不同植被类型枯落物水源涵养功能的研究

邱丽霞，李淑芬，温哲华

（1.赞皇县自然资源和规划局，河北 赞皇 051230；2.河北省林业和草原信息中心，河北 石家庄 050081）

水是人类和动植物生存的根本，水资源对于维持生态平衡具有重要的作用，森林涵养水源的作用逐渐凸显，已经成为保护水资源不可缺少的一部分。森林枯落物层作为森林水源涵养的主体，在发挥森林水文生态功能中起到了重要的作用[1]。森林枯落物层处于林分植物层与土壤层之间，成分以枯落叶为主，是由森林生态系统中植物地上部分器官或组织枯死、脱落堆积而成[2]。涵养水源是森林生态系统的重要功能之一，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等过程上[3]。森林生态系统中的枯枝落叶层主要是由森林植物凋落物集聚在土壤表面所形成的一个重要覆盖面和保护膜，它不仅是森林生态系统的物质组成部分，经常处于不断输入和逐渐分解的动态变化之中，而且对林地土壤的理化性质、结构及养分状况等方面有显著的影响，因此在大量森林水文作用研究中都将其作为一个重要的水文层次予以关注[4-9]。枯落层除了本身的水分蓄持能力外，还具有改良其下层土壤物理性能、增加土壤孔隙度、抑制林地土壤水分蒸发、促进土壤水分入渗等重要功能[10]。此外，由于林地枯落物的存在，增加了地表的粗糙度，在阻延地表径流方面起着重要的作用。森林枯落物层作为森林水文效应的第二活动层，具有截持降水、防止土壤溅蚀、拦蓄地表径流、减少林地表层土壤水分蒸发以及增强土壤抗蚀性的功能，同时，枯落物分解成的土壤腐殖质，还能改善土壤结构，提高土壤的渗透性[11]。因此，枯落物层的研究对于了解森林生态系统水源涵养特征及水土保持能力具有重要意义[12-14]。

1 研究区域概况

塞罕坝地处河北省承德市围场县，是内蒙古高原和河北北部山地的交接处，北纬 42°02′～42°36′，东经 116°51′～117°39′，东西长 51.45km，南北宽17.84km，总面积20029hm2。塞罕坝地处典型的森林—草原交错带，既有森林，又有草地；既有湖泊，又有河流。塞罕坝地区分为坝上和坝下，海拔分别为1500～1940m和1010～1500m。塞罕坝属寒温带大陆性季风气候，年均温-1.4℃，最低温-43.2℃；无霜期68d。平均降水量为490mm，平均蒸发量1229.9mm。

表1 各样地基本概况

塞罕坝机械林场有林地面积9.5万hm2，森林覆盖率75.2%，其中人工林50533hm2，天然林20133hm2；在木材的利用方面，可利用的中龄林和近熟林面积分别为34467hm2和8467hm2，还有一些新栽植的幼龄林，大概面积在27733hm2，林场的林木总蓄积达到928万m2，全场林木总资产42亿元。塞罕坝早年为“皇家猎苑”禁地，居民较少，并且分散。现在该区活动最多的是林业科技人员和林业工人，还有一些周边地区的牧场工人和农民。较少的人为活动为塞罕坝森林资源的保存提供了有力的保障。

2 研究方法

枯落物的水源涵养能力主要是由枯落物的蓄积量和枯落物的持水能力决定的[15]，因此本文主要以这两方面来对枯落物进行研究，对4种不同植被的枯落物进行厚度和重量测定，并测量其最大持水量和它们的吸水速率，以调查枯落物的水源涵养能力。

2.1 样地设置

在林场内选取地理位置相近、土质相似以及各种客观因素基本类似的样地，以20m×20m为1个样方，要求样方内拥有所调查的树种，以皮尺测量样地，在每个样地中以红色喷漆画出边界以便准确测量样地内各数据。调查样地内的土壤状况及植被类型，数据见表1。

2.2 枯落物现存量的测定

在4块样地内分别对枯落物现存量进行调查采集，在各样地内分别设置1m×1m的枯落物调查样方3个，在样方内，随机选择3个点用以测定枯落物厚度，取其平均值。收集该单位面积的枯落物装入自封袋中，带回实验室称重。

2.3 枯落物有效持水率的测定

枯落物持水率是其在一定时段内截持吸收的水量占自身风干重量的百分数，是反映枯落物涵蓄水分能力的重要指标，主要取决于枯落物的组成、质地、结构和分解程度等[16]。具体指标有最大持水率、有效持水率和持水量等，一般认为枯落物浸水24h后的持水率为最大持水率[17]。

首先将收集的枯落物测出鲜重W1，然后在烘箱中以恒温85℃烘至恒重并取出后立即测定干重W2，并记录，计算出枯落物的自然持水率W，应用公式为:

将烘干后的枯落物分别称等量装入网袋内放入水中浸泡 0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12、24h，在每个时间段后取出称各时间段的重量，测量出枯落物吸水后的重量。浸泡24h后枯落物不再吸水为最大持水量，取出浸水枯落物后控水到没有多余的重力水下落时再称重W3，然后计算其最大持水率Wt，公式为:

由于在自然条件下，山地森林的坡面上一般不会出现较长时间的浸水条件，所以实际持水率低于最大持水率，实际持水率约为最大持水率的85%左右，所以枯落物的有效持水率WS为WS=0.85Wt-W。

3 结果分析

3.1 不同植被类型林下枯落物蓄积量结果分析

在样地中收集枯落物并计算所收集的枯落物总量，再计算出每公顷枯落物的量，见表2。

表2 不同植被类型下枯落物蓄积量

从表2可以看出:不同植被类型的枯落物层厚度和蓄积量差异较大，厚度最大为落叶松林（6.5cm），最小为绣线菊灌丛（2.5cm），枯落物层厚度从大到小顺序依次为落叶松林＞荆条灌丛＞胡枝子灌丛＞绣线菊灌丛，蓄积量的变动范围在2.83～10.58t/hm2。落叶松林枯落物量最高，为10.58t/hm2，其次为荆条灌丛（7.09t/hm2），而胡枝子灌丛枯落物为6.12t/hm2，绣线菊灌丛枯落物为2.83t/hm2。结果表明:落叶松林枯落物比灌丛枯落物厚度大，蓄积量也大。

3.2 不同植被类型枯落物层的持水能力与吸水速率

枯落物层的最大持水量是指枯落物浸湿24h时的持水量，有效持水量一般取最大持水量的85%。本文对不同植被类型枯落物层持水能力和吸水速率的测定结果见表3和表4。

表3 不同植被类型枯落物层的持水能力

表4 不同植被枯落物浸水不同时段吸水速率比较 单位:kg·m-2·h-1

由表3可知:落叶松林枯落物的有效持水率为340.51%，荆条灌丛枯落物有效持水率为329.77%，胡枝子灌丛有效持水率为194.55%，绣线菊灌丛枯落物有效持水率为139.79%，最大持水率和自然含水率也是依次降低，持水能力逐渐下降，依然是落叶松的持水能力最强，绣线菊灌丛的持水能力最次。

根据表4可以看出:不同林分类型枯落物的吸水既有共同之处，又有不同之处。在4h以内时，枯落物的吸水速率极大，但是下降的趋势也很大，此期间的枯落物吸水速率最大；在4～15h之间，吸水速率降低的较为缓慢，吸水量较小，但仍处于吸水状态；15h之后枯落物的吸水速率比较稳定，吸水量增幅很小，吸水量基本上达到动态平衡状态，表明此时枯落物的吸水量已经基本饱和。4种植被中落叶松林的吸水速率一直高于其他3种，剩下的3种从大到小依次是荆条灌丛枯落物＞胡枝子灌丛枯落物＞绣线菊灌丛枯落物。

4 结论与讨论

塞罕坝机械林场不同植被类型的枯落物层差异较大，枯落物层厚度和蓄积量从大到小为落叶松林、荆条灌丛、胡枝子灌丛和绣线菊灌丛。

持水率方面，枯落物有效持水率为落叶松林＞荆条灌丛＞胡枝子灌丛＞绣线菊灌丛，最大持水率和自然含水率顺序与持水率相同，持水能力逐渐下降，依然是落叶松的持水能力最强，绣线菊灌丛的持水能力最次。

在枯落物进行浸泡期间，落叶松林的吸水速率最大，明显的高于其他3种灌丛，剩下的3种植被按从大到小的顺序依次为荆条灌丛＞胡枝子灌丛＞绣线菊灌丛，在枯落物的吸水期间，4种植被中吸水速率起始降低较快，然后降低的速率变慢，最后在15h吸水速率基本稳定，在24h时吸水率达到最大。

落叶松林的厚度、蓄积量、持水率和持水量都是最大，绣线菊灌丛最次，由此可见，落叶松林的水源涵养能力较强，灌丛的水源涵养能力较弱。荆条灌丛、胡枝子灌丛与绣线菊灌丛枯落物水源涵养功能有一定差异，从大到小依次为荆条灌丛、胡枝子灌丛、绣线菊灌丛。

因此，在优化水源涵养功能的条件下，建议适宜种植落叶松林，可搭配种植灌丛，以保证森林的水分利用达到最大效益。