黃巖，剪文灝，黃永輝，李淑春，肖志軍

(河北木蘭圍場國有林場管理局,河北 承德 068450)

冀北山地落葉松林枯落物層水文效應(yīng)研究

黃巖，剪文灝，黃永輝，李淑春，肖志軍

(河北木蘭圍場國有林場管理局,河北 承德 068450)

采用樣方法對(duì)冀北山地落葉松林的枯落物層進(jìn)行了調(diào)查，并對(duì)其水文效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:(1)冀北山地落葉松林枯落物厚度為3.6～4.2 cm，生物量的變化范圍為8.41 ～11.46 t·hm-2，陰坡枯落物的積累量較大。(2)枯落物最大持水量20.8 ～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；對(duì)枯落物的持水量與浸水時(shí)間進(jìn)行回歸分析，符合Q=aln(t) +b的對(duì)數(shù)關(guān)系；枯落物在前0.25 h內(nèi)的吸水速率最大，6 h左右速率明顯降低。(3)枯落物的半分解層攔蓄能力高于未分解層，以樣地C(海拔1180～1310 m，西北坡，坡度25-30°)的枯落物攔蓄能力最強(qiáng)。

冀北山地；落葉松；枯落物；水文效應(yīng)

AbstractLitter layer ofLarixprincipis-rupprechtiiin northern Hebei Province was investigated,its hydrological effect was studied.Result shows that: (1) The litter thickness of three species ofLarixprincipis-rupprechtiiplantation in northern Hebei Province is from 3.6 cm to 4.2 cm; the variation range of biomass is from 8.41 t·hm-2to 11.46 t·hm-2, and the accumulation of litter is Larger. (2) The maximum water holding capacity of litter is from 20.8 t·hm-2to 29.1 t·hm-2, and the maximum water holding capacity is from 284% to 346%. The water retention and immersion time of litter were analyzed by regression analysisQ=aln (t) + b; litter in the first 0.25 h is the maximum the water absorption rate reduce significantly 6 h or so. (3) Litter of the semi-decomposed layer of storage capacity is higher than that of the decomposition layer, litter storage capacity of sample C is the strongest.

KeywordsMountain of northern Hebei Province;Larixprincipis-rupprechtii; litter; hydrological effect

枯落物層和土壤層對(duì)森林截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分具有很重要的作用[1]。木蘭圍場位于華北山地，森林多針葉樹種，針葉樹以華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)為主。該地區(qū)的研究主要集中林分的結(jié)構(gòu)、生長特性和物種多樣性等方面,對(duì)林分持水能力的研究則相對(duì)較少[2]。為此，本文對(duì)木蘭圍場落樺混交林的枯落物層與土壤層的持水能力做了研究,旨在為森林健康監(jiān)測和評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)[3-5]。

1 研究區(qū)概況

圍場縣位于承德境內(nèi)，地理坐標(biāo)41°47′—42°06′ N，116°51′—117°45′ E，與內(nèi)蒙古接壤，處于華北山石區(qū)的沿壩地區(qū)，是山區(qū)與壩上的過渡地帶。海拔750～1 829 m，年平均溫度-1.5～4.8 ℃,年無霜期90～125 d，年均降水380～560 mm。土壤種類較多，植物種質(zhì)資源很豐富，野生的種子植物達(dá)793種，蕨類植物22種。試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在圍場縣木蘭林管局的北溝林場[6,7]。

2 研究方法

2.1 枯落物蓄積量測定

選取三塊大小為30 m×30 m的華北落葉松純林樣地，編號(hào)為樣地A、B、C。對(duì)樣地內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)查，得到樣地基本概況表1。在每個(gè)樣地內(nèi)的四個(gè)角及中心位置分別設(shè)置5塊50 cm×50 cm的小樣方，測定每個(gè)樣方內(nèi)枯落物不同分解層的厚度。將枯落物的半分解層和未分解層分別裝袋稱質(zhì)量，計(jì)算枯落物生物量。將5個(gè)小樣方內(nèi)枯落物的總厚度、未分解層和半分解層的厚度測定出來，取其均值作為樣地內(nèi)枯落物的厚度。

表1 樣地基本概況

2.2 枯落物持水量和吸水速率的測定

將收集的枯落物放入烘箱內(nèi)烘干24 h后取出稱質(zhì)量，采用室內(nèi)浸泡法將枯落物浸入水中，分別測定其0.25、0.5、1、2、4、8、10和24 h的質(zhì)量并記錄，分析枯落物的持水過程及持水速率的變化[8-10]，每次取出后稱質(zhì)量，所得枯落物的質(zhì)量與枯落物干質(zhì)量的差值為這一時(shí)刻枯落物的持水量，某一時(shí)刻枯落物的持水量與這一時(shí)刻的比值為這一時(shí)刻枯落物的吸水速率，采用以下公式來計(jì)算各個(gè)含水指標(biāo)：

(1)C=(m1-m2)/m2×100%。

(2)S=(m3-m2)/m2×100%。

(3)Wm=(Rm-R0)×M

其中：C為枯落物自然含水量(%)，m1為樣品鮮質(zhì)量(g)，m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為飽和持水率，m3為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t·hm-2)，Rm為最大持水率(%)，R0為 平 均 自 然 含 水 量 (%)，M為 枯 落 物 蓄 積 量(t·hm-2)。

2.3 枯落物有效攔蓄量的測定

枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量的測定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來計(jì)算[10-12],即:

Wv= (0.85Rm-R0)M

式中:Wv—有效攔蓄量(t·hm-2);Rm—最大持水率(%) ;R0—平均自然含水率(%) ;M—枯落物蓄積量(t·hm-2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物層作為森林水文的第二作用層，其厚度與生物量及林分類型、生長狀況等因素有著密不可分的聯(lián)系，林分自身與環(huán)境因子的差異直接從不同程度上影響了枯落物的儲(chǔ)存與分解。將調(diào)查的3個(gè)不同樣地的枯落物厚度與生物量數(shù)據(jù)整理得到表2。

表2 不同樣地枯落物調(diào)查結(jié)果

由表2可知，華北落葉松純林的3個(gè)不同樣地，枯落物的厚度與生物量均不相同。從枯落物的整個(gè)層次來看，生物量按由高到低順序排列依次為樣地C(11.46 t·hm-2)>樣地B(9.32 t·hm-2)>樣地A(8.41 t·hm-2)，樣地C的枯落物厚度最大，為4.2 cm，樣地B和樣地A次之。主要是樣地C處于陰坡，林木生長與其他兩個(gè)樣地相比較好，林木代謝旺盛，枯落物積累較多，進(jìn)而影響了生物量，說明枯落物的厚度與生物量之間存在著一定關(guān)系。分析枯落物不同分解層可知，未分解層枯落物的厚度與生物量均低于半分解層，這是因?yàn)槿A北落葉松為針葉樹種，枯落物的分解速度較慢，容易積累。

3.2 枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 整理并計(jì)算不同樣地華北落葉松枯落物最大持水量與最大持水率，結(jié)果如表3所示。

表3 不同樣地枯落物最大持水量和最大持水率

由表3可知，華北落葉松林枯落物的最大持水量與最大持水率在3個(gè)不同樣地下存在差異，樣地C的未分解層和整個(gè)層次的最大持水量最大，分別為14.0 t·hm-2和29.1 t·hm-2，樣地A的半分解層和整個(gè)層次最大持水量最小，分別為10.1 t·hm-2和20.8 t·hm-2，枯落物的最大持水率依次為樣地C(346%)>樣地B(310%)>樣地A(284%)。說明枯落物的持水量與持水率受自身分解程度影響，同時(shí)和枯落物的厚度和生物量等因素也存在一定關(guān)系。分析不同分解層的持水情況可知，未分解層的最大持水量與最大持水率均大于半分解層，說明枯落物的未分解層在持水過程中發(fā)揮主要作用。

3.2.2 枯落物持水過程 將不同樣地下的枯落物持水過程數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到表4。

表4 不同樣地各枯落物層持水過程

由表4可知，枯落物的持水量隨著浸泡時(shí)間的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律：在最初浸泡的0.25 h內(nèi)，枯落物的持水量迅速增加，之后隨著浸泡時(shí)間的延長，枯落物的持水量增加速度逐漸減慢，半分解層枯落物持水量在8h左右基本達(dá)到飽和，而未分解層持水量在10 h左右也基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這一趨勢(shì)與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似,即降雨初期,枯落物攔蓄地表徑流功能較強(qiáng),此后隨枯落物濕潤程度的增加,吸持能力降低。

對(duì)華北落葉松3個(gè)不同樣地不同層次的枯落物0.25～24 h之間持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系(表5):

Q=aln(t) +b

式中:Q—枯落物持水量(g/kg) ;t—浸泡時(shí)間(h) ;a—系數(shù);b—常數(shù)項(xiàng)。

表5 不同林分枯落物層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

3.2.3 枯落物吸水速率 根據(jù)不同樣地下的枯落物持水過程數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同樣地枯落物持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系，如表6所示。

表6 不同樣地枯落物層持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

由表6可知，枯落物的吸水速率隨著浸泡時(shí)間的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律：在最初浸泡的0.25 h內(nèi)，枯落物的吸水速率最大，之后迅速降低，6 h左右時(shí)下降速度明顯減緩。隨著浸泡時(shí)間的延長，枯落物的吸水速率持續(xù)降低，最終趨向一致，這是由于隨著浸泡時(shí)間的延長，枯落物的持水量逐漸接近最大持水量，持水趨于飽和，其增長速度也隨之逐漸減緩。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 最大持水量并不能代表枯枝落葉層對(duì)降雨的實(shí)際截留量，它只能反映枯枝落葉層持水能力的大小，用枯枝落葉層對(duì)降雨的攔蓄能力，枯落物的最大持水量反映的是枯枝落葉層的持水能力。而枯落物層對(duì)降雨還有截持能力，這一作用如果用最大持水率來估算，整理并計(jì)算不同樣地內(nèi)枯落物層的攔蓄量及攔蓄率，其結(jié)果會(huì)有所偏高，影響枯落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄效果。因此，在本研究中采用有效攔蓄量來反映枯枝落葉層對(duì)一次降水?dāng)r蓄能力，該指標(biāo)主要與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性有關(guān)。分別計(jì)算華北落葉松林的3個(gè)不同樣地枯落物的攔蓄量攔蓄率，整理結(jié)果如表7所示。

表7 不同樣地枯落物層有效攔蓄能力

由表7可知，樣地C的有效攔蓄量及有效攔蓄率均高于其他兩個(gè)樣地，半分解層的有效攔蓄量為13.64 t·hm-2，有效攔蓄率高達(dá)369%。從不同的分解層次來看，枯落物的未分解層在有效攔蓄量和有效攔蓄率的指標(biāo)上均低于半分解層，這說明枯落物的攔蓄能力除了與生物量及含水率等因素有關(guān)，還受到自身分解程度的影響。

4 結(jié)論

4.1 冀北山地落葉松林3種樣地的枯落物厚度在3.6～4.2 cm，生物量的變化范圍為8.41～11.46 t·hm-2，陰坡枯落物的積累量較大。

4.2 枯落物最大持水量在20.8～29.1 t·hm-2，最大持水率284%～346%；對(duì)枯落物的持水量與浸水時(shí)間進(jìn)行回歸分析，符合Q=aln(t) +b的對(duì)數(shù)關(guān)系，R2>0.78；枯落物在前0.25 h內(nèi)的吸水速率最大，6 h左右速率明顯降低。

4.3 枯落物的半分解層攔蓄能力高于未分解層，樣地C的枯落物攔蓄能力最強(qiáng)。

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HydrologicalEffectsofLitterLayerinLarixprincipos-rupprechtiiPlantationofNorthernHebeiProvince

Huang Yan,Jian Wenhao,Huang Yonghui,Li Shuchun,Xiao Zhijun

( Mulan-Weichang Forestry Administration, Hebei Province, Chengde 068450,China )

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.09.005

1005-5215(2017)09-0014-04

2017-07-10

黃巖(1972-)，女，河北圍場人，高級(jí)工程師，從事森林經(jīng)營和苗木培育研究，Email：937962206@qq.com.

剪文灝(1973-)，男，河北承德人，高級(jí)工程師，從事森林經(jīng)營研究，Email：13833426178@126.com.