麥積山風景區5種典型林分枯落物水文效應研究

何鵬，王具元

(甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020)

作為一個重要主體，陸地系統是整個地球生態系統的一部分。同時，在陸地系統中，森林生態系統又是其中的一項重要構成。它的構成一共可以分為3個層次，即林冠、枯落物、土壤等3個層次。各個層次有其特定的生態功能，且各個功能之間通過一定的紐帶相互聯系，尤其在水文效應過程中他們之間的聯系更加緊密，枯落物層處于林冠層和土壤層之間，起著橋梁的作用。森林枯落物層含有大量的有機物，森林枯落層中含有的有機物，由于土壤下方有多種微生物，這么多微生物一起發揮作用，可以將土壤中的有機物分解成各種腐殖質。腐殖質有多種功能，首先，它可以豐富土壤的結構，優化土壤的性能，充分發揮土壤中毛管的孔隙度功能，進一步增強土壤的鎖水能力。使土壤的抗沖擊性能更強。枯落物的生態功能與種類和數量直接相關，所以，在對森林生態系統進行評價時，選取的一個重要指標就是森林枯落層的水文效應。麥積山風景區位于小隴山，也就是秦嶺山脈的西部地區。關于秦嶺及小隴山森林群落枯落物的水文效應研究比較多[1-4]，但關于麥積山風景區的研究很少。本文通過對麥積山5種林分枯落物層枯落物特征及持水性變化規律的研究，為客觀評價這些林分枯落物層水文生態功能，對該地區的森林結構進行合理保護，以及對麥積山的保護，都能提供理論層面的依據。

1 研究區概況

麥積山風景區位于甘肅省天水市麥積區，地理位置為105°56′—106°10′，34°07′—34°28′ N。麥積山風景區海拔一般在1 400～1 800 m，最高峰可達2 200 m以上。年平均降雨量為600～700 mm，氣溫最高為33 ℃，最低為-15 ℃，一般冬季低溫帶在-8 ℃，無霜期為230 d，日照時數年均為2 307 h左右，空氣相對濕度為85%左右。巖層構造是由紅色砂礫巖層和淺色變質巖所構成，土壤類型多為棕壤土和黃綿土。麥積山風景區內自然資源豐富，風景秀麗，形成自己獨特的山水景觀，觀賞及藥用植物品種繁多，珍禽奇獸較為豐富，有些已為國寶。風景區內植物約有111種，分屬于50個科106個屬。其中有很多是園林中的珍品，如黃花杠柳、云杉、冷杉、水杉、白皮松、紅豆杉，玉蘭樹和野生紫竹、野生百合、金背杜鵑、甘肅瓊花等。

2 研究方法

2.1 樣地調查

根據植被、土壤、土地利用等特性，于2018年8月在麥積山風景區選擇5個不同林分作為本次研究的對象，包括白皮松、銳齒櫟林、油松+遼東櫟林、油松+銳齒櫟林、油松林。在這5個不同林分中，選取400 m2的土地作為標準地，對其中的林木進行測量，同時對其中的植物種類、數量，林分年齡、郁閉度及環境特征進行調查。各樣地基本特征見表1。

表1 不同林分樣地概況

2.2 枯落物蓄積量調查

在每種林分選定區域中均勻的劃分成6個0.5 m×0.5 m的小塊土地，這6塊土地是沿著對角線切分的。對枯落物蓄積量進行調查時，先用標尺測量小塊土地中枯落葉厚度，然后，把小樣方中，可以收集的枯落物全部收集起來，在對其進行挑選分類，稱取樣品的重量，采用取樣方法選擇樣品，將樣品帶回實驗室，使用烤箱把樣品烤干，測出這些枯落物中的含水率，以此為依據換算出調查樣地單位面積的枯落物蓄積量。

2.3 枯落物持水性測定

將枯落物現存量調查用小樣方(1 m×1 m)內的全部枯落物收集后，放在烤箱中烘干之后測他們的質量(W0)，然后將他們放進尼龍材質的紗網中，在有足量水的桶里浸泡0.5、1、2、4、6、12、24 h，將裝有枯落物的尼龍網撈出后放在支架上，讓多余的水分自然滴下，同時用土壤篩將塑料桶內遺漏的枯枝落葉撈出重新裝入尼龍網中，待尼龍網內不再有水珠滴下時，用天平稱其浸水后的質量(W1)。

枯落物的持水率=(W1-W0)/W0×100%

2.4 枯落物有效攔蓄量測定

計算枯落物可攔蓄的實際降水量的時候，需要用到有效攔蓄量這一概念，其計算公式為:

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W為有效攔蓄量，Rm為最大含水率，M為現有枯落物量，R0為平均自然含水率(%)。

3 結果與分析

3.1 不同林分枯落物蓄積量分析

表2 不同林分類型枯落物蓄積量

3.2 不同林分枯落物水文效應

在對表3進行分析得知，枯落物最大持水率和最大持水量受不同林分類型植被的影響是顯而易見的，對持水能力影響最大的一個最主要因素就是枯落物的厚度，所以油松純林枯落物持水量相對其他林分要高。由表3可知，5種林分枯落物持水率均值位于223.29%～275.77%，其中銳齒櫟林枯落物持水率最高，油松林和白皮松林持水率相對較小。不同樹種和相同樹種持水能力變化情況有所不同，這是由于不同林分枯落物持水性能諸多因素的制約，如種類、厚度、林齡、分解狀況、含水率、前期降水情況等。

表3 不同林分枯落物最大持水率和最大持水量

3.2.2 不同林分枯落物攔蓄能力 從表4可知，未分解層枯落物有效攔蓄率依次為銳齒櫟林(344.55%)>油松+銳齒櫟林(309.44%)>油松+遼東櫟林(291.65%)>油松林(280.86%)>白皮松林(263.86%)；半分解層枯落物有效攔蓄率大小排序為銳齒櫟林(323.31% ) >油松+遼東櫟林 (274.34%)>油松+銳齒櫟林(259.37% )>油松林(248.42% )>白皮松林 (216.73% )。

表4 不同林分枯落物攔蓄能力

3.2.3 不同林枯落物持水過程 圖1和圖2是關于分解層和半分解層枯落物的蓄水能力同浸泡時間二者之間的關系圖譜。通過分析圖譜可以得知，未分解層枯落物的蓄水能力和將他們浸泡在水中的時間是正比例關系，體現為先快后慢的形勢。總體變化情況是在最初浸泡時間內(2 h)，枯落物中持水量斜率比較大，說明水量增加的快。然而，隨著浸泡時間的不斷延長，這個斜率逐漸變小，當浸泡時間超過2 h后，持水量增長速度下降速度較快。在對這些不同種類的枯落物持續浸泡，總時間超過6 h時，其持水量大部分達到峰值，之后，隨著浸泡時間的延長，含水量不會再發生太大的變化。可見，半分解層的持水能力較未分解層持水能力強，這是因為半分解層毛管孔隙度含量高的原因。

圖2 半分解層枯落物持水量與浸泡時間的關系

3.2.4 不同林分枯落物吸水速率 從圖3和圖4，我們可以判斷得知，枯落物半分解層和未分解層(統稱為未分解層)的吸水率在前1 h數值比較高，之后下降速度比較快，浸泡時間在4 h以后，吸水速率下降速度逐漸放緩，這是因為枯落物經過烘干處理后大量水分喪失，枯落物的總度空隙比之前大幅度增加。而且，由于枯落物枝葉表面和死細胞之間的水勢逆差較大。另據文獻表明，在剛一浸泡的時候，枯落葉的持水量會大幅度增加[5]。從整個發展走向來看，在最初浸泡的2 h內，不同種類枯落物吸水率大小差異很大，而隨著時間不短延長，這幾種枯落物吸水速率逐漸變化趨勢比較一致，在浸泡時間6 h之后，它們的曲線幾乎完全重合，導致這種現象的原因是，隨著時間不斷增加，枯落物孔隙中充滿的大量水分，孔隙的吸水達到飽和，持水量接近最大值，導致吸水速率逐漸下降。

圖3 未分解層枯落物吸水速率與浸泡時間的關系

4 結論

4.2 就半分解和未分解層的枯落物而言，不同的群落林地中最大攔蓄率和有效攔蓄率不同，其中，白皮松林攔蓄能力最弱，銳齒櫟林攔蓄能力最強。就他們儲蓄的總量而言，油松林分攔蓄量最大，白皮松林分最小。

4.3 大部分未分解層枯落物和半分解層枯落物浸泡6 h后，蓄水量都達到最大值，隨著浸泡時間繼續延長，不同林分不同層次枯落物持水量幾乎沒有發生多大變化；浸泡時間12 h后，蓄水量達最大。

4.4 枯落物分解層吸水速率在1 h以內比較高，在最初浸泡的2 h之內，不同林地中枯落物吸水性差異是比較顯著，在連續浸泡6 h之后，這些林地枯落物吸水速率的發展曲線接近重合。