白樺純林和華北落葉松純林枯落物層的水文效應(yīng)
——以六盤山疊疊溝小流域為例

王正安，邸利，王彥輝，余治家，周旺來，唐瑜敏

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏 固原 756000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；5.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450000)

森林枯落物是指覆蓋在林地上部各器官的枯死、脫落物的總稱，包括林內(nèi)喬木和灌木的枯枝、枯葉、落皮及繁殖器官等.在森林的3個作用層中，森林枯落物層作為森林水文效應(yīng)的第2個活動層，具有截持降水、抑制土壤水分蒸發(fā)、阻延地表徑流及防止水土流失、改善土壤理化性質(zhì)等作用，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-3].目前，針對林地枯落物層水文功能，國內(nèi)外專家及學(xué)者已做了大量的研究工作，并取得了一定成果.Dabney[4]認為影響森林枯落物凋落的因素與樹種組成、季節(jié)變化、生長狀況等因素有關(guān)；井明偉等[5]研究青龍山小流域3種混交林認為枯落物的總厚度與積蓄量存在顯著相關(guān)性；也有研究表明，在不同的環(huán)境下，水分、溫度、土壤生物等都可能成為枯落物分解最主要的影響因子[6]；張雷燕等[7]認為闊葉林的改良土壤和涵養(yǎng)水源能力都優(yōu)于針葉林.

寧夏六盤山地處干旱半干旱向半濕潤地區(qū)的過渡帶上，是我國西北地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地之一，素有黃土高原“綠島”之稱.本文結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)白樺林和華北落葉松林枯落物層水文效應(yīng)進行了分析，為系統(tǒng)、全面研究這一地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和森林健康經(jīng)營提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏固原市原州區(qū)疊疊溝小流域，坐標(biāo)為E 106°4′55″～106°9′15″，N 35°54′12″～35°58′33″，氣候類型為典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候，流域面積25.4 km2，年平均氣溫6～7 ℃，無霜期約130 d，雨季集中在每年的7～9月，年均降水量為449 mm，年潛在蒸發(fā)量為(1 050±180.5) mm，是年均降水量的2.3倍.隨著我國西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)和退耕還林還草工程的實施，該林區(qū)從20世紀(jì)80年代進行大面積的植樹種草，加強管護與造林工作的力度，實行封山育林措施，保護植被的恢復(fù).該流域的植被主要有自然草坡和灌叢，現(xiàn)存森林主要分布在陰坡和半陰坡華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工純林，以及在坡腳或河道旁的少量白樺(Betulaplatyphylla)等.

1.2 樣地設(shè)置

2017年5月，選取2種不同植被類型具有代表性的典型地段，設(shè)置面積均為30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對樣地內(nèi)白樺林和華北落葉松林進行每木檢尺，測定其株數(shù)、冠幅、胸徑、林齡、樹高、郁閉度等指標(biāo)，同時測量并記錄各樣地的坡度、坡向、海拔等立地特征，各樣地植被生長情況見表1.

1.3 研究方法

1.3.1 枯落物蓄積量測定 2017年8月10～12日，在2種類型林地內(nèi)分別在上部、中部和下部，各取面積為50 cm×50 cm的3個標(biāo)準(zhǔn)枯落物樣方.采用鋼尺測量枯落物未分解層和半分解層厚度并進行現(xiàn)場記錄.將收集的枯落物樣品分別裝入密封袋中

表1 樣地基本概況

帶回實驗室內(nèi).將樣品在85 ℃烘干至恒重，稱重并計算枯落物自然含水量，取樣地內(nèi)各樣方測量結(jié)果的算數(shù)平均值代表該樣地枯落物的厚度和蓄積量，可以據(jù)此推算單位面積的枯落物現(xiàn)存量.

1.3.2 枯落物持水過程測定 將取回的未分解和半分解枯落物分別取出120 g裝入尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，水中浸泡0.25、0.5、0.75、1、2、4、6、8、10、12、24 h稱重，每次取出后需靜置約5 min，當(dāng)枯落物不再滴水時迅速稱重，測量出枯落物的吸水過程，每種植被類型做3次重復(fù)，求其平均值.

1.3.3 枯落物持水能力測定 枯落物的最大持水量和最大持水率通常指的是枯落物達到穩(wěn)定持水量時的持水量和持水率[8].通過以下計算可知枯落物自然含水量、最大持水量、有效攔蓄量、攔蓄率等水文特征參數(shù)[9].

Wo=W1-W2

Rm=(W1-W2)/W2×100%

Wc=W3-W2

Ro=(W3-W2)/W2×100%

Wm=(Rm-Ro)M

W=(0.85R-Ro)M

式中，Wo為枯落物最大持水量；W1為浸水24 h時的枯落物重；W2為枯落物干重；W3為枯落物鮮重；Rm為枯落物最大持水率；Wc為枯落物自然含水量；Ro為枯落物自然含水率；Wm為枯落物最大攔蓄量；W為枯落物有效攔蓄量；M為枯落物蓄積量；0.85為有效攔蓄系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量

枯落物的蓄積量主要受林分密度、結(jié)構(gòu)、林齡、立地條件(微地形)、枯落物輸入量、分解速度、累計年限、樹種構(gòu)成、生長狀況、人為干擾以及林地內(nèi)的水熱條件等影響[10-12].對疊疊溝小流域2種主要植被類型下枯落物厚度及蓄積量進行調(diào)查，結(jié)果如表2所示，白樺林和華北落葉松林枯落物厚度存在差異.從厚度來看，白樺林總厚度是華北落葉松林的1.6倍；從不同分解層次來看，枯落物厚度均以半分解層比重最大，白樺林半分解層的厚度是未分解層厚度2倍；由于其枯落物厚度不同，枯落物儲量也存在一定差別.白樺林和華北落葉松林的枯落物總量分別為10.1、7.76 t/hm2，華北落葉松林枯落物儲量是白樺林的1.3倍，其中白樺林枯落物層的未分解層、半分解層蓄積量分別為3.68、6.42 t/hm2，分別占枯落物總量的36.44%和63.56%；華北落葉松林枯落物層的未分解層、半分解層的蓄積量分別為2.63、5.13 t/hm2，分別占枯落物總量的33.89%和66.10%.說明闊葉林枯落物分解速率較好，而華北落葉松林未分解層和半分解層厚度幾乎達到平衡，說明針葉林枯落物分解較闊葉林遲緩，這對林地內(nèi)植物更新及土壤理化性質(zhì)的改善有很大影響.

表2 六盤山疊疊溝小流域2種林分枯落物厚度和蓄積量

2.2 枯落物持水量和浸泡時間的關(guān)系

由圖1可知，華北落葉松林和白樺林枯落物持水量與浸泡時間存在著對數(shù)函數(shù)關(guān)系.無論是未分解層還是半分解層，白樺林的持水能力普遍高于華北落葉松林.各林地枯落物的持水作用突出表現(xiàn)在降雨前的2 h以內(nèi)，表現(xiàn)波動起伏較大.未分解層枯落物在水中浸泡6 h后，持水量基本達到飽和狀態(tài)，隨著浸泡時間的增加其持水量基本不再增加，呈穩(wěn)定趨勢.半分解層在浸水10 h后，持水量達到最大值.再延長泡水時間，各枯落物的持水量基本不再變化.

對白樺林和華北落葉松林枯落物持水量與浸水時間擬合分析，表明二者有相關(guān)性極顯著(r>0.90，P<0.01)，擬合方程為：

y=alnt+b，

式中，y為枯落物持水量(g/kg)；t為浸水時間(h)；a為方程回歸系數(shù)；b為方程常數(shù)項.

2.3 枯落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

如圖2所示，華北落葉松林和白樺林枯落物吸水速率與浸泡時間存在冪函數(shù)關(guān)系.在浸水的前期(0～2 h)吸水速率相差較大，但隨著浸泡時間增加，

圖1 枯落物持水量與浸泡時間關(guān)系Figure 1 The relationship between water-holding capacity and soaking time of litter

圖2 枯落物吸水速率與浸泡時間關(guān)系Figure 2 The relationship between water absorption rate and soaking time of litter

2種林下枯落物吸水速率隨時間變化趨勢一致，最終趨于穩(wěn)定，這主要是隨著浸泡時間延長，枯落物持水量達到飽和狀態(tài)所致.

對所研究的2種林下枯落物未分解層、半分解層吸水速率與浸水時間的數(shù)據(jù)進行了回歸分析擬合，表明枯落物的吸水速率和浸水時間相關(guān)性極顯著(r>0.85，P<0.01)，擬合關(guān)系方程為：

V=ktn

式中，V為枯落物系數(shù)速率[g/(kg·h)]；t為浸泡時間(h)；k為方程系數(shù)；n為指數(shù).

2.4 枯落物持水能力

由表3可知，白樺林枯落物層的自然含水量、平均自然含水率、最大持水量都大于華北落葉松林，且半分解層強于未分解層，這可能與枯落物蓄積量及自身特性有關(guān)，表明華北落葉松林的持水能力相對較弱.最大攔蓄量代表最大可能的降水截留量，主要是反映的扣除枯落物層本身含水量以外枯落物層持水能力的大小[13].通常采用調(diào)整系數(shù)0.85來估算枯落物層的有效攔蓄量[14-15].

通過對白樺林和華北落葉松林林下枯落物未分解層最大持水量比較可知，白樺林下枯落物未分解層持水量最大，為2 861.53 g/kg.白樺林枯落物總持水量大于華北落葉松林枯落物的總持水量，說明在該流域白樺林枯落物的攔洪能力強于華北落葉松林.由表3可知，2種林分類型的枯落物層未分解層和半分解有效攔蓄量分別為5.66～8.19、7.35～12.66 t/hm2，且總的有效攔蓄量為白樺林>華北落葉松林；枯落物層未分解層和半分解有效攔蓄率分別為215.35%～222.49%、143.43%～197.27%，且總的有效攔蓄率為白樺林>華北落葉松林.說明在該流域內(nèi)，白樺林的有效攔蓄量優(yōu)于華北落葉松林，且防洪蓄水能力表現(xiàn)較好.

表3 六盤山疊疊溝小流域2種林分枯落物層持水能力比較

3 討論

在我國西北干旱半干旱地區(qū)，枯落物層對森林植被的水源涵養(yǎng)、水土保持功能發(fā)揮著重要的作用.本研究表明，在2種典型(華北落葉松林和白樺林)人工林中，落物層的厚度和蓄積量大小存在簡單正相關(guān)關(guān)系.枯落物層厚度存在差異，均表現(xiàn)為半分解層厚度大于未分解層，且白樺林大于華北落葉松林；不同層次的蓄積量比例均是半分解層大于未分解層，與劉宇等[16]的研究結(jié)果一致，這是由于半分解層枯落物堆積緊密、密度較大、蓄積量較高.不同類型林地枯落物總儲量的差異性主要受造林分密度及結(jié)構(gòu)、生物活動、林內(nèi)水熱條件等影響.其枯落物厚度和儲量有很大差別，白樺林的枯落物蓄積量大于華北落葉松林，這可能是由于闊葉樹落葉較多，針葉林落葉難以分解，這和吳春雷等[17]、周祥等[18]、王波等[19]的研究結(jié)果相吻合.

當(dāng)浸水時間超過2 h后，各枯落物層持水量增加趨緩，4～10 h后基本飽和，這可能與枯落物干燥程度有關(guān)，隨著浸水時間的延長，枯落物層持水量接近飽和狀態(tài).2種林分類型的枯落物的自然持水率普遍較高，處于31.64%～39.94%，這主要是由于同期當(dāng)?shù)亟涤炅枯^多的緣故.不同林分類型枯落物最大攔蓄量為8.13～126.68 t/hm2，這與枯落物層的蓄積量及吸水特性等有關(guān).在針對枯落物持水能力試驗結(jié)果中，不同林分類型枯落物的最大持水率、持水量變化過程和吸水速率變化過程與前人的研究結(jié)果相一致[20].該結(jié)果能較好的描述枯落物的持水過程，即初期持水能力最強，隨著時間的延長而不斷降低，直至達到飽和.由結(jié)果可知，在本研究涉及的2種林分類型中，白樺林枯落物未分解層和半分解層的持水量和吸水速率均最大，這也可能與單位面積上枯落物的蓄積量、林內(nèi)水熱狀況及枯落物自身持水性能的差異有關(guān).

枯落物攔蓄降雨的能力與最大持水率和自然含水率有密切聯(lián)系，當(dāng)最大持水率越高，自然含水率越低時，在自然條件下攔蓄降雨能力越強[21].試驗結(jié)果表明，無論是未分解層還是半分解層的最大攔蓄量和有效攔蓄量均以白樺林最大，這與枯落物持水率和單位面積蓄積量有關(guān).因此，今后在六盤山森林植被保護與經(jīng)營中，應(yīng)采取調(diào)控與維護相結(jié)合的模式，使其水源涵養(yǎng)功能達到最優(yōu)化.未來還需加強枯落物層蓄積量等指標(biāo)的年際變化動態(tài)觀測，全面加強該地區(qū)不同林分類型植被的生態(tài)水文功能的監(jiān)測，以便對植被水文調(diào)節(jié)功能和水源涵養(yǎng)機理有更深入地、全面地認識.

4 結(jié)論

本文以寧夏六盤山疊疊溝小流域典型林分華北落葉松林和白樺林為研究對象，對其枯落物層水文效應(yīng)進行了分析，結(jié)論如下： 研究區(qū)內(nèi)白樺林和華北落葉松林枯落物層厚度分別為31.3、19.2 cm，枯落物總蓄積量分別為10.1、7.76 t/hm2.持水量與浸水時間成對數(shù)函數(shù)關(guān)系，持水速率與浸水時間成冪函數(shù)關(guān)系.枯落物在浸水后，吸水速率呈3個階段式：劇烈增大(0～2 h)—逐步變緩(4～10 h)—基本穩(wěn)定(12 h后)，隨著浸水時間的延長，持水量變化不大.枯落物層的自然含水率為白樺林(4.56 t/hm2)>華北落葉松(2.84 t/hm2)，有效攔蓄量為白樺林(10.43 t/hm2)>華北落葉松林(6.51 t/hm2)，有效攔蓄率為白樺林(209.88%)>華北落葉松林(179.34%).