王士永，余新曉，賈國棟，宋思銘，徐娟，李慶云

(水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

北京山區(qū)主要人工林枯落物水文效應(yīng)

王士永，余新曉?，賈國棟，宋思銘，徐娟，李慶云

(水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

為探究北京山區(qū)主要人工林枯落物水文效應(yīng)，以北京市懷柔區(qū)湯河口鎮(zhèn)莊戶溝小流域油松、刺槐、側(cè)柏3種林分為研究對(duì)象，利用枯落物現(xiàn)存量樣地調(diào)查、浸泡實(shí)驗(yàn)和抗沖槽法，建立枯落物持水量、吸水速率和浸水時(shí)間相關(guān)關(guān)系，定量研究枯落物層水文效應(yīng)，結(jié)果表明:1)3種林分枯落物現(xiàn)存量和總厚度表現(xiàn)為油松最大，分別為6.37 t/hm2和4.0 cm，其次為刺槐，側(cè)柏最小。2)3種林分枯落物最大持水量為刺槐＞油松＞側(cè)柏，最大持水率為刺槐＞側(cè)柏＞油松;3種林分未分解層和半分解層枯落物的吸水過程表現(xiàn)為0～0.5 h內(nèi)吸水速率最大，4～5 h時(shí)吸水速率顯著減緩;刺槐不同層次枯落物的有效攔蓄量均為最強(qiáng)，總有效攔蓄深為2.6 mm，側(cè)柏總有效攔蓄深最小，為1.0 mm。3)不同坡度枯落物覆蓋產(chǎn)流產(chǎn)沙實(shí)驗(yàn)表明，在相同坡度條件下，產(chǎn)流時(shí)間表現(xiàn)為刺槐＞油松＞側(cè)柏＞裸地;徑流速率為裸地＞側(cè)柏＞油松＞刺槐;裸地的產(chǎn)流量是3種林地的1.04～1.46倍。

枯落物;水文效應(yīng);北京山區(qū)

森林枯落物層的生態(tài)水文效應(yīng)作用多樣［1-4］，在截持降水、阻滯地表徑流、減少林地蒸發(fā)、改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)土壤抗沖能力等方面均具有重要的水文效應(yīng)［5］。我國森林枯落物的最大持水率平均為自身干質(zhì)量的309.54%，林地枯落物層的最大持水量平均為 4.18 mm［6］。王鵬程等［5］基于三峽庫區(qū)森林資源二類清查數(shù)據(jù)，建立關(guān)于浸水時(shí)間的持水量和吸水速率系列預(yù)測模型，對(duì)庫區(qū)主要森林植被類型林地枯落物現(xiàn)存量及持水特性進(jìn)行了研究。劉碩［7］從持水能力、失水特性以及有效攔蓄量等方面對(duì)青海省大通縣主要植被類型的枯落物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)枯落物攔蓄地表徑流后，隨濕潤程度的逐步減小，失水能力降低，直至達(dá)到枯落物的自然含水量。龐學(xué)勇等［8］通過對(duì)岷江上游中山區(qū)低效灌叢林地進(jìn)行改造，發(fā)現(xiàn)枯落物層厚度和貯量均有明顯的改善，總貯量較改造前提高了32.68%，厚度從未分解層向半分解層或分解層轉(zhuǎn)化的趨勢加快。許多學(xué)者［9-12］從不同角度對(duì)枯落物層的水文效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，都認(rèn)為枯落物層在防止土壤侵蝕、截持降水、阻滯地表徑流等方面具有很大作用。目前關(guān)于油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)3種林分枯落物的對(duì)比研究相對(duì)較少;因此，筆者對(duì)北京市懷柔區(qū)湯河口鎮(zhèn)莊戶溝小流域主要人工林的枯落物層水文效應(yīng)進(jìn)行定量研究，具有一定的科學(xué)意義，可為北京山區(qū)森林植被對(duì)水資源形成過程的調(diào)控提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于北京市懷柔區(qū)北部山區(qū)的湯河口鎮(zhèn)莊戶溝小流域(E 116°28'～116°42'，N 40°30'～40°57')，是密云水庫上游白河的一級(jí)支流，流域面積85.21 km2。該流域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫9～9.5℃，最冷1月份氣溫 -7.5～-8℃，負(fù)積溫-580～-600℃;最熱7月份氣溫24～25℃，年積溫3 900～4 050℃。全年無霜期160 d，年蒸發(fā)量1200 mm，多年平均降水量511 mm。降雨年際年內(nèi)分配極不均勻，多集中在6—9月，占全年降水雨量的81.2%，且降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。由于此氣候特征，造成春、秋季易發(fā)生旱災(zāi)、風(fēng)災(zāi)，夏季易發(fā)生洪災(zāi)、澇災(zāi)。流域因受自然因素的影響，植物組成較單純，層次結(jié)構(gòu)簡單，覆被率不高。在陽坡主要分布著刺槐、火炬樹(Rhus typhina)、槲樹(Quercus dentata)、側(cè)柏、荊條(Vitex negundo)、酸棗(Ziziphus jujuba)、小葉鼠李(Rhamnus parvifolia)，覆蓋率一般為40%;在陰坡主要分布著蒙古櫟(Quercus mongolica)、白醋(Fraxinus chinensis)、山楊(Populus davidiana)、螞蚱腿子(Myripnois dioica)，覆蓋率55%;在陰坡的中部還有少數(shù)人工油松(Pinus tabuliformis)，郁閉度0.3左右。林分基本情況見表1。

表1 不同林分標(biāo)準(zhǔn)地概況Tab．1 Situations of different forest sample plots

2 研究方法

2.1 枯落物層現(xiàn)存量調(diào)查

選擇試驗(yàn)區(qū)油松、刺槐和側(cè)柏3種主要人工林為研究對(duì)象，每種林分分別設(shè)置1個(gè)面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，針對(duì)不同立地因子進(jìn)行枯落物現(xiàn)存量的調(diào)查，于2009年的5—6月份在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，選出3～5個(gè)具有代表性的0.40 m×0.25 m的樣方，用鋼卷尺測枯落物層總厚度、未分解層厚度及半分解層的厚度，分層取出原狀枯落物并分別裝袋標(biāo)記后，帶回實(shí)驗(yàn)室稱量后于85℃條件下烘干后再稱干質(zhì)量，用干質(zhì)量除以樣方面積(0.1 m2)即枯落物現(xiàn)存量。

2.2 枯落物層持水特性測定

2.2.1 枯落物持水量和吸水速率 枯落物層的持水量及吸水速率用室內(nèi)浸泡法測定，即從烘干的枯落物中取出一部分做持水過程試驗(yàn)。首先稱其質(zhì)量，然后將稱量后的枯落物原狀放入已稱量的尼龍袋中，再將裝有枯落物的尼龍袋置入盛有清水的容器中，水面略高于尼龍袋上沿。將枯落物浸入水中后，樣品在分別浸泡 5、10、15、30 min 及 1、2、4、6、8、10、12、24 h時(shí)取出，靜置5 min，直至枯落物不滴水為止，迅速測定枯落物濕質(zhì)量，然后將其風(fēng)干，測定風(fēng)干質(zhì)量，計(jì)算二者差值即為枯落物浸水不同時(shí)間的持水量，該差值與對(duì)應(yīng)浸泡時(shí)間的比值為枯落物的吸水速率。

2.2.2 枯落物的最大持水量和最大持水率 枯落物在清水中浸泡24 h，取出，靜置5 min，此時(shí)枯落物濕質(zhì)量減去其風(fēng)干后的質(zhì)量即為枯落物的最大持水量。枯落物最大持水率可用來反映其單位質(zhì)量最大吸水量情況。

式中:Rmax為最大持水率，%;Rm為枯落物浸泡24 h時(shí)的濕質(zhì)量，g;Rw為枯落物風(fēng)干質(zhì)量，g。

2.2.3 枯落物有效攔蓄量 有效攔蓄量可用來估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量。

式中:W為有效攔蓄量，t/hm2;Ra為平均自然含水率，%;M為枯落物現(xiàn)存量，t/hm2。其中，Ra的測量方法為:在每個(gè)森林類型樣地中，選出3～5個(gè)具有代表性的0.40 m×0.25 m的樣方，分層取出原狀枯落物并分別裝袋標(biāo)記后，帶回實(shí)驗(yàn)室稱量后于85℃條件下烘干后，減去干質(zhì)量，減少的質(zhì)量除以初始質(zhì)量即為平均自然含水率。

2.3 枯落物層的減流減沙效應(yīng)

采用人工降雨的方法，在寬0.3 m、長1.5 m、深0.5 m的土槽內(nèi)，裝入厚度為1 cm的不同林分枯落物，在降雨強(qiáng)度為60 mm/h情況下，降雨0.5 h，總降雨量為 30 mm，在 5°、10°、15°坡度下記錄產(chǎn)流時(shí)間，待產(chǎn)流穩(wěn)定后使用亞甲基藍(lán)染色法測定徑流流速，并3次測定求平均值;同時(shí)將所產(chǎn)徑流全部收集過濾，過濾后烘干，稱量濾紙重量，得出泥沙產(chǎn)量，將上述實(shí)驗(yàn)與無枯落物的情況進(jìn)行對(duì)照，以確定枯落物層的減流減沙功能，上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物層的現(xiàn)存量

枯落物層的現(xiàn)存量與林分的生長狀況相關(guān)，而枯落物層與林分的發(fā)育直接相關(guān)，林分的健康生長能增加枯落物層的現(xiàn)存量，同時(shí)也受當(dāng)?shù)貧夂蚣叭藶楦蓴_等多種因素的影響。

由表2可知，3種林分枯落物儲(chǔ)量不同，分別為油松＞刺槐＞側(cè)柏，油松儲(chǔ)量最大，與其林齡大、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植物多樣性高和凋落物年歸還量大等有關(guān)?？萋湮飳涌偤穸葹橛退桑敬袒保緜?cè)柏，這是由于不同樹種枯落物的結(jié)構(gòu)和形狀不同，油松為針葉，質(zhì)地堅(jiān)硬不易分解，而側(cè)柏枝葉呈片狀，質(zhì)地偏軟，較易分解，刺槐為闊葉，介于二者之間。油松、刺槐枯落物的半分解層厚度和儲(chǔ)量均大于未分解層，而側(cè)柏的未分解層厚度則大于半分解層，這是由于油松、刺槐的年凋落量較小，而刺槐的年凋落量較大所致。

表2 不同林分枯落物層的現(xiàn)存量Tab．2 Standing crops of litters of different forests

3.2 枯落物層的持水能力

3.2.1 枯落物的最大持水量和最大持水率 3種林分枯落物的最大持水量和最大持水率見表3?？梢钥闯?，3種林分的最大持水量表現(xiàn)為刺槐＞油松＞側(cè)柏;枯落物最大持水率表現(xiàn)為刺槐＞側(cè)柏＞油松。由表3知，刺槐的最大持水量和最大持水率均為最大，表明闊葉樹種的枯落物持水能力普遍高于針葉樹種，這是因?yàn)椴煌址挚萋湮锏慕M成及排列方式不同，分解程度也不盡相同。

表3 不同林分枯落物最大持水量和最大持水率Tab．3 Maximum moisture capacity and rate of litters of different forests

3.2.2 枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系 枯落物持水量與浸水時(shí)間的相關(guān)關(guān)系見表4。在0～0.5 h內(nèi)，隨浸水時(shí)間增加，枯落物持水量明顯增加，即降雨開始階段，枯落物吸收降水能力較強(qiáng)，而隨降雨時(shí)間的延長，枯落物接近飽和，吸持能力降低。各層持水量在浸水8～10 h時(shí)均已基本達(dá)到飽和。對(duì)浸水0.5～24 h 3種林分未分解層和半分解層枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出

式中:Q為枯落物持水量，g/kg;t為浸水時(shí)間，h;a為系數(shù);b為常數(shù)項(xiàng)。各林分回歸方程見表5。得出的方程與龐學(xué)勇等［8］在川西地區(qū)和王鵬程等［5］在三峽庫區(qū)的研究結(jié)論類似。

表4 不同林分枯落物分層持水過程Tab．4 Water capacity process of different litter layers of different forests g/kg

表5 不同林分半分解層和未分解層枯落物持水量與浸水時(shí)間關(guān)系Tab．5 Relationship between water capacity and immersion time of semi-decomposed and non-decomposed layers of litters in different forests

3.2.3 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系 3種林分枯落物的吸水速率與浸水時(shí)間具有一定的相關(guān)性。3種林分未分解層和半分解層枯落物均在0～0.5 h內(nèi)吸水速率最大，隨后明顯下降，至4～5 h時(shí)下降速度顯著減緩，趨于穩(wěn)定(圖1);其中刺槐林下枯落物無論未分解層還是半分解層，在0～24 h間，吸水速率始終保持最大，而油松為最小。

圖1 枯落物各層吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig．1 Correlation between water absorption rate and immersion time of non-decomposed and semi-decomposed litter layers

對(duì)3種林分未分解層和半分解層枯落物吸水速率與浸水時(shí)間進(jìn)行擬合，得出

式中:v為枯落物吸水速率，g/(kg·h);t為浸水時(shí)間，h;k為系數(shù);n為指數(shù)。通過擬合得到不同林分枯落物吸水速率與浸水時(shí)間t之間的關(guān)系(表6)，得出的方程與王鵬程等［5］的研究結(jié)論類似。

通過比較可知，3種林分未分解層和半分解層吸水速率隨浸水時(shí)間的變化趨勢一致，半分解層的吸水速率較快。原因應(yīng)是枯落物經(jīng)過分解，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、土壤成分組成發(fā)生改變，導(dǎo)致吸水能力增強(qiáng)，因而吸水速率相對(duì)較快。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 有效攔蓄量是反映枯落物對(duì)一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)，其與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性有關(guān)。不同林分未分解層和半分解層枯落物的有效攔蓄量見表7。無論未分解層還是半分解層中，刺槐枯落物的有效攔蓄能量都為最強(qiáng)，分別為13.32和12.74 t/hm2，總有效攔蓄深為2.60 mm;而側(cè)柏枯落物的有效攔蓄能力都為最弱，側(cè)柏枯落物的總有效攔蓄深最小，分別為4.02和5.81 t/hm2，總有效攔蓄深為為0.98 mm。劉碩［7］利用相同的方法，在青海大通縣的研究也得出了類似結(jié)論。

表6 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系Tab．6 Relationship between water absorption rate and immersion time of litters

表7 不同林分未分解層和半分解層枯落物的攔蓄能力Tab．7 Interception capacity of semi-decomposed and non-decomposed layers of litters in different forests

3.3 枯落物層的保水保土能力

3.3.1 枯落物滯緩徑流流速 枯枝落葉層一方面極大減少降雨動(dòng)能，另一方面延緩水分進(jìn)入土壤的過程，增加水土的接觸時(shí)間，從而增加入滲。由表8知，枯落物層滯緩地表徑流的作用明顯，在相同條件下，隨坡度的增加，產(chǎn)流時(shí)間隨之縮短，流速隨之增大。在相同坡度條件下，3種林分的枯落物覆蓋時(shí)其產(chǎn)流時(shí)間較裸地產(chǎn)流時(shí)間長約1.44～5.06倍，滯緩徑流流速為裸地的20.5%～56.1%。同一坡度下，產(chǎn)流時(shí)間的從大到小表現(xiàn)為刺槐＞油松＞側(cè)柏＞裸地;徑流流速表現(xiàn)為裸地＞側(cè)柏＞油松＞刺槐，產(chǎn)流時(shí)間與徑流流速的大小趨勢一致。3種林分的枯落物均明顯滯緩地表徑流流速，延后產(chǎn)流時(shí)間。

表8 不同林分與裸地產(chǎn)流時(shí)間和徑流流速Tab．8 Runoff yield time and rate of litters in different forests and bare lands

3.3.2 枯落物的減流減沙作用 由表9知，隨坡度增加，水流的流速和沖刷力逐漸加大，產(chǎn)沙產(chǎn)流量也逐漸增加。當(dāng)坡度為5°、10°時(shí)，各林分之間的產(chǎn)沙量差別不大，當(dāng)坡度為15°時(shí)，各林分的產(chǎn)沙量表現(xiàn)為油松＞側(cè)柏＞刺槐，而在3種坡度下，各林分的產(chǎn)流量均表現(xiàn)為油松 ＞側(cè)柏＞刺槐。在坡度為5°、10°、15°時(shí)，3種有枯落物覆蓋的地表產(chǎn)沙量分別為裸地產(chǎn)沙量的1.71% ～2.68%、2.79% ～2.95%、16.57%～38.00%。相同坡度下，裸地的產(chǎn)流量是其他3種林分枯落物的1.04～1.46倍;不論是枯落物對(duì)降雨的有效攔蓄，還是對(duì)徑流的阻滯作用，最終都表現(xiàn)在它對(duì)林地的減流減沙方面，說明枯落物在水土保持功能中有巨大的作用。林內(nèi)地表枯枝落葉覆蓋形成保護(hù)層，維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并增加土壤有機(jī)質(zhì)，參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有效地增加土壤孔隙度，大量地表徑流變成地下徑流，減少了土壤侵蝕的可能性［13］;因此，應(yīng)通過補(bǔ)植闊葉樹種或人工營造針闊混交林以提高林分的穩(wěn)定性，調(diào)整枯枝落葉層的組成，有利于提高森林生態(tài)系統(tǒng)的水土保持和涵養(yǎng)水源功能。

表9 不同林分枯落物產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量Tab．9 Sediment yield and runoff of litters in different forests g/h

4 結(jié)論

1)油松現(xiàn)存量和枯落物層厚度均大于刺槐和側(cè)柏，這是由于油松的林齡長、年凋落量大，同時(shí)也與林分的發(fā)育與健康程度有關(guān)。

2)刺槐枯落物的最大持水量和最大持水率均為最大，有效攔蓄能力都為最強(qiáng)，說明闊葉樹種的枯落物吸收水分能力較強(qiáng)，與其葉片形狀和物理性質(zhì)有關(guān);3種林分各層枯落物均在0～0.5 h內(nèi)吸水速率最大，4～5 h時(shí)下降速度顯著減緩，在浸水8～10 h時(shí)均已基本達(dá)到飽和并趨于穩(wěn)定。

3)在相同坡度條件下，有枯落物覆蓋的坡面產(chǎn)流時(shí)間明顯長于裸地，徑流流速也明顯較小，3種林分的產(chǎn)流時(shí)間與最大持水量順序一致，為刺槐＞油松＞側(cè)柏，而徑流流速表現(xiàn)為為側(cè)柏＞油松＞刺槐。相同坡度下，裸地的產(chǎn)流量比其他3種林分枯落物增加1.04～1.46倍;不同坡度下，3種林分的地表產(chǎn)沙量均明顯小于裸地，說明此3種林分枯落物的減流減沙效應(yīng)明顯。

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Hydrological effects of forest litters of different forests in Beijing mountainous area

Wang Shiyong，Yu Xinxiao，Jia Guodong，Song Siming，Xu Juan，Li Qingyun
(Key Laboratory of Soil＆ Water Conservation and Combating Desertification of Ministry of Education，School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

The hydrological effects of forest litters inPinus tabulaeformis，Robinia pseudoacacia，andPlatycladus orientalisforest communities in Zhuanghugou watershed，located in Tanghekou Town，Huairou District of Beijing，were studied in this article.Results show that:1)The litters amounts and total thickness inPinus tabulaeformiswere the largest，6.37 t/hm2and 4.0 cm respectively，followed byRobinia pseudoacacia，and the least were inPlatycladus orientalis.2)The largest water-holding capacity of litter wasRobinia pseudoacacia＞Platycladus orientalis＞Pinus tabulaeformis，and the largest waterholding rate wasRobinia pseudoacacia＞Pinus tabulaeformis＞Platycladus orientalis.In the early half hour of water absorption of litter，water-holding rate increased rapidly，and then slightly decreased over time after the 4th to 5th hour.The effective water holding depth inRobinia pseudoacaciawas the highest(2.6 mm)，and the lowest was inPlatycladus orientalis(1.0 mm).3)It was evident that forest litters could prolong the surface runoff process.In the same slope degree，runoff generation time was given as follows:Robinia pseudoacacia＞Pinus tabulaeformis＞Platycladus orientalis＞bare land，and was runoff velocity bare land＞Platycladus orientalis＞Pinus tabulaeformis＞Robinia pseudoacacia.The runoff amount in bare land was 1.04 to 1.46 times as great as the three kinds of forests.

litters;hydrological effects;Beijing mountainous area

2011-05-06

2011-07-24

項(xiàng)目名稱:林業(yè)公益性專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“典型森林植被對(duì)水資源形成過程的調(diào)控研究”(201104005)

王士永(1974—)，男，博士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:shiyong@bjfu.edu.cn

?責(zé)任作者簡介:余新曉(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持。E-mail:yuxinxiao@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:程 云)