冀北山地落叶松林枯落物层水文效应研究

黄岩，剪文灏，黄永辉，李淑春，肖志军

(河北木兰围场国有林场管理局,河北 承德 068450)

冀北山地落叶松林枯落物层水文效应研究

黄岩，剪文灏，黄永辉，李淑春，肖志军

(河北木兰围场国有林场管理局,河北 承德 068450)

采用样方法对冀北山地落叶松林的枯落物层进行了调查，并对其水文效应进行了研究。结果表明:(1)冀北山地落叶松林枯落物厚度为3.6～4.2 cm，生物量的变化范围为8.41 ～11.46 t·hm-2，阴坡枯落物的积累量较大。(2)枯落物最大持水量20.8 ～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；对枯落物的持水量与浸水时间进行回归分析，符合Q=aln(t) +b的对数关系；枯落物在前0.25 h内的吸水速率最大，6 h左右速率明显降低。(3)枯落物的半分解层拦蓄能力高于未分解层，以样地C(海拔1180～1310 m，西北坡，坡度25-30°)的枯落物拦蓄能力最强。

冀北山地；落叶松；枯落物；水文效应

AbstractLitter layer ofLarixprincipis-rupprechtiiin northern Hebei Province was investigated,its hydrological effect was studied.Result shows that: (1) The litter thickness of three species ofLarixprincipis-rupprechtiiplantation in northern Hebei Province is from 3.6 cm to 4.2 cm; the variation range of biomass is from 8.41 t·hm-2to 11.46 t·hm-2, and the accumulation of litter is Larger. (2) The maximum water holding capacity of litter is from 20.8 t·hm-2to 29.1 t·hm-2, and the maximum water holding capacity is from 284% to 346%. The water retention and immersion time of litter were analyzed by regression analysisQ=aln (t) + b; litter in the first 0.25 h is the maximum the water absorption rate reduce significantly 6 h or so. (3) Litter of the semi-decomposed layer of storage capacity is higher than that of the decomposition layer, litter storage capacity of sample C is the strongest.

KeywordsMountain of northern Hebei Province;Larixprincipis-rupprechtii; litter; hydrological effect

枯落物层和土壤层对森林截留降水、减缓降雨速度和涵养水分具有很重要的作用[1]。木兰围场位于华北山地，森林多针叶树种，针叶树以华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)为主。该地区的研究主要集中林分的结构、生长特性和物种多样性等方面,对林分持水能力的研究则相对较少[2]。为此，本文对木兰围场落桦混交林的枯落物层与土壤层的持水能力做了研究,旨在为森林健康监测和评价提供一定的理论依据[3-5]。

1 研究区概况

围场县位于承德境内，地理坐标41°47′—42°06′ N，116°51′—117°45′ E，与内蒙古接壤，处于华北山石区的沿坝地区，是山区与坝上的过渡地带。海拔750～1 829 m，年平均温度-1.5～4.8 ℃,年无霜期90～125 d，年均降水380～560 mm。土壤种类较多，植物种质资源很丰富，野生的种子植物达793种，蕨类植物22种。试验地点设在围场县木兰林管局的北沟林场[6,7]。

2 研究方法

2.1 枯落物蓄积量测定

选取三块大小为30 m×30 m的华北落叶松纯林样地，编号为样地A、B、C。对样地内环境因子进行调查，得到样地基本概况表1。在每个样地内的四个角及中心位置分别设置5块50 cm×50 cm的小样方，测定每个样方内枯落物不同分解层的厚度。将枯落物的半分解层和未分解层分别装袋称质量，计算枯落物生物量。将5个小样方内枯落物的总厚度、未分解层和半分解层的厚度测定出来，取其均值作为样地内枯落物的厚度。

表1 样地基本概况

2.2 枯落物持水量和吸水速率的测定

将收集的枯落物放入烘箱内烘干24 h后取出称质量，采用室内浸泡法将枯落物浸入水中，分别测定其0.25、0.5、1、2、4、8、10和24 h的质量并记录，分析枯落物的持水过程及持水速率的变化[8-10]，每次取出后称质量，所得枯落物的质量与枯落物干质量的差值为这一时刻枯落物的持水量，某一时刻枯落物的持水量与这一时刻的比值为这一时刻枯落物的吸水速率，采用以下公式来计算各个含水指标：

(1)C=(m1-m2)/m2×100%。

(2)S=(m3-m2)/m2×100%。

(3)Wm=(Rm-R0)×M

其中：C为枯落物自然含水量(%)，m1为样品鲜质量(g)，m2为样品烘干质量(g)；S为饱和持水率，m3为样品浸水24 h后的质量(g)；Wm为枯落物的最大拦蓄量(t·hm-2)，Rm为最大持水率(%)，R0为 平 均 自 然 含 水 量 (%)，M为 枯 落 物 蓄 积 量(t·hm-2)。

2.3 枯落物有效拦蓄量的测定

枯落物对降雨的实际拦蓄量的测定，可以通过有效拦蓄量(modified interception)来计算[10-12],即:

Wv= (0.85Rm-R0)M

式中:Wv—有效拦蓄量(t·hm-2);Rm—最大持水率(%) ;R0—平均自然含水率(%) ;M—枯落物蓄积量(t·hm-2)。

3 结果与分析

3.1 枯落物生物量

枯落物层作为森林水文的第二作用层，其厚度与生物量及林分类型、生长状况等因素有着密不可分的联系，林分自身与环境因子的差异直接从不同程度上影响了枯落物的储存与分解。将调查的3个不同样地的枯落物厚度与生物量数据整理得到表2。

表2 不同样地枯落物调查结果

由表2可知，华北落叶松纯林的3个不同样地，枯落物的厚度与生物量均不相同。从枯落物的整个层次来看，生物量按由高到低顺序排列依次为样地C(11.46 t·hm-2)>样地B(9.32 t·hm-2)>样地A(8.41 t·hm-2)，样地C的枯落物厚度最大，为4.2 cm，样地B和样地A次之。主要是样地C处于阴坡，林木生长与其他两个样地相比较好，林木代谢旺盛，枯落物积累较多，进而影响了生物量，说明枯落物的厚度与生物量之间存在着一定关系。分析枯落物不同分解层可知，未分解层枯落物的厚度与生物量均低于半分解层，这是因为华北落叶松为针叶树种，枯落物的分解速度较慢，容易积累。

3.2 枯落物水文效应

3.2.1 枯落物最大持水量 整理并计算不同样地华北落叶松枯落物最大持水量与最大持水率，结果如表3所示。

表3 不同样地枯落物最大持水量和最大持水率

由表3可知，华北落叶松林枯落物的最大持水量与最大持水率在3个不同样地下存在差异，样地C的未分解层和整个层次的最大持水量最大，分别为14.0 t·hm-2和29.1 t·hm-2，样地A的半分解层和整个层次最大持水量最小，分别为10.1 t·hm-2和20.8 t·hm-2，枯落物的最大持水率依次为样地C(346%)>样地B(310%)>样地A(284%)。说明枯落物的持水量与持水率受自身分解程度影响，同时和枯落物的厚度和生物量等因素也存在一定关系。分析不同分解层的持水情况可知，未分解层的最大持水量与最大持水率均大于半分解层，说明枯落物的未分解层在持水过程中发挥主要作用。

3.2.2 枯落物持水过程 将不同样地下的枯落物持水过程数据进行整理，得到表4。

表4 不同样地各枯落物层持水过程

由表4可知，枯落物的持水量随着浸泡时间的变化呈现一定规律：在最初浸泡的0.25 h内，枯落物的持水量迅速增加，之后随着浸泡时间的延长，枯落物的持水量增加速度逐渐减慢，半分解层枯落物持水量在8h左右基本达到饱和，而未分解层持水量在10 h左右也基本达到稳定状态。这一趋势与枯落物拦蓄地表径流规律相似,即降雨初期,枯落物拦蓄地表径流功能较强,此后随枯落物湿润程度的增加,吸持能力降低。

对华北落叶松3个不同样地不同层次的枯落物0.25～24 h之间持水量与浸泡时间的关系进行回归分析,得出该时间段内持水量与浸泡时间之间存在如下关系(表5):

Q=aln(t) +b

式中:Q—枯落物持水量(g/kg) ;t—浸泡时间(h) ;a—系数;b—常数项。

表5 不同林分枯落物层持水量与浸泡时间关系

3.2.3 枯落物吸水速率 根据不同样地下的枯落物持水过程数据进行整理，得到不同样地枯落物持水率与浸泡时间关系，如表6所示。

表6 不同样地枯落物层持水率与浸泡时间关系

由表6可知，枯落物的吸水速率随着浸泡时间的变化呈现一定规律：在最初浸泡的0.25 h内，枯落物的吸水速率最大，之后迅速降低，6 h左右时下降速度明显减缓。随着浸泡时间的延长，枯落物的吸水速率持续降低，最终趋向一致，这是由于随着浸泡时间的延长，枯落物的持水量逐渐接近最大持水量，持水趋于饱和，其增长速度也随之逐渐减缓。

3.2.4 枯落物有效拦蓄量 最大持水量并不能代表枯枝落叶层对降雨的实际截留量，它只能反映枯枝落叶层持水能力的大小，用枯枝落叶层对降雨的拦蓄能力，枯落物的最大持水量反映的是枯枝落叶层的持水能力。而枯落物层对降雨还有截持能力，这一作用如果用最大持水率来估算，整理并计算不同样地内枯落物层的拦蓄量及拦蓄率，其结果会有所偏高，影响枯落物层对降雨的实际拦蓄效果。因此，在本研究中采用有效拦蓄量来反映枯枝落叶层对一次降水拦蓄能力，该指标主要与枯落物数量、水分状况、降雨特性有关。分别计算华北落叶松林的3个不同样地枯落物的拦蓄量拦蓄率，整理结果如表7所示。

表7 不同样地枯落物层有效拦蓄能力

由表7可知，样地C的有效拦蓄量及有效拦蓄率均高于其他两个样地，半分解层的有效拦蓄量为13.64 t·hm-2，有效拦蓄率高达369%。从不同的分解层次来看，枯落物的未分解层在有效拦蓄量和有效拦蓄率的指标上均低于半分解层，这说明枯落物的拦蓄能力除了与生物量及含水率等因素有关，还受到自身分解程度的影响。

4 结论

4.1 冀北山地落叶松林3种样地的枯落物厚度在3.6～4.2 cm，生物量的变化范围为8.41～11.46 t·hm-2，阴坡枯落物的积累量较大。

4.2 枯落物最大持水量在20.8～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；对枯落物的持水量与浸水时间进行回归分析，符合Q=aln(t) +b的对数关系，R2>0.78；枯落物在前0.25 h内的吸水速率最大，6 h左右速率明显降低。

4.3 枯落物的半分解层拦蓄能力高于未分解层，样地C的枯落物拦蓄能力最强。

[1] 王雄宾，余新晓．华北土石山区油松林生态系统健康评价[J]．中国水土保持科学，2009，7(1)：97-102

[2] 张振明，余新晓．不同林分枯落物层的水文生态功能[J]．水土保持学报，2006，19(3)：139-143

[3] 张宁,张春茹,凌继华,等.不同经营措施下落叶松林枯落物持水能力的研究[J].黑龙江农业科学,2015(8):89-92

[4] 王卫军,赵婵璞,姜鹏,等.塞罕坝华北落叶松人工林水源涵养功能研究[J].中南林业科技大学学报,2013,33(2):66-68

[5] 鲁绍伟,陈波,潘青华,等.北京山地不同密度侧柏人工林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持学报,2013,27(1),224-229

[6] 徐娟，余新晓．北京十三陵不同林分枯落物层和土壤层水文效应研究[J]．水土保持学报，2009，23(3)：189-193

[7] 韩同吉,裴胜民,张光灿,等.北方石质山区典型林分枯落物层涵蓄水分特征[J].山东农业大学学报,2005,36(2):275-278

[8] 胡淑萍，余新晓．北京百花山森林枯落物层和土壤层水文效应研究[J]．水土保持学报，2008，22(1)：146-150

[9] 朱丽晖，李冬．辽东山区天然次生林枯落物层的水文生态功能[J]．辽宁林业科技，2001(1)：35-37

[10] 饶良懿,朱金兆,毕华兴.重庆四面山森林枯落物和土壤水文效应[J].北京林业大学学报,2005,27(1):33-37

[11] 刘世荣,温远光,王兵,等.中国森林生态系统水文生态功能规律[M].北京:中国林业出版社,1996

[12] 孙艳红,张洪江,程金花,等.缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报,2006,20(2):106-109

HydrologicalEffectsofLitterLayerinLarixprincipos-rupprechtiiPlantationofNorthernHebeiProvince

Huang Yan,Jian Wenhao,Huang Yonghui,Li Shuchun,Xiao Zhijun

( Mulan-Weichang Forestry Administration, Hebei Province, Chengde 068450,China )

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.005

1005-5215(2017)09-0014-04

2017-07-10

黄岩(1972-)，女，河北围场人，高级工程师，从事森林经营和苗木培育研究，Email：937962206@qq.com.

剪文灏(1973-)，男，河北承德人，高级工程师，从事森林经营研究，Email：13833426178@126.com.