大沙河自然保護(hù)區(qū)森林枯落物水源涵養(yǎng)功能初步研究

蘇 剛，楊 婷

(1.貴州省貴陽市花溪區(qū)生態(tài)文明建設(shè)局，貴州 貴陽 550025；2.貴州省公益林管理中心，貴州 貴陽550001)

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大沙河自然保護(hù)區(qū)森林枯落物水源涵養(yǎng)功能初步研究

蘇 剛1，楊 婷2

(1.貴州省貴陽市花溪區(qū)生態(tài)文明建設(shè)局，貴州 貴陽 550025；2.貴州省公益林管理中心，貴州 貴陽550001)

摘要：為合理調(diào)整自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林結(jié)構(gòu)布局，充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能，對(duì)7種不同森林群落類型下的枯落物進(jìn)行了儲(chǔ)量、持水量及吸水速率的測(cè)定。結(jié)果表明：各森林群落類型枯落物儲(chǔ)量排序?yàn)獒橀熁旖涣?篦子三尖杉林>人工杉木林>闊葉林>紅豆杉林>竹林>灌木林；各森林群落類型枯落物最大持水量排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>竹林>紅豆杉林>人工杉木林>灌木林>篦子三尖杉林；各森林群落類型枯落物在持水作用較強(qiáng)的前2h內(nèi)，總吸水速率大小結(jié)果為闊葉林>針闊混交林>人工杉木林>紅豆杉林>灌木林>竹林>篦子三尖杉林。0～2 h各林分林下地表枯落物層持水量幾乎呈直線上升，2 h后吸水速率上升速度逐漸變緩并趨于最大值；0～2 h各林分林下地表枯落物層吸水速率幾乎都呈直線下降，2 h后吸水速率下降速度逐漸變緩并趨于動(dòng)態(tài)平衡。綜合分析了7種不同森林群落類型下枯落物的水源涵養(yǎng)功能得出優(yōu)勢(shì)群落為針闊混交林和闊葉林，劣勢(shì)群落為灌木林。

關(guān)鍵詞：枯落物；儲(chǔ)量；持水量；吸水速率；自然保護(hù)區(qū)；大沙河

1引言

森林作為一個(gè)綜合自然體，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是生態(tài)平衡的重要調(diào)節(jié)器，在維護(hù)地球生態(tài)平衡與穩(wěn)定方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。森林有著巨大的蓄水功能，它通過地上層(喬、灌、草)、地表層(枯枝落葉)和土壤層3個(gè)水文層次對(duì)降水進(jìn)行調(diào)蓄[1]。森林植被的水源涵養(yǎng)功能,是森林植被系統(tǒng)與氣候系統(tǒng)、地質(zhì)地貌系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間相互作用的結(jié)果[2]。森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要組成部分,其功能主要體現(xiàn)對(duì)降水的攔蓄作用,它是森林的4個(gè)作用層,即森林喬木層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層對(duì)降水進(jìn)行再分配的復(fù)雜過程。研究主要圍繞森林枯枝落葉層的水源涵養(yǎng)功能[3]。

林下枯落物是指覆蓋在林地土壤表面的未分解、半分解植物凋落物，枯落物層是森林土壤獨(dú)立的發(fā)生層次，是森林結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是森林地表的重要覆蓋面，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要的作用；同時(shí)，它也是土壤有機(jī)養(yǎng)分的重要來源之一。研究枯落物層水容量及其對(duì)表層土壤物理性狀的影響具有重要的意義。林下枯落物的存在，不僅能促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，而且在水土保持、水源涵養(yǎng)等方面具有較大作用。因此，研究林下枯落物儲(chǔ)量及其持水特性就成為森林生態(tài)系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容[4]。枯枝落葉層像海綿一樣具有較大的水分截持能力，從而影響到穿透降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充和植物水分的供應(yīng)[5]。地表枯落物的存在是減少土壤侵蝕的主要因素，以整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，深入研究、綜合論述森林枯落物的水源涵養(yǎng)、水土保持效應(yīng)，對(duì)全面認(rèn)識(shí)森林植被在防災(zāi)減災(zāi)中的巨大作用,顯得十分必要[6]。主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：大沙河自然保護(hù)區(qū)不同森林群落的枯落物儲(chǔ)量測(cè)定及其持水量、吸水速率的研究。

通過上述3方面研究得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出大沙河自然保護(hù)區(qū)不同森林群落枯落物的水源涵養(yǎng)功能，以及其功能的優(yōu)勢(shì)群落，為合理調(diào)整自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化和林分高質(zhì)量地持續(xù)發(fā)展以及水源涵養(yǎng)林持續(xù)經(jīng)營(yíng)，充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能提供一定的依據(jù)。

2材料與方法

2.1研究區(qū)概況

大沙河自然保護(hù)區(qū)位于貴州省道真自治縣北部，貴州高原北緣。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°21′35″～107°47′37″, 北緯29°00′02″～29°13′17″, 總面積26990 hm2。座落在該縣三橋區(qū)永錫鄉(xiāng)高峰村與洛龍區(qū)陽溪鄉(xiāng)交界處，北面與四川南部武隆縣接壤，為大婁山東南緣支脈，巖層以古生代志留紀(jì)砂巖為主，屬中山峽谷地貌類型，地形起伏、坡度較大，一般多為40°，一般山嶺海拔1700～1900 m,谷地海拔500～700 m,相對(duì)高差300～400 m，呈現(xiàn)懸?guī)r、絕壁、險(xiǎn)峰地貌景觀。該區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒降貧夂蝾愋?，冬季冷而漫長(zhǎng)但無嚴(yán)寒，夏季溫涼無酷熱，多雨、霧，空氣濕度大，年平均氣溫11.5℃ ，最冷月平均氣溫0.8℃ ，最熱月平均氣溫22℃ ，極端最低溫-15℃。無霜期210 d，年降水量1150 mm，雨季6～9月，年蒸發(fā)量950 mm，每逢陰雨時(shí)節(jié)，大霧彌漫，尤以冬季為甚。林區(qū)土壤受地形條件的影響，在山脊、頂部為砂巖或砂頁巖上發(fā)育的山地黃棕壤性粗骨土，土層淺薄，大部分僅20～30 cm，在山中下部坡腰地段為發(fā)育在砂頁巖殘積、坡積物上的黃棕壤，土層一般較厚，pH值4～4.5。

在貴州土壤區(qū)域劃分中, 大沙河自然保護(hù)區(qū)屬黔北高原黃壤帶。由于地形、生物、氣候、母質(zhì)等成土條件的不同。形成黃壤、石灰土和黃棕壤3 個(gè)土類。境內(nèi)河流屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅畲蟮囊患?jí)支流芙蓉江水系。保護(hù)區(qū)特殊的地理位置，優(yōu)越的自然環(huán)境，孕育了種類繁多的生物資源，是我國(guó)中亞熱帶珍貴的生物物種基因庫之一，有種子植物157科488屬1591種，野生動(dòng)物463種，且珍稀種、孑遺種兼?zhèn)洹?/p>

2.2研究方法

研究的技術(shù)思路見圖1所示。

圖1　森林枯落物水源涵養(yǎng)功能研究思路

2.2.1樣地的選擇和設(shè)置

綜合考慮地理位置、立地條件、組成結(jié)構(gòu)、林分比重等因素，在大沙河保護(hù)區(qū)內(nèi)選取闊葉林、針闊混交林、篦子三尖杉林、紅豆杉林、人工杉木林、竹林和灌木林等7種林分類型為研究對(duì)象，在每個(gè)林分中設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m樣方。

2.2.2枯落物的采集

在樣方內(nèi)采集枯落物時(shí)，將未分解層和半分解層分別收集保持原樣裝箱，并現(xiàn)場(chǎng)記錄各層厚度，以用于測(cè)定枯落物儲(chǔ)量及測(cè)定其持水量及吸水速度。未分解枯落物是指枝葉基本上保持其原有的形狀及質(zhì)地；半分解枯落物指枝葉未完全腐爛，肉眼觀察能分辨出枝葉的大體形狀。

2.2.3枯落物現(xiàn)存量的測(cè)定

枯落物采集后，帶回室內(nèi)用常規(guī)烘干法(105 ℃)烘干，稱重。最后計(jì)算出單位面積枯落物現(xiàn)存量。

2.2.4枯落物持水量測(cè)定

將稱量后的枯落物原狀放入土壤篩，再將裝有枯落物的土壤篩置入盛有清水的容器中，水面略高于土壤篩的上沿。將枯落物浸入水中后，開始時(shí)每隔30 min將枯落物連同土壤篩一并取出，靜置5 min左右(枯落物不滴水)，迅速稱枯落物的濕重為Wij。待浸泡2 h后，每隔2 h將枯落物連同土壤篩一并取出稱量，最后1次待浸泡10 h后取出枯落物稱量。每次從浸泡容器中取出稱量所得到的枯落物濕質(zhì)量差值△Wij，即為第i種枯落物在(j+1)-j浸泡時(shí)間段內(nèi)的持水量[7]，其公式為：

ΔW=Wi(j+1)-Wij

(1)

式中：△Wij——第i種枯落物在(j+1)一j浸泡時(shí)間段內(nèi)的儲(chǔ)水量(g/kg)；Wi(j+1)——第i種枯落物j+1時(shí)段的濕重(g)；Wij——第i種枯落物j時(shí)段的濕質(zhì)量(g)。

2.2.5枯落物吸水速率測(cè)定

用△Wij再除以第i種枯落物相應(yīng)時(shí)段的浸泡時(shí)間△tij，即為該種枯落物此時(shí)段吸水速率△Sij[7]，其公式為：

ΔSij=ΔWij/Δtij

(2)

式中: △Sij——第i種枯落物在(j+1)-j浸泡時(shí)間段內(nèi)的吸水速率(g/kg·h)；△tij——第i種枯落物(j+1)時(shí)段與j時(shí)段的時(shí)間差(h)。

將每種森林類型林下7個(gè)枯落物的樣品分別按以上方法處理，取其平均值，即得到該種森林類型林下枯落物的儲(chǔ)量及持水量和其吸水速率。

3結(jié)果與分析

3.1枯落物儲(chǔ)量

枯落物蓄積量(又稱現(xiàn)存量)，主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林的樹種組成不同、林分所處的水熱條件不同都對(duì)枯落物蓄積量有較大影響[8]。從表1中可以看出，7種森林類型林下枯落物儲(chǔ)量有一定差別，針闊混交林林下枯落物儲(chǔ)量最大，其他依次篦子三尖杉林、人工杉木林、闊葉林、紅豆杉林、竹林，灌木林儲(chǔ)量最小。引起這種枯落物儲(chǔ)量的變化可能由于樹種不同，還有林齡、水分條件、林分結(jié)構(gòu)有關(guān)。針闊混交林由于地表干燥，屬陰坡面，溫度較低、落葉不易分解，落葉多，因而具有較高的儲(chǔ)量；由于灌木林密度不大，并且葉少，枝又不易脫落，所以枯枝落葉太少導(dǎo)致了儲(chǔ)量最小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同森林類型下枯落物未分解層、半分解層儲(chǔ)量所占比例各不相同，竹林林下枯落物未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量的40.7 % ；而闊葉林則比例最大，占總儲(chǔ)量的57.5 %。導(dǎo)致這種比例差異的主要原因可能是由于地理位置、水分條件的不同。竹林在河邊，水分充裕，微生物活動(dòng)頻繁，所以分解快。而闊葉林在坡上，水分不充裕，微生物活動(dòng)不頻繁，所以分解慢。

表1　不同群落枯落物儲(chǔ)量

3.2枯落物持水量

林地枯落物層的水文性質(zhì)可以用它的最大持水量來評(píng)價(jià),枯落物層最大持水量約為自身干重的2～4倍[9]。不同林分枯落物層的最大持水量與枯落物的種類、厚度、蓄積量、濕度及分解程度有密切關(guān)系，枯落物層最大持水量是由枯落物最大持水率與枯落物儲(chǔ)量所共同決定的[7]。

比較表2中不同類型森林林下枯落物未分解層最大持水率，可看出針闊混交林林下枯落物未分解層持水率最大，為風(fēng)干重的294.2 % ；篦子三尖杉林林下枯落物未分解層持水率最小，為其風(fēng)干重的213.9 % 。持水率大小依次是針闊混交林>闊葉林>灌木林>竹林>人工杉木林>紅豆杉林>篦子三尖杉林；但由于枯落物儲(chǔ)量不同，所以不同類型森林林下枯落物未分解層的總持水量為針闊混交林>闊葉林>篦子三尖杉林>人工杉木林>紅豆杉林>竹林>灌木林。

比較不同森林類型林下枯落物半分解層持水率，由表3可知，闊葉林枯落物半分解層持水率最大，為其風(fēng)干重的276.1 % ；篦子三尖杉林林下枯落物半分解層的持水量最小，為其風(fēng)干重的205.7%。持水率大小依次是闊葉林>針闊混交林>竹林>紅豆杉林>人工杉木林>灌木林>篦子三尖杉林；但由于枯落物儲(chǔ)量不同，所以不同類型森林林下枯落物未分解層的總持水量為針闊混交林>人工杉木林>篦子三尖杉林>闊葉林>紅豆杉林>竹林>灌木林。

表2　不同群落類型枯落物未分解層持水量　g/kg

表3　不同群落類型枯落物半分解層持水量　g/kg

7種森林類型林下枯落物未分解層與半分解層持水率相比，均是未分解層枯落物大于半分解層枯落物的持水率。7種不同林下枯落物未分解層與半分解層的持水量相對(duì)比，有一點(diǎn)波動(dòng)。整個(gè)枯落物層總持水量進(jìn)行比較，得到針闊混交林>闊葉林>篦子三尖杉林>人工杉木林>紅豆杉林>竹林>灌木林。

這說明，大沙河自然保護(hù)區(qū)不同森林群落類型枯落物層最大持水量為針闊混交林林最大，而灌木林最小。

3.3枯落物持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

從圖2和圖3中可以看出，不同森林群落類型林下枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時(shí)間之間表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。當(dāng)枯落物在水中浸泡8 h時(shí)，其持水量基本上達(dá)到最大值，即8 h之后，增加浸泡時(shí)間，其持水量基本不再發(fā)生變化。

圖2　不同群落類型枯落物未分解層持水量

圖3　不同群落類型枯落物半分解層持水量

3.4枯落物吸水速率

從表4中可以看出，不同群落類型枯落物未分解層最大吸水速率都是闊葉林，其次是針闊混交林的較大，而灌木林的最小；而且在枯落物層持水作用較強(qiáng)的前2 h內(nèi)，也基本如此。

從表5中可以看出，不同群落類型枯落物未分解層最大吸水速率是闊葉林，其次是針闊混交林的較大，而灌木林的最??；在枯落物層持水作用較強(qiáng)的前2 h內(nèi)，篦子三尖杉林和灌木林較小。

表4　不同群落類型枯落物未分解層吸水速率　g/(kg·h)

表5　不同群落類型枯落物半分解層吸水速率　g/(kg·h)

從圖4和圖5中可以看出，各林分林下枯落物層浸入水中剛開始時(shí)其吸水速率相差很大，但隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，各林分林下地表枯落物層吸水速率趨向一致。這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng)，各林分林下地表枯落物層持水量接近其最大持水量，也就是說枯落物層逐漸趨于飽和，其吸水速率隨之減緩所致。從整個(gè)吸水過程枯落物層吸水速率的變化來看，0～2 h各林分林下枯落物層吸水速率幾乎都呈直線下降，2 h后吸水速率下降速度逐漸變緩并趨于動(dòng)態(tài)平衡。

4結(jié)果與討論

枯落物層具有緩沖雨水動(dòng)能，避免受雨水濺擊而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞。還具有調(diào)節(jié)和阻滯地表徑流作用，增加土壤下滲水，減少?gòu)搅髁亢土魉佟？萋湮飳虞^厚，儲(chǔ)量較多，其吸水、保水能力強(qiáng)，而森林的水源涵養(yǎng)作用就大，發(fā)生地表徑流的幾率就小[10～13]。7種不同森林群落類型中，枯落物層的蓄積量針闊混交林遠(yuǎn)高于其他森林群落類型?？梢娽橀熁旖涣值牡乇砜萋湮飳訉?duì)森林的水源涵養(yǎng)功能要比其他森林群落類型要好?？萋湮锟們?chǔ)量大小結(jié)果為針闊混交林>篦子三尖杉林>人工杉木林>闊葉林>紅豆杉林>竹林>灌木林。

圖4　不同群落類型枯落物未分解吸水速率

圖5　不同群落類型枯落物半分解層吸水速率

枯落物層持水能力與枯落物的數(shù)量、組成、分解情況等有關(guān)，一般測(cè)定結(jié)果認(rèn)為，最大持水量大約為其自身重量的2～4倍[14]。對(duì)7種林分枯落物層持水量的研究結(jié)果也如此，其持水量是烘干重的209.8 %～280.3 %。王云琦對(duì)重慶縉云山4種典型植被枯落物水文特性的研究指出：無論是未分解層還是半分解層或分解層，林地枯落物的持水作用主要表現(xiàn)在降雨前期的2 h內(nèi)，特別是前30 min以內(nèi)[15]。通過對(duì)大沙河自然保護(hù)區(qū)7種森林群落類型枯落物持水過程的研究發(fā)現(xiàn)，針闊混交林枯落物的持水能力最強(qiáng)，闊葉林次之，持水能力最弱的是灌木林。持水量大小結(jié)果是針闊混交林>闊葉林>篦子三尖杉林>人工杉木林>紅豆杉林>竹林>灌木林。

對(duì)7種森林群落類型枯落物吸水速率的研究發(fā)現(xiàn)，0～2 h各林分林下地表枯落物層吸水速率幾乎都呈直線下降，2 h后吸水速率下降速度逐漸變緩并趨于動(dòng)態(tài)平衡，浸泡2 h持水量占其10 h持水量的80 %左右。在枯落物層持水作用較強(qiáng)的前2 h內(nèi)，總吸水速率大小結(jié)果為闊葉林>針闊混交林>人工杉木林>紅豆杉林>灌木林>竹林>篦子三尖杉林。

5結(jié)語

在大沙河自然保護(hù)區(qū)7種森林群落類型中，單就枯落物的水源涵養(yǎng)功能來講，通過比較分析枯落物的的儲(chǔ)量、持水量、吸水速率，得出區(qū)域內(nèi)7種森林群落類型中的水源涵養(yǎng)功能優(yōu)勢(shì)群落為針闊混交林和闊葉林；劣勢(shì)群落為灌木林。因此，為合理調(diào)整自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化和林分高質(zhì)量的持續(xù)發(fā)展以及水源涵養(yǎng)林持續(xù)經(jīng)營(yíng)，充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能，就要在林分結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整，選擇保持優(yōu)勢(shì)的針闊混交林、闊葉林；改善劣勢(shì)的灌木林。此次研究可以在今后的造林中選取樹種提供一定的幫助，即最好選擇針闊混交林，這樣可以提高森林群落的水源涵養(yǎng)功能。

以上只是對(duì)大沙河自然保護(hù)區(qū)內(nèi)7種森林群落的枯落物水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了初步研究，并不能代表整個(gè)森林群落的水源涵養(yǎng)功能，要更好地發(fā)揮森林群落的水源涵養(yǎng)功能，還需要廣大林業(yè)工作者在森林群落的各個(gè)結(jié)構(gòu)上做更深入的研究。

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收稿日期：2016-03-04

作者簡(jiǎn)介：蘇剛(1985—)，男，助理工程師，主要從事林業(yè)相關(guān)工作。

中圖分類號(hào)：S714

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2016)10-0128-05