北京市3个区域油松枯落物保水功能对比分析

张向峰，王玉杰，刘 敏

（1.中国电力工程顾问集团 西南电力设计院，四川 成都610021；2.北京林业大学 水土保持学院，北京100083）

随着北京地区经济快速发展，其生态环境压力越来越大，尤其是水资源短缺问题。水土保持林在解决水资源短缺问题中扮演着重要的角色，且在控制水土流失、防治洪水灾害、改善生态环境条件、促进社会和谐发展起着非常重要的作用。枯落物层作为水土保持林的重要组成部分，具有很好的透水性和吸水性，是实现水土保持林保水功能的主要作用层，其透水性、吸水性与其自身积累量、含水量和分解程度等因素有关［1－2］。林地枯落物层是由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、花、枝条和残体等形成的一层地面覆盖层［3－5］。

油松是我国北方广大地区最主要的造林树种之一，适应性强，根系发达，是非常好的水土保持林树种，在北京地区保持水土方面起着非常重要的作用。目前，国内外许多学者针对不同区域进行了大量研究，在枯落物的凋落量、截持降水、增强土壤入渗和防止土壤侵蚀等方面都取得了一定的成果［6－8］，但由于枯落物保水功能随区域、树种和自然条件等因素的变化而变化，因此枯落物保水功能研究任重而道远。本研究选取北京密云水库上游、八达岭林场和十三陵林场中油松进林枯落物进行了定量研究，研究结果可为北京地区森林生态系统健康经营、评价以及水资源保护提供科学理论依据。

1 研究区概况

研究区域位于北京市郊区，包括密云县密云水库上游、延庆县境内八达岭林场和昌平县境内十三陵林场3个区域。研究区域概况详见表1。

表1 研究区域概况

2 研究方法

2.1 枯落物储量调查

综合考虑地形地貌条件、植被类型以及其它因素，选择具有代表性的油松林样地作为试验区，各研究区域分别设置1个20m×20m的标准样地（表2），在每个标准样地内随机选取4个1m×1m样方。用钢卷尺测量枯落物层的总厚度、未分解厚度和半分解（划分标准：未分解层是由当年植物凋落物组成；半分解层为有机残体部分已被分解，但还没有分解彻底。），分层取出原状枯落物带回实验室进行称重和85℃烘干后称重。

表2 样地基本情况

2.2 枯落物持水量的测定

枯落物层的持水量和吸水速率采用室内浸泡法测定。在烘干后的未分解层、半分解层中分别称量3个样品，样品重量均为100g。将称量的样品分别浸泡于水中后，分别测定其在0.25，0.5，1，2和4h的重量变化，重复3次，取平均值。

2.3 枯落物最大持水量和持水率的测定

枯落物在清水中浸泡24h后取出，静置5min，至枯落物不滴水为止，迅速称量枯落物湿重量，然后自然风干，测定风干重量。每层重复3次，取平均值。计算公式为：

式中：M24——枯落物浸泡24h后枯落物重量均值（g）；M——风干后枯落物重量均值（g）；M0——枯落物最大持水量（g）。

式中：Rmax——最大持水率（%）。

2.4 枯落物有效拦蓄量的测定

有效拦蓄量可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量。计算公式［9］为：

式中：W——有效拦蓄量（t／hm2）；Rmax——最大持水率（%）；Ra——平均自然含水率（%）；M——枯落物蓄积量（t／hm2）。

3 结果与分析

3.1 不同区域枯落物储量

枯落物储量在评价森林保水功能时具有非常重要的地位，也是判断枯落物保水功能的重要指标。对北京地区密云水库上游、八达岭林场和十三陵林场油松林枯落物储量调查表明（图1），枯落物总储量表现为：八达岭林场（29.2t／hm2）＞十三陵林场（12.5t／hm2）＞密云水库上游（7.2t／hm2），枯落物未分解储量由大到小依次为：八达岭林场＞十三陵林场＞密云水库上游，枯落物分解储量由大到小依次为：十三陵林场＞八达岭林场＞密云水库上游。

通过SPSS 17.0方差分析和图1可以得出，密云水库、十三陵林场油松林枯落物总储量、未分解储量与八达岭林场之间差异性非常显著（p＜0.01），密云水库油松林枯落物总储量、未分解层储量、半分解层储量与十三陵林场之间差异性显著（p＜0.05），而3个区域的半分解层枯落物储量存在一定差异性。从图1可以看出，密云水库、十三陵林场均表现出半分解层储量要比未分解层储量高，而八达岭林场侧表现出相反的规律，这主要是因为八达岭林场油松树龄相对较高，每年新增枯落物凋落量相对较高，且地势相对较平缓，枯落物流失量相对较少。

彭云等人［10］研究认为相同森林类型随着年龄的增长，枯落物总储量呈增长趋势。而本研究结果中密云水库油松树龄虽然比十三陵林场油松树龄高，但枯落物总储量却小于十三陵林场。分析样地情况，可以看出出现这种情况主要是因为密云水库坡度相对较高（高达45°），枯落物很容易流失，因此导致其枯落物总量相对较低。

图1 不同区域枯落物总储量和各层次储量

3.2 不同区域枯落物的持水能力

通常，人们把枯落物浸水24h的持水量和持水率作为枯落物最大持水量和最大持水率，且枯落物最大持水量和最大持水率常作为判断枯落物保水功能的重要指标。图2为不同区域枯落物最大持水量和最大持水率。由图2可以看出，最大持水量表现为：八 达 岭 林 场 （61.4t／hm2）＞ 十 三 陵 林 场 （20.5 t／hm2）＞密云水库（8.3t／hm2），最大持水率表现为：十三陵林场（260%）＞八达岭林场（192%）＞密云水库上游（116%）。根据我国多年来研究成果表明，我国森林枯落物层的最大持水量平均为41.8t／hm2，最大持水率平均为309.54%［8］。3个区域与我国均值对比可以看出，最大持水量只有八达岭林场达到了均值，其它两个地区小于均值，且相差比较大，尤其是密云水库，仅为均值的20%；3个区域的最大持水率均小于我国均值，尤其是密云水库，仅为均值的37%。

通过SPSS 17.0方差分析和图2可以得出，八达岭林场的油松林枯落物最大持水量与其它两个地区之间差异性极为显著（p＜0.01），而3个地区的最大持水率差异性显著（p＜0.05）。

图2 不同区域枯落物最大持水量和最大持水率

3.3 不同区域枯落物吸水能力

由于山区森林多位于山坡，基本不具备较长时间的浸水条件，且多数情况下降雨历时小于4h，且这个时段也是枯落物吸水的最重要时段，因此，研究枯落物此时段吸水能力具有着非常重要的实际意义。枯落物吸水能力常常作为枯落物保水功能的重要指标，而枯落物吸水速率常常用来反映枯落物吸水能力情况。

由表3可以看出，3个区域枯落物未分解层、半分解层吸水量与浸泡时间存在着显著的线性相关关系。3个区域枯落物未分解层和半分解层吸水量均随着时间增加而增大，吸水量与侵泡时间存在一定关系。枯落物吸水速率表示单位时间内枯落物的持水量，枯落物吸水速率对于评价森林对不同强度降雨的保水功能有着非常重要的意义。3个研究区域未分解层枯落物在4h时段内平均吸水速率大小顺序为：八达岭林场＞密云水库＞十三陵林场，半分解层枯落物大小顺序表现为：十三陵林场＞密云水库＞八达岭林场，枯落物平均吸水速率大小顺序表现为：十三陵林场＞八达岭林场＞密云水库。另外，由表3可以看出密云水库与八达岭林场枯落物吸水速率相差不大。

通常，未分解层枯落物最先开始吸水，如果降雨量未渗透过未分解层时，吸水能力由未分解层来决定，那么八达岭林场油松枯落物吸水能力最优；如果降雨量渗透到半分解层时，吸水能力由未分解层和半分解来决定，那么十三陵林场吸水能力最优。

表3 不同区域未分解层和半分解层枯落物吸水特征值

3.4 不同区域枯落物拦蓄能力

枯落物有效拦蓄量是反映枯落物层对降雨的实际拦蓄情况，因此，有效拦蓄量常用来反映枯落物的真实拦蓄能力，也是判断枯落物保水功能的重要指标。有效拦蓄量是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标，其与枯落物数量、水分状态、降雨特性等有关［11－12］。图3为不同区域枯落物拦蓄量。由图3可以看出，3个区域拦蓄量存在差异，通过SPSS 17.0方差分析，得出3个区域拦蓄量存在极显著的差异性（p＜0.01）。

枯落物拦蓄量表现为：十三陵林场（26.8t／hm2）＞八达岭林场（9.9t／hm2）＞密云水库（1.2t／hm2），且密云水库拦蓄量不到十三陵林场的5%，这主要是因为密云水库区域空气湿度相对较高，枯落物自然含水量相对较高，且枯落物储量也非常小。

图3 不同区域枯落物自然含水率和拦蓄量

4 结论

枯落物层保水功能是森林生态系统水分循环中的重要部分，森林枯落物保水特性的研究对森林健康经营和区域水资源的保护具有着重要的意义［13－15］。一般情况下，森林枯落物保水功能是通过枯落物储量、最大持水量、最大持水率、吸水速率和拦蓄量5个重要指标来研究分析。通过对北京地区3个区域油松林枯落物保水功能的定量分析，得出枯落物总储量由大到小依次为：八达岭林场（29.2t／hm2）＞十三陵林场（12.5t／hm2）＞密云水库上游（7.2t／hm2），最大持水量表现为：八达岭林场（61.4t／hm2）＞十三陵林场（20.5t／hm2）＞密云水库（8.3t／hm2），最大持水率由大到小表现为：十三陵林场（260%）＞八达岭林场（192%）＞密云水库上游（116%），枯落物平均吸水速率由大到小表现为：十三陵林场＞八达岭林场＞密云水库，枯落物拦蓄量由大到小表现为：十三陵林场（26.8t／hm2）＞八达岭林场（9.9t／hm2）＞密云水库（1.2t／hm2）。

总得来说，3个区域油松林枯落物保水功能均比较差，尤其是密云水库；降雨量小于某一范围时，八达岭林场油松林枯落物保水性能最好；降雨量超过某一范围时，十三陵林场油松林枯落物保水性能最优；3个区域比较而言，十三陵林场油松林枯落物保水功能要优于其它两个区域。

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