绵阳市官司河流域不同人工林地枯落物及土壤的持水特性

龚 力，姚旭松

(四川省科源工程技术测试中心，四川 成都 610031)

枯落物层和土壤层作为森林生态系统第二和第三活动层,具有吸收降水、减少径流、增加糙度、阻滞流速、增加入渗、抑制蒸发以及增强土壤抗蚀性等重要作用[1]。林地枯落物层是指由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的一层地面覆盖层，对林地土壤的水热状况和林地水文生态特性有着重要影响[2]。土壤层是大气降水贮存和入渗的主要场所，同时也可通过土壤毛管孔隙供植物蒸腾和地表蒸发，林冠截留和枯落物层持水对其的水文效应有很大影响[3]。

官司河流域属长江上游支流之一涪江水系，是长江上游防护林工程建设的重点地段之一。由于长期受到人类干扰，森林植被受到耕地、村舍、河流、堰塘和道路的分割，未能连接成片，且主要零星分布于丘坡、丘顶和平坝，构成盆中丘陵区的农林复合景观。该区水土流失严重，影响了水系生态安全，故而对其森林水文效应的研究具有一定的现实意义。尤其是川中典型的农林复合流域的相关研究较少，本文依据前人对官司河流域森林植被调查，选取几种典型人工林地为调查样地，对枯落物和表层土壤的持水性能进行了定量分析，旨在为该区生物量计算和森林水文评价提供一定的理论依据。

1 研究区概况

官司河流域隶属绵阳市北部游仙区新桥镇,地处川中低山丘陵地带，位于104°46′E～104°49′E,31°32′30″N～31°37′30″N之间，海拔范围为512～638m，全流域面积约21km2。属北亚热带季风型气候，年均温16.1℃，年均降水量920mm。土壤类型以紫色土、老冲积黄壤和姜石黄壤为主，另有部分为灰白砂土。该流域森林覆盖率约23%，乔木以马尾松(Pinusmassoniana)、柏木(Cupressus)和栎类组成的针阔和针叶混交林占优势,另有少量的桤柏混交林和经济林。灌木主要以耐旱的黄荆(Vitexnegundo)、马桑(Coriariasinica)、火棘(Pyracanthafortuneana)、铁仔(Myrsineafricana)、小果蔷薇(Rosacymosa)等为主。林下草本以栗褐苔草(Carexbrunnea)、金发草(Pogonatherumpaniceum)、黄茅(Heteropogoncontortus)、白茅(Imperatacylindricavar.major)、荩草(Arthraxonhispidus)等为主，平均高0.3m，盖度10%～50%[19]。

2 研究方法

2.1 样地设置及样品采集

2018年6月在官司河流域选择7种不同的人工林地(表1)，在各林地内选择典型的、大小均为20m×20m的样地，并在各样地内设置3个50cm×50cm的小样方，收集样方内所有枯落物并混合均匀，将样方内所有的枯枝落叶收入尼龙袋中。用铝盒、环刀在各样方附近分层取表层0～15cm和15～30cm土样，将枯落物和土样带回实验室进行测定。

2.2 枯落物水文效应

在实验室分拣出未分解和半分解枯落物并称其自然重量，然后在85℃下烘干72h后称其干重，并计算单位面积的枯落物蓄积量。枯落物持水能力与过程分析采用室内浸泡法测定，将烘干后枯落物样品分别称取100g，放入纱布袋中，浸没于清水中，在分别浸泡5min、15min、30min、1h、1.5h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、24h后称重，每次取出后静置5min左右，直至枯落物不滴水为止，迅速称量枯落物的湿重并记录。每次称重的枯落物湿重与其干重的差值，即为枯落物相应浸泡时间的持水量，各浸泡时间段持水量变化值与该浸泡时间间隔的比值为该时间段的吸水速率，自然含水率、最大持水率和最大持水量的计算公式[4]如下：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%

Rhmax(G24-Gd)/Gd×100%

Whmax=Rhmax×M/10

式中：G0，Gd，G24—枯落物样品自然状态的重量、烘干状态的重量和浸水24h后的重量(g);R0，Rhmax—枯落物自然含水率、最大持水率；M，Whmax—枯落物层蓄积量(t/hm2)、最大持水量(mm)。

不同种类枯落物的拦蓄能力不同,由于当降雨达到20～30mm以后，其实际持水率约为最大持水量的85%左右，用最大持水量来估计枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高,所以一般用有效拦蓄量(modifiedinterception)估算枯落物对降雨的实际拦蓄量[5]。即：W=(0.85Rm-Ro)M

式中:W—有效拦蓄量(t/hm2)；Rm—最大持水率(%);Ro—平均自然含水率(%)；M—枯落物累积量(t/hm2)。

表1 调查样地基本情况

注:MQC—栎柏混交林:MixedQuercus-Cupressusforest; CF—柏木纯林:Cupressusfunebrisforest; PF—马尾松纯林:Pinusmassonianaforest;MPQ—松栎混交林:MixedPinus-Quercusforest;MPCQ—松柏栎混交林:MixedPinus-Cupressus-Quercusforest;QF—麻栎纯林Quercusacutissimaforest;BF:竹林Bambusoideaeforest.

2.3 土壤持水特性

采用环刀法，在标准地内挖掘土壤剖面，用环刀按照土层0～15cm，15～30cm分层取样，每个组合重复3次，用烘干法和浸水法测定土壤的自然含水量和持水性，用环刀法测定土壤容重、孔隙度等指标。采用下式计算土壤持水性能指标[6]，即：

W1=10γP1H

W2=10γP2H

式中：W1、W2—最大持水量、有效持水量(t/hm2)；γ—水的容重(Kg/m3)；P1、P2—土壤总孔隙度、土壤非毛管孔隙度(%)；H—土层厚度(m)。

3 结果分析

3.1 枯落物层水文效应

3.1.1 枯落物的持水特性 枯落物的持水能力是森林生态系统水分循环中最重要的一环，是反映枯落物层水文作用的一个重要指标[7]。由表2可知，7种林分中纯竹林的最大持水量最大，为2.87mm；松栎混交林、马尾松纯林和松柏栎混交林次之，分别为2.58mm、2.30mm和1.94mm；栎柏混交林最小，仅为0.67mm。枯落物最大持水率的变动范围为86.1%～433.50%,为自然含水率的3.11～14.81倍，依均值从大到小依次为纯竹林、麻栎纯林、柏木纯林、松柏栎混交林、松栎混交林、栎柏混交林、马尾松纯林。纯竹林枯落物的蓄积量较低，但其最大持水量最大；马尾松纯林枯落物的蓄积量最大，但其最大持水量最小。所以两者都能维持较好的蓄水能力。

表2 官司河流域不同林分类型枯落物持水能力

注：林地类型标注同表1

3.1.2 不同林分枯落物持水过程 通过浸水实验，分析不同林地枯落物未分解层和半分解层的持水过程(图1、图2)。可以得到未分解层和半分解层均为麻栎和竹林的持水量最大，阔叶林的持水能力大于针叶林。

由图1和图2可知，在最初浸泡的1.5h内，枯落物持水量迅速增加，以后随着浸泡时间的延长呈现不断增加的趋势，但增加速度逐渐放慢，趋于平稳。24h吸水基本停止，表明枯落物达到饱和状态。较未分解层，枯落物半分解层分解比例、组成成分和分解时间等方面的差异，持水量随时间的变化波动较大，拟合曲线的相关系数明显较小。

3.2 表层土壤水文效应

森林枯落物对0～20cm土壤层的物理性状影响起显著作用。由表3可以看出,除马尾松外，林下0～15cm土层的土壤容重小于15～30cm的土壤容重，其中，柏木纯林0～15cm层的土壤容重最小，仅为1.191g/cm3，其总孔隙度最大，为54.317%，其中毛管孔隙度为47.367%。综合两个土层来看，栎柏混交林的土壤容重最大，其次是松栎混交林、马尾松纯林、麻栎纯林、柏木纯林，最小的是松柏栎混交林。土壤容重越小，孔隙度就越大，说明土壤结构越疏松，有利于雨水迅速下渗，减少地表径流对表土的冲刷。

图1 官司河流域枯落物未分解层持水量与浸泡时间关系

图2 官司河流域枯落物半分解层持水量与浸泡时间关系

由表3可知,0～15cm土层中，松栎混交林的有效持水量最大，为131.25t/hm2。因此,松栎混交林下的0～15cm土壤层最有利于林下植物的生长，在林内形成较好的第3作用层，更有助于截留降雨和减少雨滴击溅侵蚀。而像马尾松纯林下表层土壤有效持水量很小，可以种植一些耐旱的植物。

总体来看，林下土壤的持水性能明显，柏木纯林下土壤的最大持水量达到了814.76mm，因此只要降雨强度不太大，就能有时间让水分充分地渗入土壤，不会形成地表径流。

表3 官司河流域不同林分类型土壤表层物理性质和持水量能力

4 结论

(1)7种林地枯落物最大持水量均表现为未分解层大于半分解层，且纯竹林最大，达2.87mm。

(2)7种林地0～30cm土壤总孔隙度变化范围为37.1%～54.3%，土壤最大持水量排序为纯竹林>松栎混交林>马尾松纯林>松柏栎混交林>麻栎纯林>柏木纯林>栎柏混交林。