3种人工林枯落物持水性能及土壤水文效应的研究

武鹏艳，张玉珍

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

3种人工林枯落物持水性能及土壤水文效应的研究

武鹏艳，张玉珍*

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

对甘肃省水土保持科学研究所科技示范园区内3种人工林枯落物持水性能和土壤水文效应进行了研究。结果表明：①枯落物蓄积量变动范围为12.35～30.62 t/hm2，侧柏纯林最大；枯落物层厚度范围为3.9～4.4cm，加拿大杨纯林最大；最大持水量变动范围为60.04 ～82.12 t/hm2，大小顺序依次为加拿大杨林(82.12 t/hm2)﹥白蜡林(63.38t/hm2)﹥侧柏林(60.04 t/hm2)；最大持水率的大小顺序表现为加拿大杨林(245.60 %)﹥侧柏林(238.23 %)﹥蜡林(188.35 %)；枯落物有效拦蓄量与最大拦蓄量变化规律一致，表现为侧柏纯林最大(54.54 t/hm2)，加拿大杨纯林最小为14.66 t/hm2。②持水量与浸泡时间呈对数关系，即W=aln(t)+b，相关系数R2均大于0.9，模型拟合较为理想。③加拿大杨纯林持水能力最强，对土壤的水源涵养作用更明显；侧柏纯林土壤贮水能力强，更有助于截留降雨和减少雨滴击溅侵蚀。

甘肃；枯落物；持水性能；有效拦蓄量

枯落物层是由林分落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮等的凋落物组成[1]。枯落物层作为森林生态系统中重要的结构层次，具有截持降水、防止土壤溅蚀、拦蓄地表径流、减少林地表层土壤水分蒸发以及增强土壤抗蚀性的功能，同时，枯落物分解形成的土壤腐殖质，还能改善土壤结构，提高土壤的渗透性能[2-4]。

目前，国内外许多学者在不同区域对多种森林类型下的枯落物特性做了大量研究，在枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、截持降水、影响地表径流和土壤侵蚀机制等方面都取得了一定成果。但目前对甘肃省兰州市南北两山的主要人工林林下枯落物持水性能及土壤水文效应研究较少，为此，对甘肃省水土保持科学研究所科技示范园的侧柏(Platycladusorientalis)、白蜡(Fraxinuschinensis)、加拿大杨(PopuluscanadensisMoench)3种主要人工林林下枯落物层的持水性能及土壤水文效应进行了研究，这对研究该区域主要人工林类型的森林生态系统水文作用具有重要意义。

表1 试验地基本情况

1 研究区概况

研究区设在甘肃省水土保持科学研究所科技示范园，地处黄河上中游的黄土高原丘陵沟壑区，地理坐标为北纬36°1′20″～36°1′43″，东经103°56′43″～103°57′4″，海拔高度为1696.4～1804.8 m；气候类型为北温带半干旱大陆性气候，干燥少雨，年降水量为329.7 mm，蒸发量为1332.7 mm，年平均气温9.3 ℃，年日照时数2424 h，无霜期186 d；土壤为灰钙土；园区中常绿树种有油松、侧柏、云杉等，乡土树草种有杨树、旱柳、刺槐、沙枣、白刺花、柠条、白羊草、冰草等，林草覆盖率达85 %。

2 材料与方法

2.1 标准地选择

在对甘肃省水土保持科学研究所科技示范园区内不同人工林进行实地勘察的基础上，选择代表性林分作为标准地进行采样分析，标准地面积为20 m×20 m，并对林木进行每木检尺，测量胸径、树高、海拔等因子(表1)。

2.2 枯落物的采集与蓄积量的测定

在标准地对角线上，选定5个1 m×1 m的枯落物收集样方，分别测量枯落物层总厚度及未分解层、半分解层厚度，然后将未分解层和半分解层分别收集，保持原状装入密封袋中，将收集的枯落物带回实验室后，分层称其烘干重量(85 ℃下烘干至恒重)，以干物质重量推算不同树种枯落物蓄积量。

2.3 枯落物持水动态的测定

用室内浸泡法[5-6]测定林下枯落物的持水量，将烘干称量后的枯落物未分解层装入尼龙网袋(孔径1 mm)，半分解层装入孔径为0.125 mm的土壤筛中，再将装有枯落物的尼龙网袋和土壤筛置入盛有清水的容器中，水面略高于尼龙网袋和土壤筛上缘，然后分别测定其在0.5、1、2、4、8、12、24 h的重量变化，并通过换算按烘干重量来研究其不同浸水时间的持水量。

2.4 枯落物拦蓄量的测定

通常采用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量[7]，即W=(0.85Rm-R0)M，式中：W:有效拦蓄量(t/hm2)；Rm:最大持水率( %)；R0:平均自然含水率( %)；M:枯落物蓄积量(t/hm2)。

2.5 土壤物理性质的测定

采用剖面法，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ样地内选取代表性样点3个，分别按0～10、10～20、20～30 cm土层取样，每层做3次重复取样。依据中华人民共和国林业行业标准：采用烘干法测定土壤含水量；用环刀法测定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤总孔隙度；用环刀法和浸水法测定最大持水量、毛管持水量、最小持水量。

3 结果与分析

3.1 不同树种枯落物蓄积量及其厚度的比较

枯落物蓄积量受枯落物的输入量、分解速度、累计年限、树种组成和林分所处的自然条件等因素的综合影响[8]。由表2可知，3种人工林枯落物蓄积量有一定差异，总体变动范围为12.35～30.62 t/hm2，大小顺序为侧柏纯林(30.62 t/hm2)﹥加拿大杨纯林(14.66 t/hm2)﹥白蜡纯林(12.35 t/hm2)；同时分析枯落物组成，3种人工林枯落物蓄积量均是半分解层大于未分解层，半分解层蓄积量占总量比例最大的是侧柏纯林(83.15 %)，其次是白蜡纯林(69.8 %)，加拿大杨纯林最小(65.69 %)；未分解层蓄积量占总量的比例与半分解层相反，这与林龄、林分结构、生长季节及其林下微生物活动等有关。比较3种人工林林下枯落物厚度，其变化幅度为 3.9 ～4.4 cm，由厚到薄顺序为加拿大杨纯林(4.4 cm)﹥白蜡纯林(4.3 cm)﹥侧柏纯林(3.9cm)， 其中未分解层厚度范围为 1.4～3.6cm，半分解层厚度范围为0.8～2.5 cm。枯落物蓄积量主要与其厚度有关，一般厚度与蓄积量变化趋势应一致，但是由于侧柏的林龄较大，郁闭度大，林下枝、叶、花、果实等由于光照不足枯死，不易分解，所以其蓄积量较多，同时由于其叶片面积比较小，枯落物堆积比较紧密，所以厚度反而小。

表2 枯落物蓄积量及厚度

3.2 枯落物持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量和最大持水率 枯落物持水能力是森林水文的重要内容，也是表征枯落物层水文功能的重要指标。一般用最大持水量和最大持水率来反映其持水能力，其值的大小与林分的树种组成、林分发育、林分水平及垂直结构，枯落物的组成、成分、特性质地和分解程度等因素有关[9]。由表3可以看出，3个树种的枯落物最大持水量的变动范围在60.40～82.12 t/hm2，大小顺序依次为加拿大杨林(82.12 t/hm2)﹥白蜡林(63.38 t/hm2)﹥侧柏林(60.04 t/hm2)，其中未分解层变动范围在25.13～46.94 t/hm2，半分解层变动范围在24.01～35.18 t/hm2。最大持水率的大小顺序依次为加拿大杨纯林(245.60 %)﹥侧柏纯林(238.23 %)﹥白蜡纯林(188.35 %)，显然，同一树种的最大持水量和最大持水率存在不同的变化规律，原因在于枯落物本身的生物量、结构、以及分解程度等因素影响最大持水率。由以上分析可以得出，加拿大杨纯林持水能力最强，分别是白蜡纯林的1.3倍，侧柏纯林的1.4倍。

3.2.2 枯落物拦蓄能力 最大拦蓄量能够反映枯落物对一次降水的最大拦蓄能力，枯落物的拦蓄能力受蓄积量、自然含水率等因素影响而存在明显差异。从表3可以看出枯落物的最大拦蓄量与平均自然含水率以及最大持水率变化趋势一致，大小顺序依次是侧柏纯林(66.37 t/hm2)>加拿大杨纯林(32.69 t/hm2)> 白蜡纯林(19.49 t/hm2)；因为山地森林坡面不会出现长时间的浸水，另外，枯落物对降水的有效拦蓄还与枯落物的水分状况、降雨特性等有密切的关系，则用最大持水量和最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力则偏高，不符合它对降雨的实际拦蓄能力[10]，所以，一般用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄能力。比较3个树种枯落物的有效拦蓄量可以发现，其与最大拦蓄量变化规律一致，大小顺序依次为侧柏纯林(54.54 t/hm2)>加拿大杨纯林(27.51t/hm2)>白蜡纯林(16.35 t/hm2)，且未分解层和半分解层有效拦蓄量的变化规律也一致。可以看出，侧柏纯林的拦蓄能力最强，这是由于侧柏人工林内半分解层枯落物厚度比较大、蓄积量比较多。

3.2.3 枯落物持水过程 4种树种枯落物的未分解层和半分解层的持水量都随着吸水时间的延长而增大，但是增长幅度逐渐减小，未分解层在最初的1 h内枯落物的吸水量增加最迅速，半分解层在前0.5 h内吸水量增加最快，而在8 h后，随着时间的变化，其持水量的增加幅度很小，此时枯落物的吸水尽管没有达到动态平衡状态，但因枯落物中的空隙已被水分占据，枯落物的吸水仍在进行，但持水量增加幅度显著减小了。在吸水时间 10 h 后，枯落物的质量变化趋于稳定，这说明，此时枯落物的持水量已接近饱和，吸水处于被动状态。这种持水率的变化趋势表明在降雨量足以浸湿地表枯落物的情况下，不同树种枯落物在前 2 h 内对降雨的吸收作用最强，有利于减少表层径流量，并能够对土壤水分的补充和植物水分的供应产生影响。

表3 3种人工林分枯落物持水能力

表4 3种人工林分枯落物持水过程

对1～24 h之间3个树种枯落物各层次持水量与浸水时间的关系进行回归分析，得出该段时间内持水量与浸泡时间的关系(表5)：W=aln(t)+b式中，W为枯落物持水量(g/kg)，t为浸水时间(h)，a为方程系数，b为方程常数项。从3个树种类型枯落物各层持水量实测值和计算所得值与浸水时间之间的关系可以看出：3个树种枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间得到的回归方程的相关系数R2均大于0.84，表明模型拟合较为理想。

3.3 土壤水文效应

森林对土壤物理性状的影响是多方面的，但是对 0～20 cm土壤层影响最显著的是森林的枯落物[11]。枯落物覆盖地面，保护地表免遭雨滴击溅侵蚀，土壤结构疏松，吸收和调节地表径流能力强[12]。土壤容重与土壤质地、压实状况、土壤颗粒密度、土壤有机质含量及各种土壤管理措施有关。土壤越疏松多孔，容重越小，土壤越紧实，容重越大。由表6可知，3种人工林土壤容重介于0.76～0.90 g/cm3，以加拿大杨纯林最大，由于其受到人为因素影响而使土壤容重偏大。土壤含水量变化趋势为白蜡纯林(53.75 %)最大，加拿大杨纯林次之(51.94 %)，侧柏纯林(37.26 %)最小，说明侧柏纯林比较干燥，这是因为侧柏纯林土壤疏松多孔，水分容易蒸发，从表也可以看出，土壤含水量总体偏高，这是因为这些林地定期被灌溉的原因。毛管孔隙度大，土壤中储存的有效水含量也越多；土壤孔隙度越大，说明土壤结构越疏松，这有利于雨水快速下渗，减少地表径流的冲刷，能够更好的保持水土，防治土壤流失。土壤毛管孔隙度和总空隙度大小顺序一致，依次为：侧柏纯林>白蜡纯林>加拿大杨纯林，可见，侧柏纯林有效储水量最大并且土壤结构较疏松。3种人工林样地土壤非毛管孔隙度大小排序为：加拿大杨纯林>白蜡纯林>侧柏纯林，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，有利于降水的下渗，减少地表径流，充分起到涵养水源的作用，即加拿大杨人工林地土壤的通透性最好，涵养水源作用最强。不同样地最大持水量、毛管持水量、最小持水量均值顺序变化规律一致，依次为：侧柏纯林>白蜡纯林>加拿大杨纯林，即侧柏纯林的最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大。毛管孔隙中所保存的水分包括一部分膜状水和毛管水的全部，可以完全被植物根系利[13]。因此，侧柏纯林内受枯落物影响的0～20 cm土壤层最有利于林下植物生长，在林内形成较好的第三作用层，更有助于截留降雨和减少雨滴击溅侵蚀。

表5 枯落物的持水量与浸水时间的拟合结果

表6 土壤孔隙与持水状况

4 结论与讨论

(1)3个树种的枯落物蓄积量有一定差异，总体变动范围为12.35～30.62 t/hm2，大小顺序依次为侧柏纯林(30.62 t/hm2)﹥加拿大杨纯林14.66 t/hm2)﹥白蜡纯林(12.35 t/hm2)；枯落物蓄积量均是半分解层大于未分解层。枯落物层厚度范围为3.9～4.4 cm，大小顺序为加拿大杨纯林(4.4 cm)﹥白蜡纯林(4.3 cm)﹥侧柏纯林(3.9 cm)， 其中未分解层厚度范围为 1.4～3.6 cm，半分解层厚度范围为0.8～2.5 cm。

(2)最大持水量的变动范围在600.40～8212 t/hm2，大小顺序依次为加拿大杨纯林(82.12 t/hm2)﹥白蜡纯林(63.38 t/hm2)﹥侧柏纯林(60.04 t/hm2)。最大持水率的大小顺序依次为加拿大杨纯林(245.60 %)﹥侧柏纯林(238.23 %)﹥白蜡纯林(188.35 %)，显然，同一树种的最大持水量和最大持水率存在不同的变化规律。

(3)最大拦蓄量大小顺序依次是侧柏纯林(66.37 t/hm2) > 白蜡纯林(19.49 t/hm2) >加拿大杨纯林(16.35 t/hm2)，有效拦蓄量与其变化规律一致，并且3个树种未分解层和半分解层有效拦蓄量变化规律也一致。

(4)3个树种枯落物各层的的持水量随浸水时间的延长，在最初浸泡的0.5 h内，枯落物持水量迅速增加，之后随着浸泡时间的延长呈现不断地增加趋势，当浸泡8 h 时，持水量基本达到最大值；继续增加浸泡时间，持水量增加幅度逐渐减慢，直至24 h时吸水速度达到最大，枯落物未分解层与半分解层持水率与浸泡时间存在对数关系:W=aln(t)+b，相关系数R2均大于0.84，表明模型拟合较为理想。

(5)土壤容重大小顺序为加拿大杨纯林﹥白蜡纯林﹥侧柏纯林，土壤含水量大小顺序为白蜡纯林﹥加拿大杨纯林﹥侧柏纯林，土壤毛管孔隙度和总空隙度均值顺序规律一致，依次为：侧柏纯林>白蜡纯林>加拿大杨纯林，土壤非毛管孔隙度均值排序为：加拿大杨纯林>白蜡纯林 >侧柏纯林，侧柏纯林的最大持水量、毛管持水量和最小持水量最大，可见其贮水能力最强。

(6)研究区气候干燥、植被稀疏、生态环境脆弱，区域内植被以人工林为主，林分结构简单，林内植被自我更新和调节能力相对较差；鉴于此，建议大力营造混交林和乔灌草相结合的复层林，进一步提高本地区森林枯落物的水源涵养功能，促进生态建设的良性发展。

[1]董治宝,李振山. 风成沙粒度特征对其风蚀可蚀性的影响[J]. 水土保持学报，1988,4(4):1-5.

[2]陈 波,杨新兵,赵心苗,等.冀北山地6种天然纯林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持学报,2012,26(2):196-202.

[3]贾志军,王 富,甄宝艳,等.不同生态修复措施下桃林口水库水源涵养区枯落物的蓄水保水效益[J].水土保持研究,2012,19(3):136-139.

[4]耿绍波,杨晓菲,饶良懿,等.缙云山黛湖保护站不同林地枯落物及土壤持水性研究[J].世界林业研究,2009，22(特刊):49-51.

[5]彭明俊,郎南军,温绍龙,等.金沙江流域不同林分类型的土壤特性及其水源涵养功能研究[J].水土保持学报,2005,19(6):106-109.

[6]杨澄麻栎人工林水源涵养效能研究[J].西北林学院学报,1997,12(2):15-19.

[7]陈 波,杨新兵,赵心苗,等.冀北山地6种天然纯林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持学报,2012,26(2):196-202.

[8]He Chansheng,Fu Bojie,Chen Liding.Non-point source pollution control and management[J].Environment Science,1998,19(5):87-91,96.

[9]李淑花,石军南,吴梅俏.二代杉木人工林生物量及其垂直分布研究[J].森林工程,2007,23(1):1-4.

[10]王庆玲,龙翠玲.黔中地区几种喀斯特次生林枯落物持水性能研究[J].西南大学学报:自然科学版,2009,31(8):98-102.

[11]黎基松,王耀辉.森林生态知识[M].北京:中国林业出版社,1986.

[12]杨吉华.石灰岩丘陵土壤旱作保水技术的研究[J].水土保持学报,2000,14(3):62-66.

[13]仲跻秀,施岗陵.土壤学[M].北京:中国农业出版社,1992.

(责任编辑 李 洁)

Study on Water-Holding Characteristics and Soils Hydrological Effects of Three Kinds of Planted Forest Litter

WU Peng-yan,ZHANG Yu-zhen*

(College of Forestry, Gansu Agricultural University,Gansu Lanzhou 730070，China)

A preliminary study of the litter water-holding characteristics and soil hydrological effects was carried out on three kinds of planted forest in science and technology demonstration garden of soil and water conservation research institution of Gansu. Results showed that(i) the amount of litter storage was about 12.35-30.62 t/hm2,Platycladusorientaliswas the largest;The total thickness ranged from 3.9-4.4 cm,PopuluscanadensisMoench was the highest ; The maximum water-holding capacity ranged from 60.04-82.12 t/hm2, followed the order ofPopuluscanadensisMoench (82.12 t/hm2)﹥Fraxinuschinensis(63.38 t/hm2)﹥Platycladusorientalis(60.04 t/hm2); The order of the maximum water-holding rate wasPopuluscanadensisMoench(245.60 %)﹥Platycladusorientalis(238.23 %)﹥Fraxinuschinensis(188.35 %); The trends of the largest interception and modified interception amount were basically similar,Platycladusorientaliswasthebest(54.54 t/hm2),PopuluscanadensisMoench was the worst(14.66 t/hm2). (ii) Relation between water-holding capacity and soaking time was described by logarithmic function, namely:W=aln(t)+b, because ofR2﹥0.84, the model was ideal.(iii) Compared withPlatycladusorientalisandFraxinuschinensis, the reserves and water capacity characteristics ofPopuluscanadensisMoench was the best, playing a more important role in improving water conservation function. However soil storage capacity ofPlatycladusorientalispure forest was the strongest, and more helpful to intercept rainfall and decrease the rain drop splash erosion.

Gansu;Litter;Water-holding characteristics;Modified interception

1001-4829(2016)12-2930-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.028

2015-08-02

甘肃省科技支撑计划项目“黄土丘陵沟壑区坡耕地、梯田土壤呼吸特征研究” (1204FKCA069)；甘肃省水利重点科研计划项目“陇中坡改梯土壤呼吸特征及水土保持优化技术研究”(2012[255])

武鹏艳(1989-)，女，甘肃白银人，硕士研究生，研究方向为水土保持，E-mail：1213712725@qq.com，Tel：15117231527，*为通讯作者：张玉珍(1963-)，女，副教授，山西省朔州市人，主要从事水土保持、土壤侵蚀规律、土地利用规划等研究，E-mail:zhangyz@gsau.edu.cn。

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