京西水源保护林枯落物持水特性研究

郭建军　王娅茹　孟祥嵩　吴丹　梁世兴　张晓琴　杨新兵

摘要 森林枯落物在水源涵養、水土保持和拦蓄径流等方面具有重要作用，研究枯落物的持水特性对评价不同林分的水文效应具有重要意义。采用样地调查法和室内浸泡法，对涿鹿林场4种不同类型林分枯落物持水特性进行研究。结果表明：（1）枯落物蓄积量排序为油松林>华北落叶松林>山杨林>白桦林，半分解层大于未分解层。（2）枯落物持水量随时间增加而增加，但速率趋于渐缓;枯落物吸水速率随时间增加而减小，呈指数关系;枯落物最大持水量排序为华北落叶松>油松>山杨>白桦，有效拦蓄量排序为华北落叶松>油松>山杨>白桦，有效拦蓄率排序为华北落叶松>白桦>油松>山杨。华北落叶松林枯落物水文效应最好，其次是油松林。

关键词京西水源林;枯落物;枯落物蓄积量;枯落物水文效应

中图分类号：S715.7文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.001

Study on Water-holding Characteristics of Litter in Water Source Protection Forests in West Beijing

Guo Jianjun Wang Yaru Meng Xiangsong Wu Dan Liang Shixing Zhang Xiaoqin Yang Xinbing

（1.Saibei Forest Farm of Zhangjiakou City（State-owned forest farm Administration Office of Zhangjiakou City）， Zhangjiakou 075000， Hebei;

2. Zhuolu Forest Farmof Zhangjiakou， Zhangjiakou 075600， Hebei;

3. College of Forestry，Hebei Agricultural University， Baoding 071000， Hebei）

AbstractForest litter plays an important role in water conservation， soil and water conservation， and runoff retention. The study of the water-holding characteristics of forest litter is of great significance to evaluate the hydrological effects of different stands. In this paper， the water-holding characteristics of 4  different types of litter in Zhuolu forest farm were studied by sample plot investigation and indoor immersion method. The results showed that： （1） the order of litter accumulation was Pinus tabulaeformis forest> Larix principis-rupprechtii forest> Populus davidiana forest > Betula platyphylla  forest ， and the semi-decomposed layer was larger than the undecomposed layer， （2） the litter water capacity increased with time， but the rate tended to slow down; the water absorption rate of litter decreased with time， showed an exponential relation; the order of maximum water holding capacity was L. principis-rupprechtii > Pinus  tabulaeformis> Populus  davidiana > B.platyphylla ， the order of effective interception was L. principis-rupprechtii > P.tabulaeformis >Populus davidiana > B.platyphylla ， and the effective interception rate was  L. principis-rupprechtii > B. platyphylla > Pinus  tabulaeformis > Populus davidiana . Taken together， resultsr eveal that the litter of  L.principis-rupprechtii  has the best hydrological effect， followed by  P.tabulaeformis forest.

Key wordsWest Beijing water source protection forests; litter; litter accumulation; litter hydrological effects

枯落物是森林生态系统的重要组成部分，是影响森林水文过程的重要一环，枯落物在森林中可以截持降水，吸收水分，发挥着减小地表径流、增加土壤有机质、改善土壤结构等作用[1-3]。董辉等[1]对东莞市5个森林公园5种30年生态公益林的枯落物持水能力研究发现，枯落物最大持水量、有效拦蓄力均呈现湿地松-九节林>马占相思-岭南山竹子林>浙江润楠-豺皮樟林>木荷-油茶林>桉树-鹅掌柴林。赵娜等[2]对北京松山国家自然保护区4种林分枯落物持水效能研究发现，山杨纯林枯落物持水能力最佳，优于蒙古栎纯林、油松纯林和毛白杨油松针阔混交林。周福成[3]对塞罕坝3 种林分类型枯落物持水特性研究表明，枯落物有效拦蓄能力由大到小依次为落叶松桦木混交林、华北落叶松纯林、油松纯林。耿琦等[4]研究认为，枯落物形成的腐殖质层对土壤微生物多样性、土壤的理化性质、土壤储水能力有重要影响，相应改变林地的水文功能。不同地域、不同树种组成的林分会产生不同的枯落物水文效应。

涿鹿林场位于北京西部与河北省张家口交界处。2015年林场取得岔道林区大黑沟处的水源林造林任务66.67 hm，是首都北京永定河上游重要的水源保护林区。为合理评估水源林的水文功能，本文选取涿鹿林场分布最多的油松（Pinus tabuliformis）、山杨（Populus davidiana）、白桦（Betula platyphylla）、华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）为研究对象，测定其枯落物蓄积量和水文效应，以期为森林的水源保护及京津冀生态维护等方面提供科学依据。

1研究区概况

涿鹿县地处39°40′—40°39′ N，114°55′—115°31′ E，位于北京西部、河北省西北部、张家口市东南部。大地构造属燕山沉降带，山西台背斜交界过渡地带。海拔500～2 800 m。属温带大陆性季风气候，年均降水量372.7 mm，雨量主要集中在夏季，冬季严寒冻期长。年均温9.1 ℃，极端高温39.2 ℃，极端低温-23.9 ℃。土壤类型以褐土为主。植被类型以落叶阔叶林、针阔叶混交林为主。主要造林树种以油松、白桦、山杨为主，其次是华北落叶松、蒙古栎（Quercus mongolica）等。

2研究方法

2.1标准地设置

在涿鹿林场内选取油松、山杨、白桦和华北落叶松4种纯林类型，在分布较为均匀且其他树种较少的位置设置标准地，规格为30 m×30 m，样地概况见表1。在各标准地内随机选取3个1 m×1 m的样方，利用钢尺测量枯落物未分解层和半分解层厚度，并分别收集，装入塑封袋带回室内。将枯落物样品自然风干用于测定枯落物持水性能。取部分样品置于80 ℃烘箱中烘干至恒质量，此时质量即为枯落物干质量，用于计算枯落物蓄积量。

2.2枯落物持水性能测定

运用室内浸泡法进行测定。将自然风干的枯落物取样称质量，装入孔隙为1 mm×1 mm的尼龙网袋中，做好标记，放入盛有清水的容器中，样品要完全浸没于水中以保证枯落物样品被充分浸泡。分别测定0.5、1、2、4、6、8、24 h的质量变化，计算出各浸泡时间枯落物持水量、持水率、有效拦蓄量、有效拦蓄率及吸水速率[5]。最大持水量为浸泡24 h的持水量，此时的持水率为最大持水率。

2.3数据处理与分析

用Excel 2016软件和SPSS 19.0软件对数据进行统计、差异性分析和制图。

3结果与分析

3.1不同林分枯落物蓄积量差异

由于植物类型不同，其所受光照、水分、温度等情况不同，导致不同林分枯落物蓄积量不同[6]。

由表2可知：从未分解层占总量的比例来看，山杨林最大（53.60%），油松林最小（19.38%）;從半分解层占总量的比例来看，油松林最大（80.62%），山杨林最小（46.40%）。不同林分枯落物厚度和蓄积量存在差异性。半分解层与未分解层蓄积量有明显差异，油松林、白桦林和华北落叶松林半分解层高于未分解层，山杨林为分解层高于半分解层。4种林分枯落物总厚度为4.1～5.5 cm，白桦林最低，油松林最大，油松林与其他3种林分差异显著，其他3种林分之间差异不显著。枯落物总蓄积量为5.07～8.89 t·hm，不同林分枯落物蓄积量排序为：油松林>华北落叶松林>山杨林>白桦林，油松林显著大于其他3种林分，白桦林显著小于其他林分，白桦林和山杨林差异不显著。

3.2不同林分类型枯落物持水过程

3.2.1枯落物持水量

枯落物持水量与浸水时间的关系也是评价枯落物持水特征的重要指标[7]。由图1可知：随着浸泡时间的增加，未分解层和半分解层枯落物的持水量变化趋势均为递增趋势，且持水量与浸水时间呈对数关系，R均接近0.9，拟合效果好。（1）未分解层前1 h华北落叶松持水量增长明显高于其他林分，从初始的18.83 t·hm增长到21.77 t·hm。在4～8 h油松、山杨和白桦持水量增长显著，分别从16.59、9.68、13.61 t·hm增加到18.00、11.17、15.05 t·hm。（2）半分解层前1 h华北落叶松持水量增长明显高于其他林分，从初始的18.91 t·hm增长到23.09 t·hm。在4～8 h油松、山杨和白桦持水量增长显著，分别从19.97、11.08、13.96 t·hm增加到22.63、13.65、16.16 t·hm。

3.2.2枯落物吸水速率

枯落物吸水速率越快则在降雨中吸收地表径流的效率也就越高，保持水土的能力也越大[8]。由图2可知：随着浸泡时间的增加，其未分解层和半分解层枯落物的吸水速率变化趋势一致，均为递减的趋势，前2 h下降明显，随后速率逐渐趋缓，24 h基本达到稳定。未分解层初始吸水速率大小排序为油松（2 897.2 g·kg·h）>华北落叶松（2 393.8 g·kg·h）>山杨（1 453.6 g·kg·h）>白桦（1 345.8 g·kg·h），半分解层初始吸水速率大小排序为白桦（5 478.4 g·kg·h）>华北落叶松（1 507.0 g·kg·h·）>油松（827.2 g·kg·h）>山杨（564.8 g·kg··h）。同一林分对比下，油松、山杨、华北落叶松吸水速率未分解层大于半分解层，白桦吸水速率半分解层大于未分解层。

3.3不同林分类型枯落物持水能力比较

枯落物的最大持水量和最大持水率可以体现枯落物的持水能力[9]。由图3可知，油松林和山杨林最大持水率半分解层大于未分解层，白桦林和华北落叶松林最大持水率未分解层大于半分解层。未分解层最大持水率排序为华北落叶松林（321.90%）>白桦林（312.44%）>山杨林（263.74%）>油松林（197.94%），油松林显著小于其他3种林分。半分解层最大持水率排序為山杨林（305.56%）>油松林（276.83%）>白桦林（275.27%）>华北落叶松林（265.11%），各林分半分解层最大持水率无显著差异。平均最大持水率白桦林最大，油松林最小，其大小依次为白桦林（293.85%）>华北落叶松（293.50%）>山杨林（284.65%）>油松林（237.38%），不同林分平均最大持水率华北落叶松、白桦、山杨之间无显著性差异，而油松显著低于其他3种林分。枯落物总的最大持水量排序为华北落叶松（60.56 t·hm）>油松（47.56 t·hm）>山杨（29.31 t·hm）>白桦（26.08 t·hm）。未分解层最大持水量排序为华北落叶松（25.01 t·hm）>油松（17.92  t·hm）>山杨（11.44  t·hm）>白桦（10.03 t·hm）;半分解层为华北落叶松（35.56 t·hm）>油松（29.63 t·hm）>山杨（17.87 t·hm）>白桦（16.05 t·hm）。总的最大持水量、未分解层最大持水量、半分解层最大持水量3个指标的差异性规律完全一致，均表现为华北落叶松显著大于山杨和白桦林，油松和其他3种林分无显著性差异。

3.4不同林分类型枯落物有效拦蓄能力比较

枯落物的最大拦蓄量和拦蓄率不能反映实际的拦蓄能力，一般用有效拦蓄量和有效拦蓄率来表示枯落物的拦蓄能力[10]。由图4可知：未分解层有效拦蓄量的范围为7.10～18.17 t·hm，有效拦蓄量排序为：华北落叶松（18.17 t·hm）>油松（14.32 t·hm）>山杨（8.41 t·hm）>白桦（7.10 t·hm）。半分解层有效拦蓄量的范围为9.78～25.19 t·hm，有效拦蓄量排序为：华北落叶松（25.19 t·hm）>油松（23.61 t·hm）>山杨（12.90 t·hm）>白桦（9.78 t·hm）。有效拦蓄率未分解层的范围为20.93%～46.06%，有效拦蓄率排序为：华北落叶松（46.06%）>白桦（44.96%）>油松（34.18%）>山杨（20.93%）。半分解层有效拦蓄率的范围为28.68%～59.56%，有效拦蓄率排序为：华北落叶松（59.56%）>白桦（59.26%）>油松（48.29%）>山杨（28.68%）。有效拦蓄量为华北落叶松最大，白桦最小;有效拦蓄率为华北落叶松最大，山杨最小。

4结论与讨论

森林枯落物的厚度和蓄积量体现了森林枯落物的输入量和分解程度，其受林分类型、土壤、水源、人类活动等多方面因素影响。通常来说，枯落物蓄积量与枯落物厚度成正相关。本研究结果显示，油松林枯落物厚度最大，且蓄积量最大，白桦林枯落物厚度最小且蓄积量最小，和许小明等[11]的研究结果相似。枯落物蓄积量越大，森林涵养水分的能力就越强。4种林分枯落物总最大持水量以华北落叶松林最大，白桦林最小。华北落叶松枯落物蓄积量和厚度不是最高，但其表现出了较好的持水性能，这与赵娜等[5]的研究有所不同。可能与不同地区不同树种枯落物自身的吸水性能差异有关。枯落物有效拦蓄量和有效拦蓄率由于枯落物自身持水特性、厚度、蓄积量等的不同而表现出差别。从有效拦蓄量和有效拦蓄率两方面看，华北落叶松林的拦蓄能力均最大。枯落物吸水速率随时间增加逐渐减弱，与温亚飞等[12]的研究结果一致。

本文研究结果表明，京西水源林枯落物的蓄积量排序为油松林>华北落叶松林>山杨林>白桦林，枯落物总的最大持水量排序为华北落叶松>油松>山杨>白桦，枯落物有效拦蓄量排序为华北落叶松>油松>山杨>白桦，有效拦蓄率排序为华北落叶松>白桦>油松>山杨。华北落叶松林拦蓄效果优于其他3种林分，故在今后的森林经营中可以适当增加华北落叶松和油松的栽植面积，以提高森林的水源涵养能力。

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