和林格尔县4种人工林枯落物水文效应研究*

田 菊 李国婧 刘 洋

（1.内蒙古农业大学/植物逆境生理与分子生物学自治区重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018； 2.内蒙古和盛生态科技研究院有限公司，内蒙古 呼和浩特 011517）

森林生态系统从上而下的结构分为植被层、枯枝落叶层、土壤三个层次[1-2]，其中枯枝落叶层称为森林植物群落水文效应的第二活动过程，因结构疏松[3]而具有保持水土[4]、水源涵养、提高林地生产力的作用[5-7]，被称为大气降水的“蓄存库”和“调节器”[8]。研究枯落物层对于森林生态系统水文循环和平衡具有重要的意义[9]。国内许多学者对不同地域不同林分类型下的枯落物森林水文特性作了研究，主要有凋落物储量[10]、枯落物持水能力[11-16]、枯落物积累与分解[17-20]等。不同森林植被，由于各自不同的生物学和生态学特性，构成了森林枯落物水文效应的差异[21-22]。郭汉清等[23]对关帝山林区腹地的文峪河流域3 种主要森林类型枯落物的水文效应研究表明，不同森林类型下的枯落物量、林分的枯落物持水量与林分类型存在较大差异。张东[24]等晋西黄土丘陵沟壑区白榆Ulmus pumila、侧柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabuliformis 3 个主要树种人工林林下枯落物的水文特性研究发现，白榆林枯落物森林水文作用在增加土壤水分、涵养水源、防止水土流失等方面都有很好的生态效应。吴昌应[25]发现随着林龄的增加，尾叶桉Eucalyptus urophylla枯落物持水能力逐年增加。黄土丘陵沟壑区分布广，涉及7 省（区），面积21.18 万km2，主要特点是地形破碎，千沟万壑，15°以上的坡面面积占50%～70%。随着国家实施退耕还林工程，很多该区域的人工林在水土保持、防风固沙方面发挥了巨大的作用。和林格尔县位于内蒙古自治区中部，在2015 年以油松、樟子松Pinus sylvestris var. mongolica 为主要树种，混交少量山杏Armeniaca sibirica、沙棘Hippophae rhamnoides，通过精心抚育管理，建成以碳汇林为主的高标准防护林，设计造林面积2 196.09 hm2。本次研究通过分析4 种人工林林下枯落物的森林水文作用，为黄土沟壑区人工林造林和经营提供科学及实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古呼市和林格尔县位于内蒙古中部偏西南地区，处在土默川平原与西北黄土高原及阴山山脉向南延伸的蛮汉山支脉的结合部，气候属于中温带大陆性季风气候，并兼有山地气候的特点，年平均气温5.6℃，≥10℃积温2 769℃，无霜期 118 d，光能资源丰富，热量充足，年降水量 417.57 mm，6—8 月份的降水量占全年降水量的 59.3%。和林格尔地区属草原荒漠地带，土壤以栗钙土和黄绵土为主，pH 值为8.6 左右，属碱性土壤。本次研究区域地理坐标为111°50′57″ E，40°31′08″ N，土壤类型为丘陵沟壑黄土。植被主要有：山杏、沙棘、柠条Caragana korshinskii 等。

表1 样地基本概况Tab.1 Basic information for plots

1.2 研究方法

于2019 年9 月对和林格尔地区4 种人工林进行踏查，4 种人工林类型见表1，均为中低山地斜缓坡造林。踏查以后选择4 种典型的人工林进行标准地调查和每木检尺工作，每种人工林设立8个20 m×20 m 标准样地，在每个样地内选择3 个30 cm×30 cm 的小样方进行枯落物厚度调查、枯落物储量数据、枯落物鲜质量调查。

采用样方法和浸泡—烘干法对林地枯落物层持水性能进行定量化研究，测量枯落物的半分解层和未分解层厚度、采集枯落物半分解层和未分解层样品，然后分别装入档案袋称取鲜质量并标记，带回实验室以后放入烘箱调制温度至85℃，连续烘干至恒重，记录烘干质量、计算单位面积枯落物储量。采用连续浸泡法测定枯落物持水能力，将档案袋内枯落物转移到小规格网兜，放入装满水的盆中，分别在15 min、30 min、1、2、4、8、16、24 h 提起网兜，等水滴不再流下的时候称重记录。枯落物持水量数据测定公式为：

枯落物持水量=枯落物鲜质量－枯落物烘干质量

枯落物持水率=枯落物持水量/枯落物干质量×100%

枯落物吸水速率=枯落物持水量/时间

W持水量为枯落物最大持水量（g）；W24为枯落物浸泡24 h 后的枯落物质量（g）；W0为烘干质量（g）；Rm为最大持水率（%）；W1为枯落物自然含水量（g）；R0为自然含水率（%）；Wm为最大拦蓄量（t/hm2）；W 为有效拦蓄量（t/hm2）；M2为枯落物鲜重（g）；M 为枯落物储量（t/hm2）；0.85 为有效拦蓄系数。

1.3 数据处理方法

采用SPSS13.0 对4 种不同林分类型枯落物储量、最大持水量（率）、有效拦蓄量和最大拦蓄量、吸水量、吸水速率等结果进行方差分析，并采用DUNCAN 法检验。

2 结果与分析

2.1 枯落物储量

4 种人工林枯落物储量数据都比较接近，都在10.69 ～ 10.87 t/hm2之间变化（表2），变化规律是樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）＞油松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）＞油松、沙棘针灌4:1（1.5 m×5 m）。各人工林下枯落物的未分解层和半分解层比例基本相同，半分解的稍微大一些，这可能与林龄有关系，幼龄人工林枯落物少，每年只有部分枯枝落叶进入地表当中，而且松针类的主要成分是油脂之类的，正常情况下分解比较慢，因此半分解层和未分解层的厚度和储量区别不大，方差分析结果也表明4 个人工林的未分解和半分解枯落物之间无显著差异（P ＜0.05）。

2.2 枯落物最大持水率（量）

从表3 可以看出4 种林分类型下枯落物持水率变化范围在183.82%～187.63%之间，其中最大持水率的人工林为油松、沙棘针灌4:1（1.5 m× 5 m），其次是油松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）、樟子松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m），最小的是樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m）。方差分析结果表明4 种人工林最大持水率没有显著性差异（P ＜0.05）。4 种人工林最大持水量变化趋势为油松、沙棘针灌4:1（1.5 m×5 m）＞油松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）=樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m），可能与林分的林龄有关系，作为幼林，枯落物储量不是很多，而且人工林基本都是松类为主，组成结构相接近，因此没有显著性 差异。

2.3 枯落物有效拦蓄率（量）

从表4 可以看出4 种林分类型下枯落物最大拦蓄量变化范围在7.67 ～ 7.83 t/hm2之间，其中最大的人工林为油松、沙棘针灌4:1（1.5 m×5 m），其次是油松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）、樟子松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m），最小的是樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m）。方差分析结果表明4 种人工林最大拦蓄量没有显著性差异。4 种人工林有效拦蓄量变化趋势为油松、沙棘针灌4:1（1.5 m× 5 m）＞油松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m）＞樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘针灌4:1（2 m×4 m），方差分析结果表明4 种人工林有效拦蓄量没有显著性差异。4 种人工林之间的最大拦蓄量和有效拦蓄量没有显著性差异，可能与林分的林龄有关系，作为幼林，枯落物储量不是很多，枯落物的组成都比较接近，且枯落物的厚度也接近，因此没有显著性差异。

表2 不同林分类型下枯落物层特征参数Tab.2 Characteristic of litter layer under different stand types

表3 不同林分类型下枯落物最大持水率（量）Tab.3 Water capacity of litter under different stand types

4 种人工林枯落物（持水量和吸水量、吸水速率随时间的变化见图1。可以看出枯落物持水率（量）随时间的变化快速上升，到了8～16 h 的时候上升速度小了些，到了24 h 以后，上升速度趋于平缓，说明枯落物吸水达到了饱和状态。通过对表3 和表4 的数据采用回归分析方法分析出4 种人工林地枯落物持水量（率）与浸泡时间呈对数函数关系：y=Mlnt+N，y 表示枯落物持水量（率）；t 是枯落物浸泡时间；M、N 是参数。

表4 4 种人工林有效拦蓄量和最大拦蓄量Tab.4 Effective and maximum retention of four types of plantation t·hm-2

图1 枯落物持水率、持水量和吸水速率随时间变化Fig.1 Water absorption rate, water holding rate and water holding capacity of litter by time

表5 4 种人工林枯落物持水量和吸水速率随时间变化Tab.5 Changes of water capacity and water absorption rate of litter in four plantations by time

对4 种人工林枯落物吸水速率的分析可以看出，枯落物吸水速率和时间呈现反比例函数的关系，结合图1 看出4 种林分吸水速率一开始很大，然后逐渐减小直到无限接近于0，从表5 可以看出4 种人工林枯落物吸水速率的关系满足幂函数关系和反比例函数关系，进一步研究集合程度来看，幂函数的拟合程度达到了0.99 以上，因此采用幂函数关系式：

y=M·tN，R2＞0.99

y 表示枯落物吸水速率t/(hm2·h)；t 是枯落物浸泡时间；M、N 是参数。

3 讨论与结论

枯落物的持水能力常用干物质的最大持水量和最大持水率表示，持水能力受枯落物组成、林木种类、分解状况、积累量[26]等因素影响，因此对枯落物的森林水文研究在保持水土、水源涵养、改良土壤理化性质方面具有重要的作用。

本次研究发现4 种人工林枯落物储量范围为10.69～10.87 t/hm2，4 种人工林枯落物储量明显低于侯贵荣等[27]（105.49～148.38 t/hm2）人，高于叶海英[28]（2.35～3.32 t/hm2）、低于刘宇等[29]（6.81～ 56.64 t/hm2）人研究结果。枯落物储量偏低的原因是本次实验林地林龄为4 年，属于幼龄林，因此枯落物储量较少。相比较叶海英研究，本次枯落物数据偏高，主要原因是林龄，中龄林松针的分解速度明显快于幼龄林，因此进一步说明林龄是影响枯落物储量的因子。本次研究当中枯落物储量最大的是樟子松、山杏针灌4:1（1.5 m×5 m），为10.87 t/hm2，油松、沙棘针灌4:1（1.5 m×5 m）最小，为10.69 t/hm2，4 种林分类型下的半分解层枯落物储量均大于未分解层，樟子松在当地的枯落物储量比油松多，说明樟子松比油松更适合当地的森林水文，建议当地造林树种优先选择樟子松。

本次研究发现4 种人工林枯落物枯落物最大持水量数据明显低于侯贵荣等[27]的研究结果、接近叶海英等[28]研究结果、低于刘宇等[29]研究结果。主要原因是本次实验林龄比上述研究林龄偏低，且枯落物主要以油松松针为主，因此在吸持水方面明显低于中龄油松和刺槐等树，结合其他人研究数据说明枯落物持水量与林龄和林分组成有密切关系。本次研究发现最大持水量方面油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（1.5 m×5 m）（10.05 t/hm2）＞油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（2 m×4 m）（9.99 t/hm2）=樟子松、山杏针灌4:1 带行状混交林（9.99 t/hm2）＞樟子松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（9.96 t/hm2）。平均最大持水率在4 个林分类型之间呈现规律是油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（1.5 m×5 m）（187.63%）＞ 油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（2 m×4 m）（186.9%）＞樟子松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（2 m×4 m）（185.63%）＞樟子松、山杏针灌4:1带行状混交林（1.5 m×5 m）（183.82%）；最大持水量和持水率在4 种人工林之间差异不显著，数据也比较接近，说明油松和樟子松枯落物吸持水分能力区别不大。侯贵荣等[27]研究发现油松、刺槐混交林最大持水量比刺槐林大，刺槐林比油松林大，说明混交林比纯林的持水能力强。说明本次实验采用针灌混交林是合理的。

本次研究发现4 种人工林枯落物有效拦蓄量和最大拦蓄量数据结果明显低于侯贵荣等[27]、低于刘宇等[29]人研究结果。不同林分类型拦蓄量不同，说明枯落物组成对水分的拦蓄有一定的影响。本次实验有效拦蓄量规律为油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（1.5 m×5 m）（6.32 t/hm2）＞油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（2 m×4 m）（6.25 t/hm2）＞ 樟子松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（2 m×4 m）（6.23 t·hm-2）＞樟子松、山杏针灌4:1 带行状混交林（1.5 m×5 m）（6.17 t/hm2），有效拦蓄量的数据也是这样的趋势，说明油松、沙棘针灌4:1 带行状混交林（6.32 t/hm2）对降雨的拦蓄能力最强。

本次研究以黄土丘陵沟壑区4 种人工造林模式下林下枯落物持水能力为对象，对不同林下枯落物持水数据做回归分析，结果表明枯落物持水量、持水率、拦蓄量与浸泡时间符合指数函数关系式、持水速率和浸泡水符合幂指数函数关系式，这与国内大多研究结果相类似[30-38]。

本次研究发现4 种人工林林下枯落物储量接近，枯落物森林水文参数结果接近，方差分析结果显示差异不显著，这可能与枯落物的组成和林龄有关系，作为造林4 年左右的幼龄人工林，还没有达到郁闭，因此枯落物薄且少，体现不出枯落物之间储量的差异，其次4 种林分类型下枯落物的组成都是以松针之类为主，松针内因含有油脂类物质，持水能力差别不大，这也符合国内大多数研究，即枯落物的持水能力和持水速率与枯落物的组成、结构有关[36-44]。

4 种人工林枯落物储量、持水量、持水率、最大拦蓄量、有效拦蓄量之间差异不显著，与林分组成和林龄有密切关系，建议未来人工林枯落物水文调查考虑林龄因素。综合结果表明樟子松的枯落物层持水能力最好，该地区樟子松防护林的枯落物层涵养水源功能优于其他类型的林分。

本文对和林格尔地区4 种人工林枯落物蓄积量和持水特性进行试验，丰富了黄土半干旱区人工林枯落物水文研究。结果表明幼龄人工林的水文生态功能相对较弱， 如果需要提高枯落物森林水文作用，可以通过适当的森林经营措施促进林分生长，加快林分郁闭来促进枯落物森林水文作用。