济南药乡林场赤松林、板栗林枯落物持水能力研究

彭 栋

(安徽省·水利部淮委水利科学研究院，合肥 230088)

1 研究背景

山东省药乡林场位于泰安市泰山区、岱岳区和济南市历城区交界处，始建于1919年，林场总面积1 210.266 7 hm2，主要乔木树种有麻栎、刺槐、赤松、油松、日本落叶松、华山松等，森林覆盖率为96%，全部为国家级重点生态防护林。

森林面积分别约占陆地、全球表面积的1/3和1/10 。森林同时也是许多环境功能的基础，特别是在保护水资源方面。国内外关于枯落物持水能力的研究，主要围绕某一因素的改变对枯落物持水能力的影响和某一措施对提高枯落物持水能力的有效性等方面。例如，鲁绍伟[1]发现枯落物总储量变化范围在9.47～20.82 t/hm2之间，最大持水量的变化范围为15.96～51.97 t/hm2，枯落物持水量与浸泡时间呈明显对数关系，R>0.91，枯物吸水速率与浸泡时间呈明显幂函数关系，R>0.97；高琛[2]研究出枯落物总蓄积量、枯落物最大持水量和最大持水率均随海拔的升高先增大后减小；张东[3]发现白榆林林地枯落物在储存水分以及增强林木对水分利用等方面较油松林和侧柏林具有优势，在增加土壤水分、涵养水源、防止水土流失等方面都有很好的生态效应。张焜[4]的研究成果为：①从未分解层+半分解层的整体来看，4 种类型天然林枯落物的糙率系数大小顺序为阔叶林(0.103 9)>针叶林(0.088 8)>针阔混交林(0.088 0)>楠竹林(0.058 0)。②糙率系数受枯落物的厚度、储量影响很大，通过相关分析得出其相关系数分别为0.746和0.901，且在 0.01 水平(单侧)上显著相关。③糙率系数n值与枯落物厚度、枯落物储量均呈幂函数关系，糙率系数n值随枯落物厚度和储量的增加而增大。

枯落物水分特征曲线可以具体反映不同土壤的持水和释水特性，并且显示出枯落物中的一些水分特征。目前，测定枯落物水分特征曲线的方法主要有人工降雨法和泡水法。人工降雨法比较精准，能较为客观地反映枯落物的吸水持水情况。泡水法误差较大，一般吸水的重量为自身重量的2～6倍。

2 研究内容与方法

2.1 典型针阔叶林枯落物储量对比分析

首先，对采回来的样品分组编号，分别测出各个样品的初始重量，然后推算出每公顷林地的枯落物储量。

2.2 典型针阔叶林枯落物自然持水量特性

通过实验前测得的各个样品重量，推算它们各自的自然含水率。

2.3 不同林分枯落物的持水能力

通过野外林分调查，随机分别采集6个赤松林枯落物和板栗林枯落物样品，然后通过人工降雨和泡水两种方法对比针叶林和阔叶林持水能力的差异。

2.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差异性

通过人工降雨和泡水两种方法，得出两组枯落物的持水数据。比较两组数据的差异，对比分析出人工降雨法更加贴切自然现实，更能精准地反映出枯落物持水能力。

3 结果与分析

3.1 典型针阔叶林枯落物储量对比分析

见图1。

图1 典型针阔叶林枯落物储蓄量Fig.1 Litter reserves of typical coniferous forests

从图1可以看出，济南药乡林场的针叶林储量36.83 t/hm2远远多于阔叶林19.22 t/hm2(P<0.05)，而且从量上来看多了近一倍。北方土石山区属于较困难立地，针叶林多符合实际情况。经过计算，赤松林的储蓄量误差限为±10.92 t/hm2,板栗林的储蓄量误差限为±7.63 t/hm2。

通过t检验，可以得出针阔叶林对储量影响差异的P值为0.036 406 13<0.05，说明针阔叶林储量差异显著。

3.2 典型针阔叶林枯落物自然持水量特性

见图2。

图2 典型针阔叶林枯落物含水率Fig.2 Moisture content of litter in typical coniferous forests

由图2可以看出，针叶林枯落物的自然含水率远远高于阔叶林。经计算，得到赤松枯落物自然含水率为14.31%±6.11%，板栗林枯落物自然含水率为9.87%±10.90%。

通过t检验，计算出针阔叶林对储量影响差异的P值为0.419 120 289>0.1，说明针阔叶林含水率差异并不显著。

3.3 不同林分枯落物的持水能力

3.3.1 人工降雨法

人工降雨法能较好地模拟自然环境，在开度为90%的暴雨模拟环境下，枯落物吸水持水能力非常贴切田间自然状态下的防止雨滴击溅、地表截流、拦蓄下渗。而且重量增幅(最初猛增)非常缓慢，比较符合田间自然状态下的实际情况。枯落物持水量动态变化见图3和图4。

图3 典型针阔叶林枯落物持水量与降雨时间关系图Fig.3 Relationship between water holding capacity of litter and rainfall time in typical coniferous forests

图4 典型针阔叶林枯落物持水量与降雨量关系图Fig.4 Typical needle leaved forest litter in relationship between water and rainfall map

从图3可看出，人工降雨法得到的结果是两种林分的枯落物吸水不断增重，并且吸水速度先快后慢，直至在一个稳定值(赤松为6.31 mm，板栗为3.18 mm)上下波动。经过计算，得到两种林分t检验结果P=5.112 92E-09>0.1，说明两组数据总体无显著差异。

由图4可知，针阔叶林枯落物吸水持水规律是一样的，都是开始迅速吸水，之后缓慢吸水直到一个稳定的数值。而且，针叶林的吸水能力明显强于阔叶林(P<0.05)。最后的稳定数值(有效截流量)大约为初始重量的2～3倍。

3.3.2 泡水法

泡水法是采取限时泡水，定量控水。泡水之前，先按照次序做好以下几项工作：①将人工降雨后的样品放置于预热好的烘箱，105℃下恒温烘干(用时12 h)。②测出各个样品的干重，并记录。③3个水池都放好水，直至能浸没样品。④将样品按照林分的不同，分成3组，每组置于一个水池旁。

按照15 min，30 min，1 h，2 h，3 h，4 h，5 h。6 h的泡水时间来测定各个样品的持水重量，并记录。为了直观地反映出泡水法情况下针阔叶林枯落物持水能力，绘制出关系图，见图5。

图5 典型针阔叶林枯落物持水量与泡水时间关系图Fig.5 Typical needle leaved forest litter water holding capacity and water time diagram

由图5可知，泡水法得到的枯落物持水能力规律与人工降雨法大体相同，同样是开始迅速吸水增重，然后缓慢吸水，最后重量稳定到某一个定值，且针叶林比阔叶林吸水能力。与人工降雨法得到的结果不同的是，泡水法得到的枯落物(无论针叶林还是阔叶林)重量远远多于人工降雨法，特别是最后的最大持水量(赤松为9.37 mm,板栗为3.88 mm)稳定值，大多为初始重量的3～4倍。经过计算，得到t检验的结果为P=9.337 81E-05>0.1，说明两组数据总体无显著差异。

3.4 不同研究方法得到的枯落物持水能力的差异性

泡水法得到的赤松林(针叶林)和板栗林(阔叶林)的枯落物吸水持水特性都是开始猛增，0.5 h后缓和一阵，接着再度增加至原来干重的3～5倍，最后趋于稳定。观察50 g初始值的两种枯落物不难分析出，干重相近的赤松和板栗相比，赤松吸水持水能力略微要比板栗强。由此可见，室内浸泡法不算特别实用。

人工降雨法得到的结果跟泡水法差不多，只是人工降雨得到的枯落物吸水量普遍低于泡水法得到的结果。下面采取t检验来分析对比这两种方法对枯落物持水特性的影响显著性。得到的结果见表1。

表1 t检验显著性分析结果

说明泡水法得到的最大持水量大于人工降雨法得到的有效截流量。但是两种方法得到的结果差异性并不显著。

4 结 论

本研究以济南市药乡林场赤松人工林和板栗林枯落物的土壤作为研究对象，通过野外样品采集、室内测试分析的技术手段，分析对比了不同林分条件下针叶林和阔叶林枯落物持水能力的差异，并且对比出人工降雨法和泡水法的优劣，显著性分析表明：

1) 相同外界条件下，针叶林吸水持水能力明显比阔叶林强得多。

2) 枯落物吸水速率随浸水时间的变化呈现迅速下降、缓慢下降、趋于稳定3个阶段。由枯落物层吸水速率随浸水时间变化的研究可以看出，枯落物层在浸水最初时期吸水速率最大，随浸水时间延长而下降直至饱和。可见，枯落物层发挥截留和拦蓄降水主要发生在降水的初期。

3) 有效截流量为最大持水量的70%～90%(赤松林为70.97%，板栗林为79.90%)。

4) 除了蓄积量两种林分差异显著之外，其他研究(包括自然持水量、基于两种测试方法下的枯落物持水特性、不同测试方法之间)的差异均不显著。