彭 棟

(安徽省·水利部淮委水利科學研究院，合肥 230088)

1 研究背景

山東省藥鄉(xiāng)林場位于泰安市泰山區(qū)、岱岳區(qū)和濟南市歷城區(qū)交界處，始建于1919年，林場總面積1 210.266 7 hm2，主要喬木樹種有麻櫟、刺槐、赤松、油松、日本落葉松、華山松等，森林覆蓋率為96%，全部為國家級重點生態(tài)防護林。

森林面積分別約占陸地、全球表面積的1/3和1/10 。森林同時也是許多環(huán)境功能的基礎，特別是在保護水資源方面。國內外關于枯落物持水能力的研究，主要圍繞某一因素的改變對枯落物持水能力的影響和某一措施對提高枯落物持水能力的有效性等方面。例如，魯紹偉[1]發(fā)現(xiàn)枯落物總儲量變化范圍在9.47～20.82 t/hm2之間，最大持水量的變化范圍為15.96～51.97 t/hm2，枯落物持水量與浸泡時間呈明顯對數關系，R>0.91，枯物吸水速率與浸泡時間呈明顯冪函數關系，R>0.97；高琛[2]研究出枯落物總蓄積量、枯落物最大持水量和最大持水率均隨海拔的升高先增大后減??；張東[3]發(fā)現(xiàn)白榆林林地枯落物在儲存水分以及增強林木對水分利用等方面較油松林和側柏林具有優(yōu)勢，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。張焜[4]的研究成果為：①從未分解層+半分解層的整體來看，4 種類型天然林枯落物的糙率系數大小順序為闊葉林(0.103 9)>針葉林(0.088 8)>針闊混交林(0.088 0)>楠竹林(0.058 0)。②糙率系數受枯落物的厚度、儲量影響很大，通過相關分析得出其相關系數分別為0.746和0.901，且在 0.01 水平(單側)上顯著相關。③糙率系數n值與枯落物厚度、枯落物儲量均呈冪函數關系，糙率系數n值隨枯落物厚度和儲量的增加而增大。

枯落物水分特征曲線可以具體反映不同土壤的持水和釋水特性，并且顯示出枯落物中的一些水分特征。目前，測定枯落物水分特征曲線的方法主要有人工降雨法和泡水法。人工降雨法比較精準，能較為客觀地反映枯落物的吸水持水情況。泡水法誤差較大，一般吸水的重量為自身重量的2～6倍。

2 研究內容與方法

2.1 典型針闊葉林枯落物儲量對比分析

首先，對采回來的樣品分組編號，分別測出各個樣品的初始重量，然后推算出每公頃林地的枯落物儲量。

2.2 典型針闊葉林枯落物自然持水量特性

通過實驗前測得的各個樣品重量，推算它們各自的自然含水率。

2.3 不同林分枯落物的持水能力

通過野外林分調查，隨機分別采集6個赤松林枯落物和板栗林枯落物樣品，然后通過人工降雨和泡水兩種方法對比針葉林和闊葉林持水能力的差異。

2.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差異性

通過人工降雨和泡水兩種方法，得出兩組枯落物的持水數據。比較兩組數據的差異，對比分析出人工降雨法更加貼切自然現(xiàn)實，更能精準地反映出枯落物持水能力。

3 結果與分析

3.1 典型針闊葉林枯落物儲量對比分析

見圖1。

圖1 典型針闊葉林枯落物儲蓄量Fig.1 Litter reserves of typical coniferous forests

從圖1可以看出，濟南藥鄉(xiāng)林場的針葉林儲量36.83 t/hm2遠遠多于闊葉林19.22 t/hm2(P<0.05)，而且從量上來看多了近一倍。北方土石山區(qū)屬于較困難立地，針葉林多符合實際情況。經過計算，赤松林的儲蓄量誤差限為±10.92 t/hm2,板栗林的儲蓄量誤差限為±7.63 t/hm2。

通過t檢驗，可以得出針闊葉林對儲量影響差異的P值為0.036 406 13<0.05，說明針闊葉林儲量差異顯著。

3.2 典型針闊葉林枯落物自然持水量特性

見圖2。

圖2 典型針闊葉林枯落物含水率Fig.2 Moisture content of litter in typical coniferous forests

由圖2可以看出，針葉林枯落物的自然含水率遠遠高于闊葉林。經計算，得到赤松枯落物自然含水率為14.31%±6.11%，板栗林枯落物自然含水率為9.87%±10.90%。

通過t檢驗，計算出針闊葉林對儲量影響差異的P值為0.419 120 289>0.1，說明針闊葉林含水率差異并不顯著。

3.3 不同林分枯落物的持水能力

3.3.1 人工降雨法

人工降雨法能較好地模擬自然環(huán)境，在開度為90%的暴雨模擬環(huán)境下，枯落物吸水持水能力非常貼切田間自然狀態(tài)下的防止雨滴擊濺、地表截流、攔蓄下滲。而且重量增幅(最初猛增)非常緩慢，比較符合田間自然狀態(tài)下的實際情況?？萋湮锍炙縿討B(tài)變化見圖3和圖4。

圖3 典型針闊葉林枯落物持水量與降雨時間關系圖Fig.3 Relationship between water holding capacity of litter and rainfall time in typical coniferous forests

圖4 典型針闊葉林枯落物持水量與降雨量關系圖Fig.4 Typical needle leaved forest litter in relationship between water and rainfall map

從圖3可看出，人工降雨法得到的結果是兩種林分的枯落物吸水不斷增重，并且吸水速度先快后慢，直至在一個穩(wěn)定值(赤松為6.31 mm，板栗為3.18 mm)上下波動。經過計算，得到兩種林分t檢驗結果P=5.112 92E-09>0.1，說明兩組數據總體無顯著差異。

由圖4可知，針闊葉林枯落物吸水持水規(guī)律是一樣的，都是開始迅速吸水，之后緩慢吸水直到一個穩(wěn)定的數值。而且，針葉林的吸水能力明顯強于闊葉林(P<0.05)。最后的穩(wěn)定數值(有效截流量)大約為初始重量的2～3倍。

3.3.2 泡水法

泡水法是采取限時泡水，定量控水。泡水之前，先按照次序做好以下幾項工作：①將人工降雨后的樣品放置于預熱好的烘箱，105℃下恒溫烘干(用時12 h)。②測出各個樣品的干重，并記錄。③3個水池都放好水，直至能浸沒樣品。④將樣品按照林分的不同，分成3組，每組置于一個水池旁。

按照15 min，30 min，1 h，2 h，3 h，4 h，5 h。6 h的泡水時間來測定各個樣品的持水重量，并記錄。為了直觀地反映出泡水法情況下針闊葉林枯落物持水能力，繪制出關系圖，見圖5。

圖5 典型針闊葉林枯落物持水量與泡水時間關系圖Fig.5 Typical needle leaved forest litter water holding capacity and water time diagram

由圖5可知，泡水法得到的枯落物持水能力規(guī)律與人工降雨法大體相同，同樣是開始迅速吸水增重，然后緩慢吸水，最后重量穩(wěn)定到某一個定值，且針葉林比闊葉林吸水能力。與人工降雨法得到的結果不同的是，泡水法得到的枯落物(無論針葉林還是闊葉林)重量遠遠多于人工降雨法，特別是最后的最大持水量(赤松為9.37 mm,板栗為3.88 mm)穩(wěn)定值，大多為初始重量的3～4倍。經過計算，得到t檢驗的結果為P=9.337 81E-05>0.1，說明兩組數據總體無顯著差異。

3.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差異性

泡水法得到的赤松林(針葉林)和板栗林(闊葉林)的枯落物吸水持水特性都是開始猛增，0.5 h后緩和一陣，接著再度增加至原來干重的3～5倍，最后趨于穩(wěn)定。觀察50 g初始值的兩種枯落物不難分析出，干重相近的赤松和板栗相比，赤松吸水持水能力略微要比板栗強。由此可見，室內浸泡法不算特別實用。

人工降雨法得到的結果跟泡水法差不多，只是人工降雨得到的枯落物吸水量普遍低于泡水法得到的結果。下面采取t檢驗來分析對比這兩種方法對枯落物持水特性的影響顯著性。得到的結果見表1。

表1 t檢驗顯著性分析結果

說明泡水法得到的最大持水量大于人工降雨法得到的有效截流量。但是兩種方法得到的結果差異性并不顯著。

4 結 論

本研究以濟南市藥鄉(xiāng)林場赤松人工林和板栗林枯落物的土壤作為研究對象，通過野外樣品采集、室內測試分析的技術手段，分析對比了不同林分條件下針葉林和闊葉林枯落物持水能力的差異，并且對比出人工降雨法和泡水法的優(yōu)劣，顯著性分析表明：

1) 相同外界條件下，針葉林吸水持水能力明顯比闊葉林強得多。

2) 枯落物吸水速率隨浸水時間的變化呈現(xiàn)迅速下降、緩慢下降、趨于穩(wěn)定3個階段。由枯落物層吸水速率隨浸水時間變化的研究可以看出，枯落物層在浸水最初時期吸水速率最大，隨浸水時間延長而下降直至飽和?？梢?，枯落物層發(fā)揮截留和攔蓄降水主要發(fā)生在降水的初期。

3) 有效截流量為最大持水量的70%～90%(赤松林為70.97%，板栗林為79.90%)。

4) 除了蓄積量兩種林分差異顯著之外，其他研究(包括自然持水量、基于兩種測試方法下的枯落物持水特性、不同測試方法之間)的差異均不顯著。