田 菊 李國婧 劉 洋

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學/植物逆境生理與分子生物學自治區(qū)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古和盛生態(tài)科技研究院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 011517）

森林生態(tài)系統(tǒng)從上而下的結(jié)構(gòu)分為植被層、枯枝落葉層、土壤三個層次[1-2]，其中枯枝落葉層稱為森林植物群落水文效應的第二活動過程，因結(jié)構(gòu)疏松[3]而具有保持水土[4]、水源涵養(yǎng)、提高林地生產(chǎn)力的作用[5-7]，被稱為大氣降水的“蓄存庫”和“調(diào)節(jié)器”[8]。研究枯落物層對于森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)和平衡具有重要的意義[9]。國內(nèi)許多學者對不同地域不同林分類型下的枯落物森林水文特性作了研究，主要有凋落物儲量[10]、枯落物持水能力[11-16]、枯落物積累與分解[17-20]等。不同森林植被，由于各自不同的生物學和生態(tài)學特性，構(gòu)成了森林枯落物水文效應的差異[21-22]。郭漢清等[23]對關(guān)帝山林區(qū)腹地的文峪河流域3 種主要森林類型枯落物的水文效應研究表明，不同森林類型下的枯落物量、林分的枯落物持水量與林分類型存在較大差異。張東[24]等晉西黃土丘陵溝壑區(qū)白榆Ulmus pumila、側(cè)柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabuliformis 3 個主要樹種人工林林下枯落物的水文特性研究發(fā)現(xiàn)，白榆林枯落物森林水文作用在增加土壤水分、涵養(yǎng)水源、防止水土流失等方面都有很好的生態(tài)效應。吳昌應[25]發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加，尾葉桉Eucalyptus urophylla枯落物持水能力逐年增加。黃土丘陵溝壑區(qū)分布廣，涉及7 省（區(qū)），面積21.18 萬km2，主要特點是地形破碎，千溝萬壑，15°以上的坡面面積占50%～70%。隨著國家實施退耕還林工程，很多該區(qū)域的人工林在水土保持、防風固沙方面發(fā)揮了巨大的作用。和林格爾縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，在2015 年以油松、樟子松Pinus sylvestris var. mongolica 為主要樹種，混交少量山杏Armeniaca sibirica、沙棘Hippophae rhamnoides，通過精心撫育管理，建成以碳匯林為主的高標準防護林，設計造林面積2 196.09 hm2。本次研究通過分析4 種人工林林下枯落物的森林水文作用，為黃土溝壑區(qū)人工林造林和經(jīng)營提供科學及實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古呼市和林格爾縣位于內(nèi)蒙古中部偏西南地區(qū)，處在土默川平原與西北黃土高原及陰山山脈向南延伸的蠻漢山支脈的結(jié)合部，氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L氣候，并兼有山地氣候的特點，年平均氣溫5.6℃，≥10℃積溫2 769℃，無霜期 118 d，光能資源豐富，熱量充足，年降水量 417.57 mm，6—8 月份的降水量占全年降水量的 59.3%。和林格爾地區(qū)屬草原荒漠地帶，土壤以栗鈣土和黃綿土為主，pH 值為8.6 左右，屬堿性土壤。本次研究區(qū)域地理坐標為111°50′57″ E，40°31′08″ N，土壤類型為丘陵溝壑黃土。植被主要有：山杏、沙棘、檸條Caragana korshinskii 等。

表1 樣地基本概況Tab.1 Basic information for plots

1.2 研究方法

于2019 年9 月對和林格爾地區(qū)4 種人工林進行踏查，4 種人工林類型見表1，均為中低山地斜緩坡造林。踏查以后選擇4 種典型的人工林進行標準地調(diào)查和每木檢尺工作，每種人工林設立8個20 m×20 m 標準樣地，在每個樣地內(nèi)選擇3 個30 cm×30 cm 的小樣方進行枯落物厚度調(diào)查、枯落物儲量數(shù)據(jù)、枯落物鮮質(zhì)量調(diào)查。

采用樣方法和浸泡—烘干法對林地枯落物層持水性能進行定量化研究，測量枯落物的半分解層和未分解層厚度、采集枯落物半分解層和未分解層樣品，然后分別裝入檔案袋稱取鮮質(zhì)量并標記，帶回實驗室以后放入烘箱調(diào)制溫度至85℃，連續(xù)烘干至恒重，記錄烘干質(zhì)量、計算單位面積枯落物儲量。采用連續(xù)浸泡法測定枯落物持水能力，將檔案袋內(nèi)枯落物轉(zhuǎn)移到小規(guī)格網(wǎng)兜，放入裝滿水的盆中，分別在15 min、30 min、1、2、4、8、16、24 h 提起網(wǎng)兜，等水滴不再流下的時候稱重記錄?？萋湮锍炙繑?shù)據(jù)測定公式為：

枯落物持水量=枯落物鮮質(zhì)量－枯落物烘干質(zhì)量

枯落物持水率=枯落物持水量/枯落物干質(zhì)量×100%

枯落物吸水速率=枯落物持水量/時間

W持水量為枯落物最大持水量（g）；W24為枯落物浸泡24 h 后的枯落物質(zhì)量（g）；W0為烘干質(zhì)量（g）；Rm為最大持水率（%）；W1為枯落物自然含水量（g）；R0為自然含水率（%）；Wm為最大攔蓄量（t/hm2）；W 為有效攔蓄量（t/hm2）；M2為枯落物鮮重（g）；M 為枯落物儲量（t/hm2）；0.85 為有效攔蓄系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS13.0 對4 種不同林分類型枯落物儲量、最大持水量（率）、有效攔蓄量和最大攔蓄量、吸水量、吸水速率等結(jié)果進行方差分析，并采用DUNCAN 法檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物儲量

4 種人工林枯落物儲量數(shù)據(jù)都比較接近，都在10.69 ～ 10.87 t/hm2之間變化（表2），變化規(guī)律是樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）＞油松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）＞油松、沙棘針灌4:1（1.5 m×5 m）。各人工林下枯落物的未分解層和半分解層比例基本相同，半分解的稍微大一些，這可能與林齡有關(guān)系，幼齡人工林枯落物少，每年只有部分枯枝落葉進入地表當中，而且松針類的主要成分是油脂之類的，正常情況下分解比較慢，因此半分解層和未分解層的厚度和儲量區(qū)別不大，方差分析結(jié)果也表明4 個人工林的未分解和半分解枯落物之間無顯著差異（P ＜0.05）。

2.2 枯落物最大持水率（量）

從表3 可以看出4 種林分類型下枯落物持水率變化范圍在183.82%～187.63%之間，其中最大持水率的人工林為油松、沙棘針灌4:1（1.5 m× 5 m），其次是油松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）、樟子松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m），最小的是樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m）。方差分析結(jié)果表明4 種人工林最大持水率沒有顯著性差異（P ＜0.05）。4 種人工林最大持水量變化趨勢為油松、沙棘針灌4:1（1.5 m×5 m）＞油松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）=樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m），可能與林分的林齡有關(guān)系，作為幼林，枯落物儲量不是很多，而且人工林基本都是松類為主，組成結(jié)構(gòu)相接近，因此沒有顯著性 差異。

2.3 枯落物有效攔蓄率（量）

從表4 可以看出4 種林分類型下枯落物最大攔蓄量變化范圍在7.67 ～ 7.83 t/hm2之間，其中最大的人工林為油松、沙棘針灌4:1（1.5 m×5 m），其次是油松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）、樟子松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m），最小的是樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m）。方差分析結(jié)果表明4 種人工林最大攔蓄量沒有顯著性差異。4 種人工林有效攔蓄量變化趨勢為油松、沙棘針灌4:1（1.5 m× 5 m）＞油松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m）＞樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m）＞樟子松、沙棘針灌4:1（2 m×4 m），方差分析結(jié)果表明4 種人工林有效攔蓄量沒有顯著性差異。4 種人工林之間的最大攔蓄量和有效攔蓄量沒有顯著性差異，可能與林分的林齡有關(guān)系，作為幼林，枯落物儲量不是很多，枯落物的組成都比較接近，且枯落物的厚度也接近，因此沒有顯著性差異。

表2 不同林分類型下枯落物層特征參數(shù)Tab.2 Characteristic of litter layer under different stand types

表3 不同林分類型下枯落物最大持水率（量）Tab.3 Water capacity of litter under different stand types

4 種人工林枯落物（持水量和吸水量、吸水速率隨時間的變化見圖1。可以看出枯落物持水率（量）隨時間的變化快速上升，到了8～16 h 的時候上升速度小了些，到了24 h 以后，上升速度趨于平緩，說明枯落物吸水達到了飽和狀態(tài)。通過對表3 和表4 的數(shù)據(jù)采用回歸分析方法分析出4 種人工林地枯落物持水量（率）與浸泡時間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系：y=Mlnt+N，y 表示枯落物持水量（率）；t 是枯落物浸泡時間；M、N 是參數(shù)。

表4 4 種人工林有效攔蓄量和最大攔蓄量Tab.4 Effective and maximum retention of four types of plantation t·hm-2

圖1 枯落物持水率、持水量和吸水速率隨時間變化Fig.1 Water absorption rate, water holding rate and water holding capacity of litter by time

表5 4 種人工林枯落物持水量和吸水速率隨時間變化Tab.5 Changes of water capacity and water absorption rate of litter in four plantations by time

對4 種人工林枯落物吸水速率的分析可以看出，枯落物吸水速率和時間呈現(xiàn)反比例函數(shù)的關(guān)系，結(jié)合圖1 看出4 種林分吸水速率一開始很大，然后逐漸減小直到無限接近于0，從表5 可以看出4 種人工林枯落物吸水速率的關(guān)系滿足冪函數(shù)關(guān)系和反比例函數(shù)關(guān)系，進一步研究集合程度來看，冪函數(shù)的擬合程度達到了0.99 以上，因此采用冪函數(shù)關(guān)系式：

y=M·tN，R2＞0.99

y 表示枯落物吸水速率t/(hm2·h)；t 是枯落物浸泡時間；M、N 是參數(shù)。

3 討論與結(jié)論

枯落物的持水能力常用干物質(zhì)的最大持水量和最大持水率表示，持水能力受枯落物組成、林木種類、分解狀況、積累量[26]等因素影響，因此對枯落物的森林水文研究在保持水土、水源涵養(yǎng)、改良土壤理化性質(zhì)方面具有重要的作用。

本次研究發(fā)現(xiàn)4 種人工林枯落物儲量范圍為10.69～10.87 t/hm2，4 種人工林枯落物儲量明顯低于侯貴榮等[27]（105.49～148.38 t/hm2）人，高于葉海英[28]（2.35～3.32 t/hm2）、低于劉宇等[29]（6.81～ 56.64 t/hm2）人研究結(jié)果。枯落物儲量偏低的原因是本次實驗林地林齡為4 年，屬于幼齡林，因此枯落物儲量較少。相比較葉海英研究，本次枯落物數(shù)據(jù)偏高，主要原因是林齡，中齡林松針的分解速度明顯快于幼齡林，因此進一步說明林齡是影響枯落物儲量的因子。本次研究當中枯落物儲量最大的是樟子松、山杏針灌4:1（1.5 m×5 m），為10.87 t/hm2，油松、沙棘針灌4:1（1.5 m×5 m）最小，為10.69 t/hm2，4 種林分類型下的半分解層枯落物儲量均大于未分解層，樟子松在當?shù)氐目萋湮飪α勘扔退啥?，說明樟子松比油松更適合當?shù)氐纳炙?，建議當?shù)卦炝謽浞N優(yōu)先選擇樟子松。

本次研究發(fā)現(xiàn)4 種人工林枯落物枯落物最大持水量數(shù)據(jù)明顯低于侯貴榮等[27]的研究結(jié)果、接近葉海英等[28]研究結(jié)果、低于劉宇等[29]研究結(jié)果。主要原因是本次實驗林齡比上述研究林齡偏低，且枯落物主要以油松松針為主，因此在吸持水方面明顯低于中齡油松和刺槐等樹，結(jié)合其他人研究數(shù)據(jù)說明枯落物持水量與林齡和林分組成有密切關(guān)系。本次研究發(fā)現(xiàn)最大持水量方面油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（1.5 m×5 m）（10.05 t/hm2）＞油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（2 m×4 m）（9.99 t/hm2）=樟子松、山杏針灌4:1 帶行狀混交林（9.99 t/hm2）＞樟子松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（9.96 t/hm2）。平均最大持水率在4 個林分類型之間呈現(xiàn)規(guī)律是油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（1.5 m×5 m）（187.63%）＞ 油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（2 m×4 m）（186.9%）＞樟子松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（2 m×4 m）（185.63%）＞樟子松、山杏針灌4:1帶行狀混交林（1.5 m×5 m）（183.82%）；最大持水量和持水率在4 種人工林之間差異不顯著，數(shù)據(jù)也比較接近，說明油松和樟子松枯落物吸持水分能力區(qū)別不大。侯貴榮等[27]研究發(fā)現(xiàn)油松、刺槐混交林最大持水量比刺槐林大，刺槐林比油松林大，說明混交林比純林的持水能力強。說明本次實驗采用針灌混交林是合理的。

本次研究發(fā)現(xiàn)4 種人工林枯落物有效攔蓄量和最大攔蓄量數(shù)據(jù)結(jié)果明顯低于侯貴榮等[27]、低于劉宇等[29]人研究結(jié)果。不同林分類型攔蓄量不同，說明枯落物組成對水分的攔蓄有一定的影響。本次實驗有效攔蓄量規(guī)律為油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（1.5 m×5 m）（6.32 t/hm2）＞油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（2 m×4 m）（6.25 t/hm2）＞ 樟子松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（2 m×4 m）（6.23 t·hm-2）＞樟子松、山杏針灌4:1 帶行狀混交林（1.5 m×5 m）（6.17 t/hm2），有效攔蓄量的數(shù)據(jù)也是這樣的趨勢，說明油松、沙棘針灌4:1 帶行狀混交林（6.32 t/hm2）對降雨的攔蓄能力最強。

本次研究以黃土丘陵溝壑區(qū)4 種人工造林模式下林下枯落物持水能力為對象，對不同林下枯落物持水數(shù)據(jù)做回歸分析，結(jié)果表明枯落物持水量、持水率、攔蓄量與浸泡時間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系式、持水速率和浸泡水符合冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系式，這與國內(nèi)大多研究結(jié)果相類似[30-38]。

本次研究發(fā)現(xiàn)4 種人工林林下枯落物儲量接近，枯落物森林水文參數(shù)結(jié)果接近，方差分析結(jié)果顯示差異不顯著，這可能與枯落物的組成和林齡有關(guān)系，作為造林4 年左右的幼齡人工林，還沒有達到郁閉，因此枯落物薄且少，體現(xiàn)不出枯落物之間儲量的差異，其次4 種林分類型下枯落物的組成都是以松針之類為主，松針內(nèi)因含有油脂類物質(zhì)，持水能力差別不大，這也符合國內(nèi)大多數(shù)研究，即枯落物的持水能力和持水速率與枯落物的組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)[36-44]。

4 種人工林枯落物儲量、持水量、持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量之間差異不顯著，與林分組成和林齡有密切關(guān)系，建議未來人工林枯落物水文調(diào)查考慮林齡因素。綜合結(jié)果表明樟子松的枯落物層持水能力最好，該地區(qū)樟子松防護林的枯落物層涵養(yǎng)水源功能優(yōu)于其他類型的林分。

本文對和林格爾地區(qū)4 種人工林枯落物蓄積量和持水特性進行試驗，豐富了黃土半干旱區(qū)人工林枯落物水文研究。結(jié)果表明幼齡人工林的水文生態(tài)功能相對較弱， 如果需要提高枯落物森林水文作用，可以通過適當?shù)纳纸?jīng)營措施促進林分生長，加快林分郁閉來促進枯落物森林水文作用。