关帝山典型林分枯落物水文效应

张 勇

（山西省水土保持科学研究所，山西太原030013）

枯落物是覆盖在林地土壤表面的由苔藓及森林植物落下的茎、叶、枝条、芽鳞、花、果实、树皮等凋落物及动植物体分解而成的死地被物，同时也是森林生态系统中3个垂直结构上的重要功能层之一，它在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性能等方面有非常重要的意义。目前，国内外对于枯落物的研究主要集中在枯落物的凋落量及其凋落动态[1-3]、分解速率[4-5]、截持降水[6-7]、影响地表径流[8-10]等方面，以动态和过程监测为主。

山西省西部关帝山林区作为山西省重要的水源涵养区，对于山西省生态安全和水资源安全有着重要的意义。该区森林生态系统主要以天然次生林为主，尤其是20世纪90年代以来，随着“天保工程”、“退耕还林工程”的推进，该区域的林区面积不断扩大，林分类型趋于多样，木材蓄积量逐年攀升。目前，国内对于该区的研究主要集中在景观变化[11]、种群结构[12]、林地养分[13]、植物群落多样性[14]等方面，而对于不同林分类型水文功能的研究则很少。

本试验针对关帝山林区不同林分类型枯落物的水文效应进行研究，旨在为关帝山林区的森林经营，特别是提高森林的生态防护效能提供依据。

1 研究区概况

关帝山位于山西省西部吕梁山脉中段，地理坐标为 111°22′～111°33′E，37°45′～37°55′N，海拔为1600～2 830 m。该区属暖温带大陆性山地气候区，春季干燥少雨，夏季短暂多雨，秋季阴雨潮湿，冬季寒冷干燥。年平均气温4.3℃，年平均降水量822.6mm，降雨多集中在7—9月，该时段降水量为全年降水量的83%以上，同时该区也是山西省的暴雨多发区。主要土壤类型随海拔高度变化呈现出地带性，由高到低土壤类型主要有亚高山草甸土、山地棕色森林土、山地褐土和褐土性土。

研究地区植物种类丰富，森林类型主要为华北落叶松林、云杉林、油松林、杨桦林、山杨林、辽东栎林纯林及其混交林等。天然次生林的主要树种有华北落叶松、云杉（青杄和白杄）、油松、山杨、桦树（红桦和白桦）、辽东栎等。灌木类型主要有沙棘、箭叶锦鸡儿、绣线菊、山刺玫等。草本主要有紫花苜蓿、鹿蹄草、毛茛等。

2 研究方法

2.1 标准地设置与调查

根据关帝山林区内分布的典型林分类型，本研究选取其中具有代表性的5种天然次生林（华北落叶松、油松、云杉、桦树和山杨混交林（简称杨桦混交林）、云杉和华北落叶松混交林（简称云落混交林））林地枯落物为研究对象，进行不同林分枯落物的水文效应研究。在不同林分内设置标准地，并对标准地内的林龄、坡度、坡向等因子进行了测定。标准地基本情况列于表1。

2.2 枯落物蓄积量测定

在不同林分的标准地内，分别选择20cm×20cm样方各3个，按未分解层与半分解层分别取样。将枯落物带回实验室，在85℃烘干后称质量，由此推算单位面积该林分内枯落物的现存量。

表1 标准地基本情况

2.3 枯落物持水量、持水率测定

枯落物的持水量采用浸泡法测定。首先，对所采集的枯落物进行风干并称其质量，然后将枯落物原样放入土壤筛，再将装有枯落物的土壤筛置入盛有清水的容器中，水面高于土壤筛的上沿，浸泡至其质量不变时为止。枯落物最大持水率、枯落物持水量、枯落物的有效拦蓄量分别采用公式（1），（2），（3）进行计算。

式中，C表示枯落物最大持水率（%）；W1表示枯落物的干质量（g）；W2表示浸水24 h后枯落物的质量（g）。

式中，V表示枯落物持水量（t/hm2）；L表示枯落物积累量（t/hm2）。

式中，W表示有效拦蓄量（t/hm2）；C o表示平均自然含水率（%）；M表示枯落物现存量（t/hm2）。

2.4 枯落物层对地表径流的影响

在标准地内，选取1 m×2 m的样方，然后在小区的上方设置径流筒，通过率定，使其流量控制为2.0，2.5，3.0 L/min（其分别相当于暴雨强度为60，75，90 mm/h）3 个强度。每次放水冲刷时，对径流小区出口处的产流时间和坡面径流的流速进行测定。

3 结果与分析

3.1 不同林分枯落物蓄积量分析

森林枯落物层作为森林水文效应的第2个活动层，在截持降雨、防止土壤溅蚀、拦蓄地表径流、减少土壤水分蒸发和增加土壤水分入渗等方面具有重要意义。枯落物层的蓄积量取决于其在林地上的积累量、分解速度、积累年限，而这些又与森林的树种构成、林分发育、林分的水平及垂直结构、人为活动、枯落物的分解状况、本身的厚度和性质等多种因素有关[15-17]。

由表2可知，不同林分内枯落物的厚度和蓄积量存在较大差异。其中，从厚度上来看，5种不同林分的枯落物厚度从大到小依次为：云杉（4.5 cm）＞云落混交林（4.3 cm）＞油松（4.2 cm）＞华北落叶松（3.8 cm）＞杨桦混交林（3.5 cm）；枯落物未分解层以云杉（3.0 cm）为最大，杨桦混交林（1.3 cm）为最小；枯落物半分解层以杨桦混交林（2.2 cm）为最大，云杉、华北落叶松和油松的厚度基本接近。居于较高海拔的针叶林如云杉的枯落物比阔叶林更难分解，厚度较大。从蓄积量上来看，云杉（28.57t/hm2）＞云落混交林（28.34 t/hm2）＞油松（28.24 t/hm2）＞华北落叶松（28.10 t/hm2）＞杨桦混交林（23.87 t/hm2）。由此可以看出，枯落物厚度和蓄积量之间有着很好的相关性，即厚度越大，其蓄积量越大。但在枯落物样本选择时发现，即使在同一个标准地内，由于地形、坡向、枯落物分解和还原的速率不同，导致不同针叶林林下枯落物的蓄积厚度和总量差异较为明显。

表2 不同林分内枯落物层特征

3.2 枯落物持水能力分析

枯落物的持水能力可通过枯落物饱和水容量来反映，而枯落物饱和水容量取决于枯落物的吸水率和单位面积内枯落物的蓄积量，饱和水容量越大，吸收和过滤地表径流的作用越强，其水文作用越大。吸水率的大小可反映水容量的大小，吸水率越大，水容量也越大。不同类型林分的枯落物的吸水率不同，因此，其水容量也会发生相应的变化。从公式（3）来看，若枯落物持水能力均以最大持水率来计算的话，与实际情况有较大差异，通过0.85这一系数对于最大持水率进行折中，进而得到有效拦蓄量，用这一指标来反映枯落物的实际持水能力较为合理。

从表3可以看出，不同枯落物的未分解层和半分解层的最大持水率存在较大差异，其最大持水率平均值从大到小依次为：云杉（384.03%）＞云落混交林（364.42%）＞油松（351.22%）＞华北落叶松（344.42%）＞杨桦混交林（312.04%）。枯落物最大持水量受最大持水率和蓄积量2个因子的影响，但是其排序与最大持水率一致。其中，云杉枯落物的最大持水量为110.99 t/hm2，有效拦蓄量达到93.01 t/hm2，持水深度为9.30 mm，各项指标均为最大；最小的仍为杨桦混交林，枯落物最大持水量为71.10 t/hm2，有效拦蓄量为63.17 t/hm2，持水深度为6.32 mm。

表3 不同林分枯落物持水特性

3.3 枯落物阻滞径流能力分析

枯落物的存在，使得林地坡面异于裸坡面，本研究通过不同小区内不同流量的冲刷试验，观测比较产流时间和径流速率，结果列于表4。

表4 不同林分枯落物产流特性

由表4可知，不同林分的小区内，在不同流量情况下，裸地的产流时间最短，径流速率最大；5种林分内，云杉小区的产流时间最长，径流速率最小。这可能是由于云杉林分内的枯落物蓄积量较大，给林地地表增加了糙度，加大了径流流动的沿程阻力，为地表径流下渗提供了相对充分的时间。总体来看，枯落物的存在及其作用对于山高坡陡、暴雨频发的关帝山林区涵养水源、保持水土、维持生态安全意义非凡。

4 结论与讨论

本试验选取关帝山不同林分枯落物进行实地研究，观测其蓄积量、持水能力和阻延径流能力，结果表明，对于不同的林分类型，由于其枯落物种类、分解特性等不同，使得枯落物的蓄积量也不相同。5种林分枯落物蓄积量从大到小依次为：云杉（28.57 t/hm2）＞云落混交林（28.34 t/hm2）＞油松（28.24 t/hm2）＞华北落叶松（28.10 t/hm2）＞杨桦混交林（23.87 t/hm2）。不同林分枯落物的持水能力存在较大差异。云杉枯落物持水能力最大，其最大持水量、有效拦蓄量和持水深度分别为：110.99 t/hm2，93.01 t/hm2，9.30 mm；杨桦混交林枯落物持水能力最小，持水量为71.10 t/hm2，有效拦蓄量63.17 t/hm2，持水深度为6.32 mm。

林地枯落物的存在，可以显著阻延地表径流，促进其下渗，减弱其冲刷能力，这对于该区域保持水土、涵养水源意义重大。

本研究仅在林分枯落物这一层次上进行了森林水文方面的探讨，对该区域水文研究有所补充。在今后的研究中，一方面需要加大枯落物持水过程方面的研究，另一方面也需要拓宽研究范围，如林冠层和土壤层次方面的水文功能研究。

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