賀蘭山4種典型森林類型凋落物持水性能研究

趙曉春，劉建軍，任軍輝，劉 斌，母吉君

（1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌712100；2.寧夏賀蘭山森林生態站，銀川750021；3.內蒙古巴彥淖爾市水土保持站，內蒙古 巴彥淖爾015000）

森林凋落物是指覆蓋在林地礦質土壤表層上的新鮮、半分解的凋落物，它是森林植物地上部分各器官的枯死脫落物的總稱。凋落物層作為森林生態系統中獨特的結構層次，其生態功能并不單純依賴于地上活體部分［1－2］。它不僅在森林生態系統養分循環、維持土壤肥力方面扮演著重要角色，而且在維持森林水量平衡方面起著積極作用［3－4］。森林凋落物一方面由于其結構疏松，削弱了雨滴對土壤的直接濺擊，阻滯和吸收一部分通過林冠而降落到地表的水分；另一方面能增加地表層的粗糙度，大大地減少了地表徑流的產生，增加了土壤水分下滲，因此，森林凋落物對于保持水土和涵養水源具有重要作用［5－6］。

賀蘭山地處我國溫帶草原區與荒漠區的過渡地帶，是銀川平原的天然屏障和水源涵養區，保存著西北干旱區較為罕見的天然森林生態系統，植被類型主要包括荒漠、草原、灌木林、疏林草原、針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林。油松青海云杉混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Picea crassifolia）、油松山楊混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Populus davidiana）、油松純林（pure Picea crassifolia）和青海云杉純林（pure Pinus tabulaeformis）作為幾種最主要的森林類型，在調節氣候、固水保土，尤其是涵養水源方面發揮著異常重要的作用。為此，在該區森林凋落物持水特性研究尚鮮見報道的情況下，本文以賀蘭山自然保護區蘇峪口森林保護生態站主要林型為研究對象，研究森林凋落物層的持水能力，為準確評價其水源涵養、水土保持功能，制定森林經營管理措施提供理論依據。

1 研究區概況

賀蘭山位于東經105°20′－106°40′、北緯38°07′－39°30′，處在典型的大陸性氣候區域范圍內，具有山地氣候特征。其年平均氣溫－0.9℃，極端最高氣溫25.2℃，極端最低氣溫－31.4，≥10℃積溫，山下較高，蘇峪口為3 364℃，山頂最少，賀蘭山氣象站為625℃，年日照時數3 100h，無霜期124d，年均降水量自山麓至高帶為200～600mm，6－8月最為集中。賀蘭山林區植被由于受山形地區的變化以及氣候、土壤、海拔、降水量等條件的差異，植被的垂直分布明顯，自山麓到山頂有5個植被垂直帶，分別為：山麓荒漠草原帶、疏林草原帶、針闊混交林帶、針葉林帶和亞高山灌叢草甸帶。賀蘭山林區森林主要分布在海拔2 000～3 000m的范圍內，絕大部分在陰坡，處在低溫干旱的環境中。

2 研究方法

2.1 標準地選擇

2010年7－9月，在實地調查的基礎上，在研究區內設臨時標準地共55塊（其中油松青海云杉混交林21個，油松山楊混交林10個，油松純林7個，青海云杉純林17個），每塊標準地的面積均為400m2，研究對象均為天然林（試驗地概況見表1）。

表1 試驗林概況

2.2 凋落物儲量調查

在每塊標準地四角及中心位置，機械布設1m×1m的小樣方5個。測定凋落物厚度，然后一次性收集小樣方內的全部凋落物，調查凋落物鮮質量，帶回實驗室取部分烘干（80℃）至恒質量，由此可計算凋落物單位面積的儲量（又稱現存量）和自然含水率。

2.3 凋落物持水性測定

在烘干至恒重的各樣方凋落物中分別取部分凋落物稱重，然后裝入網袋后分別浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，24h后，撈起并靜置5min至凋落物不滴水時稱重，每個植被類型重復3次，取平均值，以研究其吸水速度及吸水過程。用下列公式計算凋落物持水量、凋落物持水率、凋落物吸水速率［7］和凋落物有效攔蓄量［8］。

當凋落物含水量達到飽和時稱最大持水量。一般情況下，凋落物浸水24h后的持水量可視為該凋落物的最大持水量［9］，此時的持水率稱為最大持水率。

2.4 數據處理

采用SPSS 13.0和Excel 2003軟件對數據進行相關性分析和回歸方程的顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 凋落物儲量

一般情況下，凋落物的現存量越多，其水源涵養功能越好［10］。不同樹種組成、森林類型、生長狀況林下的凋落物的儲量也不同。由表2可以看出，研究區4種林分凋落物總儲量大小順序為：青海云杉純林（32.39t／hm2）＞油松云杉混交林（26.6t／hm2）＞油松純林（25.21t／hm2）＞ 油松山楊混交林 （19.74 t／hm2）。

3.2 凋落物持水量

凋落物持水量有隨時間不斷增長的趨勢（圖1）。在浸泡4h后，其持水量開始緩慢增長，浸泡8h后，其持水量隨浸泡時間的變化幅度很小，說明此時凋落物的持水量已基本達飽和。4種林分的最大持水量排序為：青海云杉純林（46.78t／hm2）＞油松云杉混交林（40.11t／hm2）＞油松純林（38.46t／hm2）＞油松山楊混交林（36.35t／hm2）。

表2 不同林分類型凋落物層儲量和持水特性

圖1 凋落物持水量與浸泡時間的關系

由表3可以看出，研究區4種林分各層凋落物的持水量WH與浸泡時間t（0.5～24h）之間均呈極顯著的對數函數關系（P＜0.001），其相關系數（R）均大于0.976 1。

表3 凋落物持水量與浸泡時間的回歸方程

3.3 凋落物持水率

凋落物的持水能力可通過其持水率來反映［11－12］。凋落物的持水率用凋落物吸收的水分與凋落物干質量的比值表示，該比值越大，凋落物的持水能力就越強。研究區不同林分的凋落物在浸泡1.5h后的持水率大小依次為：油松山楊混交林＞油松云杉混交林＞油松純林＞青海云杉純林，浸泡浸泡4h后，凋落物持水率的增幅開始變小，浸泡8h左右時，凋落物持水率趨于飽和，其最大持水率依次為：油松山楊混交林（184.14%）＞油松純林（152.56%）＞油松云杉混交林（150.79%）＞青海云杉純林（144.43%）。油松山楊混交林的凋落物顯示了較強的持水能力。

圖2 凋落物持水率與浸泡時間的關系

研究區4種主要林分凋落物的持水率WR與浸泡時間t（0.5～24h）為極顯著的對數函數關系（P＜0.001），其相關系數（R）均大于0.9761（表4）。說明3種林分各層凋落物持水率隨著浸泡時間的增加而增加。

表4 凋落物持水率與浸泡時間的回歸方程

3.4 凋落物吸水速率

凋落物吸水速率是衡量凋落物截留降水的一個指標。森林凋落物的吸水速率與持水能力緊密相關。吸水速率越大，林內降水涵蓄的速度就越快，從而可以更好地減少地表徑流的［12］。

由圖3可知，研究區各林分凋落物在剛浸入水中時的吸水速率均較高，0.5h后凋落物的吸水速率均明顯降低，此后，隨著時間的推移，吸水速率緩慢變小，8h后吸水基本停止，表明此時的凋落物吸水趨于飽和。雖然研究區不同林分凋落物吸水速率過程線的整體變化趨勢基本一致，但不同林分的吸水速率過程線間還是有所偏離。在剛浸入水中時，研究區油松云杉混交林、油松山楊混交林、油松純林和青海云杉純林凋落物的吸水速率（即最大吸水速率）分別為2 147.37，2 669.71，2 133.28，2 027.1g／（kg·h）。浸泡12h后，各林地半分解層凋落物的吸水速率（即飽和吸水速率）分別為62.83，76.73，63.57，60.18 g／（kg·h）。

圖3 凋落物吸水速率與浸泡時間的關系

研究區4種林分凋落物的吸水速率WA與浸泡時間t（0.5～24h）呈極顯著的冪函數關系（P＜0.001），其相關系數（R）均大于0.99（表5）。

表5 凋落物吸水速率浸泡時間的回歸方程

3.5 凋落物有效攔蓄量

因為最大持水率（量）的測定是將凋落物試樣浸水24h后量測得的結果。而實際上，山地森林的坡面一般不會出現較長時間的浸水條件，因此，最大持水率（量）一般不能反映對實際降水的攔蓄能力，一般用有效攔蓄量來估算凋落物層對降雨的實際滯納能力［13］。由表1看出，不同植物群落凋落物層對降雨的有效攔蓄量：油松山楊混交林＞（15.73t／hm2）油松純林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98t／hm2）＞青海云杉純林（10.7t／hm2）。有效攔蓄降雨最大的油松山楊林凋落物層可截留1.57mm林內降雨；最小的青海云杉純林凋落物層只能截留10.7mm降雨。

4 結論

研究區4種林分凋落物儲量的大小依次為：青海云 杉 純 林 （32.39t／hm2）＞ 油 松 云 杉 混 交 林（26.6t／hm2）＞油松純林（25.21t／hm2）＞油松山楊混交林（19.74t／hm2）；即在平均樹高、平均胸徑和郁閉度都相近的條件下，青海云杉純林的凋落物儲量明顯大于油松純林和油松山楊混交林，這是由于青海云杉為暗針葉林，生長在高海拔地區，生境冷濕更不利于微生物的活動，凋落物的分解速率更低，所以凋落物層的現存積累量最高。再加上云杉林凋落葉質地較硬木質素類難分解物質含量較高，從而導致其分解較慢、儲量較多。而油松山楊混交林的儲量最小應該與凋落物的初始化學成分有關，大量研究表明，凋落物的初始化學成分對凋落物層的性質和分解狀況有較大影響［14－16］。

研究區不同林分的凋落物在浸泡不同時間后，其持水量大小依次為青海云杉純林＞油松云杉混交林＞油松純林＞油松山楊混交林；凋落物的最大持水率大小依次為：油松山楊混交林＞油松純林＞油松云杉混交林＞青海云杉純林；浸泡不同時間段后的吸水速率依次為：油松山楊混交林＞油松云杉混交林≥油松純林＞青海云杉純林，說明研究區4種林分中油松山楊林的凋落物的持水能力較強。這個結果表明凋落物層最大持水量與林分類型、組成結構和儲量有關。

研究區4種林分的凋落物持水量和持水率與浸泡時間皆呈對數關系，而吸水速率與浸泡時間則呈冪函數關系，這種變化趨勢與森林類型無關。該結論與任向榮［17］、李倩茹［18］等的研究結果一致。

凋落物對降雨的有效攔蓄能力與凋落物蓄積量、最大持水率有密切的關系。不同植物群落凋落物層對降雨的有效攔蓄為油松山楊混交林（15.73t／hm2）＞油松純林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98 t／hm2）＞青海云杉純林（10.7t／hm2）。

致謝：對寧夏賀蘭山國家自然保護區管理局的工作人員和寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建研究中心的璩向寧和劉秉儒老師在野外工作中的幫助表示衷心感謝！

［1］ 蘇志堯，陳北光，古炎坤，等.廣州白云山風景名勝區幾種森林群落枯枝落葉層的持水能力［J］.華南農業大學學報，2002，23（2）：84－85.

［2］ 薛立，何躍君，屈明，等.華南典型人工林凋落物的持水特性［J］.植物生態學報，2005，29（3）：415－421.

［3］ 申衛軍，彭少麟，周國逸，等.馬占相思與濕地松人工林枯落物層的水文生態功能［J］.生態學報，2001，12（5）：846－850.

［4］ 龐學勇，包維楷，張詠梅.岷江上游中山區低效林改造對枯落物水文作用的影響［J］.水土保持學報，2005，20（4）：119－122，155.

［5］ 程金花，張洪江，史玉虎，等.三峽庫區幾種林下枯落物的水文作用［J］.北京林業大學學報，2003，25（2）：8－13.

［6］ 王佑民.中國林地枯落物持水保土作用研究概況［J］.水土保持學報，2000，15（4）：108－113.

［7］ 何亞平，費世民，蔣俊明，等.四川長寧竹林凋落物的蓄水功能研究［J］.北京林業大學學報，2006，26（5）：35－40.

［8］ 高人，周廣柱.遼寧東部山區幾種主要森林植被類型枯落物層持水性能研究［J］.沈陽農業大學學報，2002，33（2）：115－118.

［9］ 饒良懿，朱金兆，畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應［J］.北京林業大學學報，2005，27（1）：33－37.

［10］ 常雅軍，曹靖，馬建偉，等.秦嶺西部山地針葉林凋落物持水特性［J］.應用生態學報，2008（11）：2346－2351.

［11］ 曹鶴，薛立，梁麗麗，等.3種生態公益林凋落物的持水特性［J］.土壤通報，2009，40（1）：54－57.

［12］ 趙鴻杰，譚家得，張學平，等.南亞熱帶3種人工松林的凋落物水文效應研究［J］.西北林學院學報，2009，24（5）：54－57，139.

［13］ 劉尚華，馮朝陽，呂世海，等.京西百花山區6種植物群落凋落物持水性能研究［J］.水土保持學報，2007，22（6）：179－182.

［14］ Valachovic Y S，Caldwell B A，Cromack K，et al.Leaf litter chemistry controls on decomposition of Pacific Northwest trees and woody shrubs［J］.Canadian Journal of Forest Research，2004，34：2131－2147.

［15］ Moore T R，Trofymow J A，Prescott C E，et al.Patterns of carbon，nitrogen and phosphorus dynamics in decom－posing foliar litter in Canadian forests［J］.Ecosystems，2006，8：1－18.

［16］ Parton W，Silver W L，Burke I C，et al.Global－scale similarities in N release patterns during l－ong－term decomposition［J］.Science，2007，315：361－364.

［17］ 任向榮，薛立，曹鶴，等.3種人工林凋落物的持水特性［J］.華南農業大學學報，2008，29（3）：47－51.

［18］ 李倩茹，許中旗，許晴，等.燕山西部山地灌木群落凋落物積累量及其持水性能研究［J］.水土保持學報，2009，24（2）：75－78.