王 飛, 陳國鵬, 齊 瑞, 楊永紅, 張小磊

(甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所, 蘭州 730070)

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甘南白龍江上游小流域主要林分地被物層的持水特性分異

王 飛, 陳國鵬, 齊 瑞, 楊永紅, 張小磊

(甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所, 蘭州 730070)

在甘南白龍江上游林區(qū)內(nèi)，采用實地踏測和浸水法，對林區(qū)內(nèi)主要的4種不同林分類型(冷杉原始林、云杉、落葉松和華山松人工林)林下地被物持水性能進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明：(1) 4種不同類型樹種林下地被物的總蓄積量為11.75～28.96 t/hm2，其冷杉林(28.96 t/hm2)>落葉松林(16.17 t/hm2)>華山松林(14.36 t/hm2)>云杉林(11.75 t/hm2)；(2) 不同林分類型地被物的持水量、吸水速率與浸泡時間之間的動態(tài)變化基本相似，持水量與浸水時間存在對數(shù)關(guān)系，其吸水速率與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系。(3) 不同樹種林下地被物的總有效攔蓄量為21.00～41.99 t/hm2，其中冷杉林最大，其次是落葉松林，最后是華山松林和云杉林；最大攔蓄量、最大持水量、有效攔蓄量和總有效攔蓄深的變化與總有效持水量變化一致。

甘肅白龍江; 不同森林類型; 地被物; 持水特性

森林地被物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的第2個功能層，由于其結(jié)構(gòu)疏松，透水性與吸水能力強(qiáng)，能吸滯通過植被而降落在地面之水，在降雨對地面的直接沖擊起到緩沖作用，此外它的存在增加了地表層粗糙度，減緩了水流速度，增加了降水通過地被物緩慢滲透到土壤中的量，變地表徑流為地下徑流，從而大大減少了土壤表層的流失量[1]，防止土壤沖刷和水源涵養(yǎng)具有重要作用。同時，凋落物層位于土壤和空氣之間，減少了土壤直接光照，減緩?fù)寥罍囟茸兓屯寥浪值恼舭l(fā)，并通過分解后釋放的養(yǎng)分而影響土壤養(yǎng)分動態(tài)，這些環(huán)境的變化將影響植物的繁殖和更新[2]，通過對森林地被物厚度、蓄積量和持水性能的研究，將有助于對森林水土保持和涵養(yǎng)水源機(jī)理的深入認(rèn)識，也有利于水源涵養(yǎng)林和水土保持林的可持續(xù)經(jīng)營管理[3]。地被物可以分為苔蘚、枯落物和粗木質(zhì)殘體(CWD)，粗質(zhì)木殘體是指是以枯立木、倒木和枯落大枝等形式存在的木質(zhì)物質(zhì)，通常以直徑大于2.5 cm為標(biāo)準(zhǔn)來界定[4]。

在森林地被物水文生態(tài)功能中，地被物對降水的截留作用是最為主要的功能之一。地被物層對降水的截留作用，主要體現(xiàn)在地被物最大持水量的差異，而地被物最大持水量主要取決于地被物層蓄積量和持水能力兩個方面[5-6]。地被物持水能力多用干物質(zhì)的最大持水率和最大持水量來表示，其值的大小與林分類型、林齡、凋落物組成、分解狀況、蓄積量等有關(guān),不同地區(qū)、不同森林類型的持水能力差異很大[3]。

隨著由于近年白龍江森林的破壞而引起下游的沙、污、旱、鹽、堿、澇等生態(tài)問題的日益嚴(yán)重；再加上過度放牧、不合理采砂、人為破壞等因素，使下游的小生境更加脆弱[7]。甘肅白龍江上游地區(qū)林下地被物層較厚，森林水土保持和水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)，地被物層在其中發(fā)揮著重要的作用。有關(guān)白龍江上游不同林分地被物持水特性的報道較少。為此，本文以甘肅白龍江上游的原始冷杉林為對照，對云杉林、落葉松林和華山松林3種人工林為對象，研究4種不同林分下地被物累蓄積量及持水特性，旨在為白龍江上游水源涵養(yǎng)和水土保持的可持續(xù)經(jīng)營管理，以及甘肅南部山區(qū)森林植被的恢復(fù)與重建提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在甘肅省甘南州舟曲縣，地處白龍江上游，屬岷山北側(cè)山系，森林自然分布具明顯垂直帶譜，從下到上依次為針闊混交林，箭竹針葉林，杜鵑冷杉林，高山灌叢及高山草甸，約北緯33°22′，東經(jīng)103°79′，海拔高度為3 450 m，土壤屬暗棕色森林土。成土母質(zhì)為坡積母質(zhì)，土層厚度在1 m 以下，表層石礫含量少。全年平均氣溫1.3°，年降水量1 048 mm，全年降水量集中在5—10月份。年平均空氣相對濕度80%，無霜期80～103 d[8]。

2 研究方法

在對白龍江上游森林仔細(xì)踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)該地區(qū)的地形、森林植被、土壤、植被分布等特性，選取4種有代表性的森林類型作為試驗樣地。在每種類型內(nèi)分別設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個，對樣地內(nèi)不同林分樹種進(jìn)行詳細(xì)的環(huán)境因子調(diào)查(表1)，之后在各林分標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)依對角線分別在四角及中心區(qū)域設(shè)置50 cm×50 cm的地被物收集小樣方，并測量小樣方內(nèi)的地被物半分解層和未分解層的厚度，然后收集小樣方內(nèi)地被物裝袋立刻稱其鮮重然后帶回實驗室。采用GPS定位標(biāo)準(zhǔn)地樣方坐標(biāo)、坡度、海拔等；用冠層分析儀測林冠郁閉度；運用生長錐測其樹齡。

表1 主要森林類型樣地概況

將收集并稱量的地被物帶回實驗室后，在80℃的下烘至恒重，然后稱其干重。采用室內(nèi)浸泡法測定地被物的持水量和吸水動態(tài)。將烘干的地被物裝入尼龍袋中稱量干重后放入盛水的儀器中，水淹沒尼龍袋。然后分別在0.5，1，1.5，2，4，6，8，12，24 h時取出讓其自然流淌至不在滴水時測其質(zhì)量，根據(jù)烘干質(zhì)量換算研究不同浸泡時間段持水量和和吸水速率，重復(fù)三次。通過測定飽和吸水后的質(zhì)量，結(jié)合之前測定的自然含水量和烘干質(zhì)量等指標(biāo)，可推算出地被物的自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大攔截率、最大攔截量、有效攔截量等指標(biāo)。一般認(rèn)為地被物浸水24 h時持水量和持水率為最大持水量和最大持水率[9]，主要計算公式[2,10]分別為：

W0=M0-Md

Whmax=M24-Md

Rsmax=Rhmax-R0

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型地被物蓄積量及厚度比較

地被物的蓄積量反映了地被物產(chǎn)量和分解量的動態(tài)平衡，當(dāng)?shù)乇晃锓纸馑俾蚀笥谄浞e累速率時，地被物累積量將不斷減少，反之不斷增加[12-13]。不同森林類型地被物蓄積量和厚度差異較大。

由表2可以看出4種不同林分類型總蓄積量相差比較大，變動范圍在11.75～28.96t/hm2，原始冷杉林的總蓄積量為28.96t/hm2，云杉林(11.75t/hm2)，落葉松林(16.17t/hm2)，華山松林(14.36t/hm2)。冷杉林的總蓄積量是其他林分類型的1.79～2.46倍，原始冷杉林蓄積量最大，云杉林最小，其他兩種人工林和云杉林總蓄積量相差不大，分析其原因主要是林內(nèi)樹種組成和林內(nèi)環(huán)境等因素的影響[12]。不同林分類型地被物鮮儲量也不同，枯落物冷杉林最大，冷杉林的蓄積量最大相應(yīng)的地被物的總厚度也最大，和云杉林、落葉松林地被物總厚度相差不大(41.70t/hm2)，華山松林的最小(13.75t/hm2)，為冷杉林的三分之一左右，云杉林、落葉松林與華山松林相差不大。4種不同林分的木殘體和苔蘚鮮儲量也是冷杉林最大，其他3種人工林相差不大，是冷杉林的三分之一左右；但是枯落物的厚度冷杉林與落葉松林相差不大，是其他兩種林分的1.54倍左右，苔蘚層的厚度在1.07～1.33cm，最大的冷杉林與最小的落葉松林之間的差別不大。不同林分類型木殘體的蓄積量最大。冷杉林木殘體蓄積量是其他兩種蓄積量和的1.38倍，落葉松是1.19倍，云杉林是1.26倍，華山松林是1.29倍。這與它的自身物理性質(zhì)有關(guān)，還與生長的環(huán)境條件有關(guān)，原始冷杉林在海拔3 400左右，樹木林齡較大，自然更新率較大，所以其木殘體較多；再加上木殘體自身的因素，分解速率低，在經(jīng)過長年的積累，它的蓄積量較枯落物和苔蘚多。

3.2 不同林分類型地被物持水動態(tài)分析

從表3中可以看出：不論任何時間段冷杉林的持水量總是大于其他林分類型，總持水量冷杉林也是最大，這與它的總蓄積量最大有關(guān)，也與不同林分的生境和林分類型有關(guān)。冷杉林的最大持水量為72.43t/hm2，云杉林最小為31.33t/hm2，華山松林是34.37t/hm2，落葉松林是53.33t/hm2，冷杉林最大持水量是云杉林的2.31倍，也是落葉松林的1.36倍，華山松林與云杉林最大持水量相差不多。在浸泡4h以后持水量基本保持不變，而冷杉林在4h以后就基本達(dá)到飽和，云杉林需要10h才基本達(dá)到飽和狀態(tài)。4種不同類型林分的持水量在最初浸泡的0.5h內(nèi)吸水量變化是最大的，冷杉林最初的0.5h持水量占飽和持水量的84.03%，落葉松林占73.73%，云杉林占68.91%，華山松林占79.08%，最初浸泡的0.5h內(nèi)持水量占最大持水量比例越大則達(dá)到飽和所用時間越短，冷杉林所占比例最大，達(dá)到飽和所用時為4h，然后是華山松林達(dá)到飽和用時6h，其他兩種稍大于2h，這與林分類型和地被物的成分以及分解狀態(tài)有關(guān)。

表2 不同林分類型地被物的蓄積量

表3 不同林分類型下地被物持水動態(tài) t/hm2

3.3 不同林分類型地被物層持水率與浸水時間的關(guān)系

持水率也是反映吸水能力的一個重要指標(biāo)，不同林分類型植物吸收的水分與干重的比值越大，說明它的吸水能力越強(qiáng)。不同林分地被物持水率與隨浸泡時間的變化表明：在浸泡前2 h時間內(nèi)，持水率迅速增加，2 h以后增加幅度減緩，而在6 h時持水率基本達(dá)到最大，以后持水率增幅基本接近于0。從圖1上可以看出落葉松林的持水率在任何時間段都比其他林分的高，其次是冷杉林，在最初的0.5 h內(nèi)華山松林的持水率大于云杉林，但是以后云杉林的持水率大于華山松林。不同林分類型持水率達(dá)到飽和的所需時間也不相同，冷杉林和華山松林當(dāng)浸泡4 h時基本達(dá)到飽和，云杉林和落葉松林浸泡6 h才基本達(dá)到飽和。冷杉林和落葉松林在浸泡的錢4 h內(nèi)的增幅比較大，而云杉林和華山松林浸泡1 h時增幅較大，在浸泡6 h時才基本達(dá)到飽和。

圖1 林下地被物持水率與浸泡時間的關(guān)系

對不同地被物持水率與浸泡時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，二者之間存在著對數(shù)關(guān)系：

W=aln(t)+b

式中：W為地被物持水率(mm);t地被物浸泡時間；a為方程回歸系數(shù)；b為方程常數(shù)項。由地被物與浸泡時間所擬合的方程見表4。

3.4 不同林分類型地被物層吸水速率與浸水時間的關(guān)系

4種不同林分類型吸水速率變化一致，隨著浸泡時間的增大，吸水速率逐漸減小。在最初的0.5 h時吸水速率冷杉林最大為121.73 t/hm2，是速率最小的云杉林43.18 t/hm2的2.82倍，接著是落葉松林(78.63 t/hm2)和華山松林(54.37 t/hm2)。隨著時間的增多他們的吸水速率減小，在10 h以后由圖2中可以看到吸水速率很小，曲線基本處于一條直線，在24 h時地被物吸水速率都接近與常數(shù)0，其他林分也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。在各個時間段冷杉林的吸水速率總是最大，這與冷杉林的持水能力強(qiáng)一致。

圖2 吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

從不同林分類型林下地被物吸水速率與浸水時間之間的關(guān)系可以看出，吸水速率與浸水時間之間有較好的相關(guān)性，對他們之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，二者之間存在著如下關(guān)系：由分析擬合得到不同樹種林下地被物未分解層及半分解層吸水速率W與浸泡時間t的回歸方程表4所示。

表4 不同林分類型地被物層吸水速率與浸水時間的回歸方程

3.5 不同林分類型地被物持水能力

4種不同林分類型不同地被物的最大持水率、最大攔蓄量、總有效攔蓄深等各持水能力指標(biāo)見表5，由表5可以看出枯落物自然含水率華山松林的最高為69%，其他3種林分自然含水率都在64%左右，木殘體的自然含水率與枯落物的自然含水率表現(xiàn)形式一樣，也是華山松最大，其次是冷杉林，其他兩種最小相差不大。而苔蘚的自然含水率華山松最小，落葉松最大與冷杉林的苔蘚相差不大。冷杉林的三種地被物自然含水率雖然都不高，但是冷杉林的自然含水量卻是最高，枯落物自然含水量為26.67 t/hm2，是落葉松林的2.31倍，是華山松林的2.84倍，也是云杉林的2.92倍；木殘體和苔蘚的自然含水量也和枯落物一樣，冷杉林的最大，其次是落葉松林、華山松林和云杉林。這與它的總蓄積量有關(guān)，冷杉林3種地被物的蓄積量最大，這與顧宇書等人的研究相似；枯落物自然含水率落葉松林的最小但是它的最大持水率最大為359%，華山松林的最小為249%，木殘體最大持水率與枯落物相似；苔蘚的最大持水率落葉松的最大為1 001%，云杉林最小為577%，最大攔蓄量和蓄積量的表現(xiàn)形式一樣，都是冷杉林最大，云杉林最小，中間依次是落葉松林和華山松林?？傆行С炙坷渖剂肿畲?1.99 t/hm2，其次是落葉松林33.91 t/hm2，華山松林和云杉林相差不大，分別是21.77，21.00 t/hm2。自然含水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量和總有效攔蓄深之間變化規(guī)律是一致的，及他們都表現(xiàn)出冷杉林>落葉松林>云杉林>華山松林；雖然冷杉林的最大持水率不高，最大攔蓄量、有效攔蓄率均不高，但是他的自然含水量、最大持水率、最大攔蓄量均很大，地被物的持水能力強(qiáng)，因此在保持水土和涵養(yǎng)水源過程中發(fā)揮重要的作用。

表5 地被物的總攔蓄能力

4 結(jié)論與討論

(1) 4種不同林分類型地被物的總蓄積量差別比較大，在11.75～28.96 t/hm2之間，冷杉林最大(28.96 t/hm2)，其次是落葉松林(16.17 t/hm2)和華山松林(14.36 t/hm2)，云杉林最小(11.75 t/hm2)。隨著地被物厚度的增加總蓄積量也在增加。地被物累積量大小主要取決于植物群落生產(chǎn)力，同時還依賴于氣候、土壤肥力、土壤含水量和物種組成。

(2) 利用浸水試驗測定的不同地被物持水率與浸泡時間、吸水速率與浸泡時間的動態(tài)變化規(guī)律。隨著時間的增加持水率不斷增加，但增加速度在前1 h內(nèi)比較快，1 h后逐漸減慢，浸泡達(dá)到6 h以后，增速不明顯，趨于一常數(shù)0，不同林分地被物持水率與浸泡時間呈正相關(guān)性，這與魏強(qiáng)等人(甘肅興隆山主要森林類型凋落物累積量及持水特性)的研究相似。4中不同林分類型地被物持水率與浸泡時間存在W=aln(t)+b的關(guān)系，這與張峰、魏強(qiáng)等人研究一致。4種不同林分最大持水率最大的是落葉松林，最小是冷杉林，雖然落葉松林的最大持水率最大，但是由于蓄積量冷杉林的明顯大于其他林分，所以最大持水率冷杉林明顯大于其他林分。地被物的吸水速率在0.5 h時最大，然后逐漸減小，在12 h時基本趨于一穩(wěn)定常數(shù)，不同林分類型地被物持水率與浸泡時間存在V=ktn的關(guān)系。

(3) 地被物持水能力主要取決于地被物蓄積量、最大持水率、平均自然含水量、有效攔蓄量和有效攔蓄深，這與高俊琴(三江平原小葉樟濕地地被物分解及其影響因子研究)等研究一致。在對白龍江上游4種不同林分類型的地被物研究的過程中，冷杉林的蓄積量、自然含水量、有效攔蓄量和有效攔蓄深均最大，落葉松林次之，云杉林和華山松林最小；有效攔蓄深冷杉林是華山松林的2.88倍，最大攔蓄量冷杉林也是華山松林的2.87倍；最大持水量、最大攔蓄率、蓄積量、有效攔蓄量冷杉林明顯大于其他林分，對降水的攔蓄作用冷杉林要強(qiáng)于其他林分。

浸水法作為一種方便的測定地被物層水特性的方法而被廣泛應(yīng)用。但是由于浸泡地被物時所用的紗布孔隙比較大，在浸泡過程中以及取出的瞬間，會有部分細(xì)小地被物隨著水流而留在水中，因此用此方法測得值比實際值要小一些，從而影響了計算出的地被物持水特性。由此認(rèn)為，地被物持水特性(如持水過程和最大持水率)的研究方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)。如運用人工灑水的方法制造一個天然降雨的方法，研究地被物持水特性。

林地地被物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，地被物層是森林截留降水的重要環(huán)節(jié),而地被物的持水能力是反映地被物截留降水能力的主要部分[15-18],地被物層是保障白龍江上游地區(qū)森林充分發(fā)揮水土保持和水源涵養(yǎng)功能的一個極其重要的水文層次，具有明顯的蓄水保水作用，地被物層的持水性能因樹種及其蓄積量大小的不同而變化。本文對研究該區(qū)域的森林內(nèi)地被物的生態(tài)水文效應(yīng)僅僅是一個開始，今后還要對地被物的組成結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、養(yǎng)分歸還情況等多方面進(jìn)行長期的深入研究，為全面研究白龍江上游森林生態(tài)水文效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

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Water-holding Performance of Major Forest Litter Layer in Bailong River Upstream Watershed of Gannan

WANG Fei, CHEN Guopeng, QI Rui, YANG Yonghong, ZHANG Xiaolei

(CollegeofHorticulture,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

By the methods of field survey and soaking extraction, an investigation on the water-holding capacity of the litters under four main forests (fir forest, spruce forest, larch forest,Pinusarmandiforest) was conducted in Bailong River of Gansu. The accumulation amount of the litters under forests ranged from 11.75 t/hm2to 28.96 t/hm2, and followed the order: fir forest(28.96 t/hm2)>larch forest(16.17 t/hm2)>Pinusarmandiforest(14.36 t/hm2)>spruce forest(11.75 t/hm2); the litter, water-holding capacity changed logarithmically with their soaking time, the water-absorption rate of the litter presented a power function with immersing time. The effective retaining amount of the litter decreased in order: fir forest>larch forest>Pinusarmandi>spruce forest.

Bailong river in gansu province； different forest types； litter; water-holding feature

2016-01-21

2016-02-18

亞高山灌叢碳匯潛力評估及影響因素解析(145RJYK278);甘肅省自然科學(xué)基金青年科技基金計劃”典型灌叢水文生態(tài)功能”

王飛(1986—),男,甘肅省定西市安定區(qū)人,本科,工程師,主要從事林業(yè)科學(xué)研究。E-mail:173763825@qq.com

楊永紅(1968—),男,甘肅省蘭州市七里河區(qū)人,本科,高級工程師,主要從事林業(yè)土壤研究。E-mail:1336190642@qq.com

S714.7

A

1005-3409(2016)06-0242-06