晉西黃土丘陵溝壑區主要人工林枯落物水文特性研究

張 東，邵社剛，趙 輝

(1 交通運輸部 公路科學研究所，北京 100088；2 公路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，北京 100088；3 湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070)

枯落物具有涵養水源、保持水土、改善土壤結構的功能，是森林生態系統重要的組成部分[1]。森林植被產生的大量枯枝落葉，堆積在地表，經過自然變化和微生物作用，形成一層像海綿一樣的地被物，這些地被物具有強大的吸水能力和透水性，能夠減少土壤的蒸發，阻延徑流形成，防止水土流失，在森林植被的水土保持功能方面有著十分重要的作用[2-4]。

目前，國內外許多學者在枯落物特性方面開展了大量研究，Hanks[5]、Denmead[6]、Choudhury[7]、de Grandpre等[8]的研究結果表明，枯落物的蓄積量決定著枯落物對雨水的截留作用。林地枯落物的數量和堆積結構是影響地表徑流產生的主導因子。張洪江等[9]研究表明,針闊混交林林地枯落物的持水能力大于2種林木的純林林地。隨著對林地枯落物的深入認識，林地枯落物的功能和特性也逐漸成為研究森林生態系統生態效應的要點之一。

晉西黃土丘陵溝壑區屬于干旱半干旱地區，區內植被稀少，水土流失嚴重，生態環境脆弱。多年來該地區營造了大量的水土保持林、農田防護林、生態公益林等多種人工林體系。研究表明，人工林在保土保墑方面發揮著重要作用[10]。但目前，關于該地區人工林枯落物水文特性的研究較少，故本研究選取生長于晉西黃土丘陵溝壑區的白榆、油松和側柏3種主要人工林為研究對象，測定其相關水文特性指標，以期為當地水土環境保護提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省呂梁地區方山縣峪口鎮土橋溝流域，流域呈東西走向，地理坐標為北緯37°35′～37°36′，東經110°02′～110°04′，平均海拔1 200 m左右，最高1 446 m，最低1 170 m。流域內地表植被稀疏，溝壑密布，山體陡峭且破碎，是典型的黃土高原丘陵溝壑侵蝕地貌。自1985年以來，該地區已成為山西省研究和推廣徑流林業的實驗基地。

研究區屬溫帶大陸季風性氣候，冬春寒冷干燥，秋季涼爽少雨，僅夏季降雨集中，無霜期140 d左右。土壤為黃綿土，土層厚度在50～100 m，pH值為8.0～8.4。據當地氣象站資料統計：研究區年平均氣溫7.3 ℃，多年平均降水量416 mm，6-9月份降水超過全年的70%；多年平均水面蒸發量高達 1 857.7 mm，最大蒸發量出現在4-6月，表現出典型的北方嚴重春旱的特征。

試驗區屬森林草原灌叢植被區，區內喬木以人工林為主，主要有：白榆(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、側柏(Platycladusorientalis)等樹種的純林以及混交林；林下灌木主要有：沙棘、黃刺玫、杠柳、文冠果、虎榛子和紫穗槐等；草本植物以菊科和禾本科為主。

本研究選取側柏、白榆、油松3個主要樹種的人工林作為研究對象，3種林分的營造方式均為徑流林整地，株行距均為1.5 m×2 m，其中側柏林的整地方式為集水區拍光處理。研究區樣地基本特征如表1所示。

1.2 研究方法

在每個林分的標準樣地內沿對角線選取3個枯落物樣方，大小規格為30 cm×30 cm，用鋼板尺現場測量枯落物各分層(包括枯枝落葉層、未分解層、半分解層)的厚度，并采集樣品，用塑料袋密封帶回室內后迅速稱質量，然后進行烘干并稱質量，計算其自然含水率及蓄積量。

表1 研究區樣地的基本特征

按不同樹種采集30 cm×30 cm原狀枯落物，稱質量后放入預先做好的細孔紗布袋內，在實驗室內進行浸泡試驗，分別測定浸泡10，20，30，40，50 min及1，1.5，2，3，4，6，8，12，16，24 h后的質量變化，每次浸泡后取出稱質量，然后計算其濕質量與干質量的差值，該差值與浸水時間的比即為枯落物的吸水速率；將完全浸泡24 h的枯落物在60～80 ℃條件下烘干，每隔一定時間稱質量1次，其質量差值與烘干時間之比為失水速率。

2 結果與分析

2.1 不同林分枯落物的蓄積量

枯落物是森林枯落物層持水的載體，其蓄積量的大小和性質將直接影響枯落物層持水能力的高低，蓄積量越大、水分吸附性能越好，則持水量也會越大[11]。因此，在評價森林水文生態功能的時候，枯落物蓄積量是研究的首要因素。不同類型的林分，枯枝落葉成分、枯落物堆砌方式、林下微生物活動的環境條件，以及水、熱等條件的不同均會造成枯落物分解速度的差異，從而導致枯落物在一定時間內的蓄積量出現較大差別。人工林植被林下枯落物蓄積量的大小與樹種、樹木生長年齡、林分營造結構、地被植物、氣候因子以及人類活動的強弱有關。

根據樣地調查結果(表2)可知，林齡為25年的白榆林、側柏林、油松林的林下枯落物總蓄積量分別為6.82，40.44，21.33 t/hm2；3個樹種在相同的生長年限和近似相同的立地條件下，總蓄積量表現為側柏林>油松林>白榆林。經分析，白榆是常綠闊葉樹種，枯枝落葉易分解；而油松、側柏屬針葉樹種，枯枝落葉表面被角質層包裹，且含有大量葉酸物質，不易被微生物分解，大大降低了其枯枝落葉的分解速度。同時，本研究在調查中發現，白榆林郁閉度較高，林下水熱條件優于油松、側柏林，微生物活動頻繁，加速了白榆林下枯枝落葉的分解。這些綜合因素造成側柏林、油松林林下枯落物累積相對較多，而白榆林下枯落物累積較少的結果。

表2 不同林分枯落物的蓄積量

2.2 不同林分枯落物的吸水速率和持水量

2.2.1 吸水速率 森林枯落物在雨水降落至地表時首先將其攔截，然后通過吸附作用將雨水蓄積在枯落物層，這一攔截和蓄積雨水的特性，能夠延長雨水入滲的時間，抑制土壤水分蒸發，直接提高土壤含水量[12-13]。一定量枯落物在單位時間內吸附水分的能力被稱為枯落物的吸水速率，研究枯落物的吸水速率對評價森林對雨水的調蓄能力和持水過程具有重要意義。

本研究通過浸泡試驗，測定了油松、側柏、白榆3個樹種林分的枯落物在不同時段的吸水速率，結果見圖1。

圖1 不同林分枯落物吸水速率與其浸水時間的關系

圖1顯示，各樹種林下枯落物吸水速率呈現相同的變化趨勢，都是浸水前期吸水速率迅速降低，然后降幅逐漸趨于緩慢。在浸水前期，枯落物吸水速率變化最大，尤其是在浸水0～0.5 h，枯落物吸水速率迅速降低，在浸水12 h之后，枯落物吸水速率基本趨于穩定?？萋湮锾幱陲L干狀態時，由于枯枝落葉內含有大量的植物死細胞，表面與水之間的水勢差較大，此時將枯落物浸入水中，吸水速率立即處于高位水平；而且枯落物中半分解的碎屑較多，導致其表面積之和比未分解的要大很多，所以吸水量比較大。隨著浸水時間的延續，枯落物中吸附的水分逐漸增多，同枯落物外部水體的水勢差慢慢減小，吸水速率也逐漸降低，當浸水時間達到24 h時，枯落物中的水分達到飽和，吸水速率趨近于零。

3個樹種林分的枯落物吸水速率由大到小依次是：白榆林>油松林>側柏林(圖1)。說明在相同的降雨強度下，白榆林林下枯落物的吸水速率強于油松林和側柏林。

2.2.2 持水量 森林枯落物可以增加林地土壤儲水，使有限的降水資源能更大程度地被林木吸收利用?？萋湮锏某炙颗c其本身的組成結構、分解狀況等有關。林地枯落物的持水能力多用干物質的最大持水量和最大持水率來表示，最大持水率為枯落物浸水24 h后的濕質量與其干質量之比；林地枯落物的持水量主要與林木的林齡、覆蓋度和枯落物蓄積有關，同時還受落葉種類、堆積狀態、分解程度、干濕狀態和雨量大小、雨強等因素影響[14]。

由表3可以看出，試驗地3種樹種人工林的枯落物最大持水量變動范圍為28.83～32.24 t/hm2，其中白榆林的林地枯落物持水量最大，達到32.24 t/hm2，側柏林和油松林的林地枯落物最大持水量分別為30.72和28.83 t/hm2；林地枯落物最大持水率變化范圍為175.96%～572.94%，順序依次為白榆林>油松林>側柏林。根據以上結果，白榆林的林下枯落物最大持水量和最大持水率均高于側柏林和油松林，這是因為最大持水率與枯落物自身的生物量和組成結構、以及枯落物的分解程度有關?？萋湮锏姆纸獬潭仍礁?，則半分解層枯落物量越大，枯落物層的持水能力也就越強。白榆林由于林分郁閉度高，林下植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物最大持水量和最大持水率較高。而油松和側柏林的枯枝落葉由于含有大量革質和油脂，不易被微生物分解，這可能是導致油松、側柏林枯落物最大持水量和最大持水率較低的原因。

表3 不同林分枯落物的最大持水量

2.3 不同林分枯落物的失水速率

為全面衡量林地枯落物儲存水分的能力，本研究對不同林分枯落物的失水速率進行了分析，結果見圖2。

圖2 不同林分枯落物失水速率的變化

森林枯落物的持水能力是整個森林生態系統水分循環中的重要一環，是反映林地枯落物水文特性的重要指標[15]?？萋湮镂俾屎统炙吭礁?，則能在最短時間內有效地含蓄降水，為土壤保濕保墑提供充足的水分；但是，如果枯落物僅是快速吸水然后又快速失水，那么枯落物含蓄的水分能夠被植物有效利用的則相對減少，枯落物持水的綜合水平也大大降低。由圖2可以看出：林地枯落物失水速率在初期1～2 h迅速下降，之后隨時間延長呈不斷下降的趨勢，但下降速度趨于緩慢，到24 h時趨于0。由此可認為，降雨過程中，枯落物含蓄雨水，攔蓄降雨形成地表徑流后，隨著枯落物濕潤程度的減小，失水能力逐漸降低，直至達到枯落物自然含水量。

由圖2還可以看出，3種林分的失水速率均呈明顯下降趨勢，其中，側柏林的枯落物失水速率下降幅度最大。表4反映了3種林分枯落物失水過程中失水速率(y)與時間(x)的線性變化特征，其中斜率絕對值最大的為側柏林，其次為油松林，最小的是白榆林，失水速率由大到小依次是：側柏林>油松林>白榆林，說明側柏失水比油松和白榆快，這與圖2中實測的結果一致。

表4 不同林分枯落物累積失水過程的線性方程

3 結 論

1)試驗地油松林、側柏林、白榆林3種人工林枯落物蓄積量在6.82～40.44 t/hm2，在近似相同的立地條件和生長年限下，總蓄積量表現為側柏林>油松林>白榆林。

2)3個樹種林下枯落物吸水速率均呈現前期迅速下降，而后下降緩慢的趨勢，吸水速率由大到小依次是：白榆林>油松林>側柏林。白榆林的林地枯落物持水量最大，達32.24 t/hm2，側柏林和油松林的林地枯落物最大持水量分別為30.72和28.83 t/hm2；白榆林林下枯落物的持水能力強于油松林和側柏林。

3)3個樹種林下枯落物的失水速率在初期1～2 h內迅速下降，隨后下降速度趨緩，到24 h時趨于0。失水速率由大到小依次是：側柏林>油松林>白榆林?？傮w來看，白榆林的林地枯落物在儲存水分、增強林木對水分利用等方面較油松林和側柏林具有優勢，這對增加土壤水分、涵養水源、防止水土流失都有很好的生態效應。

[參考文獻]

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

Zhang Z M,Yu X X,Niu J Z,et al.Ecohydrological functions of litter on different forest stands [J].Journal of Soil Water Conservation,2005,19(3):139-143.(in Chinese)

[2] 楊承棟.森林土壤研究幾個方面的進展 [J].世界林業研究,1994,7(4):14-19.

Yang C D.Progress in several aspects of researches on forest soils [J].World Forestry Research,1994,7(4):14-19.(in Chinese)

[3] 王國梁,劉國彬,侯喜祿.黃土高原丘陵溝壑區植被恢復重建后的物種多樣性研究 [J].山地學報,2002,20(2):182-187.

Wang G L,Liu G B,Hou X L.The research of species diversity after the vegetation restoration in Loess Hilly Region [J].Journal of Mountain Research,2002,20(2):182-187.(in Chinese)

[4] 張衛強,賀康寧,周 毅,等.黃土半干旱區刺槐林地土壤蒸發特性研究 [J].水土保持研究,2004,14(6):396-399.

Zhang W Q,He K N,Zhou Y,et al.Study on soil evaporation of theRobiniapseudoacaciaforest land in semi-arid region of the Loess Plateau [J].Research of Soil and Water Conservation,2004,14(6):396-399.(in Chinese)

[5] Hanks R J.Yield and water-use relationship [M]//Taylor H M,Jordan Wayne R,Sinclair Thomas R.Limitations to efficient water use in crop production.New York: Inc.Madison WI,1982:393-411.

[6] Denmead O T.Plant physiological methods for studying evapotranspiration:Problems of telling the forest from the trees [J].Agric Water Manag,1984,8:167-189.

[7] Choudhury B.Modeling the effect of weather condition and soil water potential on canopy temperature for corn [J].Agric Meteoro1ogy,1983,29:169-182.

[8] de Grandpre L,Bergeron Y.Diversity and stability of understory communities following disturbance in the southern boreal forest [J].Journal of Ecology,1997,85:777-786.

[9] 張洪江,程金花,史玉虎,等.三峽庫區3種林下枯落物儲量及其持水特性 [J].水土保持學報,2003,17(3):55-58.

Zhang H J,Cheng J H,Shi Y H,et al.Reserves and water capacity characteristics of three kinds of litter of Three Gorges Area [J].Journal of Soil Water Conservation,2003,17(3):55-58.(in Chinese)

[10] 王 波，張洪江，杜士才，等.三峽庫區天然次生林凋落物森林水文效應研究 [J].水土保持通報，2009(3):83-87．

Wang B,Zhang H J,Du S C,et al.Forest hydrolgical effects of litter layers under different natural secondary forest in Three Gorges Reservoir Area [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2009(3):83-87.(in Chinese)

[11] 趙陟峰,郭建斌,趙廷寧,等.土橋溝流域不同林分枯落物的水文特性 [J].西北林學院學報,2008,23(6):14-17.

Zhao Z F,Guo J B,Zhao T N,et al.Hydrologic characteristics of litter under different forest types in Tuqiaogou Watershed [J].Journal of Northwest Forestry University,2008,23(6):14-17.(in Chinese)

[12] 楊新民.黃土高原灌木林地水分環境特性研究 [J].干旱區研究,2001,18(1):77-89.

Yang X M.Study on the characteristics of water enviromental in shrubbery land of Loess Plateau [J].Arid Zone Research,2001,18(1):77-89.(in Chinese)

[13] 魏天興,余新曉,朱金兆,等.黃土區防護林主要造林樹種水分供需關系研究 [J].應用生態學報,2001,12(2):185-189.

Wei T X,Yu X X,Zhu J Z,et al.Relationship between water supply and consumption of main planting tree species of protection forests in loess area of western Shanxi Province [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2001,12(2):185-189.(in Chinese)

[14] 李世榮.大通高寒區退耕還林生態效應研究 [D].北京:北京林業大學,2006.

Li S R.Studies on ecological effect of converting cropland to forest in Datong High-Cold Zone of Qinghai [D].Beijing:Beijing Forestry University,2006.(in Chinese)

[15] 張柏林.刺槐人工林林地凋落物量和林下植物生物量與立地因素間相關關系的研究 [J].生態學雜志,1991,10(4):13-16.

Zhang B L.Study on correlations between site factors and biomass of litterfall and undergrowth plant in black locust (Robintapseudoacacia) stands [J].Chinese Journal of Ecology,1991,10(4):13-16.(in Chinese)