5 m×0.5 m的小块土地，这6块土地是沿着对角线切分的。对枯落物蓄积量进行调查时，先用标尺测量小块土地中枯落叶厚度，然后，把小样方中，可以收集的枯落物全部收集起来，在对其进行挑选分类，称取样品的重量，采用取样方法选择样品，将样品带回实验室，使用烤箱把样品烤干，测出这些枯落物中的含水率，以此为依据换算出调查样地单位面积的枯落物蓄积量。

2.3 枯落物持水性测定

将枯落物现存量调查用小样方(1 m×1 m)内的全部枯落物收集后，放在烤箱中烘干之后测他们的质量(W0)，然后将他们放进尼龙材质的纱网中，在有足量水的桶里浸泡0.5、1、2、4、6、12、24 h，将装有枯落物的尼龙网捞出后放在支架上，让多余的水分自然滴下，同时用土壤筛将塑料桶内遗漏的枯枝落叶捞出重新装入尼龙网中，待尼龙网内不再有水珠滴下时，用天平称其浸水后的质量(W1)。

枯落物的持水率=(W1-W0)/W0×100%

2.4 枯落物有效拦蓄量测定

计算枯落物可拦蓄的实际降水量的时候，需要用到有效拦蓄量这一概念，其计算公式为:

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W为有效拦蓄量，Rm为最大含水率，M为现有枯落物量，R0为平均自然含水率(%)。

3 结果与分析

3.1 不同林分枯落物蓄积量分析

表2 不同林分类型枯落物蓄积量

3.2 不同林分枯落物水文效应

在对表3进行分析得知，枯落物最大持水率和最大持水量受不同林分类型植被的影响是显而易见的，对持水能力影响最大的一个最主要因素就是枯落物的厚度，所以油松纯林枯落物持水量相对其他林分要高。由表3可知，5种林分枯落物持水率均值位于223.29%～275.77%，其中锐齿栎林枯落物持水率最高，油松林和白皮松林持水率相对较小。不同树种和相同树种持水能力变化情况有所不同，这是由于不同林分枯落物持水性能诸多因素的制约，如种类、厚度、林龄、分解状况、含水率、前期降水情况等。

表3 不同林分枯落物最大持水率和最大持水量

3.2.2 不同林分枯落物拦蓄能力 从表4可知，未分解层枯落物有效拦蓄率依次为锐齿栎林(344.55%)>油松+锐齿栎林(309.44%)>油松+辽东栎林(291.65%)>油松林(280.86%)>白皮松林(263.86%)；半分解层枯落物有效拦蓄率大小排序为锐齿栎林(323.31% ) >油松+辽东栎林 (274.34%)>油松+锐齿栎林(259.37% )>油松林(248.42% )>白皮松林 (216.73% )。

表4 不同林分枯落物拦蓄能力

3.2.3 不同林枯落物持水过程 图1和图2是关于分解层和半分解层枯落物的蓄水能力同浸泡时间二者之间的关系图谱。通过分析图谱可以得知，未分解层枯落物的蓄水能力和将他们浸泡在水中的时间是正比例关系，体现为先快后慢的形势。总体变化情况是在最初浸泡时间内(2 h)，枯落物中持水量斜率比较大，说明水量增加的快。然而，随着浸泡时间的不断延长，这个斜率逐渐变小，当浸泡时间超过2 h后，持水量增长速度下降速度较快。在对这些不同种类的枯落物持续浸泡，总时间超过6 h时，其持水量大部分达到峰值，之后，随着浸泡时间的延长，含水量不会再发生太大的变化。可见，半分解层的持水能力较未分解层持水能力强，这是因为半分解层毛管孔隙度含量高的原因。

图2 半分解层枯落物持水量与浸泡时间的关系

3.2.4 不同林分枯落物吸水速率 从图3和图4，我们可以判断得知，枯落物半分解层和未分解层(统称为未分解层)的吸水率在前1 h数值比较高，之后下降速度比较快，浸泡时间在4 h以后，吸水速率下降速度逐渐放缓，这是因为枯落物经过烘干处理后大量水分丧失，枯落物的总度空隙比之前大幅度增加。而且，由于枯落物枝叶表面和死细胞之间的水势逆差较大。另据文献表明，在刚一浸泡的时候，枯落叶的持水量会大幅度增加[5]。从整个发展走向来看，在最初浸泡的2 h内，不同种类枯落物吸水率大小差异很大，而随着时间不短延长，这几种枯落物吸水速率逐渐变化趋势比较一致，在浸泡时间6 h之后，它们的曲线几乎完全重合，导致这种现象的原因是，随着时间不断增加，枯落物孔隙中充满的大量水分，孔隙的吸水达到饱和，持水量接近最大值，导致吸水速率逐渐下降。

图3 未分解层枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

4 结论

4.2 就半分解和未分解层的枯落物而言，不同的群落林地中最大拦蓄率和有效拦蓄率不同，其中，白皮松林拦蓄能力最弱，锐齿栎林拦蓄能力最强。就他们储蓄的总量而言，油松林分拦蓄量最大，白皮松林分最小。

4.3 大部分未分解层枯落物和半分解层枯落物浸泡6 h后，蓄水量都达到最大值，随着浸泡时间继续延长，不同林分不同层次枯落物持水量几乎没有发生多大变化；浸泡时间12 h后，蓄水量达最大。

4.4 枯落物分解层吸水速率在1 h以内比较高，在最初浸泡的2 h之内，不同林地中枯落物吸水性差异是比较显著，在连续浸泡6 h之后，这些林地枯落物吸水速率的发展曲线接近重合。