鄭 淼， 郭 毅， 辛如潔， 李慶華

(山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030009)

森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，在攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、改善水環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，森林水文包括森林對降雨的攔截、蒸騰、蒸發(fā)等一系列過程，是陸地水文循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)。而在森林水文效應(yīng)中，林下枯落物占據(jù)極其重要的地位，能有效減小雨滴對地面的沖擊。同時，枯落物以其強大的蓄水能力減小地表徑流、促進地下徑流形成、降低林內(nèi)水分蒸發(fā)、改善土壤理化性質(zhì)，是森林有效發(fā)揮水土保持和水源涵養(yǎng)功能的重要環(huán)節(jié)。

森林內(nèi)枯落物水文效應(yīng)受多因素影響，如林分類型、林齡、氣候、累積厚度、干擾等，其中人為活動干擾對枯落物影響尤為突出。森林干擾包括間伐、修枝、割灌、除草、枯落物收集、踩踏等一系列活動。不同狀況的干擾對森林功能發(fā)揮影響較大。森林公園是以原有人工林或者天然林為主構(gòu)建的公園，是森林的一種表現(xiàn)形式。由于其與城市建設(shè)關(guān)系密切，通常具有一個或者多個生態(tài)系統(tǒng)，對調(diào)節(jié)和改善城市生態(tài)環(huán)境有重要積極作用。由于其承擔(dān)觀光旅游功能，導(dǎo)致公園內(nèi)的森林受人為活動干擾較為嚴(yán)重，林內(nèi)生態(tài)環(huán)境受到不同程度干擾，其中林下枯落物和土壤所受影響尤為突出。如公園管理對枯落物的撫育、清掃、灌溉、游客踩踏等，造成枯落物數(shù)量減少，林地土壤質(zhì)地變化也間接影響枯落物的吸水過程。目前對森林公園枯落物水文效益研究較少，已有學(xué)者針對枯落物蓄積量和土壤蓄水進行研究，缺乏將人為干擾因素納入影響枯落物水文效益的環(huán)節(jié)。本研究將干擾度作為影響枯落物功能效益發(fā)揮的因素，為探究在不同干擾情況下，林內(nèi)枯落物的水文效益對園內(nèi)森林水土保持功能功效的影響，深入了解森林公園的水文效應(yīng)和生態(tài)環(huán)境狀況，為森林公園的高效管理和水文循環(huán)過程提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西天龍山國家森林公園，海拔700～1 500 m，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均降水量約431.2 mm，主要集中于夏季，占年均降水量的80%以上；多年平均最高氣溫29.3 ℃，最低氣溫8.5 ℃，分別出現(xiàn)在7月和1月。土壤以沙壤土為主，質(zhì)地粗糙，土層較薄，平均15 cm左右。研究區(qū)植被豐富，喬木樹種主要有油松(Carr.)、白皮松(Zucc. et Endi.)和側(cè)柏((Linn.) Franco.)，灌木有毛榛(Maxim.)、黃刺玫(Lindl.)、荊條(Linn. var.(Franch.) Rehd.)等，草本主要有鐵桿藁(Oliv.)、鼠李(Pall.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 選擇研究區(qū)6種主要林分類型進行調(diào)查，每種林分設(shè)置2個20 m×20 m調(diào)查樣方，共調(diào)查12塊樣方。林分類型為：(Ⅰ)油松純林Carr.、(Ⅱ)山楊純林、(Ⅲ)刺槐純林Linn.、(Ⅳ)油松—側(cè)柏混交林—、(Ⅴ)側(cè)柏—油松—杏樹混交——和(Ⅵ)灌木林Shrubbery。于2021年7—8月調(diào)查，樣地內(nèi)基礎(chǔ)參數(shù)和指標(biāo)：海拔、經(jīng)緯度、坡度、喬木種類、胸徑、樹高，灌木種類、草本種類以及枯落物、土壤等相關(guān)指標(biāo)。樣地基本信息見表1。

1.2.2 干擾度確定 以調(diào)查樣地指標(biāo)(林分結(jié)構(gòu)、地形、海拔等)、踩踏、人工設(shè)施、道路距離等指標(biāo)賦值并設(shè)置權(quán)重。

(1)

式中：為干擾度值，范圍0～1；為各指標(biāo)權(quán)重；為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，范圍0～1。

對干擾度值劃分等級：無干擾(0<<0.3)、輕度干擾(0.3<<0.5)、中度干擾(0.5<<0.7)、強度干擾(0.7<<1.0)，經(jīng)計算6種林分干擾程度見表1。

1.2.3 枯落物調(diào)查 在每塊樣地選取3個30 cm×30 cm的小樣方，去除草本，判別未分解和半分解層，測量厚度，分別收集到自封袋稱重，帶回實驗室烘干測定自然含水量，計算蓄積量。

=-

(2)

式中：為枯落物自然含水量(g)；為鮮重(g)；為烘干后的重量(g)。

表1 樣地基本信息

枯落物持水特性采用浸泡法測定。將烘干后的枯落物浸入水中，分別在0.25，0.5，1，2，4，8，12，24 h后稱重，稱量每個時段2層枯落物的吸水狀況，計算枯落物單位面積的吸水速率、最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量。

枯落物含水量和持水率計算：

=-

(3)

(4)

式中：為枯落物持水量(g)；為枯落物持水率(%)；為浸水小時后枯落物的重量(g)；為枯落物烘干的干重(g)。

枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量計算：

=(-)×

(5)

=(085-)×

(6)

式中：為枯落物最大攔蓄量(t/hm)；為枯落物有效攔蓄量(t/hm)；為枯落物最大持水率(%)；為枯落物自然含水率(%)；為枯落物蓄積量(t/hm)；0.85為有效攔蓄系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物蓄積量差異

枯落物蓄積量受林分類型、林齡、氣候、土壤、分解速度等多種因素影響，尤其不同樹種枯落物蓄積量差異較大。由表2可知，6種林分類型枯落物厚度依次為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅴ，其中厚度最大的山楊枯落物厚度為2.63 cm，側(cè)柏—油松—杏樹混交林最薄為0.57 cm。從枯落物分解度來看，山楊和側(cè)柏—油松—杏樹混交林的未分解層厚度大于半分解層，其他4種林分均顯示半分解層厚度大于未分解層厚度。6種林分枯落物蓄積量大小依次為Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅴ，油松—側(cè)柏混交林蓄積量最大，為16.30 t/hm，其中，未分解層蓄積量3.59 t/hm，占總量22.02%，半分解層蓄積量為12.71 t/hm，占總量77.98%；蓄積量最小的是側(cè)柏—油松—杏樹混交林，總蓄積量為7.20 t/hm，其中未分解層蓄積量，為2.62 t/hm，占總蓄積量的26.39%，半分解層蓄積量為4.58 t/hm，占總量63.61%。半分解層蓄積量油松、刺槐與油松側(cè)柏混交林之間無顯著差異(<0.05)，山楊、灌木林與側(cè)柏—油松—杏樹混交林無顯著差異(<0.05)；未分解層油松、刺槐、油松側(cè)柏混交林、側(cè)柏—油松—杏樹混交林、灌木林之間無顯著差異(<0.05)，山楊、側(cè)柏—油松—杏樹混交林、灌木林之間差異不顯著(<0.05)。

表2 枯落物蓄積量

2.2 枯落物持水過程

枯落物的持水能力與枯落物種類有密切關(guān)系，不同林分在不同時段吸水狀況有一定差異性。由圖1可知，未分解層和半分解層的持水量與浸水時間呈冪指數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨泡水時間增長，枯落物持水量不斷增大，在1 h后增長速率減緩，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，持水量達最大值。6種林分各層枯落物持水量與枯落物蓄積量密切相關(guān)關(guān)系，蓄積量越大，持水量越大，未分解層和半分解層一致規(guī)律；6種林分的未分解層中，油松純林持水量和吸水速率均為最大，遠高于其他5種林分；刺槐純林持水量最小，0.25 h吸水速率達高，2 h后開始趨于穩(wěn)定。半分解層中，油松側(cè)柏混交林分的持水量最佳，其次是刺槐純林，最差是楊樹純林。

圖1 6種林分枯落物持水量與浸泡時間過程曲線

枯落物的吸水速率能反映森林對短時強降水的攔蓄能力，是森林水源涵養(yǎng)、水土保持的一項重要指標(biāo)。由圖2可知，在0～2 h，6種林分未分解層和半分解層吸水速率最大，且呈不斷下降趨勢，2～24 h吸水速率逐漸趨于穩(wěn)定，最后達到最大吸水量。未分解層吸水速率大小依次為Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅱ，其中油松與油松—側(cè)柏混交林吸水速率差異不大；半分解層中，灌木混交林吸水速率最大，其次為山楊純林，吸水速率最小為油松側(cè)柏混交林。6種林分持水速率差異較大，在0.25，0.5 h，未分解層側(cè)柏—油松—杏樹混交林吸水速率分別為8.79，5.09 t/(hm·h)，山楊純林為2.99，1.80 t/(hm·h)；半分解層灌木混交林在0.25，0.5 h吸水速率為8.01，4.74 t/(hm·h)，油松側(cè)柏混交林為3.42，1.95 t/(hm·h)。

圖2 枯落物吸水速率與浸泡時間過程曲線

對枯落物持水量、持水速率與浸泡時間進行擬合，表明持水量與浸泡時間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，持水率與浸泡時間呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系(表3)

2.3 枯落物持水特性差異

枯落物的持水能力受林分組成、分解度、含水量以及厚度等因素影響。由圖1可知，6種林分最大持水量有一定差異，未分解層最大持水量依次為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅲ，最大持水量范圍在8.04～12.12 t/hm，持水率大小依次為Ⅲ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅱ，其中刺槐純林最大持水率最大，為330%，其次是側(cè)柏—油松—杏樹混交林(323%)，最小為山楊純林，為170%；未分解層油松與山楊最大持水量無顯著差異(<0.05)，其他4種林分之間無顯著差異(<0.05)。由圖3可知，半分解層最大持水量大小依次為Ⅳ>Ⅵ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ，其中持水量最大是油松—側(cè)柏混交林，為17.53 t/hm，最小為11.42 t/hm。半分解層最大持水率與未分解層差異較大，排序為Ⅱ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ，吸水速率范圍在138%～288%，整體波動范圍較大；半分解層中，油松、刺槐、灌木林之間無顯著差異(<0.05)，山楊與側(cè)柏—油松—杏混交林之間無顯著差異(<0.05)，刺槐和油松—側(cè)柏混交林無顯著差異(<0.05)。

表3 枯落物持水量、持水速率與浸泡時間關(guān)系

2.4 枯落物攔蓄力分析

攔蓄量直接體現(xiàn)枯落物的水源涵養(yǎng)能力，與林分種類、枯落物厚度、濕度等有密切聯(lián)系。最大攔蓄量是枯落物吸水極限值，但在實際中枯落物的穩(wěn)定持水量為最大攔蓄量的85%，也就是有效持水量。由圖4可知，本研究中6種林分總最大攔蓄量依次為山楊(18.57 t/hm)>油松—側(cè)柏(18.52 t/hm)>灌木林(16.48 t/hm)>油松(16.03 t/hm)>刺槐(15.77 t/hm)>側(cè)柏—油松—杏(15.70 t/hm)，各林分總最大攔蓄量差異不大；6種林分總有效攔蓄量規(guī)律與最大攔蓄量規(guī)律有一定的相似性，大小依次為山楊(15.04 t/hm)>油松—側(cè)柏(14.44 t/hm)>灌木林(12.78 t/hm)>側(cè)柏—油松—杏(12.75 t/hm)>刺槐(12.39 t/hm)>油松(12.33 t/hm)。總最大攔蓄量和有效攔蓄量中，山楊與其他5種林分之間存在顯著差異，其他5種林分之間均無顯著差異(<0.05)。攔蓄率可以反映林分枯落物吸水力，與林分種類有直接聯(lián)系。本研究中，最大攔蓄率最高為側(cè)柏—油松—杏混交林，為455.31%，其次為刺槐林(374.16%)、灌木林(358.11%)、山楊林(357.06%)、最小為油松林和油松—側(cè)柏混交林，分別為276.71%，276.72%；有效攔蓄率大小依次為側(cè)柏—油松—杏(369.01%)>刺槐(301.94%)>山楊(288.37%)>灌木林(280.11%)>油松—側(cè)柏(215.69%)>油松(213.88%)。最大攔蓄率和有效攔蓄率中，油松與油松—側(cè)柏混交林之間無顯著差異(<0.05)，山楊、刺槐與灌木林之間無顯著差異(<0.05)，刺槐與側(cè)柏—油松—杏混交林之間無顯著差異(<0.05)。

圖3 6種林分最大持水量和持水率

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

3.1 枯落物層厚度和蓄積量

枯落物的蓄積量受林分類型和結(jié)構(gòu)、降水、溫度、累積時間、外界干擾等多種因素影響。本研究中6種林分干擾度分布在無干擾到中度干擾之間。枯落物未分解層厚度最大為山楊純林，最小為灌木林，山楊樹葉較大，形成枯落物孔隙較大，相對比較疏松，二者均為輕度干擾(0.3～0.5)；研究區(qū)灌木林大多屬于自然更新，密度較小，枯落物層分解速度較快，灌木林在路邊，有輕度人為干擾。未分解層中，油松—側(cè)柏混交林厚度最大、受踩踏的中度干擾，側(cè)柏—油松杏混交林厚度最小、受輕度干擾，說明一方面踩踏后油松—側(cè)柏混交林枯落物層分解速度較慢，另一方面針闊樹種混交的枯落物層分解速度較快。6種林分枯落物總厚度來看，側(cè)柏—油松—杏樹混交林最小，只有0.57 cm，說明在針闊混交林種，枯落物分解和循環(huán)速度最快，這與楊寒月等、馮楷斌等研究結(jié)果一致。一般來說，枯落物厚度與蓄積量呈正比關(guān)系，但在實際情況中，枯落物厚度受其成分、堆積狀態(tài)和干擾程度影響較大。此外，本研究的6種林分中，枯落物總厚度最大為山楊，蓄積量最大為油松—側(cè)柏混交林，最小為針闊混交林(側(cè)柏—油松—杏)，表明針葉林的枯落物木質(zhì)纖維含量較高，分解速度較慢，林內(nèi)容易形成較厚的枯落物層。

3.2 枯落物持水特性

6種林分除山楊林以外，半分解層最大持水量均大于未分解層持水量，其中油松—側(cè)柏最大，山楊最小；未分解層最大持水率均大于半分解層，刺槐最大，灌木林最小，山楊林在小溪旁，枯落物長期受河水浸泡，形成一定差異。6種林分枯落物總最大持水量大小依次為油松—側(cè)柏(27.90 t/hm)>油松(24.65 t/hm)>灌木林(24.61 t/hm)>山楊(23.54 t/hm)>刺槐(22.54 t/hm)>側(cè)柏—油松—杏(20.02 t/hm)，主要是油松—側(cè)柏混交林和油松林分受到?jīng)_擊和踩踏等干擾較多，且二者蓄積量較大，造成其持水?dāng)r蓄能力相對其他林分較強。各林分總最大持水率最大為側(cè)柏—油松—杏樹混交林(277.89%)，其次是灌木林(263.03%)、山楊林(212.27%)，最小為刺槐林(187.40%)，側(cè)柏—油松—杏混交林平均林齡較小，林分距離道路較近，枯落物層相對干燥，持水性能較強，也說明混交林水源涵養(yǎng)能力較好。6種林分持水速率中，總體以混交林和闊葉樹種瞬時吸水速率較大，針葉樹種較慢，這與林分類型有直接關(guān)系，與劉斌等、魏強等研究結(jié)果一致?？萋湮?層持水量與浸泡時間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，持水率與泡水時間呈冪函數(shù)關(guān)系，這也與馬曉至等對枯落物吸水特性研究結(jié)果一致。

3.3 枯落物水源涵養(yǎng)力

枯落物的攔蓄量可以直接反映枯落物水源涵養(yǎng)能力，最大攔蓄量是枯落物浸泡在靜止水中的最大含水量，但實際降水過程中，有效攔蓄量是真實體現(xiàn)某一林分枯落物的水源涵養(yǎng)效果。本研究6種林分中，山楊林分的有效攔蓄量最大(15.04 t/hm)，最小為油松林(12.33 t/hm)，這可能由于山楊林大多位于研究區(qū)海拔較低的坡下位置，林下枯落物累積較厚，且闊葉樹種枯落物吸水性能強。研究區(qū)屬于自然保護，區(qū)域內(nèi)人為干擾較為明顯，且研究區(qū)部分石質(zhì)山區(qū)，坡度較陡，對一些針葉純林林下枯落物容易受降雨沖刷，形成枯落物在坡上、坡下厚度差異較大，水源涵養(yǎng)和水土保持效果較差，本研究區(qū)中油松純林、刺槐純林這種現(xiàn)象尤為明顯，造成其攔蓄量和攔蓄率均較低的原因。

4 結(jié) 論

(1)天龍山森林公園內(nèi)6種林分枯落物厚度因其干擾度不同有明顯的差異，枯落物層最厚為山楊林，蓄積量最大為油松—側(cè)柏混交林；最薄為側(cè)柏—油松—杏樹混交林，其蓄積也為最小。

(2)6種林分枯落物半分解層最大持水量均大于未分解層持水量，總最大持水量為油松—側(cè)柏，側(cè)柏—油松—杏樹混交林總持水量最小，枯落物吸水速度均在2 h達最高。

(3)6種林分有效攔蓄量也受到較為明顯的人為干擾，最大為山楊，油松最小，其中灌木林、側(cè)柏—油松—杏樹混交林和刺槐最大攔蓄差異不大。側(cè)柏—油松—杏樹混交林的有效攔蓄率最大，最小為油松—側(cè)柏和油松，闊葉樹種有效攔蓄能力大于針葉樹種。