保山北庙水库集水区5种森林类型枯落物持水特性研究

沈盈佳，曾建军

(云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

1 研究背景

森林枯落物是森林与土壤的重要介质层，是森林保持水土、涵养水源的主要功能层。早在19世纪国外就开展了枯落物涵养水源作用研究［1，2］。目前，主要集中于枯落物营养元素的释放及对土壤微生物种类和数量的影响研究［3－5］。国内从20世纪60年代开始森林枯落物的研究，主要研究工作集中在枯落物凋落量［6］、分解速率［7］及水文效应［8－10］等方面。

云南是一个以高原、山地为主的省份，城市多分布于地形相对封闭的山间盆地，很少有大江大河流经，因此水库水源地是云南高原盆地城市社会经济发展和饮用水安全的保障。北庙水库是保山市的最重要饮用水源地，也是省内具有代表性的城市水源地。近年来，随着流域内桉树林的栽种，以云南松和华山松为主要植被类型的格局被打破，植被类型出现明显的多样化。桉树作为一种外来的速生树种，其吸收的水分和养分比其他树种较多，因此在城市水源区种植桉树对流域生态系统及水源涵养功能等的作用是一个需要认真研究的重要科学问题。本文通过对保山市北庙水库集水区森林枯落物持水性能分析，查明不同植被类型枯落物持水特性的异同，为水源区植被恢复、选择最佳树种、合理配植、森林涵养水源提供科学依据。

2 研究区概况

保山市是滇西北最主要城市，拥有人口246.8万。北庙水库位于云南省保山市保山坝北庙村附近(99°11'58″～99°13'56″E，25°14'49″～ 25°17'47″N)，建于1958年，距保山城区20 km，是保山市区及水源区周边居民最主要饮用水源地之一。区内多年平均气温15.7℃，多年平均降水量1 067 mm，属低纬山地亚热带季风气候;流域内植被以云南松(Pinus yunnanensis)、华山松(Pinus armandii)、青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)和人工桉树(Eucalyptus)为主，云南松遍布于整个水源区，华山松主要分布于海拔1 850 m以上，人工桉树林主要分布于退耕还林地，少有杉木(Cunninghamia lanceolata)及其它树种且零散分布于整个水源区。森林覆盖率为66.28%。土壤主要有红壤、棕壤和黄棕壤，红壤分布于海拔1 750～1 850 m范围内，海拔1 850 m以上为棕壤和黄棕壤。

3 研究方法

3.1 枯落物采集及蓄积量测定

根据水源区植被特征，选择纯云南松、纯人工桉树林、混交林Ⅰ(云南松和桉树混交林)、混交林Ⅱ(云南松、华山松、杉木、青冈栎混交林)和纯华山松5种森林类型为研究对象，在每种森林类型样地100 m2范围内随机选取3个0.5 m×0.5 m的样方，记录样地位置(海拔、经纬度)、样地概况(坡度、坡向)、树种基本情况(树高、树龄、郁闭度)及枯落物未分解层和半分解层厚度，见表1。再将样方内枯落物分层采集，装入封口塑料袋，贴上标签，称其鲜重。在采样过程中尽量不破坏枯落物的原形，将样品带回实验室，用电热鼓风干燥箱(在65℃条件下)烘干再称其干重，最后以枯落物干重量推算不同森林类型枯落物的单位面积蓄积量［11］。

表1 林地基本信息Table 1 Basic information of forest land

枯落物分解强度是决定其蓄积量和水文特性的重要因素之一，一般分为绝对分解强度和相对分解强度，分别用A和A'表征，2种分解强度具有一致性，并且其值越大，分解强度也越大，其计算公式如下［12］:

式中A1，A2分别代表枯落物未分解层和半分解层的蓄积量。

3.2 枯落物持水量和吸水率的测定

用室内浸泡法测定枯落物持水量和吸水速率。将烘干的枯落物称120 g装入75 cm×48 cm的尼龙网袋，再将其放入装有自来水的塑料桶里，保证水面完全覆盖枯落物，分别在 0.5，1，2，4，8，12，24 h 取出，挂在室内风干至无水滴落时，用电子秤称其重量，并记录每个时段的重量，以此来测定其不同时间的持水量和最大持水量(24 h时的持水量)以及吸水速率(每个时段枯落物的湿重与其干重之差与浸水时间的比值)。

3.3 枯落物持水能力的测定和计算

枯落物自然含水量、最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量等指标反映了枯落物的持水性能。一般认为枯落物浸泡24 h后的持水量和持水率为枯落物最大持水量和最大持水率，而枯落物对雨水的实际拦蓄量常用有效拦蓄量来估算，其计算公式为［13］

式中:Gsv为枯落物有效拦蓄量;G'o为枯落物自然含水率;G'hmax为枯落物最大持水率;Gd为枯落物烘干状态下的单位面积储量，0.85为枯落物的有效拦水系数。

4 结果与分析

4.1 不同森林类型枯落物蓄积量分析

从表2中可以看到，5种森林类型中人工桉树林枯落物的总蓄积量最大，为7.27 t/hm2，混交林Ⅰ(云南松和人工桉树混交林)的总蓄积量最小，为4.51 t/hm2，其他森林枯落物总蓄积量分别是纯云南松为5.37 t/hm2，混交林Ⅱ(云南松、华山松、杉木、冈栎林混交林)为6.37 t/hm2，纯华山松为5.81 t/hm2。5种森林枯落物未分解层蓄积量大到小依次为人工桉树林(4.21 t/hm2)＞纯云南松(3.81 t/hm2)＞混交林Ⅰ(3.10 t/hm2))＞纯华山松(2.25 t/hm2)＞混交林Ⅱ(1.82 t/hm2)。半分解层蓄积量大到小依次为混交林Ⅱ(4.55 t/hm2)＞纯华山松(3.56 t/hm2)＞人工桉树林(3.06 t/hm2)＞纯云南松(1.56t/hm2)＞混交林Ⅰ(1.41 t/hm2)。与多数学者研究结果相比，北庙水源区森林枯落物蓄积量总体上较小。从表2中还可以看到，5种森林类型枯落物的绝对和相对分解强度变化规律是一致的，均为混交林Ⅱ(2.50，0.71)＞纯华山松(1.58，0.61)＞人工桉树林(0.73，0.42)＞混交林Ⅰ(0.46，0.31)＞ 纯云南松(0.41，0.29)。以上各森林枯落物蓄积量总体上较小，是由于北庙水库水源地树种年龄较小，最大20 a，最小9 a，而树龄直接影响到枯落物累积时间，树龄小其累积年限就短，累积的枯枝落叶层就薄。

表2 不同森林类型枯落物蓄积量及分解强度Table 2 Volume and decomposition intensity of different forest litters

4.2 枯落物持水量及吸水率与浸泡时间

4.2.1 持水量与浸泡时间关系分析

从表3中可以看到5种森林枯落物未分解层和半分解层饱和持水量相差较小。其中未分解层饱和持水量大到小依次为纯华山松(6.18 t/hm2)＞混交林Ⅱ(5.80 t/hm2)＞人工桉树林(5.53 t/hm2)＞纯云南松(5.51 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.42 t/hm2);半分解层饱和持水量大到小依次为纯华山松(6.72 t/hm2)＞混交林Ⅱ(6.59 t/hm2)＞纯云南松(6.12 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.96 t/hm2)＞人工桉树林(5.91 t/hm2)。5种森林枯落物未分解层与半分解层相比，均是半分解层＞未分解层。从图1(a)、图1(b)可以明显看到5种森林枯落物未分解层和半分解层在 8 h时平均持水量分别为 5.22，5.83 t/hm2，24 h 时分别为 5.69，6.26 t/hm2，表现出8 h前持水量迅速增加，8 h后趋于平缓的趋势。这与周祥［11］、李良［14］等的研究结果是一致的。

经过对5种森林枯落物持水量与浸泡时间进行回归分析，得出各森林枯落物层与浸水时间之间关系为

Y=b0+b1Int 。

式中:Y为枯落物持水量;t为浸泡时间;b0为方程常数项;b1为方程系数。通过对各森林枯落物未分解层和半分解层进行拟合，各森林枯落物持水量拟合的相关系数R2均大于0.94，拟合效果较好，这表明5种森林枯落物持水量与时间呈较显著的对数函数关系，此方程与郑金萍［15］、张振明［16］等的研究结果是一致的。

图1 各森林枯落物未分解层和半分解层持水量与浸泡时间关系Fig.1 Relationship between water holding capacity and soaking time of undecomposed layer and half-decomposed layer of different forest litters

4.2.2 枯落物吸水速率与浸泡时间关系

从表4、图2(a)、图2(b)可以看到，5种森林枯落物平均吸水速率在8 h 时分别为0.65，0.73 mm/h，到24 h 时分别为0.24，0.26 mm/h，8 h 后的吸水速率比8 h 前的明显减小。这与周祥［11］、王栋［17］等的研究结论是一致的。这是由于随着时间的增加，枯落物的持水量基本达到饱和的缘故。

经过对5种森林枯落物吸水速率与浸泡时间进行回归分析，得出各森林枯落物与浸水时间之间的关系为

式中:V为枯落物吸水速率;C1为指数。通过对各森林枯落物未分解层和半分解层吸水速率与浸泡时间进行拟合，各森林枯落物吸水速率与浸泡时间拟合的相关系数R2均为1.000，拟合效果很好，说明5种森林枯落物各层与浸水时间之间存在着显著的幂函数关系，得出的方程与汪永英［18］、王士永［19］等的研究结果一致。

表3 各种森林类型枯落物持水量Table 3 Water holding capacity of different forest litters

表4 各森林枯落物吸水速率Table 4 Water absorption rate of different forest litters

图2 各森林枯落物未分解层和半分解层吸水速率与浸泡时间关系Fig.2 Relationship between the water absorption rate of undecomposed layer and half-decomposed layer and the soaking time of different forest litters

4.3 不同森林类型枯落物持水能力

从表5可以看出，5种森林枯落物自然含水量大到小依次为纯华山松(1.68 t/hm2)＞混交林Ⅱ(1.01 t/hm2)＞混交林Ⅰ(0.68 t/hm2)＞纯云南松(0.66 t/hm2)＞ 人工桉树林(0.64 t/hm2)。据张峰［12］研究表明北京造林油松自然含水量最大可达6.61 t/hm2，侧柏最小为 0.60 t/hm2。总体上，北庙水源区5种森林枯落物自然含水量都较小，这与区域降雨情况和树种特性密切相关。由于云南历经连续4 a的干旱事件，造成森林枯落物水分蒸发量大于其吸收量，并随着干旱事件的持续，森林枯落物贮水量减少。

5种森林枯落物最大持水量大到小依次为混交林Ⅱ(13.80 t/hm2)＞纯华山松(13.44 t/hm2)＞人工桉树林(11.21 t/hm2)＞纯云南松(8.30 t/hm2)＞混交林Ⅰ(6.61 t/hm2)，此结果与周祥［11］的研究结果比较接近。5种森林枯落物最大拦蓄量大到小依次为混交林Ⅱ(12.81 t/hm2)＞纯华山松(11.75 t/hm2)＞人工桉树林(10.56 t/hm2)＞纯云南松(7.63 t/hm2)＞混交林Ⅰ(5.88 t/hm2)，此结果与多数学者研究结果比较接近。张卫强［13］对东江上游森林枯落物持水特性研究表明森林枯落物最大拦蓄量介于3.34 t/hm2～14.39 t/hm2。枯落物最大拦蓄量是根据其最大持水率、自然含水率和单位面积蓄积量计算出来的，所以不同林分类型枯落物最大持水率、蓄积量、自然含水率等特性影响着其拦蓄功能。

从表5可以看出，5种森林枯落物有效拦蓄量大到小依次是混交林Ⅱ(10.73 t/hm2)＞纯华山松(9.73 t/hm2)＞人工桉树林(8.88 t/hm2)＞纯云南松(6.38 t/hm2)＞混交林Ⅰ(4.88 t/hm2)。此结果与周祥［11］等学者研究结果存在一定的差距。这主要是因为森林枯落物有效拦蓄量与枯落物蓄积量、最大持水率、自然含水率密切相关，而这些指标又与树种、树龄、区域自然环境、立地条件密切相关。综合以上各指标分析，北庙水库集水区5种森林枯落物持水能力大到小依次为混交林Ⅱ＞纯华山松林＞人工桉树林＞纯云南松林＞混交林Ⅰ。

表5 各种森林类型枯落物持水能力指标Table 5 Indexes of water holding capacity of different forest litters

5 结论

(1)北庙水库集水区5种森林枯落物持水能力为混交林Ⅱ＞纯华山松林＞人工桉树林＞纯云南松＞混交林Ⅰ，与蓄积量表现出相近的规律，蓄积量为人工桉树林＞混交林Ⅱ＞纯华山松林＞纯云南松林＞混交林Ⅰ。从比较中可以看到，人工桉树林枯落物蓄积量虽然最大，但其持水能力却不是最强。

(2)5种森林枯落物未分解层和半分解层持水量随着浸泡时间增加而增加，在8 h时平均持水量分别为 5.22，5.83 t/hm2，24 h 时分别为 5.69，6.26 t/hm2;5种森林枯落物持水量与浸泡时间进行回归分析，得出各森林枯落物与浸水时间之间存在较显著的对数函数关系;吸水速率随着浸泡时间增加而减少，在8 h时平均吸水速率分别为0.65，0.73 mm/h，到24 h 时分别为 0.24，0.26 mm/h，且均是半分解层＞未分解层。吸水速率与浸水时间之间存在着显著的幂函数关系。

(3)云南松和桉树混交林持水性能比纯云南松和纯桉树林差。从结果分析来看，纯云南松和人工桉树林单种林枯落物的最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量和吸湿比均优于二者混交林，主要是因为二者的混交林树龄与纯种林相比太小，影响了枯落物分解程度和生物量(蓄积量)，进而影响枯落物的持水性能。枯落物分解层(半分解层+完全分解层)的持水性能大于未分解层，枯落物分解需要一定的时间，所以树龄小的枯落物分解时间短，其分解程度低，吸水性能就差。同时枯落物蓄积量也直接影响到枯落物持水能力，北庙水库集水区人工桉树林蓄积量为 7.27 t/hm2，纯云南松为 5.37 t/hm2，混交林Ⅰ为4.51 t/hm2，与其持水能力表现出一致的规律。

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