綿陽市官司河流域不同人工林地枯落物及土壤的持水特性

龔 力，姚旭松

(四川省科源工程技術測試中心，四川 成都 610031)

枯落物層和土壤層作為森林生態系統第二和第三活動層,具有吸收降水、減少徑流、增加糙度、阻滯流速、增加入滲、抑制蒸發以及增強土壤抗蝕性等重要作用[1]。林地枯落物層是指由林木及林下植被凋落下來的莖、葉、枝條、花、果實、樹皮和枯死的植物殘體所形成的一層地面覆蓋層，對林地土壤的水熱狀況和林地水文生態特性有著重要影響[2]。土壤層是大氣降水貯存和入滲的主要場所，同時也可通過土壤毛管孔隙供植物蒸騰和地表蒸發，林冠截留和枯落物層持水對其的水文效應有很大影響[3]。

官司河流域屬長江上游支流之一涪江水系，是長江上游防護林工程建設的重點地段之一。由于長期受到人類干擾，森林植被受到耕地、村舍、河流、堰塘和道路的分割，未能連接成片，且主要零星分布于丘坡、丘頂和平壩，構成盆中丘陵區的農林復合景觀。該區水土流失嚴重，影響了水系生態安全，故而對其森林水文效應的研究具有一定的現實意義。尤其是川中典型的農林復合流域的相關研究較少，本文依據前人對官司河流域森林植被調查，選取幾種典型人工林地為調查樣地，對枯落物和表層土壤的持水性能進行了定量分析，旨在為該區生物量計算和森林水文評價提供一定的理論依據。

1 研究區概況

官司河流域隸屬綿陽市北部游仙區新橋鎮,地處川中低山丘陵地帶，位于104°46′E～104°49′E,31°32′30″N～31°37′30″N之間，海拔范圍為512～638m，全流域面積約21km2。屬北亞熱帶季風型氣候，年均溫16.1℃，年均降水量920mm。土壤類型以紫色土、老沖積黃壤和姜石黃壤為主，另有部分為灰白砂土。該流域森林覆蓋率約23%，喬木以馬尾松(Pinusmassoniana)、柏木(Cupressus)和櫟類組成的針闊和針葉混交林占優勢,另有少量的榿柏混交林和經濟林。灌木主要以耐旱的黃荊(Vitexnegundo)、馬桑(Coriariasinica)、火棘(Pyracanthafortuneana)、鐵仔(Myrsineafricana)、小果薔薇(Rosacymosa)等為主。林下草本以栗褐苔草(Carexbrunnea)、金發草(Pogonatherumpaniceum)、黃茅(Heteropogoncontortus)、白茅(Imperatacylindricavar.major)、藎草(Arthraxonhispidus)等為主，平均高0.3m，蓋度10%～50%[19]。

2 研究方法

2.1 樣地設置及樣品采集

2018年6月在官司河流域選擇7種不同的人工林地(表1)，在各林地內選擇典型的、大小均為20m×20m的樣地，并在各樣地內設置3個50cm×50cm的小樣方，收集樣方內所有枯落物并混合均勻，將樣方內所有的枯枝落葉收入尼龍袋中。用鋁盒、環刀在各樣方附近分層取表層0～15cm和15～30cm土樣，將枯落物和土樣帶回實驗室進行測定。

2.2 枯落物水文效應

在實驗室分揀出未分解和半分解枯落物并稱其自然重量，然后在85℃下烘干72h后稱其干重，并計算單位面積的枯落物蓄積量。枯落物持水能力與過程分析采用室內浸泡法測定，將烘干后枯落物樣品分別稱取100g，放入紗布袋中，浸沒于清水中，在分別浸泡5min、15min、30min、1h、1.5h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、24h后稱重，每次取出后靜置5min左右，直至枯落物不滴水為止，迅速稱量枯落物的濕重并記錄。每次稱重的枯落物濕重與其干重的差值，即為枯落物相應浸泡時間的持水量，各浸泡時間段持水量變化值與該浸泡時間間隔的比值為該時間段的吸水速率，自然含水率、最大持水率和最大持水量的計算公式[4]如下：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%

Rhmax(G24-Gd)/Gd×100%

Whmax=Rhmax×M/10

式中：G0，Gd，G24—枯落物樣品自然狀態的重量、烘干狀態的重量和浸水24h后的重量(g);R0，Rhmax—枯落物自然含水率、最大持水率；M，Whmax—枯落物層蓄積量(t/hm2)、最大持水量(mm)。

不同種類枯落物的攔蓄能力不同,由于當降雨達到20～30mm以后，其實際持水率約為最大持水量的85%左右，用最大持水量來估計枯落物層對降雨的攔蓄能力偏高,所以一般用有效攔蓄量(modifiedinterception)估算枯落物對降雨的實際攔蓄量[5]。即：W=(0.85Rm-Ro)M

式中:W—有效攔蓄量(t/hm2)；Rm—最大持水率(%);Ro—平均自然含水率(%)；M—枯落物累積量(t/hm2)。

表1 調查樣地基本情況

注:MQC—櫟柏混交林:MixedQuercus-Cupressusforest; CF—柏木純林:Cupressusfunebrisforest; PF—馬尾松純林:Pinusmassonianaforest;MPQ—松櫟混交林:MixedPinus-Quercusforest;MPCQ—松柏櫟混交林:MixedPinus-Cupressus-Quercusforest;QF—麻櫟純林Quercusacutissimaforest;BF:竹林Bambusoideaeforest.

2.3 土壤持水特性

采用環刀法，在標準地內挖掘土壤剖面，用環刀按照土層0～15cm，15～30cm分層取樣，每個組合重復3次，用烘干法和浸水法測定土壤的自然含水量和持水性，用環刀法測定土壤容重、孔隙度等指標。采用下式計算土壤持水性能指標[6]，即：

W1=10γP1H

W2=10γP2H

式中：W1、W2—最大持水量、有效持水量(t/hm2)；γ—水的容重(Kg/m3)；P1、P2—土壤總孔隙度、土壤非毛管孔隙度(%)；H—土層厚度(m)。

3 結果分析

3.1 枯落物層水文效應

3.1.1 枯落物的持水特性 枯落物的持水能力是森林生態系統水分循環中最重要的一環，是反映枯落物層水文作用的一個重要指標[7]。由表2可知，7種林分中純竹林的最大持水量最大，為2.87mm；松櫟混交林、馬尾松純林和松柏櫟混交林次之，分別為2.58mm、2.30mm和1.94mm；櫟柏混交林最小，僅為0.67mm。枯落物最大持水率的變動范圍為86.1%～433.50%,為自然含水率的3.11～14.81倍，依均值從大到小依次為純竹林、麻櫟純林、柏木純林、松柏櫟混交林、松櫟混交林、櫟柏混交林、馬尾松純林。純竹林枯落物的蓄積量較低，但其最大持水量最大；馬尾松純林枯落物的蓄積量最大，但其最大持水量最小。所以兩者都能維持較好的蓄水能力。

表2 官司河流域不同林分類型枯落物持水能力

注：林地類型標注同表1

3.1.2 不同林分枯落物持水過程 通過浸水實驗，分析不同林地枯落物未分解層和半分解層的持水過程(圖1、圖2)。可以得到未分解層和半分解層均為麻櫟和竹林的持水量最大，闊葉林的持水能力大于針葉林。

由圖1和圖2可知，在最初浸泡的1.5h內，枯落物持水量迅速增加，以后隨著浸泡時間的延長呈現不斷增加的趨勢，但增加速度逐漸放慢，趨于平穩。24h吸水基本停止，表明枯落物達到飽和狀態。較未分解層，枯落物半分解層分解比例、組成成分和分解時間等方面的差異，持水量隨時間的變化波動較大，擬合曲線的相關系數明顯較小。

3.2 表層土壤水文效應

森林枯落物對0～20cm土壤層的物理性狀影響起顯著作用。由表3可以看出,除馬尾松外，林下0～15cm土層的土壤容重小于15～30cm的土壤容重，其中，柏木純林0～15cm層的土壤容重最小，僅為1.191g/cm3，其總孔隙度最大，為54.317%，其中毛管孔隙度為47.367%。綜合兩個土層來看，櫟柏混交林的土壤容重最大，其次是松櫟混交林、馬尾松純林、麻櫟純林、柏木純林，最小的是松柏櫟混交林。土壤容重越小，孔隙度就越大，說明土壤結構越疏松，有利于雨水迅速下滲，減少地表徑流對表土的沖刷。

圖1 官司河流域枯落物未分解層持水量與浸泡時間關系

圖2 官司河流域枯落物半分解層持水量與浸泡時間關系

由表3可知,0～15cm土層中，松櫟混交林的有效持水量最大，為131.25t/hm2。因此,松櫟混交林下的0～15cm土壤層最有利于林下植物的生長，在林內形成較好的第3作用層，更有助于截留降雨和減少雨滴擊濺侵蝕。而像馬尾松純林下表層土壤有效持水量很小，可以種植一些耐旱的植物。

總體來看，林下土壤的持水性能明顯，柏木純林下土壤的最大持水量達到了814.76mm，因此只要降雨強度不太大，就能有時間讓水分充分地滲入土壤，不會形成地表徑流。

表3 官司河流域不同林分類型土壤表層物理性質和持水量能力

4 結論

(1)7種林地枯落物最大持水量均表現為未分解層大于半分解層，且純竹林最大，達2.87mm。

(2)7種林地0～30cm土壤總孔隙度變化范圍為37.1%～54.3%，土壤最大持水量排序為純竹林>松櫟混交林>馬尾松純林>松柏櫟混交林>麻櫟純林>柏木純林>櫟柏混交林。