關(guān)帝山典型林分枯落物水文效應(yīng)

張 勇

（山西省水土保持科學(xué)研究所，山西太原030013）

枯落物是覆蓋在林地土壤表面的由苔蘚及森林植物落下的莖、葉、枝條、芽鱗、花、果實(shí)、樹皮等凋落物及動植物體分解而成的死地被物，同時(shí)也是森林生態(tài)系統(tǒng)中3個(gè)垂直結(jié)構(gòu)上的重要功能層之一，它在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性能等方面有非常重要的意義。目前，國內(nèi)外對于枯落物的研究主要集中在枯落物的凋落量及其凋落動態(tài)[1-3]、分解速率[4-5]、截持降水[6-7]、影響地表徑流[8-10]等方面，以動態(tài)和過程監(jiān)測為主。

山西省西部關(guān)帝山林區(qū)作為山西省重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，對于山西省生態(tài)安全和水資源安全有著重要的意義。該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)主要以天然次生林為主，尤其是20世紀(jì)90年代以來，隨著“天保工程”、“退耕還林工程”的推進(jìn)，該區(qū)域的林區(qū)面積不斷擴(kuò)大，林分類型趨于多樣，木材蓄積量逐年攀升。目前，國內(nèi)對于該區(qū)的研究主要集中在景觀變化[11]、種群結(jié)構(gòu)[12]、林地養(yǎng)分[13]、植物群落多樣性[14]等方面，而對于不同林分類型水文功能的研究則很少。

本試驗(yàn)針對關(guān)帝山林區(qū)不同林分類型枯落物的水文效應(yīng)進(jìn)行研究，旨在為關(guān)帝山林區(qū)的森林經(jīng)營，特別是提高森林的生態(tài)防護(hù)效能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)帝山位于山西省西部呂梁山脈中段，地理坐標(biāo)為 111°22′～111°33′E，37°45′～37°55′N，海拔為1600～2 830 m。該區(qū)屬暖溫帶大陸性山地氣候區(qū)，春季干燥少雨，夏季短暫多雨，秋季陰雨潮濕，冬季寒冷干燥。年平均氣溫4.3℃，年平均降水量822.6mm，降雨多集中在7—9月，該時(shí)段降水量為全年降水量的83%以上，同時(shí)該區(qū)也是山西省的暴雨多發(fā)區(qū)。主要土壤類型隨海拔高度變化呈現(xiàn)出地帶性，由高到低土壤類型主要有亞高山草甸土、山地棕色森林土、山地褐土和褐土性土。

研究地區(qū)植物種類豐富，森林類型主要為華北落葉松林、云杉林、油松林、楊樺林、山楊林、遼東櫟林純林及其混交林等。天然次生林的主要樹種有華北落葉松、云杉（青杄和白杄）、油松、山楊、樺樹（紅樺和白樺）、遼東櫟等。灌木類型主要有沙棘、箭葉錦雞兒、繡線菊、山刺玫等。草本主要有紫花苜蓿、鹿蹄草、毛茛等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與調(diào)查

根據(jù)關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)分布的典型林分類型，本研究選取其中具有代表性的5種天然次生林（華北落葉松、油松、云杉、樺樹和山楊混交林（簡稱楊樺混交林）、云杉和華北落葉松混交林（簡稱云落混交林））林地枯落物為研究對象，進(jìn)行不同林分枯落物的水文效應(yīng)研究。在不同林分內(nèi)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，并對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林齡、坡度、坡向等因子進(jìn)行了測定。標(biāo)準(zhǔn)地基本情況列于表1。

2.2 枯落物蓄積量測定

在不同林分的標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，分別選擇20cm×20cm樣方各3個(gè)，按未分解層與半分解層分別取樣。將枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，在85℃烘干后稱質(zhì)量，由此推算單位面積該林分內(nèi)枯落物的現(xiàn)存量。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

2.3 枯落物持水量、持水率測定

枯落物的持水量采用浸泡法測定。首先，對所采集的枯落物進(jìn)行風(fēng)干并稱其質(zhì)量，然后將枯落物原樣放入土壤篩，再將裝有枯落物的土壤篩置入盛有清水的容器中，水面高于土壤篩的上沿，浸泡至其質(zhì)量不變時(shí)為止?？萋湮镒畲蟪炙省⒖萋湮锍炙?、枯落物的有效攔蓄量分別采用公式（1），（2），（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中，C表示枯落物最大持水率（%）；W1表示枯落物的干質(zhì)量（g）；W2表示浸水24 h后枯落物的質(zhì)量（g）。

式中，V表示枯落物持水量（t/hm2）；L表示枯落物積累量（t/hm2）。

式中，W表示有效攔蓄量（t/hm2）；C o表示平均自然含水率（%）；M表示枯落物現(xiàn)存量（t/hm2）。

2.4 枯落物層對地表徑流的影響

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，選取1 m×2 m的樣方，然后在小區(qū)的上方設(shè)置徑流筒，通過率定，使其流量控制為2.0，2.5，3.0 L/min（其分別相當(dāng)于暴雨強(qiáng)度為60，75，90 mm/h）3 個(gè)強(qiáng)度。每次放水沖刷時(shí)，對徑流小區(qū)出口處的產(chǎn)流時(shí)間和坡面徑流的流速進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分枯落物蓄積量分析

森林枯落物層作為森林水文效應(yīng)的第2個(gè)活動層，在截持降雨、防止土壤濺蝕、攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)和增加土壤水分入滲等方面具有重要意義?？萋湮飳拥男罘e量取決于其在林地上的積累量、分解速度、積累年限，而這些又與森林的樹種構(gòu)成、林分發(fā)育、林分的水平及垂直結(jié)構(gòu)、人為活動、枯落物的分解狀況、本身的厚度和性質(zhì)等多種因素有關(guān)[15-17]。

由表2可知，不同林分內(nèi)枯落物的厚度和蓄積量存在較大差異。其中，從厚度上來看，5種不同林分的枯落物厚度從大到小依次為：云杉（4.5 cm）＞云落混交林（4.3 cm）＞油松（4.2 cm）＞華北落葉松（3.8 cm）＞楊樺混交林（3.5 cm）；枯落物未分解層以云杉（3.0 cm）為最大，楊樺混交林（1.3 cm）為最??；枯落物半分解層以楊樺混交林（2.2 cm）為最大，云杉、華北落葉松和油松的厚度基本接近。居于較高海拔的針葉林如云杉的枯落物比闊葉林更難分解，厚度較大。從蓄積量上來看，云杉（28.57t/hm2）＞云落混交林（28.34 t/hm2）＞油松（28.24 t/hm2）＞華北落葉松（28.10 t/hm2）＞楊樺混交林（23.87 t/hm2）。由此可以看出，枯落物厚度和蓄積量之間有著很好的相關(guān)性，即厚度越大，其蓄積量越大。但在枯落物樣本選擇時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，由于地形、坡向、枯落物分解和還原的速率不同，導(dǎo)致不同針葉林林下枯落物的蓄積厚度和總量差異較為明顯。

表2 不同林分內(nèi)枯落物層特征

3.2 枯落物持水能力分析

枯落物的持水能力可通過枯落物飽和水容量來反映，而枯落物飽和水容量取決于枯落物的吸水率和單位面積內(nèi)枯落物的蓄積量，飽和水容量越大，吸收和過濾地表徑流的作用越強(qiáng)，其水文作用越大。吸水率的大小可反映水容量的大小，吸水率越大，水容量也越大。不同類型林分的枯落物的吸水率不同，因此，其水容量也會發(fā)生相應(yīng)的變化。從公式（3）來看，若枯落物持水能力均以最大持水率來計(jì)算的話，與實(shí)際情況有較大差異，通過0.85這一系數(shù)對于最大持水率進(jìn)行折中，進(jìn)而得到有效攔蓄量，用這一指標(biāo)來反映枯落物的實(shí)際持水能力較為合理。

從表3可以看出，不同枯落物的未分解層和半分解層的最大持水率存在較大差異，其最大持水率平均值從大到小依次為：云杉（384.03%）＞云落混交林（364.42%）＞油松（351.22%）＞華北落葉松（344.42%）＞楊樺混交林（312.04%）?？萋湮镒畲蟪炙渴茏畲蟪炙屎托罘e量2個(gè)因子的影響，但是其排序與最大持水率一致。其中，云杉枯落物的最大持水量為110.99 t/hm2，有效攔蓄量達(dá)到93.01 t/hm2，持水深度為9.30 mm，各項(xiàng)指標(biāo)均為最大；最小的仍為楊樺混交林，枯落物最大持水量為71.10 t/hm2，有效攔蓄量為63.17 t/hm2，持水深度為6.32 mm。

表3 不同林分枯落物持水特性

3.3 枯落物阻滯徑流能力分析

枯落物的存在，使得林地坡面異于裸坡面，本研究通過不同小區(qū)內(nèi)不同流量的沖刷試驗(yàn)，觀測比較產(chǎn)流時(shí)間和徑流速率，結(jié)果列于表4。

表4 不同林分枯落物產(chǎn)流特性

由表4可知，不同林分的小區(qū)內(nèi)，在不同流量情況下，裸地的產(chǎn)流時(shí)間最短，徑流速率最大；5種林分內(nèi)，云杉小區(qū)的產(chǎn)流時(shí)間最長，徑流速率最小。這可能是由于云杉林分內(nèi)的枯落物蓄積量較大，給林地地表增加了糙度，加大了徑流流動的沿程阻力，為地表徑流下滲提供了相對充分的時(shí)間?？傮w來看，枯落物的存在及其作用對于山高坡陡、暴雨頻發(fā)的關(guān)帝山林區(qū)涵養(yǎng)水源、保持水土、維持生態(tài)安全意義非凡。

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)選取關(guān)帝山不同林分枯落物進(jìn)行實(shí)地研究，觀測其蓄積量、持水能力和阻延徑流能力，結(jié)果表明，對于不同的林分類型，由于其枯落物種類、分解特性等不同，使得枯落物的蓄積量也不相同。5種林分枯落物蓄積量從大到小依次為：云杉（28.57 t/hm2）＞云落混交林（28.34 t/hm2）＞油松（28.24 t/hm2）＞華北落葉松（28.10 t/hm2）＞楊樺混交林（23.87 t/hm2）。不同林分枯落物的持水能力存在較大差異。云杉枯落物持水能力最大，其最大持水量、有效攔蓄量和持水深度分別為：110.99 t/hm2，93.01 t/hm2，9.30 mm；楊樺混交林枯落物持水能力最小，持水量為71.10 t/hm2，有效攔蓄量63.17 t/hm2，持水深度為6.32 mm。

林地枯落物的存在，可以顯著阻延地表徑流，促進(jìn)其下滲，減弱其沖刷能力，這對于該區(qū)域保持水土、涵養(yǎng)水源意義重大。

本研究僅在林分枯落物這一層次上進(jìn)行了森林水文方面的探討，對該區(qū)域水文研究有所補(bǔ)充。在今后的研究中，一方面需要加大枯落物持水過程方面的研究，另一方面也需要拓寬研究范圍，如林冠層和土壤層次方面的水文功能研究。

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