麥積山風(fēng)景區(qū)5種典型林分枯落物水文效應(yīng)研究

何鵬，王具元

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020)

作為一個(gè)重要主體，陸地系統(tǒng)是整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的一部分。同時(shí)，在陸地系統(tǒng)中，森林生態(tài)系統(tǒng)又是其中的一項(xiàng)重要構(gòu)成。它的構(gòu)成一共可以分為3個(gè)層次，即林冠、枯落物、土壤等3個(gè)層次。各個(gè)層次有其特定的生態(tài)功能，且各個(gè)功能之間通過(guò)一定的紐帶相互聯(lián)系，尤其在水文效應(yīng)過(guò)程中他們之間的聯(lián)系更加緊密，枯落物層處于林冠層和土壤層之間，起著橋梁的作用。森林枯落物層含有大量的有機(jī)物，森林枯落層中含有的有機(jī)物，由于土壤下方有多種微生物，這么多微生物一起發(fā)揮作用，可以將土壤中的有機(jī)物分解成各種腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)有多種功能，首先，它可以豐富土壤的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土壤的性能，充分發(fā)揮土壤中毛管的孔隙度功能，進(jìn)一步增強(qiáng)土壤的鎖水能力。使土壤的抗沖擊性能更強(qiáng)。枯落物的生態(tài)功能與種類(lèi)和數(shù)量直接相關(guān)，所以，在對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，選取的一個(gè)重要指標(biāo)就是森林枯落層的水文效應(yīng)。麥積山風(fēng)景區(qū)位于小隴山，也就是秦嶺山脈的西部地區(qū)。關(guān)于秦嶺及小隴山森林群落枯落物的水文效應(yīng)研究比較多[1-4]，但關(guān)于麥積山風(fēng)景區(qū)的研究很少。本文通過(guò)對(duì)麥積山5種林分枯落物層枯落物特征及持水性變化規(guī)律的研究，為客觀評(píng)價(jià)這些林分枯落物層水文生態(tài)功能，對(duì)該地區(qū)的森林結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理保護(hù)，以及對(duì)麥積山的保護(hù)，都能提供理論層面的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

麥積山風(fēng)景區(qū)位于甘肅省天水市麥積區(qū)，地理位置為105°56′—106°10′，34°07′—34°28′ N。麥積山風(fēng)景區(qū)海拔一般在1 400～1 800 m，最高峰可達(dá)2 200 m以上。年平均降雨量為600～700 mm，氣溫最高為33 ℃，最低為-15 ℃，一般冬季低溫帶在-8 ℃，無(wú)霜期為230 d，日照時(shí)數(shù)年均為2 307 h左右，空氣相對(duì)濕度為85%左右。巖層構(gòu)造是由紅色砂礫巖層和淺色變質(zhì)巖所構(gòu)成，土壤類(lèi)型多為棕壤土和黃綿土。麥積山風(fēng)景區(qū)內(nèi)自然資源豐富，風(fēng)景秀麗，形成自己獨(dú)特的山水景觀，觀賞及藥用植物品種繁多，珍禽奇獸較為豐富，有些已為國(guó)寶。風(fēng)景區(qū)內(nèi)植物約有111種，分屬于50個(gè)科106個(gè)屬。其中有很多是園林中的珍品，如黃花杠柳、云杉、冷杉、水杉、白皮松、紅豆杉，玉蘭樹(shù)和野生紫竹、野生百合、金背杜鵑、甘肅瓊花等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

根據(jù)植被、土壤、土地利用等特性，于2018年8月在麥積山風(fēng)景區(qū)選擇5個(gè)不同林分作為本次研究的對(duì)象，包括白皮松、銳齒櫟林、油松+遼東櫟林、油松+銳齒櫟林、油松林。在這5個(gè)不同林分中，選取400 m2的土地作為標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)其中的林木進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)其中的植物種類(lèi)、數(shù)量，林分年齡、郁閉度及環(huán)境特征進(jìn)行調(diào)查。各樣地基本特征見(jiàn)表1。

表1 不同林分樣地概況

2.2 枯落物蓄積量調(diào)查

在每種林分選定區(qū)域中均勻的劃分成6個(gè)0.5 m×0.5 m的小塊土地，這6塊土地是沿著對(duì)角線切分的。對(duì)枯落物蓄積量進(jìn)行調(diào)查時(shí)，先用標(biāo)尺測(cè)量小塊土地中枯落葉厚度，然后，把小樣方中，可以收集的枯落物全部收集起來(lái)，在對(duì)其進(jìn)行挑選分類(lèi)，稱取樣品的重量，采用取樣方法選擇樣品，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，使用烤箱把樣品烤干，測(cè)出這些枯落物中的含水率，以此為依據(jù)換算出調(diào)查樣地單位面積的枯落物蓄積量。

2.3 枯落物持水性測(cè)定

將枯落物現(xiàn)存量調(diào)查用小樣方(1 m×1 m)內(nèi)的全部枯落物收集后，放在烤箱中烘干之后測(cè)他們的質(zhì)量(W0)，然后將他們放進(jìn)尼龍材質(zhì)的紗網(wǎng)中，在有足量水的桶里浸泡0.5、1、2、4、6、12、24 h，將裝有枯落物的尼龍網(wǎng)撈出后放在支架上，讓多余的水分自然滴下，同時(shí)用土壤篩將塑料桶內(nèi)遺漏的枯枝落葉撈出重新裝入尼龍網(wǎng)中，待尼龍網(wǎng)內(nèi)不再有水珠滴下時(shí)，用天平稱其浸水后的質(zhì)量(W1)。

枯落物的持水率=(W1-W0)/W0×100%

2.4 枯落物有效攔蓄量測(cè)定

計(jì)算枯落物可攔蓄的實(shí)際降水量的時(shí)候，需要用到有效攔蓄量這一概念，其計(jì)算公式為:

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W為有效攔蓄量，Rm為最大含水率，M為現(xiàn)有枯落物量，R0為平均自然含水率(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分枯落物蓄積量分析

表2 不同林分類(lèi)型枯落物蓄積量

3.2 不同林分枯落物水文效應(yīng)

在對(duì)表3進(jìn)行分析得知，枯落物最大持水率和最大持水量受不同林分類(lèi)型植被的影響是顯而易見(jiàn)的，對(duì)持水能力影響最大的一個(gè)最主要因素就是枯落物的厚度，所以油松純林枯落物持水量相對(duì)其他林分要高。由表3可知，5種林分枯落物持水率均值位于223.29%～275.77%，其中銳齒櫟林枯落物持水率最高，油松林和白皮松林持水率相對(duì)較小。不同樹(shù)種和相同樹(shù)種持水能力變化情況有所不同，這是由于不同林分枯落物持水性能諸多因素的制約，如種類(lèi)、厚度、林齡、分解狀況、含水率、前期降水情況等。

表3 不同林分枯落物最大持水率和最大持水量

3.2.2 不同林分枯落物攔蓄能力 從表4可知，未分解層枯落物有效攔蓄率依次為銳齒櫟林(344.55%)>油松+銳齒櫟林(309.44%)>油松+遼東櫟林(291.65%)>油松林(280.86%)>白皮松林(263.86%)；半分解層枯落物有效攔蓄率大小排序?yàn)殇J齒櫟林(323.31% ) >油松+遼東櫟林 (274.34%)>油松+銳齒櫟林(259.37% )>油松林(248.42% )>白皮松林 (216.73% )。

表4 不同林分枯落物攔蓄能力

3.2.3 不同林枯落物持水過(guò)程 圖1和圖2是關(guān)于分解層和半分解層枯落物的蓄水能力同浸泡時(shí)間二者之間的關(guān)系圖譜。通過(guò)分析圖譜可以得知，未分解層枯落物的蓄水能力和將他們浸泡在水中的時(shí)間是正比例關(guān)系，體現(xiàn)為先快后慢的形勢(shì)?？傮w變化情況是在最初浸泡時(shí)間內(nèi)(2 h)，枯落物中持水量斜率比較大，說(shuō)明水量增加的快。然而，隨著浸泡時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，這個(gè)斜率逐漸變小，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)2 h后，持水量增長(zhǎng)速度下降速度較快。在對(duì)這些不同種類(lèi)的枯落物持續(xù)浸泡，總時(shí)間超過(guò)6 h時(shí)，其持水量大部分達(dá)到峰值，之后，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，含水量不會(huì)再發(fā)生太大的變化?？梢?jiàn)，半分解層的持水能力較未分解層持水能力強(qiáng)，這是因?yàn)榘敕纸鈱用芸紫抖群扛叩脑颉?/p>

圖2 半分解層枯落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.2.4 不同林分枯落物吸水速率 從圖3和圖4，我們可以判斷得知，枯落物半分解層和未分解層(統(tǒng)稱為未分解層)的吸水率在前1 h數(shù)值比較高，之后下降速度比較快，浸泡時(shí)間在4 h以后，吸水速率下降速度逐漸放緩，這是因?yàn)榭萋湮锝?jīng)過(guò)烘干處理后大量水分喪失，枯落物的總度空隙比之前大幅度增加。而且，由于枯落物枝葉表面和死細(xì)胞之間的水勢(shì)逆差較大。另?yè)?jù)文獻(xiàn)表明，在剛一浸泡的時(shí)候，枯落葉的持水量會(huì)大幅度增加[5]。從整個(gè)發(fā)展走向來(lái)看，在最初浸泡的2 h內(nèi)，不同種類(lèi)枯落物吸水率大小差異很大，而隨著時(shí)間不短延長(zhǎng)，這幾種枯落物吸水速率逐漸變化趨勢(shì)比較一致，在浸泡時(shí)間6 h之后，它們的曲線幾乎完全重合，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是，隨著時(shí)間不斷增加，枯落物孔隙中充滿的大量水分，孔隙的吸水達(dá)到飽和，持水量接近最大值，導(dǎo)致吸水速率逐漸下降。

圖3 未分解層枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

4.2 就半分解和未分解層的枯落物而言，不同的群落林地中最大攔蓄率和有效攔蓄率不同，其中，白皮松林?jǐn)r蓄能力最弱，銳齒櫟林?jǐn)r蓄能力最強(qiáng)。就他們儲(chǔ)蓄的總量而言，油松林分?jǐn)r蓄量最大，白皮松林分最小。

4.3 大部分未分解層枯落物和半分解層枯落物浸泡6 h后，蓄水量都達(dá)到最大值，隨著浸泡時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，不同林分不同層次枯落物持水量幾乎沒(méi)有發(fā)生多大變化；浸泡時(shí)間12 h后，蓄水量達(dá)最大。

4.4 枯落物分解層吸水速率在1 h以內(nèi)比較高，在最初浸泡的2 h之內(nèi)，不同林地中枯落物吸水性差異是比較顯著，在連續(xù)浸泡6 h之后，這些林地枯落物吸水速率的發(fā)展曲線接近重合。