元陽梯田水源區優勢樹種枯落物水文特性

陳治成，宋維峰，魏 崢，馬 菁，劉宗濱

（西南林業大學 環境科學與工程學院，昆明650224）

元陽梯田水源區優勢樹種枯落物水文特性

陳治成，宋維峰，魏 崢，馬 菁，劉宗濱

（西南林業大學 環境科學與工程學院，昆明650224）

對元陽梯田水源區優勢樹種枯落物水文特性的研究，有利于進一步揭示森林的水源涵養功能。通過野外調查采樣與室內試驗分析，對元陽梯田優勢樹種枯落物儲量、持水能力、攔蓄能力以及持水過程進行了研究。結果表明：枯落物總儲量為6.06～8.2 t/hm2，半分解層的枯落物儲量絕大多數要大于未分解層；枯落物總厚度為6.1～8.8 cm，半分解層厚度大于未分解層；枯落物半分解層自然含水率要明顯高于未分解層；枯落物半分解層最大持水量要大于未分解層最大持水量，但是優勢不明顯，總枯落物層最大持水率為132.1%～247.3%；枯落物總的有效攔蓄量為2.07～8.01 t/hm2，其中未分解層的有效攔蓄量要大于半分解層；枯落物層持水量與吸水速率隨時間變化過程中，在0～2 h時間段內變化較大，浸水8 h后，持水量與吸水速率兩者的變化曲線均比較平緩，變化幅度較小；枯落物層持水量與浸水時間存在顯著的對數關系，枯落物吸水速率與時間存在顯著的冪函數關系。

元陽梯田；枯落物；持水量；有效攔蓄量；吸水速率

在森林水分循環過程中，林下枯落物具有較強的持水特性，體現了森林的涵養水源功能[1]。林地枯落物結構比較疏松，具有較強的吸水和持水能力，其作用可以攔蓄降水、減少水土流失、降低和減弱降水對林地表層土壤的沖蝕、減少地表徑流和林地表層土壤水分的蒸發，同時對林下土壤的形成和其成分組成產生重要影響[2-3]。目前，許多學者在枯落物的儲量、持水特性、攔蓄降水、涵養水源等方面進行了大量研究，并取得一定成果[2-7]。當前，對元陽梯田水源區優勢樹種水文特性方面的研究還比較少，本研究通過野外調查取樣和室內試驗分析，對元陽梯田水源區優勢樹種枯落物水文特性進行系統研究，進一步揭示當地典型樹種的水源涵養功能，為梯田的開發利用和保護提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于云南省南部哀牢山脈南段的元陽縣境內，研究區為元陽哈尼梯田核心區上方水源林區全福莊小寨小流域（102°46′10″—102°46′16″E，23°05′38″—23°05′50″N）。研究區屬于中低山丘陵地貌，海拔1 500～2 100 m，為亞熱帶山地季風氣候，年平均氣溫為20.5℃，年最高氣溫37.5℃，年最低氣溫0.6℃；年降水量1 500～2 000 mm；年蒸發量1 184.1 mm；年均日照時數1 820.8 h[1，8]。研究區內森林茂密，植物種類多種多樣。研究樣地基本情況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與枯落物儲量測定 在全福莊小寨小流域內，選取兩塊當地優勢樹種比較集中的樣地（表1），分別為：山頂西南山茶林樣地和旱冬瓜、元江栲林樣地，其中綜合考慮地形和坡向等因素，在前者設置3個標準樣地，大小為20 m×20 m，后者設置2個標準樣地，大小為10 m×10 m。在西南山茶林樣地內沿對角線方向設定5個1 m×1 m的大樣方，后者樣地用同樣方法取2個1 m×1 m的大樣方。在樣方內，隨機選取15個點（7個樣方中每個樣方隨機選2或3個測量點，這15個點是測量點，與下文圖表中的樣點不同，下文中的樣點即為選取的7個樣方）來測定枯落物各層次的厚度，取其平均值；按未分解層和半分解層（未分解層指基本上保持原有形狀和質地的枯枝落葉，半分解層為只有部分植物組織殘余尚保持原來形態）收集樣品，標記、稱重，并帶回實驗室；將枯落物樣品放在80℃下烘干，稱重，測定其自然含水率。枯落物儲量以其干物質重計。

表1 研究樣地的基本情況

1.2.2 枯落物持水過程測定 采用室內浸泡法[9]，將枯落物放入清水中浸泡0.25，0.5，1，2，4，6，8，14，24 h，并稱重（取出稱量時，靜置5 min直至不再滴水），共計9次。以浸水24 h的持水量記為枯落物的最大持水量[10]。持水量為枯落物濕重與干重的差值，吸水速率為持水量與浸水時長的比值。

1.2.3 枯落物攔蓄量測定 枯落物的實際攔蓄能力一般用枯落物的有效攔蓄量來表示[2，11]，其表達式為：

式中：M為有效攔蓄量（t/hm2）；Rm為最大持水率（%）；R0為平均自然含水率（%）；M0為枯落物儲量（t/hm2）；0.85為系數[12]。

2 結果與分析

2.1 枯落物儲量

由表2可看出，枯落物總儲量為6.06～8.20 t/hm2，未分解層為2.84～4.19 t/hm2，半分解層為3.17～4.26 t/hm2，半分解層的枯落物儲量絕大多數要大于未分解層；枯落物總厚度為6.1～8.8 cm，未分解層為2.4～3.3 cm，半分解層為3.3～5.5 cm，其中半分解層厚度大于未分解層，除樣點4外，其他各樣點枯落物總厚度平均為6.4 cm且分布較均勻；通過對表中枯落物儲量和厚度數據進行對比可看出，枯落物儲量與其厚度存在著一定的正相關關系，即樣點中枯落物厚度大，其枯落物儲量也大。

2.2 枯落物持水量

枯落物持水能力指標一般包括持水量、持水率、吸水速率和攔蓄量等。在對枯落物持水指標進行測定時，一般使用枯落物干物質的持水量、持水率和吸水速率等來表示[11-13]。

2.2.1 枯落物持水能力及特性 枯落物自然含水率不僅可以顯示出枯落物自然狀態下持水特性，在計算枯落物持水量指標時也不可缺少。從表3可以看出，兩塊樣地枯落物半分解層自然含水率要明顯高于未分解層；山頂的西南山茶林枯落物自然含水率比旱冬瓜和元江栲林樣地的自然含水率要高；山頂西南山茶林未分解層平均自然含水率＞50%，半分解層平均自然含水率＞135%，枯落物平均自然含水率＞95%；旱冬瓜與元江栲林未分解層平均自然含水率＜20%，半分解層平均自然含水率＜60%，枯落物平均自然含水率＜50%。

表2 枯落物儲量與厚度

表3 枯落物持水能力分析

持水量可以表示枯落物實際吸持水分的多少，在表3中，枯落物未分解層最大持水量為0.44～0.8 kg/m2，半分解層最大持水量在0.62～0.85 kg/m2，其中樣點4（0.44 kg/m2）未分解層最大持水量值最小；總枯落物層最大持水量在1.08～1.6 kg/m2，其均值約為1.38 kg/m2；除樣點1外，枯落物半分解層最大持水量要大于未分解層最大持水量，可看出枯落物半分解層實際吸持水分量要大于未分解層，但是優勢不明顯。枯落物未分解層最大持水率樣點4（105.8%）最小，樣點1（281.4%）最大，均值為206.4%；半分解層最大持水率最小的是樣點4（159.6%），最大的是樣點2（239.7%），均值約為194.3%；總枯落物層最大持水率為132.1%～247.3%，均值198.2%。由此可見，枯落物最大可吸收其自重（干重）的1.3～2.5倍的降雨。

2.2.2 枯落物有效攔蓄量 由表3可知，枯落物未分解層的有效攔蓄量為1.41～5.09 t/hm2，其中樣點4（1.41 t/hm2）最小，與其他樣點值相差較大，除樣點4外，未分解層有效攔蓄量均值為4.45 t/hm2，相當于攔蓄0.45 mm深度的降雨；半分解層的有效攔蓄量為0.66～3.9 t/hm2，其均值為1.98 t/hm2，相當攔蓄0.2 mm的降雨；枯落物總的有效攔蓄量為2.07～8.01 t/hm2，均值約為6 t/hm2，相當攔蓄0.6 mm的降雨；枯落物未分解層的有效攔蓄量要大于半分解層，即未分解層的實際攔蓄能力要大于半分解層。

2.3 枯落物持水過程分析

2.3.1 枯落物持水量與時間關系 由圖1可知，各樣點枯落物及其未（半）分解層的持水量隨時間變化的總體趨勢是相似的。隨著時間的增加，未分解層、半分解層和總枯落物層持水量也在增加，三者都是在起始階段（0～2 h）持水量增加較快速，6 h后三者均接近其自身的最大持水量，8～10 h后持水量隨時間變化已經不是太明顯，持水量增加很小；樣點4在3幅圖中持水量值均比較小。利用Excel軟件對3組數據進行擬合發現，未分解層、半分解層和總枯落物層持水量與時間關系按以下對數方程變化：

式中：y為枯落物持水量（kg/m2）；x為浸水時間（h）；a，b為常數。

利用Excel和SPSS軟件對未分解層、半分解層和總枯落物層持水量與時間關系進行對數方程擬合，由表4發現擬合相關系數R2均大于0.83，擬合效果較好，即可得出枯落物各層次持水量與時間呈顯著的對數關系。

2.3.2 枯落物吸水速率與時間關系 根據圖2可看出，各樣點的不同枯落物層的吸水速率和時間關系的變化曲線是相似的。在0～2 h這個時間段內，各枯落物層吸水速率變化較大，隨時間增加吸水速率快速下降；8 h以后，各枯落物層曲線較平緩，并逐漸接近于0。結合枯落物持水量與時間關系可知，在枯落物在達到其最大持水量時，其吸水速率也接近于0。通過Excel對數據進行曲線擬合處理可發現，枯落物吸水速率與時間按如下冪函數變化：

式中：y為枯落物吸水速率[t/（hm2·h）]；x為浸水時間（h）；a，b為常數。

圖1 枯落物、未分解層枯落物、半分解層枯落物持水量與浸水時間的關系

利用SPSS對枯落物吸水速率和時間關系進行冪函數方程擬合分析，根據表4可知，擬合相關系數R2要大于0.95接近1，擬合效果極好，由此可知枯落物吸水速率與時間存在顯著的冪函數關系。

圖2 枯落物、未分解層枯落物、半分解層枯落物吸水速率與浸水時間的關系

表4 枯落物持水過程分析

3 討論與結論

3.1 討論

枯落物儲量是衡量森林植被枯落物非常重要的一個指標，對于森林涵養水源功能研究有重要意義[1，14]。本研究發現元陽梯田水源區優勢樹種枯落物層厚度大，其儲量也大，其中半分解層的枯落物儲量絕大多數要大于未分解層，其厚度也大于未分解層，這與周祥等[11]研究結果相一致。其中樣點4的枯落物各層次在進行試驗收集時，由于其所在樣方內枯枝枯干較多，枯葉及其他枯落物成分相對較少，造成其試驗結果與所在同一樣地的其他樣點的數據有很大的偏差，對枯落物持水試驗也有很大影響。對于枯落物儲量和厚度的關系，在一般情況下是厚度越大儲量越大，但是樹種組成、樹齡、累積年限和水熱條件等各種因素對其結果也會產生很大影響[2-3，12-15]。

森林枯落物持水能力體現了森林的涵養水源功能，在森林水分循環過程中有重要影響[11-13]。在本研究中可發現山頂西南山茶林樣地的枯落物自然含水率要大于旱冬瓜和元江栲林樣地，這主要是因為前者所處海拔較高，由于當地氣候等因素影響，在山頂西南山茶林樣地會經常出現水霧受到霧水的影響較大，其空氣濕度明顯高于海拔相對較低的旱冬瓜和元江栲林樣地，因此前者自然含水率要大于后者。樣點4的最大持水量、有效攔蓄量和最大持水率值均比較小，這主要是因為其枯落物成分中枯枝枯干比重較大造成其儲量大，而枯枝干吸持水分能力又相對較弱，使得樣點4的值比較小。枯落物未分解層的有效攔蓄能力要高于半分解層，在山頂的西南山茶林樣地尤為明顯，其原因為：未分解層分布在半分解層之上能夠首先攔截降水；半分解層的自然含水率明顯高于未分解層；半分解層枯落物儲量雖大于未分解層，但差距不是很明顯。

枯落物層持水量和吸水速率隨浸水時間的變化存在著顯著的對數和冪函數關系[2-3，12，15]。枯落物層在浸水的起始階段（0～2 h），其持水量和吸水速率變化都很大；浸水8 h后，枯落物層的持水量和吸水速率變化較小。因為浸水開始時，枯落物是從干物質進入持水（吸水）狀態，枯落物成分間存在較大的水勢差，所以其持水量和吸水速率開始時變化明顯（持水量增加，吸水速率減小），最后經曲線擬合發現枯落物層持水量與浸水時間存在顯著對數關系，吸水速率與浸水時間存在顯著的冪函數關系，馬正銳[2]、王波[3]、周祥[12]和張洪江[15]等在相關研究中均發現了這一點。

3.2 結論

（1）枯落物總儲量為6.06～8.20 t/hm2，半分解層的枯落物儲量絕大多數要大于未分解層；枯落物總厚度為6.1～8.8 cm，半分解層厚度大于未分解層；枯落物儲量與其厚度存在著一定的正相關關系，即枯落物厚度越大其儲量也越大。

（2）枯落物半分解層自然含水率要明顯高于未分解層；除樣點1外，枯落物半分解層最大持水量要大于未分解層最大持水量，但是優勢不明顯；總枯落物層最大持水率為132.1%～247.3%；枯落物總的有效攔蓄量為2.07～8.01 t/hm2，其中未分解層的有效攔蓄量要大于半分解層，即未分解層的實際攔蓄能力要大于半分解層。

（3）枯落物層持水量與吸水速率隨時間變化過程中，在0～2 h時間段內變化較大，浸水8 h后，持水量與吸水速率兩者的變化曲線均比較平緩，變化幅度較小；枯落物層持水量與浸水時間存在顯著的對數關系，枯落物吸水速率與時間存在顯著的冪函數關系。

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Hydrological Characteristics of the Dominant Tree Species in the Water Source Area of Yuanyang Terrace

CHEN Zhicheng，SONG Weifeng，WEI Zheng，MA Jing，LIU Zongbin
（College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming650224，China）

The research on hydrological characteristics of dominant tree species in the water source area of Yuanyang terrace is conducive to further revealing the water conservation function of forest.Using the methods of field investigation，sampling analysis and laboratory experiments，we investigated the litter reserves，holding water ability，interception capacity and water holding process of dominant tree species of Yuanyang terrace.The results showed that the total reserves of litter was 6.06～8.2 t/hm2，half-decomposed litter was more than un-decomposed litter；the total thickness of litter layer was 6.1～8.8 cm，thickness of the half-decomposed litter layer was greater than that of the un-decomposed layer；the natural water content of half-decomposed litter layer was significantly higher than that of the un-decomposed layer；the maximum water holding capacity of half-decomposed litter layer was greater than the maximum water holding capacity of un-decomposition litter，but the difference was not obvious，the maximum water holding rate of total litter ranged from 132.1%to 247.3%；the effective interception amount of total litter was 2.07～8.01 t/hm2，of which the un-decomposed effective interception amount was greater than that of the half-decomposed layer；changes of water holding capacity and water absorption rate of litter during the period of 0～2 h was large，the curves of both water holding capacity and water absorption rate were relatively flat and the change was little after soaking 8 h；relationship between water holding capacity of litter and water immersion time could be described by logarithmic function，and relationship between water absorption rate and time could be described by power function.

Yuanyang terrace；litter；water holding capacity；the amount of effective interception；absorption rate

S714

A

1005-3409（2017）01-0135-05

2016-01-04

2016-02-05

國家自然科學基金“基于氫氧同位素技術的哈尼梯田水源區土壤水分運移規律研究”（41371066）

陳治成（1988—），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向為森林水文。E-mail：czcqgq98＠163.com

宋維峰（1967—），男，甘肅會寧人，博士，教授，主要從事生態水文和森林水文研究。E-mail：songwf85＠126.com