绵阳官司河流域 3种不同林分枯落物层储量及持水特性分析

吴雪仙,张发会,龚固堂,慕长龙

(四川省林业科学研究院,四川 成都 610081)

林下枯落物是指覆盖在林地土壤表面的未分解、半分解植物凋落物,它是森林植物地上各器官的枯死、脱落物总称[1]。林下枯落物的存在,不仅能促进森林生态系统的物质循环和养分平衡,而且在水土保持、水源涵养等方面具有较大作用。森林枯落物层可以缓冲雨滴动能,减少雨滴击溅造成的土壤表层结构破坏和土壤侵蚀。同时,枯落物层具有较土壤更多更大的孔隙,能够吸持水分,促进下渗,迟滞径流产生时间,减少表层径流量,减轻径流侵蚀程度,并对土壤水分的补充和植物水分的供应产生影响[2]。因此,研究林下枯落物层持水特性就成为森林生态系统研究中的重要内容。

目前有关官司河流域人工林林下枯落物持水特性方面的研究尚未见报道,本研究旨在对官司流域人工林的可持续经营和林分结构改造提供理论依据。

1 研究区概况

官司河流域处于东经 104°46′～ 104°49′,北纬31°32′30″～ 31°37′30″之间,全流域面积 21 km2,在长河堰总出口断面控制下的流域面积 18 km2,位于绵阳市游仙区新桥镇境内,官司河流域汇入涪江支流芙蓉溪。该区地处川中低山丘陵地带,属浅 -深切割的丘陵地貌,流域地表分水岭清晰,沟尾开阔平坦,沟口狭窄,汇水面积闭合,是理想的防护林生态系统研究场地。

研究区属农林复合型生态系统,森林覆盖率约23%,多为天然次生林和人工林;主要植被类型以马尾松、柏木林和栎类组成的针阔和针叶混交林占优势,另有少量的桤柏混交林和经济林、茅草为主的草丛。土壤以紫色土、姜石黄壤和老冲积黄壤为主,其次为灰白沙土。

研究区属北亚热带季风气候类型,年平均气温16.1℃,极端最高气温 40.1℃,极端最低气温 -7.3℃,平均年日照 1 298.1 h,平均太阳辐射 89.54 cal◦cm-1◦a-1,年降水 920.1 mm,年均相对湿度79%,年均无霜期 272 d。

该流域水土流失严重,是以水力侵蚀为主的类型区,水土流失的类型主要有片蚀、沟蚀(切沟侵蚀和冲沟侵蚀)及母质侵蚀 3大类。

天然植被中草本以栗褐苔草、荩草、莎草等为主;灌木层以黄荆、火棘、铁仔等为主;现有乔木以麻栎、马尾松、桤木、柏木为主;麻栎林、桤木林、马尾松林为人工林。

3种典型样地的基本特征见表 1。

表 1各林分特征Table 1 Forest characteristics and soil properties of the study sites

2 研究方法

2.1 林下枯落物的采集

2009年 8月,在绵阳官司河流域新桥镇,通过典型抽样的方法,选取具有代表性的马尾松林、柏木林、松柏混交林(马尾松占 6层,柏木 4层)3种不同林型。在不同类型林地内分坡面上部、中部和下部,各取面积为 20 cm×25 cm的枯落物样方 3个。采取枯落物时,根据枯落物的形状和质地将枯落物分为未分解层和半分解层,分别收集保持原样装箱,并现场记录各层厚度。将采集的样品带回室内进行风干、称重,并将相同林地不同坡位枯落物量分别均化处理,得到每个样方枯落物量。未分解枯落物系指基本上保持其原有形状及质地的枯枝落叶,半分解枯落物系指未完全腐烂、肉眼观察分辨出其枝叶大体形状的枯枝落叶。

2.2 枯落物持水量及其吸水速率测定

本试验采用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量及其吸水速率。

首先,将所采集的枯落物进行烘干(75℃,12 h)并称重;然后将称重后的枯落物原状放入预先做好的细孔砂布袋(砂布袋预先称重、标记);再将装有枯落物的砂布袋完全浸没于盛有清水的容器中;将枯落物浸入水中后,待浸泡 0.25 h后将枯落物连同砂布袋一并取出,静置 5m in左右,直至枯落物不滴水为止,迅速称枯落物的湿重;之后,分别待浸泡0.5 h,1 h,2 h,4 h,6 h,8 h,12 h,24 h时,将枯落物连同砂布袋一并取出静置后称重,称重方法同上。每次从浸泡容器中取出称重所得枯落物湿重与浸水前总干重(包括枯落物和砂布袋的干重)的差值,即为枯落物浸泡不同时间的持水量,该差值与浸水时间的比值即为该时刻枯落物的吸水速率。

此外,本文以枯落物浸泡 24 h后的持水量作为枯落物最大持水量,而将最大持水量枯落物的湿重与枯落物干重之比称为枯落物最大吸湿比(简称吸湿比),来表征枯落物持水力的大小。

每种类型林地林下枯落物不同层次样品,分别按上述方法进行处理,每种 3个重复。将所得试验结果,经上述方法处理、分析,即可得到该种类型林地林下枯落物不同分解层次的储量、持水量、吸水速率及吸湿比。

2.4 枯落物有效拦蓄量估算

计算有效拦蓄量公式为[4]:

式中:

We——有效拦蓄量 (t◦ hm-2);

Rm——最大持水率(%);

Ro——平均自然含水率(%);

M——枯落物蓄积量(t◦hm-2)。

3 结果与分析

3.1 枯落物层的贮量

林分的树种组成不同,林分的生长状况、林地内的水热条件等都有所不同,而这些因素将影响到枯落物的输入量、分解速度,从而影响到林内枯落物的贮量。由表 1可以看出,林下枯落物的厚度和现存贮量均表现为:松 -柏混交林 ＞马尾松林 ＞柏木林,在未分解层中,马尾松林的贮量最大,柏木林最小;而半分解层则是松—柏混交林的贮量最大,马尾松林最小。

表 2 不同林分枯落物厚度和贮量Table 2 Thicknesses and stock of litter layers in different forest types

3.2 枯落物层的持水性

3.2.1 枯落物层持水量

枯落物持水能力是整个森林生态系统水分循环中重要的一环,是反映枯落物层水文作用的重要指标[5]。不同林分枯落物的种类、厚度、分解程度的不同,其持水量也不同(表 3)。

表 3 不同林分不同层次枯落物持水量Table 3 Moisture capacity of various litter layers in different forest types

各林分枯落物前期吸水速率远高于后期,在前2 h以内,未分解层和半分解层的持水量分别达到该层最大持水量 (24 h持水量)的 77.74%、81.11%、72.33%、76.66%、71.98%、71.76%。其持水效果为柏木林 ＞松柏混交林 ＞马尾松纯林,未分解层大于半分解层,这与张洪江等研究结果类似。2 h以后各林分未分解层和半分解层的吸水量趋于平缓,在 24 h后吸水量趋于稳定或达到饱和状态,与大多数研究结果类似[6～8]。

3.2.2 枯落物层持水量与浸水时间的关系

柏木林、松柏混交林和马尾松林林下枯落物持水量与浸水时间的关系见图 1和图 2。从图 1、图 2可以看出,林下枯落物未分解层和半分解层在浸入水中 0～2 h,其持水量有一个急速上升的过程,2 h后随着浸泡时间的延长枯落物持水量的增加变缓并趋于最大值,未分解层在浸泡 6 h左右基本达到饱和,而半分解层在 4 h左右基本达到饱和,可见官司河流域人工栽植的柏木林、马尾松林及其混交林林下枯落物未分解层的持水量高于半分解层的持水量。一般地,枯落物层积累多、层次多、分解快、分解彻底,则具有孔隙多、细、小、吸水面大的特点,因而表面张力也较大,其蓄水性能良好[9]。

对官司河流域 3种人工林林下枯落物持水量与浸泡时间之间的关系进回归分析,发现林下枯落物层持水量与浸泡时间存在以下关系:

图 1 不同林分枯落物未分解层持水量与浸泡时间关系

图 2 不同林分枯落物半分解层持水量与浸泡时间关系

式中:Q——枯落物层持水量(g◦kg-1);

t——浸泡时间;

a,b——方程系数。

不同林分枯落物层持水量与浸泡时间的关系式见表 4。

表 4 枯落物层持水量与浸水时间的关系式Table 4 The equation of the water capacity of litter layers and immersion time

3.2.3 枯落物层的吸水速率

林地枯落物的吸水速率和持水能力是紧密联系的,吸水速率快能将林内降水迅速涵蓄起来,从而减少地表径流的发生[10]。

由表 5可以看出,各林分枯落物吸水速率随时间变化的总趋势是一致,在前 0.25 h内,枯落物的吸水速率最大,均超过 3000 g◦kg-1◦h-1,0.25 h后,枯落物的吸水速率明显降低,此后,随着时间的推移,吸水速率逐渐变缓,到 24 h后,吸水速率接近0。从不同层次来看,未分解层和半分解层变化基本一致,都是在 0.25 h后,有明显的降低,但吸水速率仍较大,在 4 h后,吸水速率变幅很小。持水速率在前 1h变化最大,而半分解层的前期变动幅度大于未分解层。枯落物在前 0.25 h内的吸水速率较高,主要是因为枯落物从烘干状态浸入静水中后枯枝落叶的死细胞间或者枝叶表面水势差较大[11]。

表 5 不同林分不同层次枯落物吸水速率Table 5 Velocity ofabsorbed water of various litter layers in different forest types

3.2.4 枯落物吸水速率与浸泡时间关系

从图 3、图 4可以看出,林下枯落物未分层和半分解层吸水速率与浸泡时间之间存在着明显的相关关系,各林分林下枯落物层浸入水中刚开始时其吸水速率相差很大,但随浸泡时间的延长,各林分林下枯落物层吸水速率趋向一致。这主要是因为随着时间的延长,各林分林下枯落物层持水量接近其最大持水量,也就是说枯落物层持水量逐渐趋于饱和,其吸水速率随之减缓所致。从枯落物层整个吸水过程吸水速率的变化来看,0～2 h各林分林下枯落物层吸水速率几乎都呈直线下降,2 h后吸水速率下降速度逐渐变缓并趋于动态平衡。对枯落物层吸水速率与浸水时间之间关系进行回归分析,发现林下枯落物层的吸水速率与浸水时间存在以下关系。

图 3 林下枯落物未分层吸水速率与浸泡时间关系

图4 林下枯落物半分层吸水速率与浸泡时间关系

式中:S为枯落物吸水速率;K为方程系数;t为浸泡时间;n为指数。

不同林分林下枯落物层吸水速率与浸水时间的关系式见表 6。

表 6林下枯落物吸水速率与浸水时间关系式Table 6 The equation of the water absorption speed of litter with the immersion time

3.2.5 不同林分枯落物对降雨的拦蓄能力

从不同林分枯落物层最大持水量看,松柏混交林 27.44 t◦hm-2明显高于其他林分。其次是马尾松林,柏木林最小。对不同林分未分解层和半分解层比较分析,未分解层是马尾松林最大,柏木林最低。半分解层是松柏混交林最大,马尾松林最小。其原因为松柏混交林林下灌草层丰富,枯落物中有较多的吸水率高的灌木和草本植物,因此最大持水量最高,而柏木林中几乎全为吸水率较差的针叶,所以吸水率最低。

最大持水率(量)与最大拦蓄率(量)一般只能反映枯落物层的持水能力大小,不能反映对实际降水的拦蓄情况。因为最大持水率(量)是枯落物样浸水 24 h后的测定结果,而在自然条件下,山地森林的坡面上一般不会出现较长时间的浸水条件,落到枯落物层上的雨水,一部分被其拦蓄,一部分通过孔隙很快入渗到土壤中,而剩余部分作为地表径流流出[12]。雷瑞德(1984)[9]的研究表明,当降雨量达到 20 mm～30 mm以后,不论枯落物层含水量的高低,实际持水率约为最大持水率的 85%左右。所以,用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力不符合对降雨的实际拦蓄效果,结果会偏高,而一般用有效拦蓄量(modified interception)估计枯落物层对降雨的实际拦蓄量。

对各林分地表枯落物有效拦蓄量的分析见表7,结果表明,柏木林最小,松柏混交林和马尾松相接近,但不同林分未分解层的有效拦蓄量均大于半分解层。

4 结论与讨论

林地枯落物贮量是反映林地持水能力的指标,枯落物贮量大的林分其持水能也强。在环境条件一致的情况下,3种林分枯落物贮量的大小顺序为松-柏混交林(8.09 t◦hm-2)＞马尾松林(7.77 t◦hm-2)＞柏木林(3.07 t◦hm-2)。持水能力的排列顺序为松柏混交林(14.08 t◦hm-2)＞马尾松林(12.60 t◦ hm-2)＞柏木林(6.42 t◦ hm-2)。

林分不同,但其枯落物的持水过程均表现出相似的特性,1h前吸水量大,且在 2～4h内就可以达到稳定状态。林分地表枯落物的有效拦蓄量大小为马尾松林 ＞松柏混交林 ＞柏木纯林,其各林分未分解层的有效拦蓄量均大于半分解层。表明枯落物层在调蓄降水,减少径流方面有着重要的作用,特别是在调节较小雨量降雨时的功能是其他土层不可替代的[7]。蚀研究动态[J].北京林业大学学报,1994,16(3):106～110.

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