趙曉春，劉建軍，任軍輝，劉 斌，母吉君

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.寧夏賀蘭山森林生態(tài)站，銀川750021；3.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市水土保持站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000）

森林凋落物是指覆蓋在林地礦質(zhì)土壤表層上的新鮮、半分解的凋落物，它是森林植物地上部分各器官的枯死脫落物的總稱。凋落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)層次，其生態(tài)功能并不單純依賴于地上活體部分［1－2］。它不僅在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)、維持土壤肥力方面扮演著重要角色，而且在維持森林水量平衡方面起著積極作用［3－4］。森林凋落物一方面由于其結(jié)構(gòu)疏松，削弱了雨滴對(duì)土壤的直接濺擊，阻滯和吸收一部分通過林冠而降落到地表的水分；另一方面能增加地表層的粗糙度，大大地減少了地表徑流的產(chǎn)生，增加了土壤水分下滲，因此，森林凋落物對(duì)于保持水土和涵養(yǎng)水源具有重要作用［5－6］。

賀蘭山地處我國(guó)溫帶草原區(qū)與荒漠區(qū)的過渡地帶，是銀川平原的天然屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)，保存著西北干旱區(qū)較為罕見的天然森林生態(tài)系統(tǒng)，植被類型主要包括荒漠、草原、灌木林、疏林草原、針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林。油松青海云杉混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Picea crassifolia）、油松山楊混交林（the mixed of Pinus tabulaeformis and Populus davidiana）、油松純林（pure Picea crassifolia）和青海云杉純林（pure Pinus tabulaeformis）作為幾種最主要的森林類型，在調(diào)節(jié)氣候、固水保土，尤其是涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著異常重要的作用。為此，在該區(qū)森林凋落物持水特性研究尚鮮見報(bào)道的情況下，本文以賀蘭山自然保護(hù)區(qū)蘇峪口森林保護(hù)生態(tài)站主要林型為研究對(duì)象，研究森林凋落物層的持水能力，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其水源涵養(yǎng)、水土保持功能，制定森林經(jīng)營(yíng)管理措施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

賀蘭山位于東經(jīng)105°20′－106°40′、北緯38°07′－39°30′，處在典型的大陸性氣候區(qū)域范圍內(nèi)，具有山地氣候特征。其年平均氣溫－0.9℃，極端最高氣溫25.2℃，極端最低氣溫－31.4，≥10℃積溫，山下較高，蘇峪口為3 364℃，山頂最少，賀蘭山氣象站為625℃，年日照時(shí)數(shù)3 100h，無霜期124d，年均降水量自山麓至高帶為200～600mm，6－8月最為集中。賀蘭山林區(qū)植被由于受山形地區(qū)的變化以及氣候、土壤、海拔、降水量等條件的差異，植被的垂直分布明顯，自山麓到山頂有5個(gè)植被垂直帶，分別為：山麓荒漠草原帶、疏林草原帶、針闊混交林帶、針葉林帶和亞高山灌叢草甸帶。賀蘭山林區(qū)森林主要分布在海拔2 000～3 000m的范圍內(nèi)，絕大部分在陰坡，處在低溫干旱的環(huán)境中。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地選擇

2010年7－9月，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地共55塊（其中油松青海云杉混交林21個(gè)，油松山楊混交林10個(gè)，油松純林7個(gè)，青海云杉純林17個(gè)），每塊標(biāo)準(zhǔn)地的面積均為400m2，研究對(duì)象均為天然林（試驗(yàn)地概況見表1）。

表1 試驗(yàn)林概況

2.2 凋落物儲(chǔ)量調(diào)查

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地四角及中心位置，機(jī)械布設(shè)1m×1m的小樣方5個(gè)。測(cè)定凋落物厚度，然后一次性收集小樣方內(nèi)的全部凋落物，調(diào)查凋落物鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室取部分烘干（80℃）至恒質(zhì)量，由此可計(jì)算凋落物單位面積的儲(chǔ)量（又稱現(xiàn)存量）和自然含水率。

2.3 凋落物持水性測(cè)定

在烘干至恒重的各樣方凋落物中分別取部分凋落物稱重，然后裝入網(wǎng)袋后分別浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，24h后，撈起并靜置5min至凋落物不滴水時(shí)稱重，每個(gè)植被類型重復(fù)3次，取平均值，以研究其吸水速度及吸水過程。用下列公式計(jì)算凋落物持水量、凋落物持水率、凋落物吸水速率［7］和凋落物有效攔蓄量［8］。

當(dāng)?shù)蚵湮锖窟_(dá)到飽和時(shí)稱最大持水量。一般情況下，凋落物浸水24h后的持水量可視為該凋落物的最大持水量［9］，此時(shí)的持水率稱為最大持水率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0和Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物儲(chǔ)量

一般情況下，凋落物的現(xiàn)存量越多，其水源涵養(yǎng)功能越好［10］。不同樹種組成、森林類型、生長(zhǎng)狀況林下的凋落物的儲(chǔ)量也不同。由表2可以看出，研究區(qū)4種林分凋落物總儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕技兞郑?2.39t／hm2）＞油松云杉混交林（26.6t／hm2）＞油松純林（25.21t／hm2）＞ 油松山楊混交林 （19.74 t／hm2）。

3.2 凋落物持水量

凋落物持水量有隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)（圖1）。在浸泡4h后，其持水量開始緩慢增長(zhǎng)，浸泡8h后，其持水量隨浸泡時(shí)間的變化幅度很小，說明此時(shí)凋落物的持水量已基本達(dá)飽和。4種林分的最大持水量排序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕技兞郑?6.78t／hm2）＞油松云杉混交林（40.11t／hm2）＞油松純林（38.46t／hm2）＞油松山楊混交林（36.35t／hm2）。

表2 不同林分類型凋落物層儲(chǔ)量和持水特性

圖1 凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

由表3可以看出，研究區(qū)4種林分各層凋落物的持水量WH與浸泡時(shí)間t（0.5～24h）之間均呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.001），其相關(guān)系數(shù)（R）均大于0.976 1。

表3 凋落物持水量與浸泡時(shí)間的回歸方程

3.3 凋落物持水率

凋落物的持水能力可通過其持水率來反映［11－12］。凋落物的持水率用凋落物吸收的水分與凋落物干質(zhì)量的比值表示，該比值越大，凋落物的持水能力就越強(qiáng)。研究區(qū)不同林分的凋落物在浸泡1.5h后的持水率大小依次為：油松山楊混交林＞油松云杉混交林＞油松純林＞青海云杉純林，浸泡浸泡4h后，凋落物持水率的增幅開始變小，浸泡8h左右時(shí)，凋落物持水率趨于飽和，其最大持水率依次為：油松山楊混交林（184.14%）＞油松純林（152.56%）＞油松云杉混交林（150.79%）＞青海云杉純林（144.43%）。油松山楊混交林的凋落物顯示了較強(qiáng)的持水能力。

圖2 凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

研究區(qū)4種主要林分凋落物的持水率WR與浸泡時(shí)間t（0.5～24h）為極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.001），其相關(guān)系數(shù)（R）均大于0.9761（表4）。說明3種林分各層凋落物持水率隨著浸泡時(shí)間的增加而增加。

表4 凋落物持水率與浸泡時(shí)間的回歸方程

3.4 凋落物吸水速率

凋落物吸水速率是衡量凋落物截留降水的一個(gè)指標(biāo)。森林凋落物的吸水速率與持水能力緊密相關(guān)。吸水速率越大，林內(nèi)降水涵蓄的速度就越快，從而可以更好地減少地表徑流的［12］。

由圖3可知，研究區(qū)各林分凋落物在剛浸入水中時(shí)的吸水速率均較高，0.5h后凋落物的吸水速率均明顯降低，此后，隨著時(shí)間的推移，吸水速率緩慢變小，8h后吸水基本停止，表明此時(shí)的凋落物吸水趨于飽和。雖然研究區(qū)不同林分凋落物吸水速率過程線的整體變化趨勢(shì)基本一致，但不同林分的吸水速率過程線間還是有所偏離。在剛浸入水中時(shí)，研究區(qū)油松云杉混交林、油松山楊混交林、油松純林和青海云杉純林凋落物的吸水速率（即最大吸水速率）分別為2 147.37，2 669.71，2 133.28，2 027.1g／（kg·h）。浸泡12h后，各林地半分解層凋落物的吸水速率（即飽和吸水速率）分別為62.83，76.73，63.57，60.18 g／（kg·h）。

圖3 凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

研究區(qū)4種林分凋落物的吸水速率WA與浸泡時(shí)間t（0.5～24h）呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系（P＜0.001），其相關(guān)系數(shù)（R）均大于0.99（表5）。

表5 凋落物吸水速率浸泡時(shí)間的回歸方程

3.5 凋落物有效攔蓄量

因?yàn)樽畲蟪炙剩浚┑臏y(cè)定是將凋落物試樣浸水24h后量測(cè)得的結(jié)果。而實(shí)際上，山地森林的坡面一般不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水條件，因此，最大持水率（量）一般不能反映對(duì)實(shí)際降水的攔蓄能力，一般用有效攔蓄量來估算凋落物層對(duì)降雨的實(shí)際滯納能力［13］。由表1看出，不同植物群落凋落物層對(duì)降雨的有效攔蓄量：油松山楊混交林＞（15.73t／hm2）油松純林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98t／hm2）＞青海云杉純林（10.7t／hm2）。有效攔蓄降雨最大的油松山楊林凋落物層可截留1.57mm林內(nèi)降雨；最小的青海云杉純林凋落物層只能截留10.7mm降雨。

4 結(jié)論

研究區(qū)4種林分凋落物儲(chǔ)量的大小依次為：青海云 杉 純 林 （32.39t／hm2）＞ 油 松 云 杉 混 交 林（26.6t／hm2）＞油松純林（25.21t／hm2）＞油松山楊混交林（19.74t／hm2）；即在平均樹高、平均胸徑和郁閉度都相近的條件下，青海云杉純林的凋落物儲(chǔ)量明顯大于油松純林和油松山楊混交林，這是由于青海云杉為暗針葉林，生長(zhǎng)在高海拔地區(qū)，生境冷濕更不利于微生物的活動(dòng)，凋落物的分解速率更低，所以凋落物層的現(xiàn)存積累量最高。再加上云杉林凋落葉質(zhì)地較硬木質(zhì)素類難分解物質(zhì)含量較高，從而導(dǎo)致其分解較慢、儲(chǔ)量較多。而油松山楊混交林的儲(chǔ)量最小應(yīng)該與凋落物的初始化學(xué)成分有關(guān)，大量研究表明，凋落物的初始化學(xué)成分對(duì)凋落物層的性質(zhì)和分解狀況有較大影響［14－16］。

研究區(qū)不同林分的凋落物在浸泡不同時(shí)間后，其持水量大小依次為青海云杉純林＞油松云杉混交林＞油松純林＞油松山楊混交林；凋落物的最大持水率大小依次為：油松山楊混交林＞油松純林＞油松云杉混交林＞青海云杉純林；浸泡不同時(shí)間段后的吸水速率依次為：油松山楊混交林＞油松云杉混交林≥油松純林＞青海云杉純林，說明研究區(qū)4種林分中油松山楊林的凋落物的持水能力較強(qiáng)。這個(gè)結(jié)果表明凋落物層最大持水量與林分類型、組成結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量有關(guān)。

研究區(qū)4種林分的凋落物持水量和持水率與浸泡時(shí)間皆呈對(duì)數(shù)關(guān)系，而吸水速率與浸泡時(shí)間則呈冪函數(shù)關(guān)系，這種變化趨勢(shì)與森林類型無關(guān)。該結(jié)論與任向榮［17］、李倩茹［18］等的研究結(jié)果一致。

凋落物對(duì)降雨的有效攔蓄能力與凋落物蓄積量、最大持水率有密切的關(guān)系。不同植物群落凋落物層對(duì)降雨的有效攔蓄為油松山楊混交林（15.73t／hm2）＞油松純林（14.05t／hm2）＞油松云杉混交林（11.98 t／hm2）＞青海云杉純林（10.7t／hm2）。

致謝：對(duì)寧夏賀蘭山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)管理局的工作人員和寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建研究中心的璩向?qū)幒蛣⒈謇蠋熢谝巴夤ぷ髦械膸椭硎局孕母兄x！

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