滇中地区典型林分林地凋落物的水文功能

方斌，黄俊文，赵洋毅

(1.云南秀川环境工程技术有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021；3.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)

滇中地区典型林分林地凋落物的水文功能

方斌1,2，黄俊文2，赵洋毅3

(1.云南秀川环境工程技术有限公司,云南 昆明 650021；2.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021；3.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)

摘要通过对云南省松华坝流域典型林分林下凋落物水文功能进行的研究，结果表明：松华坝流域林地凋落物蓄积量为7.86～22.46 t.hm-2，在浸泡24 h条件下，凋落物最大持水率在123% ～149%之间，有效拦蓄量在0.9～2.1 mm之间。其中云南松+桉树混交林在凋落物储量、截流量、有效拦蓄量方面均大于纯林，桉树林大于云南松林；凋落物持水速率与其浸泡时间之间存在幂函数关系；凋落物层对于短历时、大暴雨的降水产生的径流、滞后径流有显著的影响。

关键词林分；凋落物；水文功能

凋落物特指森林生态系统中地表未分解和处于半分解状态的枯枝落叶、倒木、落皮、动物残骸以及他们的异化代谢产物等。凋落物层处于森林植被与土壤层之间，是林地与大气间水汽交换的重要界面，不仅影响大气降水在森林生态系统内的传输过程，也影响到林地土壤、水热通量状况、养分元素的循环及土壤生物的类型和数量。凋落物层具有良好的透水性和持水能力，在截持降雨、拦蓄地表径流、抑制地表蒸发、促进水分下渗等方面具有重要作用。不同森林类型凋落物层的结构、组成、种类、数量和性质都存在一定的差异，因而影响到林地水文功能[1]。

目前，国内关于林地凋落物层水文功能的研究已有大量成果。程积民[2]等研究发现，降雨开始时，枯落物层吸水量迅速增加，当水分到达细胞内部，吸水量增加缓慢。当吸水达到其截留极值点后，枯落物层完全成为一层水流通道，因此，不同学者在针对不同植被类型枯枝落叶层的水文功能进行研究时，得出了其在特定含水量条件下能够截持降雨、阻滞径流以及增加径流等不同的观点[3]。凋落物层截留水文机制受多种因素影响，小降雨条件下，随着降雨强度和降雨历时增加，凋落物层截持降雨能力增大，枯枝落叶层分解程度越高，持水率越大，反之，则越小[4]。除此之外，凋落物层储量、初始水分含量和蓄水容量都与其截持降雨能力密切相关。凋落物层覆盖在土壤表面，增加了地表粗糙度，能够阻滞径流[5]，在黄土高原常见坡度25 ℃条件下，有1cm厚的凋落物覆盖，径流速率就可降低到相当于无覆盖坡面的1/10～1/15，有利于降水渗入土壤[6]。

国外研究成果则表明，美国东部硬阔叶林凋落物层蓄水容量为其干质量的137%～170%[7]，澳大利亚辐射松和硬叶桉树林凋落物层蓄水深分别为218mm和117mm[8]，日本柳杉具有明显的孔性结构，截留的水分迅速垂直下渗，而麻栎的叶片宽厚，孔性通透性差，会导致凋落物层中的水分分散下渗。在旱季，凋落物层的水分蒸发和根系吸水决定了其水分含量状况，而在大多数情况下，凋落物层水分动态与穿透雨量和凋落物层的排水能力有关[9]。

因此，研究凋落物层的水文功能对了解林地水土保持和水源涵养功能具有重要意义。针对滇中地区松华坝流域的针阔混交林(云南松+桉树混交林)、阔叶林(桉树林)、针叶林(云南松林)3种典型林分的林下凋落物的水文功能进行研究，以期为区域水土保持林和水源涵养林营造提供依据。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于云南省滇中地区松华坝流域，地理坐标为102.78°—102.81°E，25.12°—25.17°N，海拔1 985～2 200m。属于亚热带低纬度高原山地季风气候，受印度洋暖湿气流影响，全年降水量明显分为干湿两季，多年平均降水量1 031mm，相对湿度74%，年均日照约2 200h，全年无霜期近年均在240d以上。年平均气温15 ℃。最热月(7月)平均气温19 ℃，最冷月(1月)平均气温8 ℃，土壤以红壤为主。

研究区典型林分类型包括3类，分别为常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林，均为人工林，林龄15年。其中，常绿阔叶林以桉树林为主，树种为直杆桉(Eucalyptus maideni)，乔木层单一，平均树高20.55m，郁闭度在0.55～0.75。灌木层以小铁子(Myrsine africana)和仪花(Lysidice rhodostegia)数量居多，高度分别为0.3～1.5m和0.4～2.7m。草本植物以紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)居多；针阔混交林主要以云南松(Pinus yunnanensis)+桉树混交为主，平均树高18.74m，郁闭度在0.65～0.80。灌木层以小铁子居多，草本植物多为紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)。针叶林主要以云南松为主，平均树高16.35m，郁闭度在0.85～0.90，灌木有小铁子和黄刺玫(Rosa xanthina)，草本植物稀少。

表1　不同林地的树种组成及样地基本概况

1.2研究方法

按针阔混交林、阔叶林、针叶林分3种林分类型，各类型代表地段内取面积为30cm×40cm的枯落物样地8个，记录和采集样地内凋落物。对样地内的凋落物储量、持水量、截持降雨量进行测定，研究不同林分类型下的凋落物持水过程、拦蓄能力等水文功能。

2结果与分析

2.1林下凋落物的储量分析

凋落物层是森林生态系统物质循环的一个重要组成部分，其水文生态功能的发挥，首先取决于它的数量和质量。研究区针阔混交林和针叶纯林长势和林下凋落物储量差异明显。不同林分凋落物平均厚度依次是云南松+桉树混交林(2.1cm)>桉树林(1.6cm)>云南松林(1.2cm)，三种林分类型下凋落物平均储量也有差别，针阔混交林林冠层次多，枝叶量大，凋落物储量最大，为22.46t.hm-2；桉树林凋落物储量较大，为20.31t.hm-2；云南松林落叶量少，林下凋落物储量最小，仅为7.86t.hm-2，见表2。

表2　不同林地凋落物储量

2.2林下凋落物持水动态测定分析

2.2.1凋落物持水能力分析凋落物的持水能力多用干物质的最大持水量和最大持水率表示，其值的大小与林分类型、林龄、凋落物组成、分解状况、积累等有关。由表3可知，在浸泡24h条件下，所研究的3种不同林分凋落物的最大持水率范围在123%～149%，其中以云南松林的最大，为149.12%，云南松+桉树混交林其次，为134.07%，桉树林的最小，为123.07%。云南松林凋落物的持水能力要高于云南松+桉树混交林和桉树林凋落物，分别是其1.11倍和1.21倍。各林地的最大持水率呈现出不同的规律，这是因为最大持水率与凋落物本身的生物量和物质组成有关，而且凋落物的分解程度也影响凋落物的持水能力。

表3　不同林地凋落物持水能力动态

2.2.2凋落物持水速率分析凋落物的持水速率与持水能力是紧密联系的，持水速率表现不同时段林地凋落物吸持水分的速度。降雨过程中，凋落物能将林内降水迅速涵蓄起来，从而减少地表径流的发生。

表4　不同林地凋落物持水速率

不同林分凋落物的持水速率随浸水时间呈不同变化规律。凋落物在浸水后0.5h内的持水速率最高，主要是由于凋落物从烘干状态浸入静水后，枯枝落叶粗糙的表明迅速持水，加之死细胞间或者枝叶表面水势差较大，吸水速率高。此后，枯枝落叶的细胞间连接物质为细胞间水分存贮提供了场所，使枯枝落叶在浸入水中的初期持水量剧增。1h之后，持水速率急剧下降，4h之后明显减缓，此后随着浸水时间的增加，其吸水速率表现出逐渐递减的趋势。凋落物层在遇水之初迅速吸水的特性对于短历时、大暴雨的降水产生的径流、滞后径流有显著的影响，这正是凋落物保持水土、涵养水源的主要功能所在。

对所研究的3种森林类型林下凋落物持水速率与其浸泡时间进行回归分析，发现凋落物持水速率与浸泡时间之间存在幂函数关系，即：S=kt-b，式中，S为吸水速率(g.kg-1.min-1)；t为浸泡时间(min)；k和b为常数。拟合的幂函数曲线相关系数在0.87以上。

表5　林下凋落物持水速率与浸泡时间关系式

2.3不同林地凋落物对降水的拦蓄能力测定分析

凋落物层对降水的拦蓄能力，与其自然含水量、最大持水率密切相关，另外凋落物的现存量对拦蓄能力也起相当大的作用。根据雷瑞德的研究[10]，当降雨量达到20～30mm，不论哪种植被类型，实际持水率约为最大持水率的85%。因此本研究采用有效拦蓄量来表示对降雨的实际拦蓄量。

表6　不同林地凋落物有效拦蓄量

由表6可以看出：在浸泡24h条件下，不同林分凋落物有效拦蓄量大小顺序为：云南松+桉树混交林2.1mm>桉树林1.7mm>云南松0.9mm，不同林地凋落物有效拦蓄量与凋落物现存量关系密切。

表7　不同林分降雨条件下(10 mm.h-1)截留情况

2.4人工模拟降雨条件下凋落物的拦蓄能力分析

为了更好地研究林地凋落物的水文功能，采用人工模拟降雨实验方法，在模拟降雨强度为10mm.h-1的条件下对凋落物的截留量进行测定，结果见表7、表8。

在10mm.h-1降雨强度下，凋落物的截留量在实验开始的10min内迅速增加，以后随着时间的延长有不断增加的趋势，但增加的速率放慢。因此可以认为，凋落物截留地表径流的功能在降雨开始时较强，此后随着凋落物湿润程度的增加，吸持水能力降低，直至达到凋落物的最大饱和持水量。同时也表明：凋落物拦蓄地表径流的能力与其自身的干燥程度有关。在60min内，云南松+桉树混交林的林下凋落物截留能力最大，为1.37mm，其次为桉树林1.07mm，云南松林最小，为0.62mm。

表8　不同林分凋落物人工降雨与浸泡法截留情况对比分析

凋落物层的实际截留量受降雨前含水量高低、雨量大小和降雨时间长短等因素影响，因此变化较大。对比人工降雨条件和浸泡法测定的结果，发现混交林和阔叶林基于浸泡法计算的最大截留量与实际截留量误差较小，而针叶林误差较大，这仍需在更多降雨和浸泡条件下进一步分析研究。

3小结与讨论

本研究以滇中地区松华坝流域3种典型林分林下凋落物为研究对象，以凋落物储量、持水速率、拦蓄能力等各项指标来分析该地区3种不同林分林下凋落物水文功能。小结如下：

3.13类林地凋落物储量有明显差异，云南松+桉树混交林储量最大为22.46t.hm-2，其次是桉树林20.31t.hm-2，云南松林凋落物储量最小，仅为7.86t.hm-2。

3.2在浸泡24h条件下，3种不同林分凋落物的最大持水率范围在123%～149%之间，各林地最大持水率与凋落物组成和储量密切相关。

3.3不同林分凋落物在浸水后0.5h内的持水速率最高，1h之后，持水速率急剧下降，4h之后明显减缓，此后随着浸水时间的增加，其吸水速率表现出逐渐递减的趋势。持水速率与其浸泡时间之间存在幂函数关系。

3.4不同林分凋落物有效拦蓄量大小顺序为：云南松+桉树混交林2.1mm>桉树林1.7mm>云南松0.9mm。

3.5在60min内10mm.h-1降雨强度下，云南松+桉树混交林的林下凋落物截留能力最大，为1.37mm，其次为桉树林1.07mm，云南松林最小，为0.62mm。凋落物层对于短历时、大暴雨的降水产生的径流、滞后径流有显著的影响。

3.6从凋落物截留降雨和拦蓄地表径流方面看，研究区范围内混交林更适合作为水土保持林和水源涵养林。

参考文献：

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[10] 雷瑞德.秦岭火地塘林区华山松林水源涵养功能的研究[J]. 西北林学院学报,1984,1 (1):19-33

HydrologicalFunctionsofForestLittersfor
TypicalstandintheCentralAreaofYunnanProvince

FangBin1,2,HuangJunwen2,ZhaoYangyi3

(1.YunnanXiuchuanEnvironmentalEngineeringTechniqueCo.,Ltd,Kunming650021,China;

2.YunnanInstituteofWater&HydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650021.China;

3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

AbstractThe hydrological function of forest litters for typical stand in Songhua Dam watershed was studied. Result shows that the accumulation of different forest litter is about 7.86-22.46 t.hm-2,and the maximum water-holding capacity ranges from 123% to 149%,and the modified interception amount is about 0.9-2.1 mm under the condition of 24 h. The litter amount,reducing runoff & interception yield of mixed forest of Pinus yunnanensis+Eucalyptus maideni are more greater than that of pure forest;the upper indices of Eucalyptus forest are more than that of Pinus yunnanensis forest. Power function relationship is existed between the forest water-holding rate & soaking time;litter layer have significant effects on runoff and retardation short duration,rainfall runoff generated by rainstorm,runoff runoff produced by precipitation with the characteristics of short duration and rainstorm.

Key wordsstand;forest litters;hydrological function

文章编号：1005-5215(2016)06-0012-04

收稿日期：2016-04-12

作者简介：方斌(1983-)，男(黎族)，贵州兴仁人，硕士，工程师,从事水土保持研究.

中图分类号：S718.52

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.06.004