陰山北麓不同林分類型枯落物層持水性能研究

蘭亞男, 孫 旭, 秦富倉, 烏 都, 李亞南

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010011)

森林枯落物層是森林結構中的重要組成部分，主要包括凋落后堆積而成的枝、葉、花、果、皮、種子等，是森林水文小樣的第二活動層[1-3]。林下枯落物對水源涵養和土壤保育起至關重要的作用，其不但具有攔蓄和蓄水的功能，可以防止雨水對土壤過度的擊濺和沖刷，防止水土流失。在降水過程中，對土壤起到緩沖的作用，發揮更好的蓄水保土的效果[4]。枯枝落葉層對土壤和植被均有保持土壤水分，抑制土壤水分過度蒸發的重要作用。枯落物的蓄積量又稱為枯落物的現存量[5]，林地樹種的類型和起源都很大程度上決定了枯落物的輸入量，而林地的立地條件、分解速度、水熱條件、人為活動等因素都與枯落物的蓄積量密切相關，不同樹種林下枯落物蓄積量的持水性能對樹木生長有很大的影響。

近幾年，國內外專家對森林枯落物的持水能力研究取得了很多的成就，Bray等[6]共同對世界森林產生的枯落物做了研究。張東等[7]認為林下枯落物的蓄積量的多少直接影響土壤含水，枯落物蓄積量較大能夠起到保護水土流失的作用。Freschet等[8]通過分析枯落物的持水性能發現枯落物對土壤理化性質有影響。何琴飛等[9]調查了珠江流域的森林凋落物的持水特性，發現不同林分類型枯落物的浸水時間變化規律是一致的。李良[10]認為林地枯落物的有效攔蓄量受枯落物的生物量、最大持水率和自然含水率的影響。近些年我國對環境氣候的變化投入更多關注，對于森林的保護與調查的工作逐漸普及完善。到目前為止，對于陰山北麓不同林地類型枯落物持水能力方面的研究區域范圍較小，調查的林分類型較少，數據比較陳舊，本文通過對武川縣11個代表性林地枯落物的蓄積量、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量等進行定量研究，旨在為武川縣不同林地蓄水保土功能研究提供數據基礎，同時為該地區水土保持林科學管理與經營提供理論基礎和科學依據。

1 研究區概況

武川縣位于內蒙古呼和浩特市北部，地處我國陰山北麓農牧交錯帶，北與四子王旗，西與包頭固陽縣，東與烏蘭察布市卓資縣相接，地理坐標為110°31′—111°53′E，40°47′—41°23′N，海拔高度1 500～2 200 m。氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候，有冬季較長且寒冷，夏季較短且炎熱的特征。年降雨量350 mm左右，主要集中在每年的7，8月份。武川縣主要土壤類型為山地栗鈣土、山地典型棕褐土、山地淋溶褐土、山地草甸草原土。主要木本植被油松(Pinustabulaeformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populusdavidiana)、云杉(PiceaasperataMast)、落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、山杏(Prunussibirica)、檸條(Caraganamicrophylla)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等。

2 研究方法

2.1 樣地的設置

試驗地位于內蒙古呼和浩特市武川縣，選擇11個具有代表性的樣地，在不同林分類型內設標準地(喬木林30 m×30 m，灌木林5 m×5 m)。樣地基本情況見表1。

表1 研究區樣地基本情況

2.2 枯落物的采集

在每塊標準地內選取5個枯落物小樣方，大小為30 cm×30 cm，用繩子圍成正方形區域，仔細去除活著的植物部分，用鋼尺量取未分解層和半分解層的枯落物厚度，收集樣方內所有半分解層和未分解層的枯落物，分別裝入尼龍袋，記錄枯落物取樣時間、地點、厚度和編號，稱量鮮重。

2.3 枯落物蓄積量及自然持水率測定方法

將枯落物帶回實驗室，在85°下烘干枯落物至恒重，每個林分類型重復5次，記錄烘干后的重量，用于估算各林分不同分解層的自然持水率和蓄積量。自然持水率公式為：

(1)

式中：R0為枯落物自然持水率(%)；W1為枯落物鮮重(t/hm2)；W2為枯落物干重(t/hm2)。

2.4 枯落物持水量測定

測定枯落物持水變化，采用室內浸泡法計算[11-12]，將烘干后的枯落物分別裝入不吸水的塑料紗網袋內，做好標記，將網孔袋子完全浸泡入水中，分別在0.5,1,2,4,6,8,10,12,24 h取出，每次將紗袋拿出后放置5 min，當紗袋不再滴水的時候稱重，枯落物在水中浸泡24 h達到最大持水量。最大持水率公式為：

(2)

式中：Rm為最大持水率(%)；W24h為泡水24 h重(t/hm2)；W2為枯落物干重(t/hm2)

2.5 枯落物有效攔蓄量測定

采用室內浸泡法測得的最大持水量和最大持水率會比枯落物對降水的實際攔蓄量要高。一般認為，當降雨量達到20～30 mm時，植物枯落物的實際持水率約為最大持水率的85%[13]。最大持水率是通過將枯落物浸泡24 h后測得的結果，在實際情況中，林地一般位于山坡上，降水時一部分雨水滲入土壤，另一部分被枯落物攔截并吸收，所以使用枯落物的有效攔蓄量來估算枯落物對降水的攔截作用比較科學。植被枯落物有效攔蓄量與枯落物的數量、降水等有關，有效攔蓄量的大小根據枯落物的蓄積量、自然含水率和最大持水率來計算。即：

W=(0.85Rm-R0)M

(3)

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；Ro為自然含水率(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)；0.85為有效攔蓄系數。

2.6 數據分析

應用Microsoft Excel 2007軟件進行試驗數據的統計與制圖，SPSS軟件進行相關性和顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 枯落物的蓄積量

枯落物的蓄積量又稱現存量，枯落物的蓄積量主要受林分類型、種植年限、氣候條件、立地條件和人為活動等因素影響[14-15]。

由表2可知，陰山北麓不同林分類型下枯落物的厚度和蓄積量都有較大的差異。其中落葉松林下枯落物厚度最大為15 cm，最薄的是樟子松林下，枯落物為0.5 cm；總蓄積量最大的是落葉松林為5.09 t/hm2，最小的是山杏林為0.74 t/hm2，其他林分蓄積量依次為：云杉交林>山楊樺木>油松林Ⅱ>油松Ⅰ>油松、山杏、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicaLitv.)混交林>油松、山杏混交林>檸條林>油松、沙棘混交林>樟子松林，陰山北麓主要樹種蓄積量變化范圍為0.74～5.09 t/hm2。

表2 不同林分類型的枯落物厚度及蓄積量

注:“—”代表未發現，下同。

由于采樣時間為每年的7—8月，未分解層的蓄積量普遍較少。通過比較各林分枯落物的半分解層和未分解層的蓄積量可發現，枯落物的半分解層均大于未分解層蓄積量的多少，部分樹種下出現了沒有未分解層枯落物的情況。如灌木類的檸條林、山杏林和沙棘混交林，由于灌叢較為低矮且屬于耐旱植被，其立地條件十分干旱，導致分解困難，所以出現沒有未分解層的情況；而樟子松林由于種植年限較短，枯落物不易分解等導致林下半分解層枯落物較少且沒有未分解層。由此可以看出，枯落物厚度和蓄積量與樹種類型和立地條件等都有極大的關系，天然林下枯落物的厚度及蓄積量均大于人工林下枯落物的厚度及蓄積量，大多數喬木林大于灌木林。

3.2 枯落物的持水能力

枯落物的持水能力與自身厚度、林分空間結構、枯落物分解程度有重要的相關性，是生態系統循環的一個重要組成部分[16-17]。枯落物層的水土保持功能主要體現在對降水產生徑流的攔蓄作用上，有效控制徑流流速，減少徑流對地表的沖刷，有效起到了保土蓄水作用。

3.2.1 最大持水量和最大持水率 枯落物充分浸水后(約24 h)的持水量(率)為最大持水量(率)[18-20]。不同林分類型的不同分解層的枯落物持水能力，詳見表3，其中喬木林中落葉松林的最大持水量最大，為8.5 t/hm2，落葉松林是天然林，其蓄積量較大，持水能力較好，所以落葉松林持水量最大，而喬木林中樟子松林的最大持水量最小，為0.99 t/hm2，這主要是由樟子松林的林齡和立地條件導致的；試驗證明，灌木林的枯落物最大持水量普遍低于喬木林的枯落物最大持水量。不同林分類型總最大持水量由高到低排列的順序為落葉松(8.5 t/hm2)>云杉林(4.923 t/hm2)>山楊樺木(3.32 t/hm2)>油松Ⅰ(2.94 t/hm2)>油松、山杏混交林(2.93 t/hm2)>油松林Ⅱ(2.88 t/hm2)>油松、山杏、樟子松混交林(2.23 t/hm2)>油松、沙棘混交林(1.27 t/hm2)>檸條林(1.12 t/hm2)>山杏林(1.09 t/hm2)>樟子松林(0.99 t/hm2)。經方差分析得知不同林分類型枯落物持水量差異達到顯著水平(p<0.05)。對比半分解層和未分解層最大持水量可以看出枯落物的半分解層均大于未分解層。

枯落物的最大持水率的變化范圍為109.56%～345.42%，10種林地類型大小依次為落葉松林>云杉林>油松林>山楊樺木林>油松山杏混交林>油松、山杏、樟子松混交林>山杏林>沙棘林>檸條林。不同林分類型枯落物的半分解層最大持水率均高于未分解的最大持水率，其中喬木林差異最大的油松林Ⅱ其差值達到92.63%，最小的落葉松林其差值也有19.72%。可見枯落物的分解程度也很大程度上影響著枯落物的持水能力，未分解層的最大持水率低于半分解層的最大持水率。總體看來，天然林枯落物的最大持水率大于人工林的最大持水率，喬木林枯落物的最大持水率大于灌木林的最大持水率。

表3 最大持水率和最大持水量

注:不同小寫字母表示不同類型間差異顯著(p<0.05)。

3.2.2 枯落物持水過程 由表4可知，不同層次枯落物與其持水速度有一定的關系，各樹種枯落物的半分解層持水速度均大于未分解層，浸水0～0.5 h達到最大值，隨著時間的變化，枯落物持水速度逐漸減緩，在24 h后，枯落物的持水速度趨于不變的狀態。在0.5 h內，落葉松的持水速度最大，半分解層和未分解層分別為3.31，1.36 kg/(m2·h)，其次平均持水速度分別是云杉>油松Ⅰ>山楊白樺>檸條>油松Ⅱ>油松、山杏、樟子松>油松、山杏>山杏>沙棘>樟子松。

表4 不同層次枯落物不同浸水時間的持水速度

由圖1可知，在4 h內，枯落物的持水量迅速增加，之后持水量也在增加，但增加的速度明顯降低，在6～24 h內，枯落物持水量逐漸趨于飽和狀態，在這個過程中半分解層吸水量明顯大于未分解層吸水量。各林分的枯落物半分解層和未分解層持水量過程大致相似，且由圖1可知，枯落物持水量與浸水時間呈對數關系。

如圖2所示，在枯落物浸泡試驗過程枯落物的吸水速率中前2 h不同林分類型枯落物吸水速率相對較高，2 h后吸水速率下降，吸水速度減緩，8 h后，吸水逐漸趨于飽和，10 h后達到平衡狀態，且由圖2可知，枯落物持水速率與浸水時間呈冪指數關系。

圖1 枯落物持水量與浸水時間

3.3 枯落物的有效攔蓄量

枯落物的有效攔蓄量與蓄積量、最大持水率和自然持水率有關，本試驗采取線性相關分析得出它們之間存在正相關關系(圖3)，相關系數分別為0.963(p<0.01)和0.898(p<0.01)，與自然持水率相關性較小，相關系數為0.602(p<0.05)。

對比表5可知，不同林分類型枯落物層的有效攔蓄量為0.854～9.051 t/hm2，有效攔蓄量由高到低的排列順序依次為落葉松(9.051 t/hm2)>云杉(4.15 t/hm2)>山楊、白樺混交林(2.88 t/hm2)>油松、山杏混交林(2.847 t/hm2)>油松Ⅰ(2.792 t/hm2)>油松Ⅱ(2.542 t/hm2)>油松、山杏、樟子松混交林(1.905 t/hm2)>油松、沙棘混交林(1.093 t/hm2)>山杏(0.956 t/hm2)>檸條(0.945 t/hm2)>樟子松(0.854 t/hm2)。從不同分解層次的有效攔蓄量大小可以發現，半分解層枯落物的有效攔蓄量均大于未分解層的有效攔蓄量，這與夏季未分解層枯落物蓄積量較少有關，同時該研究區枯落物自然持水率較低，主要是由于當地降水量較小。從整體來看，天然林有效攔蓄量大于人工林有效攔蓄量，蓄積量的多少直接導致這一結果。

圖2 枯落物持水速率與浸水時間

圖3 枯落物有效最大持水率、自然含水率蓄積量的線性相關模型

表5 枯落物的有效攔蓄量

4 討論與結論

4.1 討 論

各樹種枯落物的厚度和蓄積量有明顯差異，陰山北麓11個樣地不同林分類型枯落物蓄積量變化范圍為0.74～5.09 t/hm2，落葉松林、云杉林、山楊樺木林在枯落物厚度和蓄積量大于油松林及油松混交林，油松林及油松混交林大于檸條、山杏灌木林，主要原因是由于天然林林齡較大，枯落物多年累積較厚，且天然林多數分布于較高海拔區域，人為干預較少，所以枯落物的厚度和蓄積量都偏大。觀察各林分枯落物的半分解層和未分解層的蓄積量可發現，喬木林和灌木林的枯落物半分解層均大于未分解層蓄積量，由于對枯落物進行野外取樣的時間為7—8月，對于陰山北麓研究區正值炎熱且降雨較少的時候，植被生長正是旺盛時候，較少有枯落物凋落，所以枯落物厚度和蓄積量與其他研究對比普遍偏低，且枯落物的半分解層均大于未分解層，這與大多數學者研究結論相一致。

不同林分類型枯落物的持水能力因枯落物的分解程度、立地條件、人為影響等不同而異，枯落物是實現防止水土流失的主要作用層，是森林生態系統的重要組成部分。落葉松林林下的枯落物持水能力最佳，起到了涵養水源和保育土壤的作用，油松林次之，而灌木林主要種植在地勢較為平緩的風蝕沙化區相對來說持水能力較差，結合陰山北麓特有的立地條件應適地適樹，同時要加強對森林的保護有助于積累枯落物，從而減少地表徑流，有效防止水土流失。

4.2 結 論

研究表明，各林分類型的枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系，持水速率與浸水時間呈冪函數關系。各試驗地取樣面積相同，將所圈面積內的所有枯落物都收集起來作為試驗樣本，枯落物的蓄積量是持水量的主要決定因素。試驗區個林分類型枯落物吸水速率變化趨勢一致，在2 h前吸水速率相對較高，4～8 h吸水速率逐漸減緩，10～24 h吸水接近飽和狀態，基本趨于平衡。由此可見，在降水初期，枯落物迅速吸水，使降水得到緩沖，對土壤起到保護作用，尤其在枯落物蓄積量較大林分類型下持水能力效果更為明顯，起到了涵養水源的功能。通過線性相關分析得出，枯落物的有效攔蓄量與蓄積量、最大持水率和自然持水率有關。同一林分不同分解層的有效攔蓄能力也不同，枯落物半分解層均大于未分解層，不同林分類型枯落物層的有效攔蓄量為0.854～9.051 t/hm2。