陳 超，賀康寧，鄒 陽，王世雷，曹廣月，徐 特

（北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)水文功能，其在保持水土、涵養(yǎng)水源、改善環(huán)境等方面的作用不可替代［1］?？萋湮飳幼鳛樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有截持降水，阻延地表徑流，抑制土壤水分蒸發(fā)，增強土壤抗蝕性等水文功能［2］。大量研究證明，枯落物持水量可以達到自身重量的3～5倍，幾乎接近其最大截留量［3］。土壤水分貯存和入滲作為森林植被的主要水文過程和功能，是反映森林植被保持水土和涵養(yǎng)水源作用的重要水文參數［4］。因此，研究枯落物層及土壤層的持水特性對探討森林生態(tài)系統(tǒng)的水文效應具有重要意義。

青海大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)是青海省西寧市的重要水源地，負責提供70%城市供水，在西寧地區(qū)生態(tài)安全和水資源安全中處于非常重要的地位。因此，加強以水量調節(jié)、水質改善和土壤侵蝕防治為主要目的的水源涵養(yǎng)林建設已成為當務之急。本研究選取青海大通自然保護區(qū)內不同植被配置的人工云杉林、落葉松林、白樺林、云杉白樺混交林、云杉落葉松混交林等林分為研究對象，通過對枯落物層和土壤層的水文效應進行定量研究，旨在為本地區(qū)水源涵養(yǎng)林的建設與植被恢復提供一定的理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于青海省西寧市大通縣寶庫林場三趟溝作業(yè)區(qū)，地理坐標36°56′N，101°41′E，地處青藏高原東北部和黃土高原相接的過渡地帶的祁連山地。多年平均降水量508mm，年平均溫度2.8℃，屬于溫帶高寒大陸性氣候，極端最高氣溫30.9℃，極端最低氣溫－33.1℃，年氣溫日較差平均14.7℃。無霜期為70～120d，海拔2 280～4 622m，土壤類型主要為黃土母質上發(fā)育的山地棕褐土和栗鈣土。

2 研究方法

（1）樣地選擇。2012年7月在寶庫林場三趟溝作業(yè)區(qū)的14塊樣地中選取6塊具有代表性的林分作為標準地采樣分析對象，樣地面積為20m×20m，并進行每木檢尺。各樣地基本特征如表1所示。

表1 不同林分標準地基本特征

（2）枯落物儲量調查。在每個樣地內分坡上、中、下各布置3個具有代表性的0.2m×0.2m樣方，收集全部未分解層和半分解層枯落物，分別測定枯落物層總厚度、未分解層厚度、半分解層厚度，分層取樣稱鮮重，帶回實驗室用烘箱烘干（溫度85℃）后稱其干重，計算其自然含水量和蓄積量。

（3）枯落物持水過程測定。采用室內浸泡法［5－6］，測定枯落物持水量、吸水過程和吸水速率。將枯落物樣品分別裝入土壤篩在清水中浸泡，分別測定其在0.5，1，2，4，6，8，10，24h的質量，計算其持水量、持水率以及吸水速率。枯落物浸水24h后的持水量可作為最大持水量［7］。

（4）枯落物有效攔蓄量的測定。計算枯落物的有效攔蓄量，以便更接近實際的攔蓄降水量［8］，公式為：

式中：W——有效攔蓄量（t／hm2）；Rm——最大持水率（%）；Ro——平均自然含水率（%）；M——枯落物蓄積量（t／hm2）。

（5）土壤水分及物理性質測定。土壤調查采用剖面法，在各樣地內用環(huán)刀按0—20，20—40，40—60cm分層在剖面上取土。用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度等物理性質［9］。土壤持水力計算公式為：

式中：S——土壤持水力 （t／hm2）；h——土層厚度（m）；p——非毛管孔隙度（%）。

3 結果與分析

3.1 不同林分類型枯落物儲量及厚度分析

枯落物儲量受枯落物的輸入量、分解速度、累計年限、樹種組成和林分所處的水熱條件等因素的綜合影響［10］。由表2可知，不同林分類型的枯落物儲量有一定差異，總體變動范圍為34.69～67.84t／hm2。總儲量大小分別為落葉松林（67.84t／hm2）＞云杉落葉松混交林（64.56t／hm2）＞云杉林（49.81t／hm2）＞白樺林（45.20t／hm2）＞云杉白樺混交林（34.69t／hm2）。針葉林枯落物儲量明顯大于闊葉林，主要原因是針葉林的郁閉度較大（均值為0.8），林冠下許多枝條由于光照不足枯死，因此凋落量比較大，同時由于針葉林落葉比闊葉林難分解，從而導致其枯落物的蓄積量較多［11］。分析5種林分枯落物未分解層和半分解層儲量可以得出，半分解層儲量均大于未分解層儲量。半分解層占枯落物總儲量比例最大的為白樺林73.97%，其次為云杉白樺混交林68.86%，云杉林68.74%，云杉落葉松混交林58.31%，最小的為落葉松林55.64%。

表2 不同森林類型枯落物厚度和儲量

3.2 不同林分類型枯落物水文效應

3.2.1 枯落物持水能力的比較 枯落物持水能力是森林水文的重要內容，也是表征枯落物層水文功能的重要指標。一般用最大持水量和最大持水率來反映其持水能力，其值的大小與林分的樹種組成、林分發(fā)育、林分水平及垂直結構，枯落物的組成、成分、特性質地和分解程度等因素有關［12］。

由表3可以看出，林分枯落物最大持水量的變動范圍在80.30～150.73t／hm2，持水量最大的是云杉落葉松 混交林 150.73t／hm2，其 次是落 葉 松 林113.06t／hm2，白樺林91.39t／hm2，云衫白樺混交林85.30t／hm2，最小的是云杉林80.30t／hm2。持水率的大小依次為云杉白樺混交林＞云杉落葉松混交林＞白樺林＞落葉松林＞云杉林。

顯然，同一樹種的最大持水量和最大持水率存在不同的規(guī)律，原因在于枯落物本身的生物量和結構影響最大持水率，同時枯落物的分解程度也影響其持水能力。

由以上分析可以得出，混交林枯落物的持水能力普遍高于純林，而闊葉林枯落物的持水能力大于針葉林。云杉白樺混交林的持水能力是云杉林的1.5倍，白樺林的持水能力是落葉松林的1.2倍。

表3 不同林分枯落物持水能力

3.2.2 枯落物攔蓄量的分析 由于最大持水量和最大持水率都不能準確反映枯落物對降雨的實際攔蓄能力，因此有效攔蓄量成為反映枯落物對一次降水攔蓄的真實指標，同時其大小與枯落物數量、降雨特性和水分狀況等因素有關［13］。

由表3可以看出，不同林分枯落物層的有效攔蓄量為45.40～94.32t／hm2，攔蓄量最大為云杉落葉松混交林，最小為云杉林。

3.2.3 枯落物的持水過程 枯落物持水量與浸泡時間存在一定的相關關系，由圖1—2可知，在浸水實驗的0.5～1h內，枯落物持水量快速增大，隨著浸泡時間的延長呈現不斷增加的趨勢，但增加速度逐步放緩。這一趨勢與枯落物攔蓄地表徑流的規(guī)律相似，即降雨初期，枯落物攔蓄地表徑流功能較強，而后隨著枯落物濕潤程度的增加，吸持能力降低［14］。而且，半分解層枯落物持水量在浸泡4～6h內已基本飽和（圖1），未分解層持水量在8h左右基本飽和，說明枯落物未分解層持水能力大于半分解層（圖2）。

對0.25～24h內5種林分枯落物未分解層、半分解層持水量與浸泡時間進行回歸分析（表4），擬合出該時段內持水量與浸泡時間之間的關系式為：

式中：Q——枯落物持水量（mm）；t——浸泡時間（h）；a——方程系數；b——方程常數項。

圖1 未分解層枯落物持水過程曲線

圖2 半分解層枯落物持水過程曲線

表4 不同林分枯落物持水量與浸泡時間關系

3.2.4 枯落物吸水速率 通過研究發(fā)現，5種林分類型枯落物吸水速率與浸泡時間存在一定的相關性。由圖3—4可以得出，5種林分枯落物不論是未分解層還是半分解層在0.5～1h內吸水速率都很大，隨后吸水速率迅速下降，4h左右吸水速率明顯變緩，到24h吸水基本停止。對5種林分枯落物未分解層和半分解層吸水速率與浸泡時間進行擬合（表5），得出該時段內吸水速率與浸泡時間之間的關系式為：

式中：V——吸水速率（mm／h）；t——浸泡時間（h）；k——方程系數；n——指數。

圖3 未分解層枯落物吸水速率變化曲線

圖4 半分解層枯落物吸水速率變化曲線

表5 不同林分枯落物吸水速率與浸泡時間關系

4 土壤水文效應

土壤容重和孔隙度是表征土壤物理性質的主要參數，二者直接影響著土壤蓄水和通氣性能［15］。從表6可以看出，5種林分類型土壤容重總體差別不大，容重最大的是云杉落葉松混交林0.99g／cm3，其次是白樺林0.94g／cm3，云杉林0.93g／cm3和落葉松林0.88g／cm3，最小的是云杉白樺混交林0.86g／cm3?？偪紫抖却笮∫来螢樵粕悸淙~松混交林＞云杉白樺混交林＞云杉林＞落葉松林＞白樺林。非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關，大小依次為云杉落葉松混交林 （4.64%）＞ 白 樺 林 （3.82%）＞ 落 葉 松 林（3.05%）＞ 云 杉 林 （2.69%）＞ 云 杉 白 樺 混 交 林（1.36%）。土壤有效持水量是土壤持水能力的重要表現，從表6得知，云杉落葉松混交林的有效持水量最大為（45.78t／hm2），其次為白樺林（36.00t／hm2），落葉松林（26.91t／hm2）和云杉林（24.93t／hm2），最小的是云杉白樺林為（11.63t／hm2）。

表6 不同林地土壤物理性狀及持水量

5 結論

（1）對青海大通實驗區(qū)5種不同林分枯落物儲量調查顯示，枯落物蓄積量總體變化范圍為34.69～67.84t／hm2，其中落葉松林枯落物儲量最大，其次是云杉落葉松混交林和云杉林和白樺林，云杉白樺混交林枯落物儲量最小。

（2）5種林分枯落物的持水能力也各有差異。持水能力的大小依次為云杉落葉松混交林＞落葉松林＞白樺林＞云杉白樺混交林＞云杉林。

（3）5種林分枯落物的有效攔蓄能力相差較大。其中，云杉落葉松混交林的攔蓄能力最強，相當于9.43mm水深，云杉林的攔蓄能力最弱，相當于4.54mm水深。

（4）5種林分枯落物未分解層和半分解層持水量與浸泡時間都存在一定的線性關系，關系式為Q＝aln（t）＋b，相關系數在0.90之上。吸水速率與浸泡時間也存在明顯的相關關系，關系式為V＝ktn，擬合的相關系數基本都在0.94以上。

（5）在土壤持水能力的比較中，云杉落葉松混交林持水能力最強為616.81t／hm2，相當于61.7mm水深；白樺林持水能力最弱456.54t／hm2，相當于45.7mm水深。

［1］ 時忠杰，王彥輝，于澎濤，等.寧夏六盤山林區(qū)幾種主要森林植被生態(tài)水文功能研究［J］.水土保持學報，2005，19（3）：134－138.

［2］ 于志明，王禮先.水源涵養(yǎng)林效益研究［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1991：32－37.

［3］ 梁文俊，丁國棟，周美思，等.冀北山地油松和落葉松林下枯落物的水文效應［J］.水土保持通報，2012，32（4）：71－75.

［4］ 陳波，楊新兵，趙心苗，等.冀北山地6種天然林枯落物及土壤水文效應［J］.水土保持學報，2012，26（2）：196－203.

［5］ 趙艷云，程積民，萬惠娥，等.六盤山不同森林群落地被物的持水特性［J］.林業(yè)科學，2009，45（4）：145－150.

［6］ 莫菲，于澎濤，王彥輝，等.六盤山華北落葉松林和紅樺林枯落物持水特征及其截持降雨過程［J］.生態(tài)學報，2009，29（6）：2868－2876.

［7］ 饒良懿，朱金兆，畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應［J］.北京林業(yè)大學學報，2005，27（1）：33－37.

［8］ 張振明，余新曉，牛健植，等.不同林分枯落物層的水文生態(tài)功能［J］.水土保持學報，2005，19（3）：139－143.

［9］ 李紅云，楊吉華，鮑玉海，等.山東省石灰?guī)r山區(qū)灌木林枯落物持水性能的研究［J］.水土保持學報，2005，19（1）：44－48.

［10］ He Chansheng，Fu Bojie，Chen Liding.Non－point source pollution control and management［J］.Environmental Science，1998，19（5）：87－91.

［11］ 馬正銳，程積民，班松濤，等.寧夏森林枯落物儲量與持水性能分析［J］.水土保持學報，2012，26（4）：199－204.

［12］ 劉少沖，段文標，趙雨森.蓮花湖庫區(qū)幾種主要林型枯落物層的持水性能［J］.中國水土保持科學，2005，3（2）：81－86.

［13］ 朱麗暉，李冬，邢寶振.遼東山區(qū)天然次生林枯落物層的水文生態(tài)功能［J］.遼寧林業(yè)科技，2001（1）：35－37.

［14］ 剪文灝，李淑春，陳波，等.冀北山區(qū)3種典型森林類型枯落物水文效應研究［J］.水土保持研究，2011，18（5）：144－147.

［15］ 趙世偉，周印東.子午嶺北部不同植被類型土壤水分特征研究［J］.水土保持學報，2002，16（4）：119－122.