北京山區(qū)4種典型林分枯落物持水特性的定量分析

蔣麗偉

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714）

北京山區(qū)4種典型林分枯落物持水特性的定量分析

蔣麗偉

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714）

以北京山區(qū)4種典型林分為研究對象，測定各林分枯落物的蓄積量，并采用室內(nèi)浸泡法對枯落物持水過程進行分析，結(jié)果表明：（1）林分枯落物厚度及蓄積量均表現(xiàn)為栓皮櫟林＞側(cè)柏林＞油松林＞刺槐林，其中半分解層蓄積量占80%以上；（2）最大持水量變化范圍為9～77 t/hm2，有效持水量變化范圍為6～53 t/hm2；（3）枯落物持水過程表現(xiàn)為“迅速吸水-緩慢吸水-逐漸飽和”，相同持水時間下，4種林分的未分解層枯落物持水量大小為刺槐＞栓皮櫟＞側(cè)柏、油松，半分解層枯落物持水量大小為栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐；（4）枯落物吸水速率隨浸水時間的增加而減小，兩者呈一定的冪函數(shù)關(guān)系（V=ktn）。

北京山區(qū)；枯落物；持水過程；持水速率

林分的枯落物層是指覆蓋在林地土壤表面的凋落莖、葉、枝條、花、果實、樹皮以及枯死的植物殘體所形成的地被覆蓋物層［1］?？葜β淙~層作為一種疏松多空物質(zhì)，是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，依靠其強大的表面能及其類似于海綿性狀的彈性力學(xué)特征，具有截留降雨、消減動能、調(diào)節(jié)徑流及維持土壤結(jié)構(gòu)的作用，眾多研究表明，各類森林枯落物的最大持水量可達自身干質(zhì)量的2～4倍，平均為3.1倍［4］，其在森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程中的重要作用使其成為森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水分分配的第2個作用層，對降水形成徑流的過程起著中轉(zhuǎn)站作用［2-5］。許多研究者已經(jīng)在枯落物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、儲量特征、持水能力和抗侵蝕機理等方面進行了許多研究，研究枯落物層的水文效應(yīng)對于探討森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和水量平衡具有重要意義［6-7］。

北京山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)作為首都重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，在華北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和水資源安全中處于極其重要的地位，是北京經(jīng)濟社會發(fā)展的重要生態(tài)屏障。國內(nèi)對該區(qū)的研究主要集中在林分結(jié)構(gòu)、土壤侵蝕、森林健康評價等方面，但對其水文功能的研究則相對較少，尤其是枯落物層的水文功能［8］。本研究對北京山區(qū)4種不同林分枯落物層的持水特性進行定量分析，旨在為森林健康分析、監(jiān)測和評價提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于北京西山林場，地處北京市海淀區(qū)西北部，地理坐標(biāo)為40°3′46″N、11°5′45″E。試驗地坡度陡峭，起伏變化較大，屬于華北暖溫帶半濕潤半干旱的大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度11.6℃，年均降雨量約600 mm。植被屬暖溫帶落葉林帶的山地櫟林和油松林帶，灌木類植物主要有荊條、繡線菊、孩兒拳頭、胡枝子等，草本及地被植物主要有百草、甘野菊等。

1.2 研究方法

1.2.1標(biāo)準監(jiān)測樣地設(shè)置 對研究地內(nèi)主要優(yōu)勢林分進行樣地調(diào)查，并選擇生長良好的典型人工林地建立4塊10 m×10 m的固定標(biāo)準樣地，并對樣地的經(jīng)緯度、海拔、優(yōu)勢樹種、土壤厚度、主要林下灌木、坡度、坡向等因子進行測定，樣地概況如表1所示。

1.2.2枯落物蓄積量監(jiān)測 在4種林分樣地內(nèi)用鋼尺測定枯落物未分解層與半分解層厚度，將標(biāo)準樣地沿對角線分為4塊區(qū)域，各區(qū)域分別設(shè)置50 cm×50 cm樣方取未分解層和半分解層并裝入牛皮紙袋內(nèi)帶回，經(jīng)精度0.1 g電子天平稱重后，在烘箱內(nèi)（溫度70℃）烘干后再稱其干重。每塊樣地4塊樣方的枯落物重量的平均值作為該樣地的枯落物蓄積量，并計算4種林分枯落物層的自然含水率。

表1 研究區(qū)標(biāo)準樣地概況

1.2.3枯落物持水過程監(jiān)測 采用室內(nèi)浸泡法對4種林分枯落物的持水過程進行監(jiān)測，將烘干后的枯落物取50 g作為樣品裝入自制尼龍網(wǎng)內(nèi)，浸入水中，分別在15、30 min，1、2、4、6、8、10、24 h時取出，瀝水至沒有水滴滴落為止，稱重，記錄樣品在不同浸水時間內(nèi)的重量變化，其與烘干樣品重的差值即為枯落物在不同浸水時間的持水量，持水量與間隔浸水時間的比值即為枯落物在該時段內(nèi)的吸水速率。研究表明，降雨量達到20～30 mm后，各種林分枯落物持水率約為最大持水率的85%左右［9］，由此計算枯落物的自然含水率、大持水率、最大持水量和有效持水量：

式中，X0、Xd、X24分別為枯落物的鮮重、干重以及浸水24 h后的重量；Y0、Ymax、Ysv分別為枯落物自然含水率、最大持水率、有效持水率；Zmax、Zsv分別為枯落物層最大持水量和有效持水量，M為枯落物蓄積量。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分枯落物蓄積量

林分枯落物蓄積量主要取決于枯落物的輸入和分解過程，其樹種組成、生長狀況以及林地水熱條件等因素都會影響枯落物的輸入和分解，從而影響蓄積量。研究區(qū)內(nèi)4種林分枯落物蓄積量有較大差異（表2）。本研究中，栓皮櫟為高大落葉喬木，林分位于陽坡，生長狀況較好，產(chǎn)生的枯落物較多，在4種林分中枯落物厚度與蓄積量最大，栓皮櫟林分的枯落物厚度可達10.5 cm，蓄積量達22.5 t/hm2；其次為側(cè)柏與油松林分，兩者枯落物厚度分別為4.0、3.8 cm，蓄積量分別為15.95 t/hm2與15.65 t/hm2；4種林分中，刺槐林分的枯落物蓄積最小，其枯落物厚度僅為2 cm，蓄積量僅為3.3 t/hm2。

表2 4種林分枯落物蓄積量

就未分解層與半分解層，4種林分也表現(xiàn)出與總厚度、總蓄積一致的規(guī)律：栓皮櫟＞側(cè)柏＞油松＞刺槐。從蓄積量中未分解層與半分解層的比例可以看出，4種林分中均是半分階層蓄積量所占比例較高，均在80%以上。其中，油松林地枯落物蓄積量中半分解層所占比例最高、達87.54%，這可能是由于油松枯落物主要由凋落的松果、松針組成，這些物質(zhì)易形成蓬松的“海綿層”，從而吸附降水在枯落物層，充分的濕潤條件使得枯落物得到分解，而松針?biāo)晒|(zhì)地堅硬，充分分解較為困難，因此半分解層所占比例最大。

2.2 林分枯落物持水量

4種林分的枯落物層最大持水量與有效持水量如表3所示。從表3可以看出，各林分中栓皮櫟林枯落物最大持水量明顯高于其他林分、為76.70 t/hm2，刺槐林枯落物層最大持水量最小、僅為9.00 t/hm2，各林分枯落物最大持水率在243.87%～340.87%。枯落物最大持水量是其最大持水率和蓄積量共同作用的結(jié)果，栓皮櫟林枯落物蓄積量最大，而油松枯落物主要為凋落松針，易形成蓬松的海綿狀吸水層；而刺槐林分枯落物蓄積量最小，因此該林分枯落物最大持水量最小。4種林分枯落物最大持水率規(guī)律為栓皮櫟＞油松＞刺槐＞側(cè)柏。這主要是由于側(cè)柏枯落物較為細碎，且質(zhì)地較硬、表面光滑，水分不容易吸附，因此其最大持水率最小。

表3 4種林分枯落物持水量及持水率

各林分枯落物有效持水量與最大持水量表現(xiàn)出一致的分布規(guī)律：栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐，這也與各林分枯落物蓄積量有關(guān)。而有效攔蓄率則表現(xiàn)為栓皮櫟＞刺槐＞油松＞側(cè)柏，這與枯落物最大持水率與自然含水率有關(guān)，而其主要原因則是枯落物本身質(zhì)地所造成的，栓皮櫟與刺槐兩種落葉闊葉林分枯落物易分解，而油松與側(cè)柏兩種針葉林的枯落物質(zhì)地堅硬，不易分解，因此其有效攔蓄率較小。由于不同林分枯落物蓄積量的差異，有效攔蓄量的大小并沒有與有效攔蓄率呈現(xiàn)一致規(guī)律。

2.3 林分枯落物持水過程

4種林分未分解層枯落物與半分解層枯落物持水量隨持水時間變化如圖1、2所示，結(jié)果表明，相同持水時間下，4種林分的未分解層枯落物持水量大小為刺槐＞栓皮櫟＞側(cè)柏、油松，半分解層枯落物持水量大小為栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐。

圖1 4種林分未分解層枯落物持水過程曲線

圖2 4種林分半分解層枯落物持水過程曲線

從枯落物的整個持水過程來看，枯落物持水過程可分為3個階段：第1階段為迅速吸水階段，在0～15 min時間內(nèi)，枯落物迅速吸水，持水量迅速上升；第2階段為緩慢吸水階段，隨著枯落物不斷吸水，其持水量的增加開始變慢，呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，未分解層枯落物在該時段內(nèi)的時間較長，主要分布在15 min～6 h，半分解層枯落物在該時段內(nèi)的時間較短，主要分布在15 min～2 h；第3階段為飽和階段，經(jīng)過迅速吸水和緩慢吸水兩個過程后，枯落物本身吸水逐漸開始飽和，持水速率逐漸趨向于零，枯落物持水量在某一值上下浮動，達到最大持水量。

2.4 枯落物持水速率

表4 4種林分未分解層枯落物持水速率（g/kg·h）

表5 4種林分半分解層枯落物持水速率（g/kg·h）

枯落物吸水速率變化與其表面的水勢差有關(guān)。各林分未分解層與半分解層在不同浸水時間的吸水速率如表4所示。從表4可以看出，4種林分呈現(xiàn)一致的變化趨勢，吸水速率隨浸水時間的增加而減小。在最初階段，烘干枯落物浸入水中，其表面水勢差很大，因此枯落物迅速吸水，其吸水速率最大。浸水15 min時，4種林分枯落物吸水速率均達到2 000 g/kg·h；其中，未分解層枯落物吸水速率大小為栓皮櫟＞刺槐＞油松＞側(cè)柏，半分解層枯落物吸水速率大小為栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐；隨著浸水時間的增加，枯落物持續(xù)吸水，其表面與周圍的水勢差逐漸減小，吸水速率隨之減小，當(dāng)浸水時間足夠長，枯落物吸水逐漸趨于飽和，吸水速率降低到最小并直致穩(wěn)定。

表6反映了4種林分類型枯落物的吸水速率V［g/（kg·h）］與浸水時間t（h）的擬合關(guān)系，結(jié)果表明，枯落物吸水速率隨浸水時間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系：

式中，k為方程系數(shù)，n為指數(shù)參數(shù)。

表6 4種林分枯落物持水速率與浸水時間擬合關(guān)系

3 結(jié)論與討論

分解和補充的交互作用使枯落物在地表形成一層結(jié)構(gòu)疏松的氈層［9-10］。研究指出，由于立地氣候、林分因子、生物活動等原因［11］，闊葉林枯落物層厚度和儲量要大于針葉林［12-14］，本研究中，4種林分枯落物蓄積量變化范圍為3～23 t/hm2，林分枯落物厚度及蓄積量均表現(xiàn)為栓皮櫟林＞側(cè)柏林＞油松林＞刺槐林，各林分枯落物蓄積量中半分解層占較大比例，均在80%以上；栓皮櫟林枯落物蓄積量明顯高于其他林分，而刺槐林枯落物極易破碎、分解，因此蓄積量較少。

國內(nèi)外對枯落物的持水特征進行了研究，其枯落物持水過程歷時曲線均表明可以分成幾個階段，但階段的劃分略有不同，各層的吸水迅速上升、緩慢上升和飽和的時間均有所差異，而造成這些差異的原因可能與樹種的枯落物組成結(jié)構(gòu)、分解狀況、孔隙度、初始含水量和林地發(fā)育生長狀況有關(guān)。本研究中，枯落物持水過程表現(xiàn)為“迅速吸水-緩慢吸水-逐漸飽和”的過程，相同持水時間下，4種林分的未分解層枯落物持水量大小為刺槐＞栓皮櫟＞側(cè)柏、油松，半分解層枯落物持水量大小為栓皮櫟＞油松＞側(cè)柏＞刺槐。

不同林分類型的枯落物持水能力必然有所差異。王佑民［10］指出，針葉樹種枯落物含有較多的油脂，不容易分解，其吸水率和有效吸水量往往沒有闊葉樹種的枯落物大。而在本研究中，4種林分枯落物最大持水量變化范圍為9～77 t/hm2，有效持水量變化范圍為6～53 t/hm2；枯落物最大持水率規(guī)律為：栓皮櫟＞油松＞刺槐＞側(cè)柏，有效攔蓄率則表現(xiàn)為：栓皮櫟＞刺槐＞油松＞側(cè)柏；而就油松和側(cè)柏兩個針葉林類型的比較結(jié)果，這可能與油松枯落物層物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，油松林的枯落物層含有大量松針，蓬松柔軟，常形成海綿狀的吸水層，因此其持水能力可能會較大。

枯落物持水量與浸水時間之間存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系，本研究結(jié)果表明，枯落物吸水速率隨浸水時間的增加而減小，兩者呈一定的冪函數(shù)關(guān)系（V = ktn），這與大多數(shù)研究者的研究結(jié)果一致。對枯落物層吸水速率隨浸水時間變化的研究可以看出，枯落物層在浸水初時吸水速率最大，隨浸水時間延長而下降。可見，枯落物層發(fā)揮截留和攔蓄降水主要發(fā)生在降水初期［15］。

枯落物層覆蓋于地表，對于調(diào)控降水的再分配、減輕土壤侵蝕、減少土壤流失等有重要作用；但是同時，枯落物分解又可增加森林土壤的養(yǎng)分，實現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)，對于林分生長具有非常重要的意義，因此對枯落物層的研究，不應(yīng)僅僅考慮其持水能力，還應(yīng)從其他方面綜合考慮。例如在本研究中，栓皮櫟林枯落物層的持水能力最好，但油松的枯落物質(zhì)地堅硬，不易分解，對于森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)可能會有所影響。另外，過于追求枯落物層的厚度也會影響森林的健康發(fā)展，枯落物層過厚過多會影響林下植被的自然更新，地表的植被覆蓋和更新狀況變差。因此，合理的林分結(jié)構(gòu)、樹種組成以及撫育措施對于改善林分生長狀況、促進枯落物分解和森林的健康發(fā)展有重要意義。

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（責(zé)任編輯 白雪娜）

Quantitative analysis of water holding capacity of 4 typical forest litters in Beijing mountainous area

JIANG Li-wei（State Forestry Bureaue Survey Scheme Designing Institute，Beijing 100714，China）

Four typical forests were selected to investigate the stock volume and water-holding capacity of litter layers，the results showed that：（1） the order of total storage capacity of four litters showed as Quercus variabilis＞Platycladus orientalis＞Pinus tabuliformis＞Robinia pseudoacacia，and the volume of half decomposition accounted for more than 80%；（2） the maximum capacity of litter layer ranged from 9 t/hm2to 77 t/hm2，and the effective capacity ranged from 6 t/hm2to 53 t/hm2；（3） the water holding of litters showed a process of “rapid absorptionslow absorption-gradual saturated”；under the same soaking time，the water holding capacity of undecomposed litters showed as R.pseudoacacia＞Q.variabilis＞P.orientalis，P.tabuliformis，and the water holding capacity of half decomposed litters showed as Q.variabilis＞P.tabuliformis＞P.orientalis＞R.pseudoacacia；（4） the absorption rate decreased by immersion time，and they showed a power function relationship （V=ktn）.

Beijing mountainous area；litters；water holding process；water holding rate

S715.7

A

1004-874X（2016）12-0030-06

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.12.006

2016-08-26

蔣麗偉 （1979-）女，碩士，高級工程師，E-mail：27177229@qq.com

蔣麗偉.北京山區(qū)4種典型林分枯落物持水特性的定量分析［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（12）：30-35.