北京市3個區域油松枯落物保水功能對比分析

張向峰，王玉杰，劉 敏

（1.中國電力工程顧問集團 西南電力設計院，四川 成都610021；2.北京林業大學 水土保持學院，北京100083）

隨著北京地區經濟快速發展，其生態環境壓力越來越大，尤其是水資源短缺問題。水土保持林在解決水資源短缺問題中扮演著重要的角色，且在控制水土流失、防治洪水災害、改善生態環境條件、促進社會和諧發展起著非常重要的作用。枯落物層作為水土保持林的重要組成部分，具有很好的透水性和吸水性，是實現水土保持林保水功能的主要作用層，其透水性、吸水性與其自身積累量、含水量和分解程度等因素有關［1－2］。林地枯落物層是由林木及林下植被凋落下來的莖、葉、花、枝條和殘體等形成的一層地面覆蓋層［3－5］。

油松是我國北方廣大地區最主要的造林樹種之一，適應性強，根系發達，是非常好的水土保持林樹種，在北京地區保持水土方面起著非常重要的作用。目前，國內外許多學者針對不同區域進行了大量研究，在枯落物的凋落量、截持降水、增強土壤入滲和防止土壤侵蝕等方面都取得了一定的成果［6－8］，但由于枯落物保水功能隨區域、樹種和自然條件等因素的變化而變化，因此枯落物保水功能研究任重而道遠。本研究選取北京密云水庫上游、八達嶺林場和十三陵林場中油松進林枯落物進行了定量研究，研究結果可為北京地區森林生態系統健康經營、評價以及水資源保護提供科學理論依據。

1 研究區概況

研究區域位于北京市郊區，包括密云縣密云水庫上游、延慶縣境內八達嶺林場和昌平縣境內十三陵林場3個區域。研究區域概況詳見表1。

表1 研究區域概況

2 研究方法

2.1 枯落物儲量調查

綜合考慮地形地貌條件、植被類型以及其它因素，選擇具有代表性的油松林樣地作為試驗區，各研究區域分別設置1個20m×20m的標準樣地（表2），在每個標準樣地內隨機選取4個1m×1m樣方。用鋼卷尺測量枯落物層的總厚度、未分解厚度和半分解（劃分標準：未分解層是由當年植物凋落物組成；半分解層為有機殘體部分已被分解，但還沒有分解徹底。），分層取出原狀枯落物帶回實驗室進行稱重和85℃烘干后稱重。

表2 樣地基本情況

2.2 枯落物持水量的測定

枯落物層的持水量和吸水速率采用室內浸泡法測定。在烘干后的未分解層、半分解層中分別稱量3個樣品，樣品重量均為100g。將稱量的樣品分別浸泡于水中后，分別測定其在0.25，0.5，1，2和4h的重量變化，重復3次，取平均值。

2.3 枯落物最大持水量和持水率的測定

枯落物在清水中浸泡24h后取出，靜置5min，至枯落物不滴水為止，迅速稱量枯落物濕重量，然后自然風干，測定風干重量。每層重復3次，取平均值。計算公式為：

式中：M24——枯落物浸泡24h后枯落物重量均值（g）；M——風干后枯落物重量均值（g）；M0——枯落物最大持水量（g）。

式中：Rmax——最大持水率（%）。

2.4 枯落物有效攔蓄量的測定

有效攔蓄量可用來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量。計算公式［9］為：

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

3 結果與分析

3.1 不同區域枯落物儲量

枯落物儲量在評價森林保水功能時具有非常重要的地位，也是判斷枯落物保水功能的重要指標。對北京地區密云水庫上游、八達嶺林場和十三陵林場油松林枯落物儲量調查表明（圖1），枯落物總儲量表現為：八達嶺林場（29.2t／hm2）＞十三陵林場（12.5t／hm2）＞密云水庫上游（7.2t／hm2），枯落物未分解儲量由大到小依次為：八達嶺林場＞十三陵林場＞密云水庫上游，枯落物分解儲量由大到小依次為：十三陵林場＞八達嶺林場＞密云水庫上游。

通過SPSS 17.0方差分析和圖1可以得出，密云水庫、十三陵林場油松林枯落物總儲量、未分解儲量與八達嶺林場之間差異性非常顯著（p＜0.01），密云水庫油松林枯落物總儲量、未分解層儲量、半分解層儲量與十三陵林場之間差異性顯著（p＜0.05），而3個區域的半分解層枯落物儲量存在一定差異性。從圖1可以看出，密云水庫、十三陵林場均表現出半分解層儲量要比未分解層儲量高，而八達嶺林場側表現出相反的規律，這主要是因為八達嶺林場油松樹齡相對較高，每年新增枯落物凋落量相對較高，且地勢相對較平緩，枯落物流失量相對較少。

彭云等人［10］研究認為相同森林類型隨著年齡的增長，枯落物總儲量呈增長趨勢。而本研究結果中密云水庫油松樹齡雖然比十三陵林場油松樹齡高，但枯落物總儲量卻小于十三陵林場。分析樣地情況，可以看出出現這種情況主要是因為密云水庫坡度相對較高（高達45°），枯落物很容易流失，因此導致其枯落物總量相對較低。

圖1 不同區域枯落物總儲量和各層次儲量

3.2 不同區域枯落物的持水能力

通常，人們把枯落物浸水24h的持水量和持水率作為枯落物最大持水量和最大持水率，且枯落物最大持水量和最大持水率常作為判斷枯落物保水功能的重要指標。圖2為不同區域枯落物最大持水量和最大持水率。由圖2可以看出，最大持水量表現為：八 達 嶺 林 場 （61.4t／hm2）＞ 十 三 陵 林 場 （20.5 t／hm2）＞密云水庫（8.3t／hm2），最大持水率表現為：十三陵林場（260%）＞八達嶺林場（192%）＞密云水庫上游（116%）。根據我國多年來研究成果表明，我國森林枯落物層的最大持水量平均為41.8t／hm2，最大持水率平均為309.54%［8］。3個區域與我國均值對比可以看出，最大持水量只有八達嶺林場達到了均值，其它兩個地區小于均值，且相差比較大，尤其是密云水庫，僅為均值的20%；3個區域的最大持水率均小于我國均值，尤其是密云水庫，僅為均值的37%。

通過SPSS 17.0方差分析和圖2可以得出，八達嶺林場的油松林枯落物最大持水量與其它兩個地區之間差異性極為顯著（p＜0.01），而3個地區的最大持水率差異性顯著（p＜0.05）。

圖2 不同區域枯落物最大持水量和最大持水率

3.3 不同區域枯落物吸水能力

由于山區森林多位于山坡，基本不具備較長時間的浸水條件，且多數情況下降雨歷時小于4h，且這個時段也是枯落物吸水的最重要時段，因此，研究枯落物此時段吸水能力具有著非常重要的實際意義。枯落物吸水能力常常作為枯落物保水功能的重要指標，而枯落物吸水速率常常用來反映枯落物吸水能力情況。

由表3可以看出，3個區域枯落物未分解層、半分解層吸水量與浸泡時間存在著顯著的線性相關關系。3個區域枯落物未分解層和半分解層吸水量均隨著時間增加而增大，吸水量與侵泡時間存在一定關系。枯落物吸水速率表示單位時間內枯落物的持水量，枯落物吸水速率對于評價森林對不同強度降雨的保水功能有著非常重要的意義。3個研究區域未分解層枯落物在4h時段內平均吸水速率大小順序為：八達嶺林場＞密云水庫＞十三陵林場，半分解層枯落物大小順序表現為：十三陵林場＞密云水庫＞八達嶺林場，枯落物平均吸水速率大小順序表現為：十三陵林場＞八達嶺林場＞密云水庫。另外，由表3可以看出密云水庫與八達嶺林場枯落物吸水速率相差不大。

通常，未分解層枯落物最先開始吸水，如果降雨量未滲透過未分解層時，吸水能力由未分解層來決定，那么八達嶺林場油松枯落物吸水能力最優；如果降雨量滲透到半分解層時，吸水能力由未分解層和半分解來決定，那么十三陵林場吸水能力最優。

表3 不同區域未分解層和半分解層枯落物吸水特征值

3.4 不同區域枯落物攔蓄能力

枯落物有效攔蓄量是反映枯落物層對降雨的實際攔蓄情況，因此，有效攔蓄量常用來反映枯落物的真實攔蓄能力，也是判斷枯落物保水功能的重要指標。有效攔蓄量是反映枯落物對一次降水攔蓄的真實指標，其與枯落物數量、水分狀態、降雨特性等有關［11－12］。圖3為不同區域枯落物攔蓄量。由圖3可以看出，3個區域攔蓄量存在差異，通過SPSS 17.0方差分析，得出3個區域攔蓄量存在極顯著的差異性（p＜0.01）。

枯落物攔蓄量表現為：十三陵林場（26.8t／hm2）＞八達嶺林場（9.9t／hm2）＞密云水庫（1.2t／hm2），且密云水庫攔蓄量不到十三陵林場的5%，這主要是因為密云水庫區域空氣濕度相對較高，枯落物自然含水量相對較高，且枯落物儲量也非常小。

圖3 不同區域枯落物自然含水率和攔蓄量

4 結論

枯落物層保水功能是森林生態系統水分循環中的重要部分，森林枯落物保水特性的研究對森林健康經營和區域水資源的保護具有著重要的意義［13－15］。一般情況下，森林枯落物保水功能是通過枯落物儲量、最大持水量、最大持水率、吸水速率和攔蓄量5個重要指標來研究分析。通過對北京地區3個區域油松林枯落物保水功能的定量分析，得出枯落物總儲量由大到小依次為：八達嶺林場（29.2t／hm2）＞十三陵林場（12.5t／hm2）＞密云水庫上游（7.2t／hm2），最大持水量表現為：八達嶺林場（61.4t／hm2）＞十三陵林場（20.5t／hm2）＞密云水庫（8.3t／hm2），最大持水率由大到小表現為：十三陵林場（260%）＞八達嶺林場（192%）＞密云水庫上游（116%），枯落物平均吸水速率由大到小表現為：十三陵林場＞八達嶺林場＞密云水庫，枯落物攔蓄量由大到小表現為：十三陵林場（26.8t／hm2）＞八達嶺林場（9.9t／hm2）＞密云水庫（1.2t／hm2）。

總得來說，3個區域油松林枯落物保水功能均比較差，尤其是密云水庫；降雨量小于某一范圍時，八達嶺林場油松林枯落物保水性能最好；降雨量超過某一范圍時，十三陵林場油松林枯落物保水性能最優；3個區域比較而言，十三陵林場油松林枯落物保水功能要優于其它兩個區域。

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