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7種不同森林群落類型下的枯落物進行了儲量、持水量及吸水速率的測定。結(jié)果表明：各森林群落類型枯落物儲量排序為針闊混交林>篦子三尖杉林>人工杉木林>闊葉林>紅豆杉林>竹林>灌木林；各森林群落類型枯落物最大持水量排序為：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；各森林群落類型枯落物在持水作用較強的前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)勢群落為針闊混交林和闊葉林，劣勢群落為灌木林。

關(guān)鍵詞：枯落物；儲量；持水量；吸水速率；自然保護區(qū)；大沙河

1引言

森林作為一個綜合自然體，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個水文層次對降水進行調(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)、社會經(jīng)濟系統(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)對降水的攔蓄作用,它是森林的4個作用層,即森林喬木層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層對降水進行再分配的復(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，對改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要的作用；同時，它也是土壤有機養(yǎng)分的重要來源之一。研究枯落物層水容量及其對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土壤水分的補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，以整個森林生態(tài)系統(tǒng)為對象，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)，對全面認識森林植被在防災(zāi)減災(zāi)中的巨大作用,顯得十分必要[6]。主要從以下3個方面進行研究：大沙河自然保護區(qū)不同森林群落的枯落物儲量測定及其持水量、吸水速率的研究。

通過上述3方面研究得出的數(shù)據(jù)進行比較分析，得出大沙河自然保護區(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)勢群落，為合理調(diào)整自然保護區(qū)內(nèi)森林結(jié)構(gòu)布局，實現(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，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

大沙河自然保護區(qū)位于貴州省道真自治縣北部，貴州高原北緣。地理坐標為東經(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,相對高差300～400 m，呈現(xiàn)懸?guī)r、絕壁、險峰地貌景觀。該區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒降貧夂蝾愋?，冬季冷而漫長但無嚴寒，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 個土類。境內(nèi)河流屬長江流域烏江最大的一級支流芙蓉江水系。保護區(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象，在每個林分中設(shè)置20 m×20 m的標準樣地，在每個樣地內(nèi)隨機選取3個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，將未分解層和半分解層分別收集保持原樣裝箱，并現(xiàn)場記錄各層厚度，以用于測定枯落物儲量及測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。最后計算出單位面積枯落物現(xiàn)存量。

2.2.4枯落物持水量測定

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浸泡時間段內(nèi)的儲水量(g/kg)；Wi(j+1)——第i種枯落物j+1時段的濕重(g)；Wij——第i種枯落物j時段的濕質(zhì)量(g)。

2.2.5枯落物吸水速率測定

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

ΔSij=ΔWij/Δtij

(2)

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

將每種森林類型林下7個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量及持水量和其吸水速率。

3結(jié)果與分析

3.1枯落物儲量

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量有一定差別，針闊混交林林下枯落物儲量最大，其他依次篦子三尖杉林、人工杉木林、闊葉林、紅豆杉林、竹林，灌木林儲量最小。引起這種枯落物儲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)致了儲量最小。同時發(fā)現(xiàn)不同森林類型下枯落物未分解層、半分解層儲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，占總儲量的40.7 % ；而闊葉林則比例最大，占總儲量的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，微生物活動頻繁，所以分解快。而闊葉林在坡上，水分不充裕，微生物活動不頻繁，所以分解慢。

表1　不同群落枯落物儲量

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價,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比，有一點波動。整個枯落物層總持水量進行比較，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，其持水量基本上達到最大值，即8 h之后，增加浸泡時間，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其吸水速率相差很大，但隨浸泡時間的延長，各林分林下地表枯落物層吸水速率趨向一致。這主要是因為隨著時間的延長，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態(tài)平衡。

4結(jié)果與討論

枯落物層具有緩沖雨水動能，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，減少徑流量和流速?？萋湮飳虞^厚，儲量較多，其吸水、保水能力強，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高于其他森林群落類型?？梢娽橀熁旖涣值牡乇砜萋湮飳訉ι值乃春B(yǎng)功能要比其他森林群落類型要好。枯落物總儲量大小結(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)，一般測定結(jié)果認為，最大持水量大約為其自身重量的2～4倍[14]。對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]。通過對大沙河自然保護區(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，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)勢群落為針闊混交林和闊葉林；劣勢群落為灌木林。因此，為合理調(diào)整自然保護區(qū)內(nèi)森林結(jié)構(gòu)布局，實現(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，充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能，就要在林分結(jié)構(gòu)上進行調(diào)整，選擇保持優(yōu)勢的針闊混交林、闊葉林；改善劣勢的灌木林。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。

以上只是對大沙河自然保護區(qū)內(nèi)7種森林群落的枯落物水源涵養(yǎng)功能進行了初步研究，并不能代表整個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：S714

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0128-05