北京山區主要人工林枯落物水文效應

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實驗室北京林業大學水土保持學院，100083，北京)

北京山區主要人工林枯落物水文效應

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實驗室北京林業大學水土保持學院，100083，北京)

為探究北京山區主要人工林枯落物水文效應，以北京市懷柔區湯河口鎮莊戶溝小流域油松、刺槐、側柏3種林分為研究對象，利用枯落物現存量樣地調查、浸泡實驗和抗沖槽法，建立枯落物持水量、吸水速率和浸水時間相關關系，定量研究枯落物層水文效應，結果表明:1)3種林分枯落物現存量和總厚度表現為油松最大，分別為6.37 t/hm2和4.0 cm，其次為刺槐，側柏最小。2)3種林分枯落物最大持水量為刺槐＞油松＞側柏，最大持水率為刺槐＞側柏＞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為0～0.5 h內吸水速率最大，4～5 h時吸水速率顯著減緩;刺槐不同層次枯落物的有效攔蓄量均為最強，總有效攔蓄深為2.6 mm，側柏總有效攔蓄深最小，為1.0 mm。3)不同坡度枯落物覆蓋產流產沙實驗表明，在相同坡度條件下，產流時間表現為刺槐＞油松＞側柏＞裸地;徑流速率為裸地＞側柏＞油松＞刺槐;裸地的產流量是3種林地的1.04～1.46倍。

枯落物;水文效應;北京山區

森林枯落物層的生態水文效應作用多樣［1-4］，在截持降水、阻滯地表徑流、減少林地蒸發、改善土壤結構和增強土壤抗沖能力等方面均具有重要的水文效應［5］。我國森林枯落物的最大持水率平均為自身干質量的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］基于三峽庫區森林資源二類清查數據，建立關于浸水時間的持水量和吸水速率系列預測模型，對庫區主要森林植被類型林地枯落物現存量及持水特性進行了研究。劉碩［7］從持水能力、失水特性以及有效攔蓄量等方面對青海省大通縣主要植被類型的枯落物進行分析，發現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，直至達到枯落物的自然含水量。龐學勇等［8］通過對岷江上游中山區低效灌叢林地進行改造，發現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化的趨勢加快。許多學者［9-12］從不同角度對枯落物層的水文效應進行了大量研究，都認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。目前關于油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、側柏(Platycladus orientalis)3種林分枯落物的對比研究相對較少;因此，筆者對北京市懷柔區湯河口鎮莊戶溝小流域主要人工林的枯落物層水文效應進行定量研究，具有一定的科學意義，可為北京山區森林植被對水資源形成過程的調控提供科學參考。

1 研究區自然概況

研究區位于北京市懷柔區北部山區的湯河口鎮莊戶溝小流域(E 116°28'～116°42'，N 40°30'～40°57')，是密云水庫上游白河的一級支流，流域面積85.21 km2。該流域屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫9～9.5℃，最冷1月份氣溫 -7.5～-8℃，負積溫-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，年蒸發量1200 mm，多年平均降水量511 mm。降雨年際年內分配極不均勻，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。由于此氣候特征，造成春、秋季易發生旱災、風災，夏季易發生洪災、澇災。流域因受自然因素的影響，植物組成較單純，層次結構簡單，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 不同林分標準地概況Tab．1 Situations of different forest sample plots

2 研究方法

2.1 枯落物層現存量調查

選擇試驗區油松、刺槐和側柏3種主要人工林為研究對象，每種林分分別設置1個面積為20 m×20 m的標準地，針對不同立地因子進行枯落物現存量的調查，于2009年的5—6月份在每個標準樣地內，選出3～5個具有代表性的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記后，帶回實驗室稱量后于85℃條件下烘干后再稱干質量，用干質量除以樣方面積(0.1 m2)即枯落物現存量。

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。首先稱其質量，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量，然后將其風干，測定風干質量，計算二者差值即為枯落物浸水不同時間的持水量，該差值與對應浸泡時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，此時枯落物濕質量減去其風干后的質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時的濕質量，g;Rw為枯落物風干質量，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降雨的實際攔蓄量。

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

2.3 枯落物層的減流減沙效應

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，裝入厚度為1 cm的不同林分枯落物，在降雨強度為60 mm/h情況下，降雨0.5 h，總降雨量為 30 mm，在 5°、10°、15°坡度下記錄產流時間，待產流穩定后使用亞甲基藍染色法測定徑流流速，并3次測定求平均值;同時將所產徑流全部收集過濾，過濾后烘干，稱量濾紙重量，得出泥沙產量，將上述實驗與無枯落物的情況進行對照，以確定枯落物層的減流減沙功能，上述實驗進行3次重復。

3 結果與分析

3.1 枯落物層的現存量

枯落物層的現存量與林分的生長狀況相關，而枯落物層與林分的發育直接相關，林分的健康生長能增加枯落物層的現存量，同時也受當地氣候及人為干擾等多種因素的影響。

由表2可知，3種林分枯落物儲量不同，分別為油松＞刺槐＞側柏，油松儲量最大，與其林齡大、群落結構復雜、植物多樣性高和凋落物年歸還量大等有關。枯落物層總厚度為油松＞刺槐＞側柏，這是由于不同樹種枯落物的結構和形狀不同，油松為針葉，質地堅硬不易分解，而側柏枝葉呈片狀，質地偏軟，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量均大于未分解層，而側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。可以看出，3種林分的最大持水量表現為刺槐＞油松＞側柏;枯落物最大持水率表現為刺槐＞側柏＞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，這是因為不同林分枯落物的組成及排列方式不同，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間的關系 枯落物持水量與浸水時間的相關關系見表4。在0～0.5 h內，隨浸水時間增加，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，而隨降雨時間的延長，枯落物接近飽和，吸持能力降低。各層持水量在浸水8～10 h時均已基本達到飽和。對浸水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間的關系進行回歸分析，得出

式中:Q為枯落物持水量，g/kg;t為浸水時間，h;a為系數;b為常數項。各林分回歸方程見表5。得出的方程與龐學勇等［8］在川西地區和王鵬程等［5］在三峽庫區的研究結論類似。

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間關系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間的關系 3種林分枯落物的吸水速率與浸水時間具有一定的相關性。3種林分未分解層和半分解層枯落物均在0～0.5 h內吸水速率最大，隨后明顯下降，至4～5 h時下降速度顯著減緩，趨于穩定(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間的關系Fig．1 Correlation between water absorption rate and immersion time of non-decomposed and semi-decomposed litter layers

對3種林分未分解層和半分解層枯落物吸水速率與浸水時間進行擬合，得出

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

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間的變化趨勢一致，半分解層的吸水速率較快。原因應是枯落物經過分解，其內部結構、土壤成分組成發生改變，導致吸水能力增強，因而吸水速率相對較快。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 有效攔蓄量是反映枯落物對一次降水攔蓄的真實指標，其與枯落物數量、水分狀況、降雨特性有關。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，分別為13.32和12.74 t/hm2，總有效攔蓄深為2.60 mm;而側柏枯落物的有效攔蓄能力都為最弱，側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論。

表6 枯落物吸水速率與浸水時間關系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能，另一方面延緩水分進入土壤的過程，增加水土的接觸時間，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，產流時間隨之縮短，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其產流時間較裸地產流時間長約1.44～5.06倍，滯緩徑流流速為裸地的20.5%～56.1%。同一坡度下，產流時間的從大到小表現為刺槐＞油松＞側柏＞裸地;徑流流速表現為裸地＞側柏＞油松＞刺槐，產流時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，延后產流時間。

表8 不同林分與裸地產流時間和徑流流速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，產沙產流量也逐漸增加。當坡度為5°、10°時，各林分之間的產沙量差別不大，當坡度為15°時，各林分的產沙量表現為油松＞側柏＞刺槐，而在3種坡度下，各林分的產流量均表現為油松 ＞側柏＞刺槐。在坡度為5°、10°、15°時，3種有枯落物覆蓋的地表產沙量分別為裸地產沙量的1.71% ～2.68%、2.79% ～2.95%、16.57%～38.00%。相同坡度下，裸地的產流量是其他3種林分枯落物的1.04～1.46倍;不論是枯落物對降雨的有效攔蓄，還是對徑流的阻滯作用，最終都表現在它對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。林內地表枯枝落葉覆蓋形成保護層，維持土壤結構的穩定，并增加土壤有機質，參與土壤團粒結構的形成，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，應通過補植闊葉樹種或人工營造針闊混交林以提高林分的穩定性，調整枯枝落葉層的組成，有利于提高森林生態系統的水土保持和涵養水源功能。

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

4 結論

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

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，說明闊葉樹種的枯落物吸收水分能力較強，與其葉片形狀和物理性質有關;3種林分各層枯落物均在0～0.5 h內吸水速率最大，4～5 h時下降速度顯著減緩，在浸水8～10 h時均已基本達到飽和并趨于穩定。

3)在相同坡度條件下，有枯落物覆蓋的坡面產流時間明顯長于裸地，徑流流速也明顯較小，3種林分的產流時間與最大持水量順序一致，為刺槐＞油松＞側柏，而徑流流速表現為為側柏＞油松＞刺槐。相同坡度下，裸地的產流量比其他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

項目名稱:林業公益性專項經費項目“典型森林植被對水資源形成過程的調控研究”(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

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

(責任編輯:程 云)