黄土丘陵区不同植被类型枯落物持水效能研究

张 祎,李 鹏,刘晓君,任宗萍,马田田,赵宾华,徐国策

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,西安 710048; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)



黄土丘陵区不同植被类型枯落物持水效能研究

张 祎1,李 鹏1,刘晓君2,任宗萍1,马田田1,赵宾华1,徐国策1

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,西安 710048; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

选择陕北绥德县王茂沟流域5种不同退耕还林植物枯落物进行浸水试验，对其枯落物蓄积量、持水量与吸水速率进行了分析。结果表明:(1)5种植被类型枯落物贮量大小排序为苹果林>油松林>白羊草草地>杏树林>榆树林；枯落物层厚度与枯落物贮量存在对数关系:y=4.55ln(x)-8.74(R2=0.8)；枯落物层贮量与枯落物水储量存在指数关系y=0.69e0.22x(R2=0.7)；(2)枯落物层的最大持水量变化范围为1.57～5.79 mm，有效拦蓄量变化范围为0.89～3.02 mm，枯落物有效拦量表现为苹果林>油松林>白羊草草地>榆树林>杏树林；(3)不同植被枯落物吸水速率随时间的变化过程较为相似，在2 h内吸水速率呈直线下降，24 h各植被枯落物吸水速率基本为0，达到最大持水量。对不同植被类型枯落物持水效能的研究，可以为解决黄土高原生态水资源短缺及水土流失治理提供理论基础及科技支撑。

黄土丘陵区; 枯落物蓄积量; 持水量; 吸水速率

地上枯落物是植物地上部分产生并归还到地表的所有有机物质的总称[1]。枯落物可有效减少地表径流和减缓土壤侵蚀，防止土壤溅蚀、拦蓄渗透降水、补充土壤水分等[2]。在疏松的枯落物层，水分可以充满孔隙并依靠其表面张力储存在枯落物层中，从而使枯落物保持良好的持水能力，而枯落物持水能力是反映枯落物的一个重要水文指标[3]。以水为介质，枯落物能够将养分归还至土壤及生态系统，从而传递营养和能量，改善土壤理化性质、维持土壤养分循环等，这一过程在整个土壤—植被—大气连续体中起着重要作用[4]。已有很多学者对黄土丘陵区枯枝落叶的持水能力做了大量的研究[5-6]，吴钦孝等[7]研究发现枯落物可以吸持自身干重2～4倍的水量；王云琦等[8]认为枯落物的持水能力主要表现在降雨前2 h内；韩路等[9]研究得出枯落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数的关系，但对不同植被类型枯落物吸水能力的比较研究较少。

黄土丘陵区地貌破碎、土壤侵蚀严重、地表植被和生态系统遭到严重破坏，降水不稳定，水分稀缺，研究不同植被类型枯枝落叶层在水土保持中发挥的作用就愈发重要。实施水土保持各项工程措施以来，黄土高原的植被得到了较好的恢复。本文通过对典型流域不同植被类型的枯落物进行分层，并对植被枯落物的贮量、水储蓄量、最大持水量、有效拦蓄量以及吸水速率的研究，可以揭示不同植被类型枯落物的持水性能，对于科学认识植被的水土保持作用，推动植物格局的优化配置起到引导作用。

1　研究区概况

1.1概 况

王茂沟流域是陕西省绥德县韭园沟的一条支沟，是黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站的试验性治理小流域之一，也是我国最早的治理试验小流域之一[10-11]，流域面积5.74 km2，主沟长3.75 km，沟道平均比降为2.7%，沟谷地面积2.97 km2，沟壑密度4.3 km/km2。流域内地质构造比较单纯，表层多被质地匀细、组织疏松的黄绵土覆盖，厚度20～30 m。地貌复杂，以梁、峁为主，沟壑纵横，坡陡沟深，属典型的黄土丘陵沟壑地貌流域属大陆性季风气候，多年平均气温10.2℃，多年平均降水量513 mm，降雨量的年际变率大，年最大降雨量是年最小降水量的3.5倍，汛期降水量占年降水量的73.1%，且多以暴雨形式出现，造成严重的水土流失，泥沙量的95%集中在汛期，以水力侵蚀为主。流域土地利用类型以草地、坡耕地、梯田以及林地为主。主要植被类型为种植于梯田的苹果果园、坡面白羊草草地以及坡面杏树、油松以及榆树林地(表1)。

表1　王茂沟流域概况

1.2研究方法

在研究区内，按照主要植被类型，分别选取了梯田(苹果树，Maluspumila Mill)、退耕还林(油松，Pinustabulaeformis Carr)、经济林(杏树，Bothriochloaischaemumis)、退耕还草(白羊草，Armeniaca vulgaris Lam.)以及自然林地(榆树，Ulmuspumila L.)5种不同植被类型作为研究对象，概况如表2所示。

表2　样地基本情况

1.2.1枯落物的采集和测定对林分环境因子进行实地调查，在样地内设置20 m×20 m样方，选 取坡上、坡中、坡下，设置0.5 m×0.5 m样地进行凋落物厚度测定和采集，并设置3个重复。用钢尺测量枯落物的总厚度，并对枯落物进行分层，按照其分解状态分为3层，划分标准为：基本分解，已不能辨别出原有形态为已分解层；已开始分解，外形破碎，但仍然能辨别出原有形态为半分解层；由新鲜凋落物组成，原有颜色不变，保持原有形态为未分解层[12-13]。测量枯落物各层厚度后，现场测量其鲜重。将枯落物样品装入自封袋中带回实验室自然风干后，测量其风干后重量。计算枯落物的自然含水率和单位面积枯落物贮量，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：S为自然含水率(%)；w1为枯落物自然状态下湿重(g)；w2为枯落物干重(g)；M为枯落物贮量(t/hm2)；p为取样面积(cm2)；G为枯落物水储量(t/hm2)。

1.2.2枯落物持水动态测定采用室内浸泡法测定枯落物的持水量和吸水速率。对风干后的枯落物进行浸水试验，浸泡时间分别为5 min，15 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，12 h，24 h，将枯落物取出控干直至不再滴水为止，称其湿重[14]，并以此计算出不同浸水时间的持水量和吸水速度。以枯落物的24 h吸水量作为最大持水量[15]，并以此为基础计算即有效拦蓄量[16]，公式如下：

Z=(0.85Rm-S)·M

(4)

Zmin=(Rm-S)·M

(5)

(6)

式中：Z为有效拦蓄量(t/hm2)；Zmin为最大拦蓄量(t/hm2)；Rm为最大持水率(%)；S为自然含水率(%)；M为枯落物的贮量(t/hm2)；w3为浸泡24 h枯落物重(g)；w2为枯落物干重(g)。

1.2.3数据处理采用Excel对数据进行公式计算及分析处理，Origin 8.0进行图表绘制，SPSS 17.0软件进行差异显著性检验。

2　结果与分析

2.1不同植被类型枯落物贮量

表3为根据实测枯落物各层重量计算不同植被类型枯落物厚度及贮量。由表3可知，5种不同植被类型按枯落物贮量大小排序为苹果林(9.3 mm)>油松林(9.0 mm)>白羊草(3.6 mm)>杏树林(2.9 mm)>榆树林(1.4 mm)，其中苹果林、油松林各层的贮量都显著高于杏树林、白羊草、榆树林(p<0.05)。枯落物层厚度大小排序为油松林(62 mm)>苹果林(37 mm)>白羊草(13 mm)=榆树林(13 mm)>杏树林(12 mm)，油松枯落物层的厚度与杏树林、白羊草、榆树林存在极显著性差异(p<0.01)，苹果林与其他四种植被枯落物层厚度存在显著性差异(p<0.05)。对枯落物层的厚度与贮量进行拟合方程得到对数方程：y =4.55ln(x)-8.74(R2=0.8)。

2.2不同植被类型枯落物水储量

由表4可知不同植被类型枯枝落叶水储蓄量顺序表现为苹果林(11.3 mm)>油松林(2.6 mm)>杏树林(1.8 mm)>白羊草(1.5 mm)>榆树林(0.8 mm)，苹果林枯落物水储蓄量显著高于其他枯落物的水储存量(p<0.01)。枯落物水储存量与枯落物贮量排序较为一致。对枯落物层厚度和水储量进行拟合得到多项式方程：y=-0.0152x2+1.1574x-10.837(R2=0.9)。对枯落物层贮量以及枯落物层水储量进行拟合得到指数方程：y =0.69e0.22x(R2=0.7)。

表3　不同植被类型枯落物厚度及贮量　mm

表4　不同植被类型枯落物水储蓄量　mm

2.3枯落物持水特征

2.3.1枯落物持水量枯落物的持水性能具体指标有最大持水量、最大拦蓄量以及有效拦蓄量。由表5可以看出，苹果林和油松林各指标均明显高于其他植被类型(p<0.05)，5种植被类型最大持水量的范围为1.57～5.79 mm。对不同层次枯落物进行分析可知，苹果林已分解层中最大持水量最高，油松林次之，榆树林最小，而相对于半分解层和未分解层，除苹果林外，其他几种植被类型持水量基本相似。

植被的有效拦蓄量由大到小依次为苹果林(3.02 mm)>油松林(2.48 mm)>榆树林(0.38 mm)>白羊草(1.15 mm)>杏树林(0.89 mm)。其中，苹果林最大持水量层为已分解层(p<0.05)，而最大拦蓄量、有效拦蓄量却出现在其未分解层。杏树林、油松林的最大持水量、最大拦蓄量及有效拦蓄量均出现在未分解层，榆树林的最大持水量、最大拦蓄量及有效拦蓄量均出现在已分解层。因此，在三个枯落物分解层中，苹果林均保持相对较高的持水性能。

2.3.2枯落物的吸水量以及吸水速率枯落物层的吸水速度不仅受枯落物的性质和分解程度影响，还与枯落物的水分含量有关，不同植被类型枯落物的种类、厚度、贮量及分解程度不同，其吸水过程和持水量变化也不同(表6)。

表5　不同植被类型枯落物最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量　mm

表6　不同植被类型各层次枯落物持水量　g/kg

图1显示枯落物已分解层持水量随时间推移呈幂函数曲线增长(未分解层和半分解层不再做图示，下同)。各类型植被在0～2 h内都存在一个急速上升的过程，其中持水量在5～15 min上升最明显，2 h以后随着浸水时间增大，持水量缓慢趋于最大持水量。这一现象表明在降雨量足以浸湿地表枯落物层的情况下，各植被类型枯落物层在前2 h对降雨的吸持作用最强，2 h以后各植被类型未分解层的吸水量增长速度减缓，24 h后吸水量趋于稳定或达到饱和状态。

吸水速率即单位时间的持水量。随时间的推移，枯落物层吸水速率变化均呈幂函数曲线。由图2可以看出，各植被类型枯落物已分解层吸水速率均在浸水前期迅速降低，浸水2 h后下降速率明显变缓，浸水8 h之后，吸水速率接近于稳定，呈现缓慢降低的趋势，最终趋于0。苹果林枯落物的未分解层和已分解层中下降速率最快，且苹果林未分解层和已分解层枯落物吸水速率显著高于其他植被类型，在浸泡8 h之后趋于缓慢下降状态，枯落物半分解层中，杏树林的下降速率达到最大，变化规律与苹果林未分解层枯落物变化规律基本一致。

图1　不同植被类型已分解层枯落物持水量所占最大持水量百分比

图2　不同植被类型已分解层枯落物吸水速率

3　讨 论

苹果林立地环境为梯田，地面比较平坦，因而其枯枝落叶不易被降水冲走，枯落物累积速率较快。油松林贮量仅次于梯田苹果林，究其原因，可能是与枯落物自身结构有关，蒋积荣等[17]研究结果认为相比其他林型，针叶林枯落物厚度及贮量较高。油松针叶林内部结构紧密，空隙小，因此枯落物的贮量较大[18]。有研究表明梯田具有保水作用[19]，据已有学者实测研究[20]表明，降雨为100～200 mm时，梯田可以将其一次拦蓄而不发生地面径流。种植于水平梯田上的苹果林对水分需求较大，且作为阔叶林种，其林下枯落物贮量也较大。已有研究表明[21]，阔叶林生长速度较快，其枯落物贮量明显比较高。因而相对于其他植被类型，苹果林下枯落物水储量最大；油松的根系比较发达，地上部分耗水量相对较小，并且属于针叶林[22]，叶片水含量较低，但是由于退耕还林年限比较长，枯落物堆积量比较大，因而水储蓄量相对较高。对枯落物的贮量、水储量以及厚度进行关系拟合得知，枯落物的厚度和水储量的关系不显著，但枯落物的水储量与枯落物贮量呈显著指数关系，表明其受枯落物贮量影响较大。苹果林位于梯田上，坡度比较小，有利于枯落物的积累，林下水热条件比较好，有利于枯落物的分解，半分解层就比较厚[23]，故其枯落物最大持水量、有效拦蓄量及最大拦蓄量相对较高。王丹丹等[24]研究表明，坡度越大，其抗冲刷能力越弱，因而枯落物贮量较低。与苹果林相比，其他植被类型所处位置坡度较大，枯落物不容易发生堆积，较难被微生物分解，不同植被类型的形态结构变化存在差异，故持水能力也存在差异，这可能是导致其枯落物持水量较低的原因。

枯落物在自然风干后，植物的枯落物含有大量的死亡细胞，水势较高，浸入水后存在很大的水势差，刚入水时，吸水速率达到最大[25]；随着浸水时间的延长，水势差逐渐减小，吸水速率呈幂函数曲线减小，这与刘成功等[26]研究结果一致，到24 h时，枯落物水分达到饱和，枯落物吸水速率近似等于零。各植被类型地表枯枝落叶层持水量接近其最大持水量，逐渐趋于饱和，其吸水速率也变得缓慢。

实施水土保持工程退耕还林(草)，改坡为梯，封山育林等措施以来，农耕地面积减小，梯田面积明显增加[27]，梯田自身有明显的保水作用，而作为经济作物，种植于梯田的苹果林又可为研究区提供经济来源。结合本文研究数据，种植于梯田苹果林枯落物的持水效能也是最高，因此推广梯田苹果林有利于研究区生态水文效应的发挥及经济发展。研究区内退耕还林所在的山坡坡度较大，严重的土壤侵蚀和频繁的干旱同时发生，退耕植被的适应性就显得尤为重要。油松根系发达，对水的需求量较小，适应环境能力较强[28]。本文通过研究发现，种植于坡面油松林枯落物的持水效能较高，推广坡面退耕还林植被油松对防治研究区水土流失、提高水分涵养能力有较大的积极作用。

4　结 论

(1)王茂沟流域内，5种不同植被类型按照枯落物贮量排序大小为苹果林(9.3 mm)>油松林(9.0 mm)>白羊草(3.6 mm)>杏树林(2.9 mm)>榆树林(1.4 mm)。枯落物层厚度与枯落物贮量存在对数关系：y=4.56ln(x)-8.74(R2=0.8)；枯落物层贮量与枯落物水储量存在指数关系：y=0.69e0.22x(R2=0.7)。

(2)枯落物最大持水量大约为其自身重量的2～4倍，最大持水量变化范围为1.57～5.79 mm，有效拦蓄量变化范围为0.89～3.02 mm。通过浸水试验得出的数据得知，本研究认为枯落物层在降雨过程前期的2 h对降雨的吸持具有更重要的作用和意义。

(3)王茂沟流域内，种植于梯田的苹果林、退耕还林的油松林具有比较好的持水效能。

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Water Holding Capacity of Litter with Different Vegetation Types in the Loess Hilly Region

ZHANG Yi1,LI Peng1,LIU Xiaojun2,REN Zongping1,MA Tiantian1,ZHAO Binhua1,XU Guoce1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area,Xi′an University of Technology, Xi′an 710048,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling,Shaanxi 712100,China)

The amount,water holding capacity and water absorption rate of litter with 5 different types of grain to green vegetation in Wangmaogou region were analyzed in submerging test.The results showed that: (1)The order of the litter amount of the 5 vegetation types is: Malus pumila Mill.(MP)> Pinus tabulaeformis Carr.(PT)> Bothriochloa ischaemumis (BI)> Armeniaca vulgaris Lam.(AV)> Ulmus pumila L.(UP).There is a logarithmic relationship between litter layer depth and amount: y=4.55ln(x)-8.74(R2=0.8),and exponential relationship for amount and water storage of litter: y=0.69e0.22x(R2=0.7).(2)The maximum water holding capacity of litter layer ranged from 1.57 mm to 5.79 mm while the effective holding capacity ranged from 0.89 mm to 3.02 mm.The order of the effective holding capacity is: MP> PT> BI> AV> UP.(3)The change trends of water absorption rate of litter among different vegetation were similar.It plummeted down within the first 2 hours,and then reached 0 at almost 24 hours later when the maximum water holding capacity appeared.Study on water capacity of litter with different vegetation types layer could provide a theoretical basis and technological support to solve the ecological water shortage and soil erosion prevention in the Loess Plateau.

Loess Hilly Region; litter amount; water holding capacity; water absorption rate

2016-01-13

2016-02-18

国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态—水文过程响应机理研究”(41330858);国家自然科学基金“基于能量过程的坡沟系统侵蚀产沙过程调控与模拟”(41471226);水利部公益性行业科研专项经费“生产建设项目水土保持生态效应监测与评价技术研究”(201501045)

张祎(1991—),男,山西长治人,硕士研究生,主要从事水土保持与土壤微生物方面研究。E-mail:18202915856@163.com

李鹏(1974—),男,山东烟台人,教授,博士生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-mail:liepng74@163.com

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1005-3409(2016)05-0100-06