冀北山地落葉松林枯落物層水文效應(yīng)研究

黃巖，剪文灝，黃永輝，李淑春，肖志軍

(河北木蘭圍場國有林場管理局,河北 承德 068450)

冀北山地落葉松林枯落物層水文效應(yīng)研究

黃巖，剪文灝，黃永輝，李淑春，肖志軍

(河北木蘭圍場國有林場管理局,河北 承德 068450)

采用樣方法對冀北山地落葉松林的枯落物層進行了調(diào)查，并對其水文效應(yīng)進行了研究。結(jié)果表明:(1)冀北山地落葉松林枯落物厚度為3.6～4.2 cm，生物量的變化范圍為8.41 ～11.46 t·hm-2，陰坡枯落物的積累量較大。(2)枯落物最大持水量20.8 ～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；對枯落物的持水量與浸水時間進行回歸分析，符合Q=aln(t) +b的對數(shù)關(guān)系；枯落物在前0.25 h內(nèi)的吸水速率最大，6 h左右速率明顯降低。(3)枯落物的半分解層攔蓄能力高于未分解層，以樣地C(海拔1180～1310 m，西北坡，坡度25-30°)的枯落物攔蓄能力最強。

冀北山地；落葉松；枯落物；水文效應(yīng)

AbstractLitter layer ofLarixprincipis-rupprechtiiin northern Hebei Province was investigated,its hydrological effect was studied.Result shows that: (1) The litter thickness of three species ofLarixprincipis-rupprechtiiplantation in northern Hebei Province is from 3.6 cm to 4.2 cm; the variation range of biomass is from 8.41 t·hm-2to 11.46 t·hm-2, and the accumulation of litter is Larger. (2) The maximum water holding capacity of litter is from 20.8 t·hm-2to 29.1 t·hm-2, and the maximum water holding capacity is from 284% to 346%. The water retention and immersion time of litter were analyzed by regression analysisQ=aln (t) + b; litter in the first 0.25 h is the maximum the water absorption rate reduce significantly 6 h or so. (3) Litter of the semi-decomposed layer of storage capacity is higher than that of the decomposition layer, litter storage capacity of sample C is the strongest.

KeywordsMountain of northern Hebei Province;Larixprincipis-rupprechtii; litter; hydrological effect

枯落物層和土壤層對森林截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分具有很重要的作用[1]。木蘭圍場位于華北山地，森林多針葉樹種，針葉樹以華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)為主。該地區(qū)的研究主要集中林分的結(jié)構(gòu)、生長特性和物種多樣性等方面,對林分持水能力的研究則相對較少[2]。為此，本文對木蘭圍場落樺混交林的枯落物層與土壤層的持水能力做了研究,旨在為森林健康監(jiān)測和評價提供一定的理論依據(jù)[3-5]。

1 研究區(qū)概況

圍場縣位于承德境內(nèi)，地理坐標41°47′—42°06′ N，116°51′—117°45′ E，與內(nèi)蒙古接壤，處于華北山石區(qū)的沿壩地區(qū)，是山區(qū)與壩上的過渡地帶。海拔750～1 829 m，年平均溫度-1.5～4.8 ℃,年無霜期90～125 d，年均降水380～560 mm。土壤種類較多，植物種質(zhì)資源很豐富，野生的種子植物達793種，蕨類植物22種。試驗地點設(shè)在圍場縣木蘭林管局的北溝林場[6,7]。

2 研究方法

2.1 枯落物蓄積量測定

選取三塊大小為30 m×30 m的華北落葉松純林樣地，編號為樣地A、B、C。對樣地內(nèi)環(huán)境因子進行調(diào)查，得到樣地基本概況表1。在每個樣地內(nèi)的四個角及中心位置分別設(shè)置5塊50 cm×50 cm的小樣方，測定每個樣方內(nèi)枯落物不同分解層的厚度。將枯落物的半分解層和未分解層分別裝袋稱質(zhì)量，計算枯落物生物量。將5個小樣方內(nèi)枯落物的總厚度、未分解層和半分解層的厚度測定出來，取其均值作為樣地內(nèi)枯落物的厚度。

表1 樣地基本概況

2.2 枯落物持水量和吸水速率的測定

將收集的枯落物放入烘箱內(nèi)烘干24 h后取出稱質(zhì)量，采用室內(nèi)浸泡法將枯落物浸入水中，分別測定其0.25、0.5、1、2、4、8、10和24 h的質(zhì)量并記錄，分析枯落物的持水過程及持水速率的變化[8-10]，每次取出后稱質(zhì)量，所得枯落物的質(zhì)量與枯落物干質(zhì)量的差值為這一時刻枯落物的持水量，某一時刻枯落物的持水量與這一時刻的比值為這一時刻枯落物的吸水速率，采用以下公式來計算各個含水指標：

(1)C=(m1-m2)/m2×100%。

(2)S=(m3-m2)/m2×100%。

(3)Wm=(Rm-R0)×M

其中：C為枯落物自然含水量(%)，m1為樣品鮮質(zhì)量(g)，m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為飽和持水率，m3為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t·hm-2)，Rm為最大持水率(%)，R0為 平 均 自 然 含 水 量 (%)，M為 枯 落 物 蓄 積 量(t·hm-2)。

2.3 枯落物有效攔蓄量的測定

枯落物對降雨的實際攔蓄量的測定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來計算[10-12],即:

Wv= (0.85Rm-R0)M

式中:Wv—有效攔蓄量(t·hm-2);Rm—最大持水率(%) ;R0—平均自然含水率(%) ;M—枯落物蓄積量(t·hm-2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物層作為森林水文的第二作用層，其厚度與生物量及林分類型、生長狀況等因素有著密不可分的聯(lián)系，林分自身與環(huán)境因子的差異直接從不同程度上影響了枯落物的儲存與分解。將調(diào)查的3個不同樣地的枯落物厚度與生物量數(shù)據(jù)整理得到表2。

表2 不同樣地枯落物調(diào)查結(jié)果

由表2可知，華北落葉松純林的3個不同樣地，枯落物的厚度與生物量均不相同。從枯落物的整個層次來看，生物量按由高到低順序排列依次為樣地C(11.46 t·hm-2)>樣地B(9.32 t·hm-2)>樣地A(8.41 t·hm-2)，樣地C的枯落物厚度最大，為4.2 cm，樣地B和樣地A次之。主要是樣地C處于陰坡，林木生長與其他兩個樣地相比較好，林木代謝旺盛，枯落物積累較多，進而影響了生物量，說明枯落物的厚度與生物量之間存在著一定關(guān)系。分析枯落物不同分解層可知，未分解層枯落物的厚度與生物量均低于半分解層，這是因為華北落葉松為針葉樹種，枯落物的分解速度較慢，容易積累。

3.2 枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 整理并計算不同樣地華北落葉松枯落物最大持水量與最大持水率，結(jié)果如表3所示。

表3 不同樣地枯落物最大持水量和最大持水率

由表3可知，華北落葉松林枯落物的最大持水量與最大持水率在3個不同樣地下存在差異，樣地C的未分解層和整個層次的最大持水量最大，分別為14.0 t·hm-2和29.1 t·hm-2，樣地A的半分解層和整個層次最大持水量最小，分別為10.1 t·hm-2和20.8 t·hm-2，枯落物的最大持水率依次為樣地C(346%)>樣地B(310%)>樣地A(284%)。說明枯落物的持水量與持水率受自身分解程度影響，同時和枯落物的厚度和生物量等因素也存在一定關(guān)系。分析不同分解層的持水情況可知，未分解層的最大持水量與最大持水率均大于半分解層，說明枯落物的未分解層在持水過程中發(fā)揮主要作用。

3.2.2 枯落物持水過程 將不同樣地下的枯落物持水過程數(shù)據(jù)進行整理，得到表4。

表4 不同樣地各枯落物層持水過程

由表4可知，枯落物的持水量隨著浸泡時間的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律：在最初浸泡的0.25 h內(nèi)，枯落物的持水量迅速增加，之后隨著浸泡時間的延長，枯落物的持水量增加速度逐漸減慢，半分解層枯落物持水量在8h左右基本達到飽和，而未分解層持水量在10 h左右也基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。這一趨勢與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似,即降雨初期,枯落物攔蓄地表徑流功能較強,此后隨枯落物濕潤程度的增加,吸持能力降低。

對華北落葉松3個不同樣地不同層次的枯落物0.25～24 h之間持水量與浸泡時間的關(guān)系進行回歸分析,得出該時間段內(nèi)持水量與浸泡時間之間存在如下關(guān)系(表5):

Q=aln(t) +b

式中:Q—枯落物持水量(g/kg) ;t—浸泡時間(h) ;a—系數(shù);b—常數(shù)項。

表5 不同林分枯落物層持水量與浸泡時間關(guān)系

3.2.3 枯落物吸水速率 根據(jù)不同樣地下的枯落物持水過程數(shù)據(jù)進行整理，得到不同樣地枯落物持水率與浸泡時間關(guān)系，如表6所示。

表6 不同樣地枯落物層持水率與浸泡時間關(guān)系

由表6可知，枯落物的吸水速率隨著浸泡時間的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律：在最初浸泡的0.25 h內(nèi)，枯落物的吸水速率最大，之后迅速降低，6 h左右時下降速度明顯減緩。隨著浸泡時間的延長，枯落物的吸水速率持續(xù)降低，最終趨向一致，這是由于隨著浸泡時間的延長，枯落物的持水量逐漸接近最大持水量，持水趨于飽和，其增長速度也隨之逐漸減緩。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 最大持水量并不能代表枯枝落葉層對降雨的實際截留量，它只能反映枯枝落葉層持水能力的大小，用枯枝落葉層對降雨的攔蓄能力，枯落物的最大持水量反映的是枯枝落葉層的持水能力。而枯落物層對降雨還有截持能力，這一作用如果用最大持水率來估算，整理并計算不同樣地內(nèi)枯落物層的攔蓄量及攔蓄率，其結(jié)果會有所偏高，影響枯落物層對降雨的實際攔蓄效果。因此，在本研究中采用有效攔蓄量來反映枯枝落葉層對一次降水攔蓄能力，該指標主要與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性有關(guān)。分別計算華北落葉松林的3個不同樣地枯落物的攔蓄量攔蓄率，整理結(jié)果如表7所示。

表7 不同樣地枯落物層有效攔蓄能力

由表7可知，樣地C的有效攔蓄量及有效攔蓄率均高于其他兩個樣地，半分解層的有效攔蓄量為13.64 t·hm-2，有效攔蓄率高達369%。從不同的分解層次來看，枯落物的未分解層在有效攔蓄量和有效攔蓄率的指標上均低于半分解層，這說明枯落物的攔蓄能力除了與生物量及含水率等因素有關(guān)，還受到自身分解程度的影響。

4 結(jié)論

4.1 冀北山地落葉松林3種樣地的枯落物厚度在3.6～4.2 cm，生物量的變化范圍為8.41～11.46 t·hm-2，陰坡枯落物的積累量較大。

4.2 枯落物最大持水量在20.8～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；對枯落物的持水量與浸水時間進行回歸分析，符合Q=aln(t) +b的對數(shù)關(guān)系，R2>0.78；枯落物在前0.25 h內(nèi)的吸水速率最大，6 h左右速率明顯降低。

4.3 枯落物的半分解層攔蓄能力高于未分解層，樣地C的枯落物攔蓄能力最強。

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HydrologicalEffectsofLitterLayerinLarixprincipos-rupprechtiiPlantationofNorthernHebeiProvince

Huang Yan,Jian Wenhao,Huang Yonghui,Li Shuchun,Xiao Zhijun

( Mulan-Weichang Forestry Administration, Hebei Province, Chengde 068450,China )

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.005

1005-5215(2017)09-0014-04

2017-07-10

黃巖(1972-)，女，河北圍場人，高級工程師，從事森林經(jīng)營和苗木培育研究，Email：937962206@qq.com.

剪文灝(1973-)，男，河北承德人，高級工程師，從事森林經(jīng)營研究，Email：13833426178@126.com.