崇义客家梯田区森林枯落物持水特性

彭圣军，王 姣，刘 颖，胡 强

(江西省水利科学院 防灾减灾与水工程安全研究所，南昌 330029)

1 研究背景

枯落物是森林植被凋落物聚集在土壤表面形成的一个重要覆盖面，是森林生态系统实现能量转换和发挥生态功能的一个关键环节。作为森林水文效应的第二个作用层，枯落物在改善土壤理化性质、增强土壤入渗性能、削减地表径流、减轻土壤侵蚀及涵养水源等方面发挥着重要作用[1-4]。枯落物涵养水源作用较大，枯枝落叶吸持水量可以达到其自身干重的2～4倍，各种森林枯落物的最大持水率平均为309.54%[5]。针对枯落物涵养水源作用的研究，国外于19世纪就开展了相关工作[6-7]。国内则从20世纪60年代开始枯落物的研究，集中在枯落物储量及相关水文效应等方面[8-10]。近年来，诸多学者对枯落物的持水特性做了研究，取得了丰硕的成果。沈盈佳等[11]通过现场调查及室内烘干、浸泡法分析了云南保山北庙水库集水区5种森林类型枯落物的持水特性。王龙等[12]对广西龙脊梯田水源区的5种天然次生林的枯落物水文效应进行了研究。为了探究砒砂岩区不同林分类型的水文特性，杨振奇等[13]以该地区6类树种为研究对象，分析了各树种枯落物的持水特性。被誉为“最大的客家梯田”“中国美丽田园”“中国重要农业文化遗产”“全球重要农业文化遗产”的崇义客家梯田[14-16]，周边无塘无库，却有源源不断的水流，森林枯落物的水源涵养作用功不可没，在维持崇义客家梯田可持续发展中具有重要作用。

为探究崇义客家梯田区森林枯落物的水文效应，进一步认识梯田区森林枯落物的水土保持作用，本文以梯田核心区的上堡梯田区上方的森林为研究对象，通过现场取样和室内试验，对梯田区森林枯落物的储量和持水特性进行定量分析研究，期望为评价该区域森林枯落物涵养水源功能提供理论基础和科学依据。

2 研究区概况

崇义客家梯田位于江西省崇义县境内，始建于宋末元初，盛建于明末，完工于清初，距今已有800余年历史。梯田坐落在海拔2 061.3 m的赣南第一高峰齐云山山脉之中，规模连片区位于上堡乡、思顺乡和丰州乡，总面积达2 044 hm2，其中核心区位于上堡乡，梯田面积1 491 hm2，占总面积的73%[17-18]。上堡梯田为崇义客家梯田的核心区，其地处113°55′E—114°38′E、25°24′N—25°54′N，属中亚热带季风湿润气候区。该地区年平均气温17.2 ℃，最高气温38 ℃，最低气温-8 ℃；年平均降雨量1 627 mm，雨量充沛[16]。土壤主要以黄泥土、灰泥土为主，土壤较肥沃。区域植被覆盖率高达85%，植物种类繁多，有杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)、罗汉松(Podocarpusmacrophyllus)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.)Mitfordcv.Pubescens)等，杂生各种蕨类植物和苔藓植物。丰富的植物资源为梯田灌溉涵养了不可或缺的水源，形成了“山有多高、水有多高”的水源体系，使海拔1 000 m以上的梯田也能够种植水稻。

3 研究方法

3.1 样地选取

在研究区内沿海拔高度根据林分类型选取了4个试验样地，调查记录各样地的林分类型、经纬度、海拔高度、坡位、郁闭度(指林分中林冠的郁闭程度，常用林冠的投影面积与林地面积之比来确定)等基本信息。各样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of plots

3.2 枯落物采集及储量测定

在各林分样地内沿对角线放置5个面积为1 m×1 m的框架，作为现场测定枯落物厚度和采集枯落物样品的小样方，最后取5个样方的平均值。枯落物按照未分解层和半分解层分别进行厚度测定和采集，首先采用钢尺测定并记录枯落物厚度，然后采集枯落物并装入储物袋中带回实验室进行烘干、称重。未分解枯落物是指枯枝落叶基本保持原有形状和质地，半分解层是指还未完全腐化分解、肉眼可分辨出大体形状的枯枝落叶。

3.3 枯落物持水能力测定

采用室内浸泡法测定枯落物的持水量。将取回的枯落物样品在85 ℃条件下烘干后称其干重，烘干称重后将枯落物装入尼龙网袋中，放入装有清水的容器中浸泡。称量在浸泡0.5、1、2、4、8、12、24 h后的质量，对枯落物的吸持水分的过程进行测定，从而得到枯落物的吸水速率、持水量和持水率。相应的计算公式为[19-20]：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%；

(1)

Rh max=(G24-Gd)/Gd×100%；

(2)

Wh max=Rh maxM；

(3)

(4)

Gs=Gi-Gj。

(5)

式中：R0、Rh max分别为枯落物自然含水率、最大持水率(%)；G0、G24、Gd分别为枯落物自然状态的质量、浸水24 h后的质量和烘干后的质量(kg)；Wh max和M分别为枯落物最大持水量和枯落物储量(t·hm-2)；V为枯落物吸水速率(g·kg-1·h-1)；t为枯落物吸水持续时间(h)；Gs、Gi、Gj分别为枯落物浸泡一定时间段的质量、第i个时间点枯落物的质量和第j个时间点枯落物的质量(kg)。

枯落物的最大持水量并不能客观反映枯落物对降雨径流的实际拦蓄能力，通常采用有效蓄水量来评价枯落物的实际拦蓄水量[21-23]，即

W=(0.85Rh max-R0)M。

(6)

式中W为枯落物的有效拦蓄水量(t·hm-2)。

4 结果与分析

4.1 枯落物厚度及储量

枯落物蓄积量的多少受林分类型、郁闭度、气候条件、样地坡位等多种因素影响，枯落物的形成与分解有助于林分的生长发育，林分的生长发育又促进了枯落物的积累。各林分样地枯落物的厚度和储量情况见表2。

表2 各林分样地枯落物层的厚度和储量Table 2 Thickness and reserves of forest litters

从枯落物层厚度来看，各林分样地均呈现出未分解层厚度大于半分解层厚度的特点。试验样地枯落物总厚度为3.0～8.6 cm，其中未分解层枯落物厚度为2.7～6.0 cm，半分解层枯落物厚度为0.3～2.6 cm。各林分样地枯落物总厚度大小顺序为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ，样地Ⅲ的枯落物厚度是样地Ⅳ的2.87倍，表现出毛竹林地枯落物厚度大于杉木林枯落物厚度。枯落物越厚，涵养水源能力越强。因此在林分类型的调配和改造工作中，应强化对毛竹林的种植和保护，以提高区域森林生态系统的水源涵养功能。各样地枯落物的储量差异也较大，总储量范围为3.29～13.19 t/hm2，大小顺序为Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ。据此，不同林分样地枯落物总储量整体上是随枯落物总厚度的增加而增大。但各层次枯落物的储量并不随各层次枯落物的厚度增加而增大。如样地Ⅰ的未分解层枯落物厚度3.1 cm大于半分解层厚度1.1 cm，但半分解层枯落物储量占总储量的69.26%，是未分解层的2.25倍。

4.2 枯落物的水文效应

4.2.1 枯落物的最大持水能力

不同林分类型枯落物最大持水性能不同，而枯落物持水性能与枯落物的成分、外界环境有关，也与枯落物的分解程度有关。枯落物层厚度大、储量多、分解程度高的话，其吸持水分的性能就越好[24]。从表3可以看出，试验地各林分类型枯落物最大持水率为239.65%～343.54%，平均值为119.83%～171.77%，即这几种林分枯落物最大吸持的水量可达其干重的2.4～3.43倍，样地Ⅳ的最大持水率是几种林分中最大的。各林分样地枯落物最大持水量为5.58～12.32 t/hm2，相当于0.56～1.23 mm的降雨水深，大小排序为Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ，与枯落物总储量大小排序一致，即样地Ⅲ枯落物的最大持水量最大，是样地Ⅳ的2.21倍。通过比对各林分样地枯落物的最大持水率与持水量之间的关系可知，最大持水量的变化规律与最大持水率的变化规律不尽相同，这主要是由于森林枯落物的最大持水量不仅与枯落物的最大持水率有关，还与枯落物本身的厚度、性质、分解程度及储量等多种因素有关。

表3 各林分样地枯落物最大持水率和最大持水量Table 3 Maximum water-holding ratio and water-holding capacity of forest litters

4.2.2 枯落物的有效拦蓄能力

最大持水率和最大持水量只能说明枯落物的持水能力大小，并不能反映枯落物对降雨的实际截留量，若简单用最大持水量来估算枯落物对降雨的截留能力是偏高的，并不符合实际。因此，采用有效拦蓄量来计算枯落物对一次降雨的拦蓄储存能力是比较合理的。有效拦蓄量与枯落物储量、分解程度及初始含水率等因素有关，采用式(6)计算得到各林分样地枯落物的有效拦蓄水量，见表4。

表4 各林分样地枯落物有效拦蓄量Table 4 Effective interception capacity of forest litters

各样地未分解层枯落物的有效拦蓄率大小排序为Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，半分解层枯落物的有效拦蓄率大小排序为Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ，两者存在一定的差异，这与未分解层和半分解层枯落物的最大持水率及初始含水率是分不开的。同时各层枯落物的储量不同导致枯落物的有效拦蓄水量的变化规律也不同。有效拦蓄水量中，样地Ⅲ未分解层枯落物有效拦蓄水量最大，为2.78 t/hm2；半分解层枯落物有效拦蓄水量也是最大的，为0.84 t/hm2。原因是样地Ⅲ枯落物储量是最大的，且其初始含水率也不是最高的，所以其有效拦蓄水量相对来说是比较多的。

4.2.3 枯落物持水过程

根据枯落物未分解层和半分解层在不同时间段内吸持水量的大小，绘制其持水过程线，如图1所示。由图1可以看出，在刚开始浸泡时间2 h内，枯落物吸持的水量增加较快，随着浸泡时间的增长，枯落物持水量增加变缓，大约8 h时持水量增加就不明显了。所以，在降雨初期，枯落物拦蓄地表径流的能力较大，此后随着枯落物自身含水率的升高，其拦蓄能力逐渐降低。在浸泡时间达24 h后，各样地未分解层枯落物的饱和持水量大小排序为Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ，半分解层枯落物的饱和持水量大小排序为Ⅳ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。

图1 枯落物持水量与浸泡时间的关系Fig.1 Relation between water-holding capacity of forest litters and immersion time

通过对各林分样地枯落物未分解层和半分解层持水量与浸泡时间之间的关系进行拟合，得到两者之间关系满足

Q=alnt+b。

(7)

式中：Q为枯落物持水量(g·kg-1)；t为浸泡时间(h)；a、b为常数项。拟合的决定系数R2基本都在0.94(见表5)以上，拟合效果较好。

表5 各林分样地枯落物持水量及吸水速率与浸泡时间的关系Table 5 Relations of water-holding capacity and water absorption rate of forest litters against immersion time

4.2.4 枯落物吸水速率

枯落物吸水速率与时间的关系见图2。从图2可以看出，各林分样地枯落物吸水速率在前0.5 h的浸泡时间内最大，随后迅速减小。主要是在烘干状态下枯落物表面的水势最大，其吸持水分的速率也最快。随着浸泡时间的延长，枯落物持水量也将慢慢接近其最大持水能力，达到饱和持水量。

图2 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系Fig.2 Relation between water absorption rate of forest litters and immersion time

对各林分样地枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合，得到两者之间的关系为幂函数关系，即

V=ktn。

(8)

式中：V为枯落物吸水速率(g·kg-1·h-1)；t为浸泡时间(h)；k、n为常数项。拟合的决定系数R2接近1.0(见表5)，拟合效果较好。

5 讨 论

(1)试验结果显示，枯落物储量与厚度的关系，一般情况下厚度越大储量也越大，但树种类型、环境条件(如降水、气温等水热条件)等因素对试验结果会产生较大影响，这在其他地区森林枯落物持水特性相关研究中也有体现[25-27]。

(2)样地 Ⅰ 和样地 Ⅲ 的森林郁闭度相对较大，其森林枯落物的储量和最大持水量也较大，罗新萍[28]、顾宇书等[29]在相关研究中也得出了类似结论。

(3)本次试验中，森林枯落物在浸水前期(0～2 h)的持水量和吸水速率变幅较大，在浸水8 h后，枯落物的持水量和吸水速率基本稳定，且枯落物持水量和吸水速率与浸水时间存在显著的对数函数和幂函数关系，于晓文等[4]、陈治成等[27]、马正锐等[30]在相关研究中均有证实。

6 结 论

(1)不同林分样地枯落物总储量整体上随枯落物总厚度的增加而增大，各林分样地中，毛竹林地枯落物厚度相对要大，建议在梯田区域山林中可以增加毛竹林的种植面积。

(2)各林分样地枯落物最大持水量为5.58～12.32 t/hm2，相当于0.56～1.23 mm的降雨水深。最大持水量的变化规律与最大持水率的变化规律不尽相同，这主要是由于森林枯落物的最大持水量不仅与枯落物的最大持水率有关，还与枯落物的类别、储量及分解程度等多种因素有关。

(3)在刚开始浸泡2 h内，枯落物吸持的水量增加较快，随着浸泡时间的增加，枯落物持水量增加变缓，在大约8 h时持水量接近饱和持水量。枯落物持水量与浸泡时间之间为对数函数关系。

(4)前0.5 h的浸泡时间内枯落物吸水速率最大，随后迅速减小，随着浸泡时间的延长，枯落物持水量也将慢慢达到饱和持水量。枯落物吸水速率与浸泡时间之间为幂函数关系。