鲁中山区不同坡位刺槐林枯落物持水特性研究

彭 栋

(水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 合肥 230088)

1 引言

林地枯落物是森林生态系统的重要组成部分，在改善土壤、蓄水保土方面都有非常重要的作用。枯落物层对森林水文循环也有着重要的影响[1]，在森林生态系统中，枯落物层可以直接消耗雨滴对地表的冲击能量，减缓地表径流对表土的冲刷，此外枯落物对降雨的截留可以使得降雨缓慢入渗进入土壤，以增加土壤含水率，枯落物层在截留降水、阻延径流、减少土壤水分蒸发和土壤流失等多方面均具有重要作用[2]。

刺槐是北方土石山区的乡土树种，在植树造林方面应用广泛，刺槐的适应性强，耗水少，适宜在北方大面积造林。对不同坡位坡向的枯落物持水性进行研究，可以为小流域管理提供参考，研究刺槐枯落物层的水文效应对于探讨森林生态系统的水文循环和水量平衡具有重要意义[3]。地上枯落物累积在时间尺度上一般遵循植物的生命周期，同时也受环境因子的调控，研究现有刺槐枯落物吸水机理和水文特征对保持水土、合理经营和利用森林、保护生态环境有着重要的现实意义。生境条件显著影响人工林建群种种群结构和群落特征[4]。阴坡、阳坡和沟道的生境条件(光照水平、土壤特性、灌草植被盖度等)在药乡林场有明显差异，坡向显著影响森林的林分结构、生态效益和可持续发育能力，因此也影响着枯落物的持水性能[5]。因此研究刺槐枯落物在阴坡、阳坡以及沟道3种不同位置下的持水性能对研究刺槐的水土保持作用有重要意义。

2 研究内容与方法

2.1 野外取样

选取济南药乡林场的沟道、阳坡及阴坡3类具有代表性的地段，每类选取2个刺槐林地作为调查样地，所有样地均设置在基本未受干扰破坏的地段。在每个刺槐林样地上选取3个10 m×10 m样方，每个样方内采集刺槐枯落物。

2.2 室内分析

将取得的枯落物用塑封袋带回室内后迅速称质量，然后进行烘干并称质量，以干物质重计算蓄积量。作为标准地进行调查采样后，基于人工模拟降雨法，研究不同坡位刺槐林枯落物持水特性及其影响因子。采用人工模拟降雨法测定枯落物的吸水过程。为了测定枯落物的截持降雨量，首先将烘干并称重后的枯落物仿照其自然结构和重量比例转入由管道制成的试验筛(长50 cm，宽50 cm，高15 cm，底为80目的尼龙网)，即一个试验筛内为便于对比分析，按照未分解层与半分解层烘干后质量相等的比例分层装入圆形实验筛中，一组共6个重复样本。各实验筛内装填烘干后的枯落物，用专业模拟降雨器对装有干枯落物的实验筛进行人工降雨，为比较充分供水条件下枯落物的持水过程，设定试验的雨强远大于药乡林场地区多年平均雨强，为300 mm/h。再由储水罐和电子天平组成的排水收集器收集实验筛底部排出的水。

在降雨过程中，分别设置1.5 mm，3 mm，4.5 mm，6 mm，9 mm，12 mm，15 mm，18 mm，21 mm，24 mm，27 mm，30 mm，36 mm，46 mm，56 mm，66 mm，76 mm降雨量，每个样地设置6次重复实验。实验初始阶段枯落物吸水过程变化较为剧烈，之后变动幅度变小，最后重量基本保持不变。同时测量实验筛底部排出的水量，以校准雨强大小不变。不同时刻枯落物的降雨截持量累积值是不同时刻实验筛的重量减掉实验筛自重(同时考虑实验筛自身吸附水影响，从测定值中减去)和枯落物干重的值，它与枯落物干重的比值即为枯落物的持水率，而不同坡位自然持水量是枯落物水分(刚采回来湿重与干重之差)与干重的比值。

3 结果与分析

3.1 蓄积量

枯落物是森林枯落物层持水的载体，其蓄积量的大小和性质将直接影响枯落物层持水能力的高低，蓄积量越大、水分吸附性能越好，则持水量也会越大。因此，在评价森林水文生态功能的时候，枯落物蓄积量是研究的首要因素。不同类型的林分、枯枝落叶成分、枯落物堆砌方式、林下微生物活动的环境条件，以及水、热等条件的不同均会造成枯落物分解速度的差异，从而导致枯落物在一定时间内的蓄积量出现较大差别。人工林植被林下枯落物蓄积量的大小与树种、树木生长年龄、林分营造结构、地被植物、气候因子以及人类活动的强弱有关。

表1 刺槐枯落物蓄积量

根据样地调查结果(表1)可知，刺槐枯落物在沟道、阳坡及阴坡的蓄积量分别为98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄积量表现为：阳坡>沟道>阴坡。比较蓄积量还要进行T检验，T检验结果(采用双尾，成对检验)如表2所示。

表2 刺槐枯落物蓄积量不同坡位T检验结果

实验得出：①沟道和阳坡进行t检验，检验结果p=0.883236807>0.1，说明两组数据总体无显著差异；②阳坡和阴坡进行t检验，检验结果p=0.052840356<0.1，说明两组数据总体有显著差异；③沟道和阴坡进行t检验，检验结果p=0.008474102<0.1，说明两组数据总体有显著差异。因此可以看出，刺槐枯落物的蓄积量与坡位有关，沟道与阳坡枯落物蓄积量基本相似，阳坡与阴坡、沟道与阴坡枯落物蓄积量差别较大，经分析，阳坡由于光照充足，植物光合作用强于沟道和阴坡，光合作用将光能转变为有机物中的化学能储存，所以阳坡植物枝叶生长茂盛，林内枯枝落叶产生速率快，而阴坡常年处于背阴面，光合作用弱，林内枯枝落叶产生速度慢，加上阴坡湿度大，枯落物腐蚀速度快，所以产生较少的枯落物。

3.2 不同坡位自然持水量

由图1可以得出不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，阴坡的自然持水量最大为32.2 mm，沟道自然持水量中等为26.5 mm，阳坡的自然持水量最小为15.95 mm，经分析，这是由于不同坡位坡向的水热条件和枯落物蓄积量所致，阳坡处于向阳面，光照充足，水分易于蒸发，故而自然持水量较小，而阴坡常年处于背阴面，日照时间短，水分不易于蒸发，故而自然持水量较大；阳坡蓄积量多于阴坡，枯落物覆盖层较厚，水分不易流失，相比较而言持水量应该大于阴坡，但是阳坡的自然持水量小于阴坡，所以坡位坡向的水热条件起主要原因，枯落物的蓄积量起次要原因，枯落物的自然持水量由水热条件决定。

图1 不同坡位自然持水量

3.3 基于人工模拟降雨的枯落物持水特性

3.3.1 枯落物持水过程

枯落物的持水过程由4个阶段组成，第1个阶段是快速吸水阶段，第2个阶段是缓慢吸水阶段，第3个阶段是逐渐饱和阶段，第4个阶段是饱和阶段。

3.3.2 达到稳定的时长

根据图2显示的人工模拟降雨法测定刺槐枯落物截留量随时间的变化，可把截持过程分为4个阶段。第1阶段为迅速吸收阶段，在图2中表现为0～6.7 min时间段，截持量变化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率变化与枯落物的含水量关系密切；第2阶段为缓慢吸收阶段，在图2中表现为6.7～13 min时间段，随着枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐渐降低；第3阶段为逐渐饱和阶段，在图2中表现为13～18 min时间段，随着截持过程的进行，截持速率逐渐趋向于零，这时枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆盖在枯落物表面的自由重力水；第4阶段为饱和阶段，在图2中表现为18～42 min时间段，枯落物湿重在某一值上下浮动，达到最大截留量，也就是在18 min以后达到稳定时长。

图2 人工模拟降雨条件下枯落物截留时长

3.3.3 稳定后有效持水量

森林枯落物可以增加林地土壤储水，使有限的降水资源能更大程度地被林木吸收利用。林地枯落物的持水特性多用截留量也就是持水量来表示，持水量为枯落物吸水重量与其干重之比，枯落物的持水量越高，则能在最短时间内有效地含蓄降水，为土壤保湿保墒提供充足的水分。由图3可以看出刺槐枯落物在阴坡的持水量最高，沟道枯落物持水量最低，刺槐阳坡植物种类多，林下水热条件较好，利于微生物生存，导致枯落物易于分解，林下枯落物半分解层较厚，故其枯落物持水量较高，持水特性较好。但是要比较刺槐不同位置枯落物持水性能还要进行T检验(表3)。

图3 人工模拟降雨条件下枯落物截留过程

表3 刺槐枯落物不同坡位截留量T检验结果

T检验结果(采用双尾，成对检验)：①沟道和阳坡进行t检验，检验结果p=0.005123791<0.1，说明两组数据总体有显著差异；②阳坡和阴坡进行t检验，检验结果p=6.44144E-11>0.1，说明两组数据总体无显著差异；③沟道和阴坡进行t检验，检验结果p=1.09561E-12>0.1，说明两组数据总体无显著差异。实验结果得出：刺槐枯落物持水性能与坡位坡向(沟道、阳坡及阴坡)有关，刺槐沟道达到稳定时截留量约为250 mm，刺槐阳坡达到稳定时截留量约为260 mm，刺槐阴坡达到稳定时截留量约为300 mm，阳坡与阴坡、沟道与阴坡的持水性基本相同，而沟道和阳坡的持水性差别较大，沟道的持水性要小于阳坡的持水性，刺槐阴坡的持水特性最好，刺槐沟道的持水特性最弱。刺槐阳坡植物种类多，林下水热条件较好，利于微生物生存，导致枯落物易于分解，林下枯落物半分解层较厚，故其枯落物持水量较高，持水特性较好。

4 结论与讨论

(1)刺槐枯落物的蓄积量与坡位坡向有关，沟道、阳坡及阴坡的蓄积量分别为98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄积量表现为阳坡>沟道>阴坡，沟道和阳坡枯落物蓄积量基本相似，阳坡和阴坡、沟道和阴坡枯落物蓄积量差别较大，刺槐枯落物阳坡蓄积量最大，阴坡枯落物蓄积量最小。

(2)不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，阴坡的自然持水量最大为32.2 mm，沟道自然持水量中等为26.5 mm，阳坡的自然持水量最小为15.95 mm，因此，阴坡的自然持水量最大，阳坡的自然持水量最小。这是由于不同坡位坡向的水热条件和枯落物蓄积量不同所致。阳坡处于向阳面，光照充足，水分易于蒸发，故而自然持水量较小，而阴坡常年处于背阴面，日照时间短，水分不易于蒸发，故而自然持水量较大；阳坡蓄积量多于阴坡，枯落物覆盖层较厚，水分不易流失，相比较而言持水量应该大于阴坡，但是阳坡的自然持水量小于阴坡，所以坡位坡向的水热条件起主要原因，枯落物的蓄积量起次要原因，枯落物的自然持水量由水热条件决定。

(3)刺槐枯落物持水性能与坡位坡向(沟道、阳坡及阴坡)有关，刺槐沟道达到稳定时截留量约为250 mm，刺槐阳坡达到稳定时截留量约为260 mm，刺槐阴坡达到稳定时截留量约为300 mm，阳坡与阴坡、沟道与阴坡的持水性基本相同，而沟道和阳坡的持水性差别较大，沟道的持水性要小于阳坡的持水性，刺槐阴坡的持水特性最好，刺槐沟道的持水特性最弱。刺槐阳坡植物种类多，林下水热条件较好，利于微生物生存，导致枯落物易于分解，林下枯落物半分解层较厚，故其枯落物持水量较高，持水特性较好。

(4)刺槐枯落物截留过程分4个阶段，第1阶段为迅速吸收阶段，表现为0～6.7 min时间段，截持量变化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率变化与枯落物的含水量关系密切；第2阶段为缓慢吸收阶段，表现为6.7～13 min时间段，随着枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐渐降低；第3阶段为逐渐饱和阶段，表现为13～18 min时间段，随着截持过程的进行，截持速率逐渐趋向于零，这时枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆盖在枯落物表面的自由重力水；第4阶段为饱和阶段，表现为18～42 min时间段，枯落物湿重在某一值上下浮动，达到最大截留量，也就是在18 min以后达到稳定时长。

(5)本实验中采用的人工降雨法,虽然弥补了部分室内浸泡法测定枯落物最大持水量的不足,但是并不能完全代表实际降雨时的枯落物截持过程。在自然环境中,影响枯落物截持过程的因素还有其它的气候、地形因子以及枯落物性质等要素。在今后进一步的研究中,可以从模拟多种雨强、铺设多种枯落物厚度的角度出发进行实验,并设计模拟多种气候条件、地形条件，以期更进一步了解枯落物的水文特性。