北京市3個(gè)區(qū)域油松枯落物保水功能對(duì)比分析

張向峰，王玉杰，劉 敏

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都610021；2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

隨著北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，其生態(tài)環(huán)境壓力越來(lái)越大，尤其是水資源短缺問(wèn)題。水土保持林在解決水資源短缺問(wèn)題中扮演著重要的角色，且在控制水土流失、防治洪水災(zāi)害、改善生態(tài)環(huán)境條件、促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展起著非常重要的作用。枯落物層作為水土保持林的重要組成部分，具有很好的透水性和吸水性，是實(shí)現(xiàn)水土保持林保水功能的主要作用層，其透水性、吸水性與其自身積累量、含水量和分解程度等因素有關(guān)［1－2］。林地枯落物層是由林木及林下植被凋落下來(lái)的莖、葉、花、枝條和殘?bào)w等形成的一層地面覆蓋層［3－5］。

油松是我國(guó)北方廣大地區(qū)最主要的造林樹(shù)種之一，適應(yīng)性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，是非常好的水土保持林樹(shù)種，在北京地區(qū)保持水土方面起著非常重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了大量研究，在枯落物的凋落量、截持降水、增強(qiáng)土壤入滲和防止土壤侵蝕等方面都取得了一定的成果［6－8］，但由于枯落物保水功能隨區(qū)域、樹(shù)種和自然條件等因素的變化而變化，因此枯落物保水功能研究任重而道遠(yuǎn)。本研究選取北京密云水庫(kù)上游、八達(dá)嶺林場(chǎng)和十三陵林場(chǎng)中油松進(jìn)林枯落物進(jìn)行了定量研究，研究結(jié)果可為北京地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康經(jīng)營(yíng)、評(píng)價(jià)以及水資源保護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于北京市郊區(qū)，包括密云縣密云水庫(kù)上游、延慶縣境內(nèi)八達(dá)嶺林場(chǎng)和昌平縣境內(nèi)十三陵林場(chǎng)3個(gè)區(qū)域。研究區(qū)域概況詳見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域概況

2 研究方法

2.1 枯落物儲(chǔ)量調(diào)查

綜合考慮地形地貌條件、植被類型以及其它因素，選擇具有代表性的油松林樣地作為試驗(yàn)區(qū)，各研究區(qū)域分別設(shè)置1個(gè)20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣地（表2），在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)1m×1m樣方。用鋼卷尺測(cè)量枯落物層的總厚度、未分解厚度和半分解（劃分標(biāo)準(zhǔn)：未分解層是由當(dāng)年植物凋落物組成；半分解層為有機(jī)殘?bào)w部分已被分解，但還沒(méi)有分解徹底。），分層取出原狀枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重和85℃烘干后稱重。

表2 樣地基本情況

2.2 枯落物持水量的測(cè)定

枯落物層的持水量和吸水速率采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定。在烘干后的未分解層、半分解層中分別稱量3個(gè)樣品，樣品重量均為100g。將稱量的樣品分別浸泡于水中后，分別測(cè)定其在0.25，0.5，1，2和4h的重量變化，重復(fù)3次，取平均值。

2.3 枯落物最大持水量和持水率的測(cè)定

枯落物在清水中浸泡24h后取出，靜置5min，至枯落物不滴水為止，迅速稱量枯落物濕重量，然后自然風(fēng)干，測(cè)定風(fēng)干重量。每層重復(fù)3次，取平均值。計(jì)算公式為：

式中：M24——枯落物浸泡24h后枯落物重量均值（g）；M——風(fēng)干后枯落物重量均值（g）；M0——枯落物最大持水量（g）。

式中：Rmax——最大持水率（%）。

2.4 枯落物有效攔蓄量的測(cè)定

有效攔蓄量可用來(lái)估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量。計(jì)算公式［9］為：

式中：W——有效攔蓄量（t／hm2）；Rmax——最大持水率（%）；Ra——平均自然含水率（%）；M——枯落物蓄積量（t／hm2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同區(qū)域枯落物儲(chǔ)量

枯落物儲(chǔ)量在評(píng)價(jià)森林保水功能時(shí)具有非常重要的地位，也是判斷枯落物保水功能的重要指標(biāo)。對(duì)北京地區(qū)密云水庫(kù)上游、八達(dá)嶺林場(chǎng)和十三陵林場(chǎng)油松林枯落物儲(chǔ)量調(diào)查表明（圖1），枯落物總儲(chǔ)量表現(xiàn)為：八達(dá)嶺林場(chǎng)（29.2t／hm2）＞十三陵林場(chǎng)（12.5t／hm2）＞密云水庫(kù)上游（7.2t／hm2），枯落物未分解儲(chǔ)量由大到小依次為：八達(dá)嶺林場(chǎng)＞十三陵林場(chǎng)＞密云水庫(kù)上游，枯落物分解儲(chǔ)量由大到小依次為：十三陵林場(chǎng)＞八達(dá)嶺林場(chǎng)＞密云水庫(kù)上游。

通過(guò)SPSS 17.0方差分析和圖1可以得出，密云水庫(kù)、十三陵林場(chǎng)油松林枯落物總儲(chǔ)量、未分解儲(chǔ)量與八達(dá)嶺林場(chǎng)之間差異性非常顯著（p＜0.01），密云水庫(kù)油松林枯落物總儲(chǔ)量、未分解層儲(chǔ)量、半分解層儲(chǔ)量與十三陵林場(chǎng)之間差異性顯著（p＜0.05），而3個(gè)區(qū)域的半分解層枯落物儲(chǔ)量存在一定差異性。從圖1可以看出，密云水庫(kù)、十三陵林場(chǎng)均表現(xiàn)出半分解層儲(chǔ)量要比未分解層儲(chǔ)量高，而八達(dá)嶺林場(chǎng)側(cè)表現(xiàn)出相反的規(guī)律，這主要是因?yàn)榘诉_(dá)嶺林場(chǎng)油松樹(shù)齡相對(duì)較高，每年新增枯落物凋落量相對(duì)較高，且地勢(shì)相對(duì)較平緩，枯落物流失量相對(duì)較少。

彭云等人［10］研究認(rèn)為相同森林類型隨著年齡的增長(zhǎng)，枯落物總儲(chǔ)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。而本研究結(jié)果中密云水庫(kù)油松樹(shù)齡雖然比十三陵林場(chǎng)油松樹(shù)齡高，但枯落物總儲(chǔ)量卻小于十三陵林場(chǎng)。分析樣地情況，可以看出出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)槊茉扑畮?kù)坡度相對(duì)較高（高達(dá)45°），枯落物很容易流失，因此導(dǎo)致其枯落物總量相對(duì)較低。

圖1 不同區(qū)域枯落物總儲(chǔ)量和各層次儲(chǔ)量

3.2 不同區(qū)域枯落物的持水能力

通常，人們把枯落物浸水24h的持水量和持水率作為枯落物最大持水量和最大持水率，且枯落物最大持水量和最大持水率常作為判斷枯落物保水功能的重要指標(biāo)。圖2為不同區(qū)域枯落物最大持水量和最大持水率。由圖2可以看出，最大持水量表現(xiàn)為：八 達(dá) 嶺 林 場(chǎng) （61.4t／hm2）＞ 十 三 陵 林 場(chǎng) （20.5 t／hm2）＞密云水庫(kù)（8.3t／hm2），最大持水率表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)（260%）＞八達(dá)嶺林場(chǎng)（192%）＞密云水庫(kù)上游（116%）。根據(jù)我國(guó)多年來(lái)研究成果表明，我國(guó)森林枯落物層的最大持水量平均為41.8t／hm2，最大持水率平均為309.54%［8］。3個(gè)區(qū)域與我國(guó)均值對(duì)比可以看出，最大持水量只有八達(dá)嶺林場(chǎng)達(dá)到了均值，其它兩個(gè)地區(qū)小于均值，且相差比較大，尤其是密云水庫(kù)，僅為均值的20%；3個(gè)區(qū)域的最大持水率均小于我國(guó)均值，尤其是密云水庫(kù)，僅為均值的37%。

通過(guò)SPSS 17.0方差分析和圖2可以得出，八達(dá)嶺林場(chǎng)的油松林枯落物最大持水量與其它兩個(gè)地區(qū)之間差異性極為顯著（p＜0.01），而3個(gè)地區(qū)的最大持水率差異性顯著（p＜0.05）。

圖2 不同區(qū)域枯落物最大持水量和最大持水率

3.3 不同區(qū)域枯落物吸水能力

由于山區(qū)森林多位于山坡，基本不具備較長(zhǎng)時(shí)間的浸水條件，且多數(shù)情況下降雨歷時(shí)小于4h，且這個(gè)時(shí)段也是枯落物吸水的最重要時(shí)段，因此，研究枯落物此時(shí)段吸水能力具有著非常重要的實(shí)際意義。枯落物吸水能力常常作為枯落物保水功能的重要指標(biāo)，而枯落物吸水速率常常用來(lái)反映枯落物吸水能力情況。

由表3可以看出，3個(gè)區(qū)域枯落物未分解層、半分解層吸水量與浸泡時(shí)間存在著顯著的線性相關(guān)關(guān)系。3個(gè)區(qū)域枯落物未分解層和半分解層吸水量均隨著時(shí)間增加而增大，吸水量與侵泡時(shí)間存在一定關(guān)系。枯落物吸水速率表示單位時(shí)間內(nèi)枯落物的持水量，枯落物吸水速率對(duì)于評(píng)價(jià)森林對(duì)不同強(qiáng)度降雨的保水功能有著非常重要的意義。3個(gè)研究區(qū)域未分解層枯落物在4h時(shí)段內(nèi)平均吸水速率大小順序?yàn)椋喊诉_(dá)嶺林場(chǎng)＞密云水庫(kù)＞十三陵林場(chǎng)，半分解層枯落物大小順序表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)＞密云水庫(kù)＞八達(dá)嶺林場(chǎng)，枯落物平均吸水速率大小順序表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)＞八達(dá)嶺林場(chǎng)＞密云水庫(kù)。另外，由表3可以看出密云水庫(kù)與八達(dá)嶺林場(chǎng)枯落物吸水速率相差不大。

通常，未分解層枯落物最先開(kāi)始吸水，如果降雨量未滲透過(guò)未分解層時(shí)，吸水能力由未分解層來(lái)決定，那么八達(dá)嶺林場(chǎng)油松枯落物吸水能力最優(yōu)；如果降雨量滲透到半分解層時(shí)，吸水能力由未分解層和半分解來(lái)決定，那么十三陵林場(chǎng)吸水能力最優(yōu)。

表3 不同區(qū)域未分解層和半分解層枯落物吸水特征值

3.4 不同區(qū)域枯落物攔蓄能力

枯落物有效攔蓄量是反映枯落物層對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄情況，因此，有效攔蓄量常用來(lái)反映枯落物的真實(shí)攔蓄能力，也是判斷枯落物保水功能的重要指標(biāo)。有效攔蓄量是反映枯落物對(duì)一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)，其與枯落物數(shù)量、水分狀態(tài)、降雨特性等有關(guān)［11－12］。圖3為不同區(qū)域枯落物攔蓄量。由圖3可以看出，3個(gè)區(qū)域攔蓄量存在差異，通過(guò)SPSS 17.0方差分析，得出3個(gè)區(qū)域攔蓄量存在極顯著的差異性（p＜0.01）。

枯落物攔蓄量表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)（26.8t／hm2）＞八達(dá)嶺林場(chǎng)（9.9t／hm2）＞密云水庫(kù)（1.2t／hm2），且密云水庫(kù)攔蓄量不到十三陵林場(chǎng)的5%，這主要是因?yàn)槊茉扑畮?kù)區(qū)域空氣濕度相對(duì)較高，枯落物自然含水量相對(duì)較高，且枯落物儲(chǔ)量也非常小。

圖3 不同區(qū)域枯落物自然含水率和攔蓄量

4 結(jié)論

枯落物層保水功能是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要部分，森林枯落物保水特性的研究對(duì)森林健康經(jīng)營(yíng)和區(qū)域水資源的保護(hù)具有著重要的意義［13－15］。一般情況下，森林枯落物保水功能是通過(guò)枯落物儲(chǔ)量、最大持水量、最大持水率、吸水速率和攔蓄量5個(gè)重要指標(biāo)來(lái)研究分析。通過(guò)對(duì)北京地區(qū)3個(gè)區(qū)域油松林枯落物保水功能的定量分析，得出枯落物總儲(chǔ)量由大到小依次為：八達(dá)嶺林場(chǎng)（29.2t／hm2）＞十三陵林場(chǎng)（12.5t／hm2）＞密云水庫(kù)上游（7.2t／hm2），最大持水量表現(xiàn)為：八達(dá)嶺林場(chǎng)（61.4t／hm2）＞十三陵林場(chǎng)（20.5t／hm2）＞密云水庫(kù)（8.3t／hm2），最大持水率由大到小表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)（260%）＞八達(dá)嶺林場(chǎng)（192%）＞密云水庫(kù)上游（116%），枯落物平均吸水速率由大到小表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)＞八達(dá)嶺林場(chǎng)＞密云水庫(kù)，枯落物攔蓄量由大到小表現(xiàn)為：十三陵林場(chǎng)（26.8t／hm2）＞八達(dá)嶺林場(chǎng)（9.9t／hm2）＞密云水庫(kù)（1.2t／hm2）。

總得來(lái)說(shuō)，3個(gè)區(qū)域油松林枯落物保水功能均比較差，尤其是密云水庫(kù)；降雨量小于某一范圍時(shí)，八達(dá)嶺林場(chǎng)油松林枯落物保水性能最好；降雨量超過(guò)某一范圍時(shí)，十三陵林場(chǎng)油松林枯落物保水性能最優(yōu)；3個(gè)區(qū)域比較而言，十三陵林場(chǎng)油松林枯落物保水功能要優(yōu)于其它兩個(gè)區(qū)域。

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