賈劍波， 劉文娜， 余新曉?, 荀志強

(1. 北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京；2.河北省豐寧縣林業(yè)局，068350，河北豐寧)

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半城子流域3種林地枯落物的持水能力

賈劍波1， 劉文娜1， 余新曉1?, 荀志強2

(1. 北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京；2.河北省豐寧縣林業(yè)局，068350，河北豐寧)

摘要：為了探究華北土石山區(qū)常見喬木林地枯落物的持水能力，利用2014年7月在北京密云半城子流域的油松林、側柏林和刺槐林林下采集的枯落物，采用烘干浸泡的方法進行枯落物持水能力分析，定量比較3種林地枯落物儲量，持水特性和攔蓄變化規(guī)律。結果表明：1) 3種林地枯落物總儲量表現(xiàn)為油松林(24.40 t/hm2)>刺槐林(19.68 t/hm2)>側柏林(9.58 t/hm2)，其總儲量要高于一般林地；總厚度表現(xiàn)為油松林(3.57 cm)>刺槐林(3.30 cm)>側柏林(1 cm)。2)最大持水量表現(xiàn)為闊葉林高于針葉林，其中刺槐林(48.77 t/hm2)>油松林(40.27 t/hm2)>側柏林(15.81 t/hm2)，刺槐林與油松林差異性不顯著，而側柏與二者差異性顯著。最大持水率表現(xiàn)出相同的規(guī)律，刺槐林(388.15%)>油松林(276.49%)>側柏林(211.40%)，三者差異性極顯著，其中油松林的最大持水量和持水率低于全國平均水平。3)枯落物層的持水量、吸水速率與浸水時間分別符合對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，而刺槐林持水量和吸水速率較大，推斷出闊葉林在集中降水條件下的蓄水能力更強。枯落物有效攔蓄量與持水功能表現(xiàn)一致。均為闊葉林優(yōu)于針葉林，有效攔蓄量表現(xiàn)為：刺槐林(46.80 t/hm2)>油松林(38.72 t/hm2)>側柏林(14.19 t/hm2)。從枯落物總儲量、最大持水量和最大持水率、有效攔蓄量等多個因素的計算判斷出，半城子流域的枯落物呈現(xiàn)出針葉林枯落物量大但水文效應低，闊葉林量小但水文效應好的特征。因此，在林地樹種配置與管理上，可以從枯落物的水文效應上考慮，提高流域林種結構的空間優(yōu)化。通過研究枯落物的水文特性，可為當?shù)卦炝謽浞N選擇和水源涵養(yǎng)生態(tài)服務評價提供理論基礎和數(shù)據(jù)參考。

關鍵詞：枯落物； 最大持水量； 有效攔蓄量； 密云

項目名稱： 國家自然科學基金重點專項“基于穩(wěn)定同位素的典型森林生態(tài)系統(tǒng)水、碳過程及其耦合機制研究”(41430747)

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)垂直結構中的重要一層，不僅在物質循環(huán)和能量流動中扮演重要的角色[1]，而且對整個森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程具有重要影響[2]?？萋湮飳拥纳鷳B(tài)水文效應十分明顯，降雨在到達地表前先通過枯落物層的阻攔，有效降低了雨滴動能，減小濺蝕和減輕地表徑流對土壤的侵蝕[3-4]；同時，枯落物層還有吸收和阻延地表徑流，抑制土壤蒸發(fā)，增加降水入滲，增強土壤抗沖能力等功能[5]。這些功能得益于枯落物層內部的疏松空間，在涵養(yǎng)水源方面表現(xiàn)突出。國內外對枯落物的水文過程和功能進行了大量研究[6-8]，認為枯落物的持水和攔蓄能力主要由枯落物的儲量、持水能力和吸水過程決定[9]；因此，定量研究枯落物的持水能力和攔蓄規(guī)律就顯得尤為重要。

近年來，北京地區(qū)水資源問題十分突出，而密云水庫是北京地區(qū)主要飲用水源地，對該區(qū)水土保持林枯落物層持水能力的研究意義重大。半城子流域作為密云水庫的分支蓄水區(qū)，具有防洪、灌溉[10]等功能，而對流域內枯落物層的水文效應研究較少。油松(Pinustabulaeformis)、側柏(Platycladusorientalis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)是該地區(qū)主要鄉(xiāng)土樹種，同時也是主要水土保持樹種[11]，研究其林地枯落物層的持水能力和攔蓄規(guī)律具有典型性和代表性。筆者于2014年7月在半城子流域選取代表性強的油松林、側柏林和刺槐林作為采樣點，收集林下枯落物，采用烘干浸泡的方法對枯落物持水能力進行分析，定量研究3種林地枯落物儲量，持水特性和攔蓄變化規(guī)律，以期為當?shù)氐乃帘３謽浞N選擇和水源涵養(yǎng)生態(tài)服務評價提供科學的理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

半城子流域距密云水庫北側約10 km，位于E 116°55′～117°2′、N 40°37′～40°43′之間，距密云縣城32.6 km,屬于密云水庫保護區(qū)的二級保護區(qū)。該流域均為山地，土地面積為66.18 km2，由于受地形影響,流域盛行東北風和西南風。多年平均氣溫為10.5 ℃,年日照時間2 801.8 h,年內無霜期176 d,多年平均降水量669 mm,且主要集中在6—8月,占到全年降水量的75%以上[12]。土壤類型主要有褐土和山地棕壤，同時也有極少數(shù)石質土。植被以水源涵養(yǎng)林為主,側柏林、油松林以及刺槐林等是流域的主要植被類型,大部分為該區(qū)50年代栽植的人工林，林齡相近，林相較好。

2研究方法

2.1枯落物儲量調查

根據(jù)流域內植被類型、海拔、坡向等因素，選取具有代表性的油松林、側柏林和刺槐林作為試驗調查樣地，其中油松林、側柏林和刺槐林各5塊，共15塊樣地。林下灌木種主要有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等，各個樣地的立地條件和林分狀況見表1。每塊樣地內隨機選取3個1 m×1 m 的小樣方作為重復，分別測量枯落物未分解、半分解和總厚度，再分層(未分解層、半分解層)放入牛皮紙袋帶回室內進行稱量。

表1　樣地立地條件和林分狀況

2.2枯落物持水量測定

采用連續(xù)浸泡法測定枯落物層持水量和吸水速率。以側柏林為例，將每塊樣地的各3個樣品(共15個樣)分別裝入尼龍網(wǎng)袋，扎緊口部稱量取平均值，然后將求得的5個平均值再求平均，作為其風干前的鮮質量；再將15個尼龍袋中的樣品平攤，放入烘箱調至105 ℃連續(xù)12 h后取出，取出后將每塊樣地的各3個尼龍網(wǎng)袋稱量取平均值，再將求得的5個平均值再求平均，作為其風干后的值并記錄。然后再將15個尼龍網(wǎng)袋袋口封緊浸泡在裝水的桶中，分別在15、30 min，1、2、4、8 h將尼龍網(wǎng)袋從桶中拿出，并控水，直到尼龍網(wǎng)袋不再滴水為止，取出后將每塊樣地的各3個尼龍網(wǎng)袋稱量取平均值，再將求得的5個平均值再求平均，作為其浸泡后的值并記錄。

2.3枯落物最大持水量和最大持水率測定

將枯落物浸泡24 h后取出，靜置控水到不滴水為止，稱量后將其放在干燥通風處自然風干，然后再次稱量，每個樣稱量3次取平均后記錄。計算公式如下：

W0=M1-M0。

式中：W0是枯落物最大持水量，g；M1是浸泡24 h后枯落物的質量，g；M0是風干后枯落物的質量，g。將最大持水量按照枯落物采樣面積和每個樣本采樣點每公頃枯落物最大持水量，單位t/hm2。

式中Pm為最大持水率，%。

2.4有效攔蓄量測定方法

對枯落物有效攔蓄量的計算，可推算出實際攔蓄量，公式[13]如下：

Z=(0.85Pm-Pa)A。

式中：Z為有效攔蓄量，t/hm2；Pa為自然含水率，%；A為枯落物蓄積量，t/hm2。

3結果與分析

3.13種林地枯落物儲量

枯落物儲量可以判斷枯落物層的保水能力，同時也用來評價森林系統(tǒng)保水功能。枯落物儲量受到枯落物凋落量、枯落物在地表積累時間和微生物等對枯落物的分解速度的影響，同時，樹種組成、樣地自然環(huán)境條件、枯落物自身特性以及人為活動等因素與枯落物儲量也關系密切[14-15]。

對半城子流域3種主要林地的枯落物儲量進行對比分析可得(表2)，3種林地枯落物儲量均大于9 t/hm2。其中油松林(24.40 t/hm2)>刺槐林(19.68 t/hm2)>側柏林(9.58 t/hm2)，通過SPSS13.0方差分析可知，油松林、刺槐林、側柏林3者總蓄積量差異性顯著(P<0.05)?？萋湮飳涌偤穸缺憩F(xiàn)為油松林(3.57 cm)>刺槐林(3.30 cm)>側柏林(1 cm)，主要是由于該區(qū)油松林林下枯落物分解較慢，長時間的積累導致林下枯落物凋落量大且厚度大于其他林地。

表2　不同林分枯落物層特征

枯落物未分解層儲量由大到小為側柏林(9.58 t/hm2)>刺槐林(6.78 t/hm2)>油松林(6.71 t/hm2)，枯落物半分解層儲量為油松林(17.69 t/hm2)>刺槐林(12.89 t/hm2)，側柏林無半分解層。油松林、刺槐林與側柏林的未分解層儲量差異性顯著(P<0.05)，油松林與刺槐林未分解層儲量差異性不顯著(P>0.05)。油松林和刺槐林的半分解層儲量多于未分解層，分別占到其總蓄積量的72.49%和65.53%，通過調查發(fā)現(xiàn)油松林、刺槐林的年凋落量較小[16]，同時林下灌草較多，垂直結構復雜，凋落物成分較多，導致分解速度較快，表明油松林和刺槐林對土壤層具有明顯的改良作用；側柏林地基本是未分解層，幾乎沒有半分解層。主要是由于側柏林下基本沒有灌草種類，枯落物組成和成分均單一且生產量低，且同時分解速度較慢，這也是導致林下無半分解層的原因。

3.23種林地枯落物的持水能力

枯落物層的持水能力是反映枯落物層對森林生態(tài)系統(tǒng)水文作用的指標，其由枯落物儲量和持水能力共同決定[17-18]。

3.2.1最大持水量與最大持水率如圖1所示，枯落物層最大持水量由大到小是刺槐林(48.77 t/hm2)>油松林(40.27 t/hm2)>側柏林(15.81 t/hm2)，通過SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林與側柏林差異性顯著(P<0.05)，刺槐林與油松林差異性不顯著(P>0.05)。最大持水率表現(xiàn)為刺槐林(388.15%)>油松林(276.49%)>側柏林(211.40%)，通過SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林、側柏林三者差異極顯著(P<0.01)。而我國森林枯落物層的平均最大持水量為41.8 t/hm2，平均最大持水率為309.54%[19];因此，可以看出最大持水量和最大持水率均高于全國平均水平的林分是刺槐林枯落物層，而油松林的最大持水量和最大持水率稍低于全國平均水平。側柏由于沒有半分解層，最大持水量和最大持水率偏低。比較3個樹種的最大持水量和最大持水率，刺槐林最大，這也反映出闊葉樹具有更好的持水能力。

3.2.2枯落物持水量與浸水時間的關系枯落物持水量與浸水時間的關系如圖2和圖3。不同樹種枯落物總持水量變化規(guī)律基本相似。持水量隨浸泡時間逐漸遞增，單位時間內持水量逐漸減??；未分解層持水量由大到小表現(xiàn)為刺槐林>油松林>側柏林，對于半分解層來說，持水量表現(xiàn)為刺槐林>油松林。油松林和側柏林相差不大，均小于刺槐林。在0～0.5 h內，即自然條件下開始降雨階段，隨浸水時間增加，曲線呈上升趨勢，表明枯落物正處于迅速吸水的時段。隨浸水時間的增加，曲線趨于平緩，表明枯落物持水量逐漸接近穩(wěn)定飽和。未分解層和半分解層持水量在浸水6～8 h時均已基本達到飽和;因此，在0.25～8 h時間段內，枯落物層持水量與浸水時間有明顯的相關性，對3種林分下的各層持水量與浸水時間建立擬合方程見表3。

圖1　3種林分下枯落物最大持水率和最大持水量Fig.1　Maximum water-holding capacity and rate of litters 　in different forests

圖2　3種林分未分解層持水過程Fig.2　Water-holding process of non-decomposed 　layers in different forests

圖3　2種林分半分解層持水過程Fig.3　Water-holding process of semi-decomposed 　layers in different forests

表3　不同林分半分解層和未分解層枯落物總持水量與浸水時間關系式

注：W為枯落物持水量，g/kg；t為浸水時間，h。Note:Wis litter water-holding capacity，g/kg；tis the immersion time, h.

在表3中可以看出，油松林、刺槐林和側柏林3種林分枯落物各層持水量與浸水時間均滿足對數(shù)關系，相關系數(shù)均大于0.95。得出的方程與王士永等[16]在北京北部山區(qū)和樊登星等[20]在北京西山研究結論類似。這表明枯落物層具有明顯的蓄水功能。

3.2.3枯落物吸水速率與浸水時間的關系枯落物持水量與浸水時間的關系曲線表明：枯落物吸水速率與浸水時間存在一定的相關性。3 種林分枯落物未分解層均在0～0.5 h內吸水速率最大，隨后吸水速率顯著降低，4～5 h 時，吸水速率逐漸趨于穩(wěn)定(圖4)；刺槐林下枯落物層，在0～8 h間，吸水速率在3種林分之間始終保持最大，而側柏林下枯落物層剛好相反，始終為最小。油松林和刺槐林枯落物半分解層同未分解層規(guī)律變化一致(圖5)。

圖4　未分解層吸水速率與浸水時間的關系Fig.4　Correlation between water absorption rate and 　immersion time of non-decomposed litter layers

圖5　半分解層吸水速率與浸水時間的關系Fig.5　Correlation between water absorption rate and 　immersion time of semi-decomposed litter layers

對3種林分下未分解層和半分解層枯落物的吸水速率與浸水時間的關系進行擬合方程見表4，可以看出，各層吸水速率與浸水時間均滿足指數(shù)關系，相關系數(shù)均大于0.999，擬合效果非常好。得出的方程與王鵬程等[21]的研究結論一致。

3.2.4有效攔蓄量枯落物的有效攔蓄是枯落物層對降雨實際攔蓄量的反映，體現(xiàn)枯落物的真實攔蓄能力，也是判斷枯落物持水能力的重要方面[22]。有效攔蓄量的大小與枯落物儲量、水分狀態(tài)、降雨特性等有關[23-24]。

如圖6所示，最大攔蓄量都介于10～50 t/hm2之間，其中刺槐林(46.80 t/hm2)>油松林(38.72 t/hm2)>側柏林(14.19 t/hm2)，這與最大持水量的變化趨勢基本一致。通過SPSS13.0方差分析，刺槐林、油松林與側柏林的最大攔蓄量差異性極顯著(P<0.01)，刺槐林與油松林差異性顯著(P<0.05)。刺槐林的枯落物的有效攔蓄量最大，其次是油松枯落物，而側柏林由于無半分解層，有效攔蓄量最小。雖然油松林的枯落物總儲量最大，但其有效攔蓄量小于刺槐林，分析原因是由油松林枯落物的自然含水量大于刺槐林，水分含量較高導致。

表4　不同林分下枯落物吸水速率與浸水時間擬合方程

注：v為枯落物層吸水速率，g/(kg·h) ；t為浸水時間，h。Note：vis water absorption rate,g/(kg·h);tis the immersion time, h.

圖6　3種林分枯落物有效攔蓄量Fig.6　Interception capacity of litters in different forests

4結論與討論

1)半城子流域枯落物總蓄積量要高于其他地區(qū)，枯落物最大持水量和持水率均表現(xiàn)為闊葉林高于針葉林；但油松林的最大持水量和持水率低于全國平均水平，因此油松林的枯落物呈現(xiàn)總儲量大但持水性能差的特征。從這個角度講，有必要進行更進一步的研究。

2)枯落物層的吸水量、吸水速率與浸水時間的關系符合對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。而刺槐林吸水量和吸水速率較大，推斷出闊葉林在集中降水條件下的蓄水能力更強。

3)枯落物有效攔蓄量與持水功能表現(xiàn)一致，均為闊葉林優(yōu)于針葉林；因此在徑流較為集中的區(qū)域建議多栽植闊葉樹種。

從枯落物總蓄積量、最大持水量和最大持水率、有效攔蓄量等多個因素的計算判斷出，半城子流域的枯落物呈現(xiàn)出針葉林枯落物量大但水文效應低，闊葉林量小但水文效應好的特征；因此在林地樹種配置與管理上，可以從枯落物的水文效應上考慮，提高流域林種結構的空間優(yōu)化。

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(責任編輯：宋如華郭雪芳)

Water-holding characteristics of litters in three types of forest in the

upper reaches of Banchengzi Basin

Jia Jianbo1, Liu Wenna1, Yu Xinxiao1, Xun Zhiqiang2

(1.Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083,

Beijing, China; 2.Forestry Bureau of Fengning County, 068350, Fengning, Hebei, China)

Abstract:In order to explore the water-holding capacity of forest litter in rocky mountain regions of northern China, we selected litters in three types of pure forest, i.e., Pinus tabulaeformis, Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis in Banchengzi Basin, Beijing, as research objects. The litters were dried in oven and soaked in water in July 2014. At the same time, we analyzed the litter water-holding capacity and compared the litter reserves, water holding features and intercept water change in these forests. The results showed that: 1) the total amount of litters in three types of forest followed the order of Pinus tabulaeformis (24.40 t/hm2)>Robinia pseudoacacia (19.68 t/hm2)>Platycladus orientalis (9.58 t/hm2). The total thickness of litter in Pinus tabulaeformis forest (3.57 cm) was the highest, followed by Robinia pseudoacacia forest (3.30 cm), and the least was in Platycladus orientalis forest (1 cm). 2) The maximum water-holding amount of broad-leaved forest was higher than that of coniferous forest, ranked as Robinia pseudoacacia forest (48.77 t/hm2)>Pinus tabulaeformis forest (40.27 t/hm2)>Platycladus orientalis forest (15.81 t/hm2); the difference was not significant between Robinia pseudoacacia forest and Pinus tabulaeformis forest, but was significant between Platycladus orientalis forest and the other two types of forest. The maximum water-holding rate followed the order of Robinia seudoacacia forest (388.15%) > Pinus tabulaeformis forest (276.49%) > Platycladus orientalis forest (211.40%), with significant differences among them. The maximum water-holding amount and rate of Pinus tabulaeformis forest were all lower than the national average level. 3) The relationship between water absorption, water absorption rate and immersion time conformed to logarithmic function and exponential function, respectively. In the first half hour of water absorption, water absorption rate increased rapidly, and then tended to be stable over time after 4 to 5 hours. The water absorption and water absorption rate of Robinia pseudoacacia forest was the largest, thus we can conclude that the water storage capacity of broad-leaved forest is stronger under concentrated rainfall conditions. The rule of intercept water amount followed the order of Robinia pseudoacacia forest (46.80 t/hm2)>Pinus tabulaeformis forest (38.72 t/hm2)>Platycladus orientalis forest (14.19 t/hm2). We can judge the litter characteristics at the Banchengzi Basin from the calculation of total litter amount, maximum water-holding amount and rate, and intercept water amount. It shows that the total litter amount of coniferous forest is larger, but the hydrological effect is lower. The broad-leaved forest is just opposite: it has higher hydrological effect but fewer total litter amount. Thus, when we select tree species, we could take into account the litter hydrological effect, and optimize the spatial structure of tree species. This study would provide some theoretical basis and reference for tree species selection and assessment of water conservation ecological service in local forest development.

Keywords:litter; maximum water-holding amount; water intercept amount; miyun

通信作者?簡介： 余新曉(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向：森林水文與水土保持。E-mail:yuxinxiao111@126.com

作者簡介：第一 賈劍波(1988—)，男，博士研究生。主要研究方向：森林水文與水土保持。E-mail:jotham880303@163.com

收稿日期：2015-10-27修回日期： 2015-11-20

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3007(2015)06-0026-07