黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展

许小明, 易海杰, 何 亮, 吕 渡, 贺 洁,邹亚东, 王浩嘉, 薛 帆, 田起隆, 王妙倩, 张晓萍,

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

全球范围内，黄土高原以水土流失最为严重而闻名于世[1]。据陕县水文站观测资料显示，1919—1959年黄土高原地区多年平均输沙量为16亿t[2-3]。为控制严重水土流失造成的原位效应和异位效应，自20世纪70年代末期，国家和地方各级政府陆续实施了流域综合管理(1970s—1980s)和退耕还林(草)(1999年至今)等一系列重大水土保持措施。据统计，黄土高原地区水土流失面积由1980年代早期的4.3×105km2下降到2018年的2.14×105km2[1,3]。多年平均输沙量由过去的1.6×109t减少至2000—2018年的2.44×108t[2,4-5]。

植被恢复是遏制黄土高原地区土壤侵蚀和控制黄河输沙的最重要的因子且其作用具有长效性[6]，这已被1999年至今黄土高原地区锐减且近些年保持低位稳定的年输沙量所证明[2,7-8]。过去有关植被水土保持功能的研究，主要关注林冠层降雨截留、削弱雨滴动能[9-11]和根系土壤层在增加降雨入渗、固土防蚀能力和减少径流输移等[12-15]方面的作用。然而针对黄土高原林地枯枝落叶层的水土保持效应研究比较薄弱。

枯枝落叶层，即死地被物层，是森林垂直结构中最重要的层次，是参与森林水文循环过程中的重要作用层，在涵养水源和保持水土中发挥着重要作用[16-18]。国内学者就黄土高原地区典型天然林地和人工林地(乔木、灌木)枯枝落叶层凋落速率、分解速率、蓄积量变化、水分含量、截留降水、持水能力、降低雨滴溅蚀、抑制土壤蒸发、阻延地表径流、土壤表层理化性质改善、养分归还和提高生物活动强度等方面开展了一些有意义的研究[10,18-22]，有助于明晰林下枯落物的分布特征和减轻土壤侵蚀的重要作用。较为系统性地归纳和分析黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持综合效应，可以及时报导最新研究成果，促进对黄土高原半干旱、半湿润地区主要林地枯落物分布规律的深入认识，并深刻理解其持水能力、拦蓄径流和调控土壤侵蚀的生态功能。

本文从6个方面梳理当前黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持功能的研究现状，并对其进行综合评价，提出需要进一步研究的科学问题，以期为黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持功能的深入研究、植被恢复措施优化和森林抚育管理提供科学支撑。

1 林地枯枝落叶层水土保持效应研究现状

森林是陆地防止水土流失的积极因素，枯枝落叶层(O层)是森林生态系统特有的层次，是近地表水文效应的主要作用层，对保护森林土壤资源，减轻土壤侵蚀具有非常重要的作用，根据分解程度，划分为3个层次，即未分解层、半分解层和粗腐殖质化层[6,18,23]。国内外科研工作者很早认识并重视到枯枝落叶层在涵蓄降水、拦蓄泥沙方面的水文功能，并陆续开展了一系列野外定位研究和室内试验，取得了许多重要成果[18,24-38]。由图1可知，以往有关黄土高原地区乔木、灌木群落枯枝落叶层的野外调查样地(黑色点位)主要分布在区域中南部。土石山区、丘陵沟壑区和高塬沟壑区虽均有分布，但以土石山区研究最多，主要涵盖六盘山、子午岭、黄龙山和秦岭地区，而水土流失严重的丘陵沟壑区和高塬沟壑区的研究相对较少。以往研究主要采用野外坡面样地调查、定位监测、野外自然和人工模拟降雨、室内人工模拟降雨和浸泡等方法来研究天然林和人工林主要恢复植被类型[山杨(PopulusdavidianaDode)、油松(PinustabuliformisCarr.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、栎树(QuercusL.)和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等]枯枝落叶层的水土保持效应(表1)。

图1 黄土高原不同地貌类型区林地枯枝落叶层

1.1 枯枝落叶层凋落及蓄积量动态变化

枯枝落叶层是森林生态系统物质能量循环中的一个重要垂直结构层次，具有重要的生态水文功能，研究枯落物的凋落动态对掌握枯枝落叶层积累特征，识别枯落物初级生产力具有重要意义。常见的枯落物凋落动态研究方法主要有野外样地凋落物收集器法和蓄积量定期实测法[22]。气候植被带和植被类型等是导致林地枯枝落叶凋落起始时间和凋落过程产生差异的重要影响因子。黄土高原地区不同气候带或同一气候带内典型植被类型枯枝落叶在年、季节、月和半月尺度的凋落速率已被研究[22,43]。北部森林草原带和南部森林带落叶乔木、灌木植被分别在9月中下旬和10月上中旬叶片开始凋落。受不同树种生态学特性影响，其凋落过程存在差异。研究表明，黄土高原地区落叶阔叶林和灌木林地，如山杨、栎树、刺槐、桦树(Betulaplatyphylla)和沙棘等枯枝落叶以9月和10月最为集中，该阶段凋落量约占全年凋落总量的75%以上[19]。而针叶林如油松，其凋落过程主要发生在10月—次年4月，呈现明显的节律性[53]。凋落物主要成分均为落叶，约占总凋落量的60%～90%[43]，又以半分解层为主[54-55]。

森林枯枝落叶层蓄积量随凋落量和分解量的变化而一直处于动态变化中。以乔木群落为例，吴钦孝等[54]认为陕北丘陵沟壑区人工山杨林和油松林枯落物分别以1月份和4月份蓄积最大，而10月和7—8月蓄积量分别达到全年最低值。在中龄林的林分结构下，山杨林和油松林枯落物蓄积量均无明显增减。蓄积量受植被类型、密度、林龄、地形因子、气候(温度和降水)和人为活动等因子的影响。黄土高原地区枯落物蓄积量表现为乔木群落>灌木群落>草本群落[39]；针叶林枯落物蓄积量>落叶阔叶林[48]。六盘山地区华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)枯落物厚度和蓄积量随密度增大存在一定上限，密度在1 600株/hm2时厚度和蓄积量最大[55]。不同坡向、坡度、坡位等地形因子的对比分析表明阴坡枯落物蓄积量较阳坡枯落物蓄积量明显增加，陡坡不利于枯落物蓄存，枯落物蓄积量表现出下坡位>中坡位>上坡位。黄土高原从南到北，随降水量的递减，枯落物蓄积量表征为减少的趋势。人为放牧、火灾和采伐林木等也会减少枯落物的蓄积量。

表1 黄土高原地区林地枯枝落叶层主要研究成果

1.2 枯枝落叶层截留降雨能力

森林垂直结构分层中，除林冠层以外，枯枝落叶层具有截留林内降水，减少林地净雨量，延缓地表产汇流过程，补充土壤水分的作用[25,44]，其截留机理一直被关注[56]。依据枯落物的截留速率，将其划分为截留阶段、渗透阶段和饱和阶段[18,20,57]。截留量大小不仅与不同植被类型枯落物蓄积量存在直接关系，还与其自身特性(分解速率和持水能力)有关[58]。随林地郁闭度增加，枯落物厚度和蓄积量一般越大，截留降水能力越强。当枯落物厚度超过标准厚度(0.8～1.2 cm)，在场次降雨过程中，枯落物厚度的差异不会造成其截留降水量的显著差异[57]。持水能力越大的枯落物层，分解速率越高，截留能力越强[59]。

此外，枯落物干湿程度、降雨特征(降雨量、降水时长和雨强等)和植被类型等均会影响其截留量[18]。马雪华[59]研究认为，在降水初期，枯落物较为干燥，其截留量随降水量增大而增大，而截留率表征为相反的变化特征；截留量存在最大阈值，不会随降水过程的持续继续增加[18,49]。黄土高原典型土石山区——六盘山主要森林类型枯枝落叶层对大气降水截留的研究结果[18]表明，针叶林林内年截留量和截留率明显高于阔叶林，截留量总体与枯落物蓄积量呈正比例关系。此外，枯落物截留降雨能力具有明显的季节和月尺度变化。以油松林为例，季节尺度上，截留量表现出夏季>秋季>春季>冬季；月尺度上，6—9月截留量超过全年总截留量的50%[18]。

1.3 枯枝落叶层阻延地表径流能力

地表径流流速及流量是土壤侵蚀的主要动力，枯落物覆盖能够直接增大近地表粗糙度，致使地表径流阻力系数增加，径流流动时间延缓，坡面径流流速降低，有利于增加林地土壤入渗，减小径流冲刷土壤，抑制洪峰形成或推迟洪峰过程、削减洪峰流量[16,18,41,50,58]。枯落物层在很大程度上就是黄土高原国土整治28字方略“全部降水就地入渗拦蓄”中“拦蓄”作用的具体物质和功能化结构的重要部分[60]。

研究表明子午岭地区不同植被类型枯落物拦蓄量的大小表征为森林>灌丛[47]。黄土高原25°坡面覆盖1 cm厚度的枯枝落叶，其径流速度为裸坡的1/10～1/15[61]。坡长(60 m)相同时，天然次生林、人工林和裸露荒坡的汇流时间分别为30～40 min，10～20 min和5.9 min，林地汇流时间明显长于裸露荒坡，枯枝落叶层对径流的阻延作用非常显著[62]。坡度和径流深(或降雨强度)与枯枝落叶层阻延地表径流速度呈反比，枯枝落叶层厚度则与其呈正比[18,41,57]。不同植被类型对比发现，宁南六盘山区华北落叶松枯枝落叶层有效拦蓄深(1.63 mm)为辽东栎(QuercuswutaishanicMary.)×少脉椴(TiliapaucicostataMaxim.)混交林(0.56 mm)的2.9倍，这主要源于华北落叶松枯落物蓄积量较大[63]，这已被在子午岭地区的研究结果[48]所证明。

1.4 枯枝落叶层持水能力

栽植密度、枯落物类型、蓄积量、组分、分解程度的不同，会造成截持降水能力的差异[64]。目前，多数研究采用风干枯落物浸泡法来实测枯落物的最大持水量、最大持水率和持水过程[20-21]。研究结果表明枯落物在浸水前期(2 h以内)，吸水速度快，尤其在0.5 h以内；随浸泡时间延长吸水能力逐渐下降，24 h基本达到饱和；枯落物持水量与浸泡时间表征为对数函数关系[65]。人工降雨法实测的枯落物持水量也经历了从快速增加到缓慢增加直至趋于稳定的过程[57]。

不同栽植密度的华北落叶松人工林枯落物最大持水率总体随栽植密度增大而增大，但存在一定的上限，密度在1 600株/hm2持水率达到最大值[55]。黄土高原地区主要林分类型枯枝落叶层吸水量呈现出华北落叶松>青杨(PopuluscathayanaRehd.)>油松>樟子松(Pinussylvestrisvar. mongolica Litv.)，这主要与不同林分叶片生物学特性和结构有关[18]。枯落物持水量多少受蓄积量影响，据研究，宁南山区主要乔木和灌木群落枯枝落叶层最大持水率介于177%～387%，乔木群落枯落物蓄积量和最大持水量均大于灌木群落[21]。相同林龄条件下，针叶林由于分解速率慢，蓄积量大，其最大持水量>针阔混交林>阔叶林。从枯枝落叶层各组分来看，半分解层蓄积量、最大持水量和最大持水率均高于未分解层[18]。

1.5 枯枝落叶层抗蚀抗冲能力

林地枯枝落叶层覆盖地表对减轻或消减土壤溅蚀具有决定作用。黄土高原地区林地土壤溅蚀量通常发生在7—8月，约占全年总溅蚀量的60%以上。在土壤类型和坡度相同情景下，枯枝落叶层厚度、最大30 min雨强和林内降雨量是影响林内土壤溅蚀量的主要影响因素[66]。吴钦孝等[18]研究结果表明，随油松林和山杨林枯落物厚度增加，林地表土溅蚀量迅速减少，当枯落物厚度达到2 cm以上，溅蚀量基本趋近于0。和山杨林相比，油松林随枯落物厚度的增加溅蚀量减少较慢，可能由于油松松针较山杨树叶地表覆盖度低、分解速率慢和叶片形态小等因素导致。林地枯枝落叶层有利于削减坡面径流流速和动能，提高土壤抗冲能力，研究发现林地枯落物随厚度增加抗冲能力明显增强，当枯枝落叶层厚度达到2 cm厚度时，即使在暴雨条件下，坡面土壤侵蚀总体得到控制[44,46]。汪有科等[45]研究表明黄土高原地区主要植被类型枯枝落叶层抗冲能力表征为油松>山杨>沙棘>刺槐。在覆盖1 cm厚度枯落物的油松、山杨、沙棘和刺槐林地上，冲刷1 g土壤所需消耗的能量比坡耕地分别增大27.3，24.0，6.5，3.5倍。

1.6 枯枝落叶层增加土壤入渗能力

枯枝落叶层能够有效增加土壤入渗，减少地表径流，发挥森林涵养水源的重要作用[67-68]。其一，枯枝落叶层覆盖地表，减轻了降雨溅蚀力，保护表土结构和土壤孔隙，阻滞径流[69]，利于降雨入渗，增加土壤含水量；其二，枯枝落叶层参与土壤团粒结构形成，改善了表土结构和土壤物理性状，尤其是对0—10 cm土层的改善作用最为明显，提高了土壤表层的腐殖质层厚度[44,64]。

林地表层土壤疏松，有机质含量高，土壤容重小，根系发育，总孔隙度和毛管孔隙度增加，透水性好，促进降雨就地迅速入渗，滞后雨季降水汇流过程，是改变黄土高原地区以超渗产流为主要侵蚀动力土壤侵蚀模式的关键地表结构组成[18,53]。郭忠升等[69]对宁南六盘山区主要林分土壤入渗特征的研究表明，林区样地土壤稳渗速率主要介于7.14～22.32 mm/min，不同土地利用类型土壤平均稳渗速率表征为天然林>人工林>灌木林>草地>农地，其中未采伐林地>采伐林地，与刘向东等[10]在六盘山区森林表层土壤的入渗规律基本一致。陈云明等[40]对黄土丘陵沟壑区人工沙棘林地和荒坡土壤入渗能力的对比研究表明，人工沙棘林地在整个测定时段内土壤入渗速率均高于荒坡，尤其以入渗前期差异最大。

2 研究中存在的问题

目前，围绕黄土高原主要地貌类型区林地枯枝落叶层的生态水文功能开展的系列研究，对于深刻理解林地枯落物这一特殊层次在拦蓄地表径流，增加土壤入渗，发挥水土保持作用等方面具有重要的理论和实践指导意义，有利于重视和保护枯落物层，提高林地经营管理水平，促进当地生态环境保护和高质量发展。

通过梳理文献，发现以往枯落物的研究过程中，仍然存在一些尚需研究的问题。例如，一些研究在估算森林恢复过程中的水土保持效益时，更多地关注和考虑了林冠层盖度，对森林垂直结构分层中非常重要的近地表枯枝落叶层重视程度不够。部分土壤侵蚀预报模型缺乏从林地枯枝落叶层盖度、厚度及其生态水文功能的角度来评估其水土保持功能。目前，黄土高原地区不同气候植被带枯枝落叶层水土保持功能的对比研究有所不足。枯枝落叶凋落速率观测方面，对植被快速恢复和生态环境持续改善的丘陵沟壑区和高塬沟壑区长期定位连续观测明显不够。枯落物持水能力方面，主要基于充分供水条件下即采用室内浸泡法来研究其最大持水量、吸水速率和模拟持水过程，计算出的结果和野外大雨量级(20～30 mm/24 h)降雨条件下枯落物的最大持水能力基本一致[58]。缺乏对不同气候带典型树种在年内自然场次降雨事件和人工降雨变雨强情景下，野外坡面原位枯枝落叶层持水能力的对比分析。同时，对不同演替阶段主要树种枯枝落叶层保水保土效益的对比研究不足，缺乏植被演替过程上的分析。天然林和人工林枯枝落叶层生态水文功能的对比研究需要进一步加强，以明晰天然林和人工林枯落物水土保持功能的差异。另外，有关枯枝落叶层水文功能建立的大多为经验统计模型，物理过程模型存在空白[70]。

3 进一步研究的科学问题

黄土高原地区近20 a来，随着植被迅速恢复和生态环境持续改善，河川径流和输沙量锐减[7,71]。裸露荒坡林草植被建设，尤其是乔灌林地枯枝落叶这一明显而又关键的层次对减轻坡面土壤侵蚀，增加降雨就地入渗具有十分重要的意义[6,18,57]。枯枝落叶层水文过程是森林水文过程中不可忽视的一环，理解林地坡面土壤入渗—产汇流过程，明确枯枝落叶层在林地恢复中的水土保持意义对提高林地质量，促进黄土高原生态保护高质量发展具有重大意义。基于目前枯枝落叶层生态水文功能研究中存在的一些问题，未来可以考虑从以下几个角度，瞄准科学问题开展进一步的研究。

3.1 开展长时间、多气候梯度、多地貌和多尺度研究

黄土高原从东南到西北跨越温带落叶阔叶林带、森林草原带、典型草原带和荒漠草原带4个陆地自然带，调查不同气候植被带主要植被类型枯落物厚度、盖度和蓄积量长时间序列动态变化特征，未来着眼于不同地貌类型区、不同气候梯度带枯落物生态水文功能的对比研究，开展微地貌、多尺度(坡面尺度—小流域尺度—大流域尺度—区域尺度)的枯落物水文过程研究。土石山区作为重要的河源区，开展秦岭、子午岭、吕梁山和太行山等水源涵养区枯枝落叶层保持水土的研究工作有助于深刻理解林地枯落物在山区薄层土壤分布带的生态水文意义。

3.2 增强野外坡面长期观测和原位降雨试验研究

在黄土高原典型地貌类型区，依据气候植被带从南到北的梯度变化，分别选取区域有代表性的乔灌木林分坡面样地，定位观测枯枝落叶在年、季和月尺度上的凋落动态和蓄积量的时空变化特征并予以对比分析。考虑到枯枝落叶层在野外的自然结构状态不被破坏，基于此，分别开展自然场次降雨事件和人工模拟变雨强情景下不同林分枯落物类型、不同厚度枯落物在截留降雨、拦蓄地表径流和抗冲抗蚀能力的对比研究，以揭示和理解林地枯落物在保持水土中的特殊意义。加强枯枝落叶层在极端降雨条件下减少坡面地表径流的贡献率分析，有助于理解枯枝落叶层在森林水文过程中的重要作用。

3.3 加强天然林和人工林枯枝落叶层的对比研究

黄土高原地区天然林基本上为天然次生林，主要分布在子午岭、秦岭、黄龙山和六盘山等土石山区，而人工林主要指在历史时期为减少水土流失通过人工措施形成的森林。自1999年国家退耕还林政策实施以来新增加的林地以人工林为主，其中丘陵沟壑区和高塬沟壑区分布最多。在相似气候条件和地形因子条件下，开展天然次生林和人工林相同林分类型随林龄、林分密度变化下枯枝落叶层蓄积量、厚度、盖度特征及其生态水文功能的对比研究，对于厘清天然次生林和人工林枯落物在水土保持效益中的差异，指导人工林营林规划方案设计和造林地管理具有突出的实际指导意义。

3.4 物理模型建立和参数确定

枯枝落叶层作为近地表特殊的水土保持作用层，在林地水土保持效益中，发挥主导作用。枯枝落叶层作为联结土壤-植被-大气连续体中非常重要的薄层介质，尤其是枯枝落叶-腐殖质层这一复合层次在减轻土壤侵蚀、改善土壤质量和增加土壤入渗方面的综合效益日益受到更多的关注。开展黄土高原不同地貌类型区典型植被类型枯枝落叶层水文动态特征，建立具有物理意义的林地枯枝落叶层水土保持评价模型，对影响模型评估结果的主要参数，如枯落物种类、厚度、盖度、堆积状态、分解状态和叶片特征等进行确定和修正。