陳治成，宋維峰，魏 崢，馬 菁，劉宗濱

（西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650224）

元陽(yáng)梯田水源區(qū)優(yōu)勢(shì)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(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650224）

對(duì)元陽(yáng)梯田水源區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種枯落物水文特性的研究，有利于進(jìn)一步揭示森林的水源涵養(yǎng)功能。通過(guò)野外調(diào)查采樣與室內(nèi)試驗(yàn)分析，對(duì)元陽(yáng)梯田優(yōu)勢(shì)樹種枯落物儲(chǔ)量、持水能力、攔蓄能力以及持水過(guò)程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：枯落物總儲(chǔ)量為6.06～8.2 t/hm2，半分解層的枯落物儲(chǔ)量絕大多數(shù)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(yōu)勢(shì)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(shí)間變化過(guò)程中，在0～2 h時(shí)間段內(nèi)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(shí)間存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系，枯落物吸水速率與時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

元陽(yáng)梯田；枯落物；持水量；有效攔蓄量；吸水速率

在森林水分循環(huán)過(guò)程中，林下枯落物具有較強(qiáng)的持水特性，體現(xiàn)了森林的涵養(yǎng)水源功能[1]。林地枯落物結(jié)構(gòu)比較疏松，具有較強(qiáng)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(duì)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(fā)，同時(shí)對(duì)林下土壤的形成和其成分組成產(chǎn)生重要影響[2-3]。目前，許多學(xué)者在枯落物的儲(chǔ)量、持水特性、攔蓄降水、涵養(yǎng)水源等方面進(jìn)行了大量研究，并取得一定成果[2-7]。當(dāng)前，對(duì)元陽(yáng)梯田水源區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種水文特性方面的研究還比較少，本研究通過(guò)野外調(diào)查取樣和室內(nèi)試驗(yàn)分析，對(duì)元陽(yáng)梯田水源區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種枯落物水文特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)一步揭示當(dāng)?shù)氐湫蜆浞N的水源涵養(yǎng)功能，為梯田的開發(fā)利用和保護(hù)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于云南省南部哀牢山脈南段的元陽(yáng)縣境內(nèi)，研究區(qū)為元陽(yáng)哈尼梯田核心區(qū)上方水源林區(qū)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(qū)屬于中低山丘陵地貌，海拔1 500～2 100 m，為亞熱帶山地季風(fēng)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(fā)量1 184.1 mm；年均日照時(shí)數(shù)1 820.8 h[1，8]。研究區(qū)內(nèi)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(chǔ)量測(cè)定 在全福莊小寨小流域內(nèi)，選取兩塊當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)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(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，大小為20 m×20 m，后者設(shè)置2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，大小為10 m×10 m。在西南山茶林樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向設(shè)定5個(gè)1 m×1 m的大樣方，后者樣地用同樣方法取2個(gè)1 m×1 m的大樣方。在樣方內(nèi)，隨機(jī)選取15個(gè)點(diǎn)（7個(gè)樣方中每個(gè)樣方隨機(jī)選2或3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這15個(gè)點(diǎn)是測(cè)量點(diǎn)，與下文圖表中的樣點(diǎn)不同，下文中的樣點(diǎn)即為選取的7個(gè)樣方）來(lái)測(cè)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(zhì)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(lái)形態(tài)）收集樣品，標(biāo)記、稱重，并帶回實(shí)驗(yàn)室；將枯落物樣品放在80℃下烘干，稱重，測(cè)定其自然含水率?？萋湮飪?chǔ)量以其干物質(zhì)重計(jì)。

表1 研究樣地的基本情況

1.2.2 枯落物持水過(guò)程測(cè)定 采用室內(nèi)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(shí)，靜置5 min直至不再滴水），共計(jì)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(shí)長(zhǎng)的比值。

1.2.3 枯落物攔蓄量測(cè)定 枯落物的實(shí)際攔蓄能力一般用枯落物的有效攔蓄量來(lái)表示[2，11]，其表達(dá)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(chǔ)量（t/hm2）；0.85為系數(shù)[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物儲(chǔ)量

由表2可看出，枯落物總儲(chǔ)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(chǔ)量絕大多數(shù)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(diǎn)4外，其他各樣點(diǎn)枯落物總厚度平均為6.4 cm且分布較均勻；通過(guò)對(duì)表中枯落物儲(chǔ)量和厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可看出，枯落物儲(chǔ)量與其厚度存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，即樣點(diǎn)中枯落物厚度大，其枯落物儲(chǔ)量也大。

2.2 枯落物持水量

枯落物持水能力指標(biāo)一般包括持水量、持水率、吸水速率和攔蓄量等。在對(duì)枯落物持水指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定時(shí)，一般使用枯落物干物質(zhì)的持水量、持水率和吸水速率等來(lái)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(tài)下持水特性，在計(jì)算枯落物持水量指標(biāo)時(shí)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?shù)奈髂仙讲枇挚萋湮镒匀缓时群刀虾驮嗔謽拥氐淖匀缓室?；山頂西南山茶林未分解層平均自然含水率?0%，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(chǔ)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(shí)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(diǎn)4（0.44 kg/m2）未分解層最大持水量值最??；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(diǎn)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(shí)際吸持水分量要大于未分解層，但是優(yōu)勢(shì)不明顯?？萋湮镂捶纸鈱幼畲蟪炙蕵狱c(diǎn)4（105.8%）最小，樣點(diǎn)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(diǎn)4（159.6%），最大的是樣點(diǎn)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(diǎn)4（1.41 t/hm2）最小，與其他樣點(diǎn)值相差較大，除樣點(diǎn)4外，未分解層有效攔蓄量均值為4.45 t/hm2，相當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shí)際攔蓄能力要大于半分解層。

2.3 枯落物持水過(guò)程分析

2.3.1 枯落物持水量與時(shí)間關(guān)系 由圖1可知，各樣點(diǎn)枯落物及其未（半）分解層的持水量隨時(shí)間變化的總體趨勢(shì)是相似的。隨著時(shí)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(shí)間變化已經(jīng)不是太明顯，持水量增加很小；樣點(diǎn)4在3幅圖中持水量值均比較小。利用Excel軟件對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，未分解層、半分解層和總枯落物層持水量與時(shí)間關(guān)系按以下對(duì)數(shù)方程變化：

式中：y為枯落物持水量（kg/m2）；x為浸水時(shí)間（h）；a，b為常數(shù)。

利用Excel和SPSS軟件對(duì)未分解層、半分解層和總枯落物層持水量與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行對(duì)數(shù)方程擬合，由表4發(fā)現(xiàn)擬合相關(guān)系數(shù)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(shí)間呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系。

2.3.2 枯落物吸水速率與時(shí)間關(guān)系 根據(jù)圖2可看出，各樣點(diǎn)的不同枯落物層的吸水速率和時(shí)間關(guān)系的變化曲線是相似的。在0～2 h這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，各枯落物層吸水速率變化較大，隨時(shí)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(jié)合枯落物持水量與時(shí)間關(guān)系可知，在枯落物在達(dá)到其最大持水量時(shí)，其吸水速率也接近于0。通過(guò)Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合處理可發(fā)現(xiàn)，枯落物吸水速率與時(shí)間按如下冪函數(shù)變化：

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

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(shí)間的關(guān)系

利用SPSS對(duì)枯落物吸水速率和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行冪函數(shù)方程擬合分析，根據(jù)表4可知，擬合相關(guān)系數(shù)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(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)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(shí)間的關(guān)系

表4 枯落物持水過(guò)程分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

枯落物儲(chǔ)量是衡量森林植被枯落物非常重要的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)于森林涵養(yǎng)水源功能研究有重要意義[1，14]。本研究發(fā)現(xiàn)元陽(yáng)梯田水源區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種枯落物層厚度大，其儲(chǔ)量也大，其中半分解層的枯落物儲(chǔ)量絕大多數(shù)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(jié)果相一致。其中樣點(diǎn)4的枯落物各層次在進(jìn)行試驗(yàn)收集時(shí)，由于其所在樣方內(nèi)枯枝枯干較多，枯葉及其他枯落物成分相對(duì)較少，造成其試驗(yàn)結(jié)果與所在同一樣地的其他樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)有很大的偏差，對(duì)枯落物持水試驗(yàn)也有很大影響。對(duì)于枯落物儲(chǔ)量和厚度的關(guān)系，在一般情況下是厚度越大儲(chǔ)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(duì)其結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生很大影響[2-3，12-15]。

森林枯落物持水能力體現(xiàn)了森林的涵養(yǎng)水源功能，在森林水分循環(huán)過(guò)程中有重要影響[11-13]。在本研究中可發(fā)現(xiàn)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?yàn)榍罢咚幒０屋^高，由于當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩赜绊?，在山頂西南山茶林樣地?huì)經(jīng)常出現(xiàn)水霧受到霧水的影響較大，其空氣濕度明顯高于海拔相對(duì)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(diǎn)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?yàn)槠淇萋湮锍煞种锌葜莞杀戎剌^大造成其儲(chǔ)量大，而枯枝干吸持水分能力又相對(duì)較弱，使得樣點(diǎn)4的值比較小?？萋湮镂捶纸鈱拥挠行r蓄能力要高于半分解層，在山頂?shù)奈髂仙讲枇謽拥赜葹槊黠@，其原因?yàn)椋何捶纸鈱臃植荚诎敕纸鈱又夏軌蚴紫葦r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(chǔ)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(shí)間的變化存在著顯著的對(duì)數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系[2-3，12，15]?？萋湮飳釉诮钠鹗茧A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?yàn)榻_始時(shí)，枯落物是從干物質(zhì)進(jìn)入持水（吸水）狀態(tài)，枯落物成分間存在較大的水勢(shì)差，所以其持水量和吸水速率開始時(shí)變化明顯（持水量增加，吸水速率減?。詈蠼?jīng)曲線擬合發(fā)現(xiàn)枯落物層持水量與浸水時(shí)間存在顯著對(duì)數(shù)關(guān)系，吸水速率與浸水時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系，馬正銳[2]、王波[3]、周祥[12]和張洪江[15]等在相關(guān)研究中均發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

3.2 結(jié)論

（1）枯落物總儲(chǔ)量為6.06～8.20 t/hm2，半分解層的枯落物儲(chǔ)量絕大多數(shù)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(chǔ)量與其厚度存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，即枯落物厚度越大其儲(chǔ)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(diǎn)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(yōu)勢(shì)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(shí)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(shí)間變化過(guò)程中，在0～2 h時(shí)間段內(nèi)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??；枯落物層持水量與浸水時(shí)間存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系，枯落物吸水速率與時(shí)間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

[1]段興鳳.元陽(yáng)梯田水源區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能研究[D].昆明：西南林業(yè)大學(xué)，2011.

[2]馬正銳，程積民，班松濤，等.寧夏森林枯落物儲(chǔ)量與持水性能分析[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（4）：199-203，238.

[3]王波，張洪江，徐麗君，等.四面山不同人工林枯落物儲(chǔ)量及其持水特性研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（4）：90-94，99.

[4]吳欽孝，趙鴻雁，劉向東，等.森林枯枝落葉層涵養(yǎng)水源保持水土的作用評(píng)價(jià)[J].水土保持學(xué)報(bào)，1998，4（2）：23-28.

[5]宋慶豐，楊新兵，張金柱，等.森林枯枝落葉層涵養(yǎng)水源保持水土的作用評(píng)價(jià)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（6）：2316-2320.

[6]趙鴻雁，吳欽孝，劉國(guó)彬.黃土高原人工油松林水文生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（2）：376-379.

[7]劉玉國(guó)，劉長(zhǎng)成，李國(guó)慶，等.貴州喀斯特山地5種森林群落的枯落物儲(chǔ)量及水文作用[J].林業(yè)科學(xué)，2011，47（3）：82-88.

[8]王卓娟，宋維峰，張小娟，等.元陽(yáng)梯田水源區(qū)主要森林植被調(diào)查研究[J].山東林業(yè)科技，2015（1）：33-38.

[9]趙艷云，程積民，萬(wàn)惠娥，等.六盤山不同森林群落地被物的持水特性[J].林業(yè)科學(xué)，2009，45（4）：145-150.

[10]饒良懿，朱金兆，畢華興.重慶四面山森林枯落物和土壤水文效應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（1）：33-37.

[11]周祥，趙一鶴，張洪江，等.云南高原典型林分林下枯落物持水特征研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（2）：248-252.

[12]高人，周廣柱.遼寧東部山區(qū)幾種主要森林植被類型枯落物層持水性能研究[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（2）：115-118.

[13]臧廷亮，張金池.森林枯落物的蓄水保土功能[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（2）：81-84.

[14]高成德，余新曉.水源涵養(yǎng)林研究綜述[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22（5）：78-82.

[15]張洪江，程金花，余新曉，等.貢嘎山冷杉純林枯落物儲(chǔ)量及其持水特性[J].林業(yè)科學(xué)，2003，39（5）：147-151.

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(guó)家自然科學(xué)基金“基于氫氧同位素技術(shù)的哈尼梯田水源區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究”（41371066）

陳治成（1988—），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯炙摹-mail：czcqgq98＠163.com

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