河北太行山典型水土保持經(jīng)濟林枯落物持水特性

龐夢麗, 孫明陽, 王明遠, 屈 宇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北 保定 071000)

河北太行山典型水土保持經(jīng)濟林枯落物持水特性

龐夢麗, 孫明陽, 王明遠, 屈 宇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北 保定 071000)

選取河北太行山區(qū)典型坡面經(jīng)濟林板栗、蘋果與立地條件相近的荒坡的枯落物蓄積量與持水能力進行研究。結(jié)果表明：枯落物總蓄積量范圍為6.62～15.83 t/hm2，表現(xiàn)為板栗林總蓄積量最大，荒坡總蓄積量最小。枯落物最大持水量變化范圍為13.41～53.9t/hm2。板栗林有效攔蓄量可達42.23 t/hm2，在各林分中最大；荒坡有效攔蓄量為19.55 t/hm2，在各林分中最小。枯落物持水量、吸水速率均與浸泡時間呈相關(guān)關(guān)系，前者為對數(shù)關(guān)系(R>0.97)，后者為冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。綜合分析各林分枯落物層的持水能力，可知水土保持經(jīng)濟林持水能力遠大于荒坡。

太行山; 水土保持經(jīng)濟林; 枯落物; 持水特性

作為森林與土壤的重要媒介，枯落物發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、防止水土流失的功能[1]。一般將枯落物分為未分解層和半分解層兩個層次。未分解層是指大致保留原狀及質(zhì)地的枯枝落葉，而半分解層是指還未全部腐敗、人眼可分辨其大體形狀的枯枝落葉[2]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)最具活力的功能層次之一，枯落物層由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松且分布廣泛，可顯著截持降雨，削弱雨水對土壤的直接沖刷；且具有減少地表水分蒸發(fā)，減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)的功能，在水源涵養(yǎng)、水土保持，以及促進生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮的作用不可忽視[3-4]。枯落物的蓄積量以及持水能力是研究森林生態(tài)功能的重要依據(jù)和理論基礎(chǔ)[5-6]。

河北省太行山區(qū)存在地域土壤瘠薄、植被面積小，水土流失及旱澇災(zāi)害頻發(fā)等問題。廣大人民積極探索、努力實踐，以林業(yè)為主的水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)，因地制宜、適地適樹進行林草建設(shè)等綜合治理。現(xiàn)有研究成果表明這些措施已對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟建設(shè)起到非常積極的作用。本研究選擇該區(qū)典型水土保持林經(jīng)濟林板栗、蘋果以及對照荒坡為研究對象，對其枯落物水文效應(yīng)進行了研究，以期揭示不同林分的水源涵養(yǎng)能力，進而為研究區(qū)水土保持經(jīng)濟林的保護、提質(zhì)、改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于太行山中南部的河北省邢臺市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村。該區(qū)為片麻巖山區(qū)，位于太行山南段東麓，地理坐標(biāo)113°45′—115°50′E，36°45′—37°48′N，海拔518～1 200 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱，夏季高溫多雨，平均氣溫11.6℃，最高氣溫為38℃，最低氣溫為-19℃，氣溫年較差為28～30℃；年均降水量523 mm，多集中在7—8月份，年降水變率為26%，無霜期180 d。土壤以褐土為主，類型為壤土或砂壤土。主要喬木樹種栓皮櫟(Quercusvariabilis)，側(cè)柏(Platycladusorientalis)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，油松(PinustabulaeformisCarr.)，經(jīng)濟林樹種主要有蘋果(MaiuspumilaMill.)，板栗(CastarieamollissimaBl.)和核桃(JuglansregiaL.)等。主要灌木有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)，酸棗(ZiziphusjujubaMill.var.spinosa Hu ex H)，杭子梢(Campylotropis)，胡枝子(LespedezabicolorTurcz)，雀兒舌頭(LeptopuschinensisPojark.)等，草本多為白蓮蒿(ArtemisiasacrorumLedeb)，中華卷柏(SelaginellasinensisSpring)，三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.)，叢生隱子草(CleistogenescaespitosaKeng)等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

于2015年8月實地考察研究區(qū)植被特征，選擇了該區(qū)典型的坡面經(jīng)濟林板栗、蘋果以及荒坡作為研究對象。在各林分中分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個，記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度，并進行每木檢尺，測量胸徑、樹高等因子，郁閉度采用樣點法目測確定。樣點法是估算林分郁閉度方法簡單、快速實用，在林分郁閉度調(diào)查中被廣泛應(yīng)用[7]，在樣地兩條對角線上每隔2 m處設(shè)置樣點，觀察樣點是否被樹冠遮蓋，統(tǒng)計被遮蓋樣點數(shù)即可算出郁閉度：郁閉度=被樹冠遮蓋的樣點數(shù)/樣點總數(shù)。樣地基本概況見表1。

表1 各林分樣地概況

2.2 枯落物蓄積量調(diào)查

在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置100 cm×100 cm的樣方3個，用鋼尺測定各樣方內(nèi)枯落物層厚度，按枯落物未分解層、半分解層分別收納入尼龍袋內(nèi)，快速稱取鮮重。取樣時盡可能保持枯落物樣品的原始狀態(tài)，將樣品取回后用干燥箱在80℃恒溫條件下烘至恒重，并計算各林分類型枯落物的蓄積量。

2.3 枯落物持水特性測定

采用室內(nèi)浸泡法[7]，取恒溫烘干的枯落物適量(按不同分解層)裝入孔隙細(xì)密的網(wǎng)紗袋內(nèi)，保證枯落物樣品不會從網(wǎng)紗袋中漏出，使其充分浸沒在水中，分別在0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時將其取出懸掛至不滴水后迅速稱重，計算在各時段不同分解層次的持水量和持水速率。計算公式如下：

(1)

Vt=Rt/T

(2)

式中：Rt表示t時間的持水量(g/kg)；Vt表示t時間吸水速率(g/(kg·h))；Mt表示t時間枯落物濕重(g)；M0表示枯落物干重(g)；T表示浸水時間。

(3)

Qm=M×Rm

(4)

式中：Rm表示最大持水率(%)；Qm表示最大持水量(t/hm2)；M24表示枯落物浸水24 h濕重(g)；M0表示枯落物干重(g)；M表示枯落物單位面積儲量(t/hm2)。

2.4 枯落物有效攔蓄量測定

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物對降雨的攔截，減弱降水對坡面沖刷起著十分重要的作用。枯落物對降水的實際攔蓄量多使用有效攔蓄量進行估計[8]，公式如下：

W=(0.85Rm-R0)×M

(5)

式中：W表示有效攔蓄量(t/hm2)；Rm表示枯落物最大持水率(%)；R0表示枯落物自然含水率(%)；M表示枯落物儲量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物厚度與蓄積量

生物量反映森林生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力水平，是森林生態(tài)系統(tǒng)功能的體現(xiàn)[9]。枯落物蓄積量是森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的組成部分，因此是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)第一生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。枯落物蓄積量受到枯落物結(jié)構(gòu)、地表積累時間和微生物等對其分解速度的影響，同時林分結(jié)構(gòu)、氣象因素、枯落物自身特性以及人類活動等因素與枯落物儲量也密切相關(guān)[10]。

從表2中可以看出枯落物總厚度變化范圍為13～36 mm，從大到小依次為板栗>荒坡>蘋果。總蓄積量存在差異，在6.62～15.83 t/hm2范圍內(nèi)變動，板栗>荒坡>蘋果，可知板栗林枯落物蓄積量最大，蘋果林枯落物蓄積量最小，荒坡介于兩者之間。板栗林枯落物蓄積量最大，主要是因為樹種本身葉量大且脫落的栗殼較多，故枯落物年生產(chǎn)量大；蘋果林郁閉度較低而積蓄量最少，這是由于作為該區(qū)主要經(jīng)濟林，所受人為影響較大導(dǎo)致幾乎沒有半分解層枯落物；荒坡林分結(jié)構(gòu)簡單，枯枝落葉組成相對單調(diào)，所以盡管郁閉度較高，枯落物蓄積量優(yōu)勢不明顯。

各林分未分解層占其總儲量的百分比依次為蘋果>荒坡>板栗，可知蘋果枯落物中未分解層比例最大，板栗所占比例最小，荒坡所占比例介于兩者之間。蘋果枯落物幾乎都為未分解層，這是由采摘、清理等人為活動造成；該區(qū)板栗林為魚鱗坑整地模式，利于水源涵養(yǎng)，具有促進枯落物分解的水分條件，故分解程度更高。

表2 各林分類型枯落物厚度和蓄積量

3.2 各林分枯落物的持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 枯落物最大持水量的大小決定于枯落物的累積量和枯落物的最大持水率[11]。從表3可看出，各林分最大持水總量變化范圍為13.41～53.90 t/hm2，從大到小依次表現(xiàn)為，最大值約為最小值的4倍，表明板栗持水能力最強，蘋果持水能力最弱。結(jié)合表2可知，枯落物蓄積量是最大持水量的決定性因素。枯落物持水率是其在一定時段內(nèi)吸收的水量占自身干重的百分?jǐn)?shù),是反映枯落物涵養(yǎng)水分能力的重要指標(biāo)[12]。與最大持水量變化不盡相同，各林分最大持水率范圍為242.38%～409.05%，從大到小依次表現(xiàn)為蘋果>板栗>荒坡，相當(dāng)于各林分枯落物可以吸收其自重2.42倍、3.38倍和4.09倍的降雨。盡管蘋果林的最大持水量較小，然而它的最大持水率明顯大于其他林分，因此仍能維持其較高的蓄水功能。最大持水量可以反映枯落物自身持水能力的大小[13]，但由于降雨因素和枯落物及土壤層的透水性，實際情況中枯落物一般不會被雨水浸泡24 h,使用最大持水量來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力，結(jié)果偏高[14]。

表3 各林分枯落物最大持水率和最大持水量

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 枯落物自然含水量、最大持水量、最大攔蓄量等指標(biāo)無法代表枯落物對降雨的實際截留量，只能反映枯落物層自身持水能力的大小，而枯落物對雨水的實際攔蓄量常用有效攔蓄量來估算[10]，它與枯落物總量、水文狀況和降雨特性等因素有關(guān)。從表4中可知各林分有效攔蓄能力存在差異，有效攔蓄率在未分解層中從大到小依次為蘋果>板栗>荒坡，最高的是蘋果，最低的是荒坡。有效攔蓄量在未分解層中蘋果最大，在半分解層中板栗最大，這表明枯落物蓄積量是影響不同林分有效攔蓄量的主要因素[15]。

表4 各林分枯落物攔蓄能力

3.2.3 枯落物持水量與浸水時間的關(guān)系 由圖1可知，各林分枯落物總持水量變化規(guī)律大體相似。隨著枯落物浸泡時間逐漸增加，單位時間內(nèi)的持水量逐漸減少。未分解層持水量由大到小表現(xiàn)為蘋果>板栗>荒坡，在半分解層中表現(xiàn)為板栗>荒坡。在浸泡初期2 h內(nèi)隨著浸水時間的增加，曲線呈上升趨勢，表明枯落物正處于快速吸水的階段，浸水時間越久，曲線趨于平緩，表明枯落物持水量逐漸穩(wěn)定接近飽和。半分解層枯落物持水在6 h左右基本達到飽和狀態(tài)，之后隨著浸泡時間的推移，持水量基本未發(fā)生較明顯的變化；而未分解層枯落物持水在浸泡6 h后仍繼續(xù)增加，在12 h左右出現(xiàn)飽和狀態(tài)，這表明未分解層持水能力強于半分解層。

圖1 各林分枯落物持水量與浸水時間的關(guān)系

對各林分不同分解層次枯落物在0.5～24 h的持水量與浸泡時間關(guān)系進行回歸分析，可知林分枯落物各層持水量與浸水時間均滿足對數(shù)關(guān)系(表5)。

Q=aln(t)+b

(6)

式中：Q表示枯落物持水量(g/kg)；t表示浸泡時間(h)；a表示系數(shù)；b表示常數(shù)項。

表5 各林分枯落物持水量、持水率與浸水時間的關(guān)系式

3.2.4 枯落物吸水速率與浸水時間的關(guān)系 由圖2可知：各林分枯落物在浸泡1 h內(nèi)吸水速率最大，隨后吸水速率顯著降低，4～6 h時，吸水速率逐漸減小，浸泡24 h時吸水速率趨向于0，說明此時枯落物吸水基本達到飽和。對各林分未分解層和半分解層枯落物的吸水速率與浸水時間的關(guān)系進行擬合方程，得出吸水速率和浸泡時間之間的擬合模型(見表5)為:

V=aebt。

(7)

式中：V表示枯落物吸水速度(g/kg·h)；t表示浸泡時間(h)；a，b表示常數(shù)。可以看出，各層吸水速率與浸水時間均滿足指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，擬合效果比較好。

圖2 各林分枯落物持水速率與浸水時間的關(guān)系

4 結(jié)論和討論

(1) 枯落物蓄積量與枯落物層厚度密切相關(guān),同時受樹種組成、林分郁閉度等因素的影響。各林分枯落物總蓄積量范圍在6.62～15.83 t/hm2，板栗林蓄積量最大，蘋果林蓄積量最小，荒坡介于兩者之間，從而得出蓄積量與枯落物厚度存在簡單正相關(guān)關(guān)系。

(2) 各林分林下枯落物持水量與浸泡時間呈明顯對數(shù)關(guān)系(R>0.97)。通過對板栗林、蘋果林以及荒坡這3種林分類型枯落物持水量的研究可知，枯落物有效攔蓄量以板栗林最大，蘋果林次之，荒坡最小，可知水土保持經(jīng)濟林枯落物的持水能力遠大于荒坡。

(3) 各林分枯落物吸水速率與浸泡時間呈明顯冪函數(shù)關(guān)系(R>0.98)。通過對板栗林、蘋果林以及荒坡這3種林分類型枯落物最大持水率的研究可知，蘋果林最大持水率為最大，板栗林次之，荒坡最小。這說明蘋果林的潛在持水能力最大，以后的經(jīng)營管理中可有意識保留該林分枯落物，以更好的發(fā)揮其涵養(yǎng)水源的功能。

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LitterWater-HoldingCapacityofEconomicForestsforSoilandWaterConservationinTaihangMountainofHebeiProvince

PANG Mengli, SUN Mingyang, WANG Mingyuan, QU Yu

(CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

In order to provide a basis for the construction and planning of soil and water conservation forests of Taihang Mountain, the research for the water-holding capacity of litter was carried out in the four typical forests includingCastaneamollissimaBl.forest，MaluspumiaMill.forest andcontrolledforestland. The litter water holding capacities in different kinds of forest stands were measured by indoor soaking method. The results showed that the litter total storage ranged from 6.62 t/hm2to 15.83 t/hm2; the maximum water-holding volumes of different forests varied from 13.41 t/hm2to 53.9 t/hm2，the order wasCastaneamollissimaBl.forest>controlled forestland>MaluspumilaMill.forest; the effective retaining amount of litter was maximum inCastaneamollissimaBl. forest, while the minimum was found in the controlled forestland. The relationship between water-holding capacity of litter and immersion time could be described by logarithmic relationship (R>0.97), whereas the relationship between litter absorption rate and immersion time could be described by exponential relationship (R>0.98). Therefore，it was concluded from above that the water holding capacities of forestlands were much better than controlled forestland.

Taihang Mountain； soil and water conservation forests； litter； water-holding capacity

S715.7；S727.22

A

1005-3409(2017)06-0200-05

2016-12-06

2016-12-19

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項”太行山干旱退化山地旱澇災(zāi)害生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究”(201504408)

龐夢麗(1990—),女,河南南陽人,在讀碩士研究生,主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究。E-mail:shenqiuse@qq.com

屈宇(1960—),男,河北保定人,副教授,主要從事城市景觀生態(tài)的教學(xué)和研究。E-mail:quyu0312@126.com