龍門山斷裂帶主要森林類型凋落物累積量及其持水特性

楊玉蓮，馬興艷，吳慶貴，張 川，劉 濤，劉 群，趙春霖

（綿陽師范學(xué)院 生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，四川 綿陽621000）

森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它在森林涵養(yǎng)水源和保持水土過程中發(fā)揮著十分重要的作用［1－3］。一方面，凋落物的結(jié)構(gòu)疏松，具有良好的透水性和持水能力，可吸滯到達土壤表面的降水量［4］；另一方面，由于凋落物的機械阻攔作用，減緩了水流速度，從而大大地減少土壤表層的流失量［1，4－5］。受自然災(zāi)害干擾和長期人為活動的影響，在森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建過程中，凋落物在水源涵養(yǎng)方面的作用越來越引起人們的重視。目前，已有許多學(xué)者對不同區(qū)域不同森林類型的凋落物的累積量和持水特性進行了大量研究［2，6－8］，但對龍門山斷裂帶的關(guān)注還比較少，這不利于我們?nèi)娴卣J識該區(qū)森林保持水土和涵養(yǎng)水源的功能，也不利于該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建過程中方案的制定。

龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣的中部，是中國重要的地質(zhì)、氣候和生物類群交匯過渡區(qū)，其生態(tài)安全關(guān)系到長江中下游乃至全國的生態(tài)安全問題［9］。由于斷裂帶沿著四川盆地西北緣底部切過，地殼厚度在此陡然下降，且山體較陡，泥石流、滑坡等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，加上2008年的汶川大地震，使得該區(qū)域內(nèi)大量天然植被破壞，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境問題顯得尤為突出［10－11］，生態(tài)恢復(fù)勢在必行。因此，本試驗以小寨子溝自然保護區(qū)為研究對象，研究了龍門山斷裂帶4種主要森林類型凋落物厚度、累積量和持水特性，以及對凋落物層截留水量動態(tài)進行了數(shù)學(xué)模擬，以期充分認識森林凋落物的水源涵養(yǎng)、水土保持功能，也為龍門山斷裂帶森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

小寨子溝自然保護區(qū)位于四川省綿陽市北川羌族自治縣的西北部，地理坐標為103°45′—104°26′E，31°50′—32°16′N，地處橫斷山脈東沿，海拔1 160～4 769m，屬于龍門山斷裂帶的核心區(qū)域［12］。保護區(qū)內(nèi)山高坡陡，河谷幽深，坡度一般在30°以上。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均降水量約為800mm，年均溫度7.2～11.2℃，≥10°C積溫4 500℃，年日照時數(shù)1 111.5h［12－13］。土壤由黃壤、山地黃棕壤、棕壤、暗棕壤、亞高山草甸土、高山草甸土和高山寒漠土組成，保護區(qū)內(nèi)植被類型多，生物多樣性高［13］。但受頻繁地質(zhì)災(zāi)害的影響，區(qū)內(nèi)水土流失嚴重，土壤發(fā)育嚴重受阻。研究區(qū)4種主要森林類型的基本特征如表1所示。

表1 小寨子溝自然保護區(qū)4種森林類型的主要特征

2 研究方法

2.1 凋落物累積量的測定

2012年8月在研究區(qū)域4種森林類型內(nèi)各選3個標準樣地（20m×20m），然后在每個標準樣地四角及中心5個位置設(shè)1m×1m小樣方，按未分解（由新鮮凋落物組成，顏色變化不明顯，質(zhì)地堅硬，外表無分解的痕跡）、半分解（顏色變黑，葉無完整的外觀輪廓，多數(shù)凋落物已粉碎）收集樣方中全部凋落物［6］，并現(xiàn)場測定凋落物總厚度及未分解層、半分解層厚度。將所收集的凋落物樣品帶回實驗室迅速稱其鮮重，然后將各層凋落物在65℃烘干至恒重，由此計算各層凋落物的儲量、含水率以及凋落物的總儲量。

2.2 凋落物持水動態(tài)分析

在烘干至恒重的各樣方凋落物中分別取部分凋落物稱重，然后裝入100目15cm×20cm的尼龍網(wǎng)袋后，分別浸入清水中0.5，1，2，4，6，8，10，12，14，16，24h后（浸水時防止尼龍網(wǎng)袋間互相擠碰，水面高度以浸過尼龍網(wǎng)袋，凋落物不露出水面為度），將內(nèi)裝凋落物的尼龍網(wǎng)袋從清水中取出并懸掛在空中靜置約5min，當無水滴滴下時立刻稱量，最后將袋中的凋落物烘干（65℃）稱量，計算不同浸泡時段凋落物的持水量、持水率及吸水速率［6］，研究凋落物吸水動態(tài)變化規(guī)律。

2.3 凋落物持水能力測定

凋落物持水能力主要取決于凋落物累積量、最大持水率、平均自然含水率、有效攔蓄量調(diào)整系數(shù)和有效攔蓄量。采用24h浸泡時間作為凋落物最大持水量［14］，即浸泡24h凋落物有最大持水率，且采用有效攔蓄量來估算凋落物對降水的實際攔蓄量，由于實驗室所得有效攔蓄率往往高于實際自然環(huán)境條件，以經(jīng)驗常數(shù)0.85進行校正［7，15］。計算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物儲量

由表2可知，在4種森林類型中，凋落物的總厚度為28～38mm，為落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林＞常綠闊葉林。不同森林類型下凋落物總儲量大小順序為：常綠針葉林＞落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林。在4種森林類型中，未分解層凋落物的儲量所占比例均較小，而半分解層凋落物的儲量所占比例均較大。

表2 不同森林類型凋落物厚度及儲量

3.2 凋落物持水動態(tài)

3.2.1 凋落物持水量 由圖1可知，4種森林類型的凋落物持水量變化規(guī)律基本一致，即：持水量隨著浸水時間的增加而不斷增加，前30min內(nèi)增速較快，30min后減慢，浸水10h后凋落物持水量基本趨于某一穩(wěn)定值。凋落物分解程度不同，其持水量動態(tài)各不相同。未分解層凋落物在浸泡不同時間后，其持水量大小為：落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林＞常綠闊葉林；而半分解層在浸泡不同時間后，其持水量大小為：常綠針葉林＞落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林。比較同一森林類型未分解層和半分解層凋落物的最大持水量可知，未分解層最大持水量均小于半分解層，而且常綠針葉林之間差值最大。對4種森林類型各層凋落物持水量與浸水時間數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，凋落物持水量Wh與浸水時間t（0.5～24h）之間均呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系（p＜0.001，表3）?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，說明4種森林類型各層凋落物持水量與浸水時間存在較好的相關(guān)性。

圖1 不同森林類型凋落物持水量與浸水時間的關(guān)系

表3 不同森林類型凋落物持水量與浸水時間的回歸方程（n＝11）

3.2.2 凋落物持水率 由圖2可知，4種森林類型凋落物持水率在開始浸水時增加較快，0.5h后隨浸水時間的不斷增加，持水率增幅逐漸減慢，最后達到某一穩(wěn)定值。凋落物分解程度不同，其持水率動態(tài)各不相同。未分解層凋落物持水率在浸泡前6h內(nèi)，其落葉闊葉林的持水率最大，而在浸泡6h后，常綠針葉林的持水率最大，除浸泡前1h內(nèi)，常綠針葉林的持水率最小外，浸泡1h后，常綠闊葉林的持水率均最??；而半分解層凋落物持水率的大小為：落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林。

比較同一森林類型未分解層和半分解層凋落物的持水率可知，除常綠針葉林未分解層和半分解層的持水率差異不大外，其他3種森林未分解層持水率均小于半分解層。

對4種森林類型各層凋落物持水率與浸水時間數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，凋落物持水率Wh與浸水時間t（0.5～24h）之間均呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系（p＜0.001）（表4），回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，說明4種森林類型各層凋落物持水率與浸水時間存在較好的相關(guān)性。

圖2 不同森林類型凋落物持水率與浸水時間的關(guān)系

表4 不同森林類型凋落物持水率與浸水時間的回歸方程（n＝11）

3.2.3 凋落物吸水速率 由圖3可知，4種森林類型凋落物在剛浸水時吸水速率均較高，0.5h后凋落物的吸水速率均明顯下降，浸泡4h后凋落物吸水速率的降幅逐漸減變小，浸泡8h后凋落物的吸水速率基本不變，即此時凋落物吸水基本趨于飽和。凋落物分解程度不同，其吸水速率動態(tài)各不相同。在浸水0.5h時，未分解層和半分解層凋落物的吸水速率的大小均為：落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林。比較同一森林類型未分解層和半分解層凋落物的吸水速率可知，未分解層吸水速率均小于半分解層。

對4種森林類型各層凋落物吸水速率與浸水時間數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，凋落物吸水速率WA與浸水時間t（0.5～24h）之間均呈極顯著的冥函數(shù)關(guān)系（p＜0.001，表5），回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說明4種森林類型各層凋落物吸水速率與浸水時間存在較好的相關(guān)性。

圖3 不同森林類型凋落物吸水速率與浸水時間的關(guān)系

表5 不同森林類型凋落物吸水速率與浸水時間的回歸方程（n＝11）

3.3 凋落物持水能力

由表6可知，不同森林類型凋落物最大持水率在226.03%～267.79%，大小順序為落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林，其中未分解層最大持水率為：常綠針葉林最大，常綠闊葉林最??；半分解層最大持水率為：落葉闊葉林最大，常綠針葉林最??；不同森林類型凋落物最大持水量為10.95～18.67t／hm2，大小順序為常綠針葉林＞落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林，其中未分解層最大持水量為：落葉闊葉林最大，常綠闊葉林最小；半分解層最大持水量為：常綠針葉林最大，常綠闊葉林最小。

表6 不同森林類型凋落物持水能力指標

不同森林類型凋落物最大攔蓄量為6.53～10.95t／hm2，大小順序為：落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林＞常綠闊葉林，其中未分解層最大攔蓄量為：落葉闊葉林最大，常綠闊葉林最??；半分解層最大攔蓄量為：針闊混交林最大，常綠闊葉林最?。徊煌诸愋偷蚵湮镉行r蓄量為4.63～8.22t／hm2，大小順序為：落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林＞常綠針葉林，其中未分解層有效攔蓄量為：落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林＞常綠闊葉林，半分解層有效攔蓄量為：針闊混交林＞落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞常綠針葉林。

4 討論

凋落物層具有緩沖雨水動能，避免受雨水濺擊而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，調(diào)節(jié)和阻滯地表徑流的作用［4］。一般認為，凋落物的現(xiàn)存量越多，持水能力越強，其水源涵養(yǎng)功能越好［16］。本研究中4種森林凋落物無論是未分解層還是半分解層，其凋落物儲蓄量都較低，這可能是因為該區(qū)普遍山高坡陡［9］，凋落物容易受雨水沖刷而流失，同時頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，使得土壤發(fā)育受阻，植被破壞甚至死亡，凋落物儲蓄量小于其他地區(qū)。不同森林類型，凋落物蓄積量也存在差異，研究區(qū)內(nèi)常綠針葉林的蓄積量最大，而常綠闊葉林的蓄積量最小，這是因為常綠闊葉林樹種自身特征導(dǎo)致凋落物量相對較少，林內(nèi)相對較高的溫濕度環(huán)境更易于土壤動物和微生物的生長和活動，促進凋落物的分解［17］，而常綠針葉林凋落葉因質(zhì)地較硬，木質(zhì)素類難分解物質(zhì)含量高［7］，其凋落物具較低分解率，儲量較多。與常雅軍等［6］的研究結(jié)果一致，在4種森林中，未分解層凋落物的儲量所占比例均較小，而半分解層凋落物的儲量所占比例均較大，這暗示著半分解層凋落物對森林持水能力的意義可能更為重大。

不同森林類型凋落物持水量、持水率隨浸水時間的變化規(guī)律基本相似，這與大多地區(qū)的研究結(jié)果一致［7，8，15］。但不同森林類型，凋落物分解程度不同，凋落物的持水量和持水率也存在差異（圖2—3）。由于半分解層凋落物累積量大于未分解層，同時凋落物經(jīng)過一定時期的分解，結(jié)構(gòu)疏松，含油率減少，因此半分解層凋落物的持水量和持水率都高于未分解層（常綠針葉林除外），這說明了在常綠闊葉林、落葉闊葉林和針闊混交林中半分解層凋落物具較高持水能力，而在常綠針葉林中，未分解層和半分解層的凋落葉的持水率差值不大，這可能是因為常綠針葉林的凋落葉的質(zhì)地、含油率等并未在因分解程度的不同而差異很大。不同森林凋落物吸水速率隨時間的動態(tài)變化規(guī)律為：浸泡前4h內(nèi)變化最快，浸泡8h后凋落物的吸水速率基本不變，浸泡24h時吸水基本停止。這與王曉容的研究結(jié)果一致［18］。在剛浸水時，未分解層和半分解層的吸水速率均為：落葉闊葉林＞常綠闊葉林＞針闊混交林＞常綠針葉林，這說明闊葉林能在降水時迅速將水蓄積，從而大大減少地表徑流的發(fā)生，同時，凋落物分解程度越徹底，其吸水性越好［17］，在本研究中也得到類似結(jié)果（圖4）。4種森林類型不同分解程度凋落物的持水量和持水率與浸泡時間均呈對數(shù)關(guān)系，其吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)關(guān)系，這與魏強［7］、常雅軍等［6］、顧宇書等［19］的研究結(jié)果一致。

凋落物持水能力是反映凋落物水文作用的重要指標，主要取決于凋落物的累積量、最大持水率、最大持水量、平均自然含水率、有效攔蓄量調(diào)整系數(shù)和有效攔蓄量［20］。不同森林類型由于樹種生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)不同，其水源涵養(yǎng)功能也存在一定的差異［21］。本研究中，由于闊葉林的凋落葉質(zhì)地較軟，油脂量較低，其最大持水率高于針葉林。但由于現(xiàn)存量中，常綠針葉林的累積量明顯高于常綠闊葉林，因此，常綠針葉林的最大持水量也有最大值，這與王金建等［15］的研究結(jié)果一致?；诘蚵湮锍炙芰Φ睦碚撝?，落葉闊葉林和常綠針葉林的持水能力都較好，而在實際降水過程中，在山地坡面上一般不會出現(xiàn)較長時間的浸水條件，降落到坡面的雨水除一部分被凋落物層攔蓄吸收外，絕大部分很快透過凋落物層滲入到土中［15］。因此落葉闊葉林和針闊混交林在最大攔蓄量和有效攔蓄量上的較大值，可表明落葉闊葉林和針闊混交林比常綠針葉林和常綠闊葉林更適合作為植被恢復(fù)的可選森林類型。

5 結(jié)論

綜合比較龍門山斷裂帶4種主要森林類型水源涵養(yǎng)能力發(fā)現(xiàn)，受凋落物的厚度、組成、分解狀況和累積量等特性的影響，落葉闊葉林和針闊混交林表現(xiàn)出最強涵養(yǎng)水源的能力，其次是常綠針葉林，而常綠闊葉林的涵養(yǎng)水源的能力較低。龍門山斷裂帶是長江中下游水源涵養(yǎng)和水土保持的重要區(qū)域，且受“5·12”大地震的影響，水土流失嚴重，亟需加強生態(tài)恢復(fù)和保護。因此，在以后該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)和水土治理過程中，要充分考慮半分解層凋落物的水土保持作用，且宜優(yōu)選落葉闊葉林和針闊混交林模式，做好樹種搭配和配置，以更好地發(fā)揮森林植被保持水土和涵養(yǎng)水源的功能。

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