魯中山區不同坡位刺槐林枯落物持水特性研究

彭 棟

(水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 合肥 230088)

1 引言

林地枯落物是森林生態系統的重要組成部分，在改善土壤、蓄水保土方面都有非常重要的作用?？萋湮飳訉ι炙难h也有著重要的影響[1]，在森林生態系統中，枯落物層可以直接消耗雨滴對地表的沖擊能量，減緩地表徑流對表土的沖刷，此外枯落物對降雨的截留可以使得降雨緩慢入滲進入土壤，以增加土壤含水率，枯落物層在截留降水、阻延徑流、減少土壤水分蒸發和土壤流失等多方面均具有重要作用[2]。

刺槐是北方土石山區的鄉土樹種，在植樹造林方面應用廣泛，刺槐的適應性強，耗水少，適宜在北方大面積造林。對不同坡位坡向的枯落物持水性進行研究，可以為小流域管理提供參考，研究刺槐枯落物層的水文效應對于探討森林生態系統的水文循環和水量平衡具有重要意義[3]。地上枯落物累積在時間尺度上一般遵循植物的生命周期，同時也受環境因子的調控，研究現有刺槐枯落物吸水機理和水文特征對保持水土、合理經營和利用森林、保護生態環境有著重要的現實意義。生境條件顯著影響人工林建群種種群結構和群落特征[4]。陰坡、陽坡和溝道的生境條件(光照水平、土壤特性、灌草植被蓋度等)在藥鄉林場有明顯差異，坡向顯著影響森林的林分結構、生態效益和可持續發育能力，因此也影響著枯落物的持水性能[5]。因此研究刺槐枯落物在陰坡、陽坡以及溝道3種不同位置下的持水性能對研究刺槐的水土保持作用有重要意義。

2 研究內容與方法

2.1 野外取樣

選取濟南藥鄉林場的溝道、陽坡及陰坡3類具有代表性的地段，每類選取2個刺槐林地作為調查樣地，所有樣地均設置在基本未受干擾破壞的地段。在每個刺槐林樣地上選取3個10 m×10 m樣方，每個樣方內采集刺槐枯落物。

2.2 室內分析

將取得的枯落物用塑封袋帶回室內后迅速稱質量，然后進行烘干并稱質量，以干物質重計算蓄積量。作為標準地進行調查采樣后，基于人工模擬降雨法，研究不同坡位刺槐林枯落物持水特性及其影響因子。采用人工模擬降雨法測定枯落物的吸水過程。為了測定枯落物的截持降雨量，首先將烘干并稱重后的枯落物仿照其自然結構和重量比例轉入由管道制成的試驗篩(長50 cm，寬50 cm，高15 cm，底為80目的尼龍網)，即一個試驗篩內為便于對比分析，按照未分解層與半分解層烘干后質量相等的比例分層裝入圓形實驗篩中，一組共6個重復樣本。各實驗篩內裝填烘干后的枯落物，用專業模擬降雨器對裝有干枯落物的實驗篩進行人工降雨，為比較充分供水條件下枯落物的持水過程，設定試驗的雨強遠大于藥鄉林場地區多年平均雨強，為300 mm/h。再由儲水罐和電子天平組成的排水收集器收集實驗篩底部排出的水。

在降雨過程中，分別設置1.5 mm，3 mm，4.5 mm，6 mm，9 mm，12 mm，15 mm，18 mm，21 mm，24 mm，27 mm，30 mm，36 mm，46 mm，56 mm，66 mm，76 mm降雨量，每個樣地設置6次重復實驗。實驗初始階段枯落物吸水過程變化較為劇烈，之后變動幅度變小，最后重量基本保持不變。同時測量實驗篩底部排出的水量，以校準雨強大小不變。不同時刻枯落物的降雨截持量累積值是不同時刻實驗篩的重量減掉實驗篩自重(同時考慮實驗篩自身吸附水影響，從測定值中減去)和枯落物干重的值，它與枯落物干重的比值即為枯落物的持水率，而不同坡位自然持水量是枯落物水分(剛采回來濕重與干重之差)與干重的比值。

3 結果與分析

3.1 蓄積量

枯落物是森林枯落物層持水的載體，其蓄積量的大小和性質將直接影響枯落物層持水能力的高低，蓄積量越大、水分吸附性能越好，則持水量也會越大。因此，在評價森林水文生態功能的時候，枯落物蓄積量是研究的首要因素。不同類型的林分、枯枝落葉成分、枯落物堆砌方式、林下微生物活動的環境條件，以及水、熱等條件的不同均會造成枯落物分解速度的差異，從而導致枯落物在一定時間內的蓄積量出現較大差別。人工林植被林下枯落物蓄積量的大小與樹種、樹木生長年齡、林分營造結構、地被植物、氣候因子以及人類活動的強弱有關。

表1 刺槐枯落物蓄積量

根據樣地調查結果(表1)可知，刺槐枯落物在溝道、陽坡及陰坡的蓄積量分別為98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄積量表現為：陽坡>溝道>陰坡。比較蓄積量還要進行T檢驗，T檢驗結果(采用雙尾，成對檢驗)如表2所示。

表2 刺槐枯落物蓄積量不同坡位T檢驗結果

實驗得出：①溝道和陽坡進行t檢驗，檢驗結果p=0.883236807>0.1，說明兩組數據總體無顯著差異；②陽坡和陰坡進行t檢驗，檢驗結果p=0.052840356<0.1，說明兩組數據總體有顯著差異；③溝道和陰坡進行t檢驗，檢驗結果p=0.008474102<0.1，說明兩組數據總體有顯著差異。因此可以看出，刺槐枯落物的蓄積量與坡位有關，溝道與陽坡枯落物蓄積量基本相似，陽坡與陰坡、溝道與陰坡枯落物蓄積量差別較大，經分析，陽坡由于光照充足，植物光合作用強于溝道和陰坡，光合作用將光能轉變為有機物中的化學能儲存，所以陽坡植物枝葉生長茂盛，林內枯枝落葉產生速率快，而陰坡常年處于背陰面，光合作用弱，林內枯枝落葉產生速度慢，加上陰坡濕度大，枯落物腐蝕速度快，所以產生較少的枯落物。

3.2 不同坡位自然持水量

由圖1可以得出不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，陰坡的自然持水量最大為32.2 mm，溝道自然持水量中等為26.5 mm，陽坡的自然持水量最小為15.95 mm，經分析，這是由于不同坡位坡向的水熱條件和枯落物蓄積量所致，陽坡處于向陽面，光照充足，水分易于蒸發，故而自然持水量較小，而陰坡常年處于背陰面，日照時間短，水分不易于蒸發，故而自然持水量較大；陽坡蓄積量多于陰坡，枯落物覆蓋層較厚，水分不易流失，相比較而言持水量應該大于陰坡，但是陽坡的自然持水量小于陰坡，所以坡位坡向的水熱條件起主要原因，枯落物的蓄積量起次要原因，枯落物的自然持水量由水熱條件決定。

圖1 不同坡位自然持水量

3.3 基于人工模擬降雨的枯落物持水特性

3.3.1 枯落物持水過程

枯落物的持水過程由4個階段組成，第1個階段是快速吸水階段，第2個階段是緩慢吸水階段，第3個階段是逐漸飽和階段，第4個階段是飽和階段。

3.3.2 達到穩定的時長

根據圖2顯示的人工模擬降雨法測定刺槐枯落物截留量隨時間的變化，可把截持過程分為4個階段。第1階段為迅速吸收階段，在圖2中表現為0～6.7 min時間段，截持量變化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率變化與枯落物的含水量關系密切；第2階段為緩慢吸收階段，在圖2中表現為6.7～13 min時間段，隨著枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐漸降低；第3階段為逐漸飽和階段，在圖2中表現為13～18 min時間段，隨著截持過程的進行，截持速率逐漸趨向于零，這時枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆蓋在枯落物表面的自由重力水；第4階段為飽和階段，在圖2中表現為18～42 min時間段，枯落物濕重在某一值上下浮動，達到最大截留量，也就是在18 min以后達到穩定時長。

圖2 人工模擬降雨條件下枯落物截留時長

3.3.3 穩定后有效持水量

森林枯落物可以增加林地土壤儲水，使有限的降水資源能更大程度地被林木吸收利用。林地枯落物的持水特性多用截留量也就是持水量來表示，持水量為枯落物吸水重量與其干重之比，枯落物的持水量越高，則能在最短時間內有效地含蓄降水，為土壤保濕保墑提供充足的水分。由圖3可以看出刺槐枯落物在陰坡的持水量最高，溝道枯落物持水量最低，刺槐陽坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。但是要比較刺槐不同位置枯落物持水性能還要進行T檢驗(表3)。

圖3 人工模擬降雨條件下枯落物截留過程

表3 刺槐枯落物不同坡位截留量T檢驗結果

T檢驗結果(采用雙尾，成對檢驗)：①溝道和陽坡進行t檢驗，檢驗結果p=0.005123791<0.1，說明兩組數據總體有顯著差異；②陽坡和陰坡進行t檢驗，檢驗結果p=6.44144E-11>0.1，說明兩組數據總體無顯著差異；③溝道和陰坡進行t檢驗，檢驗結果p=1.09561E-12>0.1，說明兩組數據總體無顯著差異。實驗結果得出：刺槐枯落物持水性能與坡位坡向(溝道、陽坡及陰坡)有關，刺槐溝道達到穩定時截留量約為250 mm，刺槐陽坡達到穩定時截留量約為260 mm，刺槐陰坡達到穩定時截留量約為300 mm，陽坡與陰坡、溝道與陰坡的持水性基本相同，而溝道和陽坡的持水性差別較大，溝道的持水性要小于陽坡的持水性，刺槐陰坡的持水特性最好，刺槐溝道的持水特性最弱。刺槐陽坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。

4 結論與討論

(1)刺槐枯落物的蓄積量與坡位坡向有關，溝道、陽坡及陰坡的蓄積量分別為98.57±22.9 t/hm2，102.95±33.0 t/hm2，49.88±8.1 t/hm2；刺槐枯落物蓄積量表現為陽坡>溝道>陰坡，溝道和陽坡枯落物蓄積量基本相似，陽坡和陰坡、溝道和陰坡枯落物蓄積量差別較大，刺槐枯落物陽坡蓄積量最大，陰坡枯落物蓄積量最小。

(2)不同坡位坡向刺槐枯落物自然持水量不同，陰坡的自然持水量最大為32.2 mm，溝道自然持水量中等為26.5 mm，陽坡的自然持水量最小為15.95 mm，因此，陰坡的自然持水量最大，陽坡的自然持水量最小。這是由于不同坡位坡向的水熱條件和枯落物蓄積量不同所致。陽坡處于向陽面，光照充足，水分易于蒸發，故而自然持水量較小，而陰坡常年處于背陰面，日照時間短，水分不易于蒸發，故而自然持水量較大；陽坡蓄積量多于陰坡，枯落物覆蓋層較厚，水分不易流失，相比較而言持水量應該大于陰坡，但是陽坡的自然持水量小于陰坡，所以坡位坡向的水熱條件起主要原因，枯落物的蓄積量起次要原因，枯落物的自然持水量由水熱條件決定。

(3)刺槐枯落物持水性能與坡位坡向(溝道、陽坡及陰坡)有關，刺槐溝道達到穩定時截留量約為250 mm，刺槐陽坡達到穩定時截留量約為260 mm，刺槐陰坡達到穩定時截留量約為300 mm，陽坡與陰坡、溝道與陰坡的持水性基本相同，而溝道和陽坡的持水性差別較大，溝道的持水性要小于陽坡的持水性，刺槐陰坡的持水特性最好，刺槐溝道的持水特性最弱。刺槐陽坡植物種類多，林下水熱條件較好，利于微生物生存，導致枯落物易于分解，林下枯落物半分解層較厚，故其枯落物持水量較高，持水特性較好。

(4)刺槐枯落物截留過程分4個階段，第1階段為迅速吸收階段，表現為0～6.7 min時間段，截持量變化很快，截持降雨主要受枯落物表面分子吸附力作用，截持速率變化與枯落物的含水量關系密切；第2階段為緩慢吸收階段，表現為6.7～13 min時間段，隨著枯落物含水量增加，枯落物截持速率逐漸降低；第3階段為逐漸飽和階段，表現為13～18 min時間段，隨著截持過程的進行，截持速率逐漸趨向于零，這時枯落物截持的降水用于本身吸收的非常少，而且主要是覆蓋在枯落物表面的自由重力水；第4階段為飽和階段，表現為18～42 min時間段，枯落物濕重在某一值上下浮動，達到最大截留量，也就是在18 min以后達到穩定時長。

(5)本實驗中采用的人工降雨法,雖然彌補了部分室內浸泡法測定枯落物最大持水量的不足,但是并不能完全代表實際降雨時的枯落物截持過程。在自然環境中,影響枯落物截持過程的因素還有其它的氣候、地形因子以及枯落物性質等要素。在今后進一步的研究中,可以從模擬多種雨強、鋪設多種枯落物厚度的角度出發進行實驗,并設計模擬多種氣候條件、地形條件，以期更進一步了解枯落物的水文特性。