京西水源保護林枯落物持水特性研究

郭建軍　王婭茹　孟祥嵩　吳丹　梁世興　張曉琴　楊新兵

摘要 森林枯落物在水源涵養、水土保持和攔蓄徑流等方面具有重要作用，研究枯落物的持水特性對評價不同林分的水文效應具有重要意義。采用樣地調查法和室內浸泡法，對涿鹿林場4種不同類型林分枯落物持水特性進行研究。結果表明：（1）枯落物蓄積量排序為油松林>華北落葉松林>山楊林>白樺林，半分解層大于未分解層。（2）枯落物持水量隨時間增加而增加，但速率趨于漸緩;枯落物吸水速率隨時間增加而減小，呈指數關系;枯落物最大持水量排序為華北落葉松>油松>山楊>白樺，有效攔蓄量排序為華北落葉松>油松>山楊>白樺，有效攔蓄率排序為華北落葉松>白樺>油松>山楊。華北落葉松林枯落物水文效應最好，其次是油松林。

關鍵詞京西水源林;枯落物;枯落物蓄積量;枯落物水文效應

中圖分類號：S715.7文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.001

Study on Water-holding Characteristics of Litter in Water Source Protection Forests in West Beijing

Guo Jianjun Wang Yaru Meng Xiangsong Wu Dan Liang Shixing Zhang Xiaoqin Yang Xinbing

（1.Saibei Forest Farm of Zhangjiakou City（State-owned forest farm Administration Office of Zhangjiakou City）， Zhangjiakou 075000， Hebei;

2. Zhuolu Forest Farmof Zhangjiakou， Zhangjiakou 075600， Hebei;

3. College of Forestry，Hebei Agricultural University， Baoding 071000， Hebei）

AbstractForest litter plays an important role in water conservation， soil and water conservation， and runoff retention. The study of the water-holding characteristics of forest litter is of great significance to evaluate the hydrological effects of different stands. In this paper， the water-holding characteristics of 4? different types of litter in Zhuolu forest farm were studied by sample plot investigation and indoor immersion method. The results showed that： （1） the order of litter accumulation was?Pinus tabulaeformis?forest>?Larix principis-rupprechtii?forest>?Populus davidiana?forest >?Betula platyphylla? forest ， and the semi-decomposed layer was larger than the undecomposed layer， （2） the litter water capacity increased with time， but the rate tended to slow down; the water absorption rate of litter decreased with time， showed an exponential relation; the order of maximum water holding capacity was?L. principis-rupprechtii?>?Pinus? tabulaeformis>?Populus? davidiana?>?B.platyphylla?， the order of effective interception was?L. principis-rupprechtii?>?P.tabulaeformis >Populus davidiana?>?B.platyphylla?， and the effective interception rate was ?L. principis-rupprechtii?>?B. platyphylla?>?Pinus? tabulaeformis?>?Populus davidiana?. Taken together， resultsr eveal that the litter of ?L.principis-rupprechtii? has the best hydrological effect， followed by ?P.tabulaeformis?forest.

Key wordsWest Beijing water source protection forests; litter; litter accumulation; litter hydrological effects

枯落物是森林生態系統的重要組成部分，是影響森林水文過程的重要一環，枯落物在森林中可以截持降水，吸收水分，發揮著減小地表徑流、增加土壤有機質、改善土壤結構等作用[1-3]。董輝等[1]對東莞市5個森林公園5種30年生態公益林的枯落物持水能力研究發現，枯落物最大持水量、有效攔蓄力均呈現濕地松-九節林>馬占相思-嶺南山竹子林>浙江潤楠-豺皮樟林>木荷-油茶林>桉樹-鵝掌柴林。趙娜等[2]對北京松山國家自然保護區4種林分枯落物持水效能研究發現，山楊純林枯落物持水能力最佳，優于蒙古櫟純林、油松純林和毛白楊油松針闊混交林。周福成[3]對塞罕壩3 種林分類型枯落物持水特性研究表明，枯落物有效攔蓄能力由大到小依次為落葉松樺木混交林、華北落葉松純林、油松純林。耿琦等[4]研究認為，枯落物形成的腐殖質層對土壤微生物多樣性、土壤的理化性質、土壤儲水能力有重要影響，相應改變林地的水文功能。不同地域、不同樹種組成的林分會產生不同的枯落物水文效應。

涿鹿林場位于北京西部與河北省張家口交界處。2015年林場取得岔道林區大黑溝處的水源林造林任務66.67 hm，是首都北京永定河上游重要的水源保護林區。為合理評估水源林的水文功能，本文選取涿鹿林場分布最多的油松（Pinus tabuliformis）、山楊（Populus davidiana）、白樺（Betula platyphylla）、華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）為研究對象，測定其枯落物蓄積量和水文效應，以期為森林的水源保護及京津冀生態維護等方面提供科學依據。

1研究區概況

涿鹿縣地處39°40′—40°39′ N，114°55′—115°31′ E，位于北京西部、河北省西北部、張家口市東南部。大地構造屬燕山沉降帶，山西臺背斜交界過渡地帶。海拔500～2 800 m。屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量372.7 mm，雨量主要集中在夏季，冬季嚴寒凍期長。年均溫9.1 ℃，極端高溫39.2?℃，極端低溫-23.9 ℃。土壤類型以褐土為主。植被類型以落葉闊葉林、針闊葉混交林為主。主要造林樹種以油松、白樺、山楊為主，其次是華北落葉松、蒙古櫟（Quercus mongolica）等。

2研究方法

2.1標準地設置

在涿鹿林場內選取油松、山楊、白樺和華北落葉松4種純林類型，在分布較為均勻且其他樹種較少的位置設置標準地，規格為30 m×30 m，樣地概況見表1。在各標準地內隨機選取3個1 m×1 m的樣方，利用鋼尺測量枯落物未分解層和半分解層厚度，并分別收集，裝入塑封袋帶回室內。將枯落物樣品自然風干用于測定枯落物持水性能。取部分樣品置于80 ℃烘箱中烘干至恒質量，此時質量即為枯落物干質量，用于計算枯落物蓄積量。

2.2枯落物持水性能測定

運用室內浸泡法進行測定。將自然風干的枯落物取樣稱質量，裝入孔隙為1 mm×1 mm的尼龍網袋中，做好標記，放入盛有清水的容器中，樣品要完全浸沒于水中以保證枯落物樣品被充分浸泡。分別測定0.5、1、2、4、6、8、24 h的質量變化，計算出各浸泡時間枯落物持水量、持水率、有效攔蓄量、有效攔蓄率及吸水速率[5]。最大持水量為浸泡24 h的持水量，此時的持水率為最大持水率。

2.3數據處理與分析

用Excel 2016軟件和SPSS 19.0軟件對數據進行統計、差異性分析和制圖。

3結果與分析

3.1不同林分枯落物蓄積量差異

由于植物類型不同，其所受光照、水分、溫度等情況不同，導致不同林分枯落物蓄積量不同[6]。

由表2可知：從未分解層占總量的比例來看，山楊林最大（53.60%），油松林最小（19.38%）;從半分解層占總量的比例來看，油松林最大（80.62%），山楊林最小（46.40%）。不同林分枯落物厚度和蓄積量存在差異性。半分解層與未分解層蓄積量有明顯差異，油松林、白樺林和華北落葉松林半分解層高于未分解層，山楊林為分解層高于半分解層。4種林分枯落物總厚度為4.1～5.5 cm，白樺林最低，油松林最大，油松林與其他3種林分差異顯著，其他3種林分之間差異不顯著。枯落物總蓄積量為5.07～8.89 t·hm，不同林分枯落物蓄積量排序為：油松林>華北落葉松林>山楊林>白樺林，油松林顯著大于其他3種林分，白樺林顯著小于其他林分，白樺林和山楊林差異不顯著。

3.2不同林分類型枯落物持水過程

3.2.1枯落物持水量

枯落物持水量與浸水時間的關系也是評價枯落物持水特征的重要指標[7]。由圖1可知：隨著浸泡時間的增加，未分解層和半分解層枯落物的持水量變化趨勢均為遞增趨勢，且持水量與浸水時間呈對數關系，R均接近0.9，擬合效果好。（1）未分解層前1 h華北落葉松持水量增長明顯高于其他林分，從初始的18.83 t·hm增長到21.77 t·hm。在4～8 h油松、山楊和白樺持水量增長顯著，分別從16.59、9.68、13.61 t·hm增加到18.00、11.17、15.05 t·hm。（2）半分解層前1 h華北落葉松持水量增長明顯高于其他林分，從初始的18.91 t·hm增長到23.09 t·hm。在4～8 h油松、山楊和白樺持水量增長顯著，分別從19.97、11.08、13.96 t·hm增加到22.63、13.65、16.16 t·hm。

3.2.2枯落物吸水速率

枯落物吸水速率越快則在降雨中吸收地表徑流的效率也就越高，保持水土的能力也越大[8]。由圖2可知：隨著浸泡時間的增加，其未分解層和半分解層枯落物的吸水速率變化趨勢一致，均為遞減的趨勢，前2 h下降明顯，隨后速率逐漸趨緩，24 h基本達到穩定。未分解層初始吸水速率大小排序為油松（2 897.2 g·kg·h）>華北落葉松（2 393.8 g·kg·h）>山楊（1 453.6 g·kg·h）>白樺（1 345.8 g·kg·h），半分解層初始吸水速率大小排序為白樺（5 478.4 g·kg·h）>華北落葉松（1 507.0 g·kg·h·）>油松（827.2 g·kg·h）>山楊（564.8 g·kg··h）。同一林分對比下，油松、山楊、華北落葉松吸水速率未分解層大于半分解層，白樺吸水速率半分解層大于未分解層。

3.3不同林分類型枯落物持水能力比較

枯落物的最大持水量和最大持水率可以體現枯落物的持水能力[9]。由圖3可知，油松林和山楊林最大持水率半分解層大于未分解層，白樺林和華北落葉松林最大持水率未分解層大于半分解層。未分解層最大持水率排序為華北落葉松林（321.90%）>白樺林（312.44%）>山楊林（263.74%）>油松林（197.94%），油松林顯著小于其他3種林分。半分解層最大持水率排序為山楊林（305.56%）>油松林（276.83%）>白樺林（275.27%）>華北落葉松林（265.11%），各林分半分解層最大持水率無顯著差異。平均最大持水率白樺林最大，油松林最小，其大小依次為白樺林（293.85%）>華北落葉松（293.50%）>山楊林（284.65%）>油松林（237.38%），不同林分平均最大持水率華北落葉松、白樺、山楊之間無顯著性差異，而油松顯著低于其他3種林分。枯落物總的最大持水量排序為華北落葉松（60.56?t·hm）>油松（47.56 t·hm）>山楊（29.31?t·hm）>白樺（26.08 t·hm）。未分解層最大持水量排序為華北落葉松（25.01 t·hm）>油松（17.92? t·hm）>山楊（11.44? t·hm）>白樺（10.03 t·hm）;半分解層為華北落葉松（35.56 t·hm）>油松（29.63 t·hm）>山楊（17.87 t·hm）>白樺（16.05 t·hm）。總的最大持水量、未分解層最大持水量、半分解層最大持水量3個指標的差異性規律完全一致，均表現為華北落葉松顯著大于山楊和白樺林，油松和其他3種林分無顯著性差異。

3.4不同林分類型枯落物有效攔蓄能力比較

枯落物的最大攔蓄量和攔蓄率不能反映實際的攔蓄能力，一般用有效攔蓄量和有效攔蓄率來表示枯落物的攔蓄能力[10]。由圖4可知：未分解層有效攔蓄量的范圍為7.10～18.17 t·hm，有效攔蓄量排序為：華北落葉松（18.17 t·hm）>油松（14.32 t·hm）>山楊（8.41 t·hm）>白樺（7.10 t·hm）。半分解層有效攔蓄量的范圍為9.78～25.19?t·hm，有效攔蓄量排序為：華北落葉松（25.19?t·hm）>油松（23.61 t·hm）>山楊（12.90?t·hm）>白樺（9.78 t·hm）。有效攔蓄率未分解層的范圍為20.93%～46.06%，有效攔蓄率排序為：華北落葉松（46.06%）>白樺（44.96%）>油松（34.18%）>山楊（20.93%）。半分解層有效攔蓄率的范圍為28.68%～59.56%，有效攔蓄率排序為：華北落葉松（59.56%）>白樺（59.26%）>油松（48.29%）>山楊（28.68%）。有效攔蓄量為華北落葉松最大，白樺最小;有效攔蓄率為華北落葉松最大，山楊最小。

4結論與討論

森林枯落物的厚度和蓄積量體現了森林枯落物的輸入量和分解程度，其受林分類型、土壤、水源、人類活動等多方面因素影響。通常來說，枯落物蓄積量與枯落物厚度成正相關。本研究結果顯示，油松林枯落物厚度最大，且蓄積量最大，白樺林枯落物厚度最小且蓄積量最小，和許小明等[11]的研究結果相似。枯落物蓄積量越大，森林涵養水分的能力就越強。4種林分枯落物總最大持水量以華北落葉松林最大，白樺林最小。華北落葉松枯落物蓄積量和厚度不是最高，但其表現出了較好的持水性能，這與趙娜等[5]的研究有所不同。可能與不同地區不同樹種枯落物自身的吸水性能差異有關。枯落物有效攔蓄量和有效攔蓄率由于枯落物自身持水特性、厚度、蓄積量等的不同而表現出差別。從有效攔蓄量和有效攔蓄率兩方面看，華北落葉松林的攔蓄能力均最大。枯落物吸水速率隨時間增加逐漸減弱，與溫亞飛等[12]的研究結果一致。

本文研究結果表明，京西水源林枯落物的蓄積量排序為油松林>華北落葉松林>山楊林>白樺林，枯落物總的最大持水量排序為華北落葉松>油松>山楊>白樺，枯落物有效攔蓄量排序為華北落葉松>油松>山楊>白樺，有效攔蓄率排序為華北落葉松>白樺>油松>山楊。華北落葉松林攔蓄效果優于其他3種林分，故在今后的森林經營中可以適當增加華北落葉松和油松的栽植面積，以提高森林的水源涵養能力。

參考文獻：

[1] 董輝，嚴朝東，蘇純蘭，等. 東莞5種生態公益林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持學報，2021，35（5）：144-149，160

[2] 趙娜，王俊博，李少寧，等. 北京松山4種典型林分枯落物持水特征研究[J].生態環境學報，2021，30（6）：1139-1147

[3] 周福成. 塞罕壩3種林分類型枯落物持水特性研究[J].林業與生態科學，2018，33（4）：381-386

[4] Shi Z H，Yue B J，Wang L，et al.Effects of mulch cover rate on interrill erosion procrsses and the size selectivity of eroded sediment on steep slopes[J].Soil Science Society of America Journal，2013，77（1）：256-267

[4] 耿琦. 云冷杉針闊混交林枯落物持水特性研究[D].北京：北京林業大學，2020

[5] 楊玥. 流溪河5種不同林分枯落物及土壤水文效應[D].廣州：華南農業大學，2018

[6] 張緩，穆興民，高鵬.黃土高原不同立地條件下枯落物蓄積量及持水特征[J].水土保持研究，2021，28（3）：45-52

[7] 趙鵬，馬佳明，李艷茹，等. 太行山典型區域不同林分類型枯落物水文效應[J].水土保持學報，2020，34（5）：176-185

[8] 許小明，鄒亞東，孫景梅，等. 黃土高原北洛河流域林地枯落物特征及水分吸持效應[J].生態學報，2021，41（13）：5153-5165

[9] 高迪，郭建斌，王彥輝，等. 寧夏六盤山不同林齡華北落葉松人工林枯落物水文效應[J].林業科學研究，2019，32（4）：26-32

[10] 劉小娥，蘇世平. 蘭州市南北兩山5種典型人工林凋落物的水文功能[J].應用生態學報，2020，31（8）：2574-2582

[11] 許小明，鄒亞東，孫景梅，等. 黃土高原北洛河流域林地枯落物特征及水分吸持效應[J].生態學報，2021，41（13）：5153-5165

[12] 溫亞飛，楊新兵，鐘良子. 冀北山地不同樹種組成樺木林枯落物及土壤水文效應[J].河北林果研究，2016，31（4）：337-344